Mohamed Amjahdi Jean Lemale Toutes les informations utiles, du projet à l installation Adopter le solaire thermique et photovoltaïque
Table des matières Avant-propos............................ 9 Avant de commencer.................... 11 L énergie solaire et la politique énergétique 13 L origine de l énergie solaire 15 Le rayonnement solaire 16 Le gisement solaire en France 23 Quelques conseils préalables avant de réaliser un projet solaire 24 LE SOLAIRE THERMIQUE Les différentes technologies de capteurs solaires...................... 31 Caractéristiques générales 32 Les capteurs plans vitrés 32 Les capteurs non vitrés 35 Les capteurs solaires sous vide 36 Le rendement des différents types de capteurs 38 La production d eau chaude sanitaire...... 43 Les différents systèmes de CESI 44 Les systèmes d appoint 48 Les équipements annexes du CESI 50 Les installations solaires collectives 53 Table des matières 5
Choisir et installer un chauffe-eau solaire thermique........................ 63 Dimensionner son installation 64 Financer son installation 72 Mettre en œuvre son installation 73 Entretenir son installation 74 Se chauffer grâce au solaire thermique..... 77 Le principe des systèmes solaires combinés 78 Le système d appoint 79 Le dimensionnement du chauffage solaire 81 LE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE La production d électricité photo voltaïque...91 Un bref historique 92 Les différents équipements du photovoltaïque 99 Le montage des panneaux 103 L installation des panneaux photovoltaïques 106 L impact environnemental et le temps de retour énergétique du photovoltaïque 110 Choisir et installer ses panneaux solaires photo voltaïques........................ 115 Choisir son installation 116 Dimensionner son installation 119 Le coût de l installation 129 Effectuer les démarches et bénéficier des aides 129 L installation électrique raccordée au réseau..................... 133 Les enjeux et les perspectives 134 Principe d une installation photovoltaïque raccordée au réseau 135 Démarches et tarification 138 6
Annexes............................... 143 Certifications 143 Pour en savoir plus 145 Bibliographie 145 Remerciements 145 Glossaire.............................. 147
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Choisir et installer ses panneaux solaires photovoltaïques Le dimensionnement de son installation photovoltaïque doit être réalisé avec minutie car de multiples facteurs entrent en jeu. Choisir et installer ses panneaux solaires photovoltaïques 115
Le choix des différentes technologies, l estimation des besoins journaliers en énergie et le dimensionnement de l installation sont autant d étapes primordiales avant de se lancer dans le photovoltaïque. Puissance crête La puissance crête Wc est une donnée normative appliquée aux cellules et modules photovoltaïques. Elle correspond à la puissance électrique maximale que peut délivrer un module sous des conditions standards optimales d ensoleillement (1 000 W/m²) et de température (25 C). Elle est généralement exprimée en watt crête (Wc) ou en anglais en watt Peak (Wp). D Rappel des rendements des différents capteurs Choisir son installation Les modules photovoltaïques Le choix de la technologie des modules dépend des paramètres suivants : la puissance nécessaire, le climat du site à équiper, la surface disponible pour installer les modules, le budget disponible. Pour les installations qui nécessitent une puissance supérieure à quelques dizaines de watts, les modules à silicium cristallin sont les plus adaptés du fait de leur meilleur rendement. Du fait notamment de son faible rendement, la technologie amorphe est très rarement utilisée à ce niveau de puissance demandée, car elle nécessite des grandes surfaces à puissance égale. Technologie silicium Rendement Surface (m²/kwc) monocristallin 15 à 20 % 8 multicristallin 12 à 15 % 10 Amorphe (couche mince) 7 à 9 % 20 Avant de choisir les panneaux, il est conseillé de vérifier si la technologie est en adéquation avec les prérequis de l installation. Pour cela, il faudra passer en revue les paramètres suivants : la tension des panneaux, la garantie de la puissance maximale (certains modules ne sont garantis que pour 80 ou 90 % de leur puissance nominale), 116
la tenue aux éléments climatiques (vent, grêle ), le système de fixation. Les batteries Les batteries doivent être dimensionnées pour permettre une autonomie énergétique du site durant un certain nombre de jours sans soleil, généralement une semaine dans le sud et 10 à 15 jours dans le nord, pour une maison individuelle. Pour connaître le risque de nonensoleillement, on utilise une carte de nombre de jours consécutifs où la durée d insolation est inférieure à 1 heure, fournie par la météo. J Carte de la France du nombre d heures d ensoleillement par an Le choix des batteries comme pour les panneaux dépend de différents paramètres : l autonomie souhaitée (capacité de la batterie), la technologie de la batterie (batterie fermée, ouverte, gel, AGM ), le nombre de cycles, la durée de vie, le coût d investissement et/ou de remplacement. Des batteries de voiture? Il faut noter que les batteries qui équipent les véhicules automobiles ne sont absolument pas adaptées pour un système photovoltaïque. Ce type de batterie fonctionne à charge constante et supporte mal les nombreux cycles de charge et décharge. Choisir et installer ses panneaux solaires photovoltaïques 117
Les trois principaux types de batteries utilisées sont les batteries au plomb ouvert, les batteries AGM et les batteries gel. Les batteries au plomb ouvert, à électrolyte liquide, sont constituées avec des plaques épaisses ou avec des plaques tubulaires. Elles sont adaptées pour les applications nécessitant un grand nombre de cycles de charge/décharge (400 à 500 cycles). Les batteries AGM «Absorbed Glass Mat Batteries» présentent entre les plaques de plomb une fine feuille de fibre de Boron-Silicate. Ce sont des batteries étanches, sans entretien, qui supportent de fortes intensités en décharge et un nombre de cycles de charge/décharge important (600 à 700 cycles). Les batteries solaires à électrolyte gélifié (ou batterie gel) sont très performantes dans la mesure où elles peuvent supporter de 800 à 900 cycles de charge/décharge. Les batteries gel ont un faible taux d autodécharge et peuvent être stockées plusieurs mois sans recharge. G Onduleur chargeur signal sinusoïdal Les onduleurs Rappelons que les appareils électriques domestiques fonctionnent majoritairement en courant alternatif, alors que l énergie produite par les panneaux photovoltaïques et stockée dans les batteries est sous forme continue. Il est donc nécessaire de transformer via un onduleur ce courant continu en alternatif pour faire fonctionner les appareils domestiques. Le choix d un onduleur repose sur plusieurs paramètres qui dépendent des besoins et des usages de l installation : la puissance maximale à délivrer, nécessaire pour alimenter les équipements domestiques, la tension de sortie, le rendement de conversion, les variations de la tension de sortie, la protection contre les décharges et les surcharges, la consommation à vide (en mode d attente/standby). Même lorsqu il n y a pas d appel de puissance, un onduleur consomme de l énergie à hauteur d au moins 1 % de sa puissance nominale. Pour les installations modernes, il est conseillé d utiliser un onduleur/ chargeur avec une pure sinusoïde. Les autres signaux sont à éviter 118
pour les appareils motorisés comme le réfrigérateur, ou le four à micro-ondes, le téléviseur, etc. À noter également que l onduleur est nécessaire pour charger les batteries. Dimensionner son installation Avant de passer commande à un installateur, il faut faire ou faire faire une étude des besoins en énergie électrique. Cette étude va permettre dimensionner son installation au plus juste, pour cela, il est indispensable d identifier l ensemble des équipements électriques qui devront être alimentés. Il faut donc relever dans un tableau tous les équipements, leur puissance, leur nombre d heure de fonctionnement moyen par jour ainsi que le nombre de jours de fonctionnement par an. Choisir et installer ses panneaux solaires photovoltaïques 119
G Plaque signalétique G Wattmètre La puissance est généralement reportée sur les plaques signalétiques des appareils ou sur les notices de constructeur. Il existe sur le marché des petits appareils qui permettent de mesurer la puissance des équipements électriques, qui sont simples à utiliser et d un coût modique. L objectif de cette étude est de dimensionner les composants de l installation solaire : Le champ de panneaux photovoltaïques, Le parc de batteries, L onduleur, le chargeur et les équipements de sécurité. Une installation bien dimensionnée permet d avoir un coût d investissement optimisé, car n oublions pas que certains composants (batteries et panneaux) ont un coût élevé. Principe de dimensionnement de l installation Le dimensionnement consiste à mettre en adéquation : les besoins de l usager, l énergie récupérable par les panneaux solaires, et l énergie stockable par les batteries. L usager ne pourra pas disposer de plus d énergie que celle produite par les panneaux au cours de la journée. Pour avoir une autonomie suffisante en période de mauvais temps, les batteries sont généralement dimensionnées pour avoir une autonomie d environ une semaine, voire plus en fonction des conditions climatiques. L installation sera alors conçue pour fournir l énergie journalière nécessaire pendant la période la plus défavorable (période hivernale). Mais le dimensionnement doit trouver un compromis entre les besoins d autonomie et le coût de l installation. 120
Optimiser ses besoins en énergie On ne le dira jamais assez, mais avant de se lancer dans le dimensionnement du champ de capteurs, du parc de batteries et de l onduleur, il est indispensable d optimiser les besoins d énergie nécessaires de l habitation. Le kwh solaire reste cher, il faudra alors privilégier les équipements économes en énergie, même s ils peuvent coûter plus cher à l achat. Le coût d investissement sera moins important car on aura besoin de moins de capteurs et de batteries. Étapes à suivre pour dimensionner l installation Les étapes suivantes sont détaillées par la suite. Déterminer les besoins énergétiques journaliers dans le cas le plus défavorable (la période où les besoins sont les plus importants). Calculer le champ de panneaux photovoltaïques nécessaire pour produire les besoins journaliers en considérant l énergie solaire disponible le mois le plus défavorable, selon la situation géographique du site. Définir des modules photovoltaïques (technologie, tension de fonctionnement ). Calculer le parc de batteries pour une autonomie donnée (une semaine). Déterminer le ou les convertisseurs (onduleur, chargeur) pour fournir la puissance nécessaire à l installation. Déterminer la puissance du groupe électrogène dans le cas où il y a un besoin d appoint de secours. Déterminer le coût du système. Estimation des besoins journaliers en énergie Les besoins seront déterminés à partir des équipements électriques domestiques existants ou envisagés. Un travail de recensement des équipements et d identification des puissances ou des consommations normalisées est alors réalisé. Puis les consommations donc les besoins sont déterminées, soit par calcul à partir de la puissance des appareils et de leur temps d utilisation (éclairage, télévision, fer à repasser ), soit par relevé des consommations normalisées forfaitaires journalières données par les constructeurs (réfrigérateur, machine à laver ). Ce travail doit aboutir à la consommation journalière optimisée mois par mois. Choisir et installer ses panneaux solaires photovoltaïques 121
G Exemple de bilan d une habitation de trois pièces Usages Pièces Type d appareil séjour ampoules LBC ampoules classiques cuisine tube fluo ampoules LBC Éclairage chambre 1 chambre 2 ampoules LBC lampe de chevet ampoules LBC salle de bain ampoules LBC lampe halogène WC ampoules LBC garage ampoules LBC Jardin ampoules LBC Froid domestique Cuisine réfrigérateur congélateur télévision salon lecteur DVD Audio-vidéo chambre 1 chaîne hi-fi télévision chambre 2 télévision chaîne hi-fi Informatique/ téléphone chambre 1 chambre ordinateur bureau ordinateur portable imprimante D Ce tableau ainsi que les valeurs sont donnés à titre indicatif. Il est à signaler que certains équipements peu économes sont à proscrire, comme les lampes classiques (à incandescence) où les appareils électroménagers de classe supérieure à A. NC : non communiqué Électroménager Divers Cuisine four à micro-ondes aspirateur cafetière grille-pain box internet téléphone 122
Nombre d équipements Puissance (watts) Temps de fonctionnement (heures par jour) Consommation d énergie par jour (wattheure) 3 18 2,0 108 2 60 1,0 120 1 36 2,0 72 2 15 2,0 60 1 15 1,0 15 1 40 1,0 40 1 15 1,5 23 1 15 1,0 15 2 25 1,0 50 1 13 0,5 7 2 15 0,2 6 5 18 2,0 180 1 NC NC 250 1 NC NC 200 1 200 3,0 600 1 30 0,2 6 1 50 0,2 10 1 100 1,5 150 1 50 2,0 100 1 50 0,5 25 1 120 2,0 240 1 20 3,0 60 1 50 0,1 5 1 300 0,2 45 1 150 0,1 8 1 100 0,3 33 1 300 0,2 45 1 30 24,0 720 2 5 24,0 240 Total 3 433 Wh/jour Choisir et installer ses panneaux solaires photovoltaïques 123
Adopter le solaire thermique et photovoltaïque Découvrez comment produire de l électricité ou de l eau chaude avec l énergie solaire Revendez votre surplus d électricité grâce au photovoltaïque Chiffrez et fi nancez de manière réaliste votre projet L énergie du soleil est une énergie abondante et gratuite. Utilisée à bon escient, elle permet de réduire vos factures d énergie pour la fourniture d eau chaude et le chauffage. Elle offre aussi la possibilité de produire de l électricité pour ses propres besoins ou pour la revente au réseau. Mohamed AMJAHDI et Jean LEMALE sont experts en énergétique. Cet ouvrage pratique traite en détail les deux filières thermique et photovoltaïque. Pour réussir votre projet solaire, vous trouverez dans ce guide : une explication simple des phénomènes physiques, une présentation des équipements disponibles sur le marché avec leurs performances et leur coût, les règles essentielles pour dimensionner votre installation, des exemples concrets de réalisation. Véritable outil d aide à la décision, cet ouvrage richement illustré vous aide tout au long de votre projet, de la conception à l installation, en passant par le financement. barbarycourte.com Code Ademe : 7148 6697775 ISBN 978-2-10-054101-0 www.dunod.com