Tout comprendre sur le solaire photovoltaïque et thermique !

La plus grande partie de l’énergie que reçoit la terre est apportée par le rayonnement solaire. Le noyau en fusion en son centre apporte une quantité d’énergie bien plus faible, mais exploitable tout de même, c’est l’énergie géothermique.
Cette énergie solaire (45 %) est absorbée et convertie en chaleur par les rayonnements infrarouges qui parviennent jusqu’à la surface de la terre. Une partie de cette énergie environ 25 % sert à la photosynthèse et les cycles hydrologiques (évaporation de l’eau des océans). Le restant des rayonnements étant directement renvoyés dans l’espace par notre atmosphère.
Cette réserve d’énergie gratuite provenant de l’astre solaire est devenue grâce aux progrès technique une source énergétique importante. On a donc tout intérêt à exploiter ce rayonnement.
Cette énergie est exploitée sous 2 formes :

1. Le Solaire photovoltaïque
2. Le solaire thermique

Le solaire photovoltaïque

Cette énergie a longtemps été considérée comme très chère et peu fiable. Mais les progrès des dernières années tant au point de vue fiabilité que technique notamment en ce qui concerne le stockage de l’énergie ont permis de gommer ses critiques. La vigueur de la recherche industrielle nous permet d’envisager une réduction de 20 % à 40 % du coût d’investissement d’une installation photovoltaïque d’ici 10 ans. En 15 ans les installations photovoltaïques ont été multipliées par 100, et cette dynamique elle n’est pas près de s’arrêter.

Constitution d’une installation photovoltaïque

Des panneaux photovoltaïques en captant le rayonnement infrarouge du soleil vont produire un courant électrique continu.
Pour permettre que ce courant électrique soit utilisable dans une installation, on utilise un onduleur qui va transformer ce courant continu en courant alternatif compatible avec les récepteurs que nous utilisons tous les jours. Ce courant électrique sera soit consommé directement, soit stocké dans des accumulateurs, soit revendu sur le réseau de distribution.
Les batteries sont les éléments qui permettent de stocker l’énergie le jour pour la restituer en cas de mauvais temps ou la nuit.
Quand la production photovoltaïque est insuffisante, le réseau traditionnel fournit l’énergie nécessaire.

Comment ça marche ?

Pour convertir ce rayonnement en courant électrique on utilise un dispositif semi-conducteur à base de silicium. Cette transformation est un phénomène bien connu en génie électrique qui s’appelle la différence de potentiel. Des photons vont bombarder de manière continue les panneaux munis de cellules en silicium en couche de polarité différentes (négative, positive). Cette énergie va créer une rupture entre les atomes de silicium et les électrons en modifiant les charges électriques, ce qui permet de créer une tension électrique entre 2 points.
La tension délivrée par des panneaux solaires est proportionnelle au nombre de panneaux installés et donc de la surface totale de l’installation. Notons que les cellules sont assemblées en série, chaque cellule délivrant un courant de l’ordre de 0,5 à 0,6 Volt.
Afin d’éviter des problèmes techniques notamment lorsqu’une série de cellules se trouve exposée à l’ombre ce qui pourrait exposer les autres cellules à une surchauffe on utilise un système de by-pass. Ce by-pass éliminera les cellules à l’ombre en permettant au reste de l’installation de fonctionner normalement.

Le solaire thermique

La transformation du rayonnement solaire en énergie thermique est courante, et facilement démontrable. Il suffit de laisser quelques heures au soleil un tuyau d’arrosage rempli d’eau pour constater l’élévation de la température de l’eau, c’est la douche solaire !
Le principe est simple, mais fabriquer des capteurs performants thermiquement parlant c’est une autre affaire. Le choix du matériau absorbeur (capteur) est particulièrement important.

Pour cela les capteurs devront respecter quelques règles :

• Les matériaux utilisés devront favoriser l’échange de chaleur entre le matériau du capteur et le fluide caloporteur.
• Les pertes par conduction doivent être les plus faibles possibles.
• La surface du capteur ne doit pas perdre de l’énergie par réflexion afin de capter le maximum de photons.

Pour maximiser le rendement et l’énergie émise on utilisera le principe de la serre ou de l’effet de serre en utilisant une plaque de verre en intercalant une lame d’air ou de gaz.

Deux types de capteurs existent :

1. Soit ils sont constitués d’un faisceau de tubes montés en parallèle de couleur noire recouvert d’une plaque de verre qui concentre la chaleur.
2. Soit ils sont constitués de collecteur à tubes sous vide, un tube externe puis un vide d’air et un autre tube interne recouvert d’un revêtement thermique qui piège les rayons du soleil.

Un fluide généralement du glycol circule dans le capteur puis le fluide venant du capteur cède sa chaleur à travers un échangeur à l’eau ballon d’eau chaude ou du circuit de chauffage.

Chauffe-eau solaire individuel (CESI) 

Le chauffe-eau solaire est dédié à la production de l’eau chaude sanitaire uniquement. Il ne couvre que 50 à 60 % des besoins en eau chaude, le restant étant fourni par des résistances électriques comme un chauffe-eau classique.
Pour qu’un maximum d’énergie solaire soit piégée dans les capteurs, leurs inclinaisons sont un facteur de performance important. Cette valeur en pourcentage dépend de plusieurs facteurs, saison, situation géographique, latitude etc. Pour un rendement acceptable sur toute l’année pour une habitation située en France, une inclinaison de 45 °est généralement un bon compromis.
Trois types de CESI existent :

1. Le chauffe-eau à éléments séparés, il possède un thermostat qui enclenche suivant les besoins une pompe permettant de faire circuler le fluide à travers le circuit.
2. Système monobloc ces systèmes sont des ensembles capteur + ballon en un seul élément simple et complet qui fonctionne de manière autonome en thermosiphon, c’est la variation de température obtenue par l’échauffement qui entraîne la mise en mouvement du fluide.
3. Chauffe-eau en thermosiphon à éléments séparés le ballon de stockage de l’ECS se situe séparément et au-dessus des capteurs.

Suivant les régions la surface des capteurs peut varier 3 m² à 5 m² pour un ballon d’eau chaude de 300 l.

Système solaire Combiné (SSC) :

Un Système solaire combiné est une installation solaire associée à un mode de chauffage d’appoint, pompe à chaleur, chaudière, résistance électrique, qui prendra le relais lorsque l’ensoleillement est insuffisant. Il permet de couvrir les besoins en eau chaude sanitaire et de chauffage d’une habitation
Le type de capteur est identique que pour un CESI, c’est la surface des panneaux qui sera beaucoup plus importante compte tenu de l’énergie qu’il faudra déployer.
Ce système mixte dispose d’une régulation qui optimise le fonctionnement des différentes énergies disponibles en fonction de la demande de chauffage et d’eau chaude sanitaire.

Aides financières

Les incitations financières pour les énergies renouvelables sont intéressantes, mais pas toujours identiques suivant les régions renseignez-vous auprès de l’ADEME.

• Éligible à la Prime Rénov
• L’installation SSC donne doit à un taux de TVA réduit à 10 % ;
• Un éco-prêt à taux zéro est possible pour vous aider à financer vos projets.