Capteur solaire rotatif performant et économique

Albert L.

Voici la traduction d’un travail effectué par un étudiant Hollandais et qui pourrait nous donner des idées. L’auteur de cet article rappelle qu’il n’est pas l’inventeur de ce système. Il s’agit d’une traduction à destination de la communauté francophone.

L’article original en anglais peut être lu en cliquant ici.

La Chaudière Solaire Rotative

Le 4 Février 2005, la chaudière solaire rotative fonctionne en Hollande par 10° de température extérieure et produit de la vapeur à une température de 100 °. Le prototype a coûté moins de 100 euros pour 1m² de surface active.
Ce nouveau système se compose de 2 tubes concentriques. Le tube métallique intérieur absorbe la lumière solaire qu’il transforme en chaleur et fait bouillir l’eau. Le tube extérieur est transparent et rempli d’air. On l’appelle "l’enveloppe".
Le secret du rendement de ce système c’est que l’ensemble tube intérieur–tube extérieur tourne à une vitesse de 60t/mn pour annuler par la force centrifuge ainsi crée, les effets néfastes de la convection thermique dans la couche d’air située entre les tubes.

Le prototype construit avec un revêtement pulvérise type Alanod Sunselect® sur un absorbeur en cuivre, a donné de meilleurs résultats qu’avec une peinture noire habituelle. Il est très important de choisir avec soin et d’appliquer très rigoureusement ce revêtement. Un mauvais revêtement ou un revêtement mal appliqué peuvent diminuer le rendement global de plus de 10%.. Cet écart est ce qui fait la différence entre un système performant et un système ordinaire.

Un modèle mathématique a été créé pour prédire les performances et il fut prédit 68% de rendement. Construites avec soin les chaudières produisirent 61% de rendement sans réflecteur alors que le modèle prédisait dans ce cas 62%... D’après le modèle mathématique qui a été établi, le rendement théorique de la chaudière solaire rotative est sensiblement le même que celui d’un capteur sous vide du commerce. Mais en raison de son poids et des matériaux employés il est bien moins cher.

La chaudière peut avoir un amortissement très court. De plus si la température est suffisante, on pourrait produire de l’électricité.

Pour bien comprendre ce qui suit, il faut savoir que le terme "chaudière", "absorbeur", "collecteur" ou "tube intérieur" désignent le même élément.

Le terme enveloppe ou tube extérieur désigne le même élément.

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Calcul du prix optimum d’un capteur solaire :

La moyenne de l’irradiation solaire est de 2.67 kWh.jour-1.m-2

Le prix supposé du gaz à 0.052 €/kWh

Le montant économisable par an est donc de 2.67.365.0.052=50.68 €.m-2

Si le rendement du système est de 60% et sa durée d’amortissement fixée à 5 ans, le prix maximum d’un capteur solaire est de 50.68.0.60.5= 152 €/m2

Si son prix est plus élevé, il ne se remboursera jamais lui même. S’il est plus bas, son rendement détermine sa faisabilité.

Cela fixe les caractéristiques sévères de conception que les systèmes existants n’atteignent pas. Seul les collecteurs à basse température y parviennent mais les usages de basses températures sont limités.

Description de la chaudière solaire rotative :

C’est une cuve cylindrique fermée aux 2 extrémités, revêtue d’un revêtement sélectif et équipé à chaque extrémité d’un axe tubulaire qui permet à la fois de le supporter, de le faire tourner et d’y faire entrer et sortir le fluide à chauffer.

Ce tube intérieur, est placé dans une enveloppe extérieure faite d’un tube de plastique transparent. L’espace entre ce tube extérieur transparent et l’absorbeur est une couche d’air. (mais l’air est il le meilleur gaz ? NDLAT)

Les bouchons aux extrémités de l’enveloppe, sont en mousse de polyuréthane. Ils sont utilisés pour supporter l’enveloppe et isoler thermiquement l’absorbeur. Un moteur est utilisé pour faire tourner l’ensemble enveloppe absorbeur. Un miroir réflecteur externe est utilisé pour optimiser l’incidence de la lumière solaire sur l’absorbeur.

Le dernier prototype mesurait 1,2 ml de long et 0.50 ml de diametre pour l’absorbeur, qui est constitué d’un tube de cuivre d’épaisseur 0.2mm et recouvert d’un revêtement pulvérisé. Son rendement est de 46 % et il délivre 0.8 kW de vapeur.

La chaudière rotative, au complet, prête à fonctionner

1. Enveloppe transparente externe
2. Bouchons d’ extremités
3. rien
4. Moteur de rotation
5. Réflecteur (miroir)
6. Le tube interne, ou capteur et son revetement selectif noir. Il tourne en même temps que le tube exterieur.

Le prototype n°3

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Fonctionnement théorique et pratique :

La conduction est l’un des principaux transferts de chaleur qui apparaissent dans le collecteur solaire central est Cette conduction de chaleur est due à l’agitation thermique des molécules. Elle donne naissance à des pertes de chaleur à la fois par la couche d’air entre l’enveloppe et le collecteur mais aussi par les extrémités de ce collecteur.

Il est ressorti des calculs que les pertes par conduction de l’absorbeur sont très petites si le rayon de l’enveloppe est bien plus grand que le rayon de l’absorbeur.

La Convection naturelle c’est le mouvement d’un fluide du à une différence de densité.
De l’air chaud est moins dense que de l’air froid. L’air chaud monte donc en raison de la gravité.

Dans notre système, l’air chaud à proximité de la paroi de l’absorbeur est plus léger que l’air froid qui est près de la paroi de l’enveloppe. Il a donc tendance à s’élever pour rejoindre la paroi de l’enveloppe. C’est la convection. Cet air chaud se refroidit au contact de la paroi de l’enveloppe et retourne près de l’absorbeur qu’il refroidit. Ce sont les pertes de chaleur par convection. Les pertes par convection peuvent être estimées par le calcul.

Nous savons à présent que la convection est due à la pesanteur. Or dans un système centrifuge, les éléments les plus denses se dirigent vers l’extérieur tandis que les éléments moins denses se dirigent vers l’intérieur. Cela peut aussi s’appliquer à l’air.
Donc si l’air, l’enveloppe et l’absorbeur tourne avec la même vitesse de rotation, cela cause une accélération centrifuge qui agit sur la couche d’air. Une faible vitesse suffit à obtenir cet effet. La bonne vitesse est celle qui crée une force centrifuge plus grande que la pesanteur.

Par le calcul on détermine que si l’absorbeur a un rayon de 25 cm cette vitesse idéale est de 60 tour par mn.

Le rayonnement est aussi un phénomène important de transmission de la chaleur.
L’absorbeur est d’ailleurs chauffé par le rayonnement solaire.

D’ailleurs, toute surface chaude émet un rayonnement qu’on appelle rayonnement thermique, il s’agit d’un rayonnement infra rouge. Il y a lieu d’en tenir compte dans la conception de l’enveloppe et de l’absorbeur. Les pertes de chaleur par rayonnement de l’absorbeur sont limitées par un choix judicieux du revêtement de cet absorbeur qui doit être très absorbant pour le rayonnement solaire et malgré tout peu émetteur de rayonnement propre du à son échauffement.

Ces types de revêtements ont été beaucoup étudiés. Ils sont appliqués par électro déposition peinture, réaction chimique, pulvérisation, pot de vapeur, oxydation thermique, etc…Ils peuvent atteindre des coefficients d’absorption de 0.9 à 0.98 et peuvent avoir des coefficients d’émission aussi bas que 0.02. Il faut noter que la qualité de ce revetement est cruciale pour l’efficacité des capteurs solaires.

La propriété rayonnantes des surfaces sélectives dépendent de l’angle d’incidence de la lumière . Si l’angle est de 0, alors les rayons heurtent et émergent perpendiculairement à l’absorbeur et le rayonnement est faible. Mais les caractéristiques hémisphériques de l’absorbeur ne permettent pas de bien calculer l’influence de cet angle qui dépend aussi de l’état de rugosité de la surface de l’absorbeur.

L’enveloppe elle aussi rayonne et cela influence son efficacité. Exactement comme l’absorbeur, elle affecte l’efficacité du système par des pertes thermiques. La transparence de l’enveloppe au rayonnement solaire dépend de l’angle d’incidence, de son indice de réfraction et de la polarisation.

Dans notre cas l’enveloppe est en PVC. La qualité de la transmission de la lumière est constante pour des angles d’incidence inférieurs à 40°. Par exemple, si le rayon de l’enveloppe est de 25 cm et le rayon de l’enveloppe est de 45 cm, alors l’angle maximum d’incidence est de 33.7°.

Le miroir réflecteur : Il peut être fait de différentes façons. Il faut savoir qu’on ne peut espérer qu’il reste parfaitement poli car la poussière et les agressions atmosphériques vont rapidement réduire son pouvoir réfléchissant. Ce n’est donc pas une bonne méthode de recourir à des matériaux très performant s’ils ne sont pas protégés par une vitre.

Un film polyester recouvert d’aluminium est un bon compromis et fut utilisé pour les prototypes.

En revanche, la géométrie de ce réflecteur est cruciale pour assurer le meilleur rendement.

Si l’ensemble est étudié pour suivre la course du soleil, il suffira d’utiliser un miroir parabolique. Avec un miroir stationnaire, il n’y a pas de solution connue donc quelques recherches ont été faites et concluent que la forme et la taille du miroir dépendent de la latitude de la hauteur du soleil et des pertes de chaleur du collecteur. Il faut aussi tenir compte que le soleil peut être obscurci par des nuages.

Le facteur de concentration qu’on peut attendre d’un miroir idéal est de 3 . Il a été fait un petit programme de calcul pour calculer le facteur de concentration en fonction de l’angle d’incidence des rayons du soleil sur une forme de miroir donnée.

Voici la visualisation du parcours des rayons solaires. L’absorbeur est en vert, le réflecteur en violet les rayons incidents sont jaunes, ceux réfléchis sont blancs.

D’après ce programme il y a une infinité de formes.
Cependant nous pensons qu’un facteur de concentration constant est préférable à un facteur de concentration élevé.

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Problème mécanique :

A propos de la puissance nécessaire pour mettre l’ensemble en rotation, elle est négligeable si l’ensemble est construit de manière sérieuse avec les minimums de frottements. Quelques watts suffisent et ce n’est rien comparativement à l’énergie gagnée grâce à la chaudière.

Fonctionnement pratique :

Durant les essais le matériel fut utilisé d’abord à vide, sans rotation et sans réflecteur. Une température de 85° fut atteinte. Cela prouvait que le revetement absorbant du collecteur était efficace. Puis il fut mis en mouvement. Le moteur consommait 8 watts à 75 t/mn et la température atteignit 100 °. L’eau fut alors introduite dans le système par son axe. De la vapeur s’échappa alors par l’autre axe..La rotation fut arrêtée tandis que le rayonnement solaire était encore constant. La vapeur cessa et la température du collecteur diminua prouvant que la rotation supprimait la convection et améliorait le rendement.

Le second prototype fut construit pour obtenir des mesures quantitatives. Il était en particulier prévu de faire la chaudière la plus grosse possible parce que le modèle mathématique indiquait que cela était bon pour le rendement.
En effet, si le diamètre est plus grand, la surface relative de l’enveloppe est aussi plus grande.

Si la longueur est plus grande, l’influence sur le prix des bouchons d’extrémité est plus faible.

Enfin une plus grande chaudière génère plus de vapeur.

Le 2eme prototype avait donc un tube intérieur de 3ml de long et de 50cm de diamètre et une épaisseur de 0.6mm. Une peinture Solkote sélective était appliquée sur ce tube en acier galvanisé. Mais par la suite Alamo Sunselect® appliqué sur un tube cuivre donna un meilleur rendement.

L’enveloppe avait 90 cm de diamètre. L’ensemble fut installé incliné à 45° et mis en rotation à 60tmn. Il fut introduit 8 litres d’eau dans le tube central.

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Les performances atteintes :

La production de vapeur en fonction du temps obtenue avec le 3eme prototype

La surface irradiée est de 0.6 m². La puissance délivrée est de 335 watts, et le rendement de 61%.

La température extérieure de 7°C. Le modèle avait prédit un rendement de 62% en utilisant un absorbeur hémisphérique ayant un coefficient d’absorption de 96,1%. Cela signifie que l’absorbeur utilisé est tout a fait satisfaisant et que nous sommes très proches des caractéristiques des meilleurs capteurs du marché qui sont pourtant beaucoup plus chers. Malgré des effets dus à la construction sommaire des réflecteurs qui limitent un peu les performances, il faut noter que produire de la vapeur à 558 W/m² et avec 93° de différence de température est un excellent résultat.

Les performances du prototype 3 : la production de vapeur et le rayonnement solaire en fonction du temps. La température extérieure était de 18°C

Pendant la mesure les conditions atmosphériques ont considérablement varié, des nuages ont occulté parfois le soleil et le vent faisait varier les mesures.


Pour ce qui concerne le miroir réflecteur, voici les facteurs de concentration du rayonnement qu’on obtient en fonction de l’angle du soleil avec le réflecteur, pour différentes tailles et géométries.

C’est un paramètre important auquel il faut absolument veiller. L’idéal serait d’avoir un facteur de concentration assez constant plutôt qu’un facteur élevé. Hélas, au vu du graphique, cette forme ne semble pas exister.

Les coefficients d’émission et de réflexion de différents matériaux de revêtement du réflecteur
La transmission de la lumière à travers le PVC en fonction de l’angle d’incidence en ° des rayons lumineux.

On voit qu’en dessous de 40° c’est satisfaisant

Calcul de l’angle d’incidence maximum des rayons du soleil sur l’enveloppe

pour qu’ils atteignent l’absorbeur en fonction des rayons de chacun. Ici avec 25 cm pour l’absorbeur et 45 cm pour l’enveloppe on trouve un angle maxi de 33.7°. pour un tube sous vide du commerce dont les rayons sont respectivement 23.5 mm et 29 .. cet angle est de 54°1 Dans ce cas le collecteur est fait de verre borosilicate (Pyrex) et il a un coefficient total de transmission de 0.921. Pour les prototypes 2 et 3 de chaudière tournante, ce coefficient est de 0.916 bien que le PVC soit utilisé pour l’enveloppe.

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Et si vous voulez vous construire votre CESI vous-même, voici ma recommandation : Réaliser un Chauffe-eau solaire

Références