Installation d'un capteur solaire de type concentrateur

Installation d'un capteur solaire de type concentrateur

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Objectif

Documenter la performance d'un capteur solaire de type concentrateur en climat nordique, monté sur un suiveur solaire à deux axes.

Description

En moins d'une heure, toute la surface éclairée de la terre reçoit du soleil autant d'énergie que n'en consomme toute l'économie mondiale en une année entière. Au Québec, cela correspond à 1 300 kWh ou 123 mètres cubes de gaz naturel reçus annuellement sur chaque mètre carré de surface exposée au soleil, soit davantage que dans plusieurs pays d'Europe. Les capteurs solaires thermiques sont, sous certaines conditions, les plus efficaces et les plus avantageux pour recueillir un maximum de cette énergie solaire, d'autant plus que près des trois quarts de l'énergie consommée dans les bâtiments sert au chauffage de l'espace et à la production d'eau chaude sanitaire. En climat plus nordique, tel qu'au Québec, le défi est d'obtenir des capteurs performants même par temps froid. À cet effet, la meilleure technologie jusqu'à présent disponible sur le marché est le collecteur solaire avec tubes sous vide. Par contre, l'efficacité des tubes chute rapidement à mesure que la température extérieure se refroidit, pour atteindre aussi peu que 10 à 15 % en hiver, alors que c'est à ce moment que les besoins en chaleur sont les plus importants et que le soleil est le plus intense.

Le projet d'Écobâtiment consiste en la mise à l'essai d'un capteur solaire de type concentrateur, d'une puissance crête de 12 kW, jumelé à une réserve thermique de 1938 litres d'eau. Il est constitué d'une surface réfléchissante qui renvoie le soleil en un point focal afin de le concentrer sur un récepteur, d'où est récupérée l'énergie, sous forme de chaleur, par un circuit de caloporteur. Le concentrateur demeure orienté en direction du soleil grâce à un système de poursuite à deux axes, l'un pour l'azimut et l'autre pour l'élévation, dispositif permettant d'aller chercher 33 % plus d'énergie qu'un capteur fixe.

Le capteur solaire de type concentrateur a l'avantage majeur d'être très performant. Son rendement, de l'ordre de 60 % à 80 %, déjà supérieur au rendement moyen de 35 % des tubes sous vide, sera beaucoup moins affecté par le froid dans pareille situation. La performance des tubes sous vide est rapidement réduite par temps froid puisque leur surface de captage est égale à leur surface de perte thermique.

Dans le cas des concentrateurs, la surface du récepteur thermique est beaucoup plus petite que la surface par laquelle sont interceptés les rayons solaires. Le ratio des surfaces peut être très variable selon le système, pouvant aller de 1 pour 10 à 1 pour 10 000. Pour cette raison, les pertes thermiques à l'environnement sont d'autant plus diminuées et l'efficacité augmentée, particulièrement par temps froid. Puisque ce type de capteur concentre en un point focal l'énergie solaire, il peut chauffer efficacement un liquide caloporteur à haute température, même en hiver, chose qui est impossible pour les autres types de capteurs.

Le niveau élevé de la température du caloporteur de concentrateur solaire est d'une importance capitale puisqu'elle ouvre alors la porte à l'intégration de l'énergie solaire à tous les bâtiments multilogements, sociocommunautaires, commerciaux et industriels qui sont chauffés par des réseaux de chaleur hydroniques, soit une part importante du parc immobilier québécois. Ce capteur peut s'intégrer à tout système de chauffage central en place, chose impossible pour les autres capteurs, en raison de leur faible efficacité pour la production de chaleur à haute température. Les hautes températures qui peuvent être atteintes permettent même la production de chaleur pour des procédés industriels. Les concentrateurs sont évolutifs et peuvent être adaptés dans le temps selon les besoins. Des unités supplémentaires peuvent être ajoutées au besoin pour plus de puissance et la température de la chaleur obtenue peut être ajustée selon les systèmes en place dans le bâtiment. Il est même possible d'opérer efficacement des thermopompes solaires pour la production de froid.

L'énergie solaire captée par le concentrateur installé est transmise sous forme de chaleur par caloporteur et via échangeurs thermiques au système de chauffage central à eau chaude du bâtiment et à l'eau chaude sanitaire, qui sont tous deux normalement chauffés par le gaz naturel. Puisque la ressource solaire est variable pendant la journée et tout au long de l'année et qu'il en est de même avec les besoins en chauffage et d'eau chaude sanitaire, une réserve thermique isolée de 1938 litres d'eau est installée afin d'harmoniser les besoins et la ressource. La réserve thermique reçoit d'abord toute la production d'énergie solaire pour ensuite retransmettre cette dernière aux postes de consommation.

Dans le cadre du présent projet de démonstration, les températures et débits sont mesurés tant à la production qu'à la consommation d'énergie. Les données compilées automatiquement depuis l'installation seront analysées et comparées aux prédictions afin de corriger, s'il y a lieu, les modèles pour de futurs projets. L'exercice permettra aussi de déterminer quel poste de consommation, de l'eau chaude domestique ou du réseau de chauffage, profite le plus d'un collecteur de type concentrateur.

Partenaires
  • Fonds en efficacité énergétique de Gaz Métro
  • Ressources naturelles et Faune
  • fondation GDG 2012