Analyse thermique d’un capteur solaire air à panneau plan avec réflecteurs de rayonnement et rugosité en W : approche par réseau de neurones artificiels et apprentissage automatique

Pourquoi de l’air plus chaud issu du soleil est important

Transformer la lumière du soleil en chaleur utile est l’une des façons les plus simples de réduire la consommation de combustibles et les émissions, pourtant de nombreux capteurs solaires aériens classiques gaspillent encore une grande partie de l’énergie incidente. Cette étude examine un capteur solaire à panneau plan plus performant qui extrait davantage de chaleur du même ensoleillement en remodelant la surface métallique qui absorbe la lumière et en ajoutant des miroirs le long des bords. Les chercheurs évaluent également si les outils de données modernes — réseaux de neurones artificiels et apprentissage automatique — peuvent prédire avec précision les performances du système, ouvrant la voie à de meilleures conceptions sans essais et erreurs interminables.

Une façon plus intelligente de chauffer l’air en mouvement

Un capteur solaire à panneau plan est essentiellement une boîte peu profonde : la lumière solaire traverse une vitre supérieure et chauffe une plaque métallique sombre, et l’air qui circule sous la plaque récupère cette chaleur et l’emporte. Ces dispositifs sont intéressants pour des usages comme le séchage de récoltes ou le chauffage de bâtiments car ils sont peu coûteux, silencieux et faciles à entretenir. Leur principale faiblesse est que la chaleur ne se transfère pas efficacement de la plaque chaude vers l’air en mouvement, si bien que la plaque devient très chaude et perd de l’énergie vers l’environnement au lieu de la céder au flux d’air. Les auteurs ont cherché à remédier à cette faiblesse en combinant deux astuces passives — des réflecteurs latéraux et une surface métallique texturée — dans une conception « double mode ».

Plus de soleil focalisé grâce aux miroirs latéraux

La première astuce consiste à placer des réflecteurs semblables à des miroirs le long des bords longs du capteur. Ces panneaux sont inclinés de façon à renvoyer vers la plaque absorbante la lumière solaire qui, autrement, la manquerait. Sur le banc d’essai extérieur, les réflecteurs ont été ajustés à environ 30 degrés et dimensionnés pour correspondre à la longueur de la section de chauffage active. Cet agencement élève la température de la plaque en augmentant le flux solaire et répartit la chaleur plus uniformément sur la surface. Les mesures ont montré que le simple ajout de réflecteurs à un capteur par ailleurs lisse augmentait une mesure clé du transfert de chaleur, le nombre de Nusselt, d’environ 18 à 27 % et améliorait le rendement thermique global jusqu’à environ 43 % par rapport à la conception sans réflecteurs.

Façonner la surface pour remuer l’air

La deuxième astuce est de remodeler la face inférieure de la plaque absorbante, là où circule l’air. Plutôt que de la laisser lisse, l’équipe a collé de fins fils de cuivre suivant un motif répété en W sur la surface. Ces nervures jouent le rôle de petites bosses pour l’air. Lorsque l’air passe au-dessus de chaque arête en W, l’écoulement se sépare, tourbillonne puis se rattache, perturbant en permanence la fine couche d’air stagnante qui, normalement, adhère à une surface et résiste au transfert thermique. En choisissant avec soin l’espacement, la hauteur et l’angle des nervures, les chercheurs visaient à renforcer ce mélange sans provoquer une chute de pression excessive qui obligerait à consommer plus d’énergie pour la ventilation.

Ce que les expériences et les outils de données ont révélé

L’équipe a construit et testé plusieurs configurations en extérieur lors de journées ensoleillées : une plaque lisse sans réflecteurs, une plaque lisse avec réflecteurs et une plaque à nervures en W avec réflecteurs. Ils ont surveillé les températures d’air à l’entrée et à la sortie, les températures de la plaque, l’intensité solaire et les débits d’air, et ont calculé à partir de ces données l’efficacité de chaque montage à transférer la chaleur de la plaque vers l’air. La combinaison de la rugosité en W et des réflecteurs a fourni la meilleure performance : l’indicateur de transfert de chaleur était jusqu’à 1,63 fois supérieur à celui du système lisse de base, et le rendement thermique s’est amélioré jusqu’à 1,84 fois. Pour réduire l’effort expérimental futur, les auteurs ont également entraîné des modèles d’apprentissage automatique et un réseau de neurones sur des centaines de points de données. Ces modèles ont pu prédire le comportement du transfert de chaleur et les conditions d’écoulement avec une très grande précision, suivant de près les tendances expérimentales.

Des bancs d’essai améliorés vers de meilleurs séchoirs solaires

Pour les non-spécialistes, la conclusion est simple : en ajoutant de simples miroirs latéraux et des nervures métalliques soigneusement disposées, un capteur solaire à air plan peut fournir beaucoup plus de chaleur utile à partir de la même surface ensoleillée. Cela signifie que les serres, les séchoirs agricoles, les chauffages de bâtiments et des systèmes similaires pourraient devenir sensiblement plus compacts ou plus puissants sans ajouter de pièces mobiles ni de combustible. L’utilisation réussie des réseaux de neurones et de l’apprentissage automatique dans cette étude montre aussi que les concepteurs peuvent s’appuyer de plus en plus sur des modèles intelligents basés sur les données pour affiner ces dispositifs avant leur construction, accélérant la transition vers un chauffage solaire plus propre et plus efficace dans les habitats, les exploitations agricoles et l’industrie.

Citation: Jain, P.K., Kurrey, K.L., Pandey, V. et al. Thermal analysis of flat plate solar air heater system with radiation reflectors and W-shaped roughness: artificial neural network & machine learning approach. Sci Rep 16, 11779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41922-4

Mots-clés: capteur solaire air, réduction des pertes thermiques, séchage solaire, modélisation par apprentissage automatique, rendement thermique