Réflecteur parabolique

Le réflecteur parabolique est un dispositif d’énergie solaire thermique conçu pour capter le rayonnement solaire direct du soleil sur une grande surface et le concentrer sur une zone de point focal beaucoup plus petite. La concentration de l’énergie solaire sur une zone réduite génère de la chaleur à haute température avec une bonne efficacité thermique qui peut être utilisée pour produire de l’électricité.

Jusqu’à présent, nous avons observé plusieurs types de conceptions de collecteurs solaires qui utilisent l’énergie du soleil pour chauffer l’eau. Chaque conception, qu’il s’agisse d’un collecteur à panneau plat noirci de base ou d’un collecteur à tube évacué plus avancé, possède ses propres avantages et inconvénients, et pour la majorité des systèmes domestiques d’eau chaude solaire, ces types de collecteurs solaires passifs sont plus que suffisants.

Contrairement aux systèmes paraboliques à miroir, les systèmes à miroirs paraboliques utilisent de longs réflecteurs en courbe qui peuvent augmenter l’énergie solaire reçue de plus de deux fois, produisant ainsi plus de chaleur globale par mètre carré de trough.

La forme des collecteurs solaires concentrants doit être spécifiquement conçue pour que toute la lumière du soleil incidente se réfléchisse sur la surface du collecteur et arrive au même point focal, quel que soit l’endroit où la lumière frappe le collecteur en premier.

Les collecteurs solaires concentrants pour les applications résidentielles sont généralement un « trough parabolique » en forme de U (d’où leur nom) qui concentre l’énergie du soleil sur un tube absorbant appelé récepteur, positionné le long de l’axe du point focal du trough réfléchissant.

Les réflecteurs paraboliques ou PTR sont fabriqués en courbant simplement une feuille de matériau réfléchissant ou hautement poli en forme de parabole. Étant donné que les ondes lumineuses solaires se déplacent essentiellement parallèlement les unes aux autres, ce type de collecteur solaire peut être pointé directement vers le soleil et atteindre tout de même une sortie focale totale de toutes les parties du réflecteur en forme de trough.

Le réflecteur parabolique, lorsqu’il est utilisé comme collecteur d’énergie solaire thermique, est construit comme un long miroir réfléchissant parabolique qui est généralement peint en argent réfléchissant, fabriqué à partir d’aluminium poli, ou utilise des miroirs qui s’étendent linéairement dans la forme de trough. Un tube de chaleur métallique noir à l’intérieur d’un tube en verre scellé, qui peut également être évacué, est utilisé pour réduire les pertes de chaleur. Le tube de chaleur contient un fluide de transfert de chaleur qui est pompé dans une boucle à l’intérieur du tube, absorbant la chaleur au passage.

Le récepteur parabolique peut générer des températures beaucoup plus élevées de manière plus efficace qu’un collecteur à plaque plate unique, car la surface d’absorption est beaucoup plus petite. Le fluide de transfert de chaleur, qui est généralement un mélange d’eau et d’autres additifs ou d’huile thermique, est pompé à travers le tube et absorbe la chaleur solaire atteignant des températures de plus de 200^oC.

L’eau chaude est envoyée à un design d’échangeur de chaleur standard où elle chauffe directement un réservoir de stockage d’eau chaude pour une utilisation dans la maison, rendant ce type d’application d’eau chaude solaire un système actif en boucle fermée. Cependant, les réflecteurs paraboliques n’utilisent que le rayonnement solaire direct pour chauffer le tube récepteur, car le rayonnement solaire diffus ne peut pas être concentré sur l’absorbeur, ce qui les rend moins efficaces lorsque le ciel est nuageux ou lorsque le soleil est mal aligné.

Conception Typique du Réflecteur

Pour surmonter ce problème, la plupart des collecteurs concentrants nécessitent une forme d’équipement mécanique qui oriente constamment les collecteurs vers le soleil, maintenant le tube absorbant à la bonne position focale. Cela peut être réalisé en utilisant un concentrateur solaire à suivi qui aligne le trough avec le soleil tout au long de la journée, maximisant ainsi le gain de chaleur solaire.

Le collecteur a généralement un axe de rotation unique le long de la longueur du trough, qui peut être orienté dans une direction est-ouest, suivant le soleil du nord au sud, ou orienté dans une direction nord-sud et suivant le soleil de l’est à l’ouest.

Les troughs paraboliques sont généralement alignés sur un axe nord-sud et sont tournés pour suivre le soleil au fur et à mesure qu’il se déplace dans le ciel chaque jour, du matin jusqu’à la nuit.

Les avantages de ce type de mode de suivi sont que très peu d’ajustement du collecteur est nécessaire durant la journée, résultant en un trough solaire toujours face au soleil au moment de midi, mais la performance du collecteur tôt le matin ou tard dans l’après-midi est considérablement réduite en raison des grands angles d’incidence du trough.

Bien que les collecteurs solaires à trough utilisent des systèmes de suivi pour rester orientés vers le soleil, ils sont plus efficaces dans les climats ensoleillés où les ressources solaires sont bonnes. Comme de nombreux autres collecteurs solaires, les réflecteurs paraboliques sont modulaires, ce qui signifie que les troughs individuels peuvent être connectés ensemble.

L’avantage ici est que la connexion des troughs crée une plus grande surface d’absorbeur produisant de grandes quantités d’eau chaude solaire qu’un seul trough ne peut créer. De nombreux troughs individuels connectés forment un champ de collecteurs où ils sont reliés ensemble en rangées en série et en parallèle.

En tant que collecteurs concentrants à ligne focale, les réflecteurs paraboliques sont plus efficaces pour les applications industrielles et commerciales qui nécessitent de grandes quantités d’eau chaude en permanence. Dans ces types d’installations, l’énergie solaire capturée par les troughs solaires chauffe un type spécial d’huile thermique à des températures très élevées.

L’huile circulant dans un système actif en boucle fermée est utilisée pour chauffer de grands volumes d’eau ou pour générer de la vapeur à des températures très élevées allant jusqu’à 400^oC, qui peuvent ensuite être utilisées pour produire de l’électricité. De plus, la connexion des troughs parabolriques pour former des champs de collecteurs nécessite de grandes surfaces de terrain pour l’installation, mais elles compensent le besoin d’énergie conventionnelle et offrent des économies d’énergie et des bénéfices environnementaux.

Les concentrateurs solaires tels que les troughs paraboliques, ont une petite surface d’absorption et donc des pertes de chaleur réduites, et offrent des rendements élevés d’environ 12 % à des températures de fonctionnement beaucoup plus élevées par rapport aux collecteurs à panneaux plats standard. Cependant, ils ont l’inconvénient d’avoir un angle de vue plus restreint et, par conséquent, nécessitent une forme de système de suivi ou des ajustements manuels pour rester à la position focale correcte.

De plus, les réflecteurs paraboliques ne peuvent pas collecter la plupart des radiations solaires diffusées. Les collecteurs paraboliques ne sont pas recommandés pour un usage domestique en raison de leur taille et des températures élevées de l’eau, mais sont souhaitables pour certains besoins industriels et commerciaux pour fournir de grandes quantités d’eau chaude et/ou pour produire de l’électricité en faisant fonctionner des turbines à vapeur.

Résumé du Tutoriel

Nous avons vu ici que le réflecteur solaire parabolique est une technologie de concentration solaire maturée et éprouvée utilisée pour chauffer l’eau (ou un autre fluide) à des températures élevées afin de produire de la vapeur pour le chauffage ou la génération d’électricité. Utilisant un réflecteur linéaire en forme de parabole qui concentre le rayonnement du soleil sur un récepteur central situé au point focal de la parabole.

Les systèmes solaires concentrés sont principalement utilisés pour des applications industrielles et pour produire de l’électricité à grande échelle pour les consommateurs et les entreprises. Mais, ils peuvent également être utilisés pour chauffer des bâtiments et même pour générer l’énergie requise pour refroidir un bâtiment.

L’utilisation de réflecteurs et de concentrateurs solaires existe depuis des centaines d’années, car le soleil est une excellente source d’énergie thermique, et comme nous le savons, il est la source d’énergie gratuite la plus abondante au monde. Bien que les systèmes solaires thermiques concentrés paraboliques soient plus adaptés aux applications industrielles, quelque chose d’aussi simple qu’un baril d’huile coupé en deux avec le tube de chaleur positionné au milieu pourrait être utilisé pour préchauffer l’eau pour un usage domestique ou pour le chauffage de piscine.

Cependant, pour des applications domestiques, un collecteur à tube évacué fonctionne mieux avec moins de pertes thermiques du tube absorbeur et une meilleure performance à des températures moyennes et élevées.

Dans le prochain tutoriel sur Le Chauffage Solaire, nous examinerons un autre type de collecteur solaire conçu pour concentrer le rayonnement solaire reçu encore plus vers un point focal unique tout en acceptant la plupart des radiations diffusées, améliorant ainsi leur efficacité.

De plus, ces concentrateurs peuvent être stationnaires ou nécessiter uniquement de petits ajustements saisonniers pour maintenir leur tube de chaleur au bon point focal. Ces types de collecteurs solaires thermiques sont appelés Collecteurs Solaires à Dish, qui peuvent être utilisés pour concentrer l’énergie du soleil sur un seul point.