Collecteurs sans surchauffe grâce aux revêtements d'Anna Krammer

Cette thèse a été dirigée par le Dr Andreas Schueler, chef du groupe Nanotechnologie, et le Prof. Jean-Louis Scartezzini, directeur du Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment de l'EPFL.

Résumé

Les capteurs solaires thermiques pour la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage des lo- caux sont l’un des systèmes de récupération d'énergie solaire les plus utilisés aujourd'hui. Pendant les pé- riodes froides, toute l'énergie absorbée est utile. Pendant les périodes chaudes, cependant, lorsque le rayonnement solaire est abondant et la demande faible, une stagnation se produit. Le fluide caloporteur s'évapore et la température de l'absorbeur solaire peut dépasser 200°C même sous les latitudes centrales européennes. Les glycols contenus dans le fluide caloporteur se dégradent et le cadre, l'isolation thermique et le revêtement de l'absorbeur sélectif se détériorent.

Une nouvelle génération de capteurs solaires qui peut absorber et repousser la chaleur de manière contrôlée est envisagée. Les revêtements absorbants à base de VO₂ thermochrome changent leurs propriétés optiques en fonction de la température. Grâce à la transition thermochrome parfaitement réversible, à une température critique T_C = 68°C, l’émissivité thermique ε_th de l'absorbeur change considérablement, passant de ε_th ≈ 0.05 en dessous de T_C à ε_th ≈ 0.35-0.4 au-dessus de T_C. Une augmentation de la température de transition, avantageuse dans le cas des capteurs solaires, est obtenue par dopage avec du Ge. Avec 5.9 %at de Ge, une T_C ≈ 96°C est observée. Le dopage avec Ge conduit également à l'augmentation de la modula- tion de l'émissivité thermique Δε. De plus, les films cristallins et thermochromes sont obtenus par pulvéri- sation cathodique avec une température de substrat relativement basse (≈ 310°C).

De nouveaux concepts thermochromes impliquant des multicouches inspirées d’interféromètre de type Fabry-Pérot, des absorbeurs avec des spinelles nanoaiguilles ou des nanoparticules plasmoniques de W obtenues par nano-impression, sont étudiés.

La fonction thermochrome est intégrée avec succès dans la conception du revêtement multicouche des absorbeurs solaires sélectifs. Tout d'abord, des absorbeurs basés sur VO₂ et VO₂:Ge et CuCoMnO_x sont pro- posés. Cependant, la grande modulation de l'émittance thermique de Δε > 0.3 observée, s'accompagne d'une augmentation indésirable de α_sol. Les simulations indiquent qu'un matériau avec des indices optiques n et k relativement élevé, inséré entre le substrat et la couche thermochrome peut inverser l'augmentation de α_sol. Le concept est adapté aux absorbeurs industriels TiAlSiN. Des absorbeurs, basés sur Al//TiAlSiN//VO₂:Ge//SiO₂, présentant une diminution de α_sol et une augmentation de ε_th au cours de la transition de phase thermochrome, sont rapportés pour la première fois.

La modulation positive de ε_th et celle négative de α_sol des absorbeurs multicouches réduisent la tempéra- ture de stagnation du collecteur de près de 20°C, la limitant à 159°C. Cela conduit à une durée plus courte des conditions de stagnation et à la réduction globale des charges thermiques sur le système. La dégrada- tion du glycol est réduite, conduisant à des diminutions importantes des coûts de maintenance. À T_stagnation ≈ 150°C et à une pression de 3 bars typiquement présente dans de tels systèmes, l'évaporation du fluide ca- loporteur dans les boucles du collecteur est évitée.

Des tests de vieillissement accéléré dans des conditions sèches et humides révèlent la résistance aux condi- tions extérieures des revêtements absorbants thermochromes et une durée de vie de plus de 25 ans est attendue pour les multicouches avec des revêtements antireflet et anti-oxydation.