dimensionnement d’un chauffe-eau solaire · dimensionnement d’un chauffe-eau solaire ....

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA

Faculté des nouvelles technologies de l’information et de la communication

Département d’Electronique et des Télécommunications

Mémoire MASTER PROFESSIONNEL

Domaine : Sciences et Technologies

Filière : Electronique

Spécialité : Instrumentation

Présenté par :

HADRI Oussama

BENLAMNOUAR Ahmed Amine

Thème

Soutenu publiquement

Le : 25/05/2017

Devant le jury :

Année Universitaire : 2016/2017

M. Rachedi Med Yacine MA (A) Président UKM Ouargla

M. NASRI Nadjib MA (A) Encadreur UKM Ouargla M. Kadri Salim MA (A) Examinateur UKM Ouargla

Dimensionnement d’un Chauffe-eau

Solaire

Remerciement

Avant de présenter ce travail, nous tenons à remercier Allah le tout puissant pour

nous avoir donné beaucoup de patience et de courage pour réaliser ce travail.

Nous tenons à présenter nos sincères remerciements et notre profonde

reconnaissance à notre promoteur et encadreur Monsieur Nasri Nadjib pour le

sujet qu’il nous a proposé. Merci d’avoir accepté de suivre la réalisation du

travail, pour les conseils et l’encouragement. Qu’il veuille bien trouver ici

l’expression de notre reconnaissance pour sa patience, sa disponibilité, ses conseils

et son aide, qui nous ont permis de réaliser ce travail dans les meilleures

conditions.

Notre respect s’adresse aux membres du jury qui nous feront l’honneur d’apprécier

ce travail.

Nous tenons à présenter tout notre respect à tous les enseignants qui ont contribué

à notre formation du primaire jusqu’au cycle universitaire.

Dédicaces

Je dédie ce MOdeste travail avant tout à mes chers parents

mon père et ma mère, qui ont tout sacrifié pour mon bien et

qui ont éclairé ma route par leur compréhension, leur

soutien.

A

- Madame Hadri Meriem.

- Mes frères : Rida, Anis, Tarek et Sofiane.

- Mon frère et mon Binôme B. A. Amine

- Mes chères amies Youcef, Badr Eddine, Oussama, Zaki,

Omelkhir et bien sûr Soufiane.

- A tous ceux qui ont contribué de près ou de loin pour

que ce travail soit possible.

Hadri Oussama

Dédicaces

Je dédie ce MOdeste travail avant tout à mes chers parents

mon père et ma mère, qui ont tout sacrifié pour mon bien et

qui ont éclairé ma route par leur compréhension, leur

soutien.

A

- Ma femme qui m'a donné le courage de terminer mes

études

- Mes frères : Brahim et Imad Eddine ainsi que mes

sœurs : Amina, Drifa Et tous les membres de Ma

famille.

- Mon frère et mon Binôme H. Oussama

- Mes amies et mes collègues d’études.

- A tous ceux qui ont contribué de près ou de loin pour

que ce travail soit possible.

Benlamnouar Ahmed Amine

Sommaire

Introduction Générale …………………………………………………………………. 1

Chapitre I : Notion sur l’énergie photovoltaïque et thermique

I.1. Introduction ………………………………………………………………….. 3

I.2. Importance de l’énergie solaire dans notre région …………………………... 3

I.3. L’énergie solaire photovoltaïque …………………………………………….. 5

I.3.1. Principe ………………………………………………………………………. 6

I.3.2. Systèmes PV …………………………………………………………………. 6

I.3.3. Applications ………………………………………………………………….. 9

I.4. L’énergie solaire thermique ………………………………………………….. 9

I.4.1. Principe ………………………………………………………………………. 10

I.4.2. Systèmes thermiques (chauffe-eau, chauffage) ……………………………… 11

I.5. Conclusion …………………………………………………………………… 12

Chapitre II : Le chauffe-eau solaire

II.1. Introduction ………………………………………………………………….. 13

II.2. Définition ……………………………………………………………………. 13

II.3. Type des chauffe-eau solaires ……………………………………………….. 13

II.3.1. Chauffe-eau à énergie PV ……………………………………………………. 13

II.3.2. Chauffe-eau thermique ………………………………………………………. 24

II.4. Conclusion …………………………………………………………………… 28

Chapitre III Application et résultats

III.1. Introduction ………………………………………………………………….. 29

III.2. Application …………………………..………………………………………. 29

III.3. Description de Logiciel ………………………………………..…………….. 29

III.4. Résultats du dimensionnement …………………………………………..…... 31

III.4.1. Chauffe-eau à énergie photovoltaïque …………………………………..…… 31

III.4.2. Chauffe-eau à énergie thermique ………………………………………..…… 34

III.5. Bilan économique ………………………………………………………..…... 35

III.6. Conclusion ………………………………………………………………..….. 37

Conclusion Générale …………………………………………………………………... 38

Bibliographie 39

Sommaire

Liste des Figures

Figure I.1 : Panneau solaire photo voltaïque. ............................................................................. 4

Figure I.2 : Composants d'une cellule solaire. ............................................................................ 6

Figure I.3 : Le système photovoltaïque autonome ...................................................................... 7

Figure I.4: Le système photovoltaïque hybride. ......................................................................... 8

Figure I.5: Systèmes de production photovoltaïque centralisés et décentralisés. ....................... 9

Figure I.6 : énergie solaire à concentration (CSP) .................................................................... 10

Figure I.7 : L’énergie solaire thermique. .................................................................................. 11

Figure II.1: Système de base d’un chauffe-eau ......................................................................... 14

Figure II.2 : Cumulus électrique. .............................................................................................. 15

Figure II.3 : Les panneaux photovoltaïques. ............................................................................. 16

Figure II.4 : Onduleur photovoltaïque. ..................................................................................... 17

Figure II.5 : Régulateur de charge. ........................................................................................... 18

Figure II.6 : Batterie solaire. ..................................................................................................... 19

Figure II.7 : Algorithme de dimensionnement du chauffe-eau à énergie photovoltaïque. ....... 20

Figure II.8: Capteurs plan vitré ................................................................................................. 25

Figure II.9: Capteur à tubes sous vide ...................................................................................... 25

Figure III.1: chauffe-eau domestique. ....................................................................................... 29

Figure III.2 : Logo de L'application OMAK ............................................................................ 30

Figure III.3 : Interface de logiciel OMAK ................................................................................ 30

Figure III.4 : Résultats obtenu à partir du logiciel. ................................................................... 31

Figure III.5 : Gisement solaire mondiale. ................................................................................. 32

Figure III.6 Amortissement d’un système Photovoltaïque ....................................................... 37

Figure III.7 : Amortissement d’un système Thermique ............................................................ 37

Sommaire

Liste des Tableaux

Tableau II.1 : Besoin en eau de plusieurs profils…………………………… 21

Tableau III.1 : Irradiations mensuelles d’Ouargla ………………………….. 32

Tableau III.2 : Caractéristiques techniques du cumulus électrique ARISTON ……….. 32

Tableau III.3 : Caractéristiques techniques du Module solaire ………………………... 33

Tableau III.4 : Caractéristiques techniques d'une Batterie PV Solaire………………… 33

Tableau III.5 : Récapitulatif des résultats chauffe-eau PV…………………….…….. 34

Tableau III.6 : Coût total de l’investissement du 1er système…………………………. 35

Tableau III.7 : Coût total de l’investissement du 2ème système………………………. 35

Tableau III.8: Comparaison des deux systèmes ……………………………………….. 36

INTRODUCTION GENERALE

Introduction Générale

1


Depuis le début du siècle, la consommation énergétique mondiale est en très forte croissance

dans toutes les régions du monde. Il semble les consommations d'énergie vont continuer à

augmenter, sous l'effet de la croissance économique d'une part, et de l'augmentation de la

consommation d’électricité par habitant d'autre part. Par ailleurs, les pays en voie de

développement auront besoin de plus en plus d’énergie pour mener à bien leur développement.

Pour cela les énergies renouvelables apparaissent de nos jours et à long terme comme la solution

adéquate qui couvre ce besoin énergétique, et diminua la dépendance aux énergies fossiles,

puisque une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir du : charbon,

gaz naturel, pétrole… [1]

Les énergies renouvelables sont des énergies dont la source est illimitée et non polluante et dont

l'exploitation cause le moins de dégâts écologiques.

Elles sont devenues une forme d'énergie indispensable par leur souplesse, leur simplicité

d'utilisation et la multiplicité des domaines d'activités où elles sont appelées à jouer un rôle.

En Algérie et dans le cadre de la politique énergétique nationale, la mission importante au

secteur de l’énergie est de fournir à l’ensemble de la population, sur tout le territoire national,

l’énergie dans les meilleures conditions en termes de qualité et de continuité de service. Par

ailleurs, la satisfaction de ces besoins obéit à une préoccupation d’optimisation des coûts de

mise à disposition de l’énergie. [2]

Du fait de la large disponibilité des hydrocarbures et de leur faible coût de mise à disposition,

par rapport aux énergies renouvelables, les besoins énergétiques de l’Algérie sont satisfaits,

presque exclusivement, par le pétrole et le gaz naturel. Ceci n’exclut pas l’intérêt des énergies

renouvelables qui est sous-tendu par les avantages:

Dispersion dans l’espace. Elles peuvent, par conséquent, être utilisées partout où elles

se trouvent.

Un potentiel important, particulièrement le solaire. L’Algérie est le premier gisement

du bassin méditerranéen.

Caractère non polluant.

En tenant compte des besoins énergétiques des populations toujours croissants, il devient plus

que jamais nécessaire d’œuvrer pour le développement des applications solaires afin de

subvenir aux besoins domestiques en matière d’énergie : ces applications sont très diverses, on


2

peut citer entre autres : l’éclairage solaire, la cuisson solaire, le séchage solaire, la distillation

solaire et la production d’eau chaude sanitaire par chauffe-eau solaire.

Dans les pays industrialisés, cette application solaire a connu un développement très important.

L’industrie développée a permis la construction du chauffe-eau solaires très performants avec

des coûts de fabrication et d’installation au porté du citoyen. [3]

Chez nous le chauffe-eau solaire reste très peu utilisé bien que les besoins en eau chaude dans

tous les secteurs soient nombreux. Ceci est particulièrement dû au fait que l’énergie

conventionnelle (électricité et gaz) est abondante et bon marché alors que le chauffe-eau solaire,

tel que développé ailleurs, reste très cher et non adapté aux conditions des régions sahariennes

(poids élevé et non adapté à l’habitat saharien, des températures très élevées en période

estivale). [2]

La diffusion des chauffe-eau solaires, en milieu saharien, exige alors des efforts considérables

pour les adapter aux besoins des régions sahariennes : En particulier par prise en compte des

moyens financiers très limités, des conditions climatiques très hostiles, de la disponibilité des

matériaux et du savoir-faire local.

Dans ce contexte, notre travail est l’étude dimensionnement d’un chauffe-eau solaire.

L’intérêt étant principalement de montrer que cet outil indispensable peut être rentable à long

terme et peut être très intéressant dans les régions isolée, là on réseau électrique est hors de

portée. [1]

Aussi, par la réalisation d’une application logicielle, en démontré qu’un dimensionnement

optimal peut réduire le cout du chauffe-eau.

Pour ce faire, nous avons organisé notre travail en 03 chapitres.

Dans le premier, on s’intéresse à l’énergie solaire par ses deux cotés (thermique et

photovoltaïque), aussi que éléments principales des deux types de chauffe-eau étudies (chauffe-

eau à énergie PV et chauffe-eau thermique). Ensuite, nous avons abordés les deux algorithmes

de dimensionnement de chaque type. Pour finir, dans le troisième chapitre, par la description

du logiciel, et les résultats du dimensionnements trouves pour des applications réelles, une étude

économique et faite à fin de comparer entre les deux types de chauffe-eau étudies.

Le mémoire se termine par une conclusion générale.

CHAPITRE I

Notion sur l’énergie

photovoltaïque et thermique

Chapitre I Notion sur l’énergie photovoltaïque et thermique

3

I.1. Introduction

La production d’électricité à partir d’énergie solaire est la solution la plus prometteuse pour

fournir de l’énergie de manière durable à toute la planète. Le potentiel de l’énergie solaire

repose sur la disponibilité de la ressource et sur le développement des différentes techniques

d’exploitation dont l’objectif est de réduire le coût de production de l’électricité obtenue à partir

du soleil. Au cours des dernières années, le développement de l’énergie photovoltaïque a

augmenté à un rythme spectaculaire de sorte que ce mode de production s’est largement

répandu. Ce sont les pays européens qui sont à l’origine d’un tel développement. Toutefois, les

nouveaux grands centres de développement du photovoltaïque sont situés dans les régions dites

“de la ceinture du soleil” : l’Afrique, le Moyen-Orient et l’Amérique du Sud. Ces régions

conçoivent de nouvelles solutions destinées à satisfaire la demande locale. À moyen et long

terme, toutes les technologies PV devraient contribuer à faire de la production d’électricité

solaire l’alternative actuelle mondiale de développement durable d’énergies renouvelables. [1]

I.2. Importance de l’énergie solaire dans notre région

Dans le monde, plus de 1.200 millions de personnes n’ont pas accès à l’électricité. Un accès

sécurisé à l’énergie à un coût raisonnable est crucial pour le développement économique et

social de l’Algérie. L’incorporation de sources d’énergies renouvelables aux réseaux

électriques existants et l’électrification des zones reculées est un défi de grande envergure dont

l’objectif est de fournir l’énergie dans des conditions d’approvisionnement optimales et au

moindre coût possible. [2]

Les systèmes photovoltaïques isolés, principalement les petites installations photovoltaïques

comme les “Solar Home Systems”, les mini-réseaux hybrides photovoltaïques, les systèmes

photovoltaïques-diesel et l’incorporation de centrales photovoltaïques dans les réseaux

électriques existants améliorent substantiellement la vie des habitants. Plus de 80% des gens

sans accès à l’énergie électrique vivent dans les zones rurales des pays en développement, pays

qui normalement possèdent un grand potentiel en énergie solaire. [3]

Les générateurs diesel ont été historiquement la solution aux besoins d’électrification rurale. Le

coût de l’investissement en capital initial en installations isolées est faible par kW installé.

Cependant, la montée graduelle des coûts du combustible et des coûts du transport dans les

zones reculées diminue les avantages associés à l’option d’utilisation de groupes diesel. En


4

effet, le coût de la génération du kWh est trop élevé pour les petits réseaux électriques. Le coût

peut atteindre les 200 DA/kWh. [4]

Face à cette situation, il est donc nécessaire de rechercher des alternatives diminuant le coût de

la production, aussi bien dans les zones isolées que dans ces zones pourvues de réseau

électrique. Ces réseaux électriques peuvent être de plus faible rendement par leur taille et les

grandes pertes en transport et en distribution de l’énergie. Les micro-réseaux possédant une

grande pénétration en termes d’énergies renouvelables sont une alternative afin de réduire non

seulement le coût associé à la génération en réseaux déjà existants mais aussi, très souvent,

l’unique solution optimale pour transporter l’énergie à des zones éloignées qui sont

normalement électrifiées par des mini/micro-réseaux principalement alimentés par des groupes

diesel. L’utilisation de sources d’énergies renouvelables réduit l’impact environnemental de la

génération électrique, déplaçant la consommation de fioul et réduisant le coût global de

l’électricité. Cependant, lorsqu’il y a une haute pénétration des sources d’énergies

renouvelables, sa caractéristique fluctuante (solaire et éolienne) en combinaison avec la haute

variabilité de la courbe de demande dans les communautés rurales pose de véritables défis

techniques afin de pouvoir mettre sur pied un réseau électrique offrant un approvisionnement

de qualité. Ces difficultés peuvent être surmontées par des stratégies de contrôle et de topologies

adéquates.

Figure 0.1 : Panneau solaire photo voltaïque. [4]

Parmi les divers systèmes de chauffage et de refroidissement à partir d’énergies renouvelables,

les applications solaires thermiques présentent des avantages spécifiques :

Figure I.1 : Panneau solaire photo voltaïque. [4]


5

• L’énergie solaire entraîne toujours une réduction directe de la consommation d’énergie

primaire

• L’énergie solaire peut être combinée avec presque toutes les sources de chauffage d’appoint

• L’énergie solaire ne repose pas sur des ressources limitées, également nécessaires pour

d’autres fonctions énergétiques et non énergétiques

• L’énergie solaire n’entraîne pas une augmentation significative de la demande en électricité,

ce qui en cas de déploiement à grande échelle pourrait impliquer des investissements

substantiels pour augmenter les capacités en matière de production et de transport d’électricité.

• L’énergie solaire est disponible partout en Algérie.

• Les prix de l’énergie solaire sont très prévisibles, car la plus grande part des frais a lieu au

moment de l’investissement et ne dépend donc pas des prix futurs du pétrole, du gaz, de la

biomasse ou de l’électricité. Les couts de fonctionnement sont négligeables.

• L’impact environnemental des systèmes solaires au cours de leur cycle de vie est extrêmement

faible

• Une réduction significative de la pauvreté est possible par la création de nouveaux emplois

dans le secteur des énergies renouvelables qui offre des opportunités de travail.

• L’installation de systèmes solaires dans des institutions étatiques comme les hôpitaux,

orphelinats ou maisons de retraite, améliorera les conditions d’hygiène et réduira de manière

significative les coûts de fonctionnement de ces institutions en remplaçant la biomasse,

l’électricité ou les combustibles fossiles par l’énergie solaire. Les technologies solaires

thermiques peuvent jouer un rôle important pour atteindre les objectifs en matière de sécurité

énergétique et de développement économique, mais aussi dans l’atténuation du changement

climatique. [5]

I.3. L’énergie solaire photovoltaïque :

Elle permet de produire de l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement

solaire avec une cellule photovoltaïque.

Les photopiles utilisent l’effet photovoltaïque, elles sont formées d'une couche d'un matériau

semi-conducteur et d'une jonction semi-conductrice. Le silicium est le plus employé.


6

Cependant, l'arséniure de gallium offre des meilleures performances, mais reste beaucoup plus

onéreux. [6]

I.3.1. Principe

L’énergie électrique est produite dans les cellules photovoltaïques par l’incidence lumineuse

sous l’effet photoélectrique. Lorsque les différentes couches de semi-conducteurs qui

composent les cellules photovoltaïques sont éclairés, les photons lumineux captés par les

électrons périphériques (couche N) franchissent la barrière de potentiel et engendrent un courant

électrique continu. L’ensemble des modules reliés entre eux forme le module photovoltaïque.

[7]

Figure 0I.2 : Composants d'une cellule solaire. [7]

I.3.2. Systèmes PV

Les trois genres de systèmes photovoltaïques que l’on rencontre généralement sont les systèmes

autonomes, hybrides et connectés à un réseau. Les deux premiers sont indépendants du service

public de distribution d’électricité ; on les retrouve souvent dans les régions éloignées. [8]

Système photovoltaïque isolé, non raccordé :

Les systèmes autonomes dépendent uniquement de l’énergie solaire pour répondre à la

demande d’électricité. Ils peuvent comporter des accumulateurs – qui emmagasinent l’énergie

produite par les modules au cours de la journée – servant la nuit ou lors des périodes où le

Figure I.2 : Composants d'une cellule solaire. [7]


7

rayonnement solaire est insuffisant. Ces systèmes peuvent également répondre aux besoins

d’une application (par exemple, le pompage de l’eau) sans recours aux accumulateurs. En règle

générale, les systèmes photovoltaïques autonomes sont installés là où ils constituent la source

d’énergie électrique la plus économique. Vous pouvez tout de même opter pour un système

hybride pour des raisons environnementales ou parce que vous avez besoin d’un système fiable

ou qui fonctionne sans être relié à un réseau.

Système photovoltaïque hybride :

Les systèmes hybrides, qui sont également indépendants des réseaux de distribution

d’électricité, sont composés d’un générateur photovoltaïque combiné à une éolienne ou à un

groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois. Un tel système s’avère un bon choix

pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d’une puissance assez élevée,

lorsqu’il n’y a pas assez de lumière solaire à certains moments de l’année, ou si vous désirez

diminuer votre investissement dans les champs de modules photovoltaïques et les batteries

d’accumulateurs.

Figure I.3 : Le système photovoltaïque autonome. [8] Figure I.3 : Le système photovoltaïque autonome. [8]


8

Figure I.4: Le système photovoltaïque hybride. [8]

Système photovoltaïque connecté au réseau :

Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une résultante

de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L’énergie est produite plus près des

lieux de consommation – et non pas seulement par de grandes centrales thermiques ou

hydroélectriques. Au fil du temps, les systèmes connectés à un réseau réduiront la nécessité

d’augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution. Un système connecté à

un réseau produit sa propre électricité et achemine son excédent d’énergie vers le réseau, auprès

duquel il s’approvisionne au besoin ; ces transferts éliminent le besoin d’acheter et d’entretenir

une batterie d’accumulateurs. Il est toujours possible d’utiliser ceux-ci pour servir

d’alimentation d’appoint lorsque survient une panne de réseau, mais ce n’est pas nécessaire. [9]

Figure I.4: Le système photovoltaïque hybride. [8]


9

I.3.3. Applications

On peut distinguer les systèmes photovoltaïques autonomes selon leur puissance et leurs

applications :

Alimentation autonome de produits grand public (lampes solaires, bornes de jardin,…)

par énergie photovoltaïque de faible puissance : intégrée dans le produit.

Electrification de bâtiments (quelques centaines de watts à quelques kW) : résidence

secondaire, écoles et centres de santé dans les pays en développement,… par kits

photovoltaïques (SHS en anglais : Solar Home Systems).

Alimentation pour des applications professionnelles (quelques dizaines de watts à

quelques kW) : signalisation, protection cathodique, télécom,… [10]

I.4. L’énergie solaire thermique :

Énergie solaire thermique :

Produire de l'eau chaude grâce au soleil est un principe simple dont la technique est aujourd'hui

fiable et éprouvée.

Figure 0I.5: Systèmes de production photovoltaïque centralisés et décentralisés. [9] Figure I.5: Systèmes de production photovoltaïque centralisés et décentralisés. [9]


10

Ce système est particulièrement adapté aux bâtiments de logements collectifs et individuels

occupés une majeur partie de l'année.

Les capteurs solaires thermiques permettent de transformer le rayonnement solaire en chaleur,

et permettent d'assurer une grande partie des besoins en eau chaude sanitaire et/ou en chauffage

d'un logement [11].

qu’on peut utiliser un système Thermique pour :

En usage direct de la chaleur : chauffe-eau solaire, chauffage solaire, cuisinière

et séchoir solaire.

En usage indirect où la chaleur sert pour un autre usage : centrales solaires

thermodynamiques, froid solaire.

Figure 0I.6 : énergie solaire à concentration (CSP) [11]

I.4.1. Principe :

Un fluide est chauffé dans des capteurs solaires thermiques. Il réchauffe ensuite le ballon

d'eau chaude sanitaire par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, ou circule directement

dans des tuyaux d'un plancher chauffant.

Figure I.6 : énergie solaire à concentration (CSP) [11]


11

Figure 0I.7 : L’énergie solaire thermique. [11]

En fonction de la région et de la taille de l'installation, 50 à 80% des besoins d'eau chaude

sanitaire, et 25 à 50% des besoins de chauffage peuvent être satisfaits grâce au soleil. [11]

I.4.2. Systèmes thermiques (chauffe-eau, chauffage)

L'eau chaude sanitaire

Le chauffe-eau solaire est un dispositif simple qui transforme l'énergie solaire en chaleur pour

produire de l'eau chaude sanitaire grâce à des capteurs thermiques. Il existe plusieurs modèles

de chauffe-eau solaire en fonction de l'utilisation que l'on souhaite en avoir, de ses besoins, et

des conditions climatiques.

Le chauffage de l'eau thermique peut être complété par d'autres systèmes d'énergies si

nécessaire. [11]

Le chauffage solaire

L'énergie solaire peut assurer dans notre région près de la moitié des besoins de chauffage et

donc permettre autant d'économies sur la facture. Le complément de chauffe peut se faire

avec n'importe quelle autre source d'énergie.

Figure 0I.7 : L’énergie solaire thermique. [11] Figure I.7 : L’énergie solaire thermique. [11]


12

L'installation d'un système de chauffage solaire est adaptée lors d'une construction ou d'une

rénovation importante du bâtiment.

La surface de capteurs solaires nécessaire est comprise entre 10 et 15 % de la surface de

l'habitation à chauffer. Ainsi, par exemple pour une maison de 110m² à Grenoble, habitée par

4 personnes, 16m² de capteurs seront nécessaires. Ils permettront d'économiser chaque année

5 500 kWh (de 1 à 1,5t de CO2 environ selon l'énergie substituée) et de réaliser une économie

de l'ordre de 40% sur la facture de chauffage et d'eau chaude. [11]

I.5. Conclusion

Au cours de ce chapitre, nous avons défini l’énergie solaire qui représente une partie

importante de notre étude. On s’est intéressé surtout à l’énergie solaire photovoltaïque. On a

introduit donc le système photovoltaïque autonome, qui peut nous aider pour se développer

dans les chapitres suivants.

Le prochain chapitre sera consacré à la présentation d’un chauffe-eau solaire.

OMT

CHAPITRE II

Le chauffe-eau solaire

Chapitre II Le chauffe-eau solaire

13

II.1. Introduction

Avec la croissance de la demande en énergie et dans le but de réduire les émissions de gaz à

effet de serre notamment le CO2 dans l'atmosphère, en plus d’un gisement solaire dépassant les

3000h d’ensoleillement par an [1], l’Algérie est un pays potentiellement intéressant pour

l’exploitation de l’énergie solaire. Il dispose en effet sur un territoire d’un gisement solaire

considérable. [2]

Il est donc du plus grand intérêt pour un pays comme l’Algérie de pouvoir estimer les

potentialités offertes par un tel type d’énergie et d’identifier les moyens de s'en servir et

l’intégrer dans la stratégie de la politique énergétique du pays. [8]

Une des applications les plus intéressantes de l’énergie solaire, le chauffage de l’eau solaire est

actuellement l’application la plus rentable de cette énergie et donc celle qui a la plus grande

chance de se développer à court terme. [12]

II.2. Définition

Un chauffe-eau solaire est un dispositif qui permet de capter la lumière du soleil naturelle. Il

utilise ensuite les rayons solaires pour réchauffer l’eau des sanitaires. Généralement, il se

compose d’un réservoir de stockage de l’eau chaude, d’un panneau solaire (thermique ou

photovoltaïque) installé sur le toit, d’une régulation (thermique ou électrique) et relié entre eux

soit avec une installation électrique -dans le cas d’un système photovoltaïque- ou -pour un

système thermique- avec une pompe qui permet de transporter l’énergie solaire entre le

réservoir et le capteur. [13]

II.3. Type des chauffe-eau solaires

II.3.1. Chauffe-eau à énergie PV

Principe

C’est-à-dire un boiler électrique(Cumulus), des capteurs photovoltaïques et un boitier qui

dévie automatiquement la production photovoltaïque excédentaire vers le boiler électrique (ce

qui permet de garantir que 65% de l’eau chaude est réellement issue des capteurs).


14

Mieux vaut-il installer un chauffe-eau solaire thermique ou photovoltaïque ? Cette question,

très souvent posée, trouve aujourd’hui une réponse claire et nette, notamment sur le plan de

l’investissement financier initial. Suivez cette analyse chiffrée.

En ce qui concerne la production d’eau chaude sanitaire domestique, une conjonction

d’éléments permet aujourd’hui de ne plus être dans le doute :

Le prix des systèmes photovoltaïques s’est effondré en l’espace de 10 ans.

La fiabilité et la robustesse de ces systèmes ont fait leurs preuves et les productivités

sont nettement plus importantes qu’espéré il y a 10 ans. En Algérie, nous observons

globalement 15 à 25% de productivité de plus qu’attendu à l’époque. [14]

Les systèmes électriques, qu’ils soient en production ou en consommation, sont très

aisément et précisément mesurables et pilotables efficacement. A peu de frais, ils offrent

un fonctionnement « intelligent » et autonome, dans un environnement où la question

de l’équilibre des réseaux électriques devient décentralisée. [15]

Matériel

II.3.1.1. Cumulus électrique

Un cumulus électrique (appelé également ballon d'eau chaude ou chauffe-eau électrique à

accumulation), est l'une des solutions des plus confortables, économiques et simple d'utilisation

en termes de production d'eau chaude pour une habitation. Le chauffe-eau est considéré comme

un élément centralisé pour la production d'eau chaude nécessaire à une maison, un appartement,

des bureaux, un commerce …

r

Figure 0II.1: Système de base d’un chauffe-eau Figure II.1: Système de base d’un chauffe-eau


15

Grâce à la taille importante de son réservoir, le cumulus électrique permet un débit élevé et

constant en eau-chaude. Grâce à ce réservoir, il est possible de tirer de l'eau de divers points de

puisage simultanément sans problème d'eau chaude. Le réservoir du cumulus électrique peut

permettre d'avoir de larges quantités d'eau chaude à disposition, selon la capacité de la cuve. Le

confort est donc l'avantage essentiel du chauffe-eau à accumulation, [16].

Figure II.2 : Cumulus électrique.

La capacité de la cuve, exprimée en litres, doit être suffisante pour répondre à votre

consommation d'eau chaude. Une grosse cuve se traduit par un encombrement certain, et donc

parfois des difficultés pour lui trouver une place. Cela consommera aussi plus d’énergie pour

chauffer un volume d’eau supérieur.

Un cumulus nécessite un gros volume qui peut être difficile à intégrer à votre intérieur.

Heureusement, les fabricants les proposent sous des formes différentes afin de pouvoir répondre

à tous les besoins. [17]

Forme des cumulus :

Les ballons ou cumulus verticaux sont les plus communs. Si la configuration de votre habitation

ne permet pas la pose d'un chauffe-eau vertical, il existe cumulus horizontaux. Ceux-ci peuvent

se fixer au sol dans un comble, au plafond si la hauteur le permet ou même au milieu d'un mur.

Attention, il faudra alors choisir une capacité supérieure de 50 litres à celle du chauffe-eau

vertical équivalent. Ces chauffe-eau ne dépassent jamais 200 litres. La forme cylindrique n'est

pas très économe en espace, [18].

Figure II.2 : Cumulus électrique.


16

II.3.1.2. Panneaux photovoltaïque

Un panneau photovoltaïque est constitué d'une série de cellules photovoltaïques, formées d'un

matériau semi-conducteur en deux couches, l'une dopée positivement (P) et l'autre

négativement (N). C'est une jonction PN. Lorsqu'un électron est arraché, il se forme à la place

un « trou », se comportant comme une charge positive.

L'électron et le trou s'échappent de part et d'autre de cette jonction PN (les électrons vers N et

les trous vers P), créant une différence de potentiel (ce que l'on mesure en volts). Une cellule

photovoltaïque produit donc ainsi du courant électrique continu, [19].

Figure II.3 : Les panneaux photovoltaïques.

Il existe différents types de cellules et de procédés de fabrication. Le semi-conducteur le plus

utilisé est le silicium. La performance se mesure d'abord par le rendement : pourcentage de

l'énergie lumineuse effectivement transformée en électricité. Dans les panneaux vendus dans le

commerce, on trouve, du moins cher au plus cher, [19] :

Le silicium amorphe (rendement 6 à 8 %);

Le silicium monocristallin (12 %);

Le silicium polycristallin (15 %).

II.3.1.3. Onduleur

Les fonctions de l’onduleur sont de convertir et d’acheminer l’électricité produite avec un

maximum d’efficacité et en toute sécurité vers le réseau électrique dans le cas du raccordé

réseau ou à l’utilisateur dans le cas des sites isolés.

Figure II.3 : Les panneaux photovoltaïques.


17

Figure 0II.4 : Onduleur photovoltaïque. [20]

L’onduleur se prés ente sous la forme d’un boîtier métallique muni d’un radiateur ou d’un

ventilateur. Il est placé sur un support vertical comme un mur dans un espace ventilé ou dehors,

à l’abri et le plus près possible des modules photovoltaïques afin de limiter les pertes

d’électricité en ligne. Il n’émet que peu de bruit (un léger ronronnement ou sifflement) et le

champ électromagnétique est très faible, inférieur à celui d’une plaque à induction.

L’onduleur convertit le courant continu des modules photovoltaïques en courant alternatif

identique à celui du réseau. Il est caractérisé par un rendement particulier, rapport entre la

puissance de sortie et la puissance d’entrée, et qui dépend de sa capacité à s’adapter aux

caractéristiques du champ photovoltaïque.

Il est géré par un microprocesseur et garantit que le courant produit répond exactement aux

normes fixées par le gestionnaire du réseau (voltage, fréquence, émission d’harmoniques,

etc…). Il assure aussi la sécurité du système entier par une protection de découplage.

Il existe différents types d’onduleurs. Une différence technologique importante concerne la

présence ou non d’un transformateur dans l’onduleur.

Les onduleurs "à transformateur" permettent d’assurer l’isolation électrique ("galvanique")

de la partie ou se trouvent les modules et de la partie "réseau". Leur rendement oscille entre 64

et 96 % en 2009. Il en existe deux variantes :

à transformateur "basse fréquence" :

Situé en aval de l’étape de conversion continu-alternatif, il travaille à 50 Hz environ. Il

est solide et simple mais présente l’inconvénient d’être encombrant et plus lourds (10

kg par kW de puissance).

Figure 0II.4 : Onduleur photovoltaïque. [20] Figure II.4 : Onduleur photovoltaïque. [20]


18

à transformateur "haute fréquence" :

Il est situé entre deux étapes de conversion de l’onduleur et travaille à quelques milliers

de Hz. Il est moins lourd mais nécessite plus de composants.

Les onduleurs sans transformateurs ne bénéficient pas de l’isolation galvanique et peuvent

être à l’origine de courants de fuite capacitifs. Ils présentent l’avantage d’être plus légers (5 kg

par kW) que les modèles "à transformateur", moins chers et d’un meilleur rendement (98% pour

les meilleurs en 2009).

Le choix de l’onduleur se fait aussi en fonction de la manière dont on veut combiner le champ

photovoltaïque et l’onduleur.

En moyenne, l’onduleur a une durée de vie de 8 à 12 ans. Aujourd’hui, une garantie sur cinq

ans est devenue la norme chez les constructeurs. Suivant les constructeurs, il est parfois possible

d’étendre la garantie à 10 ans, voire à 20 ans. La durée de vie est appelée à augmenter avec

l’utilisation de composants qui sont toujours de meilleure qualité et plus résistants aux hausses

de température, [20].

II.3.1.4. Régulateur

Le régulateur solaire, qui est aussi appelé contrôleur de charge, permet d’assurer et de réguler

la charge des batteries du capteur solaire. Il faut préciser qu’il est à la fois relié à la batterie, au

panneau solaire et aux équipements de l’énergie solaire convertie.

Il est possible d’alimenter directement une batterie solaire à un panneau solaire photovoltaïque

mais la batterie risque d’être endommagée dans le cas où son niveau de charge dépasse 90%.

C’est pourquoi il est recommandé d’installer un régulateur de charge pour toutes utilisations à

partir de 15 Watts, [21].

Figure 0II.5 : Régulateur de charge. [21]

Bref, il joue un rôle important pour le niveau de charge de la batterie solaire. Ainsi, sa durée de

vie sera prolongée.

Figure II.5 : Régulateur de charge. [21]


19

Il se caractérise par trois groupes principaux, [22]:

Le contrôleur de charge de type « shunt » : l’interrupteur court-circuite le générateur

solaire (centrale de panneaux photovoltaïques) en fin de charge.

Le contrôleur de charge de type « série » : il incorpore un interrupteur entre le générateur

solaire et l’accumulateur (le parc de batteries), pour arrêter la charge.

Le contrôleur de charge MPPT (Maximum Power Point Tracker) : il utilise un circuit

électronique qui recherche le point de puissance maximum pour soutirer en permanence

du champ de capteurs solaires, la puissance la plus efficace.

A ces trois types de circuits, s’ajoute un régulateur de décharge pour empêcher les décharges

profondes des batteries.

II.3.1.5. Batteries

Le stockage de l'énergie électrique étant impossible, des batteries emmagasinent l'énergie

électrique produite par les panneaux photovoltaïques en énergie chimique dont la production et

la consommation peuvent être ainsi différées : c'est le cycle de charge.

Une batterie photovoltaïque ou batterie à décharge profonde permet de résoudre le problème du

décalage temporel entre la production d’électricité du panneau photovoltaïque pendant les

heures d'ensoleillement et sa consommation.

Figure 0II.6 : Batterie solaire.

Figure II.6 : Batterie solaire.


20

Une batterie pour voiture ne peut pas être utilisée avec des panneaux photovoltaïques, car elle

ne possède pas les mêmes caractéristiques de décharge que les batteries photovoltaïques.

La capacité d'une batterie photovoltaïque est la quantité d'énergie électrique qui peut être

restituée pendant un nombre d'heures précises. La quantité d'énergie restituée par la batterie

pendant 100 heures s'exprime en Ampères/heure (Ah). Les batteries solaires subissent un grand

nombre de cycles charge et décharge et leur état de charge évolue au fil de la journée et encore

plus au cours des saisons. C’est à la fin de l'hiver que les batteries sont le plus déchargées, elles

doivent supporter un grand nombre de cycles et doivent supporter la décharge profonde : on

installe généralement des batteries acceptant plus de 300 cycles à 80 % de décharge.

Dimensionnement

Le dimensionnement d’un chauffe-eau solaire se fait selon l’algorithme suivant :

Figure 0II.7 : Algorithme de dimensionnement du chauffe-eau à énergie photovoltaïque.

Algorithme :

Etape 1 : Détermination des besoins en eau chaude + la température désirée.

Etape 2 : Détermination des caractéristiques du site (Irradiation)

Etape 2 : Caractéristiques du matériel choisi (Module solaire : puissance, tension,

Batterie : tension, capacité, Cumulus : volume, puissance).

Etape 3 : Calcul de l’énergie électrique requise chaque jour.

Etape 4 : Calcul du nombre de modules nécessaire.

Etape 5 : Calcul de la capacité totale des batteries.

Etape 6 : Choix du régulateur.

Etape 7 : Choix de l’onduleur

Etape 8 : Bilan économique

Fin Figure 0II.7 : Algorithme de dimensionnement du chauffe-eau à énergie photovoltaïque.


21

Estimation des besoins en eau chaude :

Tableau II.1 : Besoin en eau de plusieurs profils

Détermination du nombre de modules solaires.

Afin de calculer le nombre de modules solaires nécessaires, on doit d’abord calculer la

consommation en énergie journalière requise par l’équation suivante : [23]

𝐂𝐣 = (𝐏 × 𝐓𝐜𝐫) + 𝐐𝐩𝐫 ………………………………………. (1)

Cj : Puissance Consommé par jour (Wh/j).

P : Puissance du cumulus électrique (W).

Tcr : Temps de chauffe réel.

Qpr : Consommation d’entretien (Wh/j).

Estimation de l’énergie requise :

L’énergie photovoltaïque à générer par le champ de modules solaires est calculée par :

𝐄𝐏 = 𝐂𝐣 ∕ 𝐊 ………………………………………. (2)

Ou K est un coefficient correcteur estimé à 0.65.


22

Dimensionnement du champ photovoltaïque :

La puissance crête du champ photovoltaïque est donnée par :

𝐏𝐏𝐕 = 𝐄𝐏 ∕ 𝐈𝐑………………………………………. (3)

Ou IR est l’irradiation moyenne journalière (kW/m2/jour).

Le nombre total de modules photovoltaïques :

Le nombre total de modules photovoltaïques est donnée par :

𝐍𝐏𝐕 = 𝐏𝐏𝐕 ∕ 𝐏𝐜 ………………………………………. (4)

Où :

Pc est la puissance crête d’un module solaire.

Calcul de la capacité des batteries :

L'autonomie du système :

La capacité de stockage dont nous avons besoin dépend essentiellement de deux

paramètres : l'énergie consommée par jour et l'autonomie de notre système, c'est-à-dire le

nombre de jours ou le système reste fonctionnel en absence du soleil.

L'autonomie varie en général entre 2 et 15 jours. Le chiffre retenu dépend de deux facteurs :

- Les conditions météorologiques de la région.

- La fiabilité souhaitée du système

En Algérie, le soleil est pratiquement permanent, alors l’autonomie est choisie entre 2 et 3 jours.

L’énergie suffisante en considérant l’autonomie du système est calculée par :

𝑬𝑨 = 𝑪𝒋 × 𝑨 ………………………………………. (5)

A : le nombre de jours d’autonomie.

Cj : Puissance Consommé par jour (Wh/j).

Considération des pertes :

Une partie de l’énergie issue des batteries est perdue (dans le câblage, lors de la conversion

continu-alternatif). L’équation précédente est modifiée comme suit :

𝑬𝑷𝒓 = 𝑬𝑨 / (𝐑𝐨 𝐱 (𝟏 − 𝐏𝐋𝐢)) ………………………………………. (6)


23

Ro : Rendement de l'onduleur (Rendement moyen de l'onduleur = 0.9).

PLi : Pertes en Ligne (Pertes moyennes en ligne = 0.97)

Capacité des batteries :

La capacité de vos batteries se calcule par :

𝑪𝑩𝒂𝒕 = 𝑬𝑷𝒓 / 𝑩𝑳𝒗𝒍 ………………………………………. (7)

Ou :

BLvl : Profondeur maximale de décharge.

En général, cette profondeur varie de 50 à 80%. Fixer une profondeur maximale de décharge

permet de protéger la batterie et d’étendre sa durée de vie.

Choix du régulateur :

Notre choix du régulateur est basé sur les caractéristiques principales suivantes:

Plage de tension : 80% Vnom<V <160% Vnom

Seuil de déclenchement contre surcharge : 120% Vnom;

Seuil de déclenchement contre décharge : 90% Vnom;

Seuil de ré-enclenchement : 105% Vnom ;

Courant de court-circuit : 120%Inom

Choix de l’onduleur :

De la même façon, le type d’onduleur est choisi tel que :

Tension d’entrée nominale : Vnom(tensions nominales de système)

Tension de sortie nominale : Souvent 220V

Courant d’entrée nominale : Ienom= IPV nom= PPV/Vnom;

Courant de sortie nominale : Isnom= ICH nom= PC/220 ;

Courant de court-circuit : 120% Inom


24

II.3.2. Chauffe-eau thermique

Principe

Equipée d’un, ces types des systèmes utilisent des capteurs solaires et une unité de

pompage pour transférer la chaleur à la charge, en général par l’intermédiaire d’un réservoir

de stockage. L’unité de pompage comprend la ou les pompes (utilisées pour faire circuler

le fluide caloporteur entre les capteurs et le réservoir de stockage) et des équipements de

contrôle et de sécurité. Un système de chauffage solaire de l’eau convenablement conçu

peut fonctionner quand la température extérieure est bien en dessous du point de

congélation (zéro Celsius) et, s’il est protégé contre les risques de surchauffe, les jours

chauds et ensoleillés. [24]

Matériel

Le capteur solaire :

Le rôle du capteur solaire, qu’on appelle aussi le panneau solaire, est de convertir la

lumière du soleil en chaleur pour alimenter le chauffe-eau solaire.

Pour cela on utilise des panneaux traversés par un fluide : soit l’eau directement à chauffer

(dans le cas des pays chauds hors gel), soit de l’eau additionnée d’un antigel qui servira de

liquide caloporteur vers un ballon de stockage.

Il existe deux principaux types de capteurs solaires thermiques :

Le capteur plan vitré :

C’est le modèle le plus répandu. Il est constitué d’une caisse isolée couverte par un

vitrage. A l’intérieur est placé l’absorbeur, un serpentin (tuyau ondulé) contenant le fluide à

réchauffer.

Dans ce genre de modèle, l’absorbeur est protégé contre les déperditions thermiques par un

matériau isolant (la plupart du temps, de la laine de roche).

La vitre est quant à elle faite de verre trempé très résistant (intempéries, grêle), très transparente

et spécialement conçue pour présenter un faible niveau de réflexion afin d’emmagasiner un

maximum de chaleur.


25

Figure 0II.8: Capteurs plan vitré

Le capteur à tubes sous vide :

Il est constitué d’une série de tubes transparents sous vide qui isolent l’absorbeur. On

Le rôle du vide, dans ces tubes, est de réduire les déperditions de chaleur par convection et par

conduction thermique.

L’intensité du vide est d’une importance décisive pour l’interruption du mécanisme de transfert

de chaleur.

Ils s’échauffent plus rapidement, ils permettent de mieux tirer partie des petites périodes

d’ensoleillement, ils permettent de mieux profiter de l’éclairement du soleil du matin et du soir.

Comme les capteurs à tubes sous vide peuvent atteindre des températures extrêmes de plus de

150° C, le fluide caloporteur est spécialement développé pour ce genre d’installation.

Figure 0II.9: Capteur à tubes sous vide

Figure II.8: Capteurs plan vitré

Figure II.9: Capteur à tubes sous vide


26

Le capteur solaire (1) absorbe l’énergie des rayons du soleil et la restitue sous forme de

chaleur, ce capteur est en général placé sur le toit.

Le circuit primaire (2) transporte la chaleur, il est étanche, calorifugé et contient de l’eau

additionnée d’antigel. Ce liquide s’échauffe en passant dans les tubes du capteur, et se

dirige vers un ballon de stockage.

L’échangeur thermique (3) (serpentin) cède ses calories solaires à l’eau sanitaire.

Le liquide refroidi, repart vers le capteur (4) ou il est à nouveau chauffé tant que

l’ensoleillement reste efficace.

Le ballon de stockage (5) ou le ballon solaire est une cuve métallique qui constitue la

réserve d’eau sanitaire.

L’eau froide du réseau (6) remplace l’eau chaude soutirée, elle sera de nouveau

réchauffée à son tour par le liquide du circuit primaire.

Le circulateur (7) met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que

l’eau sanitaire du ballon.

Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation (8) jouant sur les

différences de températures : si la sonde du ballon (10) est plus chaude que celle du

capteur (9), la régulation coupe le circulateur. Sinon, le circulateur est remis en route et

le liquide primaire réchauffe l’eau sanitaire du ballon.


27

En hiver ou lors de longue période de mauvais temps, la totalité de la production d’eau

chaude ne peut être assurée par cette énergie solaire, un dispositif d’appoint (résistance

ou serpentin raccordé à une chaudière d’appoint (12) prend donc le relais et reconstitue

un stock d’eau chaude.

Dimensionnement

Pour un logement individuel moyen, avec un système solaire thermique classique, le soleil

fournira 65% de l’eau chaude nécessaire – rarement plus – et essentiellement durant 7 à 8

mois de l’année (d’Avril à octobre).

Considérant le chauffe-eau solaire thermique comme notre étalon, l’autre système est

dimensionné pour que 65% de l’énergie nécessaire au chauffage de l’eau soient issus du soleil.

Les étapes de dimensionnement d’un chauffe-eau solaire thermique sont organisées comme

suit :

L’énergie totale est calculée en tenant compte de toutes les pertes (ballon/tuyauterie).

𝑸 = 𝑸𝒓𝒆𝒈𝒖𝒊𝒔𝒆 + 𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒃𝒂𝒍𝒍𝒐𝒏) + 𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒕𝒖𝒚𝒂𝒖𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆) …………………. (8)

Avec :

𝑸𝒓𝒆𝒈𝒖𝒊𝒔𝒆 = 𝑪𝑷. 𝝆𝑽𝑳 (𝑻𝑯 − 𝑻𝑬𝑭) …………………. (9)

𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒃𝒂𝒍𝒍𝒐𝒏) = 𝑪𝒓 𝑽𝒔 (𝑻𝑯 − 𝑻𝑬𝑭) …………………. (10)

𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒕𝒖𝒚𝒂𝒖𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆) = ∑ 𝑳𝒊𝟐𝒋−𝟏 𝑲𝒊(𝑻𝑯 − 𝑻𝑬𝑭) …………………. (11)

Ou TH est la température désirée d’eau chaude.

TEF : la température d’eau froide.

CP.𝜌 : Capacité calorifique / masse volumique d’eau.

VL.V : le volume d’eau à chauffer / le volume de stockage.

Cr : constante de refroidissement du ballon.

L1 : longueur de la tuyauterie du circuit solaire.

L2 : longueur de la tuyauterie du circuit distribution.

Ki : coefficient de déperdition linéique de la tuyauterie.


28

Dimensionnement du capteur thermique :

La puissance utile du capteur est donnée par :

𝑷𝒖 = 𝑺𝟎. (𝑩. 𝑰𝒓 – 𝒌. (𝑻𝑯 – 𝑻𝑬𝑭)) …………………. (12)

Ou S0 est la surface du capteur (m2).

B : le gain du capteur.

K : coefficient de conversion thermique du capteur.

Ir : l’irradiation quotidienne.

TH : la température désirée d’eau chaude.

TEF : la température de l’eau froide.

Le nombre de capteur et leur surface totale sont donnes par :

𝑵𝑪 = 𝑸/𝑷𝑼 𝒆𝒕 𝑺 = 𝑵𝑪 ∗ 𝑺𝟎 …………………. (13)

II.4.Conclusion

Notre pays en lançant les réformes est conscient que le développement des énergies

renouvelables correspond à l’option d’un développement local valorisant les ressources

existantes, favorisant l’emploi et répondant à une attente sociale en faveur d’un développement

durable. Malgré les contraintes qui sont le prix du gaz, absence de subventions, absence d’usine

de fabrication des équipements solaires, les taxes douanières…etc. Les tendances économiques,

politiques et culturelles sont favorables au développement et à la croissance du marché du

Chauffe-eau solaire dans le total respect de l’environnement. [2] Un échange d’expériences

entre l’Algérie et ses voisins, ainsi qu’avec les pays européens qui ont acquis une expérience

dans le domaine s’avère indispensable.

CHAPITRE III

APPLICATION ET RESULTATS


29

III.1. Introduction

Dans ce chapitre, nous présentons notre logiciel qui fera le dimensionnement que nous avons

vu au chapitre II, alors notre étude est un exemple concret de dimensionnement d’un chauffe-

eau solaire pour notre région saharienne et prend la ville Ouargla comme exemple. Enfin, les

règles à respecter pour dimensionner un chauffe-eau solaire fiable. Etant donné que le chauffe-

eau sera utilisé toute l’année, on s’intéressera à un système qui utilise des batteries. Ceci permet

de compenser un déficit accident entre énergie produite et énergie consommée. Ce dernier peut

survenir d’un ensoleillement médiocre en hivers, ou d’une surconsommation exceptionnelle de

la part des utilisateurs.

III.2. Application :

Nous dimensionnons un chauffe-eau solaire pour les besoins domestique d’une famille

de 6 personnes, chacune nécessitant quotidiennement et individuellement 160 Litres d’eau sous

une température de 60°C. Donc nous aurons besoin d'un cumulus d’eau de 200L.

Figure 0III.1: chauffe-eau domestique.

III.3. Description de Logiciel

Pour atteindre aisément nos objectifs, une analyse fonctionnelle et une modélisation de logiciel

sont des étapes incontournables de la conception. Au terme de ça, une décomposition modulaire

de logiciel nous permettra d'avoir une vision fonctionnelle et facilitera sa compréhension et son

développement.

Les principales fonctions que devra réaliser notre logiciel peuvent être résumées comme suit :

Figure III.1: chauffe-eau domestique.


30

Evaluation de la consommation journalière moyenne et de la puissance installée ;

Calcul du générateur PV adéquat ;

Proposition des équipements constituant le générateur PV avec estimation du cout total,

et possibilité de choix personnalises ;

Comparaison entre un système solaire PV et Thermique.

Le logiciel a été codé et compilé en utilisant MATLAB, l'environnement puissant et le langage

de programmation de quatrième génération bien connu dans le domaine industriel. Comme

étudiée dans le chapitre précédent, Notre code est basé sur ces équations pour fournir les bons

résultats,

Figure 0III.2 : Logo de L'application OMAK

Présentation de l’interface

Le logiciel a été conçu pour avoir une interface simplifiée et conviviale que tout le monde peut

utiliser pour obtenir les résultats corrects souhaités, en fonction des besoins de l'utilisateur, donc

il suffit qu’avoir un cahier de charge et remplir les variables !

Chaque variable est décrite par seulement plaçant le curseur sur la via une info-bulle pour

faciliter le remplissage des données.

Figure 0III.3 : Interface de logiciel OMAK

Figure III.2 : Logo de L'application OMAK

Figure III.3 : Interface de logiciel OMAK


31

Pour confirmer que l'application fonctionne correctement, nous avons essayé avec les mêmes

valeurs que nous avons utilisées comme exemple dans le chapitre antérieur.

Les mêmes réponses sont obtenues plus et un aperçu du coût d'investissement requis pour un

système photovoltaïque.

Notez que certains résultats sont automatiquement améliorés par le logiciel comme:

Nombre de panneaux photovoltaïques requis: NPV = 14.353, de sorte que le résultat est

supérieur au nombre le plus élevé qui nous donne le résultat dans l'écran 15 panneaux

Nombre de Batteries solaires requises: NBat = 15.752 => 16 Batteries.

III.4. Résultats du dimensionnement :

III.4.1. Chauffe-eau à énergie photovoltaïque :

Données météorologiques :

La région sud d’Algérie est pratiquement ensoleillée pendant les 12 mois de l’année.

Une grande richesse en soleil. Ceci incite à réfléchir à l’exploiter pour les besoins quotidiens.

Ouargla est parmi la wilaya qui possède les journées les plus langues de l’Algérie, chose

intéressante pour le chauffe-eau solaire.

Figure III.4 : Résultats obtenu à partir du logiciel. Figure III.4 : Résultats obtenu à partir du logiciel.


32

Figure 0III.5 : Gisement solaire mondiale.

Le tableau ci-après donne les irradiations mensuelles sur le site d’Ouargla.

Irradiation (KWh/M²/jour)

Irradiation

annuelle

Site Jan Fev Mar Avr Mai Juin Juil Aou Sep Oct Nov Dec Moy

Ouargla 3,72 4,65 5,81 6,74 7,21 7,21 7,9 7,21 6,06 4,88 3,84 3,25 5,71

Tableau III.1 : Irradiations mensuelles d’Ouargla.

Hypothèses :

Les données suivantes caractérisent le système :

Projet : besoins domestique en eau chaude (Famille de 6 personnes, 160 L / personne)

soit 960 L d’eau chaude par jour.

Température d’eau chaude : 65°C.

Site : Ouargla.

Irradiation quotidienne : 5.71 kWh/m²/jour (On utilise la moyenne annuelle).

Cumulus choisi :

75 litres 100 litres 150 litres 200 litres

Tension (V) 230 V Monophasé

Puissance (W) 1 200 1 200 1 800 2 400

Temps de chauffe réel* 4h12 5h18 5h23 5h32

Qpr (Conso. entretien) ** 1,10 1,25 1,63 1,91

Tableau III.2 : Caractéristiques techniques du cumulus électrique ARISTON

Figure 0III.5 : Gisement solaire mondiale.


33

* Temps de chauffe réel pour chauffage de 15° à 65°C.

**Consommation d’entretien en kWh pour 24 heures pour de l’eau à 65°C (ambiance 20°C).

Module photovoltaïque choisi :

Puissance crête (Pc) 285 W

Dimensions du module 1.9 x 0.9 m

Poids du module 21 Kg

Tableau III.3 : Caractéristiques techniques du Module solaire

Batterie choisie :

Tension nominale (Vn) 12 V

Capacité nominale 230 Ah

Tableau III.4 : Caractéristiques techniques d'une Batterie PV Solaire.

Résultats :

Consommation en énergie journalière : 𝐂𝐣 = (𝟐𝟒𝟎𝟎 × 𝟓. 𝟓𝟑) + 𝟏𝟗𝟏𝟎 = 𝟏𝟓𝟏𝟖𝟐𝐖𝐡.

Estimation de l’énergie requise : 𝑬𝑷 = 𝟏𝟓𝟏𝟖𝟐 𝟎. 𝟔𝟓⁄ = 𝟐𝟑𝟑𝟓𝟔. 𝟗𝟐𝟑𝑾𝒉.

La puissance crête du champ PV : 𝑷𝑷𝑽 = 𝟐𝟑𝟑𝟓𝟔. 𝟗𝟐𝟑 𝟓. 𝟕𝟏⁄ = 𝟒𝟎𝟗𝟎. 𝟓𝟐𝟗 𝑾𝒉.

Le nombre total de modules P.V : 𝑵𝑷𝑽 = 𝟒𝟒𝟎𝟗𝟎. 𝟓𝟐𝟗 𝟐𝟖𝟓⁄ = 𝟏𝟒. 𝟑𝟓𝟑.

Soit 15 modules.

La capacité de batteries : 𝑬𝑨 = 𝟏𝟓. 𝟏𝟖𝟐𝒌𝑾𝒉 𝒙 𝟐𝒋𝒐𝒖𝒓𝒔 = 𝟑𝟎. 𝟑𝟔𝟒𝒌𝑾𝒉.

𝑬𝑷𝒓 = 30.364 (0.9 x 0.97)⁄ = 𝟑𝟒. 𝟕𝟖𝟏𝐤𝐖𝐡.

𝑪𝑩𝒂𝒕 = 17.31kWh 0.8⁄ = 𝟒𝟑. 𝟒𝟕𝟔 𝐤𝐖𝐡.

Nombre de batterie : 43476/ 12V = 3623Ah.

3623 Ah / 230Ah = 15.752.

Soit 16 batteries.

Choix du régulateur :

On choisit un régulateur ayant la même tension du système (12v), et un courant

admissible élevé. Soit le régulateur Victron Blue Solar Light 30 A (12 / 24 V)

Choix de l’onduleur :

On choisit l’onduleur en considérant la tension du système ainsi que la capacité des

batteries. Soit l’onduleur Victron Phoenix 12 / 230 VA.

Récapitulatif :

Le système dimensionné est composé de : [25]


34

composant modèle Quantité

Module photovoltaïque Module (285 Wc) 15

Cumulus ARISTON (200L, 230V) 01

Batterie 12 V / 230 VA 16

Régulateur Victron Blue Solar Light 30 A (12 / 24 V) 01

Onduleur Victron Phoenix 12 / 230 VA 01

Tableau III.5 : Récapitulatif des résultats chauffe-eau PV.

III.4.2. Chauffe-eau à énergie thermique :

Les étapes de dimensionnement d’un chauffe-eau solaire thermique sont organisées comme

suit :

𝑸 = 𝑸𝒓𝒆𝒈𝒖𝒊𝒔𝒆 + 𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒃𝒂𝒍𝒍𝒐𝒏) + 𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒕𝒖𝒚𝒂𝒖𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆) = 𝟒𝟔𝟒𝟕𝟔. 𝟑𝟖 𝑾𝒉

Avec :

𝑸𝒓𝒆𝒒𝒖𝒊𝒔𝒆 = 𝟒. 𝟏𝟖 𝑿𝟎. 𝟑𝟔𝟖 𝑿𝟐𝟒𝟎 (𝟔𝟓 − 𝟏𝟓) = 𝟏𝟖𝟒𝟓𝟖. 𝟖𝟖 𝑾𝒉

𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒃𝒂𝒍𝒍𝒐𝒏) = 𝟎. 𝟐𝟐 𝑿𝟐𝟎𝟎𝑿𝟒𝟓 = 𝟐𝟐𝟎𝟎 𝑾𝒉

𝑸𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆 (𝒕𝒖𝒚𝒂𝒖𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆) = ∑ 𝟗𝟎 𝑿𝟒. 𝟒𝟓𝟐

𝒋−𝟏𝑿𝟒𝟓 𝑾𝒉

Dimensionnement du capteur thermique :

La puissance utile du capteur est donnée par :

𝑷𝒖 = 𝟐. (𝟎. 𝟕𝟕𝑿𝟓𝟕𝟎𝟎 − 𝟒. 𝟖𝟎𝑿𝟒𝟓 = 𝟖𝟐𝟖𝟗 𝑾

Le nombre de capteur 𝑵𝑪 = 𝟏𝟖𝟒𝟓𝟖. 𝟖𝟖 / 𝟖𝟐𝟖𝟗 = 𝟐. 𝟐𝟐 donc on a 3 capteurs

Et leur surface totale: 𝑺 = 𝟐. 𝟐𝟐𝑿𝟐 = 𝟒. 𝟒 𝒎²

Résultats :

Consommation en énergie journalière :

Estimation de l’énergie requise : 18458.88 Wh

La puissance crête du champ : 8289 W

Le nombre total de Capteurs solaires : 3


35

III.5. Bilan économique

Afin de voir leur rentabilité des deux systèmes. On calcule le coût de l’investissement

des deux systèmes ainsi que le coût du KWh pour chacun. On compare leur rentabilité à long

terme en traçant l’amortissement sur 30 ans.

Les coûts des différents composants du 1er système sont donnés dans le tableau suivant [25]

Composants Durée de vie Prix (DA) Quantité Cout (DA)

Cumulus 25 40 800,00 01 40 800,00

Module photovoltaïque 25 30 010,00 15 450 150,00

Fixation du module 25 24 000,00 15 360 000,00

Batterie 08 48 600,00 16 777 600,00

Régulateur 12 6 857,89 01 6 857,89

Onduleur 25 11 949,35 01 11 949,35

Génie civil, accessoires 25 20 000,00 01 20 000,00

Cout total 1 667 357.24

Tableau III.6 : Coût total de l’investissement du 1er système.

Les coûts des différents composants du 1er système sont donnés dans le tableau suivant [26]

Composants Durée de vie Prix (DA) Quantité Cout (DA)

Capteur solaire 25 60384.704 15 905770.56

Fixation du module 25 34024.31 15 544388.96

Cumulus 25 22600.53 01 22600.53

Génie civil, accessoires 25 20 000,00 01 20 000,00

Cout total 1 472 760.05

Tableau III.7 : Coût total de l’investissement du 2ème système.

Comparaison :

Pour valoriser la comparaison entre les deux systèmes, on compare le prix de KWh au

prix offert par la Sonelgaz.

Pour ce faire, on utilise les équations suivantes :

Le coût du KWh = Coût annuel de l’investissement / Energie annuelle produite


36

Ou :

Le coût annuel de l’investissement est le coût du système en tenant compte de la durée de vie

de ses composants. Il est donné par :

Coût annuel de l’investissement = ∑i coût du composant (i) / durée de vie (i)

L’énergie annuelle produite est l’énergie produite par jour multipliée par 365.

Les calculs ont donné les résultats suivants :

1er système 2eme système

Coût annuel (Da) 133 087.47 59 710.402

Prix du KWh (Da) 15.61 3.52

Prix du KWh de Sonelgaz (Da) 4.97 4.97

Amortissement (Année) 12 24

Tableau III.8: Comparaison des deux systèmes

L’amortissement du système exprime la rentabilité sur 30 ans. En effet, pour chaque année, on

retranche du cout total de l’investissement (cout total des composants + coût de l’installation +

coût de maintenance) la valeur C suivante :

C = Ca x (k + (k – 1) x ß) …………………. (14)

Avec :

K : est l’année considérée.

ß : T est un coefficient qui caractérise la vétusté du système (estimé à 3%).

Ca : Coût annuel de l’investissement.


37

Figure 0III.7 : Amortissement d’un système Thermique

Commentaires

Même que le coût du kWh et plus le prix d'investissement dans le système thermique est plus

rentable par rapport au système photovoltaïque, l'amortissement du système photovoltaïque est

deux fois plus rapide au système thermique ou le système Photovoltaïque est amorti qu'après

12 ans et le système thermique est amorti alors que le rendement du système thermique

commence qu’après le double de duré de vie du système PV (après 24 ans).

III.6. Conclusion

Après cette étude, on trouve quand chaque système est le plus convenable pour une situation

donnée, nous avons présenté logiciel de dimensionnement et en essayant les exemples

appliquées, on trouve que notre logiciel est une application utile qui peut simplifier la

détermination du cout d’investissement pour un projet de cette importance, ou bien pour

augmenter la performance de ces systèmes solaires.

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

DA

Années

Amortissement

-3000000

-2000000

-1000000

0

1000000

2000000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30DA

Années

Amortissement

Figure 0III.6 Amortissement d’un système Photovoltaïque Figure III.6 Amortissement d’un système Photovoltaïque

Figure III.7 : Amortissement d’un système Thermique

CONCLUSION GENERALE

Conclusion générale

38

Conclusion Générale

Dans ce travail, nous avons abordé la problématique de production d’eau chaude.

On a étudié avec détails deux types de chauffe-eau solaire : le chauffe-eau a énergie PV et le

chauffe-eau thermique

Nous avons vu leurs. Composants et la méthode de dimensionnement de chacun.

Nous avons aussi étudié les notions de base de l’énergie PV et thermique, on s’intéresse

essentiellement à l’application de production de l’eau chaude.

Nous avons étudié deux types de chauffe-eau : le chauffe-eau à énergie photovoltaïque et le

chauffe-eau thermique, leurs principes, ainsi que leurs dimensionnements.

Lors de notre étude, nous avons constaté que le premier chauffe-eau à énergie PV est meilleure

techniquement, car le besoin en eau chaude se multiplie en hivers, et celui-ci est plus adéquat,

vu que le deuxième (chauffe-eau thermique) se chauffe lentement en absence du soleil. Mais

en regardant le prix du KWh. Il est clair que le deuxième système est le meilleure.

Alors un compromis doit se faire selon la situation, en tenant compte de la situation

géographique (qui définit les conditions climatiques), et de la position du site par rapport au

réseau publique d’électricité. Il est à noter que le prix du kWh offert par Sonelgaz, est celui ou

le réseau électrique est disponible.

Dans le cas échéant, il a fallu comptabiliser le cout du raccordement au réseau publique (payé

par les consommateurs). Ceci, afin de faire une comparaison plus adéquate

Bibliographie

39

[1] H. K. A, Energie solaire et son utilisation sous forme thermique et photovoltaïque,

Centre de Publication Universitaire, 2003.

[2] F. Bouhired, «Développement des Chauffe Eau Solaires en Algérie,» Division solaire

thermique et géothermique, n° %117, p. 2010.

[3] A. BOUDEN, Analyse optimisée de système de pompage photovoltaïque, Université de

Constantine, 2008..

[4] V. C, «Introduction générale sur les différentes énergies renouvelables,» Techniques de

l’Ingénieur, 1982.

[5] M. Pierre, Les énergies renouvelables, 2002.

[6] K. E. D, Capteurs solaires, Paris: SCM,, 1979.

[7] «Energies Renouvelables,» Mai 2017. [En ligne]. Available: http://www.energies-

renouvelables.org/.

[8] M. Haouari-Merbaha, I. Tobias, M. Belhamel et J. M. Ruiz, «Extraction and analysis of

solar cell parameters from the illuminated current–voltage curve,» Sol. Energy Mater, p.

225–233, 2005.

[9] Les systèmes photovoltaïques, Canada, 2003.

[10] «Solaire Sans Frontières,» Mai 2017. [En ligne]. Available: http://www.ssf-

asso.org/systemes-photovoltaiques-autonomes/.

[11] «ALEC,» [En ligne]. Available: http://www.alec-grenoble.org/4211-solaire-

thermique.htm.

[12] Hamouda et A. Malek, «Analyse théorique et expérimentale de la consommation

d’énergie d’une habitation individuelle dans la ville de Batna,» Revue des Energies

Renouvelables, vol. 9, n° %13, pp. 211-228, 2006.

[13] H. Reitschell et W. Raiss, Traité de chauffage et de climatisation, Dunod, 1974.

Bibliographie

40

[14] M. A. DJEBIRET, «Etude de faisabilité d’un climatiseur solaire adapté à la région de

Biskra.,» Biskra, 16/12/2012.

[15] H. G., «Concentrating solar thermal power gains steam in Spain, as momentum builds

for major projects in the US, North Africa, the Middle East, Asia and Australia,» Photon

International, pp. 46-52, Décembre 2009.

[16] «elyotherm,» [En ligne]. Available: https://elyotherm.fr/principe-fonctionnement-

chauffe-eau-electrique.

[17] W. R., «Réduction du gaspillage d‘énergie:Vérification de puissance de la chaudière au

moyen du disque de dimensionnement.,» Ingénieurs et architectes suisses, n° %119,

1981.

[18] «manomano,» [En ligne]. Available: https://conseil.manomano.fr/comment-choisir-son-

chauffe-eau-electrique-26.

[19] «Future Planète,» [En ligne]. Available: http://www.futurasciences.com/

planete/definitions/developpement-durable-panneau-photovoltaique-7973/.

[20] «photovoltaique.info,» [En ligne]. Available: http://www.photovoltaique.info/-

Onduleurs-.html.

[21] «Solaire-guide.fr,» [En ligne]. Available: http://www.solaire-guide.fr/regulateurs-

solaires-pwm-mppt/.

[22] «LePanneauSolaire.net,» [En ligne]. Available: http://www.lepanneausolaire.net/le-

controleur-charge.php.

[23] J. Bernard, Energie solaire: Calcule et optimisation, Paris: ellipse, 2004.

[24] W. J., Duffie et J. Beckman, Solar energy thermal processes, New York, 1974.

[25] «Solaris,» [En ligne]. Available: www.solaris-store.com. [Accès le 09 Mai 2017].

[26] D. Roux, D. Mandineau et M. Chateauminois, «Calcul des planchers solaires directs,»

21 Janvier 2007.

Résumé

Abstract:

Many countries since the last few years are moving towards making a good use of renewable

energies that they have. Solar energy is the most prOMising, endless and powerful energy That

is available in a daily basis (in Africa). Algeria nowadays has made a big step towards reducing

the dependency to fossil energy in producing electrical energy, contributing to the reduction of

CO2 emissions around the globe, and making the bills of electricity more reasonable.

In this work, we present a simple desktop software that helps dimensioning the requirements of

a water heating system, which is connected with photovoltaic generator and calculating the cost

of investment in this field.

Keywords:

Renewable energies, solar energy, photovoltaic generator, solar water heater, CO2 emissions,

Software, dimensioning.

Résumé :

Beaucoup de pays depuis ces dernières années se tournent vers une bonne utilisation des

énergies renouvelables. L'énergie solaire est l'énergie la plus prometteuse, non épuisable et

disponible quotidiennement (en Afrique). Aujourd'hui, l'Algérie a fait un grand pas vers la

réduction de la dépendance à l'énergie fossile dans la production d'énergie électrique,

contribuant à la réduction des émissions de CO2 dans le monde entier et rendant les factures

d'électricité plus raisonnables pour les citoyens.

Dans ce travail, nous présentons un logiciel simple d’utilisation qui aide à dimensionner un

système de chauffage d'eau connecté au générateur photovoltaïque et à calculer le coût

d'investissement dans ce domaine.

Mots clés :

Énergies renouvelables,’ énergie solaire, générateur photovoltaïques, chauffe-eau solaire,

émissions CO2, Logiciel, dimensionnement.

الملخص:الطاقة تعترب .أنعم عليهم هبا سبحانهحنو االستفادة من الطاقات املتجددة اليت باملضي قدماالعديد من البلدان منذ السنوات القليلة املاضية قامت

)يف أفريقيا(. وقد اختذت اجلزائر يف الوقت احلايل خطوة كبرية حنو احلد من االعتماد على يوميا واملتوفرة قوية اليت ال هناية هلاالالشمسية الطاقة الواعدة، فواتري الكهرباء أكثر مجيع أحناء العامل، وجعلمع لمسامهة يف خفض انبعاثات ثاين أكسيد الكربون ذلك لة الكهربائية، و يف إنتاج الطاق التقليديةالطاقة

مالئمة للمواطن.لفة ساب تكحبالطاقة الشمسية الضوئية مث متطلبات نظام تسخني املياه حتديدعلى يساعد االستعمال امج بسيطنبر بتقدميهذا العمل، قمنا من خالل

االستثمار يف هذا اجملال.

الكلمات المفتاحية:

نظام.التطلبات م حتديد، الكربون برنامجانبعاثات ثاين أكسيد بالطاقة الشمسية الضوئية، املياه الشمسية، تسخنيالطاقات املتجددة، الطاقة

OMT

dimensionnement d’un chauffe-eau solaire · dimensionnement d’un chauffe-eau solaire ....

Documents