Des panneaux solaires hybrides pour des maisons autonomes

Les capteurs solaires produisent plus de chaleur que d’électricité. L’énergie thermique qui n’est généralement pas utilisée est de plus perdue. Les panneaux solaires «hybrides» permettent de stocker la chaleur pendant plusieurs mois dans le sol et de la réutiliser l’hiver pour chauffer l’habitation.

Maison équipée de cellules photovoltaïques classiques

Une maison équipée de cellules photovoltaïques classiques: la majeure partie de l’énergie solaire captée ne peut être transformée en électricité et se perd en chaleur. (Image: manfredxy/Shutterstock.com)

Aujourd’hui, en Suisse, des milliers de propriétaires de maisons ont installé des panneaux solaires sur leurs toits afin de couvrir leurs besoins électriques. Dommage que la majeure partie de l’énergie solaire captée par la cellule photovoltaïque ne soit pas transformée en électricité et se perde en chaleur! La perte énergétique sous forme de chaleur s’élève généralement à env. 80 pour cent. La chaleur produite constitue de plus un obstacle à la transformation du rayonnement solaire en électricité. Plus les cellules solaires sont chaudes, plus le degré d’efficacité électrique baisse. La perte de chaleur par degré Celsius est de 0,3 pour cent.
Autrement dit, les panneaux dont la température atteint 40°C – les cellules solaires peuvent chauffer jusqu’à 70°C - produisent douze pour cent d’électricité en moins. Dans le passé, de nouvelles tentatives visant à refroidir les panneaux solaires tout en utilisant la chaleur perdue pour la maison ont été menées, avec peu de succès jusqu’alors.

La solution: la pompe à chaleur

Panneau solaire hybride

Grâce au serpentin d’eau placé au dos, les pertes de chaleur du panneau solaire sont utilisées pour produire de l’eau chaude. (Image: ETH Zurich)

Hansjürg Leibundgut, professeur en technique du bâtiment à l’ETH Zurich, a développé ce que l’on appelle un capteur hybride. Celui-ci devrait approvisionner de plus en plus de maisons, aussi bien en électricité qu’en eau chaude. Pour ce faire, il a ajouté au dos de panneaux solaires existants une plaque en aluminium parcourue d’un serpentin de refroidissement comparable à celui qui se trouve au dos des frigos. Comme le verre possède des cellules solaires en silicium similaires et la plaque d’aluminium des coefficients de dilatation différents, les deux couches ne peuvent pas être simplement collées ensemble, sinon le verre risquerait de se fendre sous l’effet de la chaleur.
C’est pourquoi le professeur Leibundgut fixe la plaque d’aluminium sur le verre au moyen de pinces de manière à ce que les deux couches puissent se dilater indépendamment l’une de l’autre. Un circuit d’eau qui dévie en permanence la chaleur du capteur solaire circule dans le serpentin de refroidissement en aluminium. Monsieur Leibundgut travaille avec des températures d’eau les plus proches possible de la température ambiante afin de limiter la perte de chaleur entre le circuit de refroidissement et le milieu ambiant. Ainsi, par exemple, l’eau a 22°C quand elle parvient au panneau solaire et 25°C quand elle le quitte.

Mais on ne peut pas faire grand-chose dans un ménage avec une eau à 25°C: elle n’est pas assez chaude pour se doucher ou faire la vaisselle. C’est pourquoi le circuit de refroidissement d’eau est relié à une pompe à chaleur qui fait grimper la température à 40°C. Une température idéale pour prendre une douche. Pour faire fonctionner cette pompe à chaleur, le système utilise l’électricité provenant des panneaux photovoltaïques installés sur le toit de la maison. Hansjürg Leibundgut a calculé que sur les 800 watts de puissance de rayonnement solaire reçus par un panneau solaire, 150 pouvaient être utilisés comme énergie électrique et 450 à des fins thermiques via le circuit d’eau. Les 200 watts restants se perdent dans la réflexion du verre et la conduction thermique.

L’accumulateur thermique dans le sol

Deux panneaux solaires hybrides

Deux panneaux solaires hybrides: à droite, le circuit d’eau activé. La caméra thermique montre que la perte de chaleur inutilisée est limitée. (Image: ETH Zurich)

Que se passe-t-il lorsque le ciel est couvert pendant des semaines en automne ou en hiver et que le capteur hybride reçoit un plus faible rayonnement solaire? Pour résoudre ce problème saisonnier, le professeur Leibundgut a combiné le circuit d’eau du capteur à un accumulateur de chaleur dans le sol. Un long tuyau est enfoncé dans le sol à une profondeur de 300 mètres. La température de la Terre y est de 20°C environ. En été, lorsque la chaleur est excessive, celle-ci est envoyée dans le sol. Cette chaleur acheminée augmente de 3°C la température locale du sol à 300 mètres de profondeur. Cette différence de température est ensuite récupérée en faisant circuler dans le sol de l’eau dont la température est inférieure à 23°C. La pompe à chaleur fait ensuite passer la température à 40°C pour la maison. Le sol joue ainsi le rôle d’accumulateur thermique. Le chercheur en est convaincu: «Les capteurs hybrides s’imposeront dans le futur». Il ajoute: «En fait, leur utilisation n’est judicieuse qu’en combinaison avec un accumulateur de chaleur dans le sol et une pompe à chaleur.»

Texte: SATW/Samuel Schläfli
Source: Technoscope 1/11: Des maisons intelligentes; Technoscope est la revue technique de la SATW destinée aux jeunes.

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