Comparer le rendement des capteurs solaires, capteur plan et capteur tubes

Comment interpréter les données techniques:

Rendement d'un capteur par la méthode européenne

Les données et formules de base sont données dans la norme EN 12975-2, partie 6.14.85.5.
La courbe de rendement d'un capteur est définie par l'équation suivante :
n = n0 - a1 × ((Tm - Text) / G) - a2 x G × ((Tm - Text) / G)²,
où :
n est le rendement du capteur ;
n0 le coefficient de conversion optique du capteur (en %) ;
a1 le coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur (en W/m².K) ;
a2 le coefficient de déperditions thermiques par convection du capteur (en W/m².K²) ;
Tm la température moyenne du capteur (en °C) ;
Text la température extérieure (en °C) ;
G l'irradiation solaire (en W/m²).
Si DT = Tm - Text, l'équation peut être réduite ainsi :
n = n0 - a1 × (DT / G) - a2 × G × (DT / G)²

Échelles de valeurs

Le facteur optique n0
Le facteur optique (n0) varie suivant la nature du capteur : attention, il est calculé en fonction de sa surface
Concrètement, il s'agit généralement de la surface réellement utile du capteur, celle susceptible d'absorber l'énergie solaire. Pour un capteur plan, cette surface utile correspond à la surface totale moins les surfaces liées aux isolants des bords et les cornières. Pour un capteur à tubes sous vide, c'est la surface réellement exposée des tubes (les espaces entre les tubes sont considérés comme fonctionnels). Ce facteur optique varie entre 0,5 et 0,8. Il correspond au rendement maximal du capteur (quand DT = 0).

Le coefficient a1
Exprimé en W/m².K, le coefficient a1 est représentatif des pertes thermiques par conduction du capteur. Il dépend essentiellement du niveau d'isolation du capteur et de la nature de l'absorbeur, et varie fortement en fonction du type de capteur :
capteur sans vitre, 20 à 25 et plus ;
capteur vitré simple, de 4 à 6 et plus ;
capteur vitré sélectif, de 3 à 5 ;
capteur sous vide à revêtement interne AL-N/AL, de 2 à 3 ;
capteur sous vide à revêtement interne SS-C/CU, de 1 à 2.

 Le coefficient a2
Exprimé en W/m².K², le coefficient a2 est représentatif des pertes thermiques par convection du capteur. Il dépend essentiellement de la qualité de l'absorbeur du capteur et de sa nature, et varie fortement en fonction du type de capteur :
capteur vitré simple, de 0,05 à 0,1 et plus ;
capteur vitré sélectif, de 0,005 à 0,015 ;
capteur sous vide à revêtement interne AL-N/AL, de 0,006 à 0,010 ;
capteur sous vide à revêtement interne SS-C/CU, de 0,004 à 0,007.

Représentatin graphique:

Supposons un capteur  avec K = 0,70, a1 = 3,5 et a2 = 0,02 :
n = 0,7 - 3,5 × (DT / G) - 0,02 × G × (DT / G)².

DANS LA REALITE

Une surface hors tout occupée par un capteur de 1 m2 recoit du soleil par temps clair une puissance que l'on peut évaluer en moyenne à 1 000 W.
Qu'en reste-il-au final ?

 
Calcul de rendement final
ramené à la surface hors tout qui nous interesse

Selon que l'on parle de surface hors tout , de surface d'entrée, les rendements ne sont évidemment pas les mêmes. Pour comparer deux capteurs, il est donc très important de vérifier que les caractéristiques fournies sont bien relatives à la même surface: c'est à dire à la surface occupée du capteur sur son lieu d'implantation !
Suivant la norme qui teste les capteurs par rapport à la surface d'entrée et non par rapport à la surface hors tout, les capteurs à tubes sont anormalement avantagés

Pour passer d'un coefficient exprimé pour une surface à un autre coefficient, il suffit de le multiplier par le rapport des surfaces :
nhorstout = nabs × Shorstout / Sabs, a1horstout = a1abs × Shorstout / Sabs et a2horstout = a2abs × Shorstout / Sabs.

Sur le graphique ci-dessous sont regroupés des bons et des mauvais capteurs tubes, des bons et des mauvais capteurs plans, rendements ramenés aux surfaces hors tout exposées:

Les capteurs tubes sont donnés sur les 3 courbes les plus horizontales.

capteur plan du marché dans la gamme des revêtements Tinox,
 
 

Comparaison des capteurs tubes avec les capteurs plans:

Si l'on compare le meilleur capteur tube du marché au meilleur capteur plan, on s'aperçoit que quelque soit le Delta T étudié le plan a toujours un rendement supérieur.
 
 

Si l'on se place dans les delta T utilisé en chauffage basse température (exemple: delta T 30°):

on va comparer par exemple le meilleur capteur plan avec le capteur revêtement peint en noir et aussi la courbe verte qui commence au même endroit à Delta T 0° que le plan peint (la courbe verte et celle pentue représentent la même technologie de capteurs chez un fabricant qui décline son matériel en peint et en revêtement tinox),
 
 
 
 

Nous avons donc à delta T 30°:

le capteur noir est à 45%
le même en tinox est 50%

le meilleur capteur du marché est à 63%

le meilleur tube est à 45% (comme le plan peint étudié)
le moins bon est à 33%

étude du capteur plan peint: sa courbe étant très pentue on pourrait penser à l'éviter car son rendement chute énormément dans les hauts delta T. Ce serait une grave erreur car c'est justement ce défaut qui va éviter la surchauffe estivale due à une très faible demande (ECS seule), C'est la raison principale pour laquelle les installations solaires anciennes ne posent guère de problèmes de maintenance.
 
 

Si l'on se place en production d'ECS seule avec une surface de captage faible:

étude à delta T 55 par exemple (en imaginant qu'il fasse 10° dehors, 65° dans le capteur pour produire de l'ECS à 55°):

le capteur plan peint est à 25%
le meilleur plan du marché (tinox) est encore à 50%

Dans ce cas évidement c'est vers le tinox qu'il faut se tourner.