Enquête expérimentale sur le terrain des performances énergétiques et exergétiques d’un nouveau capteur solaire thermique à air

Transformer la lumière du soleil en air chaud utile

Chauffer des logements, sécher des aliments ou préchauffer l’air neuf pour des bâtiments implique souvent de brûler des combustibles ou d’utiliser de l’électricité. Cette étude explore une solution plus intelligente : un chauffe‑air solaire repensé qui n’utilise que la lumière du soleil pour chauffer l’air en mouvement de façon plus efficace. En modelant soigneusement les éléments métalliques qui guident l’air à l’intérieur du collecteur, les chercheurs montrent comment extraire davantage de chaleur utile d’un même ensoleillement — une idée susceptible de réduire les factures et les émissions dans les habitations, les exploitations agricoles et les petites industries.

Pourquoi améliorer le chauffage solaire est important

Notre mode de vie moderne dépend fortement des combustibles fossiles pour le chauffage, les transports et l’électricité. Ces combustibles sont limités et représentent une source majeure de dioxyde de carbone réchauffant le climat. Les collecteurs solaires à plaques planes — essentiellement des boîtes peu profondes qui piègent la lumière pour chauffer l’air — offrent une alternative propre pour des tâches comme le séchage des récoltes, le chauffage d’espaces et le préchauffage de la ventilation. Ils sont simples et relativement peu coûteux, mais une faiblesse majeure les freine : la plaque métallique chaude à l’intérieur ne cède pas sa chaleur au flux d’air aussi efficacement qu’elle le pourrait, si bien qu’une grande partie de l’énergie solaire captée est perdue. Améliorer ce transfert de chaleur est au cœur de ce travail.

Un nouvel agencement intérieur pour les collecteurs solaires

L’équipe a construit un système d’essai en grandeur réelle en extérieur en Malaisie, basé sur un collecteur solaire à plaque plane. À l’intérieur, elle a ajouté des rangées d’ailettes creuses « semi‑stade » inédites : des éléments métalliques en forme d’arche arrondie, avec un intérieur creux, disposés sur plusieurs niveaux en quinconce. Près de l’entrée d’air, de petites déflecteurs, comme de minuscules cloisons, ont été installés pour remuer et rediriger l’air entrant afin qu’il frotte plus efficacement les surfaces chaudes. L’air effectue une double traversée : il s’écoule d’abord le long d’un premier canal, contourne une section en demi‑tour en U, puis retourne par un autre canal, captant de la chaleur supplémentaire à chaque passage. Cette combinaison d’ailettes spéciales, de déflecteurs et de configuration à double passage vise à augmenter le contact entre l’air et le métal chaud sans rendre le système trop complexe.

Mesurer le gain de chaleur et le travail utile

Sur trois journées ensoleillées, les chercheurs ont fait fonctionner le collecteur à trois débits d’air différents — lent, moyen et rapide — et ont mesuré les températures en de nombreux points, ainsi que l’irradiation solaire et les conditions météorologiques. Ils ont ensuite calculé deux types de performance. Le premier, appelé efficacité énergétique, répond à la question : « Quelle fraction de la puissance solaire incidente se transforme en chaleur emportée par l’air ? » Le second, appelé efficacité exergétique, examine combien de cette chaleur est réellement utile pour fournir du travail, par exemple produire un fort élévation de température pour le séchage ou le chauffage. Pour vérifier leurs mesures, ils ont aussi développé un modèle numérique détaillé d’écoulement d’air et de transfert de chaleur et ont comparé ses prédictions aux données de terrain.

Ce que les expériences ont révélé

Le collecteur repensé a atteint des efficacités énergétiques comprises entre environ 13 % et 72 %, la meilleure valeur — 71,91 % — se produisant sous fort ensoleillement (environ 800 watts par mètre carré) et au débit d’air le plus élevé. En termes simples, par beau temps et à grand débit d’air, près des trois quarts de la lumière solaire frappant l’appareil se transformaient en chaleur utile dans l’air sortant. Cependant, le constat évolue lorsqu’on considère l’exergie, mesure de la valeur utile de cette chaleur. La plus haute efficacité exergétique, 17,06 %, est survenue au débit d’air le plus faible. À bas débit, l’air reste plus longtemps à l’intérieur et sort beaucoup plus chaud, ce qui est particulièrement avantageux pour des tâches comme le séchage des aliments ou le chauffage d’une pièce, même si la production totale de chaleur est quelque peu moindre. Quand l’air circule plus vite, plus de chaleur est collectée au total, mais chaque unité de chaleur devient un peu moins « haute qualité » et l’efficacité exergétique baisse.

Pourquoi ce design est prometteur

Pour les non‑spécialistes, la conclusion est simple : en remodelant les ailettes métalliques à l’intérieur d’un collecteur solaire d’air et en guidant l’air de façon plus ingénieuse, ce système exploite beaucoup mieux une même lumière solaire que les conceptions antérieures. À haut débit, il excelle à récolter de grandes quantités de chaleur de manière efficace ; à bas débit, il fournit de l’air plus chaud, particulièrement utile pour le séchage et le chauffage des espaces. Le fait que les essais en extérieur et les simulations numériques concordent — et que les performances surpassent plusieurs études antérieures — suggère que cette approche est prête à être adaptée aux séchoirs solaires réels, à la ventilation des bâtiments et à d’autres besoins de chauffage à basse température, contribuant à rendre l’usage quotidien de l’énergie plus propre.

Citation: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

Mots-clés: collecteur d’air solaire, solaire thermique, chauffage renouvelable, efficacité énergétique, analyse exergétique