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Préambule

Toujours très intéressé par les économies d'énergie, j'avais lu des articles sur le mur trombe et le puits canadien, et bien que les principes restent ceux d'accumulateurs de chaleur, cela m'avait interpellé car la simplicité est certaine, mais cela doit être prévu de préférence dès la construction. L'accumulation est plus difficile à réaliser après coup.

Mon idée de départ était de "chauffer" un petit atelier de bricolage en sous-sol, que j'aimerais bien seulement tempérer par le soleil, mais je ne veux rien casser, ni rien modifier, donc pas de stockage.
Le problème dans ces réalisations après construction, est qu'elles sont toujours délicates à mettre en œuvre, car on "saccage" toujours un peu l'existant…
Alors y-a-t-il moyen de faire sans rien toucher ? Peut-être ! Mais on est obligé de condamner provisoirement une ouverture qui n'est pas vitale, mais qui a le mérite d'être bien orientée. (Pour le sous-sol non habité, ce n'est pas trop dramatique !)

Je ne pense pas que cela soit autre chose qu'un prototype qui n'a eu le mérite d'exister que parce que j'avais déjà le matériel, mais cela peut avoir d'autres applications…on ne sait jamais. Le principe de la vitre est assez novateur (voir ci-dessous)

1 Le principe

Une surface absorbante noire ayant une très bonne conductivité thermique (cuivre) et un espace réduit faisant office de conduit d'air chaud, le tout situé à l'intérieur des locaux.

Pour empêcher les calories de repartir en face avant, comme dans un panneau solaire à eau, on va non pas mettre une vitre, mais UTILISER la vitre existante de la fenêtre ! C'est là que se situe l'intérêt, car la réalisation devient alors ultra simple et très légère.

L'arrière de ce conduit rectangulaire est isolé thermiquement, mais ça ne doit pas être très grave, puisque cela sera repris au niveau de la pièce à chauffer. J'ai donc placé en face arrière une feuille de plastique antibruit type pose de parquet flottant. C'est alvéolé et très léger, il n'en faut pas plus !

Il y aura toujours des difficultés pour plaquer l'ensemble contre la vitre à cause des dispositifs d'ouverture (loquets, clenche…etc)

2 La réalisation

Voici les principaux matériaux utilisés non compris les lattes en bois (photo ci-contre).
On peut ainsi voir la feuille de cuivre en rouleau,
Un petit morceau de polystyrène de 2 mm
Un petit morceau de sous couche isolante parquet (je ne connais pas le nom précis)
On ajoutera quelques agrafes pour fixer ces éléments sur les lattes.

2.1 Le cadre

L'ensemble est réalisé sur la base d'un cadre en bois avec des lattes de 40X27 brutes. Les dimensions sont 1930 x 470 mm.
Ce cadre a les particularités suivantes : Il possède des pieds qui dépassent et qui vont permettre le passage de l'air froid entre le cadre et la tablette de fenêtre. Dans la partie haute, ce sera de même, mais bien que des pieds ne soient pas utiles en partie haute, ils vont servir à caler l'ensemble dans l'embrasure de fenêtre.
Aucun assemblage difficile n'est nécessaire, et les lattes devraient être pré-percées et vissées entre elles, mais pour essayer, de simples clous font merveille (et éclatent le bois).
Le passage d'air sera de 40 mm (latte placée sur champ)
Un petit renfort central est nécessaire car les longueurs sont grandes et les déformations sans jambes de force pourraient s'avérer gênantes.
Les deux lattes horizontales seront mises à plat pour la rigidité longitudinale.

2.2 L'élément captant

J'avais dans mes "archives" un rouleau de feuille de cuivre de 20 centimètres de largeur et de 1/10 d'épaisseur environ. Je l'avais gardé pour le cas où !
L'élément captant est donc constitué de plusieurs feuilles de cuivre, agrafées à recouvrement, sur les lattes verticales (comme les tuiles d'un toit).
Les feuilles sont soigneusement tendues et se recouvrent ainsi que dessiné sur le schéma pour permettre la montée de l'air chaud sans que celui-ci ne se sauve par les interstices…
Quelques points de soudure à l'étain tous les 20 cm environ permettent de faire un ensemble qui se tienne un peu (sans déformer les feuilles de cuivre).
Une fois cette fixation sur le cadre et les feuilles immobilisées entre elles, la surface sera peinte en noir mat. (Mettre quelques morceaux de lattes en dessous, pour ne pas trop "enfoncer" les feuilles de cuivre.)

Toute feuille entière en cuivre convient bien entendu, et l'aluminium pourrait tout aussi convenir, mais est moins bon conducteur de la chaleur.
Voici quelques valeurs de comparaison de conductivité thermique en W.m-1.K-1.

Argent          418
Cuivre           390
Aluminium      237
Zinc             111
Acier doux      46

2.3 L'isolant arrière

L'isolant arrière est lui aussi simplement agrafé (voir photo) sur les montants verticaux, mais débordera sur les lattes de traverse pour bien bloquer l'air. (Cela est nécessaire, car l'isolant parquet n'a pas la tenue à l'allongement qu'a le cuivre, et il aurait tendance à "bailler"…)

Il est possible de mettre du polystyrène en feuille de 2 ou 4 mm, mais cela reste très fragile, et le repli sur les lattes de traverse serait difficile sans qu'il ne casse.

3 Quelques mesures et essais

Sur la photo prise en intérieur, on peut voir la position des sondes de température (flèches rouges) On peut également voir les agrafes de fixation, et les deux thermomètres.

Plusieurs remarques généralistes sont à faire concernant une fenêtre verticale et l'énergie d'ensoleillement récupérable :

- C'est en hiver que les rayons du soleil seront les plus efficaces. (Course moins haute dans le ciel)
- Au zénith, le soleil sera au point le plus haut et une petite ombre est portée à partir du linteau. A ce moment le soleil est aussi le plus oblique vis-à-vis de la verticale, et n'est certainement pas le plus efficace.
- Les matins et les soirs, l'obliquité qui est favorable du fait d'une plus proche perpendicularité face au capteur, mais projection des ombres par les montants latéraux de fenêtre. (Cependant, le matin en hiver, il y en général peu à récupérer). Ce ne sera pas le cas de l'après midi, où il pourrait y avoir un point de la course du soleil qui donne les meilleures performances d'échanges relativement à l'obliquité et à la surface masquée par le montant de fenêtre. Les mesures indiquent cependant que le maximum est plus vers le zénith. (orientation SUD avec 15° Est). L'abaissement dans l'après midi est dû à la configuration des différentes ombres proches maison, haies (), sapins etc...
- Les montants de fenêtre ainsi que les garde-corps vont projeter des ombres gênantes.
- Le rapprochement du cuivre de la vitre pourrait éviter les circulations parasites d'air et limiter les ombres portées, il pourrait cependant être utile de garder quelque distance pour bénéficier de l'obliquité qui peut ainsi dépasser le bas de l'huisserie bois de la fenêtre. Tout cela est à vérifier au réel…
- J'ai oublié de signaler que cette fenêtre est la seule du sous-sol équipée en double vitrage.
(Les deux photos extérieures témoignent des ombres portées)



Il ne sera pas question ici de véritables mesures, car l'apport de chaleur en l'absence du débit d'air ne veut pas dire grand'chose d'un point de vue de l'énergie gagnée.

Pas de calculs théoriques que je ne saurais faire d'ailleurs, mais seulement un relevé des températures.
Les mesures débutées à 11h25 donnent le maximum de surface active.

L'écartement du cuivre de la vitre crée une circulation parasite d'air chaud qui perturbe les mesures mais l'énergie n'est cependant pas perdue puisqu'elle reste en principe dans la pièce, mais fausse seulement les mesures de température.
Dans les "parasites", on peut citer aussi quelques passages d'air perturbateurs au niveau de la fenêtre…

4 Conclusions

Mis à part le coût de la feuille de cuivre (qui ne doit pas être donnée, vu les tarifs des matières premières), c'est le seul élément tant soit peu onéreux et diffcile à trouver. (Il est toujours possible de mettre de l'aluminium, voire du zinc de vieilles gouttières ou chéneaux dépliés par exemple, (mais difficiles à peindre)).
La surface d'essais, n'est pas très grande, et ne donne pas de résultats miraculeux, mais c'est une simple expérience qui peut avoir intérêt dans quelques applications spécifiques.

A chacun d'imaginer suivant sa sensibilité l'intérêt qu'il peut y trouver…(Horticulture, fenêtres de toit, serres pour professionnels ou jardiniers amateurs…)

Ceci étant, je vais cependant faire quelques essais complémentaires en plaquant presque directement contre la fenêtre et voir si cette fois, associé à la chaleur radiante, ça fonctionne mieux ou moins bien. Je vais tout de même laisser un petit jour en hauteur pour la partie convection.
(C'est un peu comme les convecteurs électriques ?...)
Il y aura certainement des petits aménagements pour bien tendre le cuivre, genre ressort de rappel, car cette fois la distance entre la feuille de cuivre et la vitre sera faible, de l'ordre de 1.5 centimètre...

Voilà c'est réalisé ! Pour tendre, l'un des 2 côtés du tasseau est percé (trou oblong) pour pouvoir rattraper la dilatation. Pour le ressort on verra plus tard !... Au niveau des premiers essais, je serais tenté de dire ("comme ça" ! ) que ça semble presque mieux qu'avec la seule convection. Cela n'est absolument pas mesuré, c'est juste une impression.
De toutes façons c'est encore plus simple que simple.
Finalement le panneau est dans ce cas réduit à sa plus simple expression : une feuille de cuivre !

Les difficultés de mesures sont importantes pour pouvoir se placer dans des conditions à peu près identiques. Il faut attendre un peu de froid, avant de commencer des mesures comparatives. On notera 5 mm de jour en haut et en bas du cuivre, qui permettent la convection entre le cuivre et la vitre. Pour l'arrière, c'est du radian ! (La convection a été mesurée à 34°C avec soleil de février...) Les courbes ce sera pour plus tard !...Quand le froid et le soleil seront là.

Encore une petite information...Le vitrage de mes anciennes fenêtres isolantes qui dataient de 1973 n'ont pas tenu plus de 33 ans, et j'ai du le changer, car les vitres devenaient un peu troubles, mais quitte à les jeter je les ai gardées, pour éventuellement ce genre d'application en simple ou double vitrage. Ce sera l'objet d'une possible suite à cet article, si un jour je me décidais à les utiliser, mais là ce serait en extérieur...

Nouvelle information...Après l'été puisque cet addendum est de septembre 2008, je dois dire que j'avais laissé le dernier système en place, et qu'il ne m'a pas dérangé en été, car la chaleur apportée restait faible du fait de la position très haute du soleil, de la surface captante verticale associée à son retrait de la façade. Les ombres portées étaient largement présentes au plus chaud de la journée. Il est donc possible de laisser en place un tel système.
Finalement tout est bien dans le meilleur des mondes, la chaleur utile est surtout disponible en hiver, ce qu'il fallait !

Vous voulez à tout prix faire quelques économies, quitte à sacrifier quelque peu le cadre de vie, alors c'est peut-être une solution…pour vivre à l'ombre !

Loi d'Ohm

MONTAGE SERIE OU PARALLELE B

De Arebor-Energie.

La figure du haut représente un branchement en série : le courant circule dans les deux appareils, l'un après l'autre. La figure du bas représente un branchement en parallèle : le courant circule dans l'un ou l'autre des appareils.

   Le raccordement des appareils électriques en série ou en parallèle permet de modifier la tension dans le premier cas, et l'intensité dans le second. Les appareils en série sont placés les uns derrière les autres, et sont traversés par le même courant. Pour les appareils en parallèle, le courant se divise afin de les traverser simultanément. Cet article est valable pour des appareils ne produisant ou ne consommant que du courant continu (DC). Pour bien comprendre les explications qui vont suivre, il est vivement conseillé de réviser ses connaissances sur la tension et l'intensité.

Générateurs de tension en série

Générateurs en série.

   Un générateur électrique augmente le potentiel des électrons. Autrement dit, il leur transmet de l'énergie, ce qui se traduit par une hausse de tension. Dans un branchement en série, les électrons vont traverser les générateurs les uns après les autres, et leur potentiel augmentera à chaque fois. Les hausses de tension vont donc s'accumuler. Dans notre exemple, nous avons mis trois modules photovoltaïques de 12V en série. Les électrons traversent d'abord le module A et obtiennent 12V. Ils traversent ensuite les modules B et C, et obtiennent à chaque fois 12V supplémentaires. Au final, leur tension a donc augmentée de 36V. En comparant cet exemple avec un circuit hydraulique, c'est comme si de l'eau était pompée une première fois et élevée dans un réservoir à 12m de haut. Il y aurait alors une deuxième pompe qui élèverait à nouveau cette eau de 12m, puis une troisième. A la fin, l'eau se trouverait à 36m de haut.

   L'avantage de ce branchement en série est qu'il permet d'obtenir la tension que l'on souhaite. Par exemple, pour limiter les pertes dans les câbles lors du transport de l'électricité, il est préférable d'avoir une tension élevée et une intensité réduite. A puissance équivalente, cela permet de réduire les pertes par "effet Joule", ou de réduire la section des câbles (plus économique).

   D'autre part, mêmes si les tensions des générateurs sont différentes, elles peuvent toujours s'additionner. On peut très bien mettre en série un module photovoltaïque de 12V avec un autre de 48V. On obtiendra alors 60V en sortie.

Générateurs en série ayant des tensions et des intensités différentes: la plus faible intensité s'impose aux autres, les tensions s'additionnent.

   Il y a cependant des inconvénients à mettre des générateurs en série, notamment en ce qui concerne l'intensité maximum que peut délivrer le système. En effet, c'est le générateur ayant l'intensité la plus faible qui l'imposera à tous les autres. En comparant de nouveau avec un circuit hydraulique, on imagine que les trois pompes peuvent toujours élevées l'eau de 12m, mais que l'une d'entre elle a un débit de 10L par seconde alors que les autres peuvent pomper 100L. Au final, il n'y a bien que 10L par seconde qui atteindront le dernier réservoir à 36m de haut. Si les générateurs n'ont pas tous la même intensité, il s'agit donc d'une perte de puissance importante car certains ne seront pas utilisés au maximum de leur capacité.

   Un autre problème concerne la résistance interne des générateurs. Même si elles sont relativement faible, dans une connexion en série, ces résistances s'ajoutent les unes aux autres et peuvent réduire l'intensité du courant au fur et à mesure que le nombre de générateur augmente. Au contraire, dans un branchement parallèle, les résistances se divisent.

   Enfin, si jamais l'un des générateurs tombe en panne, c'est tout l'ensemble qui ne fonctionnera plus étant donné que le courant est obligé de traverser chacun d'entre eux.

Générateurs de tension en parallèle

Générateurs en parallèle.

   Dans un branchement en parallèle, les électrons ne traversent qu'un seul générateur. Ils ne subissent donc qu'une seule élévation de tension. Chaque générateur crée une hausse de tension, mais jamais sur le même électron. Dans notre exemple, nous avons mis trois modules photovoltaïques de 12V en parallèle. Le courant se divise en trois groupes d'électrons qui traversent chacun un module différent. Le premier groupe d'électrons traverse le module A tandis qu'au même instant, le deuxième et le troisième groupe traverse respectivement les modules B et C. Au final, tous les électrons on obtenu 12V. En comparant cet exemple avec un circuit hydraulique, c'est comme si nous placions trois pompes côte à côte pour puiser au même endroit et remplir le même réservoir situé à 12m de haut. L'eau ne serait élevée qu'à une hauteur de 12m, mais avec un débit 3 fois plus important.

   L'avantage de ce branchement en parallèle est qu'il permet d'augmenter l'intensité du courant. On dispose donc d'une puissance plus grande pour une tension donnée. Par exemple, la plupart des récepteurs électriques qui fonctionnent en courant continu utilisent une tension de 12V. Si plusieurs modules photovoltaïques 12V sont raccordés en série, la tension sera de 24V, 36V ou 48V et ne sera plus compatible avec nos appareils qui consomment du 12V. Dans ce cas, à moins de disposer d'un convertisseur de courant, il n'y a pas d'autre choix que de brancher les modules en parallèle au lieu de les mettre en série. De plus, on peut mettre en parallèle des générateurs ayant des intensités différentes. Les intensités de chaque générateur s'additionnent.

Générateurs en parallèle ayant des tensions et des intensités différentes: la plus faible tension s'impose aux autres, les intensités s'additionnent.

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