Energie solaire thermique (Photo-thermique)
I. Définitions
- Energie thermique :
La chaleur est la forme d'énergie la plus commune. Elle consiste en un mouvement désordonné de molécules et d'atomes, appelé agitation thermique. Elle est omniprésente 23 dans les transformations d'énergie, dont elle constitue souvent un déchet inutilisable.
- L'énergie solaire thermique
Est une forme d'énergie solaire. Elle désigne l'utilisation de l'énergie thermique du rayonnement solaire dans le but d'échauffer un fluide (liquide ou gaz). L'énergie reçue par le fluide peut être ensuite utilisée directement (eau chaude sanitaire, chauffage, etc.) ou indirectement (production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir de l'énergie électrique, production de froid, etc.).
II. Principes physiques
1) L’absorption
L'absorption en optique, ou en électromagnétisme, désigne un processus physique par lequel l'énergie électromagnétique est transformée en une autre forme d'énergie.
Pour les photons (quanta de lumière), l'absorption représente le phénomène par lequel l'énergie d'un photon ( : Relation de Planck-Einstein) est prise par un atome pour passer à un état excité via une transition électronique (L'électron passe d'un état énergétique fondamental vers un état excité).
L’énergie électronique peut être transformée sous les formes suivantes :
- Énergie électromagnétique par l'émission de photon(s) (lumière),
- Transformée en agitation particulaire (augmentation de la vitesse de la particule) ce qui se traduit au niveau macroscopique par une augmentation de la température (l'énergie électromagnétique a été transformée en chaleur),
- En phonon (agitation du réseau cristallin dans un cristal),
- En plasmon (oscillation collective d'électron dans un métal).
2) La conduction thermique
La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d'un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement global de la matière (à l'échelle macroscopique). Elle peut s'interpréter comme la transmission de proche en proche de l'agitation thermique : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l'atome voisin.
N.B : la convection est une autre forme de transfert thermique
III. Capteurs solaires thermiques
Un capteur solaire thermique (collecteur solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la communiquer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur. Cette énergie calorifique peut ensuite être utilisée pour le chauffage de bâtiments, pour la production d'eau chaude sanitaire ou encore dans divers procédés industriels.
Il existe plusieurs types de capteurs :
- Les capteurs plans qui peuvent fournir une eau entre 50 °C et 80 °C ;
- Les capteurs à tubes sous vide assurant une isolation limitant les déperditions par rayonnement et par convection. Ces capteurs sont particulièrement adaptés à la production d’eau chaude sanitaire car ils peuvent fournir une eau jusqu’à 85 °C. Certains capteurs, utilisés pour des applications industrielles, ont une température de chauffe qui peut dépasser les 100 °C ;
- Les capteurs à concentration qui peuvent produire une eau jusqu’à 120 °C, également utilisés pour les applications industrielles.
Energie solaire thermique haute température
Elle est basée sur le principe de la concentration du rayonnement solaire sur une surface de captage qui permet d’obtenir de très hautes températures généralement comprises entre 400 °C et 1000 °C.
- Trois technologies distinctes sont utilisées dans les centrales
solaires à concentration :
Dans les concentrateurs paraboliques, les rayons du soleil convergent vers un seul point, le foyer d’une parabole. - Dans les centrales à tour, des centaines voire des milliers de miroirs (héliostats) suivent la course du soleil et concentrent son rayonnement sur un récepteur central placé au sommet d’une tour.
- Troisième technologie : des capteurs cylindro-paraboliques concentrent les rayons du soleil vers un tube caloporteur situé au foyer du capteur solaire.