Produire son eau chaude et son électricité solaires by David Fedullo

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Les cahiers du bricolage et de la construction : Produire son eau chaude et son électricité solaires Version ebook - livre électronique © 2012 David Fedullo, Thierry Gallauziaux Tous droits réservés - Reproduction, adaptation, traduction interdites sans autorisation écrite préalable expresse des auteurs. Ce document est réser vé à un usage privé uniquement. Il ne peut être ni cédé, ni transmis, ni revendu, ni diffusé, ni mis à disposition par téléchargement pour des tiers.

Produire son eau chaude et son électricité solaires

Sommaire

L’énergie solaire.............................................................................................................. 6 Les chauffe-eau solaires ............................................................................................. 9 Les capteurs solaires thermiques ............................................................................................... 14 Les ballons solaires.................................................................................................................. 17 Le choix du matériel solaire thermique....................................................................................... 20 L’installation des capteurs solaires ............................................................................................. 22 Les besoins en eau chaude ...................................................................................................... 27

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

Sommaire

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Les cahiers de la construction

L’énergie solaire

Figure 3 : L’acier a fondu en quelques secondes

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

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Produire son eau chaude et son électricité solaires tion, le circuit forcé transmet l’énergie à un échangeur thermique situé dans le ballon de stockage isolé thermiquement. L’échangeur, souvent constitué d’un serpentin en cuivre est placé dans l a p a r t i e b as s e d u b a l l o n . I l t r a n s m e t la chaleur à l’eau sanitaire qui y est stockée. Généralement intégré au groupe de transfert, un régulateur de température relié à plusieurs sondes optimise la circulation du fluide en fonction de la différence de température du capteur et du ballon. Malheureusement, le rayonnement solaire est irrégulier et varie selon les heures de la journée et les saisons. Il est donc nécessaire de prévoir une autre

énergie pour compenser les baisses de rayonnement et qui servira de relais pour chauffer le ballon. Il peut s’agir d’une chaudière à tout type d’énergie (bois, gaz, fioul, pellets…), d’une pompe à chaleur ou d’une résistance électrique. Dans le cas d’une chaudière, le ballon de stockage est équipé d’un second échangeur en partie haute dans lequel transitera de l’eau chaude provenant de la chaudière. C’est un système 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

Les chauffe-eau solaires

Figure 6 : Le principe du système solaire combiné Version complète sur CommeUnPro.com

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Les chauffe-eau solaires

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 possible 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).

Il existe un autre type de chauffe-eau solaire, les chauffe-eau à thermosiphon. Ils sont basés sur le principe de l a c i rc u l a t i o n d e l ’ e a u p a r t h e r m o s i phon : l’eau froide étant plus lourde que l’eau chaude, elle se retrouve toujours dans la partie inférieure du récipient. Ces appareils sont donc très simples puisqu’ils n’ont recours à aucun système pour forcer la circulation des fluides. Il suffit de les brancher sur une alimentation d’eau froide pour obtenir de l’eau chaude sanitaire. Il existe des modèles monoblocs où le ballon est fixé directement 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 thermosiphon se produise. Ce type de chauffe-eau peut s’installer sur un toit en pente ou plat, ou sur une terrasse. Il doit alors être fixé sur un châssis. En installation sur un toit, on doit prendre en compte le poids non négligeable de l’ensemble, ainsi que l’aspect esthétique. Le fluide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire remonte par thermosiphon 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

intégré au ballon. Dans les modèles prévus pour les pays tropicaux, il n’y a pas de fluide caloporteur, c’est l’eau du ballon qui transite par le capteur. Le ballon peut également être muni d’une résistance électrique d’appoint. Cependant, ce type d’appareil est destiné aux régions chaudes. En effet, le ballon, bien qu’isolé, est situé 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 aluminium ou en fibres de verre, isolé sur le fond et les côtés avec du polyuréthane ou des laines minérales. Le circuit hydraulique (échangeur) consiste en un tube en cuivre qui peut prendre la forme d’un serpentin en méandres ou d’un montage en échelle. Les tubes d’arrivée et de départ sont équipés d’un raccordement hydraulique situé de chaque côté du panneau, ce qui facilite les raccordements 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’échangeur en cuivre. Les fabricants proposent des absorbeurs revêtus de matériaux hautement sélectifs afin d’améliorer le rendement. Le caisson est fermé par une plaque de verre très résistante (notamment contre la grêle) à haute transparence. Version complète sur CommeUnPro.com

Produire son eau chaude et son électricité solaires

les installer sur des châssis dans le cas de toiture plate ou de terrasse. Les installations en façade ou comme auvent sont également envisageables. Les ballons solaires

gner

Solar

Pose rapportée sur toiture inclinée

gner

Solar

Pose intégrée dans toiture inclinée

lar

Pose sur châssis (toiture plate ou terrasse)

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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 provenance des capteurs. Les échangeurs à double spire sont les plus performants. Pour l’énergie d’appoint, ces appareils font appel à l’électricité. C’est pourquoi ils sont équipés d’une résistance stéatite avec thermostat de régulation e t éve n tue lle me n t d’un s ys tè me an ti 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

Les chauffe-eau solaires

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En ce qui concerne les ballons solaires, l’offre est également fournie. Les fabricants proposent de nombreux modèles pour les CESI et les SSC. C’est pourquoi nous présenterons uniquement les ballons dédiés à la production d’eau chaude (figure 11). Un ballon solaire est un réservoir spécialement dédié à cet usage. Il doit être fabriqué avec des matériaux de qualité assurant sa pérennité. La cuve doit résister à la corrosion. Elle est généralement émaillée ou en acier inoxydable. L’isolation thermique doit également être la plus performante possible pour assurer le stockage avec le minimum de pertes.

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Figure 16 : Les labels Qualisol et « Grenelle Environnement »

société bénéficiant du label Qualisol. Délivrée par Quali’EnR, cette marque de qualité regroupe des professionnels qualifiés pour l’installation de systèmes solaires thermiques dans l’habitat individuel. La qualification Qualisol concerne les installateurs de chauffe-eau solaires individuels (figure 16).

auprès de son client, a prouvé sa compétence et a suivi des formations spécifiques. 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 financières accordées par l’État ou les collectivités locales.

Pour les systèmes solaires combinés, choisissez le label Qualisol Combi. Le professionnel qui a signé cette charte s’est engagé à jouer le rôle de conseil

Les entreprises bénéficiant de la qualification Qualisol répondent également à la nouvelle charte « Reconnaissance Grenelle Environnement ».

Les chauffe-eau solaires

Choix d’un chauffe-eau électrique Équipement sanitaire Nb. occupants a = adulte e = enfant Type de logement Capacité (en litres) du chauffe-eau en alimentation directe Capacité (en litres) du chauffe-eau en heures creuses

Évier

Évier + lavabo

15 ou 30

50 ou 75

déconseillé déconseillé

Évier + lavabo + douche

Évier + lavabo + baignoire sabot

Évier + lavabo + douche + baignoire

2a + 1e

Évier + lavabo + douche + baignoire 2a + 1e

2a + 2e

Évier + lavabo + 2 douches + baignoire 2a + 2e

F5 et plus

75 ou 100

100

déconseillé

100

150

150 ou 200

250 ou 300

300 ou 2 x 200

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

2a + 3e

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Produire son eau chaude et son électricité solaires Les panneaux photovoltaïques Les types de panneaux

Panneaux polycristallins

ar ner Sol © Wag

Panneau monocristallin

Panneau monocrystallin hybride (avec couches de silicium amorphe)

Panneau CIS

Panneau TeCd

Rendement des différents types de panneaux Type de cellules

Rendement d'une cellule Rendement d'un panneau Rendement d'un panneau Développement en laboratoire en laboratoire commercialisé

Silicium monocristallin

24,7 %

22,7 %

12/20 %

Industrialisé

Silicium polycristallin

20,3 %

16,27 %

11/15 %

Industrialisé

Silicium amorphe

13,43 %

10,4 %

5/9 %

Industrialisé

Silicium couche mince

13,43 %

9,4 %

Industrialisé

Disélénium de cuivre indium CIS

19,3 %

13,54 %

9/11 %

Industrialisé

Tellurure de cadmium TeCd

16,7 %

6/9 %

Industrialisé

10/12 %

Industrialisé

Cellules multijonctions

39 %

25/30 %

App. spaciale

Cellule de Grätzel

11 %

8,4 %

Recherche

Disélénium de cuivre indium Gallium CIGS

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La microproduction d’électricité

Panneau CIGS et cellules souples

Panneau au silicium amorphe

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La microproduction d’électricité

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 photovoltaïque, il est intéressant de revendre l a t o t a l i t é d e l a p r o d u c t i o n . L’ é c a r t de prix est amené à se réduire 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 bénéficiaires seront ceux qui auront choisi une installation avec injection 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 photovoltaïques doit être conçue de manière à assurer une sécurité optimale. À cause du nombre croissant d’installations mal réalisées, une attestation de conformité spécifique délivrée par le Consuel est désormais nécessaire avant la mise en ser vice de l’installation et son raccordement. La mise en œuvre doit respecter les préconisations 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 photovoltaïques, 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, dispositifs de sectionnement), un ou des onduleurs, le câblage de la partie a l t e r n a t i f e n s o r t i e d e l ’ o n d u l e u r, l e s protections du circuit AC (parafoudre, dispositif différentiel haute sensibilité, 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 chaînes, c’est-à-dire plusieurs panneaux en série afin d’obtenir la tension nécessaire à l’onduleur (figure 29). Ensuite, il est p o s s i b l e d e c o n n e c t e r p l u s i e u r s c h a înes en parallèle. Le courant de défaut maximal dans une chaîne peut atteindre 1,25 × (nombre de panneaux –1) × courant de court-circuit. On doit donc prendre en compte ce courant de défaut pour dimensionner les câbles des chaînes et prévoir éventuellement une protection par fusibles et diodes. Les normes admettent que l’on puisse ne pas utiliser de fusibles si les câbles des chaînes sont dimensionnés de la façon suivante : ils doivent supporter une tension égale à la tension d’essai normalisée × nombre de modules × 1,15. Version complète sur CommeUnPro.com

Produire son eau chaude et son électricité solaires Schéma de principe de raccordement des PV

AC (courant alternatif) Injection du surplus

DC (courant continu) Classe II

Injection totale

Châssis support

Compteur

Connecteurs débrochables

Compteur

AGCP

NF C 14-100

Compteur

NF C 14-100

Panneaux photovoltaïques

AGCP

Parafoudre courant alternatif Dispositif de coupure et de sectionnement

DDR 30 mA

DDR 30 mA Tableau de répartition

SPD Onduleur Connecteurs Parafoudre verrouillables courant continu Câble principal courant continu

Figure 28 : Le principe de raccordement des panneaux Version complète sur CommeUnPro.com

Prise de terre

La microproduction d’électricité

Dispositif de coupure et de sectionnement

Protection surintensité

SPD

Câbles des chaînes de PV

SPD

La microproduction d’électricité

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

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

La production en site isolé

Certains onduleurs à batterie peuvent disposer également d’un contact automatique de démarrage, par exemple pour un groupe électrogène. Dès que la charge des batteries devient insuffisante, il démarre le groupe afin d’assurer la continuité de l’énergie. Il le coupera lorsqu’un autre moyen de production pourra prendre le relais. On peut également réaliser une installation 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 pleinement de la production de ceux dédiés à l’alimentation de l’installation.

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 nécessité due au coût de raccordement au réseau public. Cette configuration s’appelle un réseau en îlotage. Le procédé le plus simple consiste, par exemple, à produire l’électricité avec des panneaux photovoltaïques, stockée dans des batteries pour les périodes où les panneaux ne produisent pas (figure 35). Le point faible de ce type d’installation est le stockage en batteries. Leur capacité est limitée pour une durée de vie de cinq à huit ans, voire quinze ans pour les plus per formantes. Le budget de remplacement est par conséquent très élevé. Il va de soi qu'il est impératif d’utiliser des modèles spécialement adaptés à cet usage, généralement des batteries au plomb. On raccorde les batteries au circuit AC au moyen d’un onduleur à batteries. Celui-ci permettra de les charger mais également d’en réguler la charge pour éviter les décharges totales ou les surcharges. Dans cette configuration, l’onduleur peut déconnecter automatiquement 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,

Des appareils encore plus évolués techniquement comme les convertisseurs à batteries bidirectionnels (figure 36) peuvent permettre de gérer tout un réseau avec de multiples sources, soit alternatives produites par des énergies renouvelables ou par un groupe électrogène ou un basculement sur le réseau public s’il existe et des sources continues comme une pile à combustible ou des batteries. Outre toutes les fonctions automatiques, ce type d’installation peut être géré et surveillé à distance via Internet. Pour alimenter une habitation en site isolé de façon autonome, vous devrez faire une estimation au plus juste de vos besoins en électricité afin de bien dimensionner votre installation de production. Bien entendu, vous devrez prévoir une autre énergie que l’électricité pour le Version complète sur CommeUnPro.com

chauffage, la cuisson des aliments ou la production d’eau chaude. Cette dernière peut être réalisée avec des panneaux solaires thermiques pour la base et éventuellement un complément électrique. L’électricité que vous produirez devra être réser vée uniquement aux utilisations pour laquelle elle est indispen sable comme les appareils électroniques, les appareils électroménagers à moteur ( a s p i r a t e u r, r é f r i g é r a t e u r, m a c h i n e à laver). Cette dernière pourra être prévue en double alimentation (eau chaude et froide) si vous disposez d’une autre énergie pour chauffer l’eau. Le développement des piles à combustible à hydrogène s’annonce comme une alternative prometteuse aux batteries. L’hydrogène peut être produit simplement avec de l’eau et n’importe quelle source d’électricité, en l’occurrence renouvelable, pour être stocké et ré utilisé, même longtemps après.

Les panneaux hybrides

Des fabricants tentent d’améliorer l’efficacité énergétique des panneaux photovoltaïques en employant diverses techniques. Par exemple, ABCD International augmente le rendement électrique de ses panneaux photovoltaïques (figure 37) et élimine en même temps les problèmes de surchauffe, par un système de refroidissement, constitué d’un circuit Version complète sur CommeUnPro.com

Figure 37 : Exemple de panneaux hybrides

de panneau thermique (figure 38). En effet, des panneaux photovoltaïques en plein soleil d’été peuvent atteindre une température de plus de 100 °C, ce qui réduit la production d’électricité. L’ a c c u m u l a t i o n d e c h a l e u r à l ’ a r r i è r e des panneaux réduit la production de 0,4 à 0,5 % pour chaque degré dépassant 25 °C. Un panneau hybride permet d’abaisser cette température aux environs de 45 °C et donc d'améliorer le rendement de la partie photovoltaïque. Outre l’augmentation du rendement électrique, on profite de l’énergie thermique dans un même panneau pour l’ECS (eau chaude sanitaire) ou le chauffage. La technologie est désormais viable pour répondre aux besoins énergétiques actuels grâce à une combinaison intelligente de deux technologies. Les modules sont directement connectés au ballon d’eau chaude avec un circuit solaire thermique classique. Ainsi, l’eau chaude est produite à 0,4 kWh

Les panneaux hybrides

Certains reprocheront aux systèmes photovoltaïques traditionnels leur relative faible efficacité en termes de conversion des rayons solaires en énergie électrique utilisable (environ 15 %). D’autres souhaiteraient s’équiper de panneaux photovoltaïques et thermiques mais la surface équipable dont ils disposent n’est pas suffisante.

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