Même idéalement installé, un capteur solaire thermique ne pourra pas transmettre au fluide toute l'énergie qu'il reçoit par rayonnement solaire. Les capteurs présentent en effet deux types de pertes.
- Des pertes optiques
- Des pertes thermiques
Ces pertes permettent de définir le rendement global du capteur, pour une situation de fonctionnement donnée.
En premier lieu, les capteurs sont caractérisés par leur rendement optique (coefficient B).
Le rendement optique du capteur représente le pourcentage de la puissance radiative du soleil qui sera réellement absorbée par le capteur.
Remarque
Le rendement optique est parfois appelé rendement solaire. Il ne faut pas le confondre avec le rendement global du capteur qui sera défini plus loin et qui ne peut se calculer que dans une condition de fonctionnement donnée.
Question
Le capteur transforme 1000 [W/m²] de rayonnement solaire en 800 [W/m²] de chaleur pour le fluide caloporteur.
Son rendement optique B est donc le suivant.
(800/1000) x 100 = 80%
Lorsque le fluide caloporteur qui circule dans le capteur s’échauffe, une partie de la chaleur reçue est perdue par convection et par rayonnement vers l’extérieur.
Ces pertes sont caractérisées par un coefficient k (ou a1) exprimé en [W/m².°C]. Le coefficient k indique ces pertes thermiques en watts pour 1 [m²] de capteur et pour un [K] d’écart de température entre le fluide caloporteur et l’air extérieur.
- Les capteurs plans bien isolés ont un coefficient k de l’ordre de 3 [W/m².K].
- Les capteurs sous vide ont un coefficient k de l’ordre de 1 [W/m².°C]. Ils perdent environ 4 fois moins de puissance par convection et conduction pour un même écart de température entre le fluide et l’air extérieur que les capteurs plans.
Le coefficient k (ou a1) du capteur se rapporte à la surface avant du capteur.
Exemple des caractéristiques d’un capteur
Question
La puissance réellement récupérée sera de 730 [W].
Explication
Le flux solaire reçu est de 1000 [W/m²].
La surface du capteur est de 1 [m²]. Il reçoit donc 1000 [W].
Le rendement optique du capteur est de 85%. Donc 850 [W] sont récupérés par l’absorbeur au fond du capteur.Mais une partie de ces 850 [W] s’échappent vers l’extérieur du fait des pertes thermiques du capteur par convection et rayonnement.
La surface avant du capteur est de 1 [m²].
L’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur du capteur est,
70 – 30 = 40 [K].
On peut donc calculer les pertes thermiques du capteur.
P = k x S x ΔT = 3 x 1 x 40 = 120 [W]Au final, la puissance récupérée par le capteur est,
850 – 120 = 730 [W]
Le rendement global d’un capteur se calcule à partir des rendements optiques et thermiques dans des conditions données de fonctionnement du capteur.
On peut définir le rendement global du capteur comme le rapport entre l'énergie récupérée pendant un intervalle de temps donné et l’énergie solaire reçue par le capteur pendant le même intervalle de temps, dans des conditions de fonctionnement données et stabilisées.
Question
73%
Explication
Dans ces conditions de fonctionnement, le rendement global était de 73%.
Le capteur recevait un flux solaire de 1000 [W], mais du fait des pertes optiques et thermiques, seuls 730 [W] étaient au final récupérés par le fluide caloporteur.
Pour 1 [m²] de capteur on peut écrire la formule suivante.
Avec
- Coefficient B = rendement optique
- Rayonnement solaire en [W/m²]
- Déperditions = pertes thermiques du capteur en [W/m²]
Soit
ou
Avec
- k = coefficient de pertes thermiques en [W/m².K]
- Tmf = température moyenne du fluide caloporteur en [°C]
- Text = température extérieure en [°C]
Question
73%
Explication
ou
