Collecteurs solaires à tubes évacués pour l’eau chaude
Le collecteur à tubes évacués (ETE) est constitué de plusieurs tubes en verre scellés contenant une tige ou un tube en cuivre thermiquement conducteur à l’intérieur, ce qui permet une efficacité thermique beaucoup plus élevée et une température de fonctionnement supérieure par rapport aux collecteurs solaires à plaques planes, même par un jour de grand froid.
Dans le tutoriel précédent, nous avons examiné les collectionneurs solaires à plaques planes et constaté qu’ils se composent d’une plaque absorbante en métal noirci et de tuyaux d’eau enfermés dans une boîte en métal (ou en bois) vitrée et isolée. Des tuyaux appelés montants, soudés à la plaque absorbante, transportent un liquide chauffé par le soleil. Dans un système de chauffage direct, l’eau est chauffée alors qu’elle circule à travers les panneaux vers le réservoir de stockage. Dans les systèmes indirects, l’énergie solaire chauffe un mélange de glycol/eau qui ne peut pas geler et qui, à son tour, chauffe l’eau dans le réservoir.
Bien que ce type de système d’eau chaude solaire soit peu coûteux et facile à installer, le problème avec les collecteurs à plaques planes est qu’ils sont « plats ». Cela crée une limitation à leur efficacité car ils ne peuvent fonctionner à une efficacité maximale que lorsque le soleil est directement au-dessus à midi. À d’autres moments, les rayons du soleil frappent le collecteur à des angles variés, rebondissant sur le matériau de vitrage et réduisant ainsi leur efficacité.
Les systèmes d’eau chaude solaire utilisant des collecteurs à tubes évacués comme source de chaleur surmontent ce problème car le collecteur solaire utilise des tubes arrondis individuels qui sont toujours perpendiculaires aux rayons du soleil pendant la majeure partie de la journée. Cela permet à un système d’eau chaude solaire utilisant un collecteur à tubes évacués de fonctionner à une efficacité et température beaucoup plus élevées pendant une période beaucoup plus longue qu’un système de collecteur à plaque plate conventionnel installé.
De plus, un autre avantage de la technologie des tubes évacués solaires est que les problèmes de poids et de structure de toiture causés par les systèmes à plaques plates standard sont éliminés, car les tubes solaires ne sont pas remplis de grandes quantités d’eau lourde.
Collecteur à Tubes Évacués Solaire
Le collecteur à tubes évacués se compose de plusieurs rangées de tubes en verre transparent parallèles reliés à un tube collecteur, utilisés à la place de la plaque absorbante en métal noir cantonnée dans le précédent collecteur à plaque plane.
Ces tubes en verre sont de forme cylindrique. Par conséquent, l’angle des rayons du soleil est toujours perpendiculaire aux tubes absorbants de chaleur, permettant ainsi aux collecteurs de bien fonctionner même lorsque la lumière du soleil est faible, comme tôt le matin ou tard dans l’après-midi, ou lorsqu’ils sont ombragés par des nuages. Les collecteurs à tubes évacués sont particulièrement utiles dans les zones bénéficiant d’hivers froids et nuageux.
Alors, comment fonctionnent les collecteurs à tubes évacués solaires ? Les collecteurs à tubes évacués se composent d’une ou plusieurs rangées de tubes en verre transparents parallèles soutenus par un cadre. Chaque tube individuel varie en diamètre de 1″ (25 mm) à 3″ (75 mm) et de 5′ (1500 mm) à 8′ (2400 mm) de longueur selon le fabricant.
Chaque tube est constitué d’un tube extérieur en verre épais et d’un tube intérieur en verre plus mince, (appelé « tube en verre jumeau ») ou un « tube de thermos » qui est recouvert d’un revêtement spécial qui absorbe l’énergie solaire mais inhibe la perte de chaleur. Les tubes sont fabriqués en verre borosilicaté ou en verre sodocalcique, qui est solide, résistant à des températures élevées et possède un haut taux de transmission pour l’irradiation solaire.
Contrairement aux collecteurs à panneaux plats, les collecteurs à tubes évacués ne chauffent pas l’eau directement dans les tubes. Au lieu de cela, l’air est retiré ou évacué de l’espace entre les deux tubes, formant un vide (d’où le nom tubes évacués).
Ce vide agit comme un isolant, réduisant considérablement toute perte de chaleur vers l’atmosphère environnante, que ce soit par convection ou radiation, rendant le collecteur beaucoup plus efficace que l’isolation interne que les collecteurs à plaque plate ont à offrir. Avec l’aide de ce vide, les collecteurs à tubes évacués produisent généralement des températures de fluide plus élevées que leurs homologues à plaques plates, et peuvent donc devenir très chauds en été.
Collecteur à Tubes Évacués
À l’intérieur de chaque tube en verre, une aile en aluminium ou en cuivre plate ou courbée est attachée à un tuyau de chaleur métallique parcourant le tube intérieur. L’aile est recouverte d’un revêtement sélectif qui transfère la chaleur au fluide circulant à travers le tuyau. Ce tuyau de chaleur en cuivre scellé transfère la chaleur solaire par convection de son fluide de transfert de chaleur interne vers une « ampoule chaude » qui chauffe indirectement un collecteur en cuivre à l’intérieur du réservoir collecteur.
Ces tuyaux en cuivre sont tous connectés à un collecteur commun qui est ensuite relié à un réservoir de stockage, chauffant ainsi l’eau chaude pendant la journée. L’eau chaude peut ensuite être utilisée à la nuit tombée ou le lendemain grâce aux propriétés isolantes du réservoir.
Les propriétés d’isolation du vide sont si bonnes que, tandis que le tube intérieur peut atteindre jusqu’à 150oC, le tube extérieur est frais au toucher. Cela signifie que les chauffe-eaux à tubes évacués peuvent bien fonctionner et chauffer l’eau à des températures relativement élevées même par temps froid, alors que les collecteurs à plaques planes fonctionnent mal en raison des pertes de chaleur.
Cependant, l’inconvénient de l’utilisation de tubes évacués est que le panneau peut être beaucoup plus coûteux par rapport aux collecteurs à plaques plates standard ou aux collecteurs à batch solaires. Les collecteurs solaires à tubes évacués sont bien adaptés aux applications de chauffage d’eau chaude commerciale et industrielle et peuvent être une alternative efficace aux collecteurs à plaques plates pour le chauffage domestique, en particulier dans les zones où il fait souvent nuageux.
Les collecteurs à tubes évacués sont généralement plus modernes et plus efficaces par rapport aux collecteurs à plaques plates standard, car ils peuvent extraire la chaleur de l’air par temps humide et gris clair et ne nécessitent pas de lumière directe du soleil pour fonctionner. Grâce au vide à l’intérieur du tube en verre, l’efficacité totale dans toutes les zones est plus élevée et il y a une meilleure performance même lorsque le soleil n’est pas à un angle optimal.
Pour ces types de panneaux solaires d’eau chaude, la configuration du tube à vide est ce qui est vraiment important. Il existe différentes configurations de tubes à vide : tube à paroi simple, tube à double paroi, circulation directe ou tube de chaleur, et ces différences peuvent déterminer comment le fluide est circulé autour du panneau solaire d’eau chaude.
Collecteurs à Tubes Évacués à Tuyaux Thermiques
Dans les collecteurs à tubes évacués à tuyaux thermiques, un tuyau thermique scellé, généralement en cuivre pour augmenter l’efficacité des collecteurs par temps froid, est attaché à une plaque réfléchissante absorbante de chaleur à l’intérieur du tube scellé sous vide. Le design de l’échangeur thermique solaire à l’intérieur du tube est évacué d’air mais contient une petite quantité d’un liquide à base d’alcool/eau à basse pression ainsi que certains additifs pour prévenir la corrosion ou l’oxydation.
Ce vide permet au liquide de s’évaporer à des températures beaucoup plus basses qu’il ne le ferait normalement à pression atmosphérique. Lorsque la lumière du soleil sous forme de radiation solaire frappe la surface de la plaque absorbante à l’intérieur du tube, le liquide dans le tuyau de chaleur se transforme rapidement en gaz de vapeur chaude grâce à la présence du vide. Comme cette vapeur est maintenant plus légère, elle monte vers la partie supérieure du tuyau, la chauffant à une température très élevée.
La partie supérieure du tuyau de chaleur, et donc du tube évacué, est connectée à un échangeur thermique en cuivre appelé « collecteur ». Lorsque les vapeurs chaudes toujours à l’intérieur du tuyau de chaleur scellé entrent dans le collecteur, l’énergie thermique de la vapeur est transférée à l’eau ou au fluide glycol circulant à travers le collecteur de connexion. À mesure que la vapeur chaude perd de l’énergie et se refroidit, elle se condense à nouveau d’un gaz à un liquide, redescendant par le tuyau de chaleur pour être réchauffée.
Le tuyau de chaleur et donc les collecteurs à tubes évacués doivent être montés de telle manière qu’ils aient un angle d’inclinaison minimum (environ 30o) pour que le liquide interne du tuyau de chaleur puisse revenir au bas du tube vers la plaque absorbante chaude. Ce processus de conversion d’un liquide en gaz et de retour en liquide continue à l’intérieur du tuyau de chaleur scellé tant que le soleil brille.
L’avantage principal des collecteurs à tubes évacués à tuyaux thermiques est qu’il existe une connexion « sèche » entre la plaque absorbante et le collecteur, rendant l’installation beaucoup plus facile que pour les collecteurs à circulation directe. De plus, en cas de fissures ou de ruptures d’un tube évacué, permettant ainsi de perdre le vide, le tube individuel peut être échangé sans avoir à vider ou démonter l’ensemble du système. Cette flexibilité rend les collecteurs solaires d’eau chaude à tubes évacués à tuyaux thermiques idéaux pour les conceptions solaires en circuit fermé, car l’assemblage modulaire facilite l’installation et la possibilité d’ajout de tubes supplémentaires.
Collecteur à Tubes Évacués à Circulation Directe
Les collecteurs à tubes évacués à circulation directe, également connus sous le nom de collecteurs « U », diffèrent des précédents par le fait qu’ils ont deux tuyaux de chaleur traversant le centre du tube. Un tuyau agit comme tuyau de circulation tandis que l’autre agit comme tuyau de retour. Les deux tuyaux sont connectés ensemble au bas du tube avec un coude en « U », d’où leur nom.
La plaque réfléchissante absorbante de chaleur agit comme une bande séparatrice qui divise les tuyaux de circulation et de retour à travers les tubes collecteurs solaires. La plaque absorbante et le tube de transfert de chaleur sont également scellés sous vide à l’intérieur d’un tube en verre, offrant des propriétés d’isolation exceptionnelles.
Les tuyaux de chaleur creux et la plaque réfléchissante plate ou courbée sont fabriqués en cuivre avec un revêtement sélectif pour augmenter l’efficacité globale des collecteurs. Cette configuration de tube évacué particulière est similaire dans son fonctionnement à celui des collecteurs à plaques plates, à l’exception du vide fourni par le tube extérieur.
Étant donné que le fluide de transfert de chaleur circule dans et hors de chaque tube, les collecteurs à tubes évacués à circulation directe ne sont pas aussi flexibles que les types à tuyaux thermiques. Si un tube se fissure ou se casse, il ne peut pas être facilement remplacé. Le système devra être vidé puisqu’il y a une connexion « humide » entre le tube et le collecteur.
De nombreux professionnels de l’industrie solaire pensent que les conceptions à circulation directe sont plus économes en énergie que les conceptions à tuyaux thermiques, car avec le flux direct, il n’y a pas d’échange de chaleur entre les fluides. De plus, dans une construction entièrement en verre à circulation directe, les deux tubes de chaleur sont placés l’un à l’intérieur de l’autre, de sorte que le fluide chauffé passe au centre du tube intérieur, puis remonte à travers le tube absorbant extérieur.
Les tubes évacués à circulation directe peuvent collecter à la fois des radiations directes et diffuses et ne nécessitent pas de suivi solaire. Cependant, diverses formes de réflecteurs à échancrure parabolique, placées derrière les tubes, sont parfois utilisées pour collecter utilement une partie de l’énergie solaire, qui pourrait autrement être perdue, fournissant ainsi une petite concentration solaire.
Autres Considérations lors de l’utilisation de Collecteurs à Tubes Évacués
En raison du vide scellé au sein de leur conception, les collecteurs à tubes évacués peuvent devenir très chauds, dépassant le point d’ébullition de l’eau pendant les mois d’été chauds. Ces températures élevées peuvent causer des problèmes significatifs dans un système d’eau chaude solaire domestique existant, tels que la surchauffe et la rupture des tubes de verre évacués.
Pour aider à éviter cela dans les climats chauds d’été, des vannes de dérivation et de grands échangeurs de chaleur sont utilisés pour « évacuer » l’excès de chaleur, ainsi que des vannes mélangeuses qui mélangent l’eau normale (froide) avec l’eau chaude pour s’assurer que les niveaux de température et de pression ne dépassent jamais certaines limites prédéfinies.
De plus, les collecteurs à tuyaux thermiques ne doivent jamais être exposés à la lumière directe du soleil sans qu’un fluide de transfert de chaleur ne circule à travers l’échangeur thermique. Cela entraînera le fait que l’échangeur de chaleur vide deviendra extrêmement chaud et pourrait se fissurer à cause du choc soudain une fois que l’eau froide commencera à y circuler.
Bien que les collecteurs à tubes évacués soient capables de chauffer l’eau à plus de 50 degrés Celsius en hiver, le tube en verre extérieur d’un tube évacué ne chauffe pas comme un collecteur solaire à plaques plates normal lorsqu’il est utilisé. Cela est dû aux propriétés d’insonorisation inhérentes au vide à l’intérieur du tube qui empêche le tube extérieur de se refroidir par rapport à la température ambiante extérieure, qui peut bien être inférieure à zéro.
Ainsi, pendant les mois d’hiver froids, ces types de collecteurs ne peuvent pas faire fondre la grande quantité de neige qui tombe sur eux à un moment donné, ce qui signifie que déneiger les tubes en verre quotidiennement peut poser un problème sans les casser.
Même s’il neige beaucoup ou qu’il fait très froid, suffisamment de lumière solaire passera pour maintenir les tubes bien au-dessus de zéro et être capables de préchauffer l’eau, qui pourra ensuite être chauffée davantage par un chauffe-eau électriquepoint ou un brûleur à gaz, réduisant ainsi les coûts de chauffage de l’eau en hiver.
Le Collecteur à Tubes Évacués est un moyen très efficace de chauffer une grande partie de votre eau chaude en utilisant juste l’énergie du soleil. Ils peuvent atteindre des températures très élevées mais sont plus fragiles que d’autres types de collecteurs solaires et coûtent beaucoup plus cher à installer. Ils peuvent être utilisés dans un système d’eau chaude solaire actif à circuit ouvert (sans échangeur de chaleur) ou à circuit fermé actif (avec échangeur de chaleur), mais une pompe est nécessaire pour circuler le fluide de transfert de chaleur du collecteur au stockage afin d’éviter une surchauffe.
Dans notre prochain tutoriel sur le chauffage solaire, nous examinerons une autre façon de chauffer l’eau à l’aide d’un type de collecteur de lot communément connu sous le nom d’Intégral Collector Storage (ICS), et nous verrons comment ils peuvent être utilisés pour à la fois générer et stocker l’eau chaude solaire.