produire son eau chaude et son électricité solaires

Produire son eau chaude et son électricité solaires

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Les cahiers du bricolage et de la construction :


Version ebook - livre électronique

© 2012 David Fedullo, Thierry Gallauziaux

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Somm

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Sommaire

L’énergie solaire .............................................................................................................. 6

Les chauffe-eau solaires ............................................................................................. 9Les capteurs solaires thermiques ............................................................................................... 14Les ballons solaires .................................................................................................................. 17Le choix du matériel solaire thermique ....................................................................................... 20L’installation des capteurs solaires ............................................................................................. 22Les besoins en eau chaude ...................................................................................................... 27

La microproduction d’électricité ........................................................................... 27L’énergie solaire photovoltaïque ................................................................................................ 27Les types de panneaux ............................................................................................................ 27L’installation des panneaux ........................................................................................................... 35Le raccordement des panneaux ..................................................................................................... 44

La production en site isolé ...................................................................................... 54

Les panneaux hybrides .............................................................................................. 57

Les capteurs solaires à air chaud .......................................................................... 58

La climatisation solaire ............................................................................................... 60

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Les cahiers de la construction

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Figure 3 : L’acier a fondu en quelques secondes

Figure 4 : L’embrasement instantané d’une bûche au point focal

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Les chauffe-eau solaires

tion, le circuit forcé transmet l’énergie à un échangeur thermique s itué dans le ballon de stockage isolé thermique-ment. L’échangeur, souvent constitué d’un serpentin en cuivre est placé dans la part ie basse du bal lon. I l t ransmet la cha leur à l ’eau san i ta i re qu i y es t stockée.Généra lement in tégré au groupe de transfert, un régulateur de température r e l i é à p lu s i eu r s sondes opt im i se l a circulation du fluide en fonction de la dif férence de température du capteur et du ballon.

M a l h e u r e u s e m e n t , l e r a y o n n e m e n t solaire est irrégulier et varie selon les heures de la journée et les saisons. I l est donc nécessaire de prévoir une autre

énergie pour compenser les baisses de rayonnement et qui servira de relais pour chauffer le ballon. I l peut s’agir d’une chaudière à tout type d’énergie (bois, gaz, f ioul , pel lets…), d’une pompe à chaleur ou d’une résistance électrique. Dans le cas d’une chaudière, le ballon de s tockage es t équ ipé d ’un second échangeur en partie haute dans lequel t rans i tera de l ’eau chaude provenant de la chaud iè re . C ’es t un sys tème à ballon bivalent. La chaudière doit être prévue pour fonctionner avec un ballon solaire. Elle dispose d’une sonde à placer dans le ballon solaire afin de réguler la chauffe.

En plus de l’eau chaude sanitaire, l’énergie procurée par le soleil peut également être

Figure 6 : Le principe du système solaire combiné

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Les SSC représentent une solution idéale en combinaison avec une chaudière au fioul, à gaz ou au bois.Ils permettent de réaliser jusqu’à 40 % d’économies sur la facture d’énergie. Le fonctionnement tout solaire est possi-ble en été. Les derniers systèmes sont compacts et relativement faciles à mettre en place. Pour le résidentiel la capacité du ballon va généralement jusqu’à 750 l (figure 8).

I l existe un autre type de chauffe-eau so l a i r e , l e s chau f f e -eau à the rmos i -phon. Ils sont basés sur le principe de la c i rcu la t ion de l ’eau par thermos i -phon : l’eau froide étant plus lourde que l’eau chaude, elle se retrouve toujours dans la part ie inférieure du récipient. Ces appare i l s sont donc t rès s imples puisqu’ils n’ont recours à aucun système pour forcer la circulation des fluides. Il suffit de les brancher sur une alimenta-tion d’eau froide pour obtenir de l’eau chaude sanitaire. Il existe des modèles monoblocs où le ballon est f ixé direc-tement au-dessus du capteur ou des modèles à éléments séparés : le ballon est indépendant mais doit être installé plus haut que le capteur, de 50 cm au minimum, pour que l’effet de thermosi-phon se produise.Ce type de chauffe-eau peut s’installer sur un toit en pente ou plat, ou sur une terrasse. I l doit a lors être f ixé sur un châssis. En instal lation sur un toit, on doit prendre en compte le poids non négl igeable de l ’ensemble, a ins i que l’aspect esthétique.

Le f luide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire remonte par ther-mosiphon jusqu’au ballon de stockage, où il chauffe l’eau en passant dans un échangeur annulaire collé au ballon. Il peut également s ’agir d’un serpentin

in tégré au ba l lon . Dans le s modè les prévus pour les pays tropicaux, il n’y a pas de fluide caloporteur, c’est l’eau du ballon qui transite par le capteur.L e b a l l o n p e u t é g a l e m e n t ê t r e m u n i d ’une rés i s tance é lect r ique d’appoint . Cependant, ce type d’appareil est destiné aux régions chaudes. En effet, le ballon, bien qu’isolé, est s itué à l ’extérieur. Le soumettre à de basses températures serait pratiquement sans intérêt pour produire de l’eau chaude.

Les capteurs solaires thermiques

Il existe deux types de capteurs solaires : les capteurs plans et les capteurs à tubes sous vide (figure 9). Les capteurs plans sont les plus courants. Ils se composent le plus souvent d’un caisson en alumi-nium ou en fibres de verre, isolé sur le fond et les côtés avec du polyuréthane o u d e s l a i n e s m i n é r a l e s . L e c i r c u i t hydraulique (échangeur) consiste en un tube en cuivre qui peut prendre la forme d’un serpent in en méandres ou d’un montage en échelle. Les tubes d’arrivée et de départ sont équipés d’un raccorde-ment hydraulique situé de chaque côté du panneau, ce qui facil ite les raccor-dements et les montages juxtaposés ou superposés. D’autres modèles sont munis uniquement d’une entrée et d’une sortie mais intègrent un tube de retour. Selon les modèles, le montage peut indiffé-remment s’effectuer horizontalement ou verticalement.

L’absorbeur doit être soudé sur l’échan-geur en cuivre. Les fabricants proposent des absorbeurs revêtus de matér iaux hautement sélectifs afin d’améliorer le rendement. Le ca i sson est fermé par une p l aque de ve r r e t r è s r é s i s t an te (notamment contre la grê le) à haute transparence.




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Les chauffe-eau solaires

© Wagner Solar

© Wagner Solar

© Wagner Solar

Pose rapportée sur toiture inclinée

Pose intégrée dans toiture inclinée

Pose sur châssis (toiture plate ou terrasse)

les installer sur des châssis dans le cas de toiture plate ou de terrasse. Les installa-tions en façade ou comme auvent sont également envisageables.

Les ballons solaires

En ce qui concerne les ballons solaires, l’offre est également fournie. Les fabri-cants proposent de nombreux modèles pour les CESI et les SSC. C’est pour-quoi nous présenterons uniquement les ba l lons dédiés à la product ion d’eau chaude (figure 11).Un ballon solaire est un réservoir spécia-lement dédié à cet usage. I l doit être fabriqué avec des matériaux de qualité assurant sa pérennité. La cuve doit résis-ter à la corrosion. Elle est généralement émaillée ou en acier inoxydable. L’iso-lation thermique doit également être la plus performante possible pour assurer le stockage avec le minimum de pertes.

Les ballons électrosolaires sont les plus simples de conception. En partie basse, ils sont équipés d’un échangeur tubulaire en serpentin, qui est destiné à recevoir la chaleur du fluide caloporteur en prove-nance des capteurs. Les échangeurs à double spire sont les plus performants.

Pour l’énergie d’appoint, ces appareils font appel à l ’é lectr ic i té. C’est pour -quoi i ls sont équipés d’une résistance stéatite avec thermostat de régulation et éventuel lement d’un système anti -corrosion électrique ou d’une anode. Si vous désirez que l’appoint électrique soit disponible à tout moment, la résistance doit être située dans le tiers supérieur de l’appareil. Elle n’agira efficacement que sur cette partie du volume mais avec l’avantage que la montée en température sera plus rapide. Si les capteurs n’ont




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Choix d’un chauffe-eau électrique

Figure 17 : Le choix d’un chauffe-eau à accumulation

société bénéf ic iant du label Qual isol . Dél ivrée par Qual i ’EnR, cette marque de qualité regroupe des professionnels qualifiés pour l’installation de systèmes solaires thermiques dans l’habitat indivi-duel. La qualification Qualisol concerne les installateurs de chauffe-eau solaires individuels (figure 16).

Pour les systèmes so la i res combinés , chois issez le label Qual isol Combi. Le professionnel qui a signé cette charte s’est engagé à jouer le rôle de conseil

auprès de son client, a prouvé sa compé-tence et a suivi des formations spécifi-ques. Il est en mesure de produire toutes les assurances nécessaires. Le recours à une entreprise labellisée vous permettra, le cas échéant, de bénéficier des aides f inancières accordées par l ’État ou les collectivités locales.

Les entreprises bénéficiant de la quali-f ication Qualisol répondent également à la nouvelle charte « Reconnaissance Grenelle Environnement ».

Figure 16 : Les labels Qualisol et « Grenelle Environnement »




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La microproduction d’électricité

Les panneaux photovoltaïques

Les types de panneaux

Panneau monocristallin

Panneau au silicium amorphe

Panneau CIS

Panneau CIGS

et cellules souples

Panneau TeCd

Panneau monocrystallin

hybride (avec couches de

silicium amorphe)Panneaux polycristallins

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Rendement des différents types de panneaux

Type de cellules

Silicium monocristallin Industrialisé22,7 % 12/20 %24,7 %

Rendement d'une cellule

en laboratoire

Rendement d'un panneau

en laboratoire

Rendement d'un panneau

commercialisé

Développement

Silicium polycristallin Industrialisé16,27 % 11/15 %20,3 %

Silicium amorphe Industrialisé10,4 % 5/9 %13,43 %

Silicium couche mince Industrialisé9,4 % 7 %13,43 %

Disélénium de cuivre indium CIS

Disélénium de cuivre indium

Gallium CIGS

Industrialisé13,54 % 9/11 %19,3 %

Tellurure de cadmium TeCd Industrialisé

Industrialisé

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6/9 %

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Cellules multijonctions App. spaciale25/30 % -39 %

Cellule de Grätzel Recherche8,4 % -11 %




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frauduleux n’est réalisé). Elle comprend également son propre AGCP (disjoncteur de branchement). Cette solution est plus chère puisqu’elle nécessite des travaux plus importants et plus de place, sans compter l’appareillage nécessaire pour le raccordement des panneaux. Le retour sur investissement est donc relativement long.Quelle solution choisir ? Tant que le prix du kWh acheté est inférieur à celui que va produire votre installation photovol-ta ïque, i l es t intéressant de revendre l a t o t a l i t é de l a p roduc t i on . L’ é ca r t de p r i x e s t amené à se r édu i r e avec l’augmentation irrémédiable du prix du kWh et la réduction des tarifs de rachat. Quand les tarifs de rachat convergeront avec les tarifs de consommation, les béné-ficiaires seront ceux qui auront choisi une insta l lat ion avec in ject ion du surplus, puisqu’ils achèteront moins d’électricité. Dans les deux cas, le fonctionnement est uniquement possible avec présence de tension sur le réseau public.

Le raccordement des panneaux

Une installation de panneaux photovol-taïques doit être conçue de manière à assurer une sécurité optimale. À cause du nombre croissant d’installations mal réalisées, une attestation de conformité spécif ique dél ivrée par le Consuel est désormais nécessaire avant la mise en service de l ’ instal lation et son raccor-dement. La mise en œuvre doit respec-te r l e s précon i sa t ions du Guide UTE C 15-712-1 et la Norme NF C 15-100 en ce qui concerne les parties alimentées en courant alternatif.Une installation se compose de plusieurs éléments (figure 28) : les modules photo-voltaïques, le câblage des modules en courant continu, une boîte de jonction éventuelle, des dispositifs de commande

et de protection de la partie DC (fusibles ou disjoncteurs éventuels, parafoudre, d ispos i t i f s de sect ionnement) , un ou des onduleurs, le câblage de la partie a l ternat i f en sort ie de l ’onduleur, les protections du circuit AC (parafoudre, dispositif différentiel haute sensibil ité, dispositif de coupure), le disjoncteur de branchement AGCP (dédié ou celui de l’installation existante) et les compteurs. Des étiquettes de signalisation doivent également être apposées sur différents éléments.

Les panneaux doivent être conformes aux normes de la série NF EN 61730. Ils doivent posséder un degré de protection minimum de IP 44 et une résistance aux chocs de IK 07. Les connecteurs ou le boîtier de connexion doivent avoir un degré de protection IP 54. La valeur du courant inverse des panneaux doit être au moins égale à deux fois la valeur du courant de court-circuit qu’ils peuvent supporter.Les panneaux sont connectés en chaî-nes, c’est-à-dire plusieurs panneaux en série afin d’obtenir la tension nécessaire à l’onduleur (figure 29). Ensuite, i l est poss ible de connecter plus ieurs chaî-nes en parallèle. Le courant de défaut maximal dans une chaîne peut attein-dre 1,25 ! (nombre de panneaux –1) ! courant de court-circuit. On doi t donc prendre en compte ce courant de défaut pour dimensionner les câbles des chaînes et prévoir éven-tuellement une protection par fusibles et diodes.

Les normes admettent que l’on puisse ne pas uti l iser de fusibles si les câbles des cha înes sont d imens ionnés de la façon suivante : i ls doivent supporter une tension égale à la tension d’essai normalisée ! nombre de modules ! 1,15.




45

La microproduction d’électricité

SPD

SPD

Compteur

Connecteurs

débrochables

Panneaux

photovoltaïques

Châssis support

Câbles des

chaînes de PV

Prise de

terre

DDR

30 mA

Protection

surintensité

DDR 30 mA

Tableau de

répartition

Dispositif de

coupure et de

sectionnement

Dispositif de

coupure et de

sectionnement

Parafoudre

courant

continu

Parafoudre

courant alternatif

Câble principal

courant continu

Connecteurs

verrouillables

Onduleur

AGCP AGCP

OU

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Schéma de principe de raccordement des PV

Figure 28 : Le principe de raccordement des panneaux




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de ces démarches. N’oubliez pas qu’i l vous déconseillera les solutions qu’il n’a pas l’habitude de pratiquer, aussi faites établir plusieurs devis.

La production en site isolé

La production d’électricité à partir de panneaux photovoltaïques ou d’autres énergies renouvelables peut également être envisagée comme moyen unique pour alimenter un site isolé non raccordé au réseau. Cela peut relever d’un choix personnel ou d’une nécess i té due au coût de raccordement au réseau public. Cette configuration s’appelle un réseau en î lotage. Le procédé le plus s imple consiste, par exemple, à produire l’élec-tricité avec des panneaux photovoltaï-ques, stockée dans des batteries pour les périodes où les panneaux ne produisent pas ( f igure 35). Le point fa ible de ce type d’ insta l lat ion est le stockage en batteries. Leur capacité est limitée pour une durée de v ie de c inq à huit ans, voire quinze ans pour les plus perfor-mantes. Le budget de remplacement est par conséquent très élevé. I l va de soi qu'il est impératif d’utiliser des modèles spécialement adaptés à cet usage, géné-ralement des batteries au plomb.

On raccorde l e s ba t te r i e s au c i rcu i t AC au moyen d’un onduleur à batte-ries. Celui-ci permettra de les charger mais également d’en réguler la charge pour éviter les décharges totales ou les surcharges. Dans cette configurat ion, l’onduleur peut déconnecter automati-quement le consommateur si les batteries sont déchargées. Pour la charge, il utilise donc le courant alternatif produit par l ’onduleur des panneaux photovoltaï -ques et le transforme en courant continu. Quand les panneaux ne produisent plus,

il transforme le courant continu stocké dans les batteries en courant alternatif qu’il réinjecte dans l’installation.La disponibi l i té de l ’énergie est donc très limitée.

Certains onduleurs à batterie peuvent disposer également d’un contact auto-mat ique de démarrage, par exemple pour un groupe électrogène. Dès que la charge des batteries devient insuffisante, i l démarre le groupe af in d’assurer la cont inuité de l ’énergie. I l le coupera lorsqu’un autre moyen de production pourra prendre le relais. On peut également réaliser une installa-tion hybride mêlant plusieurs modes de production (éolien et photovoltaïque, par exemple). Quelques panneaux peuvent être dédiés uniquement à la charge des batteries pour pouvoir profiter pleine-ment de la production de ceux dédiés à l’alimentation de l’installation.

Des appareils encore plus évolués tech-niquement comme les convert i sseurs à batteries bidirectionnels (f igure 36) peuvent permett re de gérer tout un réseau avec de multiples sources, soit alternatives produites par des énergies renouvelables ou par un groupe électro-gène ou un basculement sur le réseau public s’ i l existe et des sources conti-nues comme une pile à combustible ou des batteries. Outre toutes les fonctions automat iques , ce type d ’ ins ta l l a t ion peut être géré et surveillé à distance via Internet.

Pour al imenter une habitat ion en site isolé de façon autonome, vous devrez faire une estimation au plus juste de vos besoins en électricité afin de bien dimen-sionner votre installation de production. Bien entendu, vous devrez prévoir une autre énergie que l ’électr icité pour le




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Les panneaux hybrides

chauffage, la cuisson des aliments ou la production d’eau chaude. Cette dernière peut être réal isée avec des panneaux solaires thermiques pour la base et éven-tuellement un complément électrique.L’électr icité que vous produirez devra être réservée uniquement aux ut i l i sa-tions pour laquelle elle est indispen sable comme les appareils électroniques, les appare i l s é lec t roménagers à moteur (asp i rateur, ré f r igérateur, machine à laver). Cette dernière pourra être prévue en double a l imentat ion (eau chaude et froide) si vous disposez d’une autre énergie pour chauffer l’eau.Le développement des piles à combus-tible à hydrogène s’annonce comme une alternative prometteuse aux batteries. L’hydrogène peut être produit simple-ment avec de l’eau et n’importe quelle source d ’é lec t r i c i té , en l ’occur rence r e n o u v e l a b l e , p o u r ê t r e s t o c k é e t ré utilisé, même longtemps après.

Les panneaux hybrides

Cer ta ins reprocheront aux sy s tèmes photovoltaïques traditionnels leur rela-tive faible efficacité en termes de conver-s i on de s r ayons so l a i r e s en éne rg i e é lect r ique ut i l i sab le (env i ron 15 %). D’autres souha i tera ient s ’équiper de panneaux photovoltaïques et thermiques mais la surface équipable dont ils dispo-sent n’est pas suffisante.

D e s f a b r i c a n t s t e n t e n t d ’ a m é l i o r e r l ’ef f icacité énergétique des panneaux photovoltaïques en employant diverses techniques. Par exemple, ABCD Inter-national augmente le rendement élec-trique de ses panneaux photovoltaïques (figure 37) et élimine en même temps les problèmes de surchauffe, par un système de refroidissement, constitué d’un circuit

de panneau thermique (f igure 38). En e f fet , des panneaux photovol ta ïques en plein soleil d’été peuvent atteindre une température de plus de 100 °C, ce qui réduit la production d’électr ic ité. L’accumulat ion de chaleur à l ’ar r ière des panneaux réduit la production de 0,4 à 0,5 % pour chaque degré dépas-sant 25 °C. Un panneau hybride permet d’abaisser cette température aux envi-rons de 45 °C et donc d'amél iorer le rendement de la partie photovoltaïque.Outre l ’augmentat ion du rendement é l e c t r i q u e , o n p r o f i t e d e l ’ é n e r g i e t h e r m i q u e d a n s u n m ê m e p a n n e a u pour l’ECS (eau chaude sanitaire) ou le chauffage. La techno log ie e s t désorma i s v i ab le pour répondre aux besoins énergétiques actuels grâce à une combinaison intelli-gente de deux technologies.

Les modules sont directement connectés au ballon d’eau chaude avec un circuit s o l a i r e t h e r m i q u e c l a s s i q u e . A i n s i , l ’eau chaude est produite à 0,4 kWh

Figure 37 : Exemple de panneaux hybrides©

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