Juillet 2010

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Le solaire, comme la biomasse, sont les énergies renouvelables essentielles dans nos applications : le livret qui suit concerne uniquement le solaire. Attention : il ne s’agit que d’une présentation générale, regroupant les données communes que l’on retrouvera dans plusieurs applications (avec leurs livrets).

L’utilisation du rayonnement solaire : une ambition déjà ancienne
En bâtiment la prise en compte du rayonnement solaire est une exigence assez fondamentale, qui peut se traduire par trois catégories de dispositions.
1. Le solaire joue, normalement, un rôle fondamental dans la conception même des bâtiments, les choix architecturaux classiques le prenant en compte au plan de l’orientation des bâtiments et des vitrages.
2. Cette prise en compte peut également donner lieu à des dispositions archi-tecturales particulières, ce qu’il est convenu d’appeler le solaire passif, le «mur Trombe» en étant l’illustration principale.
3. Il est également possible de faire appel à des systèmes spécifiquement conçus pour utiliser l’énergie solaire, basés sur l’emploi de dispositifs captant directement le rayonnement : les capteurs. Dans ce cas, où l’on fait appel à des dispositifs très spécifiques, nous disons qu’il s’agit de solaire actif.

Le solaire passif et la conception des bâtiments
Les points essentiels de la conception «solaire» des bâtiments, y compris les dispositifs spécifiques de solaire passif, son traités plus loin, dans les fiches auxquelles il vous faudra vous reporter, qui renvoient elles-mêmes à d’autres livrets. Le solaire actif Les systèmes actifs utilisent des capteurs chargés de recueillir le rayonnement solaire direct et diffus. Les différents systèmes que nous retenons sont les suivants :

• ceux qui utilisent des capteurs thermiques, utilisés pour le chauffage des piscines, la production d’eau chaude, le chauffage d’ambiance (voir plus loin dans ce livret) ;
• les fours solaires, destinés à des usages «haute température» (voir ci-dessous) ;
• les capteurs destinés à la production directe d’électricité (les panneaux photovoltaïques).

Les systèmes solaires actifs à base de capteurs thermiques peuvent être utilisés : soit pour produire de l’eau chaude dans les services classiques d’eau chaude, soit pour réchauffer l’eau des piscines, . soit pour chauffer des locaux, soit pour produire de la chaleur à usage professionnel, soit pour produire (indirectement) du froid - pour la climatisation en particulier.

Le solaire actif haute température
On a, depuis longtemps, cherché à utiliser l’énergie solaire pour des températures voisines de 100 °C ou plus. Dans ces systèmes (les «fours solaires») on concentre optiquement le rayonnement, la figure ci-dessous illustrant l’une des tentatives d’A. Mouchot à l‘Exposition Universelle de 1878. Entre 1864 et 1878 diverses installations solaires réalisées par A. Mouchot ont permis de fournir de la vapeur basse pression pour la production d’électricité. Les résultats obtenus sur une installation réelle ont été malheureusement de rentabilité insuffisante. Depuis lors d’autres tentatives ont eu lieu, en particulier en France (Odeiho), mais sans succès significatif. Il est, néanmoins, régulièrement question de reprendre le sujet.

Le classement des systèmes solaires dans MémoCad
En laissant de côté les fours solaires, nous retenons trois catégories de systèmes :

• le solaire thermique passif, examiné plus en détail à la suite,
• le solaire actif thermique, présenté à la fiche mB32.3,
• et le solaire actif photovoltaïque. présenté à la fiche mB32.4.

Le solaire passif
Nous appelons «solaire passif» toute technique qui permet de réduire les besoins de chauffage grâce à une conception adéquate du bâti, sans recourir - sauf pour l’appoint - à des installations spécifiques telles que celles que nous examinerons dans le cadre du solaire actif.
Nous retenons ici deux procédés passifs :

• la récupération par les vitrages, utilisant une intégration naturelle et forte au bâti, présentée plus en détail au livret ME20. Les vitrages ;
• l’utilisation de murs extérieurs sous la forme que nous appelons héliodynamique, dits souvent «murs Trombe» (du nom de leur «inventeur» français), système dont les principes sont illustrés au schéma ci-dessous;

En dehors de la solution qui consiste à utiliser - pour le chauffage d’ambiance - les apports gratuits à travers les vitrages normaux, le solaire thermique passif est essentiellement représenté par le «mur Trombe» (du nom de son auteur), illustré ci-dessus. L’air ascendant, contenu dans la lame d’air derrière le vitrage, s’échauffe sous l’action du soleil, et se répartit alors dans le local arrière (dit «local chauffé» dans le schéma).
Ce système n’a connu que très peu d’applications. De plus son efficacité est, malheureusement, insuffisante dans le cadre des développements actuels. Principes du mur Trombe

Les capteurs de base
Le solaire thermique utilise des capteurs chargés de recueillir, localement, le rayonnement solaire. Ces capteurs (thermiques) appartiennent à l’une des quatre catégories suivantes :

• ou bien il s’agit d’absorbeurs, de simples tubes méplats en général, permettant de réchauffer l’eau des piscines intérieures ou extérieures de quelques degrés (3 à 4 K en général),
• ou bien il s’agit de capteurs plans à eau les plus courants en France, utilisés surtout dans les services d’eau chaude, plus rarement en chauffage à eau chaude ;
• ou bien il s’agit de capteurs plans à air, rares en France, servant à réchauffer l’air dans les systèmes de chauffage à air chaud ;
• ou bien il s’agit de capteurs à tubes sous vide, fournissant un fluide (frigorigène en général) à d’assez hautes températures, capteurs surtout destinés à des installations spécifiques, assez rares en France.

Les absorbeurs
Les absorbeurs sont les capteurs les plus simples, ne comportent pas de vitrage Ils sont utilisés pour le réchauffage d’eau de piscine. Ce sont, aujourd’hui, des nattes ou des ensemble de tubes en matériaux de synthèse, peu coûteux. Nous les signalons ici pour mémoire car il s’agit d’équipements de commodité sans calcul précis. Leur emploi plus systématique fait actuellement l’objet d’études.

Le principe des capteurs à eau
Les capteurs les plus courants sont conçus comme indiqué ci-contre. Ils utilisent l’eau (chauffée par le soleil) comme fluide caloporteur.
1 et 2 : vitrages
3 : plaque absorbante (métallique noire)
4 : tube (eau) évacuant la chaleur reçue par la plaque
5 : isolant.

Le principe des capteurs à air
Peu utilisés actuellement les capteurs à air fonctionnent schématiquement comme indiqué ci-contre.
1 et 2 : vitrages
3 : plaque absorbante (métallique noire)
5: isolant.

Le principe des capteurs sous vide
Pour améliorer le rendement des capteurs, et pour pouvoir atteindre des températures suffisamment élevées, ont été mis au point des capteurs à base de tubes sous vide.
Plusieurs configurations ont été tentées, la solution la plus simple figurant ci-dessous, les tubes étant regroupés sous la forme de panneaux plans.

Le rendement normalisé des capteurs thermiques
Les capteurs thermiques sont caractérisés par leur courbe de rendement, établie pour un flux solaire incident donné. Vous trouverez au schéma ci-dessous trois courbes types, correspondant aux catégories de base que nous venons de décrire (capteurs à air exclus). Ces courbes sont fournies pour un flux solaire incident de 1000 [W/m²], l’abscisse étant l’écart de température entre le fluide chauffé et l’air environnant le capteur. De tels résultats doivent être fournis pour chaque modèle de capteur commercialisé, avec référence à la norme d’essai (EN 12975, 12976, 12977).

La présentation précédente - normalisée - repose sur les conventions suivantes, le flux surfacique incident étant fixé conventionnellement à 1000 [W/m²] :

• figure en abscisse l’écart de température (Tf - Te), Tf étant la température de sortie du fluide chauffé et Te [°C] la température extérieure,
• figure en ordonnée le rendement, c’est à dire la rapport entre l’énergie thermique récupérée et le flux incident.

Remarques sur une présentation différente
La présentation des rendements peut varier avec les conventions (ci-dessus normalisées). Si - tout en maintenant le rendement en ordonnée - nous adoptons, pour caractériser les performances du capteur, l’échelle des abscisses suivante :
x = (Tf - Te) / Φ’’ [m² K/W]
Tf [°C] étant la température moyenne du fluide chauffé et Φ’’ [W/m²] le flux surfacique global incident, les courbes de rendement sont souvent linéaires et générales (indépendantes du flux incident).

Pour en savoir plus
Vous trouverez des informations plus détaillées sur les différents capteurs, et sur leurs caractéristiques, dans le livret à paraître sur les capteurs solaires thermiques

L’effet photoélectrique
La conversion directe du rayonnement solaire en électricité est due à l’effet photoélectrique dont la découverte est déjà ancienne (18e siècle), effet où il y a libération d’un électron lorsqu’un photon d’énergie suffisante est absorbé par certains matériaux. On distingue deux types d’effets photoélectriques : «externe» et «interne», le second étant le seul pris ici en compte. Dans ce cas il faut qu’un champ électrique se crée naturellement dans la masse, ce qui est la propre des jonctions de matériaux semiconducteurs différents.

Le rendement
L’un des aspects essentiels du phénomène est son rendement de production d’électricité. Ce rendement varie selon les matériaux utilisés, la table ci-contre - très générale - illustrant les valeurs essentielles. Jusqu’ici, et dans la pratique on a surtout utilisé, comme matériau photovoltaïque - le silicium, mais la situation pourrait évoluer ces prochaines années avec la mise en service de nouvelles usines.

L’influence de l’épaisseur
Le coût étant essentiel on peut avoir tendance à utiliser des couches très minces de matériaux photo-électriques.
Comme l’indique le schéma ci-contre (attention, échelle logarithmique en ordonnée) il faut prendre quelques précautions de façon à ce que les photons puissent pénétrer suffisamment.

L’influence de la température
Afin d’améliorer les résultats on peut être tenté d’utiliser des systèmes optiques de concentration du rayonnement , mais on utilise alors d’assez fortes températures, assez défavorables au rendement comme l’indique la table ci-contre. C’est une des raisons pour lesquelles nous ne parlerons pas ici des dispositifs à concentration.

Sur le plan pratique
Les panneaux photovoltaïques courants sont constitués d’une juxtaposition de cellules identiquues dont la structure est indiquée au schéma ci-dessous. Pour davantage de détails sur l’emploi de ces paneaux pour la production locale d’électricité, pour plus de détails sur leur montage et sur l’organisation de leurs branchements, compléments divers compris, consultez le livret à paraître sur les capteurs photovoltaïques.

^ sommaire

Les modules photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques convertissent directe-ment la lumière en électricité. Dans notre cas il s’agit de cellules placées à l’extérieur, face au rayonnement solaire. Ces cellules sont incorporées dans des modules fournissant chacun une tension (continue) et une intensité données. Les modules peuvent être, de plus, montés en série ou en parallèle, ce qui permet de s’adapter aux caractéristiques électriques souhaitées.
Les cellules peuvent utiliser différents matériaux, capables d’effet photovoltaïque grâce à leur structure atomique. Dans les cas courants, actuels et nous concernant, il s’agit de silicium (monocristallin, polycristallin, ou amorphe)). Le recours à des matériaux plus «rares» est également envisagé (l’arséniure de gallium, le séléniure de cuivre et d’indium, le tellure de cadmium, le phosphure d’indium, etc.) mais nous n’en tiendrons pas compte leur avenir semblant incertain.
Les modules utilisés en production solaire d’électricité, ne comportant pratiquement aucune partie mobile, sont relativement robustes et possèdent en principe une assez longue durée de vie. Ceci dit les modules étant généralement soumis à des conditions climatiques sévères, il est essentiel de veiller aux garanties du fournisseur et de suivre ses recommandations.

Le fonctionnement des cellules
Les photons, provenant du rayonnement incident et atteignant la cellule photovoltaïque, peuvent être soit réfléchis soit absorbés, deux phénomènes physiques à bien distinguer. Ce sont les photons absorbés qui provoquent – au sein du matériau cellulaire - les arrachages d’électrons provoquant la formation de courant utile. Afin de renforcer le rôle de l’absorption les modules sont normalement recouverts d’une couche réduisant le phénomène de réflexion. De sorte qu’un module type est constitué, outre le coeur en matériau photovoltaïque, d’un cadre de soutien et d’une couche anti-réflexion face à l’ensoleillement. Le courant fourni par le module dépend de la tension appliquée et de l’éclairement solaire.

Le fonctionnement électrique
Il est possible de représenter le fonctionnement électrique d’un module au moyen des deux courbes caractéristiques présentées sur un même diagramme fournissant en fonction de la tension en volt [V] :

• l’intensité mesurée en ampère [A],
• la puissance mesurée en watt [W].

Cette représentation fait apparaître, sur chacune de ces courbes caractéristiques, trois points particuliers de fonctionnement :

• le point le plus à gauche, où la tension est nulle (court-cicuit), l’intensité [A] étant alors maximale (Icc) et la puissance nulle,
• le point «médian», où la puissance [W] est maximale (Pmax), la tension et l’intensité valant alors Vmax et Imax,
• le point le plus à droite, où la puissance (Po) et l’intensité (Io) sont nulles (circuit ouvert), la tension étant alors maximale (Vco).

Les caractéristiques de chaque module doivent être fournies par le fabricant, lequel doit en particulier indiquer la tension maximale supportable, et d’une manière générale les dispositions prises en matière de sécurité électrique.

Les accessoires complémentaires
Outre les cellules proprement dites et l’équipement électrique transformant le courant continu en courant alternatif type (220 V, 50 Hz), les composants photovoltaïques comportent souvent les composant suivants :

• des régulateurs de tension destinés à maximiser le courant fourni par les modules,
• des batteries (à décharge rapide) destinées à accumuler l’électricité pendant les périodes non ensoleillées, complétées par des régulateurs de charge (afin d’éviter les surcharges pendant les périodes ensoleillées).

Dans beaucoup de pays développés des normes et des contrôles de qualité viennent compléter les exigences, et les conforter.

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