Introduction aux panneaux solaires

Il faut différencier deux types de panneaux solaires: les photovoltaiques ( P.V.) qui génèrent de l'électricité et les panneaux thermiques qui produisent de l'eau chaude.

Un capteur thermique est beaucoup plus efficace qu'un panneau PV. Il peut capter environs 70% de l'énergie solaire. Les PV n'arrivent qu'à convertir entre 10% et 15% de l'énergie incidente en l'électricité mais ceci est plus polyvalente et peut être revendue au ruisseau de distribution à un tarif favorable.

Cette différence est dûe principalement au fait que l'électricité est une forme d'énergie pure et la chaleur est la forme d'énergie la plus desordonnée vers laquelle toute autre énergie à tendance de se dégrader. Donc, produire de la chaleur (chauffage ou eau chaude) à partir de l'électricité est une aberration sur le plan de la bonne gestion de l'énergie et des ressources naturelles. On estime qu'il faut consommer 3kWh d'énergie primaire pour faire 1 kWh d'électricité. On en a déjà perdu deux tiers avant de brancher la prise.

On voit qu'il n'est pas très logique d'investir dans une production d'électricité PV, peu efficace et trés chère, si on va brancher le chauffe-eau ou des radiateurs électriques par la suite.

 

L'énergie solaire et d'autres

Dans une région comme la mediterannée, avec autant de journées ensoleillées par an, il est im class="subhead_center" pératif d'en profiter avant de consommer d'autres ressources énergétiques limitées.

Le soleil nous envoie un flux d'énergie très impressionnant: 1kW par mètre carré perpendiculaire au rayonnement. Ça veut dire qu'une pente de toiture de 5m par 10m face au sud reçoit jusqu'à 50kW pendant les heures autour de midi.

A titre de comparaison un chauffe-eau de 200 litres aura une résistance d'environs 2kW. Un radiateur ou convecteur consommera entre 1kW et 2kW.

Parce que le soleil se déplace dans le ciel on parle généralement de kilowatt crête (kWc). Cela signifie la puissance maximale disponible quand le capteur est directement perpendiculaire au soleil. Ce chiffre ne serait atteint uniquement qu'autour de midi solaire (14h heure légale en été) avec un capteur orienté de façon optimale.

Quand le site n'est pas optimal, on compense en mettant plus de surface capteuse, mais la décôte n'est pas très importante si l'on peut rester dans une orientation comprise entre sud-ouest et sud-est.

 

Le CESI et les SSC

L'eau chaude peut servir pour l'eau chaude sanitaire et le chauffage. On différencie les deux types de systèmes mais ils sont très similaires. Un chauffe-eau solaire individuel (CESI) peut évoluer en système solaire combiné (SSC).

 

Un panneau n'est pas un système

Si on considère un CESI, le capteur solaire n'en est qu'un élément. En général, l'eau chaude du panneau tourne en circuit fermé vers un échangeur de chaleur dans un réservoir similaire à un chauffe-eau classique. Après, ça fonctionne largement comme une telle installation sauf que l'échangeur prend la place de la résistance.

Donc pour créer de l'eau chaude solaire il faut un capteur , un réservoir, une pompe et un contrôleur de pompe. Il y a aussi quelques accessoires comme un mélangeur mitigeur pour empêcher la température de l'eau sortante de dépasser une température qui pourrait provoquer des brûlures.

 

L'énergie d'appoint

Parce que le beau temps n'est pas toujours au rendez-vous, il faut prévoir comment faire pendant les périodes de ciel couvert. La première parade est d'installer une réserve assez volumineuse pour assurer un ou deux jours d'autonomie une fois l'eau bien chaude. Cela implique une connaissance de la consommation typique du foyer en eau chaude.

Deuxièmement on faire appel à une autre forme d'énergie. Cela pourrait être un système parallèle comme un chauffe-eau à gaz, une chaudière ou une résistance électrique installée dans la réserve.

 

Orientation

Évidement, le plein sud est l'optimum, mais un écart de 10 degrés ne fait perdre que 2% de rendement. Avec 30 degrés d'écart on perd 14%. Ce n'est pas dramatique.

Élévation: pour atteindre les chiffres "crête" il faut que le panneau soit perpendiculaire au rayonnement à midi solaire quand le trajet du soleil atteint son zénith. Dans le Midi ça veut dire environs 23 degrés d'inclination au verticale le 21 décembre et 70 degrés au solstice estival le 21 juin.

On peut concevoir un système réglable en fonction des saisons mais un système fixe sera, en général, réglé pour l'hiver. Il peut sembler paradoxal de ne pas chercher à en tirer le maximum de l'abondance de soleil en été, mais c'est un peu l'inverse de ce qu'on a besoin.

Nos besoins en eau chaude sont moindre en été, puis avec les journées de production plus longues on arrive rapidement aux températures souhaitées, voir dans une situation de surchauffe avec l'abondance de kWh.

Rester dans le positionnement pour l'hiver est une façon d'équilibrer le système sur l'année. Il est souvent nécessaire néanmoins de prévoir un dispositif de limitation de température pour l'été.

 

Emplacement

On peut installer le panneau par terre sur un terrain, en façade ou sur le toit.

La dernière option est souvent choisie mais on remarque que ce n'est pas le mieux pour l'hiver. Les toits du Midi ont souvent 22 degrés de pente. L'angle d'incidence du rayonnement en décembre serait d'environs 50 degrés à la perpendiculaire du panneau, donc une surface effective moins que 2/3 de la surface totale. On doit se contenter d'une autre forme d'énergie pour cette période, mais ce n'est pas la partie de l'année la plus productrice. On relativise donc.

Il y a deux possibilités en toiture: posé ou intégré. Posé est le plus simple et le moins onéreux et ouvre la possibilité de mieux incliner le panneau. Pour un panneau autonome attaché sur la charpente, les questions d'étanchéité sont minimes. Par contre, l'intégration en toiture nécessite un travail d'étanchéité conséquent , ce qui n'est pas simple.

Un montage sur châssis en façade peut offrir un bonne orientation si on peut le marier avec l'architecture du bâtiment. Cela ouvre aussi la possibilité de faire circuler l'eau par siphon thermique, ce qui permet de supprimer la pompe et son circuit de contrôle. Un grand plus pour les sites isolés, hors connection EDF.

Un panneau sur un châssis par terre peut être considéré s'il n'y a pas d'arbres ou bâtiments voisins qui vont le masquer pendant une partie importante de la journée. Il faut également éviter d'éloigner le panneau de la réserve parce que les pertes de chaleur dans les tuyaux de connections vont nuire à l'efficacité du système.

Il faut prendre en compte d'éventuelles contraintes administratives sur les travaux à faire.

 

Dimensionnement du système

Il ne faut pas tomber dans le piège classique de dire tant de mètres carrés pour tant de litres de réserve. Ce qui détermine la surface nécessaire est principalement la consommation en eau chaude et non pas le volume de la réserve.

La première étape est de déterminer les besoins du foyer en eau chaude en volume et température. En peut définir une température au robinet de 43 degrés mais la question de volume n'est pas toujours évidente. Demander combien d'eau il faut pour une douche est comme demander "quel est la longueur d'un bout de ficelle?" Cela dépend de la taille de la paume de douche et des habitudes des personnes. Une méthode serait de rajouter un compteur d'eau à l'entrée du système existant et de faire la moyenne sur quelques semaines.

Une etude sur une centaine de installations CESI commissioné par l'ADEME a trouvé un moyen de 30 litres par personne par jour, ce qui est moins que le 50 litres souvent utilisé. Cela pourait s'expliquer par le fait que ces utilisateurs, ayant fait la demarche d'installer un CESI, soient plus sensible sur l'economie d'eau chaude que la population générale.

Deuxième étape est de décider combien de jours de réserve on veut pour les mauvais jours. En pratique ça se limite à 2 ou 3 jours.

On peut ainsi calculer la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer une telle quantité d'eau par tant de degrés. Finalement, il faut augmenter la surface des capteurs pour compenser des perditions nocturnes ( et journaliers ) à travers les parois du réservoir. Si on regarde les fiche techniques dans les magasins on retrouve les chiffres des fabriquants. Un chauffe-eau de 200 litres dans le commerce perd environ 2 kWh par jour s'il est maintenu a 60 C.

Cette perte d'energie se traduit par une chute de 12 degrés par jour pour un tel chauffe-eau classique. Il faut renforcer l'isolation!

Finalement, avec le chiffre de production d'énergie necessaire par jour en kWh, on peut choisir la surface de panneau adequate. Il faut tenir compte de l'orientation du panneau, masquages éventuels par arbres ou bâtiments voisins, la longueur de la période d'ensoleillement et les caractéristiques du panneau.

Un site dégagé peut offrir 5 heures de production par jour en hiver. Celà equivaudra une moyenne d'environs 70% de sa valeur maximumale à midi solaire. Cette valeur elle-même ne serait pas plus que 80% de la valeur maximumale en été.On peut ainsi estimer la production d'un jour de beau temps en hiver d'être entre 50% et 60% le "crête" estivale et cela durant 5 heures.

On voit que un calcule de dimensionnement n'est pas simple mais on peut dire que les installations de foyer particulier sont fait générallement avec entre 2 est 6 metres carrés de panneau.

 

 

L'auto-construction

Il y a une offre très développée de systèmes solaires dans le commerce. Malheureusement, même s'ils sont beaux, ils sont très onéreux. Néanmoins, la technique n'est pas nouvelle et pas vraiment complexe non plus. Un bon bricoleur serait capable de fabriquer un système solaire thermique.

La forme la plus simple c'est un radiateur en fonte peint en noir ou un tuyau noir dans une boîte vitrée. Ça a été fait souvent dans les années 70 par des écologistes et d'autres amateurs. Cette technique très basique est quand même assez efficace. Un peu plus de soins, par contre, peut produire un panneau avec un rendement équivalent à beaucoup de systèmes commerciales.

Une très bonne solution est de recouperer un échangeur de chaleur depuis une unité de climatisation. Les tuyaux en cuivre avec des ailettes en aluminium constituent un très bon capteur solaire une fois peint en noir avec une peinture haut température. Trouvez un exemple de ce technique dans le rubrique "images" sous "techniques de construction".

 

Le panneau

Un panneau thermique est un absorbeur dans une boîte. C'est le corps (généralement) noir qui absorbe les rayons du soleil et devient chaud. Cette chaleur est transmise à l'eau qui circule à l'intérieur. Le couverture en verre ou autre matériau transparent empêche l'absorbeur d'être refroidi par l'air autour. Ou plus precisement, il empêche cet air de partir avec la chaleur. Alors, l'air agit comme isolant.

On pense souvent que c'est l'air dans la boîte, chauffé par l'effet de serre, qui chauffe l'eau. C'est faux. Toute chaleur transmise à l'air représente une perte dans le système. L'air a une capacité thermique beaucoup trop faible pour transmettre efficacement la chaleur. Même il s'agit d'un très bon isolant. L'absorbeur est chauffé directement par les rayons du soleil et la chaleur, transmise à la fluide calo-porteur, doit être evacuée du panneau au plus vite. Si la boîte se chauffe il y a plus de perditions, donc moins de rendement.

En plus l'isolation du tampon d'air entre l'absorbeur et la vitre, il est important d'isoler la boîte. Une autre fausse idée est que le bois est un trés bon isolant thermique. Il est plutôt moyen. Quelques centimètres de laine de roche ou similaire sera bon. Il faudrait quatre fois plus d'epaisseur de bois: voir le tableau de conductivités thermiques. Les mousses en plastiques sont à éviter au mois qu'il y a une dispositif le limitation de température, elles ne supportent pas les températures dans les panneaux, qui peuvent atteindre les 100 degrés.

Le carreau de verre peut être remplacé par un panneau de polycarbonate triple couche , comme utilisé en toiture de vérandas. Il est plus opaque que le verre mais plus isolant. Le net effet est une perte d'environ 10% du rendement. En contrepartie il est moins cher, résiste au choques (grêlons) et est beaucoup plus léger. Une option valable donc si on peut éviter la surchauffement.

 

L'échangeur

Le deuxième élément est l'échangeur thermique dans la réserve. On peut utiliser un chauffe-eau électrique comme réserve avec une spirale de tuyau de cuivre à l'intérieur. La surface de la spirale doit être au moins un quart de la surface du capteur.

 

La circulation de l'eau

Si la réserve est placée au moins un mètre plus haut que le haut du panneau il est possible d'éviter le besoin d'une pompe. La convection naturelle fait monter l'eau chaude, moins dense. Une fois que sa chaleur est transferé à la réserve, l'eau va redescendre pour être de nouveau réchauffée. Autrement, quand le panneau refroidit en fin de journée le siphon s'arrête pour repartir la prochaine fois qu'il y a assez de soleil. Aucune énergie externe n'est requise. C'est autorégulant.

Ce système, apparemment parfait, a un inconvénient dans la mesure ou le débit d'eau dans la boucle est beaucoup moindre qu'avec une pompe. Comme résultat le panneau fonctionne avec une température plus élevée, ce qui augmente les perditions et nuit au rendement. Vu la pure simplicité de cette configuration cet inconvénient pourrait être considéré comme acceptable.

Si une installation en siphon thermique n'est pas possible ou si l'on désire contrôler et augmenter le débit, une pompe est nécessaire. Il faut s'assurer que la pompe peut fonctionner jusqu'à 100 degrés.

Évidement il faut arrêter la pompe la nuit et ne pas l'allumer s'il ne fait pas beau. Cela nécessite un circuit contrôleur et des sondes de température.

Simplement dit, il faut déclencher la pompe quand la sortie du panneau est plus chaude que l'eau dans le bas de la réserve et l'arrêter autrement.

Plusieurs systèmes existent. Un contrôleur simple peut être fait avec quelques composants électroniques d'une facture de moins de dix euros. Il peut avoir la taille d'une boîte d'allumettes. Il y a des contrôleurs commerciaux beaucoup plus complexes qui se vendent entre 200 à 500 euros.

 

Techniques de limitation de température

Vu l'énergie regulièrement aportée par le soleil, il y a une tendance pour la température à grimper de plus en plus haute si on ne puisse pas ou peu d'eau dans la réserve, par exemple en cas d'absence. Il faut également considérer ce qui se passera s'il y a un blocage, une défaillance de la pompe ou une coupure de courant pour éviter des situations dangereuses. Il y a plusieurs techniques.

Vidange. Certains systèmes vident la fluide du panneau en cas de surchauffe ou de gel. Celà peut être assurer par gravitation en cas de panne du système, si la boucle est ouvert à l'atmosphère.

Ouverture d'un appel d'air dans le panneau par action méchanique indépendant du courant électrique, par exemple utilisant une lame bimétallique ou un piston à cire.

Radiateurs.On peut dissiper l'excès de chaleur en passant l'eau de la réserve dans des radiateurs. Cela présume que le système fonctionne normalement donc une stratégie d'urgence est toujours nécessaire pour gérer l'éventuel ébullition de l'eau en cas de panne.

Pompage nocturne. Un panneau solaire devient un radiateur efficaçe une fois hors du soliel. Il peut être utilisé pour baisser la température de la réserve et ainsi éviter la surchauffe. Ecore celà présume un bon fonctionnement et nécessite un garde-fou.

 

 

Annexe technique

 

Conductivité thermique

Voici quelles valeurs de conductivité thermique pour des matériaux communs. C'est une propriété physique des matériaux donc indépendant des dimensions d'un objet particulier. Les valeurs sont en W/m/K. Pour les matériaux comme les aciers ou les verres ces sont des valeurs typiques.

0,024 air (immobile)

0,03 polystyrène expansé

0,03 mousses plastiques

0,34 kapok

0,042 laine de roche / verre

0,043 liège

0,12 pin

0,17 chêne

0,19 PVC

0,48 plâtre

0.58 eau

1,0 verre

1,7 bêton

1,7 pierre calcaire

46 acier

80 fer (50 font)

250 aluminium

400 cuivre


 

Rapport énergie / température

La température d'un objet est le résultat de son énergie thermique (l'excitation de ses molécules et atomes). Ce qu'on ressent quand on touche un objet est sa température , non pas son énergie. En générale, deux objets avec la même énergie n'auront pas la même température. Un objet d'un kilo en font aurait plus d'énergie qu'un objet d'un kilo en bois. C'est la raison pourquoi on defini une propriété physique d'un matériau qui measure le rapport entre énergie est température: la capacité thermique.

La capacité thermique de l'eau est environs 4.2 kJ/kg/K . Ce veut dire qu'il faut 4.2 joule pour monter la température de une gramme d'eau par un degrée. Sachant qu'un litre d'eau pèse un kilogramme et un joule égale un watt durant une seconde, on peut ainsi calculer l'énergie necessaire pour chauffer un volume d'eau par tant de degrées.

exemple: pour monter 100 litres d'eau par 20 degrées celcius

energie= 100 x 4.2 x 20 = 8400 kJ

ou divisant par le nombre de seconds dans une heure:

8400 kJ / 3600 s = 2.33 kWh

Cette dernière unité kWh ( kilowatt-heure et non pas "kilowatt par heure") est donc une unité d'énergie qui répresent une puissance d'un kilowatt durant une heure. C'est l'unité de facturation de l'électricité en France mais c'est un mesure indépendant de la nature de l'énergie en question.