Premier résumé (juillet 2020) de l’expérimentation sur deux ans et demi (de nov 2017 à juin 2020) de l’utilisation de panneaux photovoltaïques pour alimenter un ballon d’eau chaude dans une maison en location à La Garde dans le Var (83).
Constats :
Près de la moitié de ma consommation d'électricité se fait la nuit quand le ballon d'eau chaude est actif.
l’élément chauffant d’un ballon d’eau chaude (résistance dite stéatite) peut être alimenté de manière indifférente avec la même efficacité par une tension continue (panneau photovoltaïque, batteries) ou par une tension alternative (réseau EDF) donc alimenter son propre ballon d’eau chaude avec ses propres panneaux photovoltaïques (PPV) doit pouvoir se faire relativement aisément et à moindre frais sans recours à un onduleur pour convertir la tension produite par les PPV en tension alternative 230V compatible avec les appareils électriques domestiques.
Le soleil est abondant dans le sud-est de la France donc ne pas l'utiliser serait presque un crime contre la planète.
Un ballon d’eau chaude est par essence un parfait accumulateur d’énergie produite dans la journée par des PPV.
Contraintes :
Etant en location, il était « délicat » vis-à-vis des obligations liées au bail de poser les PPV sur le toit donc je les ai posés inclinés contre le mur sud de la maison fixés au sol par des charnières et tenant sur le mur par leur seul poids (en protégeant le crépi). La contrainte de place m’a imposé un angle d’orientation des PPV qui favorise leur exposition en hiver. C'est à dire que le soleil fait un angle de 90 degrés avec le plan des PPV quand il est au zénith en hiver).
Remarques :
Pour chauffer de l’eau, des panneaux solaires hydrauliques seraient mieux adaptés d’un point de vue du rendement de la conversion du rayonnement solaire en chaleur (20% max pour du PPV contre presque 100% pour du panneau solaire hydraulique). Cependant, une installation hydraulique demande un investissement (ballon échangeur) et une installation (tuyaux) plus coûteuse et inadaptée à une maison en location.
Investissement :
4 PPV de 250W (600 euros). Taille d’un panneau 1m x 1m60 environ.
Tubes et profilés de récup pour faire le cadre qui tient les PPV.
Un commutateur multibroches rotatif pour commuter du mode solaire au mode EDF (si absence de soleil pendant plusieurs jours).
Câble électrique, voltmètre, shunt ampèremétrique (pour les mesures), etc.
Stéatites d’occasion à modifier
Législation (?)
Inconnue dans le cas d’autoconsommation non raccordée au réseau EDF. Apparemment, ne pas dépasser 3000w / 3500w de PPV sur le toit (?).
Mesures des paramètres des PPV (puissance max, tension max, courant max).
Après avoir fait des tests dans une charge variable (puissance variable), j’ai produit des courbes de puissance en fonction de la tension aux bornes des PPV et de la puissance en fonction du courant débité par les PPV avec l'idée d'identifier les paramètres optimaux de fonctionnement (tension max, courant mini, puissance max) mais j’ai fait quelques erreurs de compréhension des modalités de fonctionnement d'un PPV.
Comme il est difficile de trouver une résistance variable (rhéostat) capable de dissiper 250W sous 30V (échelle de réglage fine de 0 à 8 ohms), j’ai fait les lectures des couples courant-tension aussi rapidement que possible pour éviter que la résistance un peu sous dimensionnée pour ces mesures ne brûle.
Malheureusement, il faut tenir compte de l’échauffement des PPV pendant leur utilisation pour vraiment évaluer leurs paramètres optimaux de fonctionnement en exposition et en débit continus donc les valeurs mesurées et calculées sont trop optimistes car elles ne tiennent pas compte de la perte par échauffement des PPV (perte qui produit une chute de tension en fonctionnement continu).
Il faut donc tester les capacités max des panneaux en usage continu, en plein ensoleillement, l’été.
La puissance max obtenue en fonction des tensions aux bornes et courants traversant le circuit est indispensable pour calculer la résistance optimale de la stéatite (adaptation d’impédance pour obtenir la puissance max disponible). J'ai favorisé la puissance max pour un couple courant-tension avec un courant minimum pour réduire les pertes par échauffement (effet joule).
Modification de la stéatite (résistance de chauffe du ballon).
Toute l’électronique de régulation de la chauffe du ballon (thermostat, etc.) a été shuntée pour cette expérimentation essentiellement centrée sur la possibilité d’alimenter ou pas un ballon d’eau chaude de manière autonome avec des PPV. Les PPV sont directement raccordés sur la stéatite via un commutateur qui permet un basculement sur réseau EDF en cas de besoin (mauvais temps sur plusieurs jours) ou en cas de nécessité d'isoler le ballon (surchauffe de l’eau ou départ pour plusieurs jours). Un shunt d’ampèremètre était placé en série pour les mesures de courant.
J’ai modifié une stéatite achetée d’occasion sur LBC de manière à disposer de deux résistances séparées de même valeur sur la même structure stéatite pour pouvoir adapter la résistance totale grace au commutateur rotatif en fonction du réseau sur lequel elle était connectée (PPV ou EDF). En effet, avec 4 PPV, je dispose de 130V grand max de tension aux bornes de la résistance contre 230V pour un branchement sur le réseau EDF donc si je modifie la valeur de résistance de la stéatite pour qu'elle soit optimum pour 130V, cette résistance sera trop petite quand branchée aux bornes du réseau EDF et grillera par incapacité à dissiper la puissance à ses bornes.
J’ai donc créé une sorte de double résistance de même valeur sur la même structure stéatite (la « céramique ») de manière à les brancher en parallèle quand branchées sur les PPV (donc la résistance totale est divisée par deux) et les brancher en série quand sur le réseau EDF (donc la résistance totale est doublée). Les changements de branchement se font au niveau du connecteur rotatif. Ça a plutôt bien marché et je disposais de 1000w de puissance environ dans chaque cas de raccordement.
L’idéal serait bien sûr de faire produire cette résistance stéatite par un professionnel qui aurait les outils adaptés et ainsi nous permettre de disposer exactement des valeurs de résistance dont nous avons besoin pour que la puissance produite soit optimum quelque soit le réseau électrique (PPV / EDF) sur lequel elle serait raccordée.
Pour conclure ce premier et rapide résumé, même avec des PPV posés sur le sol dont l’exposition était réduite par les bâtiments et arbres environnants (surtout l’hiver quand le soleil suit une trajectoire plus basse), il est relativement facile d’alimenter un ballon d’eau chaude avec seulement 1000W de PPV pour quelqu’un qui sait bricoler proprement.
Le 2 janvier 2018, j’ai mesuré une production de 3,3kWh (3300Wh) d’électricité dans la journée sachant que les panneaux étaient à l’ombre à partir de 14h alors que c'est l'heure à laquelle le soleil au zénith en hiver.
De toute évidence, s’ils avaient été posés sur le toit, ils auraient produit encore plus d'énergie dans la journée et vu la forme de la courbe obtenue ci-dessus et en tenant compte que le soleil est au zénith à 14h en hiver, on pourrait extrapoler par symétrie de cette courbe que la puissance produite en fin de journée aurait avoisiné les 6kWh (6000Wh) s'ils avaient été placé sur un toit pleinement exposé au soleil du matin au soir.
En été, 1000W de PPV, même dans cette configuration sur le sol, est plus qu’il n’en faut pour alimenter le ballon et j’ai souvent été obligé de couper l’alimentation du ballon car l’eau se rapprochait dangereusement des 90° et plus.
Conclusion :
Au delà de ce constat encourageant, il est bien sûr nécessaire de penser une production plus adaptée et optimisée de la stéatite (1000w sur PPV et 2000/3000w sur réseau EDF) ainsi qu’une électronique de contrôle qui rendrait automatique la commutation d’un réseau à l’autre en fonction des besoins et ressources du moment rendant ainsi la gestion de l’eau chaude autonome.
De plus, en été, 1000W de PPV devient plus que nécessaire pour alimenter un ballon d’eau chaude donc on pourrait envisager que l’excès d’énergie soit envoyé vers un petit climatiseur (1000W max) à moteur à courant continu pour refroidir un peu l’intérieur de la maison sans forcément concurrencer les performances d’un climatiseur plus puissant (2000 - 3000W) branché sur le réseau EDF (230V). Dans le but de tester concrètement cette idée, j’ai récupéré une climatisation complète (compresseur, condenseur, évaporateur, déshumidificateur, ventilateurs, etc.) d’une petite voiture (Hyundai Pony 1,3L) que je vais modifier de manière à ce que le compresseur soit entrainé par un moteur 800W à courant continu (110V) et je partagerai les résultats de cette nouvelle expérimentation en tant voulu.
4 PPV semble être un minimum limite pour alimenter un ballon de chaude pour un foyer de deux personnes mais reste réaliste si le toit a une exposition parfaite (pas d'obstacle au soleil durant toute la journée). 6 PPV donnerait encore plus de réserve d'utilisation surtout en hiver.