L énergie solaire, thermique et photovoltaïque
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Description

Cet ouvrage vous offre une information complète et fiable sur le fonctionnement des panneaux solaires et de l'énergie photovoltaïque.




  • Comment installer son chauffe-eau solaire ?


  • Pour quelle rentabilité ?


  • Quels sont les coûts et les aides de chaque région en France ?



Tout est passé au crible pour vous donner une idée claire et précise de vos besoins et de vos possibilités.



Autant de réponses qui vous permettront d'économiser votre chauffage, votre consommation électrique, en profitant de l'énergie du soleil.




  • Généralités


    • Le solaire : l'énergie des étoiles


    • L'ensoleillement en France


    • Comment capter l'énergie solaire ?




  • Le chauffe-eau solaire


    • Généralités et fonctionnement


    • Coûts et rentabilité


    • Choisir son chauffe-eau solaire


    • Intégrer et orienter ses panneaux


    • Installer un chauffe-eau solaire étape par étape


    • Foire aux questions




  • Vers une architecture solaire


    • Le chauffage solaire


    • L'architecture solaire




  • Le photovoltaïque


    • Panorama des photopiles


    • Le photovoltaïque domestique


    • Dimensionner son installation photovoltaïque


    • La rentabilité du photovoltaïque


    • Installations pas à pas




  • Annexes


    • Les adresses utiles


    • Les aides région par région




  • Index

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 13 septembre 2012
Nombre de lectures 145
EAN13 9782212172393
Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0097€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait

R sum
Cet ouvrage vous offre une information complète et fiable sur le fonctionnement des panneaux solaires et de l’énergie photovoltaïque. Comment installer son chauffe-eau solaire ? Pour quelle rentabilité ? Quels sont les coûts et les aides de chaque région en France ? Tout est passé au crible pour vous donner une idée claire et précise de vos besoins et de vos possibilités. Autant de réponses qui vous permettront d’économiser votre chauffage, votre consommation électrique, en profi tant de l’énergie du soleil.
Au programme…
Généralités – L’ensoleillement en France – Comment capter l’énergie solaire ? – Le chauffe-eau solaire – Fonctionnement – Coûts- Rentabilité – Choisir et concevoir un chauffe-eau solaire – Intégrer et orienter ses panneaux – Installer un chauffe-eau solaire étape par étape – Vers une architecture solaire – Le chauffage solaire– Le photovoltaïque – Dimensionner son installation – La rentabilité du photovoltaïque – Installations pas à pas – Les adresses utiles et les aides.
www.editions-eyrolles.com
L’ÉNERGIE SOLAIRE
THERMIQUE
ET PHOTOVOLTAÏQUE
Michel Tissot
ÉDITIONS EYROLLES 61, bd Saint-Germain 75240 Paris Cedex 05 www.editions-eyrolles.com
Crédits : p. 2 - 3 : © Otmar Smit - fotolia.com p. 16 - 17 : © JYF - fotolia.com p. 41 : © lamax - fotolia.com p. 50 : © pf 30 - fotolia.com p. 56 - 57 : © claraobscura - fotolia.com p. 74 - 75 : © manfredxy - fotolia.com p. 102 : © Nessgal - fotolia.com p. 130 - 131 : © Laure Fons - fotolia.com ` p. 132 : © haitaucher39 - fotolia.com p. 135 : © dutourdumonde - fotolia.com
Couverture : © haitaucher39 - fotolia.com © Laure Fons - fotolia.com © Otmar Smit - fotolia.com © pf 30 - fotolia.com © manfredxy - fotolia.com © dutourdumonde - fotolia.com
Nous remercions les sociétés qui ont bien voulu participer à la réalisation de cet ouvrage : Clipsol : www.clipsol.com , tél. 04 79 34 35 36 Buderus Chauffage SAS : www.buderus.fr Eosolar : info@eosolar.fr , tél. 06 68 89 53 32 Maguy Sama : http://maguysama.free.fr oou http://maguysama.free.fr/solaire , tél. 04 90 13 15 86 Ouest Panneau solaire : www.panneausolaire.tv , tél. 02 97 61 81 91 Photowatt : www.photowatt.com , tél. 04 74 93 80 20.
Merci également à la Fabrik Numérique ( www.fabrik-numerique.com ).
Attention : la version originale de cet ebook est en couleur, lire ce livre numérique sur un support de lecture noir et blanc peut en réduire la pertinence et la compréhension.
En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l’autorisation de l’Éditeur ou du Centre Français d’exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.
© Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-13320-2
Dans la même collection
Financez votre habitat écologique , G. Daïd et P. Nguyên, 2009
Le guide de l’éolien, techniques et pratiques , C. Dubois, 2009
Le guide des piscines naturelles et écologiques , P. Guillet, 2010
Vivre sain au quotidien , P. de Heut, 2009
L’assainissement non collectif , H.P. Marge, 2012
Le guide du chauffage géothermique , J.-M. Percebois, 2011
Le guide de l’eau domestique , B. Vu, 2008
Le guide de l’habitat passif , B. Vu, 2008
SOMMAIRE
Avant-propos
GÉNÉRALITÉS
Chapitre 1 – Le solaire : l’énergie des étoiles
Un peu de physique
Chapitre 2 – L’ensoleillement en France
Le solaire fonctionne-t-il vraiment mieux au Sud ?
Et dans les départements d’outre-mer ?
Chapitre 3 – Comment capter l’énergie solaire ?
Récupérer la chaleur du soleil
Transformer la lumière en électricité
Les usages du soleil
LE CHAUFFE-EAU SOLAIRE
Chapitre 4 – Généralités et fonctionnement
Qu’est-ce qu’un chauffe-eau solaire ?
Comment fonctionne un chauffe-eau solaire ?
Les capteurs solaires
Les différents types de chauffe-eau solaires
Chapitre 5 – Coûts et rentabilité
Est-ce rentable ?
Quelles sont les aides financières ?
Chapitre 6 – Choisir son chauffe-eau solaire
Quel type de chauffe-eau solaire utiliser ?
Concevoir son chauffe-eau solaire
Chapitre 7 – Intégrer et orienter ses panneaux
Quel emplacement pour les panneaux solaires ?
Quelle est l’orientation optimale ?
Peut-on orienter les panneaux différemment ?
Comment intégrer les capteurs solaires ?
Où installer le ballon ?
Chapitre 8 – Installer un chauffe-eau solaire étape par étape
Faire installer son chauffe-eau
Le dimensionnement du chauffe-eau
Trouver des installateurs qualifiés
Choisir l’emplacement des panneaux
La déclaration de travaux
Les demandes de subventions
La réalisation des travaux
Préparer le dossier fiscal pour le crédit d’impôt
Chapitre 9 – Foire aux questions
Est-ce que j’aurai de l’eau chaude toute l’année ?
Comment coupler le solaire et l’énergie d’appoint ?
L’eau ne sera-t-elle pas trop chaude ?
VERS UNE ARCHITECTURE SOLAIRE
Chapitre 10 – Le chauffage solaire
Le plancher solaire
Le chauffage central solaire
Le chauffage solaire de l’air
Une autre approche ?
Chapitre 11 – L’architecture solaire
Les maisons passives
L’architecture climatique
Éléments d’architecture solaire
LE PHOTOVOLTAÏQUE
Chapitre 12 – Panorama des photopiles
Photovoltaïque et histoire…
Les politiques publiques du photovoltaïque
Le photovoltaïque et les particuliers
La fabrication des cellules photovoltaïques
Quel est l’impact environnemental de l’électricité photovoltaïque ?
Chapitre 13 – Le photovoltaïque domestique
Électrification en site isolé
Photovoltaïque relié au réseau
Chapitre 14 – Dimensionner son installation photovoltaïque
Comment mesurer la puissance d’une installation photovoltaïque ?
Étude de masque
Le diagramme solaire
Cas pratique : une maison près d’Orléans
Chapitre 15 – La rentabilité du photovoltaïque
Un prix de rachat très intéressant
Les aides publiques à l’installation
Combien coûte le photovoltaïque ?
Est-ce rentable ?
Le calcul d’Isabelle
Autorisation, assurances et sécurité
Revendre l’électricité
Chapitre 16 – Installation pas à pas
Réduire sa consommation d’électricité
Analyser son bâtiment
Dimensionner son système photovoltaïque et choisir son mode d’intégration
Demander des offres de prix
Vérifier les conditions de raccordement au réseau
Étudier la faisabilité économique de son projet
Demander les autorisations
Poser les panneaux
Se raccorder au réseau
Votre contrat d’achat
Vos factures
Conclusion
ANNEXES
Les adresses utiles
Ademe
L’Agence nationale de l’habitat
Les Espaces Info-Énergie
Les sites Internet
Les aides région par région
INDEX
AVANT-PROPOS
Depuis trois ans, le baril de pétrole a franchi dans l’incrédulité générale le prix symbolique de 100 $. Face à l’augmentation généralisée du coût de l’énergie, le mode de développement de nos sociétés industrielles semble soudain fragile.
Tout d’abord, la combustion de quantités gigantesques de combustibles fossiles, qui a été le moteur de la révolution industrielle, fait désormais peser une menace sérieuse sur la stabilité climatique de notre planète.
Mais au moment même où l’humanité prend conscience des capacités limitées d’absorption de l’écosystème, une autre limite vient s’imposer : la quantité de pétrole et de gaz facilement accessible ne peut suivre le rythme de la croissance économique. La mise en lumière soudaine de ces deux limites à la croissance aura sans nul doute des conséquences importantes sur l’histoire du siècle à venir. Le particulier peut se sentir impuissant face à ces problèmes globaux. À part payer une facture énergétique toujours croissante, notre contribution possible à la résolution de cette crise semble minime.
Pourtant des solutions existent. Augmenter la part d’énergie renouvelable dans notre consommation est une des pistes à suivre. Au-delà des politiques publiques de l’énergie et des enjeux internationaux, chaque citoyen peut contribuer à réduire à la fois son impact sur l’environnement et sa consommation d’énergie fossile. Le solaire fait partie des solutions simples pour investir dans les énergies renouvelables, faire baisser sa facture énergétique et réduire ses émissions de gaz à effet de serre.
Politiques fiscales attractives, matériels fiables, réseaux d’installateurs qualifiés : tous les éléments sont désormais réunis pour que le solaire ne soit plus une utopie, et que chacun puisse profiter de l’énergie solaire chez soi. Et ça marche : les particuliers qui s’équipent de chauffe-eau solaires, d’installations photovoltaïques ou de maisons bioclimatiques sont de plus en plus nombreux. Pensez globalement. Agissez localement : faites entrer le soleil chez vous.

Le soleil a été dans de nombreuses civilisations anciennes, adoré comme un dieu, source de toute vie. De fait, la lumière du soleil, transformée par les plantes, est l’énergie qui nous nourrit et qui circule dans l’ensemble de l’écosystème terrestre.
Dans la galaxie, notre soleil est une étoile bien banale, de taille modeste comme il en existe des millions. À l’échelle humaine, cette fournaise thermonucléaire est pourtant gigantesque : un million de fois le volume de la terre, une température de 15 millions de degrés en son centre. D’où vient cette énergie ?
Le moteur des étoiles est la fusion nucléaire. Il y a 5 milliards d’années, notre soleil a commencé son histoire comme toutes les étoiles, par la condensation gravitationnelle d’un nuage de poussières et de gaz. L’hydrogène était alors le principal constituant de notre étoile en formation. Progressivement écrasé par la gigantesque pression régnant au centre de cette énorme boule de gaz, l’hydrogène s’est échauffé, jusqu’à des températures où les réactions de fusion nucléaire sont possibles. En fusionnant, quatre atomes d’hydrogène se transforment en un nouvel élément : l’hélium. Les atomes d’hélium sont une fraction de fois plus légers que l’hydrogène dont ils proviennent. Cette masse manquante a été transformée en énergie suivant la célèbre formule d’Einstein E = mc 2 . Le soleil s’est allumé.
Depuis, à chaque seconde, le soleil convertit 600 millions de tonnes d’hydrogène en hélium, produisant un flux d’énergie qui pourrait couvrir les besoins de l’humanité pour plusieurs milliers d’années. Le rayonnement produit est d’une telle puissance qu’il serait mortel pour toute vie qui s’y exposerait directement.
Heureusement, à 150 millions de kilomètres de là, la terre ne reçoit qu’une fraction infime de ce rayonnement. Placée à une distance idéale du soleil et protégée par son atmosphère, notre planète peut maintenir son climat dans des limites compatibles avec la vie.

AVIS AUX LECTEURS !
Les lecteurs fâchés avec les sciences physiques peuvent sans scrupule passer directement au chapitre 2, où commencent les travaux pratiques !

LE SOLAIRE SOURCE DE TOUTES LES ÉNERGIES ?
La maîtrise de l’énergie a toujours été une préoccupation humaine depuis l’invention du feu, il y a plus de 400 000 ans. Énergie de cuisson des aliments d’abord, de chauffage lorsque la colonisation des régions tempérées a commencé, puis énergie pour l’agriculture, les transports, la transformation de la matière : nos besoins en énergie n’ont jamais cessé d’augmenter. Or, presque toutes les sources d’énergie que l’homme a utilisées, du bois au pétrole, ont eu pour origine la lumière solaire. En effet, le charbon, le pétrole, le gaz sont les résidus fossiles d’organismes vivants qui ont stocké durant leur vie l’énergie du soleil. L’énergie hydraulique existe aussi grâce au soleil : sans évaporation, pas de nuages pour re-remplir les lacs de barrages. L’énergie éolienne est elle aussi une énergie solaire déguisée : ce sont les différences d’éclairement et de température qui génèrent les vents sur terre. Les seules énergies qui n’ont pas pour origine directe l’énergie solaire sont la géothermie profonde et le nucléaire, deux sources d’énergie marginales pour l’humanité.
UN PEU DE PHYSIQUE
Le flux d’énergie solaire qui atteint le sol terrestre est de 1 000 watts par m 2 , mais différents facteurs vont rendre la répartition de l’énergie solaire très inégale à la surface de la terre : ainsi, les régions tropicales et les déserts reçoivent globalement plus d’énergie que les pôles. La première cause de cette inégalité de répartition est liée à la rotondité de la surface terrestre. Dans les régions proches de l’équateur, le soleil éclaire la surface terrestre presque perpendiculairement, ce qui a deux conséquences. Tout d’abord, chaque mètre carré de surface au sol intercepte pratiquement la totalité du flux solaire. Ensuite, l’épaisseur de l’atmosphère que doit traverser la lumière solaire pour arriver au sol est très faible.

LA LUMIÈRE SOLAIRE
La lumière solaire perdra néanmoins près des trois quarts de son intensité en traversant la centaine de kilomètres de l’atmosphère terrestre.
Dans les régions polaires, les conditions d’éclairement sont beaucoup moins favorables : la lumière solaire arrive suivant un angle rasant par rapport à la surface : la même quantité d’énergie se répartit sur une plus grande surface. C’est pourquoi le rayonnement solaire reçu par unité de surface diminue de l’équateur vers les pôles. De plus, la lumière doit faire un plus grand trajet à travers l’atmosphère dans les régions polaires, ce qui contribue encore à diminuer l’intensité du rayonnement qui arrive au niveau du sol.
Ce déséquilibre fondamental de la répartition de l’énergie à la surface de la terre est le moteur qui anime la gigantesque machinerie climatique de la planète. Tous les mouvements du climat : les dépressions, les orages, les alizés, les courants marins, ne sont que la tentative perpétuelle de l’atmosphère et des océans pour essayer de rééquilibrer le déficit de chaleur des régions polaires.
Les nuages, qui sont une des conséquences de ces mouvements de l’atmosphère, vont être la seconde cause d’inégalité du rayonnement solaire à la surface de la terre. En interceptant régulièrement la quasi-totalité du rayonnement dans certaines régions, ils vont encore réduire la durée d’ensoleillement annuelle.
Il en résulte que l’énergie solaire exploitable peut varier d’un facteur 10 suivant l’endroit de la planète considéré. On peut espérer en moyenne 350 watts par mètre carré dans le désert du Ténéré, et à peine 50 W/m 2 dans la péninsule antarctique.
La France métropolitaine se situe en zone tempérée, dans un régime intermédiaire entre les régions sur-ensoleillées d’Afrique du Nord, et les régions sous-ensoleillées des pays nordiques. Théoriquement, chaque mètre carré en France reçoit suffisamment d’énergie pour faire fonctionner en continu entre 5 et 10 ampoules. N’importe quelle toiture de maison reçoit plus d’énergie du soleil que n’en consommeront ses habitants.

COMMENT MESURE-T-ON L’ÉNERGIE SOLAIRE ?
L’unité de mesure adoptée pour quantifier la ressource solaire journalière est le kWh/m 2 /jour (kilowattheure par mètre carré et par jour).
Un mètre carré bien orienté, éclairé en plein soleil, reçoit en France une puissance maximale de 1 000 watts (ce qui correspondrait à la consommation électrique de 10 ampoules à incandescence, ou de 50 lampes économes). En une heure, ce mètre carré va pouvoir accumuler 1 kWh d’énergie. Mais l’éclairement optimal ne dure pas toute la journée : il peut être occulté par les nuages, il est mal orienté le matin ou le soir. Sur l’ensemble de la journée on ne disposera que de quelque 5 kWh/m 2 /jour en Provence en plein été, et à peine 0,7 kWh/m 2 /jour en décembre à Strasbourg (ces chiffres sont donnés pour une surface horizontale).
Il faut donc bien distinguer la puissance maximale de l’énergie solaire (à midi en plein été) et l’énergie obtenue en une journée moyenne.

ALLER PLUS LOIN
Lorsqu’on oriente un panneau avec une bonne inclinaison, on intercepte un flux solaire plus important. Nous verrons comment on détermine l’inclinaison optimale des panneaux solaires aux pages 38 et suivantes.
Les écarts d’ensoleillement sur le territoire français ne sont pas tant dus aux variations de latitudes qu’aux conditions climatiques. Du Nord au Sud, la latitude (qui détermine l’angle sous lequel le soleil va éclairer le sol) varie peu (entre 50 degrés à Lille et 42 degrés à Perpignan). En revanche, le nombre d’heures d’ensoleillement est très inégalement réparti sur le territoire, à cause des conditions météorologiques. Les régions du Sud sont, c’est bien connu, les plus favorisées : le maximum d’ensoleillement est observé sur la Côte d’Azur. L’ensoleillement diminue ensuite graduellement vers le nord, avec quelques régions privilégiées comme la vallée du Rhône et le Sud-Ouest.
Cet écart entre le Nord et le Sud est plus ou moins marqué selon les saisons, comme le montrent les cartes d’ensoleillement département par département (figures ci-dessous et ci-contre). L’ensoleillement de chaque localité étant un cas particulier, la Commission européenne a édité un atlas interactif de l’énergie solaire. Vous y trouverez des informations très détaillées sur l’ensoleillement de chaque localité d’Europe, et de la simulation de fonctionnement de systèmes solaires, heure par heure et mois par mois.

ALLER PLUS LOIN
Cet atlas européen de l’énergie solaire est consultable sur Internet : http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis .



Ensoleillement en France métropolitaine en été Ensoleillement en hiver
LE SOLAIRE FONCTIONNE-T-IL VRAIMENT MIEUX AU SUD ?
Il faut néanmoins relativiser la différence d’ensoleillement entre le Nord et le Sud du pays. Il est évident que ces variations d’ensoleillement vont être primordiales dans le calcul des surfaces de capteurs à mettre en place pour un projet d’équipement solaire. Il ne faudrait pourtant pas en conclure qu’une installation solaire n’est rentable qu’au Sud.
L’Allemagne, qui se situe dans des conditions bien plus défavorables que le Nord de la France, est le pays leader du solaire en Europe. L’Alsace a été une des régions où le développement des chauffe-eau solaires a été le plus rapide. Le Pays basque a un ensoleillement à peine du même ordre de grandeur que la Franche-Comté.
En fait, un ensoleillement réduit oblige à augmenter la surface de capteurs solaires pour obtenir des performances données. Or le prix des capteurs n’est qu’une partie du coût d’un projet solaire, et son augmentation ne se répercute pas forcément linéairement sur le montant de l’investissement.

On peut même avoir des surprises sur la rentabilité des projets. Ainsi, une installation de chauffage par plancher solaire direct, sera curieusement plus rentable en Alsace qu’en Provence, malgré des investissements plus importants en capteurs. La raison ? Les besoins de chauffage sont plus importants durant l’hiver, et s’étalent sur plus de mois dans l’année en Alsace. Les économies de chauffage réalisées grâce à l’installation solaire seront finalement plus importantes dans le Nord-Est, et permettront de rentabiliser l’installation plus vite que dans le climat clément du Sud.
ET DANS LES DÉPARTEMENTS D’OUTRE-MER ?
Les départements d’outre-mer sont connus pour leur ensoleillement puissant tout au long de l’année. Aux Antilles et en Guyane, l’ensoleillement est relativement constant et homogène durant l’année, variant entre 5 et 6 kWh/m 2 /jour en Martinique et entre 4 et 5 kWh/m 2 /jour en Guyane. À la Réunion, l’ensoleillement varie plus fortement entre 7 kWh/m 2 /jour en janvier et 4 kWh/m 2 /jour en juillet.
Comment fait-on pour capter l’énergie solaire ? La réponse diffère suivant que l’on souhaite produire de la chaleur ou de l’électricité. Les toits bleus (photovoltaïque) et les toits noirs (solaire thermique) sont deux types d’équipement très différents.
En effet, les deux technologies solaires, thermique et photovoltaïque font appel à des approches techniques totalement différentes. Ce sont deux filières d’énergie renouvelable distinctes, mobilisant des compétences et des matériels différents.
RÉCUPÉRER LA CHALEUR DU SOLEIL
Chacun en a fait l’expérience en été : un simple tuyau d’arrosage laissé au soleil va fournir quelques litres d’eau chaude lorsqu’on le videra. Comment améliorer ce système ?
Une première amélioration consistera à peindre le tuyau en noir. En effet, un corps coloré réfléchit une partie de la lumière qui l’éclaire. C’est autant d’énergie qui ne sera pas absorbée. Un corps noir ne réfléchit pratiquement aucune lumière, et absorbe donc la plupart de l’énergie pour la transformer en chaleur. Le problème, c’est que cette chaleur accumulée va néanmoins rayonner dans l’infrarouge vers l’extérieur du tuyau. Comment retenir cette énergie ? C’est le rôle du vitrage.
Un vitrage ordinaire est opaque au rayonnement infrarouge et va permettre de conserver ce rayonnement thermique dans l’enceinte du capteur, tout en laissant entrer la lumière visible du soleil.
Sur l’arrière du capteur qui n’a pas besoin d’être transparent, une isolation (avec des isolants conventionnels) permet de conserver la chaleur.
Une fois que le rayonnement solaire a été transformé en chaleur, il faut amener cette énergie là où elle doit être stockée. C’est le rôle du fluide caloporteur qui circule dans le panneau. Froid à l’entrée du circuit, il se réchauffe progressivement dans le panneau, et à la sortie du capteur, il permet d’évacuer la chaleur là où elle doit être consommée.


Schéma d’un capteur solaire

RÉSUMONS-NOUS
Pour capter l’énergie solaire thermique, il faut d’abord l’absorber (corps noir), la conserver (vitre et isolant), et l’évacuer au bon endroit (fluide caloporteur).
TRANSFORMER LA LUMIÈRE EN ÉLECTRICITÉ
Il existe une autre manière de capter l’énergie du rayonnement solaire : c’est la filière photovoltaïque, qui transforme directement la lumière en électricité.
Le matériau destiné à fabriquer les cellules photovoltaïques est le silicium qui est identique à celui utilisé par l’industrie informatique. C’est un des éléments les plus abondants dans la croûte terrestre : c’est par exemple le constituant principal du sable. Le silicium naturel n’est pas utilisable directement, car c’est un isolant électrique. Pour développer l’effet photoélectrique, il faudra le rendre semiconducteur. Pour cela, il faut d’abord obtenir du silicium pur, débarrassé de ses impuretés. Ce silicium n’est toujours pas conducteur en lui-même, mais on peut le « doper » c’est-à-dire ajouter quelques atomes de phosphore et de bore qui vont changer les propriétés de ce cristal. La partie « dopée » au phosphore devient du silicium « de type N » avec un excès d’électrons et la partie dopée au bore est de « type P » avec un manque d’électrons par rapport à la structure cristalline. Ce manque d’électrons dans le silicium de type P peut s’interpréter comme un ensemble de trous prêts à recevoir des électrons.

La jonction des deux types de silicium P et N donne un semi-conducteur, c’est-à-dire un matériau dans lequel le courant ne pourra passer que dans un seul sens. Pourquoi ? De manière simplifiée, disons que les électrons en excès de la partie N peuvent franchir la jonction pour aller remplir les « trous » de la partie P. En revanche, il est impossible de faire passer les « trous » de la partie P à travers la jonction. Une jonction P.N. permet le passage d’un courant quand celui-ci parcourt le semi-conducteur dans le sens du cristal dopé P vers celui dopé N. Elle s’oppose à la circulation d’un courant dans le sens inverse. Le mouvement d’électrons, qui est à l’origine du courant électrique ne peut se faire que dans un sens.
Que se passe-t-il quand on expose un semi-conducteur à la lumière ? Les particules de lumière, les photons, éjectent des électrons de leurs orbitales atomiques. Ces électrons se retrouvent bloqués par la jonction. L’accumulation d’électrons crée un courant proportionnel au flux lumineux. Les électrodes placées de part et d’autre de la photopile permettent de collecter ce courant électrique.

Principe d’un panneau photovoltaïque

High-tech mais robuste, propre et sans entretien, la technologie photovoltaïque est séduisante à plus d’un titre. Son seul défaut : le prix de fabrication des éléments photovoltaïques reste encore élevé. Si le soleil est bien gratuit, le coût des panneaux solaires rend le kilowattheure solaire plus cher que les autres méthodes de production d’électricité qui existent à l’heure actuelle.
LES USAGES DU SOLEIL
Réservés à des usages spécifiques, le solaire thermique et le photovoltaïque sont bien adaptés aux usages domestiques. Ce sont en effet des sources d’énergie disponibles partout, décentralisées et qui ne nécessitent pas de gros investissements.
Elles ont néanmoins des contraintes qu’il faut bien prendre en compte pour les adapter aux usages domestiques.
Le faible rendement et les coûts de fabrication importants des panneaux photovoltaïques rendent l’énergie électrique solaire chère. Il convient donc de ne l’utiliser que pour des usages où le courant ne sera pas gaspillé. Il serait complètement inefficace de vouloir faire un chauffage électrique branché sur un panneau photovoltaïque. De simples techniques architecturales (comme celles évoquées p. 58 et suivantes) seront bien plus efficaces (et moins chères) pour chauffer un logement avec le soleil. On réservera donc les solutions photovoltaïques domestiques aux cas où le courant électrique produit sera parfaitement valorisé :
• Électrification en site isolé non raccordé au réseau (le coût d’un raccordement sera souvent supérieur à celui d’une installation photovoltaïque).
• Rachat d’électricité solaire à un tarif préférentiel (l’électricité solaire se négocie jusqu’à 0,38 €/kWh, contre 0,12 €/kWh pour un abonnement classique).
Le solaire thermique souffre de deux contraintes totalement différentes.
Tout d’abord c’est une source d’énergie de faible puissance instantanée : il n’est pas possible d’obtenir de l’eau chaude solaire à la demande comme avec un chauffe-eau à gaz, et il faudra donc prévoir de stocker la chaleur produite. Ensuite, c’est une source de chaleur à basse température. En effet, plus la différence de température entre l’air extérieur et l’intérieur d’un panneau solaire augmente, plus les pertes thermiques sont importantes. Difficile dans ces conditions de produire en continu de l’eau très chaude comme celle d’un chauffage central. Néanmoins, les basses températures sont tout à fait adaptées à la production d’eau chaude sanitaire et au chauffage par plancher chauffant.
La première application évidente du solaire reste l’ECS, l’eau chaude sanitaire. Facile à mettre en œuvre avec un investissement et des travaux modérés, disposant de tout un panel d’aides financières très intéressantes, adapté à l’habitat individuel et collectif, dans l’ancien comme dans le neuf, c’est une solution simple qui permet de couvrir près de 70 % des besoins en eau chaude d’un logement. Nous allons décrire dans les chapitres 4 à 8 (p. 18 à 44), comment mettre en œuvre un projet de chauffe-eau solaire.
Lorsqu’on a commencé à faire entrer l’énergie du soleil dans la maison, il est tentant de prolonger la démarche. Le chauffage solaire permet à de nombreux logements en France de réduire considérablement leurs besoins de chauffage, voire, pour les maisons passives, de s’en passer totalement. Cela vous paraît utopique ? Venez donc jeter un coup d’œil à la p. 63 où nous avons rassemblé quelques innovations de l’architecture bioclimatique.
Enfin, nous considérerons comment mettre en place chez soi un toit photovoltaïque. L’électrification solaire représente des projets d’investissement plus importants que le solaire thermique. Mais les prix d’achat actuels de l’électricité solaire, la baisse du coût du matériel photovoltaïque et les aides financières consenties pour aider au développement de cette filière énergétique font que ce type de projet est rentable, comme nous le verrons dans le chapitre 15 ( page 101 ).

Le chauffe-eau solaire individuel reste de très loin l’équipement d’énergie renouvelable le plus facilement accessible aux particuliers. Avec un budget raisonnable et des travaux très limités, on peut espérer acquérir une installation solaire qui couvrira les deux tiers des besoins en eau chaude sanitaire du logement. Les chauffe-eau solaires actuellement sur le marché sont de bonne qualité, et permettent d’envisager plusieurs décennies de fonctionnement ininterrompu. Les aides financières attribuées par les collectivités locales et l’État permettent d’avoir un retour sur investissement relativement court et rendent cette technique compétitive par rapport aux autres modes de production d’eau chaude. Bref, c’est le moment d’investir dans le solaire thermique !

Les éléments d’un chauffe-eau solaire

QU’EST-CE QU’UN CHAUFFE-EAU SOLAIRE ?
Le principe de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire est simple :
Des panneaux solaires, installés généralement en toiture, transforment la lumière du soleil en chaleur. Un circuit de plomberie permet de ramener cette chaleur dans un ballon, où l’eau chaude sanitaire est stockée en attendant d’être utilisée.
Durant la journée, le soleil fait monter en température l’eau du ballon. Lorsque le soleil est trop voilé (et la nuit) une régulation arrête la circulation entre les panneaux et le ballon. L’eau chaude, protégée par l’isolation du ballon, reste disponible plusieurs jours pour les usages domestiques.
Une source d’énergie complémentaire permet de pallier les périodes de mauvais ensoleillement prolongé. Elle se déclenche lorsque la température de l’eau dans le ballon descend en dessous d’une température de consigne.

COMMENT EST STOCKÉE L’EAU CHAUDE ?
Comme pour un chauffe-eau à accumulation classique, le ballon est constitué d’un volume cylindrique parfaitement isolé. À la base de celui-ci se trouve un échangeur de chaleur, constitué d’un serpentin en cuivre où circule le fluide chaud qui provient des capteurs solaires. En effet dans ce modèle, les panneaux solaires contiennent un antigel, qui rend l’eau qui y circule (le fluide caloporteur) impropre à la consommation. La chaleur récupérée par le panneau solaire est donc échangée avec l’eau contenue dans le ballon par l’intermédiaire de ce serpentin. Celui-ci est placé dans la partie basse du ballon, car c’est l’endroit ou s’accumule par stratification l’eau la plus froide. Une fois réchauffée au contact du serpentin, l’eau va s’élever et se stocker naturellement dans la partie haute du ballon, où elle sera prête à être utilisée (notez que la sortie d’eau chaude est toujours située en partie haute du ballon, alors que l’entrée d’eau froide est placée en bas pour ne pas perturber cette stratification).

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Il existe différents modèles de chauffe-eau solaires. Nous examinerons les différences entre les grandes familles de modèles p. 25 .

COMMENT FONCTIONNE UN CHAUFFE-EAU SOLAIRE ?
Au début de la journée, les rayons du soleil commencent à éclairer les panneaux solaires. La température de l’absorbeur s’élève, et cette chaleur est transmise au fluide caloporteur qui le traverse. Lorsque le fluide dans les panneaux est plus chaud que l’eau stockée dans le ballon, la circulation se met en route. À ce moment, l’eau dans la partie basse du ballon est relativement fraîche (soit elle s’est refroidie pendant la nuit, soit on a puisé de l’eau chaude, remplacée dans le bas du ballon par de l’eau froide). Le fluide caloporteur qui circule dans le serpentin perd de la chaleur au profit de l’eau du ballon, et ressort donc de l’échangeur avec quelques degrés de moins que la température qu’il avait au moment de quitter les panneaux solaires. En repassant dans les panneaux, il va regagner ces quelques degrés. Cet écart de température n’a pas besoin d’être très important pour assurer un bon échange de chaleur. La régulation typique d’un chauffe-eau solaire maintiendra la circulation du fluide caloporteur avec à peine 3 à 10 °C d’écart.

DÉFINITION
Le fluide caloporteur est un gaz ou un liquide maintenu à une certaine température, chargé de transporter la chaleur d’un point A à un point B.
Au fur à mesure que les heures de la matinée passent, la température de l’eau stockée dans le ballon aux alentours du serpentin s’est réchauffée. Simultanément le fluide caloporteur (qui se refroidit moins à son passage dans le ballon, alors que le soleil commence à chauffer plus) a vu sa température s’élever. Un peu avant midi, la température du circuit atteint déjà 50 °C. L’eau dans la partie basse du ballon est donc déjà presque à cette température.
Si on utilise de l’eau chaude, c’est l’eau de la partie haute du ballon que l’on puise. Elle est compensée par de l’eau froide qui arrive dans la partie basse (et qui ne se mélange que très lentement avec l’eau de la partie haute). Au contact de l’échangeur chaud, cette eau sanitaire nouvellement introduite va rapidement se réchauffer. Durant l’après midi, si le soleil est toujours de la partie, la température dans le circuit caloporteur peut encore monter. À partir d’un certain seuil (70 °C en général), la régulation électronique du panneau solaire va stopper la circulation du fluide caloporteur pour éviter une surchauffe. Dans ce cas, aucun nouvel apport de chaleur ne se fait dans le ballon. Néanmoins, les panneaux solaires sont toujours exposés au rayonnement, et la température du fluide va continuer à monter à l’intérieur des panneaux. Pour éviter l’ébullition du fluide, l’installateur aura pris soin de pressuriser le circuit secondaire à environ 2 bars. Néanmoins en cas de surchauffe, la dilatation du fluide pourrait entraîner des dégâts sur le circuit secondaire. C’est pourquoi un ballon d’expansion est prévu sur ce circuit.

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Pour éviter le risque de brûlure avec l’eau chaude solaire, un robinet thermostatique peut également être placé sur le circuit d’eau chaude comme expliqué p. 53 .
Plus tard dans l’après-midi, en fonction des besoins en eau chaude, la température peut redescendre dans le ballon en dessous de la consigne de sécurité et le circuit est alors remis en route par la régulation électronique.
Arrive le soir. Le soleil, en train de se coucher à l’ouest éclaire de manière rasante les panneaux solaires qui se refroidissent progressivement. Lorsque la température du fluide caloporteur passe en dessous de celle de l’eau du ballon, la régulation électronique coupe de nouveau la circulation jusqu’au lendemain matin.
Durant la nuit, l’eau du ballon va très lentement se refroidir au contact des parois. Cette eau un peu plus fraîche descend au fond du ballon, tandis que la partie de l’eau la plus chaude reste au sommet du ballon, prête à être utilisée. Au matin, on se retrouve avec un chauffe-eau où l’eau est de nouveau stratifiée, la partie la plus froide étant au niveau de l’échangeur, prête à être réchauffée.

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