SOLAIRE / GRANULE DE BOIS / Installation en Provence (13160) / PACA: [Rhone- Alpilles- Durance]

Installateur Eco Energies (solaire thermique et photovoltaïque, poêles et chaudières à granules de bois), en région PACA, à la pointe Nord des Bouches du Rhone (Sud Avignon)

L’énergie (W), c’est une Puissance (P) appliquée pendant un temps. Prenons un exemple concret : Un Jerrican d’essence peut brûler instantanément (explosion) ou pendant des heures (combustion). La valeur de son énergie est elle la même ? La réponse est oui car en explosant (mettons 1/10 de seconde), nous aurons P1=W/0,1. Par contre, en se consumant pendant des heures (mettons 10 heures), nous aurons P2=W/(36000). Nous avons P2 très petit devant P1, mais avec une même énergie à la base (la quantité d’essence). L’énergie (W) peut être exprimée selon au moins 3 unités différentes.

1-     La calorie (cal):

2-     Le Joule (J) ;
3-     Le Watt seconde (Ws) ou Watt heure (Wh).   Une calorie, c’est la quantité l’énergie nécessaire pour élever d’un degré Celcius un gramme d’eau ; Un Joule, c’est 1 Watt durant 1 seconde. La calorie, le Joule ou les Ws sont donc des expressions différentes de l’énergie, mais ces expressions disent la même chose. Cependant, le Système International d’Unités (SIU) a retenu le Joule, le Ws et le kWh comme unités standards. Ainsi : 1J=1W/s=0,239cal

1kWh=3600000W/s=3600000J=860,4kcal

Application pratique : Quelle énergie faut il pour élever 100 litres d’eau en partant d’une température de 15°C pour l’amener à 55°C. La différence de température étant de 40°C ou 40K (Kelvins), W1 (exprimé en calories) = 40x100x1000=4000000cal ou 4000kcal W2 (exprimé en Joules)=4000kcal/0,239= 16736401J ou 16736,4kJ W3 (exprimé en Wh)=4649Wh. Ainsi, un ballon électrique devant chauffer 100litres d’eau de 40°C et équipé d’une résistance chauffante de 1000W devra fonctionner durant 4h et 36 minutes. Le même ballon, équipé d’une résistance chauffante de 1500W devra fonctionner pendant seulement 3 heures. Il existe une formule raccourcie, en partant du volume et de la différence de température : Si nous divisons W3 par W1, nous obtenons un coefficient de 1,16. Ainsi : 100 litres d’eau (mille grammes) x 40 (DT) x 1,16 = 4,6kWh. A l’inverse, si nous savons que la température stabilisée de départ (mettons en début de journée, d’un préparateur d’ECS (Eau chaude Sanitaire) solaire est de 20°C et qu’en fin de journée, la température stabilisée est de 40°C nous avons un DT de 20°C. Mettons que ce préparateur ait une contenance de 300 litres. Nous savons maintenant que l’énergie solaire récupérée est de : W= 300x20x1,16 = 7kWh. Les fournisseurs d’Energies, et au premier plan EDF et GDF, expriment l’énergie consommée par le particulier en kWh. Pour l’électricité : W=Pt et P=U.I.Cos Phi. Le cos Phi étant, pour le particulier, autour de 1, nous le supprimons de notre formule. Nous avons donc : W=Pt=U x I x temps (heures) Un convecteur électrique de 750W consommant donc 3 Ampères sous 230V pendant 5 heures aura dégagé 3,75kWh. Avec un prix moyen constaté de 0,12 euro TTC / kWh
Pour le gaz : Là encore W=Pt. Mais la consommation de gaz étant exprimée en mètres cube, GDF a donc un facteur de conversion tout prêt : W=11,24 V Ainsi 1000m3 de gaz produisent 11240kWh. Avec un prix moyen constaté de 0,04 euro TTC / kWh. Mais ce type de calcul peut être fait pour tous les autres types d’énergies, sachant les volumes et les énergies dégagées. Ainsi,

–         1 litre de fioul produit environ 10kWh d’énergie. 1litre de fioul, au 01/01/2007 coûte 0,60 euros TTC ;

–         1 kg de bois en bûche produit environ 3,5kWh d’énergie (dépendant des essences de bois et de l’humidité résiduelle). 1 stère de bois, au 01/01/2007, coûte entre 50 et 60 euros TTC;
–         1 kg de granulé de bois produit environ 5kWh d’énergie (dépendant des essences de bois et du taux de compression à la fabrication ainsi que de l’humidité résiduelle). 1 kg de granulés de bois coûte, au 01/01/2007, 0,30 euros TTC ;
–         … – Par contre, l’énergie solaire, elle, est gratuite… L’énergie solaire est sans aucun doute la plus propre et la plus disponible de toutes les sources d’énergies connues. Les radiations émises par le Soleil se font principalement sous forme de lumière et de chaleur. Les radiations solaires contiennent d’énormes quantités d’énergie et sont responsables de nombreux phénomènes terrestres. Les énergies solaires, pourtant depuis toujours pleinement disponibles pour l’être humain, ont été difficiles à apprivoiser jusqu’à ces dernières décennies. Les énergies solaires peuvent être classées en 2 catégories, Le thermique et la lumière. Le capteur Photo-Voltaïques (PV) est basée sur la technologie des semi-conducteurs pour convertir l’énergie lumineuse directement en un courant électrique, utilisé immédiatement ou stocké dans des batteries pour un usage ultérieur. Les panneaux PV sont rès polyvalents et peuvent être installés facilement au sommet des immeubles ou sur le toit des maisons. Ils produisent une énergie propre, renouvelable et ils minimisent ainsi la consommation d’électricité venant des autres énergies (fossile, nucléaire, …). Certaines régions du globe, ne disposant pas de la distribution d’électricité, peuvent ainsi alimenter certaines commodités, les téléphones d’urgence, etc… Les panneaux Photo-Voltaïques peuvent être un réel relai à la distribution classique de l’énergie électrique, dans certains pays en voie de développement (où souvent le Soleil est très présent)..

Les principaux désavantages du panneau Photo-Voltaïque résident dans son prix très élevé, son très faible taux de conversion (seulement de 10% à 15% environ maximum) et … un niveau de pollution à la fabrication encore assez important.

Le thermique solaire a un degré d’efficience 3 à 4 fois supérieur au panneau Photo-Voltaïque et présente des coûts bien inférieurs. Ce qui en fait aujourd’hui le moyen le plus rentable de collecter une énergie -presque- toujours disponible. Le solaire thermique peut être utiliser pour chauffer de façon passive certains espaces (grandes baies vitrées), ou utilisé pour chauffer de l’eau (stockage d’énergie). Dans beaucoup de région de la planète, le chauffage solaire de l’eau sanitaire est maintenant un complément viable ou une alternative à la production d’eau chaude par les énergies électriques, gaz ou fioul. L’énergie thermique obtenue à partir du Soleil peut être utilisée à de nombreuses applications, telles que la production d’eau chaude, le chauffage d’espace, le chauffage de piscine, et dans certains cas, la production de froid en utilisant des chillers à technologie par absorbsion.   Cela fait plusieurs dizaines d’années que les capteurs plans sont utilisés, mais en relatif petit nombre, et particulièrement en Europe du Nord. Les capteurs à tubes sous vide sont utilisés depuis une petite vingtaine d’années, mais ils avaient jusqu’ici un prix nettement supérieur aux capteurs plans, et ils étaient retenus uniquement lorsqu’un besoin de hautes températures était requis. Dans les dernières années, la production des capteurs à tubes sous vide a littéralement explosée, due notamment aux coûts de fabrication sans cesse révisés à la baisse. Le résultat est que maintenant les capteurs à tubes sous vide ont des prix approchant ceux des capteurs plans, avec des taux d’efficience supérieurs de 30% à 40%. Ces avantages en font maintenant le choix par défaut de milliers de nouveaux clients par an dans le monde. circuit_solaire-4040034 C’est l’application la plus intéressante à développer aujourd’hui.

A l’échelle d’une habitation individuelle, il est possible d’installer un chauffe-eau solaire, un chauffage solaire d’espace ou de piscine : il s’agit de capteurs plans ou à tubes, installés le plus souvent sur la toiture, dans lesquels circule un liquide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire, qui transmet ensuite la chaleur à un chauffe-eau, à un plancher chauffant basse température, ou éventuellement, à un échangeur sur le circuit de filtrage de la piscine. Ce procédé permet de couvrir environ 50 % en moyenne en France des besoins en eau chaude sanitaire (70% à 80% en région PACA) , et d’apporter éventuellement un complément de chauffage.

Le rendement d’un panneau solaire thermique est 3 fois meilleur que celui d’un panneau photovoltaïque (c’est-à-dire qu’un tel panneau récupère 30% à 45% de l’énergie solaire incidente). L’ordre de grandeur de ce que l’on peut économiser avec un chauffage solaire dans les bons cas de figure est d’ores et déjà de 50% sur la dépense de chauffage + d’eau chaude. Le recours “massif” au solaire thermique, couplé avec une isolation importante des logements anciens, pourrait permettre de substituer environ 25% de notre consommation énergétique. Il faudrait intégrer aussi ce qu’on appelle “le solaire passif”, destiné à optimiser l’utilisation de l’énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, orientation, isolation, vitrages, etc.). De nombreux systèmes passifs de captation solaire ont été expérimentés et sont basés sur les 3 principes suivants: capter, stocker et restituer (serre, véranda, atrium, …).

panneau_votovoltaique-7055721

Les cellules solaires photovoltaïques sont des semi-conducteurs capables de convertir directement la lumière en électricité.

La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs.
Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu’un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu’il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction). C’est l’énergie du “band gap”, Eg, en électron-volt (eV). Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si), et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si). Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons – particules de lumière – en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d’onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste passera au travers de l’épaisseur de la cellule. Les photons absorbés dont l’énergie est supérieure à l’énergie du band gap vont libérer un électron négatif, laissant un “trou” positif derrière lui. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique, E, de part et d’autre de la cellule. La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du “dopage” par des impuretés. Deux types de dopage sont possibles: Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C’est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres. Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l’insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium. Lorsque l’on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d’autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d’ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l’absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque. Lorsque l’énergie du band gap augmente, le courant diminue mais la tension est plus élevée.   La cellule individuelle, unité de base d’un système photovoltaïque, ne produit qu’une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d’un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées en série pour des applications en 12 V. Le courant de sortie, et donc la puissance, sera proportionnelle à la surface du module. L’interconnexion de modules entre eux – en série ou en parallèle – pour obtenir une puissance encore plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose d’un champ de modules et d’un ensemble de composants qui adapte l’électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé aussi “Balance of System” ou BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la structure rigide (fixe ou mobile) pour poser les modules, le cablage, la batterie en cas de stockage et son régulateur de charge, et l’onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif. Le système photovoltaïque est alors l’ensemble du générateur photovoltaïque et des équipements de consommation (charge ou load).  La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d’avantages.

    • D’abord, une haute fiabilité – elle ne comporte pas de pièces mobiles – qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C’est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.
    • Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliWatt au MégaWatt.
    • Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.
    • Enfin, la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant, silencieux et n’entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n’est par l’occupation de l’espace pour les installations de grandes dimensions.

Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients.

    • La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des investissements d’un coût élevé.
    • Le rendement réel de conversion d’un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28%).
    • Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que pour des faibles demandes d’énergie en région isolée.
    • Enfin, lorsque le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru. La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes pour autant que la batterie et les composants de régulations associés soient judicieusement choisis.

Reference: ”NASA Surface Meteorology”.

Related Post