Panneaux solaires thermiques: noir c'est noir!
© 2014 EPFL Alain Herzog
Les panneaux solaires thermiques développés à l’EPFL s’habillent de nouveaux matériaux inédits et brevetés. Les chercheurs ont créé un revêtement noir plus résistant, qui garde sa couleur d’origine et donc ses propriétés d’absorption beaucoup plus longtemps que les panneaux traditionnels.
La durée de vie d’un panneau solaire thermique, comme la plupart des éléments du bâtiment, oscille entre 25 et 30 ans. Afin de ralentir leur vieillissement et de préserver leurs performances, une équipe de chercheurs de l’EPFL a, coup sur coup, amélioré le revêtement noir utilisé pour les capteurs thermiques, et développé une méthode inédite et brevetée pour déposer ce revêtement.
La couleur noire est l’élément de base d’un panneau thermique car elle peut absorber jusqu’à 90% de l’énergie reçue. Avec le temps, la lumière et la chaleur, le noir s’altère et le panneau devient moins efficace. Les ingénieurs ont mis au point un procédé novateur qui permet de déposer en fines couches 3 différents matériaux, plus résistants, plus sélectifs et moins toxiques que le chrome utilisé jusqu’ici. Ce nouveau matériau offre ainsi une grande durabilité à l'air libre à des températures de 300°C à 400°C, évitant ainsi l'emploi de tubes sous vide au moyen de verres, dont le coût est bien plus élevé.
Un nouveau revêtement noir
Martin Joly, du Laboratoire d’énergie solaire et physique du bâtiment, a mené ses recherches sur un procédé novateur pour la conversion de l'énergie solaire thermique. Il a mis au point un revêtement nano cristallin, qui démontre une résistance à haute température exceptionnelle. Celui-ci abandonne le chrome noir, utilisé jusqu’ici pour les panneaux que l’on trouve sur le marché, au profit de multicouches composées de cobalt - résistant à la corrosion -, de manganèse - pour la couleur noire - et de cuivre - pour sa conductivité thermique.
«On voulait mettre au point des couches sélectives qui absorbent bien la lumière et qui soient moins toxiques que le chrome. C’est pour cette raison que l’on a suivi la piste de ces matériaux.» Les couches, déposées par un procédé chimique, ont une résistance à la chaleur exceptionnelle, jamais atteinte avec des revêtements de chrome traditionnels. En effet, elles supportent des températures de 360 degrés sans se détériorer au contact de l’air.
Pour un capteur plat, la température moyenne effective est d’environ 80°C, en été la température peut monter jusqu’à environ 200°C. Exposé à l’air et ponctuellement à l’humidité, le capteur doit tenir 25 ans dans un bâtiment, ce qui n’est pas évident.
« La durabilité supérieure à 360°C de notre matériau pourrait aussi intéresser les centrales d’électricité thermique», explique Andréas Schüler qui dirige l’équipe de recherche.
Des nanoparticules au prototype grandeur nature
Afin de déposer les 3 différents éléments en couches minces et homogènes, les chercheurs n’ont pas hésité à travailler en grandeur nature : «Lorsque vous faite de la recherche dans les nanoparticules, vous utilisez normalement des échantillons. Nous, nous avons fait le pari d’habiller des tubes en inox de 2 mètres de long, explique le chercheur.» Pour y parvenir, les scientifiques ont dû construire des machines adaptées à leur projet.
Les matériaux sont déposés par trempages successifs, chaque couche est chauffée par induction - ce qui évapore le carbone et fixe les éléments. « On a commencé par acheter des résistances toutes bêtes puis on a essayé l’induction et on a obtenu des résultats qui ont dépassé nos prévisions », précise le chercheur.
Ce procédé a l’avantage d’être rapide, d’une grande efficacité énergétique et améliore la qualité des résultats. Ainsi les couches sont parfaitement déposées et homogènes. Un brevet a d’ailleurs été déposé sur cette méthode inédite. Le travail mené par Martin Joly, a donné lieu à deux publications, dont l’une dans Solar Energy, sur les composants noirs sans chrome et ses propriétés optiques, a obtenu le best paper award 2012-2013.