ENERGIE SOLAIRE

L’ENERGIE SOLAIRE

Les ressources de l’énergie solaire

La plus abondante ressource énergétique sur la Terre, l’énergie solaire est encore très largement sous-exploitée pour la production d’énergie électrique.

La localisation géographique, la saison et le moment de la journée vont déterminer la quantité d’énergie produite par un panneau solaire.

La quantité d’énergie produite par un panneau solaire dépend directement de l’ensoleillement dont il bénéficie, c’est-à-dire de X

Sous l’effet de la lumière du soleil, un matériau conducteur (silicium) contenu dans chaque cellule libère des électrons pour créer un courant électrique continu. Ce dernier est transformé en courant alternatif par l’onduleur, pour qu’il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à moyenne tension du réseau.

Les panneaux solaires, installés en rangs, sont reliés entre eux.

 

La découverte de l’énergie solaire

 
Estoppey chauffage Archimede energie solaire thermique et photovoltaique

200 Avant J.C.

Archimède

Selon la légende, Archimède, qui était un mathématicien, physicien, ingénieur, inventeur, et un astronome grec très important, aurait fait placer plusieurs miroirs sur la côte pour concentrer l’énergie du soleil et mettre ainsi le feu aux navires de l’ennemi qui donnaient l’assaut.

 
Estoppey chauffage Becquerel energie solaire thermique et photovoltaique

1839

Antoine-Henry Becquerel

Il observe qu’une lumière intense dirigée sur certains matériaux génère un courant électrique.

C’est le point de départ de la technologie photovoltaïque.

 
Estoppey chauffage Smith energie solaire thermique et photovoltaique

1849 – 1873

Willoughby Smith

Il a découvert que  la conductivité des tiges de sélénium augmente de manière significative lorsqu’elles sont exposés à la lumière solaire.
Estoppey chauffage Adam energie solaire thermique et photovoltaique

1870 – 1880

William Grylls Adams

Le Professeur William Grylls Adams de Kings College en Angleterre   et son élève Richard Day Evans , ont prouvé qu’il était possible de convertir l’énergie solaire directement en électricité sans aucune pièce mobile ou de la chaleur . À la fin des années 1870, ils ont soumis le sélénium à plusieurs expériences.

 

Estoppey chauffage Fritts energie solaire thermique et photovoltaique

1883

Charles Fritts

produit la première cellule solaire au monde, un dispositif qui convertit la lumière du soleil en électricité, à l’aide de sélénium et d’or. Le rendement de la cellule est alors inférieur à 1 %, c’est-à-dire que moins de 1 % de l’énergie lumineuse est convertie en électricité.

Estoppey chauffage Einstein energie solaire thermique et photovoltaique

1921

Albert Einstein 

Il reçoit le prix Nobel de physique pour sa « découverte de la loi de l’effet photoélectrique ». Einstein est le premier à formuler l’hypothèse de l’existence de quanta de lumière, que nous appelons désormais photons, et établit ainsi les bases théoriques de la technologie photovoltaïque moderne.

 

Estoppey chauffage Dudes energie solaire thermique et photovoltaique

1954
Gerald L. Pearson , Daryl M. Chapin et Calvin S. Fuller

Une plaquette légèrement modifiée de silicium, appelé  » cellule solaire  » a converti la lumière du soleil directement en énergie électrique a été dévoilée par Bell Telephone Laboratories à Murray Hill.
La cellule solaire est une excroissance de la recherche de transistor. Il a travaillé à une efficacité de seulement 6 pour cent.
Estoppey chauffage panneau energie solaire thermique et photovoltaique

1954
Le solaire se commercialise

Les cellules solaires en silicium font leur entrée sur le marché grand public. Le New York Times souligne que la cellule en silicium pourrait permettre de « capter l’énergie presque inépuisable du soleil et la mettre au service de notre civilisation ».

Estoppey chauffage vanguard energie solaire thermique et photovoltaique

1958
La course à l’espace

La course à l’espace entre les États-Unis et l’Union soviétique se traduit par des investissements importants dans la technologie solaire. Certains des premiers satellites artificiels, notamment Vanguard 1, sont alimentés par des cellules photovoltaïques.
 

ENERGIE SOLAIRE THERMIQUE

ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE

SOLAIRE THERMIQUE

VOTRE EAU CHAUDE SANITAIRE GRACE AU SOLEIL !

Installer un panneau solaire sur une toiture  permet d’économiser entre 40 à 80 % des besoins en eau chaude sanitaire d’un foyer. Le nombre de capteurs solaires et le volume du chauffe-eau solaire dépendent surtout du nombre de personnes du foyer.

Un chauffe-eau solaire est un dispositif qui assure la production d’eau chaude sanitaire en utilisant l’énergie solaire.

Les panneaux solaires thermiques, installés sur la toiture de l’habitation, contiennent des capteurs de chaleur solaire. La fonction d’un capteur solaire est de convertir le rayonnement solaire en chaleur. Ne pas confondre avec le solaire photovoltaïque où la lumière du soleil est directement convertie en électricité. La chaleur produite est véhiculée par un fluide caloporteur grâce à un circuit hydraulique qui la transmet à son tour à un ballon de stockage d’eau chaude sanitaire. Une fois refroidi, le fluide caloporteur retourne aux panneaux pour être de nouveau réchauffé et ainsi de suite.

Les avantages des panneaux solaires thermiques

  • Très peu d’impact sur l’environnement : pas de rejet de CO2 = écologique.
  • Risque de panne faible car pas de pièces mécaniques en mouvement.
  • Diminution du rendement faible au cours des années.
  • Durée de vie longue.
  • Utilisent une énergie gratuite et renouvelable = le soleil

Le positionnement des panneaux solaires thermiques sur la toiture est très important. Pour un fonctionnement  optimum l’exposition SUD est vivement recommandée et l’inclinaison sur la toit de 45° est préférable.

Pour les jours de mauvais temps, un dispositif d’appoint devra être installé pour compléter la production solaire en cas d’ensoleillement insuffisant.

Le chauffe eau solaire permet de réaliser une économie importante sur sa facture énergétique.

Comment se chauffer grâce au soleil ?

L’énergie solaire peut servir à chauffer votre eau sanitaire grâce à un chauffe-eau solaire individuel (Cesi), mais aussi alimenter un système ayant la double fonction de chauffage et de production d’eau chaude : le système solaire combiné (SSC), aussi appelé “combi”. D’une façon générale, un chauffe-eau solaire couvre entre 40 et 80 % des besoins en eau chaude, et un SSC de 25 à 60 % des besoins en chauffage et en eau chaude.

Comment fonctionne un chauffe-eau solaire ?

À l’intérieur d’un capteur circule un réseau de tubes métalliques, thermiquement isolé et recouvert d’un corps noir pour absorber la chaleur. L’ensemble est surmonté par une plaque de verre pour créer l’effet d’une mini-serre.

Un circuit transporte le fluide caloporteur (eau et antigel) vers le ballon de stockage.

La circulation du liquide peut être naturelle : il circule grâce à sa différence de densité avec l’eau du ballon. Tant qu’il est plus chaud, il s’élève. Le ballon doit alors être placé plus haut que les capteurs pour disposer d’un chauffe-eau en “thermosiphon”.

Mais la circulation peut aussi être “forcée” par un circulateur, une pompe électrique activée par un dispositif de régulation.

Quand la sonde du ballon est plus chaude que celle des capteurs, la circulation est coupée, dans le cas contraire, la circulation reprend.

À l’intérieur du ballon, un serpentin cède les calories à l’eau, le fluide refroidi repart vers le capteur pour un nouveau cycle.

En métropole, pour relayer les capteurs en cas d’ensoleillement insuffisant, une chaudière d’appoint utilisant une autre énergie (bois, gaz, fioul) ou une résistance électrique dans le ballon est nécessaire.

Et un système solaire combiné ?

Les SSC fonctionnent sur le même principe que les chauffe-eau.

La différence tient dans la surface de capteurs – plus importante – et le mode de stockage de la chaleur.

Avec un plancher chauffant basse température, le fluide caloporteur circule directement dans les tuyaux du plancher. L’inertie de la dalle de béton permet de stocker la chaleur et de transmettre une chaleur douce et uniforme à toutes les pièces de la maison.

Un circuit de dérivation permet de chauffer un ballon pour la production d’eau chaude sanitaire. Avec les autres systèmes, la chaleur est stockée dans un réservoir d’eau tampon.

L’eau chaude est utilisée pour chauffer l’habitation à l’aide d’émetteurs basse température.

L’eau chaude sanitaire est tirée du même réservoir ou d’un second ballon.

Inconvénient par rapport au plancher solaire direct, ces solutions sont plus encombrantes.

Quels sont les différents types de systèmes ?

Le chauffe-eau solaire monobloc associe, sur un même châssis, capteur et ballon d’eau, ce qui le rend difficilement intégrable. Il fonctionne sur le principe du thermosiphon et, dénué d’électronique, il est d’une grande simplicité. Il est adapté aux faibles besoins d’eau chaude et à la toiture-terrasse. On l’installe beaucoup dans les pays chauds.

Le chauffe-eau solaire en thermosiphon peut aussi être réalisé avec capteurs et ballon séparés. Son usage est, de fait, limité par les contraintes techniques.

Il faut une différence de 15 °C entre les capteurs et le ballon pour que le fluide circule. Le ballon doit se trouver au-dessus des capteurs. Si le ballon est situé à l’extérieur, les performances du système sont réduites en hiver, à cause des déperditions de chaleur.Le chauffe-eau solaire à éléments séparés est le système le plus répand.

Il affiche une meilleure performance. Séparés, capteurs et ballon peuvent s’intégrer au mieux à la construction.

Toutefois, la distance la plus courte entre les éléments est aussi la meilleure afin d’éviter les pertes de chaleur.

Quels sont les différents capteurs ?

Chaque fabricant a, bien sûr, ses particularités, mais on peut toutefois distinguer trois grandes familles de capteurs.

Le plus courant dans l’habitat est le capteur vitré ou capteur plan. Des tubes de cuivre dans lesquels circule un fluide caloporteur (température de 70 °C à 80 °C) sont placés sous une vitre et recouverts d’une surface sombre.

Les capteurs à tubes sous vide permettent d’obtenir des températures plus élevées (75 °C à plus de 100 °C), pour des applications industrielles notamment. Ils sont faits de tubes transparents généralement en verre, comportant un espace vide d’air entre la paroi extérieure de chaque tube et son absorbeur. Plus performants mais plus chers et plus difficiles à intégrer, ces capteurs sont plus rarement utilisés.

Enfin, les capteurs “moquette”, de facture plus simple, s’inspirent du principe du tuyau d’arrosage posé dans le jardin. Constitués d’un réseau de tubes noirs en matière plastique, sans coffrage ni vitre, ils servent sous nos latitudes à chauffer piscines ou douches solaires.

Les risques de masques solaires

Un masque solaire est ce qui empêche le rayonnement solaire direct d’atteindre le panneau solaire (qu’il soit thermique ou photovoltaïque), en clair ce sont des éléments qui font de l’ombre. La présence d’ombres sur un panneau solaire thermique est toutefois moins gênante que dans le cas d’un panneau solaire photovoltaïque, où la production chute à 0%, même si uniquement une partie de l’installation est à l’ombre.

En prenant le temps de la réflexion, il est plutôt facile de déterminer les éventuels masques solaires présents ou futurs. Il suffit de regarder régulièrement son toit, à différentes saisons et à différents moments de la journée, la taille des ombres est en effet beaucoup plus importante en hiver.

Un outil gratuit, Google Sketchup permet facilement de modéliser des objets 3D comme votre maison et de simuler les ombres et donc identifier les menaces notamment des immeubles ou des arbres selon les époques de l’année.

Ne rien faire

Certains ne se préoccupe pas vraiment des surchauffes et dirons que tout va bien. En effet, les installations sont prévues pour pallier aux surchauffes. Ainsi, la pression du fluide (eau+glycol) va monter jusqu’à la valeur limite (plus ou moins rapidement selon la présence et la taille d’un vase d’expansion) du système (de 3 à 6 bars). A cette pression, les soupapes de sécurité vont « cracher » et faire diminuer la pression du fluide.

Cependant, cette « technique ou plutôt cette absence de technique est dangereuse car si le fluide parvient à bouillir, l’encrassement des panneaux solaires est assuré et le glycol rend la chose vraiment problématique. De plus, toute l’installation subit des stress répétés et donc un vieillissement accéléré.

source: conseils-thermique.org

EVITER LES RISQUES

Les éléments du toit

En premier lieu, on peut citer les cheminées, les chiens-assis ou encore les antennes. Placées directement sur le toit, elles peuvent engendrer un ombrage conséquent sur votre installation comme le montre l’illustration. La surface des panneaux thermiques étant généralement réduite (2 à 4m²), il existe souvent une configuration qui permettra d’éviter les ombres sur les capteurs mais c’est un point important de vigilance.

Les arbres

Les arbres constituent une menace d’ombrage bien réelle et parfois difficile à identifier car un arbre… ça pousse! En effet, petit arbre deviendra grand et pourra poser problème dans 2, 5 ou 10 ans. Quand l’arbre est sur sa propriété pas de soucis, mais si c’est celui du voisin ou de la mairie, cela peut rapidement devenir compliquer. En sachant que les voisins d’aujourd’hui ne sont pas ceux de demain à qui il faudra gentiment demander de couper leur bel arbre…

 

L'environnement urbain

Les immeubles (ou maison à étage) à proximité voire le mobilier urbain (poteau électrique par exemple) peuvent eux-aussi constituer une menace pour la performance des capteurs. Une observation rigoureuse ainsi qu’une modélisation permettront d’écarter tout danger.

Les risques de gel

Généralement l’eau qui est chauffée par les capteurs contient généralement un additif, le glycol, qui sert d’antigel (aussi utiliser en géothermie ou dans les voitures par exemple). Les systèmes auto-vidangeables permettent également d’éviter les risques de gel.

 

Les risques de surchauffe

Si l’on veut qu’un panneau solaire chauffe, on ne veut pas qu’il surchauffe sans quoi la température de l’eau pourrait monter à plus de 200°C et provoquer des dommages à l’installation. De plus, plus un capteur est chaud, moins il est performant (augmentation des pertes thermiques). Voyons comme éviter la surchauffe d’un capteur solaire.

Le dimensionnement

Le dimensionnement est très important puisque le risque de surchauffe intervient quand il fait chaud et que les besoins en eau chaude ne sont pas suffisant, comme pendant les vacances estivales par exemple avec une absence prolongée. Une trop grande surface de capteurs engendrera donc un risque accru de surchauffe (alors que le taux de couverture des besoins sera lui plus important).

Vidange et auto-vidange

La vidange permet d’éviter les risques de surchauffe mais vidanger les panneaux pour quelques semaines d’absence n’est pas judicieux…

L’auto-vidange est là encore une solution efficace.

 

Le refroidissement nocturne

Certaines régulations intelligentes font tourner la pompe la nuit ce qui va refroidir l’eau du capteur suffisamment pour qu’elle ne monte pas trop haut en température la journée.

La décharge des capteurs

A l’aide d’un échangeur, placé à l’extérieur, dans le sol ou la terre (voire dans l’eau), le capteur va dissiper son trop plein énergie et ainsi éliminer les risques de surchauffe. Toutefois, cela engendre un surcoût du fait d’une partie d’installation supplémentaire.

La cogénération ou la climatisation solaire

La cogénération et la climatisation solaire ont pour seul objectif de valoriser le surplus d’énergie thermique produit par le panneau solaire pour la transformer soit en énergie électrique soit en froid. Cela évite d’emblée tous risques de surchauffe. Cependant, la cogénération est plutôt adaptée, au regard de son prix, pour les productions complètement autonomes (sites isolés). La climatisation solaire est dépendante des recherches qui permettront d’adapter de manière plus efficace les systèmes industriels (grosses puissances) à l’échelle de logements.

La décharge des capteurs

A l’aide d’un échangeur, placé à l’extérieur, dans le sol ou la terre (voire dans l’eau), le capteur va dissiper son trop plein énergie et ainsi éliminer les risques de surchauffe. Toutefois, cela engendre un surcoût du fait d’une partie d’installation supplémentaire.

INSTALLATIONS

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A SAVOIR

Où placer les capteurs ?

Selon les modèles, les capteurs peuvent être installés en surimposition ou intégrés dans la toiture. La deuxième solution est un peu plus chère mais architecturalement plus satisfaisante.

Les capteurs peuvent aussi servir d’auvent ou de pare-soleil.

En cas d’absence d’exposition au sud, ils peuvent également être posés sur un bâtiment annexe (garage, abri bois, etc.) ou au sol, sur châssis.

Il faut en effet de préférence les orienter plein sud avec un angle d’inclinaison de 45°. Toutefois, ils ne perdront pas trop de leur performance avec une orientation sud-est ou sud-ouest et une inclinaison entre 20 et 60°.

Dans tous les cas, il faut se méfier des ombres portées (arbres, bâtiments) qui diminuent l’efficacité de l’absorption.

Faut-il une autorisation spéciale ?

Pour une maison existante, il faut remplir une demande de travaux auprès des services municipaux.

Pour une maison à construire, le permis de construire doit inclure l’installation solaire prévue.

Quelle surface de capteurs prévoir ?

Pour la production d’eau chaude sanitaire uniquement, il faut compter de 0,7 à 1,5 m2 de capteurs par habitant selon les régions, associés à un stockage de 50 litres/m2 de capteurs.

Pour une famille de 4 personnes, il faut entre 3 et 5,5 m2 dans le Nord.

Pour les SSC, les surfaces de capteurs varient entre 10 et 30 m2 associés à des ballons de 500 à 2 000 litres selon les options techniques retenues et la qualité de l’isolation de la maison.

Est-ce rentable ?

Si l’on raisonne à court terme, il est vrai qu’une installation solaire peut paraître chère, malgré les aides.

À moyen et long terme, elle permet d’alléger la facture énergétique.

En général, l’installation est rentabilisée en une dizaine d’années, selon le coût de l’énergie d’appoint.

Au-delà, certains capteurs étant garantis vingt ans et l’énergie solaire étant gratuite, l’heureux propriétaire en profite pleinement. Et si l’on se place d’un point de vue global, il faut rappeler que chaque mètre carré de capteurs installé évite le rejet dans l’atmosphère de 150 à 300 kg de gaz à effet de serre par an.

Quelle surface de capteurs prévoir ?

Pour la production d’eau chaude sanitaire uniquement, il faut compter de 0,7 à 1,5 m2 de capteurs par habitant selon les régions, associés à un stockage de 50 litres/m2 de capteurs. Pour une famille de 4 personnes, il faut entre 3 et 5,5 m2 dans le Nord. Pour les SSC, les surfaces de capteurs varient entre 10 et 30 m2 associés à des ballons de 500 à 2 000 litres selon les options techniques retenues et la qualité de l’isolation de la maison.

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