Autonomie électrique d'une maison passive
Les panneaux solaires constituent la seule source d'énergie renouvelable utilisable en milieu urbain ou périurbain. Dans le cas d'une maison passive, particulièrement peu énergivore, ils peuvent aller jusqu'à assurer l'autonomie énergétique de l'habitation.
Ensoleillement annuel moyen en France
D'après le site www.xpair.com
En France, l'ensoleillement annuel moyen sur une surface orientée au sud, selon une inclinaison égale à la latitude, représente 1390 kWh/m².
Données météorologiques à Brest (valeurs moyennes annuelles)
D'après le site www.meteofrance.com
| Température minimale | Température maximale | Hauteur de précipitations | Nombre de jours avec précipitations | Durée d'ensoleillement |
|---|---|---|---|---|
| 8,3°C | 14,8°C | 1210 mm | 159 j | 1530 h |
Puissance et énergie
Puissance électrique P, exprimée en W :
P = U \times I où U est la tension électrique (V) et I l'intensité du courant (A).
Le kilowattheure est une unité d'énergie couramment utilisée. On a 1 Wh = 3600 J.
Panneaux photovoltaïques
D'après les sites www.wikipedia.com et www.dictionnaire-environnement.com
Un panneau solaire photovoltaïque est un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques à base de silicium.
Pour alimenter le réseau en électricité, il faut y associer un onduleur qui convertit le courant continu en courant alternatif.
Deux grandeurs physiques sont définies pour comparer l'efficacité des panneaux :
- La puissance crête, puissance électrique maximale délivrée par le panneau dans ses conditions optimales de fonctionnement
- Le rendement, rapport de la puissance crête sur la puissance lumineuse reçue par le panneau.
Caractéristiques intensité-tension d'un panneau photovoltaïque d'une surface de 12 m²
D'après le site www.energieplus-lesite.be
Le diagramme suivant permet de repérer, pour des valeurs de la puissance lumineuse reçue par unité de surface variant entre 200 et 1000 W/m², les valeurs Iopt et Uopt de l'intensité et de la tension dans les conditions optimales de fonctionnement du panneau photovoltaïque, correspondant à une puissance électrique délivrée maximale.
Quelle est la puissance de crête d'un panneau photovoltaïque de surface 12 m² et quel est son rendement dans le cas où la puissance lumineuse reçue par unité de surface est de 600 W/m² ?
- Calcul de la puissance de crête :
Avant de calculer la puissance de crête du panneau, il faut faire une lecture du diagramme du document 5 pour avoir les valeurs de l'intensité et de la tension. Pour cela, on utilise une échelle des intensités (10,5 cm correspondent à 15 A) et une échelle des tensions (200 V correspondent à 8,3 cm).
On lit alorsIopt à 5,5 cm, soit en utilisant l'échelle précédente :
I_{opt} = \dfrac{5{,}5 \times 15}{10{,}5}
I_{opt} = 7{,}9 A
On lit alors Uoptà 5,2 cm, il suffit alors de faire le calcul suivant pour avoir Uopt en V :
U_{opt} = \dfrac{5{,}2 \times 200}{8{,}3}
U_{opt} = 125{,}3 V
On peut alors calculer la puissance de crête à l'aide de la relation du document 3 :
P_{opt} = U_{opt} \times I_{opt}
P_{opt} = 125{,}3 \times 7{,}9
P_{opt} = 9{,}9 \times 10^{2} W
- Calcul du rendement :
Le rendement r correspond au rapport de la puissance de crête sur la puissance lumineuse reçue par le panneau de 12 m2 :
r = \dfrac{P_{opt}}{P_{lum}}
La puissance lumineuse reçue par unité de surface est de 600 W/m2. Or, la surface du panneau est de 12 m2, alors la puissance lumineuse reçue par le panneau vaut P_{lum} = 600 \times 12 = 7{,}2 \times 10^{3} W
Soit : r = \dfrac{9{,}9 \times 10^{2}}{7{,}2 \times 10^{3}} = 0{,}14, soit 14 %
La puissance de crête du panneau photovoltaïque d'une surface de 12 m² vaut 9{,}9 \times 10^{2} W et son rendement est de 14 %.
Une maison passive dont la surface de toiture est de 100 m² est en construction à Brest. Ses besoins en énergie primaire totale, électroménager inclus, sont évalués à 8400 kWh par an.
L'installation de panneaux photovoltaïques sur le toit permettrait-elle de couvrir les besoins en énergie de cette habitation ?
- Calcul de la puissance lumineuse par unité de surface :
L'ensoleillement annuel moyen à Brest est indiqué sur la carte, il vaut E = 1\ 310 kWh/m². Il s'agit d'une énergie par unité de surface et la durée d'ensoleillement à Brest est de \Delta t = 1\ 530 h. La relation liant l'énergie et la puissance lumineuse est : E = P \times \Delta t.
On en déduit la puissance lumineuse par unité de surface : P = \dfrac{E}{\Delta t}.
Soit : P =\dfrac{1\ 310 \times10^3}{1\ 530}
P = 856{,}2 W.m-2
- Calcul de l'énergie électrique produite par m² de panneaux durant une année :
En tenant compte du rendement de 14% de la question précédente, la relation du rendement r s'écrit : r = \dfrac{E_{électrique}}{E_{ensoleillement}}, on en déduit alors l'énergie électrique produite par 1 m2 de panneaux solaires : E_{électrique} = r \times E_{ensoleillement}
Soit : E_{électrique} = 0{,}14\times 1\ 310
E_{électrique} = 1{,}8 \times 10^{2} kWh.m-2
- Calcul de la surface des panneaux solaires :
La maison a une surface de toiture de 100 m², on considère que la moitié de la toiture est orientée au sud, soit 50 m². On peut alors installer sur la moitié du toit 4 panneaux solaires de 12 m2 (\dfrac{50}{12} = 4), donc la surface des panneaux solaires est :
S = 4 \times 12 = 48 m2
- Calcul de l'énergie électrique produite par les panneaux durant une année :
L'expression de l'énergie électrique produite par les panneaux est : E_{panneaux} = E_{électrique} \times S
Soit : E_{panneaux} = 1{,}8 \times 10^{2} \times 48
E_{panneaux} = 8{,}6 \times 10^{3} kWh
L'énergie électrique produite par les panneaux est d'environ 8600 kWh par an. Cette énergie est supérieure à la valeur en énergie primaire totale, soit 8400 kWh par an. On peut conclure que les panneaux solaires produisent suffisamment d'électricité pour couvrir les besoins en énergie de cette habitation.