OSENon

La Maison à Energie Minimum

4-PV  Résistif



1.                      Introduction

Cette étude décrit   une  installation d’eau chaude sanitaire domestique  par chauffe-eau électrique à accumulation - auto-construction -, alimenté directement  par un panneau photovoltaïque sans aucune électronique ; cette installation fonctionne depuis plus d’un an, et  donne toute satisfaction (quand il y a du soleil, bien sûr).

2.                      Bases et caractéristiques

La spécificité recherchée de cette installation est sa simplicité de conception et  l’absence de maintenance en vue de garantir la  rentabilité de l’investissement ; en effet, le courant électrique produit -courant continu 30 V- est directement injecté dans la résistance d’un chauffe-eau électrique  qui sert d’accumulateur d’énergie ; aucune électronique - ni batterie, ni régulateur de tension, ni onduleur - ne sont utilisés. L’installation est simplement résistive (effet Joule) et  purement statique (aucune pièce en mouvement donc aucune usure ni entretien). (Voir aussi  chapitre 5 Statique / Dynamique)

Ceci est un impératif pour des questions de rentabilité : en effet, pour une petite installation, le coût de l’électronique - même sans   batteries- serait de près de 5 à 10 fois le coût du capteur ! De plus  l’électronique étant soumise à entretien ou remplacement régulier, le coût annihilerait la rentabilité qui est aussi un but essentiel de l’opération.

C’est une installation complémentaire  au réseau électrique  existant, qui   diminue la facture d’électricité ; cependant, on ne peut  pas la substituer au réseau national, car il y a d’autres usages  que le purement résistif (production eau chaude et/ou chauffage) tels l’éclairage ou les appareils ménagers et, bien sûr, pour tous les usages en périodes sans soleil (80% du temps).

Le chauffage de l’eau sanitaire est la meilleure solution,  car elle est aussi utilisée en période d’été où le soleil est le plus présent, ce qui permet une bonne rentabilité  toute l’année; aussi, le stockage dans le réservoir -chauffe-eau électrique standardisé à coût très bas - permet de stocker l’énergie durant la nuit sans aucune installation spécifique.

Ainsi on peut qualifier cette installation de « Photovoltaïque Résistif  à Accumulation ».

Pour la réalisation d’une telle installation,  la connaissance de la loi d’Ohm a été nécessaire ; aussi, les règles de sécurité et d’installations électriques sont  strictement appliquées.

Il est à remarquer que le photovoltaïque sera utilisé toute l’année car il présente les  avantages suivants :

-          Pas de fluide(s) en extérieur donc pas de pas de risque de gel

-          Installation simple et fiable (surtout si installé au sol)

-          Meilleur rendement par température froide (en hiver)

La production  moyenne sur l’année n’est ainsi pas trop  variable car, en hiver, on a une puissance plus forte mais une durée d’ensoleillement  moindre, alors qu’en été c’est le contraire : la puissance plus faible mais  la  durée plus longue.

3.                      Définitions

On utilise, pour ce document,  les définitions suivantes :

-   Stéatite : résistance électrique indépendante du chauffe-eau qui est hors contact avec l’eau (pouvant  être remplacée sans vidange du réservoir) 

-   kWh : unité énergie correspondant à la consommation d’un appareil électrique de puissance un  kW durant une heure ; pour les calculs économiques nous considèrerons un coût de 15 centimes TTC / kWh (soit environ le tarif régulé domestique de base  hors abonnement).

4.                      L’équation économique

Le panneau photovoltaïque  utilisé est un équipement tout à fait  standard  qui produit un courant  électrique à partir du soleil ; sous notre latitude - 47°Nord-  il produit donc environ 1800 heures par an ; à raison d’un rendement de 15.6%  et d’un ensoleillement de  1000 W/m2, on récupère pour un panneau de 1,60 m2 orienté plein Sud (polycristallin standard 60 cellules 1640 x 990 mm) :

-           Puissance du panneau : 1000 W/m2 x 0.156% x 1.60m2 = 250 W soit 0.25 kW

-           Energie annuelle récupérée : 0.22 kW x 1800 h x 0.70 = 277 kWh (en supposant 70% de la puissance moyenne, soit 1260 kWh/kWc).

-           Production annuelle = 277 kWh x 0.15 €/kWh = 42 € (par panneau)

Un panneau coûtant 100 € il faut donc  un peu plus de 2 ans pour l’amortir. La rentabilité est donc assez facile, si on considère seulement le panneau. Bien entendu, si on utilise des batteries, onduleurs et autres composants (environ 1000 €)  c’est très différent, la rentabilité est exclue dès le démarrage de l’installation,  mais de plus, la durée de vie de l’électronique  accroîtra  encore la problématique.

Il est donc impératif de s’en tenir à ce type de  solution si on veut garantir la rentabilité de l’investissement, pour toutes les solutions non subventionnées.

Ce faisant, une telle petite installation totalement statique  garantira, pour une durée de vie de l’ordre de 25 années, une  bonne rentabilité (10 fois le prix du panneau récupéré sur 25 ans). C’est donc  une bonne affaire et on participe aussi à la protection de l’environnement en produisant de l’énergie sans émettre aucune pollution.

Il est à noter que l’électricité étant hautement taxée (environ 70 % de taxes diverses, voir chapitre 9 Taxes sur électricité), les taxes sont, en quelque sorte, une aide à la rentabilité de cette  installation d’autoproduction. Sans taxes en effet, le kWh serait  à 0,09 €/kWh et il produirait donc 277x 0.09 = 25€ / an au lieu de 42 €.

Note :

1) si on considère  le prix du chauffe-eau (200 € pour  50L) pour le calcul de la rentabilité, cela a, bien sûr, un impact notable, mais il serait  discutable de le faire car on peut considérer le chauffe-eau comme faisant partie de l’installation sanitaire (et donc n’étant pas directement un surcoût lié au solaire).

2) le prix du kWh 0,15€  est le prix actuel et il  devrait en toute rigueur  être actualisé  sur la période d’étude de 25 années.

3) 1800 h de soleil par an c’est en moyenne 4,9 h/ jour ou 34,5 h / semaine.

5.                      Le Montage du Panneau

Pour une installation optimisée le panneau est monté comme suit :

-          Plein Sud 

-          Sans aucune ombre sur le panneau (toute la journée)

-          Incliné entre  15° dans un premier temps  (35° étant l’optimum annuel  à priori) optimisé pour l’hiver seul.

L’absence d’ombre pour 100 % du panneau est absolument indispensable car le panneau étant composé de cellules en série, il suffit d’une dans l’ombre pour bloquer la production de toute la série.

Une pose au sol a été  préférée  car elle permet le raccordement et le nettoyage du panneau plus aisément.

6.                      Le  chauffe-eau

Le chauffe-eau est totalement standard mais sa résistance est du type stéatite afin de pouvoir la modifier pour l’adopter à la tension du panneau soit 30 V.

La capacité est de 50 L pour un panneau de 220 W  (220W  au point choisi) afin de pouvoir bénéficier du pouvoir d’accumulation ; pour une journée pleinement ensoleillée la production d’eau à 45 °C à partir d’eau à 15 °C (été) sera en effet de :

0.220 x 3600 / 4.180 x (45-15) = 6.32 l/h ; donc il faudra 7,9 h de chauffe pour un ballon de 50 L ; si le thermostat est réglé à 65°C on pourra stocker toute l’énergie durant 13,2 h d’ensoleillement, ce qui correspond à peu près, au maximum d’une pleine journée d’été.

En moyenne le soleil c’est 4,9 h / jour  (1800 h / 365) soit une production de 31 l / jour d’eau entièrement gratuite ; par semaine, c’est 217 litres.

Note : un chauffe-eau  à accumulation de 50 L chargé à 65°C  est équivalent   à une batterie de stockage solaire de 241 Ah en 12 V (2900 Wh).

Le chauffe-eau est installé au plus près des appareils desservis  (voir aussi chapitre 3 Chauffe-eau) ; il pourrait être indépendant hydrauliquement ou, en complément  -en série en amont - avec un autre système production eau chaude (chaudière ou autre chauffe-eau).

7.                      L’installation  électrique

L’installation est strictement séparée du réseau EDF 230 V et comprend principalement (pour un panneau 30V- 250W maxi- voir Annexe P1 Photos) :

-          Un sectionneur général 2 pôles coupure 20A mini

-          Un disjoncteur 16A  maxi 2 pôles coupure 20A mini

-          Le thermostat double (régulation et sécurité) fourni avec le chauffe-eau dont le pouvoir de coupure devra être  suffisant pour le panneau.

-          Un voltmètre  numérique de tableau permettant de vérifier les conditions de fonctionnement ; une résistance (1000 Ohm) est installée sur l’alimentation pour éviter la surtension (car tension à vide du panneau 36 V)  et, le voltmètre est du type alimentation 4/30 V ; de plus cette résistance évite le clignotement de l’affichage à basse tension (moins de 14V).

La section des fils est  de 1.5 mm2 minimum (cuivre) pour un  panneau unique de 250W et une distance panneau / chauffe-eau  inférieure à 5 m.

Pour toute  installation il y a lieu de vérifier et respecter les règles de sécurité et spécialement pour toute installation différente - multi-panneaux et/ou de tension ou  puissance supérieure(s) - et compléter par les éventuels équipements complémentaires  (protection différentielle, mise à la terre, dispositifs de coupures…etc.) en fonction du type de montage (montage parallèle ou série).Voir  aussi référence n°4 ci-dessous.

 

8.                      La résistance 30 Volt

C’est le seul point spécifique de l’installation, puisque il faut refaire une résistance basse tension  adaptée au panneau solaire qui ne se trouve pas dans le commerce ; elle est réalisée avec du fil inox (0,5 mm2 en section courante, 2  mm2 pour raccordement  aux bornes) et de longueur telle que la résistance corresponde à la puissance requise.

Les lois de l’électricité suivantes sont nécessaires :

-            Loi d ’Ohm U = R.I  (U : tension en Volt, R : résistance en Ohm, I : intensité en A)

-            P = U. I = R. I^2 (P : puissance en W)

-            R = r .L / S   (r : résistivité en Ohm/mm2/m, L : longueur en m, S : section en mm2)

Ces trois lois sont  appliquées suivant l’ordre suivant (voir annexe P2 détermination résistance) :

1.         A partir de la caractéristique du panneau (annexe P3) on détermine au point de fonctionnement choisi (proche maxi puissance) la puissance par lecture de   la tension et l’intensité (P = U.I)

2.         Connaissant  P, U et I  o n déduit R (R= P / I^2)

3.         Connaissant  R on choisit le diamètre et la longueur du fil

L’exemple en annexe P2  considère la résistivité (r) à la température de fonctionnement évaluée à 430 °C environ (à admettre, calculs flux radiatifs), ce qui est un paramètre important car la résistance est très sensible à la température pour les inox courants.

Vous remarquerez que pour la résistance – l’élément capital de l’installation - il faudra environ  3 grammes de fil inox, même à 20 € le kg, ce n’est pas ruineux.

Nota important : le raccordement aux bornes est fait  en section 2 mm2 mini (ceci pour éviter tout échauffement au niveau des bornes de raccordement).

9.                      Perspectives

Il est certain  que la technologie photovoltaïque fera des progrès dans l’avenir et on peut espérer, à surface égale, des rendements bien supérieurs ; donc une installation de 1.6 m2 aujourd’hui, sera très facilement transformable en une installation plus puissante et donc plus rentable dans l’avenir (remplacement du panneau au bout de 25 ans en principe).

Un progrès très important serait la mise au point de panneaux  fonctionnant  de façon correcte à la lumière du jour  même  sans soleil, car, bien entendu, la période de non ensoleillement représente 79 % du temps total (1800 h de soleil par année de   8760 h), ou 60% de la journée ; on multiplierait par 2,5 la production électrique avec une même installation ; il n’y a donc qu’à attendre et croire dans le progrès technique ….

Une façon aussi d’améliorer la production serait de prévoir un support orientable pour suivre la course du soleil (sun tracker), la réflexion est en cours.

Le choix du point de fonctionnement à puissance max- par la fixation de la valeur de la résistance -peut aussi être optimisé afin d’augmenter la récupération d’énergie annuelle.

Il est  peu probable aussi que le niveau de taxes sur l’électricité baisse -du fait des coûts du traitement des déchets nucléaires sur des milliers voire des millions d’années??-  et donc, cela devrait favoriser l’autoproduction dans l’avenir. 

Les coûts de maintenance sont le plus souvent   sous-estimés, aussi les systèmes sans maintenance, telle cette installation purement résistive,  aura un intérêt accru dans l’avenir.

Cette installation s’inscrit aussi dans le «produire et consommer local» qui est en plein développement pour ce qui est de l’alimentation du moins ; car, bien sûr, si on peut produire localement une partie de son électricité, la stocker la nuit et la consommer le jour, n’est-ce pas le circuit le plus logique , le plus court et le plus écologique ?.

En guise de conclusion, cette auto-construction  est surtout un très bon moyen d’apprendre à maitriser une installation simple de production d’électricité ; on peut  la faire visiter et l’expliquer  à ses proches, voire envisager d’écrire un livre « l’électricité sans déchets expliquée à mes enfants ».

Elle produira  aussi durant 20 à 30  années,  non seulement un  petit pécule tous les ans - sans avoir besoin  de subventions  payées finalement par les contribuables - mais surtout elle produit  des kilowattheures  sans générer aucun déchet légué aux générations futures…..

 

10.                  Annexes

 : Photos

Annexe P2 : Détermination de la résistance

Annexe P3 : Courbe caractéristique panneau  (point fonctionnement)

11.                  Références

 

Quelques liens complémentaires à titre d’information

1-Estimation production : http://www.photovoltaique.info/Estimer-la-production.html

2- Estimation production et rentabilité : http://ines.solaire.free.fr/pvreseau_1.php

3-Data solaire : https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=fr (c’est Google maps + orientation soleil  partout sur la planète ; rentrer son adresse dans menu « utilisateur »)

         4-Securite-Ademe:https://librairie.ademe.fr/energies-renouvelables-reseaux-et-stockage/3270-maitriser-le-risque-lie-aux-installations-photovoltaiques.html

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