ÉNERGIE  SOLAIRE  Énergie solaire air/eau ou photovoltaïque pour l'auto-constructeur ou l'auto-installateur

L 'énergie solaire est la source d'énergie la plus abondante sur notre planète. Cette énergie est présente même dans les régions les plus froides.
Sans soleil les plantes et les animaux peuvent difficilement survivre, il en est de même pour nous. Sans soleil notre humeur est maussade. Tous les phénomènes météorologiques dépendent du soleil.
A notre échelle, l'énergie solaire est inépuisable. Nous l'utilisons constamment inconsciemment par ses multiples bienfaits. Nous pouvons l'utiliser également pour produire de l'énergie

Capter la chaleur.
Toute surface foncée exposée aux rayons du soleil va être plus chaude que la température ambiante. 
Ce phénomène est connu de tous. Quand vous embarquez dans votre auto par une belle journée ensoleillée, l' intérieur est très chaud.
Que s'est 'il passé ?
Le soleil en frappant la surface de la carrosserie de votre auto a conservé au passage la presque totalité des rayons infrarouge qui se sont trouvés emprisonnés.
Les rayons visibles et les rayons ultraviolet ont été, pour la majorité, renvoyés, dans l'espace.
Votre voiture étant munie de fenêtres, le phénomène a été accentué car si le  verre laisse passer les rayons infrarouge, il les empêche de s'évader. C'est de la chaleur emprisonnée.
Un panneau solaire construit par un amateur va pouvoir extraire cette chaleur selon le même principe.
Nous devons visualiser ce qui se passe pour lorsque l'on veut capter cette énergie.
L'image qui suit nous montre un panneau solaire élémentaire. Un boiter isolant pour minimiser les pertes de chaleur.
Un ou deux vitrages qui laissent passer le rayonnement. Les rayons du soleil pénètrent au travers d'une ou, deux fenêtres. Ces rayons sont constitués de tout le spectre lumineux. Seuls les rayons infrarouge sont capturés. Les autres rayons sont renvoyés dans l'espace. Les rayons qui sont capturés se reflètent dans le verre qui agit comme un miroir. Ils ne peuvent s'échapper.  C'est l'effet de serre bien connu.

Sur cette figure, le principe de base de tout panneau solaire thermique qu'il fonctionne à l'eau, à l'air ou tout autre fluide ou gaz. Ce principe est si simple qu'il faut faire preuve de malchance inhabituelle pour qu'il ne fonctionne pas ! Nous voyons que si les rayons infrarouge sont emprisonnés, les autres rayons sont renvoyés. Le rayonnement infrarouge capturé cherche à s'évader mais il est reflété par les plaques de verre.(effet miroir) La chaleur captée est emprisonnée. C'est l'effet de serre. Cette chaleur sera utilisée pour chauffer l'eau de consommation ou  l'espace de votre résidence. L'on peut utiliser sans différence notoire des gaz ou des liquides comme caloporteur.

Radiations solaires.
Tous les corps émettent de l'énergie sous forme d'ondes. Ces ondes semblables aux ondes radio possèdent cependant des propriétés différentes. Les longueurs d'ondes dans lesquels émet un corps dépendent de sa température.
Dans le cas qui nous intéresse, le soleil, cette longueur d'onde est d' environ 0,50 microns qui correspond à une température approximative de 5500 degrés K à la surface du soleil.
Ce rayonnement cependant n'est pas uniforme car il est composé pour ce qui nous concerne par une gamme qui va des rayons X, l' UltraViolet, les Rayons Visibles, les Infrarouges et enfin, les Ondes Radio.
Ce sont les infrarouges qui nous intéressent pour le chauffage de l'air ou le chauffage de l'eau. Les radiations du spectre visible seront utilisées pour l'effet photovoltaïque.
En ce qui concerne les infrarouges, nous capturons une forme d'énergie qui se traduit par de la chaleur.
Cette capture se fait depuis des millions, voir des milliards d'années de façon automatique sur notre planète.
Nous pouvons le faire avec des moyens très simples et quasiment certain de fonctionner à tout coup,  en autant que le soleil veuille bien collaborer !
Les panneaux solaires photovoltaïque que nous verrons plus loin ne sont pas envisageables en auto-construction.
Avant d'aborder l'aspect pratique il serait bon de voir de quoi ont l'air ces fameux rayonnements et ou ils se placent.

- Les rayons X sont bien connus pour leur particularité de pénétrer les corps. Par exemple le corps humain peut-être balayé par des rayons X afin de détecter des problèmes de santé.
- Les rayons ultraviolets  sont bien connus pour leur particularité bactériologique. Leur effet sur les substances nuisibles contenues dans l'eau sont largement utilisées pour la désinfection.
- Les rayons visibles sont ainsi appelés car il couvrent le spectre que l'oeil humain peut percevoir.
- Les rayons infrarouge font partie de la gamme qui couvre un spectre "générateur" de chaleur. C'est lui que nous utilisons dans les panneaux solaires air ou eau.
- Les ondes radio nous permettent de communiquer grâce à des appareils de fréquences variables suivant les utilisations.
En termes de pourcentages nous pouvons dire que le rayonnement solaire se situe approximativement :

-  8% dans la bande de l'ultra violet.
- 48% dans la bande du spectre visible
- 37% dans la bande de l'infrarouge.

Nous remarquons que le spectre visible permet aux hommes et aux animaux de voir, distinguer notre environnement et d'assurer le fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïque.
Ensuite le spectre infrarouge qui est largement utilisé par Dame Nature pour réchauffer notre atmosphère et nos pauvres os  est le médium idéal pour les panneaux solaires air ou eau.
En ce qui concerne le spectre ultraviolet bien qu'il ne semble pas très utilisé de nos jours, il risque fort de l'être par une nouvelle découverte. Soyons optimistes et faisons confiance à nos chercheurs.

Un peu de théorie.
Les radiations solaires sont mesurées en Langley par minute. Cela signifie que l'intensité reçue sur une surface de 1 centimètre/carré pendant une minute est égale à un Langley.
Cette énergie peut être traduite par 220 B.T.U. au pied carré par minute ou encore une énergie de 10.000 calories minute par mètre carré de surface.
Par exemple : Un toit de maison individuelle de 100 mètres carrés peut, lors de conditions idéales lorsque le soleil est a son zénith, nous offrir une énergie de 1 millions de calories/minute.
Ne vous laissez pas séduire par ces valeurs ! Dans le cas qui nous intéresse, une multitude de facteurs interviennent. Hélas nous ne pouvons extraire toute cette énergie. Voyons cela de la manière la plus simple possible.
Notre planète Terre tourne autour du soleil à raison de 15 degrés toutes les heures. Cela signifie que le soleil dans les meilleures conditions offre chaque jour ses rayons durant une période d'environ 480 minutes ( 8 heures X 60 min)
Supposons que si nous désirons une énergie thermique de un kilowatt/heure provenant du soleil, il nous faudra une surface de 1,43 mètres/carré.
Cela est vrai en théorie car nous ne comptons pas sur les pertes par radiation, conduction, convection...
Pauvre ou mauvaise isolation thermique du boiter.
Par ailleurs, l'angle incident de la Terre par rapport au soleil varie également. Au lever et au coucher du soleil, l'angle est faible de l'ordre de 15 à 30 degrés alors qu'il est de 45 à plus de 60 degrés entre 11 heures et 15 heures.
Notre surface de panneau solaire pour capter cette énergie thermique de 1 kilowatt par heure devrait idéalement non seulement suivre la variation d'angle horizontal de 15 degrés/heure, mais, la même surface devrait  suivre la variation d'angle vertical qui varie elle aussi. Cette variation fluctue de saison en saison
Cette condition idéale se trouve sur des montages mécaniques qui suivent (tracent) automatiquement les variations horizontal/vertical de manière continue.
Pour l'amateur, afin que votre capteur solaire travaille dans les meilleures conditions il faut q'il soit orienté  en direction du soleil et que les surfaces soient perpendiculaires au rayons. Une installation  a angles fixes est en général, satisfaisante.

La figure qui suit illustre le principe de "capture".

A : Un boiter bien isolé constitue la base du capteur. Une ou deux vitres capturent les rayons solaires. Un panneau de métal au fond du boiter collecte la chaleur. B: Un liquide ou un gaz caloporteur (eau ou air par exemple) transporte cette chaleur via des canalisations vers l'endroit désiré. C: Le capteur doit idéalement suivre le soleil dans sa course du lever au coucher. D: Le capteur pour un rendement maximum doit être idéalement perpendiculaire au rayonnement.

Le rendement global d'un panneau solaire dépend essentiellement de la qualité de construction ainsi que son exposition la plus favorable. Les valeurs de rayonnement et les capacités indiquées sont des valeurs optimales. Comme dit plus haut il n'est pas possible de capter la totalité de ces valeurs. Un rendement de 40 à 60 % est considéré comme réaliste
Cela veut dire qu'avec une surface de 1 mètre carré vous pouvez espérer un rendement d'environ 2000 B.T.U./heure. Converti en CV cela veut dire que vous pourriez théoriquement actionner un moteur de 3/4 de CV. Avouez que cela n'est pas si mal vu la simplicité du système. Mais, ce n'est que de la théorie ! Le type de panneau solaire dépendra de plusieurs facteurs L'air est certainement le plus facile. En cas de fuites vous n'avez que... de l'air. L'eau par contre offre d'autres avantages, notamment un stockage plus réduit,  sauf que en cas de fuites ou de gel vous pouvez avoir des dégâts ! Note : 2047 BTU  est égal à  600 watts ou 515.907 calories.

Choix du caloporteur
L'air est certainement un choix sensé pour tempérer ou chauffer une habitation si celle-ci est déjà équipée de bouches de ventilation d'un système à air chaud. 
L'eau est certainement un choix sensé pour chauffer l'eau de consommation. 
Si votre choix se porte sur l'air vous n'aurez aucune inquiétude en cas de fuites par contre votre système de stockage devra se faire au moyen de solides qui accumuleront la chaleur pour la restituer plus tard. Cela sous entend un volume de briques ou de roches très important. Ce stockage sera bien entendu très bien isolé.
Le transfert s'effectuera par de petits ventilateurs. La place idéale de stockage sera une cave non humide ou un sous sol aménagé. Les conduits seront plus gros et plus visibles que des conduits à eau. Si votre choix se porte sur l'eau. Le stockage pourra se faire au moyen de réservoirs à eau chaude conventionnels de 200 à 300 litres (40 à 60 gallons) ou, pour une installation plus importante, un réservoir souterrain bien isolé de plusieurs milliers de litres d'eau. Dans les deux cas une installation simple pour débuter vous permettra de juger de la quantité d'énergie fournie face à la demande. Voyons sur les deux dessins suivants les principes air et eau.

Sur cette figure nous voyons un simple panneau à air. Le coffrage est constitué de contreplaqué qualité extérieure. L'isolation est faite de laine de verre ou laine minérale. L'air qui entre par un côté circule par vagues sous les plaques de tôle.
Le côté de la plaque de tôle qui fait face aux plaques de verre est peinte en noir (peinture réfractaire idéalement).

La figure ci-dessus nous montre un système complet à eau. Les caractéristiques de base pour la construction demeurent les mêmes que pour le système à air. Seul le fluide caloporteur est différent.
Nous utilisons l'eau ou un liquide antigel pour les pays froids. La plaque collectrice est constituée de tôle galvanisée ou idéalement une tôle de cuivre, mais, le coût est plus élevé. Des tuyaux de cuivre d'une section de 12 mm environ sont soudés sur cette plaque. Le côté qui fait face aux plaques de verre est peint en noir, peinture réfractaire du type utilisé pour les poêles ou les moteurs automobiles..

LES SYSTÈMES COMMERCIAUX.
Des dizaines de manufacturiers dans le monde proposent des systèmes complets, prêts à êtres installés par l'acheteur ou installés par des ouvrier qualifiés. Nous voyons ici trois modèles couramment utilisés dans les pays tropicaux. Certains systèmes fonctionnent avec la pression de l'eau municipale, d'autres modèles plus spécifiques à des régions qui ne possèdent pas l'eau courante nécessitent un système de pompe.

Système a réservoir supérieur. La société est Australienne.

Système à absorption.

Système double a réservoirs intégrés.

Photos de l'auteur, Antilles Françaises 1998 et 2000.        
                                

Il est possible de construire un système qui ne nécessite pas de pompe. Ce dernier fonctionne avec la différence de densité entre l'eau chaude et l'eau froide. Le panneau solaire est plus bas de 30 à 60 cm du réservoir. L'eau chaude par sa différence de densité empêche l'eau froide de remonter. Le principe fonctionne d'une manière automatique. Un tel système ne nécessite aucun entretien et est parfait pour une petite résidence secondaire ou un chalet d'été.

Pour tempérer, climatiser, voir chauffer votre maison (si vous avez un site très ensoleillé), il vous faut envisager une surface de panneaux solaires de 25 à 50 % à celle de la surface brut de votre résidence suivant les régions. Si votre maison a une surface de 100 mètres carrés, il vous faudra au minimum une surface de 25 mètres carrés de panneaux solaires. Les valeurs nécessaires pour climatiser votre maison en saison chaude seront de 12 à 25 % des valeurs nécessaires pour chauffer votre résidence. Ceci s'explique par le phénomène du principe de la thermo pompe (si vous utilisez ce procédé) qui est très efficace. L'image ci contre vous montre le principe d'un système thermo pompe/panneau solaire (on appelle également ce système, échangeur de chaleur) pouvant chauffer ou climatiser. Les chemins de couleur vous permettent de visualiser le chemin des températures. Une telle installation bien entendu doit faire appel a des professionnels. Note. L'échangeur de chaleur peut très bien être remplacé par un compresseur de climatiseur encore en état de fonctionnement et qui a été mis au rancard. Idem pour un compresseur de "vieux frigo". Votre ingéniosité sera alors mise a contribution ! L'échangeur thermique extérieur peut être construit a l'aide d'un petit réservoir et une dizaine de mètres de tuyaux de cuivre. Le radiateur interne peut provenir lui aussi de récupération.

L'essentiel des panneaux photovoltaïque repose pour l'instant sur la technologie du silicium. On retrouve différentes appellations, simple, double, triple couche. Ce sont des spécifications propres à chaque marque ou procédé de fabrication. Quelques sociétés utilisent la technologie dite, poly-cristalline. En fait chaque marque a son procédé de fabrication qui lui est propre, une recette unique !
Si cette société utilise le technologie mécanique, c'est à dire le découpage en lames extrêmement fines de silicium, l'autre société utilisera un procédé de fabrication semblable à celle des circuits intégrés multicouches alors que la troisième société utilisera une technologie d'application de metalloïdes en chambre sous vide. (vaporisation sous vide).
Seuls des spécialistes pourrons dire que telle technologie est supérieure à une autre.

Voyons comment fonctionnent ces panneaux solaires photovoltaïque.



Nous voyons sur le schéma  ci-dessus le principe inventé par BECQUEREL, savant français,  il y a plus de 150 ans.
La première couche est constituée d'une plaque de verre ou de plastique afin de protéger les couches d'oxydes.
Les rayons visibles traversent la couche de verre protectrice, ces rayons sont convertis en électricité grâce au phénomène d'émission d'électrons d'un oxyde, ici le sulfure de cadmium (ce peut être du silicium cristallin), vers une plaque de métal ou d'oxyde différent.
Un premier fil recueille la tension générée (positif)  par l'effet photovoltaïque des deux couches successives  de sulfure de cuivre et de sulfure de cadmium. Un deuxième fil (négatif) recueille la deuxième polarité.
Ces couches sont en réalité excessivement minces, de l'ordre de quelques millièmes de millimètre.
Physiquement ce sont une succession de cellules individuelles connectées en série ou en parallèle ou en série-parallèle qui constituent un panneau solaire.

Les panneaux solaires photovoltaïque varient en technologie, performances et dimensions d'une marque à l'autre.
Parmi les marques les plus connues : ARCO-Solar. ASTRO Power. BP Solar. HELIOS Solar. KYOCERA. PHOTOWATT. SIEMENS-Solar. SOLAREX. UNITED-Solar, etc, etc.

PERFORMANCES versus prix.
Le relevé ci dessous vous permettra de faire votre choix. Nous avons pris comme base une série de panneaux de quatre marques différentes dont la puissance optimum est voisine de 50 watts.

Marque          Watts         Volts     Ampères       Hauteur    Largeur     Surface      Coefficient    Prix
A                     50             17,00      2,95               78cm          59cm           0,46m2       0,0092           290$ US  Relevé de
B                     53             17,40      3,05               129cm        38cm            0,43m2      0,0081            400$ US  ces prix et
C                     50             17,10      2,92               94cm         50cm            0,47m2      0,0094            335$ US perfomances
D                     49             17,3        3,01              104cm       44cm            0,46m2      0,0093            240$ US   Avril 2000

Nous remarquons que si les performances sont voisines, les dimensions varient. Les surfaces par contre sont à peu près égales ainsi que le coefficient global. Par contre les prix varient dans une proportion considérable.
Ce sera à vous de choisir selon les dimensions souhaitées pour votre installation et le prix de l'unité.

A noter. Les tensions et courant indiqués sont des valeurs  pour une exposition perpendiculaire au soleil a midi, heure solaire. Ces valeurs varient tout au long de la journée.
Les maximums se situent en général de 11 heures à 15 heures.
Des variations importantes de rendement sont rencontrées lors de périodes nuageuses ainsi que des variations saisonnières.
Enfin, les rendements globaux varient suivant la latitude ou la situation géographique plus ou moins favorable.

Applications
Elles sont multiples. De l'alimentation de votre calculatrice, téléphone cellulaire, votre montre et autres gadgets modernes, cette technologie sera d'un grand secours pour les résidences non connectées au réseau, les unités d'urgence médicale, réfrigérateurs mobiles pour vaccins par exemple, lors de catastrophes naturelles ou conflits.
Le propriétaire d'un voilier ou d'une résidence secondaire non connectée au réseau pourra bénéficier de la fée électricité presque sans contraintes. La seule limitation demeurant la puissance globale installée dû aux coûts élevés actuellement.

Le soleil est source de vie. Il est aussi, si bien exploité, source de confort.

Oui vraiment, le photovoltaïque est une belle invention. Merci Monsieur BECQUEREL

2000/2002  GEMIFI.

Les document qui suivent vous permettrons de réaliser votre propre système