Capteur solaire à vide : principe de fonctionnement + comment le fabriquer soi-même

Des sommes considérables sont dépensées pour l'eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux. Mais il existe une source d'énergie alternative : le capteur solaire sous vide. Vous en avez entendu parler ? Il permet de réduire considérablement les coûts financiers pour maintenir le confort, tout en offrant un effet de chauffe maximal avec des pertes de chaleur minimales.

Cet appareil peut être acheté auprès des fabricants d'équipements domestiques ou assemblé vous-même à la maison. Pour choisir le modèle adapté, vous devrez étudier beaucoup d'informations. Nous vous aiderons à déterminer les principaux critères d'achat.

Dans cet article, nous aborderons le principe de fonctionnement et la structure du capteur sous vide. Nous vous expliquerons les particularités de construction des différents modèles, examinerons les avantages et les inconvénients de ces installations. De plus, nous décrirons en détail comment fabriquer et installer vous-même un capteur solaire sous vide.

Le matériel est accompagné de vidéos dans lesquelles vous découvrirez les caractéristiques importantes et les principes de fonctionnement des capteurs sous vide.

Principe de fonctionnement du dispositif sous vide

Contrairement aux systèmes héliothermiques classiques, le capteur solaire à vide se distingue par sa méthode de transformation de l'énergie solaire. Une batterie classique se contente de capter la lumière et de la convertir en électricité. Le capteur, quant à lui, est constitué de tubes de verre dans lesquels un vide est recréé. Ils sont assemblés en un seul système à l'aide de nœuds de raccordement spéciaux.

À l'intérieur de chaque tube se trouve un canal constitué d'une ou deux tiges en cuivre contenant un fluide colaoporteur. En captant les rayons du soleil, l'élément actif chauffe le matériau caloporteur, assurant ainsi le fonctionnement du capteur.

Grâce à cette conception, le niveau de rendement énergétique augmente considérablement et les pertes de chaleur sont réduites de manière significative, car la couche de vide permet de conserver environ 95 % de l'énergie solaire captée.

Le capteur solaire à tubes sous vide, installé sur le toit d'une maison individuelle, fournira de l'eau chaude aux résidents tout au long de l'année et, en saison froide, permettra de chauffer confortablement la pièce sans y consacrer de moyens financiers importants.

De plus, la dépendance des performances du capteur vis-à-vis de la saisonnalité, de la température ambiante et de diverses conditions météorologiques telles que les rafales de vent, la nébulosité variable, les précipitations, etc., est réduite.

Comment est conçu un capteur de type sous vide ?

Les appareils à vide modernes, qui fournissent chaleur et eau chaude aux locaux grâce à l'énergie solaire, diffèrent technologiquement.

Les capteurs sont divisés en types suivants :

• tubulaire sans revêtement de protection en verre ;
• module à conversion réduite ;
• version plane standard ;
• dispositif avec isolation thermique transparente ;
• unité à air ;
• capteur plan à vide.

Le capteur solaire à tubes sous vide est capable de fournir l'eau chaude sanitaire et le chauffage en toute saison et par tous les temps (+)

Ils présentent tous une similitude structurelle commune, à savoir ils sont constitués de :

• d'un tube transparent extérieur dont l'air a été totalement évacué ;
• d'un conduit chauffant situé dans le grand tube, où circule le fluide caloporteur liquide ou gazeux ;
• d'un ou deux collecteurs de distribution auxquels sont raccordés les tubes de plus gros calibre et dans lesquels pénètre le circuit de circulation des tubes fins placés à l'intérieur.

Dans son ensemble, la structure rappelle une bouteille thermos aux parois transparentes, dans laquelle est maintenu un niveau d'isolation thermique exceptionnellement élevé. Grâce à cette particularité, le corps du tube intérieur acquiert la capacité de chauffer efficacement et de restituer pleinement la ressource énergétique au fluide caloporteur qui circule à l'intérieur.

Nuances de construction et classification

Les capteurs de type vide sont classés selon le type de tubes de verre installés dans la structure, ou selon les caractéristiques des canaux thermiques. Les tubes sont généralement coaxiaux ou à ailettes, et les canaux thermiques sont de type en U à flux direct ou de type heat pipe.               .

Caractéristiques des tubes coaxiaux

Les tubes coaxiaux sont constitués d'une double ampoule en verre de type thermos avec un espace sous vide créé artificiellement entre les parois. La surface intérieure du tube possède une couche de revêtement spécial absorbant la chaleur, de sorte que le transfert de chaleur effectif se fait directement depuis les parois de l'ampoule en verre.

Les tubes coaxiaux sont fabriqués en verre haute résistance à base de borosilicates, offrant une grande transparence à la lumière. Selon le fabricant, les éléments comportent jusqu'à trois couches de revêtement par pulvérisation magnétron, présentent une excellente résistance et une bonne tenue aux diverses manifestations atmosphériques (pluie, grêle, etc.), supportent une pression de 1 Mpa et fonctionnent de manière fiable pendant 15 ans.

En tant qu'élément absorbant, un tube en cuivre contenant une composition éthérée est soudé dans le tube de verre. Pendant le chauffage, il s'évapore, restitue efficacement sa chaleur, se condense et s'écoule vers la partie inférieure du tube. Ensuite, le cycle se répète, créant ainsi un processus continu d'échange thermique.

Particularités des tubes à ailettes

Les tubes à ailettes sous vide ont une épaisseur de paroi plus grande que les tubes coaxiaux et ne sont constitués que d'une seule ampoule, et non de deux. L'élément d'absorption interne en cuivre est équipé sur toute sa longueur d'un renfort solide – une plaque ondulée avec un revêtement hautement absorbant l'énergie.

Grâce à cette particularité de conception, le vide est situé directement dans le canal thermique, dont une partie, avec l'absorbant, est intégrée directement dans l'ampoule.

Le tube à ailettes sous vide contient à l'intérieur une plaque dont la forme rappelle une plume. En termes de rendement, il dépasse les capacités de son homologue coaxial, mais il a un coût nettement plus élevé et est difficile à remplacer en cas de rupture de l'ampoule ou de défaillance de l'élément chauffant.

Les capteurs fabriqués à base de tubes à ailettes sous vide sont considérés comme les plus efficaces de leur catégorie, répondent parfaitement aux exigences et fonctionnent de manière fiable pendant de nombreuses années.

Principe de fonctionnement du canal thermique heat pipe

Les canaux thermiques heat pipe sont constitués de tubes fermés contenant un liquide facilement vaporisable. Sous l'effet des rayons du soleil, il se réchauffe, remonte dans la partie supérieure du canal et se concentre dans un collecteur thermique spécial (manifold).

À ce moment, le fluide de travail cède toute la chaleur accumulée et redescend pour recommencer le processus.

La douille de l'échangeur de chaleur heat-pipe se connecte à l'échangeur du manifold par le biais d'un embout spécial soudé dans l'échangeur à 1 tube lui-même, ou bien elle est enveloppée par un échangeur à 2 tubes.

L'élément de travail du canal thermique heat pipe est fabriqué en cuivre, plus rarement en aluminium. Il présente une grande résistance aux contraintes d'exploitation, fonctionne de manière fiable pendant 15 ans, a un coût raisonnable et est l'un des éléments les plus populaires des systèmes solaires sous vide de type tubulaire.

Le fluide caloporteur prélève l'énergie stockée dans le réservoir thermique et la transporte dans le système, assurant ainsi la disponibilité d'eau chaude aux robinets et aux radiateurs de chauffage. Le système heat pipe est facile à installer et démontre une grande efficacité en fonctionnement.

Les capteurs équipés de tubes sous vide heat pipe se distinguent par un bon niveau de fiabilité et conviennent à une utilisation non seulement domestique, mais aussi dans les systèmes solaires thermiques à haute pression.

En cas de panne ou de défaillance, il est possible de remplacer facilement le composant défectueux par un neuf, sans avoir à reconstruire tout le système.

Les travaux de réparation peuvent être facilement effectués directement sur le site du capteur, sans démonter l'unité et sans effort excessif.

Description de l'échangeur de chaleur à flux direct en forme de U

Le tube de l'échangeur à flux direct a la forme d'un U. De l'eau ou un fluide caloporteur du système de chauffage y circule. Une partie de l'élément est destinée au fluide froid, l'autre évacue correctement le fluide déjà chauffé.

Lorsqu'il est chauffé, le fluide actif se dilate et entre dans le réservoir de stockage, créant ainsi une circulation naturelle du liquide dans le système. Un revêtement sélectif spécial appliqué sur les parois internes augmente la capacité d'absorption thermique et améliore l'efficacité globale du système.

Par rapport aux tubes de type heat-pipe, les produits en forme de U ont une résistance hydraulique plus élevée, exigent davantage du fluide caloporteur et sont nettement plus coûteux. Les capteurs fonctionnant avec des tubes en U à flux direct ne peuvent pas fonctionner sous haute pression et ne fournissent un transfert de chaleur de qualité que pendant la saison chaude.

Les tubes en forme de U offrent des performances élevées et une puissance calorifique solide, mais ils présentent un inconvénient majeur. Ils forment une construction intégrale avec le collecteur et sont toujours montés avec lui.

Il n'est pas possible de remplacer un seul tube défectueux. Pour la réparation, vous devrez démonter l'ensemble complet et le remplacer par un nouveau.

Comparaison des différentes modifications

Lors de la fabrication des héliopompes, les canaux thermiques et les tubes en verre sous vide pour capteurs solaires sont combinés de différentes manières.

Les modèles coaxiaux avec canal thermique heat pipe sont les plus populaires auprès des consommateurs. Les acheteurs sont attirés par le prix abordable des appareils et leur entretien très simple et accessible pendant toute la durée de vie.

Le capteur solaire à tube sous vide avec canal de travail heat pipe se répare facilement. Le remplacement des tubes endommagés s'effectue sur place et ne nécessite pas de démontage du système ni de déplacement. Cependant, l'échange thermique dans ces modèles est complexe, ce qui limite le rendement à 65 % maximum.

Les appareils à tubes sous vide avec canaux heat pipe présentent une fiabilité élevée et ne présentent aucune restriction d'utilisation, même dans les systèmes héliothermiques à haute pression.

Les appareils à ampoule coaxiale contenant des canaux droits en forme de U font également partie des modèles recherchés. Ils se caractérisent par de faibles pertes thermiques et un rendement de 70 % ou plus.

Pour un fonctionnement correct, l'appareil à tube sous vide avec canal en U doit être installé correctement. Il est souhaitable que l'angle d'inclinaison minimal soit d'au moins 20⁰. Ce n'est qu'ainsi que vous obtiendrez un rendement maximal.

La situation est quelque peu gâchée par un processus de réparation complexe, un entretien spécifique en fonctionnement et l'impossibilité de remplacer un élément défectueux individuel. Si quelque chose arrive à l'appareil, il est démonté et un capteur entièrement neuf est installé à sa place.

Les tubes à ailettes sont constitués structurellement d'un seul cylindre en verre avec des parois épaisses et solides (selon le fabricant, à partir de 2,5 mm et plus). L'insert intérieur en absorbant à ailettes enveloppe étroitement le canal de travail en métal conducteur de chaleur.

L'espace sous vide à l'intérieur du récipient en verre crée une isolation presque parfaite. L'absorbant transmet la chaleur absorbée sans perte et offre un rendement système allant jusqu'à 77 %.

En cas de panne, les capteurs équipés de tubes à plumes peuvent être réparés. Il n'est pas nécessaire de changer tout le système, il suffit de localiser le nœud endommagé, de le démonter et de le remplacer par un neuf.

Les modèles à élément à plumes coûtent un peu plus cher que les modèles coaxiaux, mais grâce à leur haute efficacité, ils assurent un confort optimal dans la pièce et sont rapidement amortis.

Les plus efficaces et les plus performants sont les ballons à plumes avec des canaux internes à flux direct. Leur rendement réel atteint parfois des niveaux records de 80%.

Lors du montage des tubes à plumes dans le cadre, on place sur la tige de chaque pièce un écrou de serrage robuste avec un anneau et un joint thermorésistant. Cela assure l'étanchéité de l'ensemble de la structure et permet au capteur de fonctionner pleinement dans toutes les conditions.

Le prix des produits est assez élevé, et lors d'une réparation, il est impératif de vidanger tout le liquide caloporteur du système avant de procéder au dépannage.

Comment doit être le collecteur de chaleur ?

Le collecteur de chaleur est un autre élément de travail très important du capteur à vide. C'est par cet élément que la chaleur accumulée est transférée des tubes au liquide caloporteur.

Le collecteur de chaleur est situé dans la partie supérieure de l'appareil. L'un de ses composants, le noyau en cuivre, reçoit l'énergie et la transmet au liquide caloporteur principal qui circule dans un système fermé « échangeur de chaleur du réservoir-capteur ».

Un circulateur connecté au système garantit un fonctionnement correct. L'automatique qui contrôle le complexe de chauffage surveille attentivement le niveau de température dans les canaux et, en cas de baisse en dessous du minimum critique admissible (par exemple, pendant la nuit), arrête le fonctionnement de la pompe.

Cela permet d'éviter un réchauffement inverse, lorsque le liquide caloporteur commence à extraire la chaleur de l'eau chaude accumulée dans le ballon de stockage.

Avantages et inconvénients des capteurs de type sous vide

Le principal avantage des unités est l'absence quasi totale de pertes de chaleur pendant leur fonctionnement. Cela est dû à l'environnement sous vide, qui est l'un des meilleurs isolants naturels. Mais la liste des avantages ne s'arrête pas là.

Les dispositifs présentent également d'autres avantages notables :

• efficacité de fonctionnement à basse température (jusqu'à -30°C) ;
• capacité d'accumulation de température jusqu'à 300°C ;
• absorption maximale possible de l'énergie thermique, y compris le spectre invisible ;
• stabilité opérationnelle ;
• faible sensibilité aux conditions atmosphériques agressives ;
• faible prise au vent due aux particularités structurelles des systèmes tubulaires, capables de laisser passer à travers eux des masses d'air de différentes densités ;
• haut niveau d'efficacité dans les régions au climat tempéré et froid avec peu de jours clairs et ensoleillés ;
• longévité dans le respect des règles de base d'utilisation ;
• accessibilité pour la réparation et possibilité de remplacer non pas l'ensemble du système, mais seulement un élément défaillant.

Parmi les inconvénients, on cite l'incapacité des collecteurs à s'auto-nettoyer du givre, de la glace et de la neige, ainsi que le prix élevé des pièces nécessaires au montage de l'unité à domicile.

Un capteur solaire est un dispositif efficace qui permet de convertir l'énergie solaire en énergie thermique pratiquement sans pertes.

Assemblage du dispositif par vous-même

Le processus d'assemblage du capteur à vide commence par la fabrication d'un cadre de support pour les éléments de travail. Il est installé directement à l'endroit prévu pour l'appareil.

Les dimensions et les proportions du cadre dépendent entièrement du modèle que l'on prévoit de réaliser, et sont généralement indiquées dans les instructions fournies avec les documents d'accompagnement des composants.

Le cadre prêt pour le capteur est fixé sur le toit de manière à occuper une position stable sans osciller. Si le toit du bâtiment est en ardoise, on utilise une poutre de lattage et des vis épaisses de gros calibre. Pour les autres matériaux de couverture, on utilise des ancres ordinaires.

Les points de contact du cadre avec la surface du toit sont en outre fixés avec du mastic afin d'éviter que l'eau ne pénètre dans la maison par les trous à l'avenir. Ensuite, le réservoir de stockage est amené sur le site d'installation et fixé avec des vis sur la partie supérieure du cadre.

À l'étape suivante, on assemble le réchauffeur, le capteur de température et l'évacuateur d'air automatisé. Tous les nœuds auxiliaires et pièces associées sont placés sur les joints amortisseurs fournis. Pour fixer le capteur de température, on utilise une clé à douille.

Ensuite, on aménage l'arrivée des canalisations d'eau. Pour cela, on utilise des tuyaux en tout matériau résistant aux basses températures et capable de supporter jusqu'à 95°C. Les tuyaux et raccords en polypropylène ont fait leurs preuves.

Les tubes en polypropylène sont parfaitement adaptés pour réaliser la connexion entre le capteur solaire et le système d'eau potable d'un logement. Les raccords présentent de bonnes caractéristiques physiques et une endurance opérationnelle, ils servent de manière fiable pendant de nombreuses années et se remplacent facilement en cas de fissures ou de déchirures.

Après avoir raccordé l'alimentation en eau, le réservoir de stockage est rempli d'eau et testé pour vérifier son étanchéité. Si des fuites sont détectées quelque part dans les 3 à 4 heures, elles sont réparées.

Enfin, on installe les éléments chauffants. Pour cela, on enveloppe un tube de cuivre dans une feuille d'aluminium et on le place dans un tube à vide en verre. Par le bas, on fixe une coupelle de maintien et un soufflet en caoutchouc résistant et flexible.

L'embout en cuivre supérieur du tube est enfoncé à fond dans le condenseur en laiton. On ne retire pas la graisse thermoconductrice visqueuse des tubes. On enclenche le mécanisme de verrouillage sur le support et on monte toutes les autres tubes en verre selon le même principe.

Les capteurs solaires tubulaires nécessitent un entretien régulier et un nettoyage obligatoire, en particulier pendant les périodes de fortes chutes de neige. En respectant ces règles simples, ils fonctionneront longtemps et conserveront un haut niveau d'efficacité pendant toute leur durée de vie.

On installe un bloc de montage sur la structure, on y amène une alimentation électrique de 220 volts et on connecte au système trois blocs auxiliaires : la résistance chauffante, le purgeur d'air et le capteur de température.

Enfin, on connecte le contrôleur destiné à gérer correctement l'ensemble. Dans le menu du contrôleur, on saisit les paramètres de fonctionnement souhaités et on lance le système en mode standard.

Un guide étape par étape pour la construction d'un capteur solaire est présenté dans cet article.

Comment bien installer l'appareil ?

Pour qu'un capteur solaire sous vide puisse fonctionner pleinement et fournir efficacement l'énergie nécessaire à un logement, il est nécessaire de lui trouver l'emplacement le plus favorable et d'orienter correctement l'appareil par rapport aux points cardinaux.

Les capteurs solaires à vide sont beaucoup plus pratiques que leurs homologues plats. Lorsque l'un des tubes de travail est endommagé et tombe en panne, il est très facile de le remplacer par un neuf. Après cela, le système continue de fonctionner comme avant. S'il n'est pas possible de remplacer immédiatement l'élément défectueux, ce n'est pas grave. L'appareil peut continuer à remplir ses « fonctions », même s'il comporte un élément endommagé.

Pour les localités de l'hémisphère nord, il est pertinent de placer le capteur sur la partie sud du toit de la maison ou sur le côté ensoleillé du terrain. Il est souhaitable de garantir une déviation minimale pour le plan de l'appareil.

Si vous ne pouvez pas orienter la surface vers le sud, choisissez parmi l'ouest et l'est l'angle le plus lumineux dans un espace ouvert.

La haute efficacité de fonctionnement du capteur de type à vide est également due au fait qu'il fonctionne sur le principe d'un miroir et ajuste sa puissance thermique en fonction de la hauteur actuelle du soleil.

Le complexe solaire énergétique ne doit pas être obstrué par des cheminées, des éléments décoratifs de la toiture, des branches d'arbres étalées ou des bâtiments résidentiels ou techniques hauts. Cela réduira l'efficacité du fonctionnement et diminuera le niveau de chauffage des éléments actifs.

Si l'appareil est correctement positionné, il fournira une puissance calorifique quasiment identique tout au long de l'année, quelle que soit la saison.

Si vous n'avez pas une grande expérience dans la réalisation de travaux complexes de réparation, d'installation et de serrurerie, il n'est pas judicieux de procéder à la mise sous vide des tubes à la maison. Ce processus est très laborieux et nécessite des connaissances spécialisées et un équipement professionnel.

De plus, les éléments de type à vide fabriqués maison ont un rendement bien inférieur à celui des pièces d'usine. Il est donc plus raisonnable d'acheter les produits auprès d'un fabricant spécialisé, puis d'essayer d'assembler plusieurs sections à la maison.

Le site propose une sélection d'articles sur l'installation d'un système de chauffage solaire, nous vous conseillons de les consulter :

1. Systèmes de chauffage solaire : analyse des technologies de mise en place du chauffage à base de systèmes solaires thermiques
2. Chauffage d'une maison individuelle par panneaux solaires : schémas et installation
3. Paneaux solaires flexibles : types, caractéristiques + particularités de connexion

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Description détaillée du tube à vide, de son principe de fonctionnement et des particularités de fonctionnement du capteur solaire dans son ensemble. L'auteur aborde quelques nuances intéressantes et montre que l'installation peut devenir une véritable alternative à la chaudière à gaz.

Informations intéressantes sur le fonctionnement du capteur solaire en période hivernale.

Comment installer correctement un capteur solaire à vide de vos propres mains à la maison. Toutes les nuances du processus, recommandations et conseils utiles.

En connaissant le principe de base de fonctionnement d'un capteur solaire à vide tubulaire, vous pouvez assembler l'appareil vous-même. L'installation répondra parfaitement à vos exigences et besoins personnels.

Ce n'est pas une tâche trop difficile, mais elle demande une attention accrue, de la minutie et de la prudence, sinon le risu d'endommager l'intégrité du bulbe et de compromettre son étanchéité augmente considérablement.

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