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Comment construire un cuiseur électrique à énergie solaire

Tue, 16 Dec 2025 00:00:00 +0000

Image : Le cuiseur solaire électrique isolant que nous construisons dans ce manuel. Photo de Marie Verdeil.

ARTICLE

PROCESSUS DE CONSTRUCTION ÉTAPE PAR ÉTAPE

La forte puissance requise pour la cuisson

Les appareils de cuisson électriques sont difficiles à utiliser sur un système photovoltaïque solaire hors réseau. Par exemple, un four électrique nécessite entre 1 000 et 5 000 W de puissance, tandis que les brûleurs d’une cuisinière électrique consomment en moyenne entre 1 000 et 3 000 W par brûleur. Si vous souhaitez utiliser un four et un brûleur de cuisinière électrique en même temps, vous avez besoin d’une installation solaire d’au moins 32 m² par conditions météorologiques optimales, rien que pour cuisiner. ¹

Vous pouvez régler le problème en stockant l’énergie solaire dans des batteries plomb-acide ou lithium-ion. Si ces batteries sont suffisamment puissantes, elles peuvent vous fournir temporairement une alimentation électrique supérieure à celle de votre installation solaire. Les batteries vous serviront aussi pour cuisiner après le coucher du soleil ou par mauvais temps, ce qui vous arrivera probablement. Malheureusement, les batteries représentent 70 à 90 % des coûts et de l’énergie investis dans un système solaire photovoltaïque. ²

La cuisson rend donc difficile la détachement complet d’un foyer du réseau électrique et le passage à une production d’énergie autonome, sans fumée, à petite échelle. ³ C’est le cas lorsque l’on dispose d’un petit budget et d’un espace limité pour installer des panneaux solaires photovoltaïques. Par exemple, lorsque j’ai essayé d’être hors réseau dans mon appartement à Barcelone en utilisant des panneaux solaires sur le balcon et les rebords de fenêtre, c’est surtout la cuisinière électrique qui a entravé mes efforts. ⁴

Image : Le cuiseur solaire électrique isolant que nous construisons dans ce manuel. Photo de Marie Verdeil.

Comment adapter un appareil de cuisson électrique à l’énergie solaire ?

De nombreux appareils que nous utilisons aujourd’hui ont été conçus pour une époque où l’électricité produite par les combustibles fossiles était abondante. Cependant, le cuiseur que nous concevons dans ce manuel démontre que les appareils modernes peuvent être repensés pour une époque où les sources d’énergie sont intermittentes et moins concentrées, telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire. Notre cuiseur est alimenté par un panneau solaire de 100 W, suffisamment petit (50 × 90 cm) pour être installé sur un balcon. De plus, il fonctionne après le coucher du soleil, sans utiliser de batteries.

L’isolation thermique est la clé d’une réduction importante de consommation d’énergie d’un appareil de cuisson. Notre cuiseur solaire électrique est doté d’une isolation de 5 cm sur les six côtés. Sa consommation d’énergie est encore réduite grâce à une température de cuisson plus basse d’environ 120 °C. Il est possible de tout cuire de manière sécurisée, à des températures beaucoup plus basses que celles des appareils de cuisson modernes : la cuisson est simplement plus lente.

Notre cuiseur est alimenté par un panneau solaire de 100 W, suffisamment petit (50 × 90 cm) pour être installé sur un balcon.

La masse thermique permet de cuisiner après le coucher du soleil sans batteries. Plutôt que de stocker l’électricité produite par les panneaux solaires dans une batterie pour faire fonctionner le cuiseur la nuit, la chaleur fournie par le panneau solaire pendant la journée est stockée dans l’appareil lui-même. Comme le cuiseur conserve une température élevée au lever du soleil, il est rapidement prêt à cuire à nouveau le matin. Étant connecté à un panneau solaire, il est presque toujours préchauffé et prêt à l’emploi.

La masse thermique permet également au cuiseur de continuer à fonctionner après un temps nuageux ou de pluie. De plus, l’ouverture de la porte du cuiseur n’a pas d’incidence sur la température intérieure. La chaleur est stockée dans le mortier et les carreaux, et la température de l’air revient rapidement à la normale lorsque la porte est refermée.

Le cuiseur est chauffé par une résistance électrique que nous fabriquons nous-mêmes et qui se connecte directement au panneau solaire, sans passer par une batterie, un régulateur de charge solaire ou un régulateur de tension. Pour maximiser l’efficacité énergétique, la chambre de cuisson est dimensionnée autour d’un plateau de cuisson en métal et comporte une porte latérale. Il mesure et pèse comme un cuiseur ordinaire.

Image : Dessin du cuiseur solaire électrique en faïence. Illustration de Marie Verdeil.

Les avantages de la cuisson électrique solaire

L’appareil que nous fabriquons dans ce manuel est connu sous le nom de « cuiseur électrique solaire isolant » ou « ISEC ». L’ISEC est une version plus récente et plus sophistiquée du « cuiseur solaire », qui est un boîtier en bois isolant surmonté d’une ou plusieurs plaques de verre transparentes. Lorsqu’un cuiseur solaire est exposé au soleil, l’intérieur de l’appareil atteint des températures suffisamment élevées pour faire bouillir de l’eau et cuire des aliments. ⁵

Un cuiseur électrique solaire isolant se compose également d’une boîte bien isolée sans plaque en verre sur le dessus. Il est alimenté par un panneau solaire photovoltaïque relié à un élément thermique électrique situé à l’intérieur du cuiseur. On pourrait également décrire l’ISEC comme une marmite norvégienne avec un chauffage électrique à l’intérieur. ⁶

Image : Deux cuiseurs solaires conventionnels non électriques. L’énergie solaire entre par la plaque en verre et réchauffe l’intérieur du cuiseur. Construit par Audrey Belliot (SlowLab) et Marie Verdeil. Photo de Marie Verdeil.

Image : Un cuiseur solaire électrique isolant est alimenté par un panneau solaire photovoltaïque, qui est connecté à un élément thermique électrique à l’intérieur du cuiseur. Photo de Marie Verdeil.

Le cuiseur solaire conventionnel est un appareil très simple qui fonctionne sans électricité, ne coûte pas cher, et est facile à construire soi-même. ⁷ En comparaison, l’ISEC est un peu plus complexe à construire et nécessite un panneau solaire de haute technologie. Cependant, la cuisson électrique solaire présente plusieurs avantages importants qui justifient l’effort supplémentaire à fournir.

Un cuiseur solaire électrique peut être installé dans votre cuisine. Les cuiseurs solaires conventionnels ne fonctionnent que lorsqu’ils sont exposés au soleil. C’est idéal pour les événements, les pique-niques, ou si vous avez un jardin. Cependant, pour de nombreuses personnes, il est plus pratique de l’avoir dans leur cuisine. L’ISEC rend cela possible car seul le panneau solaire doit se trouver à l’extérieur. En hiver, le fait de placer le cuiseur à l’intérieur augmente également son efficacité énergétique. Il perdra moins de chaleur à cause du vent et du froid de l’environnement.
Un cuiseur solaire électrique peut être isolé par tous les côtés. Les cuiseurs solaires ne peuvent pas être isolés par le dessus, sinon le rayonnement solaire ne peut pas rentrer dans l’appareil. ⁸ En revanche, un ISEC peut être isolé par tous les côtés, ce qui le rend plus efficace sur le plan énergétique qu’un cuiseur solaire non électrique. Vous pouvez améliorer l’isolation du cuiseur en le recouvrant d’une ou plusieurs couvertures ou tapis, ce qui n’est pas possible avec un cuiseur solaire non électrique.
Un cuiseur solaire électrique fonctionne bien par temps nuageux. Les cuiseurs solaires conventionnels ont besoin d’un ensoleillement total pour fonctionner efficacement. C’est particulièrement vrai pour les cuiseurs paraboliques, qui concentrent les rayons solaires sur un point précis. Cependant, les cuiseurs solaires ordinaires présentent également de faibles performances par temps nuageux. Mais, avec un cuiseur solaire électrique, on peut contourner ce problème en utilisant plus de panneaux solaires photovoltaïques ou bien des plus grands. Lors de journées ensoleillées, vous pouvez utiliser le surplus de capacité photovoltaïque pour faire autre chose. ²
Un cuiseur solaire électrique est facile d’utilisation. Les cuiseurs solaires ordinaires doivent être tournés vers le soleil au moins toutes les 15 à 30 minutes ; les cuiseurs solaires paraboliques quant à eux, nécessitent des déplacements encore plus fréquents ; tandis qu’un ISEC n’a pas besoin d’être déplacé. Bien sûr, vous pouvez tourner les panneaux solaires vers le soleil toutes les 15 minutes, ce qui accélérera le chauffage de l’intérieur de l’ISEC. Toutefois, les panneaux solaires sont moins sensibles à l’orientation du soleil que les cuiseurs solaires ordinaires. Une fois que vous avez placé les aliments dans le cuiseur électrique solaire isolant, vous n’avez plus besoin de le toucher.
Un cuiseur solaire électrique permet de cuisiner après le coucher du soleil. En intégrant l’élément thermique électrique dans un matériau à forte masse thermique, un ISEC peut rester à haute température pendant plusieurs heures après le coucher du soleil. Bien qu’il existe plusieurs méthodes pour ajouter un système de stockage de la chaleur à un cuiseur solaire conventionnel, elles sont complexes et ne fonctionnent pas très bien. Par exemple, l’ajout d’une masse thermique à un cuiseur solaire conventionnel le rendrait trop lourd pour se déplacer et suivre le soleil. Un ISEC avec stockage d’énergie thermique est également lourd, mais il peut rester statique.

Notre choix de matériaux

Low-tech Magazine n’a pas inventé l’ISEC. Nos expériences de cuiseurs électriques solaires isolants, qui ont débuté durant l’été 2024, s’inspirent des travaux réalisés à l’université Cal Poly et à Living Energy Farm ⁹¹⁰, que nous avons décrits dans un précédent article sur l’énergie solaire directe. ² Nous avons emprunté des idées et des connaissances aux manuels réalisés par ces pionniers, mais nous avons également constaté qu’il était possible d’apporter des améliorations, principalement dans le choix des matériaux de construction. Nous avons également appliqué le concept de cuisson solaire isolante à une cafetière DIY, pour laquelle nous publierons bientôt un manuel séparé.

Plutôt que d’utiliser de la laine de verre, de la tôle ou des seaux en plastique, nous avons choisi de concevoir notre cuiseur avec des carreaux, du liège, du plâtre, du bois et du mortier.

Plutôt que d’utiliser de la laine de verre, de la tôle ou des seaux en plastique, nous avons choisi de concevoir notre cuiseur avec des carreaux, du liège, du plâtre, du bois et du mortier. Ces matériaux sont plus faciles à se procurer et à manipuler, et leur aspect est également plus esthétique. Notre objectif était de concevoir un appareil qu’on ait envie d’avoir dans sa cuisine ; un objet pratique, esthétique, et que l’on puisse fabriquer ou réparer avec des outils courants. Il reste à vérifier la durabilité de ces matériaux sur le long terme. Cependant, après plusieurs mois d’utilisation intensive, le cuiseur ne montre encore aucun signe d’usure significative.

Image : Quelques-uns des matériaux utilisés. Photo de Marie Verdeil.

Notre cuiseur solaire électrique repose sur plusieurs éléments essentiels : une structure en bois, un élément chauffant électrique en fil de nichrome, une isolation en liège, une masse thermique en mortier et en carreaux et un panneau solaire photovoltaïque.

Les carreaux de céramique et de terre cuite

L’usage des carreaux est la caractéristique distinctive de notre design. La plupart des ISEC (cuiseurs solaires électriques isolés) utilisent l’aluminium pour la chambre de cuisson, et du métal ou du plastique (souvent un seau) pour l’extérieur. Cependant, fabriquer un caisson étanche en aluminium demande du matériel spécialisé, et le plastique, en plus d’un aspect peu esthétique, peut devenir cassant avec le temps.

L’usage des carreaux est la caractéristique distinctive de notre design.

Dans notre cuiseur, la chambre de cuisson est constituée de carreaux épais en terre cuite, offrant une surface intérieure étanche, ignifuge et facile à nettoyer. Les carreaux empêchent l’eau de pénétrer dans la couche d’isolation ou dans le système électrique, et ils garantissent que l’isolant ne soit pas endommagé par la chaleur. ¹¹ Nous avons également recouvert l’extérieur du cuiseur de carreaux : ils apportent une touche esthétique, protègent de l’eau et facilitent le nettoyage.

Image : Chambre de cuisson réalisée à partir de tuiles épaisses en terre cuite Photo de Marie Verdeil.

Les carreaux sont bon marché et faciles à trouver : nous avons ramassé les nôtres dans les rues de Barcelone. Leur pose demande peu d’outils et de compétences. Un coupe-carreaux peut être utile, mais on peut aussi éviter cette étape en choisissant les bons formats ou en adoptant la technique du « trencadís », popularisée par Antoni Gaudí, qui consiste à briser les carreaux et à les réassembler en mosaïque.

L’utilisation d’un coupe-carreaux demande un peu d’entraînement et il est normal d’en casser quelques-uns au début. Tracez un sillon sur le carreau en passant plusieurs fois la roue en tungstène, puis exercez une pression des deux côtés avec les mains : le carreau devrait se rompre le long de cette ligne. Certains carreaux sont plus difficiles à couper que d’autres. Pour coller les carreaux sur du bois, utilisez un mortier-colle à base de ciment. Sur du liège, il vaut mieux appliquer d’abord une couche de bandes de plâtre, car le mortier n’y adhère pas bien. Enfin, utilisez du coulis pour sceller les joints entre les carreaux.

Le liège (ou la laine) pour l’isolation

L’isolation est le cœur de tout cuiseur solaire, et l’ISEC ne fait pas exception. C’est elle qui permet de cuisiner avec un tout petit panneau solaire : la chaleur s’accumule progressivement, car l’isolation ralentit sa dispersion vers l’extérieur. Pour l’isolation, nous avons appliqué une couche de 5 cm de liège expansé sur les six faces de l’appareil. Ce matériau naturel, issu des déchets de liège et aggloméré à la vapeur, possède d’excellentes propriétés isolantes. Les plaques de liège classiques fonctionnent également très bien.

Pour l’isolation, nous avons appliqué une couche de 5 cm de liège expansé sur les six faces de l’appareil.

Le liège peut être coûteux et difficile à trouver. Une alternative plus économique consiste à découper de vieux vêtements ou couvertures en laine : le résultat est tout aussi isolant, mais demande plus de travail. Outre le liège et la laine, d’autres matériaux isolants existent, mais beaucoup sont toxiques, désagréables à manipuler, ou inflammables. Le coton et la cellulose, issus de déchets, sont des options durables et bon marché, mais leur performance reste inférieure à celle du liège ou de la laine.

Image : Isolation en liège expansé. Photo de Marie Verdeil.

Le mortier comme réserve de chaleur

La base de notre cuiseur est en mortier, un matériau capable d’emmagasiner une grande quantité de chaleur. Cette masse thermique permet de continuer à cuire après le coucher du soleil. Le panneau solaire emmagasine la chaleur dans le cuiseur plutôt que de la transformer en électricité pour batterie. Le mortier remplit un double rôle : il stocke la chaleur et protège en toute sécurité l’élément chauffant électrique (voir ci-dessous). Tous les ISEC avec un élément chauffant fabriqué maison possèdent une certaine masse thermique, mais nous avons choisi d’épaissir la dalle pour améliorer le stockage de chaleur. Les carreaux de la chambre de cuisson contribuent également à cette masse thermique supplémentaire.

Le panneau solaire emmagasine la chaleur dans le cuiseur plutôt que de la transformer en électricité pour batterie.

Le mortier se compose de ciment, de sable et d’eau. Il est vendu sous forme de poudre dans des sacs, à mélanger avec de l’eau avant utilisation. Vous pouvez également préparer votre propre mortier en mélangeant du ciment, du sable et de l’eau. Suivez les indications figurant sur l’emballage pour respecter les bonnes proportions. Laissez sécher plusieurs jours : une fois durci, le mortier devient solide et résistant. L’usage de ciment réfractaire n’est pas requis : ce type de matériau est conçu pour résister aux températures très élevées des cheminées ou des fours à pizza, car la chaleur dégagée par le cuiseur reste bien inférieure. Le sable est une autre option présentant une bonne capacité de stockage thermique.

Élément chauffant et système électrique

Notre cuiseur est équipé d’une résistance électrique directement reliée au panneau solaire. Lors de nos premiers prototypes, nous avons utilisé des résistances commerciales, mais les résultats ont été décevants. Nous avons donc décidé de fabriquer notre propre élément chauffant, en suivant le guide fourni par Living Energy Farm. ¹² Fabriquer sa propre résistance demande un peu plus de travail, mais cela en vaut la peine.

Les résistances commerciales comportent souvent un thermostat intégré, ce qui complique le réglage de la température à l’intérieur du cuiseur. Elles nécessitent également une tension d’alimentation qui ne correspond pas à celle délivrée par la plupart des panneaux solaires, obligeant à ajouter un composant électronique supplémentaire (un convertisseur Buck). Les fixer solidement s’est aussi avéré difficile, et protéger le système électrique de l’humidité a posé problème, jusqu’à provoquer un début d’incendie dans un prototype.

Fabriquer sa propre résistance demande un peu plus de travail, mais cela en vaut la peine.

En intégrant la résistance faite maison dans une base de mortier, nous avons résolu tous ces problèmes. Cette résistance est constituée d’un circuit en fil de nichrome (alliage de nickel et de chrome). La longueur et le diamètre du fil de nichrome déterminent la chaleur produite et sa dissipation, ce qui permet d’adapter précisément le circuit à la tension et au courant fournis par le panneau solaire. Le circuit se relie aux câbles du panneau via un court tronçon de câble résistant à la chaleur (voir notre manuel).

Notre cuiseur est également équipé d’un fusible thermique et d’un thermostat intégrés dans la couche de mortier. Ces dispositifs ne sont cependant pas indispensables lorsque le cuiseur fonctionne directement sur le panneau solaire sans batterie : la régulation se fait naturellement. Dès que le soleil se couche, la résistance cesse de chauffer, empêchant toute surchauffe.

Image : Fabriquer sa propre résistance demande un peu plus de travail, mais cela en vaut la peine. Photo de Marie Verdeil.

Image : Fusible thermique et thermostat intégrés dans la première couche de mortier. Photo de Marie Verdeil.

Utilisation du cuiseur solaire électrique

Cet appareil permet de cuire des aliments crus (légumes, céréales, viandes ou poissons), mais peut également servir à réchauffer des plats préparés, un peu comme un micro-ondes (lent).

Sécurité alimentaire

Le cuiseur atteint une température maximale d’environ 120 °C. Pour éviter tout risque de contamination bactérienne, les aliments doivent être réfrigérés ou chauffés à une température minimale comprise entre 58 °C et 74 °C selon le type d’aliment, pendant au moins 15 secondes : Légumes et fruits cuits : 58 °C Viandes et poissons : 63 °C Viandes hachées : 71 °C Restes et volaille : 74 °C La température des aliments se mesure avec un thermomètre, que l’on introduit par la cheminée du cuiseur.

Image : Repas cuisiné dans le cuiseur solaire électrique. Photo de Marie Verdeil.

Il faut garder à l’esprit que la température chute dès l’introduction des aliments. Les aliments congelés sont particulièrement déconseillés, car la chaleur peut baisser fortement et il faudra plusieurs heures pour atteindre de nouveau une température de sécurité. Le cuiseur doit donc être préchauffé avant utilisation. Toutefois, grâce à son alimentation par panneau solaire, le cuiseur conserve la plupart du temps une chaleur suffisante. Il n’est pas recommandé de laisser des aliments dans le cuiseur toute la nuit, sauf si l’on est certain que la température de sécurité soit maintenue jusqu’au matin (ce qui n’est pas le cas de notre modèle).

Image : Cuisson lente (avant et après cuisson). Photo de Marie Verdeil.

Le temps de cuisson

Il est tout à fait possible de construire un cuiseur électrique solaire isolé, qui cuit les aliments aussi rapidement qu’un cuiseur normal (voir plus loin). Cependant, construire une « mijoteuse » isolée à basse température a du sens, et ce pour trois raisons. Premièrement, elle vous permet de cuisiner avec un panneau solaire plus petit. Deuxièmement, les aliments cuits lentement ont meilleur goût et conservent davantage de nutriments. Troisièmement, à des températures de cuisson plus basses, les aliments ne peuvent pas brûler et il n’est donc pas nécessaire de les remuer. Même si le temps de cuisson est plus long, le processus de cuisson est malgré tout plus calme et plus simple.

En moyenne, il faut environ deux fois plus de temps pour faire cuire les aliments qu’avec un cuiseur traditionnel. La plupart des repas que nous préparons, en cuisinant des aliments crus, prennent entre deux et quatre heures de préparation. Faire chauffer des restes ou un plat préparé prend environ une heure. Ces durées ont été relevées dans des conditions météorologiques optimales et avec un cuiseur préchauffé.

Cuisiner après le coucher du soleil

En raison de la masse thermique élevée du cuiseur, il aura besoin de plusieurs heures pour chauffer lorsque vous le connecterez pour la première fois à un panneau solaire. Cependant, à partir du deuxième jour, le panneau solaire maintiendra le cuiseur à une température élevée en permanence, et ce pendant de nombreuses heures après le coucher du soleil. Lorsqu’il est complètement chargé au coucher du soleil et qu’il atteint une température d’environ 120 °C, notre cuiseur électrique maintient une température suffisamment élevée pour cuire pendant 4 à 5 heures. Une fois que la nourriture est dans le cuiseur, la température baisse mais reste suffisamment élevée (au dessus de 80 °C) pour cuire les aliments en toute sécurité. La chaleur accumulée pendant la nuit nous permet de relancer rapidement la cuisson le matin. En effet, notre cuiseur sera encore au-dessus de 40 ou 50 °C au lever du soleil.

La chaleur conservée à la fin de la nuit nous permet de relancer rapidement la cuisson le matin.

Étendre une ou plusieurs couvertures de laine sur le cuiseur au coucher du soleil permet de conserver davantage la chaleur, ce qui permet de cuisiner un repas encore plus tard dans la soirée ou de commencer à cuisiner encore plus tôt le lendemain. Vous pouvez également utiliser des couvertures pour augmenter l’efficacité énergétique du cuiseur pendant la journée, pour obtenir une température de cuisson plus élevée.

L’humidité

Selon les aliments que vous préparez, une humidité excessive à l’intérieur de la chambre de cuisson peut devenir un problème. L’eau contenue dans les aliments peut s’évaporer et s’accumuler dans le cuiseur. C’est pourquoi notre cuiseur est équipé d’une petite cheminée par laquelle l’humidité peut s’échapper. Il peut être fermé par un bouchon de liège si vous souhaitez conserver l’humidité à l’intérieur. Il est conseillé de laisser la porte du cuiseur ouverte de temps en temps afin que l’humidité présente dans la couche d’isolation puisse s’évaporer.

Différents modèles de cuiseurs

Comme nous avons conçu notre cuiseur autour d’une plaque de cuisson, ce cuiseur convient surtout pour les plats à cuire au four. Cependant, d’autres modèles existent. Un ancien prototype que nous avions construit possède une chambre thermique de la taille d’une cocotte : il est donc plus adapté à la préparation de ragoûts et de soupes. Quelle que soit la forme que vous choisissez, il est toujours préférable de dimensionner votre cuiseur en fonction des proportions d’un récipient spécifique. Si vous placez une petite casserole dans une grande chambre de cuisson, vous gaspillerez une grande quantité d’énergie pour chauffer l’espace vide.

Image : Un ancien prototype que nous avions construit possède une chambre thermique de la taille d’une cocotte : il est donc plus adapté à la préparation de ragoûts et de soupes. Photo de Marie Verdeil.

Une isolation plus épaisse

Plus la couche d’isolation est épaisse, moins le cuiseur ne consomme d’énergie. Une isolation plus épaisse permet d’utiliser un panneau solaire plus petit, et ce, pour le même temps de cuisson, ou de réduire le temps de cuisson avec le même panneau solaire. Une isolation plus épaisse améliorera permet également de mieux conserver la chaleur. Cependant, n’oubliez pas que cela augmentera le volume de l’appareil de façon exponentielle. Épaissir l’isolation de 5 cm sur les six côtés aurait agrandi la taille de notre cuiseur, ce qui aurait été peu pratique pour la plupart des cuisines.

Une température de cuisson plus élevée

Si vous voulez un cuiseur électrique solaire qui cuit les aliments plus rapidement, à une température plus élevée, vous devriez choisir un panneau solaire plus grand et un élément chauffant plus puissant. Vous devriez aussi augmenter le réglage du thermostat et du fusible thermique. L’ajout d’une isolation supplémentaire accélère également le temps de cuisson. Cependant, notez que nous n’avons pas testé nos matériaux de construction avec des températures plus élevées ; si vous choisissez d’utiliser ce cuiseur dans ces conditions, vous agissez à vos risques et périls.

Tout dépend en grande partie des coutumes locales liées aux heures de repas, en particulier le dîner. Par exemple, l’heure du dîner en Europe se situe entre 17 et 19 heures dans les pays nordiques, et entre 21 et 23 heures, pour les pays plus au sud. Puisque dans le Nord, les heures de dîner sont plus tôt que dans les pays du Sud, elles s’accordent avec l’utilisation de l’énergie solaire pour cuisiner. Cependant, l’heure de dîner plus tardive dans le Sud nécessiterait un cuiseur plus puissant permettant d’avoir une température plus élevée et capable de mieux conserver la température, afin de cuisiner après le coucher du soleil, ou pour garder un plat chaud préparé le matin.

Une conservation de la chaleur plus ou moins importante

Même si un cuiseur solaire électrique a toujours besoin d’une isolation, vous pouvez la faire avec peu, voire pas de masse thermique. Votre choix d’isolation dépend de la façon dont vous souhaitez utiliser l’appareil. Avec une masse thermique faible voire nulle, l’appareil de cuisson va chauffer et refroidir assez vite, et sera un peu plus léger. En revanche, vous ne pourrez pas l’utiliser pour cuisiner après le coucher du soleil. Beaucoup d’ISEC faits par d’autres constructeurs fonctionnent de cette manière.

D’autre part, il est aussi possible de faire une version plus grande de notre cuiseur solaire qui peut être utilisée pour cuisiner toute la journée. Pour ce faire, ajoutez davantage de masse thermique, d’isolation, et envisagez d’avoir une température plus élevée pour votre cuiseur. Il faudrait aussi utiliser un panneau solaire plus grand et une résistance électrique plus puissante. Un tel appareil de cuisson serait toujours immédiatement prêt à l’emploi. Il n’y aurait pas besoin de stocker de l’électricité. Il pourrait être utilisé dans les cuisines industrielles ou en tant qu’appareil de cuisson communautaire.

Vous pourriez également construire un cuiseur électrique solaire avec un accumulateur thermique en métal plutôt qu’en mortier. Il ne permet pas de cuisiner après le coucher du soleil, mais il permet d’atteindre des températures de cuisson plus élevées pendant une courte durée. Cela permet ainsi de cuire et de frire des aliments.

Guide de construction étape par étape

Image : Dessin isométrique éclaté de notre cuiseur électrique solaire isolé. Illustration de Marie Verdeil.

Ce dont vous avez besoin

Des ustensiles de cuisine

Une plaque de cuisson pour mettre les aliments à cuire dans le cuiseur. Cette plaque peut être en métal, en céramique ou en verre résistant à la chaleur. Elle est indispensable et doit être choisie en priorité car vous devrez vous servir de ses dimensions pour construire votre cuiseur.

Un élément chauffant électrique et un système électrique (voir notre autre manuel)

Un panneau solaire de 100 W.
Du fil de nichrome.
Un câble électrique résistant à la chaleur.
Un interrupteur thermique.
Un fusible thermique.

Des matériaux de construction

Des planches en bois. Le cuiseur est construit autour d’une structure en bois. Vous pouvez réutiliser une boîte existante ou la fabriquer de toutes pièces. Du bois de récupération ou des panneaux aggloméré conviennent parfaitement, puisqu’ils ne seront pas visibles.
Du carrelage. Nous utilisons du carrelage pour l’intérieur de la chambre de cuisson et l’extérieur du cuiseur.
Des vis à bois.
Des charnières et des crochets. Pour fixer la porte du cuiseur.
Des pieds pour le cuiseur. Nous les avons fabriqués en bois. Les pieds permettent de soulever et déplacer le cuiseur et le protègent contre les dégâts causés par l’eau, qui pourrait s’infiltrer par le dessous de l’appareil.
La poignée de la porte du cuiseur. Nous l’avons aussi fabriquée en bois.

Des matériaux d’isolation

Des panneaux de liège expansé. Nous avons utilisé des panneaux de liège expansé de 5 cm d’épaisseur pour isoler l’ensemble des côtés du cuiseur. Nous avons également utilisé environ 1,20 m de liège expansé. Vous pouvez aussi utiliser de l’isolant ordinaire en liège ou en laine. Évitez les matériaux inflammables comme le coton, les copeaux de bois ou tout matériau isolant à base d’huile. Le liège et la laine sont des matériaux résistants au feu.
De fines plaques de liège (4 mm). Elles servent de joint d’étanchéité entre la porte du cuiseur et l’armature. Elles sont également utilisées pour combler les différences de hauteur entre les couches de liège expansé au-dessus de la chambre de cuisson.

De la matière pour stocker la chaleur

Du mortier de construction. Nous utilisons du mortier pour fournir une masse thermique afin de conserver la chaleur et intégrer le chauffage à résistance électrique.

Des matériaux de fixation et de remplissage

Du mortier adhésif. Pour fixer le carrelage sur les surfaces en bois et en liège.
De quoi faire des joints. Pour faire les joints de carrelage.

Les pièces supplémentaires

Un thermomètre de cuisine. Il vous en faudra un équipé d’une longue sonde, car il devra traverser l’épaisse couche d’isolation en haut de l’appareil pour pouvoir atteindre les aliments.
Un conduit de cheminée. Faites un tube avec une fine feuille d’aluminium, que vous pouvez découper à partir d’une canette de soda. Sinon, vous pouvez acheter un tube métallique de la bonne taille.

Les outils

Un tournevis
Une scie à bois
Une perceuse (vous avez besoin d’un foret à béton pour l’ouverture de la cheminée)
Un fer à souder et du fil d’étain
Un coupe-carreaux (seulement si vous devez retailler les carreaux)
Des outils de mesure
Un cutter
Une truelle à mortier et un récipient de mélange

Étape 1 : Construire la structure

Image : Instructions étape par étape (fig. 1. à 4.). Illustration de Marie Verdeil.

Se procurer une plaque de cuisson et la mesurer. Nous avons dimensionné notre appareil de cuisson autour d’un plateau en acier inoxydable qui fait à peu près la même taille qu’une feuille A4 : 20 cm x 27 cm.
fig 1 - À l’aide de carreaux, créez une boîte autour du plateau avec suffisamment d’espace pour pouvoir y glisser et en sortir vos aliments facilement. La boîte deviendra la chambre intérieure du cuiseur solaire. Pour l’instant, faites tenir la structure avec du ruban adhésif. Lorsque vous mesurez les dimensions de la chambre thermique, laissez un espace au dessus de la plaque de cuisson pour permettre à la chaleur de circuler. L’idéal est de trouver du carrelage à la bonne dimension. Sinon, coupez les carreaux à la bonne taille à l’aide d’un coupe-carreaux.
Mesurez les dimensions extérieures de la chambre de cuisson carrelée pour calculer celles de la boîte en bois qui l’entourera. Laissez 5 cm supplémentaires sur les six côtés pour pouvoir mettre la couche de liège expansé. Au fond, prévoyez 2 à 3 cm en plus pour tenir compte du mortier, qui enrobera l’élément chauffant. Ajoutez 5 mm supplémentaires de tous les côtés afin que tout s’emboîte.
fig 2 - Construire la boîte en bois selon les dimensions calculées (ne pas oublier de prendre en compte l’épaisseur du bois). Vissez les éléments en bois pour que la partie supérieure puisse être retirée ultérieurement dans le processus de construction (voir l’étape 3). Avant de commencer à couper le bois, prenez le temps de tout mesurer plusieurs fois, car il est facile de faire des erreurs.
fig 2-3. - Pour que la porte s’aligne parfaitement avec le reste de la boîte en bois, construisez d’abord la structure dans son ensemble, puis séparez la partie qui servira de porte, à la scie. La partie qui servira de porte doit avoir une profondeur de 6 cm pour s’insérer dans la couche de liège isolante et le carrelage de la chambre de cuisson, sur ce côté.
fig 4 - Une fois le bois coupé, dévissez la planche supérieure afin d’avoir un meilleur accès à l’intérieur.

Image : La chambre de cuisson à l’intérieur de la structure en bois. L’espace entre les deux sera comblé par une isolation en liège et une couche de mortier au fond. Photo de Marie Verdeil.

Étape 2 : Faire une résistance électrique à la chaleur

Créer un élément chauffant résistif à l’aide d’un fil de Nichrome. Voir notre manuel séparé pour les instructions.

Étape 3 : Ajouter l’isolation, créer la masse thermique et ajouter la résistance électrique

Image : Instructions étape par étape (fig. 5. à 8.). Illustration de Marie Verdeil.

fig 5 - À l’aide d’une scie fine ou d’un cutter, découpez et collez les panneaux de liège expansé pour couvrir tous les côtés de la zone. Vous pouvez utiliser de la colle à bois ou de la colle chaude. Gardez la planche supérieure à l’écart pour l’ajouter plus tard.
fig. 6 - Mélangez un peu de mortier de construction avec de l’eau et créez une couche d’environ 10-15 mm par-dessus la couche de liège inférieure. Laissez poser pendant quelques heures.
fig 6 - Percez un trou à travers le liège et le bois à l’arrière de la boîte, à environ 10 mm au-dessus de la couche de mortier, pour y faire passer les câbles électriques.
fig 7 - Placez le circuit de résistance sur le lit de mortier et faites passer les extrémités du câble résistant à la chaleur par le trou situé à l’arrière de la boîte. Veillez à ce que les fils de nichrome ne se croisent et ne se touchent pas, et que le fusible (optionnel) ainsi que l’interrupteur thermique (optionnel) soient également posés sur le mortier.
fig 8 - Coulez encore 10 à 15 mm de mortier pour recouvrir le circuit.

Image : La première couche de mortier avec le circuit nichrome, l’interrupteur thermique et le fusible thermique dessus. Tous ces éléments seront couverts par la deuxième couche de mortier. Photo de Marie Verdeil.

Étape 4 : Mettre en place la chambre de cuisson et finir l’isolation

Image : Instructions étape par étape (fig. 9. à 16.). Illustration de Marie Verdeil.

fig 9 - Prenez le carrelage que vous aviez préparé pour la chambre intérieure. Placez un peu de mortier à l’arrière des dalles inférieures et pressez-les sur le lit de mortier.
fig 10. - À l’aide de mortier adhésif, fixez les carreaux restants sur les côtés ainsi qu’à l’arrière des panneaux de liège, afin de recréer la chambre de cuisson que vous aviez collée à l’étape 1.
fig 11. - À l’aide d’une perceuse munie d’une mèche à béton, percez un trou de 10 à 12 mm dans le carreau supérieur central pour y placer un conduit d’aération.
fig 11. - Posez les dalles supérieures restantes sur les bords des carreaux latérales en y ajoutant un peu plus de mortier. Il est conseillé d’incliner légèrement les carreaux supérieurs d’un côté pour diriger la condensation loin de la plaque de cuisson.
fig 12. - Avant de remettre le panneau de liège supérieur sur la chambre intérieure carrelée, marquez la position du conduit d’aération et percez les panneaux de liège et les planches de bois.
fig 12-13. - Placez le panneau de liège supérieur sur les carreaux du dessus avec un peu de mortier adhésif, puis revissez la planche en bois supérieure pour fermer la boîte. S’il y a des trous d’air, comblez-les avec des morceaux ou plaques de liège pour éviter toute fuite de chaleur.
fig 14. - Collez des fines plaques de liège de 4 mm d’épaisseur sur le caisson d’isolation qui entoure l’avant de la chambre de cuisson. Utilisez de la colle à bois. Cette couche supplémentaire permet de fermer hermétiquement la porte et d’empêcher la chaleur de s’échapper.
fig 15 - Isolez la porte en fixant un panneau de liège expansé de 5 cm avec de la colle à bois à l’intérieur. Avec du mortier adhésif, placez le dernier carreau sur la porte en veillant à ce qu’il s’aligne correctement et ferme la chambre intérieure lorsque la boîte en bois est fermée.
fig 16. - Collez une autre fine plaque de liège de 4 mm de manière à reproduire le bord de la chambre.

La boîte est presque terminée. Laissez le tout sécher et se solidifier pendant au moins 48 heures.

Image : Fixer la chambre de cuisson. Photo de Marie Verdeil.

Étape 5 : Touches finales

Image : Instructions étape par étape (fig. 17. à 19.). Illustration de Marie Verdeil.

fig 17 - Carreler le dessus de la boîte pour la rendre étanche et résistante à la chaleur (on peut y mettre la plaque de cuisson à la sortie du cuiseur). Veillez à faire un trou pour le conduit d’aération.
Fabriquez et insérez le conduit. Insérez-le dans le trou que vous aviez fait.
Faire les joints. Scellez la chambre intérieure carrelée avec du mortier pour éviter que l’isolation en liège ne prenne l’humidité. Faites de même pour les carreaux extérieurs et pour le joint du conduit d’aération. Nous avons également ajouté du plâtre sur les côtés pour protéger le bois.
fig 18. - Ajouter une poignée à la porte.
fig 19 - Ajouter des charnières pour visser la porte à l’armature du cuiseur. Placez un loquet métallique de chaque côté pour verrouiller hermétiquement la porte pendant le fonctionnement.
Ajoutez des petits pieds au cuiseur permet de le soulever plus facilement et de le protéger contre les dégâts d’eau.
Le cuiseur est terminé !
Reliez les câbles résistants à la chaleur qui sortent du cuiseur aux fils du panneau solaire. Insérez un interrupteur entre les deux (branchez-le sur le fil positif).

Image : Quelques étapes de l’assemblage du cuiseur (de gauche à droite) : Fig. 1 : Perçage d’un trou pour le conduit d’aération, avec toute l’isolation en place. Fig. 2 : Couche supplémentaire de liège pour permettre l’isolation de la porte et de la boîte. Fig. 3 : Carrelage de l’extérieur du cuiseur solaire électrique. Fig. 4 : Faire les joints. Photos de Marie Verdeil.

Crédits

Concept : Kris De Decker, avec la contribution de Marie Verdeil.
Conception : Marie Verdeil, avec la participation d’Anna Mareschal de Charentenay.
Construction et documentation : Marie Verdeil, avec l’aide de Hugo Lopez.
Conception et construction de deux prototypes antérieurs : Vaiva Vinskaité, avec la participation de Kris De Decker et Marie Verdeil.
Remerciements : Samira Allaouat et Alexandra Tollefsrud pour le carrelage. Akasha Hub Barcelone pour l’espace de travail. Living Energy Farm et Cal Poly pour leurs avancées sur les cuiseurs électriques solaires isolés.

Dans les sociétés riches et industrialisées, la cuisine est rarement considérée comme un problème en termes d’utilisation des ressources et d’émissions de carbone. Par exemple, aux États-Unis, seulement 5 % de la consommation d’énergie d’un ménage est attribuée aux appareils de cuisson (tels que les cuisinières, les fours, les micro-ondes et les bouilloires). Cependant, si la cuisson nécessite relativement peu d’énergie, elle a besoin de beaucoup de puissance. La consommation d’énergie est égale à la consommation électrique, multipliée par le temps. Comme les appareils de cuisson ne sont utilisés que lors d’une courte période de la journée, leur consommation d’énergie est relativement faible. Cependant, leur forte consommation d’énergie rend difficile leur fonctionnement sur un système photovoltaïque solaire hors réseau électrique. ↩︎
Énergie solaire directe : Énergie solaire directe : hors réseau, sans batteries, Low-tech Magazine, août 2023. https://qelnixcor.cloud/fr/2024/01/direct-solar-power-off-grid-without-batteries/ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Trop de combustion, pas assez de feux, Kris De Decker, Low-tech Magazine, décembre 2019. https://qelnixcor.cloud/fr/2019/12/too-much-combustion-too-little-fire/ ↩︎
Comment sortir votre appartement du réseau électrique, Low-tech Magazine, mai 2016. https://qelnixcor.cloud/fr/2016/05/how-to-get-your-apartment-off-the-grid/ ↩︎
La première utilisation du cuiseur solaire remonte au XVIII^e siècle, lorsque l’usage croissant du verre a mis en évidence sa capacité à piéger la chaleur solaire. Pour plus d’informations, voir Hirst, Eric. « Un fil d’or : 2500 ans d’architecture et de technologie solaires : par Ken Butti et John Perlin Cheshire Books, distribué par Van Nostrand Reinhold Company, New York et Londres, 1980, 304 pp,£ 11.95. » (1981) : 167. /// Daniels, Farrington. Utilisation directe de l’énergie solaire. Yale University Press, 1964. /// Telkes, Maria. « Cuiseurs solaires ». Énergie solaire 3.1 (1959) : 1-11. ↩︎
Si nous isolons nos maisons, pourquoi pas nos casseroles ?, Kris De Decker, Low-tech Magazine, juillet 2014. https://qelnixcor.cloud/fr/2014/07/if-we-insulate-our-houses-why-not-our-cooking-pots/ ↩︎
Vous trouverez un exemple de manuel ici : https://reclaimdesign.org/diy-solar-oven ↩︎
Bien que les plaques de verre réduisent un peu les pertes de chaleur à l’intérieur du cuiseur, elles n’offrent pas le même niveau de résistance thermique qu’une épaisse couche de laine ou de liège. ↩︎
Voir : https://sharedcurriculum.peteschwartz.net/isecooker-construction/ ↩︎
Voir : https://livingenergyfarm.org/insulated-solar-electric-cooker/ ↩︎
Il peut sembler inhabituel de construire un cuiseur à partir de matériaux tels que le bois, le liège ou la laine. Cependant, la température atteinte à l’intérieur de notre cuiseur ne présente aucun risque pour ces matériaux. Le liège et la laine sont stables jusqu’à environ 200 °C et commencent à se dégrader au-delà de cette température. Ce sont des matériaux résistants au feu : ils ne s’enflamment pas et ne propagent pas le feu. Le bois ne s’enflamme pas à des températures inférieures à 250 ºC. De plus, tous ces matériaux sont séparés de l’élément chauffant et de la chambre de cuisson par du mortier et du carrelage, qui résistent à des températures beaucoup plus élevées. Lorsque nous avons eu un incendie électrique dans l’un de nos premiers prototypes, le feu ne s’est pas propagé. ↩︎
Voir : https://conev.org/ISECmanual14.pdf ↩︎

Fabriquer son propre élément chauffant électrique, de zéro

Mon, 15 Dec 2025 00:00:00 +0000

Image : Une brique chauffante amovible constituée d’un circuit en fil de nichrome, inséré entre deux tuiles identiques. Il repose sur un dispositif de cuisson électrique solaire isolé. Photo réalisée par Marie Verdeil.

Ce manuel montre comment fabriquer un élément chauffant électrique fonctionnant directement à partir d’un panneau solaire, sans utiliser de batterie ni de régulateur ou de contrôleur intermédiaire entre les deux. L’élément chauffant est employé dans le cuiseur électrique solaire isolé que nous décrivons dans un autre manuel et également dans la cafetière et le réchaud à pied solaires que nous documenterons dans de futurs manuels. Nous décrivons également comment construire une brique chauffante amovible, que nous utilisons pour remplacer les éléments chauffants commerciaux de certains prototypes de cuiseurs solaires électriques que nous avons développés auparavant.

Une résistance électrique sur mesure est réalisée à partir d’un circuit en fil de nichrome, recouvert d’une couche de mortier. La consommation de courant d’un fil de nichrome dépend de sa longueur et de son épaisseur. Vous devez donc concevoir le circuit en fonction de la tension et de la puissance nominale de votre panneau solaire afin d’optimiser le rendement thermique. Le circuit en fil de nichrome est relié aux câbles du panneau solaire à l’aide d’une courte section de câble électrique conçu pour résister à la chaleur. ¹

Pourquoi créer un chauffage électrique à résistance à partir de zéro ?

Nos premiers prototypes de fours solaires utilisaient des éléments chauffants commerciaux, mais les résultats se sont révélés décevants. Nous avons alors opté pour la construction de notre propre élément chauffant, en nous basant sur le guide fourni par la Living Energy Farm La construction d’un élément chauffant maison demande un effort supplémentaire, mais cela en vaut la peine. Cela revient aussi bien moins cher.

De nombreux éléments chauffants du commerce possèdent un thermostat intégré, ce qui complique le réglage précis de la température à l’intérieur du four. Ils nécessitent également une tension d’entrée qui ne correspond pas à celle fournie par la plupart des panneaux solaires, ce qui oblige à ajouter un composant électronique supplémentaire (un convertisseur buck). Il s’est également avéré difficile de fixer solidement les éléments de chauffage commerciaux, et nous avons eu du mal à à protéger le système électrique de l’humidité, ce qui a provoqué départ de feu électrique à un moment donné. En plaçant un élément chauffant fabriqué par nos soins dans une base en mortier, nous avons surmonté l’ensemble de ces difficultés.

Image : Le premier prototype de four solaire fonctionnait avec trois éléments chauffants du commerce, avec des performances décevantes. Photo réalisée par Kris De Decker.

Qu’est-ce qu’un chauffage à résistance électrique ?

La résistance électrique caractérise la capacité d’un matériau à s’opposer au passage du courant électrique. Elle peut être comparée à la friction dans les systèmes mécaniques. La résistance génère de la chaleur, conformément à la loi de Joule, et elle se mesure en ohms (Ω).

La résistance d’un fil est déterminée par la résistivité de son matériau, sa longueur et son diamètre. Les métaux présentent une faible résistance électrique, ce qui facilite sa circulation. On les désigne donc comme des « conducteurs ». Par exemple, la plupart des fils électriques sont en cuivre, car ce métal présente une très faible résistance au passage du courant.

En revanche, des matériaux comme le plastique, le caoutchouc ou la céramique présentent une très forte résistance électrique, ce qui empêche le courant de circuler facilement. Ces matériaux sont appelés des « isolants ». Par exemple, les fils électriques sont isolés avec une gaine en plastique, ce qui les rend sûrs au toucher.

Les éléments chauffants électriques, comme ceux des fours, grille-pains ou sèche-cheveux, sont généralement faits de fils de nichrome, un alliage de nickel et de chrome présentant une résistance relativement élevée pour un métal. Les électrons traversent le fil, mais comme ils rencontrent une résistance importante, le fil de nichrome dégage beaucoup de chaleur. Il émet une lueur orange lorsqu’il chauffe.

Image : Un fil de nichrome utilisé dans un sèche-cheveux. Photo réalisée par Dasha Ilina.

Le matériel requis

Pour chaque composant de la liste ci-dessous, nous proposons un lien vers Amazon, qui sert de catalogue mondial de pièces. Nous vous encourageons à vous procurer les composants localement ou à les récupérer sur de vieux appareils. Acheter sur Amazon ne nous rapporte aucune commission.

Fil de nichrome. Autre exemple. Le fil de nichrome est disponible sous forme de bobines ou de rouleaux. Il est également possible de le récupérer dans d’anciens fours, grille-pains, sèche-cheveux et autres appareils électriques chauffants.
Câble électrique résistant à la chaleur. Ces fils électriques utilisent un isolant en silicone au lieu du plastique.
Interrupteur thermique (en option).
Fusible thermique (en option).
Mortier de construction utilisé pour envelopper le circuit en fil de nichrome.
Tuiles épaisses, nécessaires si vous construisez une brique chauffante amovible.

Image : Le circuit en nichrome est soudé à une paire de câbles électriques conçus pour résister à la chaleur. Photo réalisée par Marie Verdeil.

Comment calculer la valeur de la résistance ?

Le principal défi lors de la fabrication d’un élément chauffant à résistance électrique est de déterminer la longueur du circuit en nichrome adaptée à la tension et à l’intensité de la source d’énergie.

Pour définir la longueur du circuit en nichrome, vous devez d’abord calculer la valeur de résistance nécessaire selon les caractéristiques de votre source d’énergie. Il est possible de calculer cette valeur grâce à la loi d’Ohm, qui établit la relation entre la tension (V), le courant (A) et la résistance (Ω) :

Résistance (Ω) = Tension (V) / Courant (A)

Pour déterminer les valeurs de tension et de courant de votre panneau solaire, référez-vous à l’étiquette apposée au dos du panneau.

Pour connaître la tension à utiliser, référez-vous à la « tension de puissance maximale (Vmax) » ou à la « tension à Pmax », qui indique la tension maximale fournie par le panneau lorsqu’il est relié à un circuit. Ne confondez pas avec la « tension en circuit ouvert (VOC) », qui correspond à la tension maximale du panneau lorsqu’aucune charge n’est connectée.

Pour un panneau solaire de 12 V (appelé ainsi car il est généralement utilisé avec une batterie de 12 V et un régulateur de charge), le Vmax est d’environ 18 V. Pour un panneau de 24 V (conçu pour fonctionner avec une batterie et un régulateur de charge de 24 V), la tension maximale est d’environ 36 V.

Pour connaître l’intensité, vérifiez le « courant de puissance maximale (IMP) » ou le « courant à Pmax ». Ne tenez pas compte du « courant de court-circuit ». Si l’étiquette manque, mesurez la tension avec un multimètre. Une fois la tension et la puissance connues, vous pouvez calculer le courant : il est égal à la puissance de sortie (100 W dans notre exemple) divisée par la tension (18 V). Ainsi, le courant maximal que peut fournir notre panneau solaire de 100 W est de 5,55 A.

Après avoir déterminé la tension et le courant de votre panneau solaire, vous pouvez calculer la résistance nécessaire pour l’élément chauffant grâce à la loi d’Ohm. Dans notre cas :

18 (V) / 5,55 (A) = 3,24 Ω

Comment calculer la longueur nécessaire du câble chauffant ?

Ensuite, coupez un morceau de fil de nichrome ayant une résistance de 3,24 Ω. Selon l’épaisseur du fil choisi, la résistance peut varier. Un fil résistif fin et long a une résistance plus élevée. La résistance du fil de nichrome se mesure en ohms par mètre (Ω/m).

Nous avons acheté un fil de nichrome relativement fin, dont la résistance nominale est de 8,71 Ω/m. En utilisant la règle de trois avec la résistance par mètre du fil, nous trouvons que le circuit en nichrome doit avoir une longueur de 37,2 cm pour obtenir une résistance de 3,24 Ω : (100 * 3,24) / 8,71 = 37,2 cm. En choisissant un fil de nichrome d’une autre épaisseur, vous devrez ajuster la longueur du fil en conséquence.

Ne vous fiez pas à l’étiquetage

Malheureusement, la résistance indiquée sur l’emballage du fil de nichrome n’est pas toujours précise. Pour mesurer la résistance avec davantage de précision, découpez un mètre de fil de nichrome et connectez-le au panneau solaire (ou à une station de test 18 V, voir plus loin), en plaçant un wattmètre ou un multimètre entre les deux. Procédez de la même manière si vous utilisez du fil de nichrome récupéré sur un ancien appareil.

Reliez une extrémité du fil à la sortie positive du panneau solaire (ou de la station de test) et l’autre extrémité à la sortie négative, afin de former un circuit électrique. La polarité n’a ici aucune importance.

Mettez brièvement l’appareil sous tension, relevez les valeurs d’ampérage et de puissance sur votre wattmètre, puis coupez immédiatement l’alimentation. Faites attention lors du branchement : le fil ne doit surtout pas se toucher lui-même, car cela créerait un court-circuit. Non seulement la mesure sera faussée, mais le courant (A) serait plus puissant, chauffant le fil très rapidement, ce qui peut être dangereux. Veillez également à ne pas toucher le fil, car il chauffe vite.

En procédant ainsi, nous avons mesuré une puissance de 31 W pour une intensité de 1,76 A à 18 V. D’après la loi d’Ohm, cela correspond à une résistance de 18 V / 1,76 A = 10,2 Ω. Notre fil a donc une résistance réelle de 10,2 Ω/m et non de 8,71 Ω/m. Cela signifie que notre fil doit mesurer 31,7 cm pour atteindre la résistance souhaitée de 3,24 Ω :

(100 x 3,24) / 10,2 = 31,7 cm.

Image : Test des deux premiers prototypes de fours solaires à l’aide d’une station de test alimentée par le réseau électrique. Photo de Marie Verdeil.

Ajouter un second ou un troisième fil

Toutefois, il est encore trop tôt pour couper le fil de nichrome à la longueur exacte. Selon la valeur de résistance du fil que vous utilisez, la longueur calculée peut ne pas être idéale pour répartir la chaleur de façon uniforme sur la surface de votre appareil de chauffage ou de cuisson.

Par exemple, la partie inférieure de la chambre de notre four solaire (juste au-dessus de l’élément chauffant à résistance électrique) mesure 26 x 33 cm. Avec un circuit de moins de 32 cm, il est impossible de répartir la chaleur uniformément dans la chambre du four. Un fil court créerait un point très chaud dans le mortier, risquant de l’endommager.

Ce problème peut être résolu en connectant plusieurs fils de nichrome en parallèle. Si vous doublez la taille du circuit, chaque fil doit être deux fois plus long (soit 63,4 cm ici) pour conserver la même résistance. Si vous triplez la taille du circuit, chaque fil doit être trois fois plus long (soit 95,1 cm chacun), et ainsi de suite.

Cela peut sembler contre-intuitif, mais plus un fil est long, plus sa résistance augmente : les électrons y circulent avec davantage de difficulté. En doublant le circuit en fil de nichrome, c’est-à-dire en créant deux fils parallèles, les électrons peuvent circuler simultanément dans deux circuits, ce qui divise la résistance en deux. Ainsi, pour conserver la même résistance de 3,24 ohms, il faut que ce circuit soit deux fois plus long. La même logique s’applique aux fils triples : chaque fil doit être trois fois plus long.

Image : Différentes configurations possibles pour le circuit en fil de nichrome, utilisant un, deux ou trois fils en parallèle. Ils ont tous une résistance équivalente. Illustration de Marie Verdeil.

Couper le fil de nichrome à la bonne longueur

Une fois que vous avez déterminé le nombre de circuits en fils de nichrome, coupez les fils à la bonne taille. Cependant, avant de couper, ajoutez environ 4 cm supplémentaires à chaque fil. Cette marge est nécessaire pour souder le fil de nichrome aux câbles électriques résistants à la chaleur (voir plus bas).

Enrouler le fil

Image : Enroulement du fil autour d’un tournevis. Illustration de Marie Verdeil.

Doubler le circuit, comme nous l’avons fait pour notre four solaire, multiplie par quatre la longueur totale du circuit. Cela remplace un problème (un fil trop court) par un autre (des fils trop longs). Mais ce problème se résout facilement en enroulant le fil en spirale, ce qui présente un avantage supplémentaire : le fil de nichrome, très fin, est beaucoup plus facilement manipulable et souple lorsqu’il est enroulé comme un ressort. Pour cela, enroulez-le autour d’un objet cylindrique, comme un stylo ou un tournevis. Puis, tirez sur le fil pour l’allonger légèrement et le détendre.

Interrupteur thermique et fusible thermique

Un élément chauffant à résistance électrique doit être équipé d’un dispositif de sécurité pour éviter une surchauffe, qui pourrait causer un risque d’incendie ou fissurer l’enveloppe en mortier. Si l’élément chauffant est relié à un panneau solaire sans batterie, comme dans notre four solaire, il dispose déjà alors d’une certaine sécurité : le soleil se couche tous les soirs, coupant l’alimentation.

Cependant, si vous souhaitez également utiliser l’appareil sur batterie ou avec une station de test branchée sur secteur, il faut ajouter un dispositif de sécurité qui coupe l’alimentation en cas d’oubli.

Une première solution est d’ajouter un interrupteur programmable. C’est un dispositif qui contrôle un interrupteur électrique et l’éteint automatiquement après un délai prédéfini. Une autre solution, celle que nous avons choisie, consiste à ajouter un interrupteur thermique et un fusible thermique. Ces composants coupent le circuit lorsque l’élément chauffant atteint une certaine température.

L’interrupteur thermique coupe le circuit lorsque sa température atteint le seuil prévu, puis le réactive automatiquement lorsque la température redescend légèrement en dessous. Le fusible thermique est une mesure de sécurité supplémentaire : c’est un fusible à usage unique qui saute lorsqu’il atteint sa température maximale. Le fusible thermique doit être réglé pour avoir une température plus élevée que celle de l’interrupteur thermique. Il faut l’intégrer à la couche de mortier et, une fois déclenché, il est impossible de le remplacer sans casser le four.

Image : L’interrupteur thermique et le fusible thermique intégrés dans une première couche de mortier dans notre troisième prototype de four solaire. Photo de Marie Verdeil.

Nous avons opté pour un interrupteur thermique réglé à une température maximale de 200°C et un fusible réglé à une température maximale de 240°C. Notez que la température mesurée à l’intérieur de la chambre du four sera inférieure à celle du circuit chauffant électrique. Par exemple, notre interrupteur thermique coupe le circuit à 200°C mais la chambre du four est elle à environ 120°C.

Vous pouvez choisir un interrupteur et un fusible thermique pouvant résister à des températures plus élevées. Toutefois, nous ne pouvons pas garantir que les matériaux structurels employés dans notre four peuvent résister à des températures supérieures.

Branchez l’interrupteur thermique et le fusible thermique en série (l’un après l’autre) entre le circuit en fil de nichrome et le fil résistant à la chaleur du côté positif (celui relié au fil positif du panneau solaire). Veillez à ce que le fusible et l’interrupteur soient encastrés dans le mortier afin qu’ils captent la température réelle. L’interrupteur et le fusible n’ont pas de polarité ; leurs bornes peuvent donc être branchées dans n’importe quel sens.

Souder les fils de nichrome aux câbles électriques

Une fois le circuit en fil de nichrome coupé et enroulé, il faut le raccorder aux câbles électriques du panneau solaire photovoltaïque. Cependant, il n’est pas possible de simplement les souder l’un à l’autre. Les fils de nichrome chauffent et feraient fondre la gaine en plastique des câbles électriques. Pour éviter cela, il faut mettre une paire de câbles électriques résistants à la chaleur entre les deux.

Il faut d’abord souder le fil de nichrome au câble résistant à la chaleur. Si vous ajouter un interrupteur et/ou un fusible (voir plus haut), il faut les placer entre le câble résistant à la chaleur et le fil de nichrome. Ensuite, il faut raccorder les câbles résistants à la chaleur à des câbles électriques standard, ou directement aux câbles du panneau solaire (avec n’importe quel type de connecteur). Il est également recommandé d’ajouter un interrupteur marche/arrêt sur le fil positif.

En résumé, les composants du circuit doivent être raccordés dans l’ordre suivant : câble positif du panneau solaire –> interrupteur marche/arrêt –> câble résistant à la chaleur –> interrupteur thermique (optionnel) –> fusible thermique (optionnel) –> circuit en fil de nichrome.

Image : Soudure du fil de nichrome au câble électrique résistant à la chaleur. Instructions étape par étape. Illustration de Marie Verdeil.

Souder le fil de nichrome au câble électrique résistant à la chaleur est un peu délicat, car le nichrome n’adhère pas à l’étain de la soudure traditionnelle. Il est toutefois possible de contourner ce problème. Commencez par étamer le brin dénudé du câble électrique résistant à la chaleur (figure 2). Enroulez ensuite quelques centimètres de fil de nichrome autour des extrémités du câble (il s’agit des centimètres supplémentaires que vous avez ajoutés avant de couper le fil de nichrome à la bonne longueur) (figure 3). Ensuite, appliquez une bonne quantité d’étain sur le fil torsadé afin de le fixer solidement au câble (figure 4).

Les câbles électriques existent en différentes épaisseurs, mesurées en mm² en Europe ou en AWG aux États-Unis. Plus l’intensité qui le traverse est élevé, plus le câble électrique doit être épais. Notre circuit fonctionne à 5,555 A, ce qui nécessite un conducteur d’une section de fil de 1,5 mm². L’équivalent américain est 16 ou 14 AWG. Le fil résistif et le câble électrique standard doivent tous deux respecter cette exigence de section. Si votre intensité est différente, reportez-vous au tableau ci-dessous pour déterminer la section de câble nécessaire. Si vous prévoyez d’utiliser un très long câble entre le panneau solaire et l’appareil de cuisson, choisissez un câble de section plus importante.

Image : Tableau de correspondance des sections AWG et mm2

Enveloppement de l’élément chauffant

Une fois que l’élément chauffant à résistance électrique est prêt, il doit être enveloppé dans du mortier, un matériau résistant à la chaleur et à forte inertie thermique. Pour ce faire, nous décrivons deux méthodes.

1. Envelopper l’élément chauffant directement dans l’appareil

La première méthode consiste à envelopper le circuit en nichrome dans la structure d’un appareil de cuisson ou de chauffage spécifique. C’est ainsi que fonctionne notre four solaire électrique : l’élément chauffant est intégré dans une couche de mortier au fond du four, entre la couche d’isolation et la chambre de cuisson (où l’on place les aliments). Vous pouvez consulter ce manuel pour connaître les étapes de construction.

Image : Résistance électrique dans un lit de mortier isolant. Photo de Marie Verdeil.

2. Envelopper l’élément chauffant dans une brique thermique amovible

La deuxième méthode permet d’obtenir une brique chauffante carrelée, pouvant être insérée dans différents appareils de cuisson. Dans ce cas, le circuit en nichrome est intégré dans du mortier de construction et pris en sandwich entre deux carreaux identiques. Les deux câbles électriques résistants à la chaleur dépassent d’un côté, prêts à être raccordés à un panneau solaire. A cette fin, il est essentiel d’utiliser des carreaux un peu plus épais et plus solides, par exemple des carreaux en terre cuite pour sol ou toiture. Les carreaux plus fins risquent de se fissurer sous l’effet de la chaleur.

Image : Une brique chauffante amovible placée au fond de notre deuxième prototype de four solaire. Photo de Marie Verdeil.

Afin d’alimenter les deux premiers prototypes de fours solaires que nous avons réalisés, nous utilisons ces briques chauffantes amovibles. Cette méthode est moins économe en énergie, mais en cas de rupture du circuit en nichrome, il n’est pas nécessaire de reconstruire tout l’appareil de cuisson.

La Living Energy Farm (une initiative écologique américaine axée sur les technologies durables), qui a inspiré la fabrication de nos propres éléments chauffants à résistance, moule le circuit en nichrome dans un boîtier métallique qu’ils fabriquent eux-mêmes à partir de tôles. Cependant, contrairement à une brique chauffante en faïence, un boîtier en tôle nécessite des compétences et des outils qui ne sont pas si courants. ²

Image : Le circuit chauffant à résistance électrique intégré dans du mortier et pris en sandwich entre deux carreaux. Photo de Marie Verdeil.

Montage de la brique chauffante

Image : Comment construire une brique chauffante à résistance électrique à partir de zéro : instructions étape par étape. Photo de Marie Verdeil.

figure 1-2. Placez l’un des carreaux, face arrière vers le haut, déposez une noisette de mortier et étalez-le sur presque toute la surface du carreau, jusqu’aux bords.
figure 3. Placez le circuit chauffant à résistance électrique sur le mortier. Assurez-vous que les fils ne se touchent pas et ne se croisent pas, car cela créerait un court-circuit. Essayez de répartir le fil de manière uniforme sur toute la surface afin de distribuer la chaleur de manière homogène, mais évitez les bords pour empêcher le fil nichrome de dépasser. D’un côté du carreau, laissez dépasser au moins 3 à 5 cm de fil électrique résistant à la chaleur, afin de pouvoir le souder ou le raccorder à un câble électrique standard.
figure 4-6. Déposez un peu de mortier sur l’autre carreau et pressez-le par-dessus l’autre, comme pour former un sandwich. Laissez-le sécher pendant au moins 48 heures.

Installation d’une station d’essai pour les chauffages à résistance électrique

Une station d’essai est pratique pour tester les éléments chauffants à résistance conçus pour fonctionner sur des panneaux solaires. Une telle station d’essai se compose d’une alimentation en courant continu et d’un convertisseur abaisseur ou élévateur. Elle permet de simuler la puissance fournie par le panneau solaire en utilisant le réseau électrique. Une station d’essai permet également de mesurer la valeur exacte de la résistance d’un mètre de fil de nichrome.

Un bloc d’alimentation en courant continu de 12 V ou 24 V convertit le courant alternatif de 110/220-240 V en courant continu, comparable à l’électricité produite par un panneau solaire. Choisissez-en un dont la capacité est au moins égale à la puissance fournie par votre panneau solaire (100 W dans notre cas). Si vous y connectez un convertisseur abaisseur (buck) ou élévateur (boost), vous pouvez ajuster la tension de sortie de 12 V ou 24 V pour l’augmenter ou la diminuer. Comme notre résistance chauffante fonctionne sur un panneau solaire sans batterie ni régulateur de charge (Vmax = 18 V), vous pouvez régler le convertisseur abaisseur ou élévateur pour obtenir une sortie de 18 V.

Image : Installation d’une station d’essai, à l’aide d’une alimentation en courant continu (à gauche) ou d’un adaptateur pour ordinateur portable (à droite). Illustration de Marie Verdeil.

Pour le câbler, connectez un câble + et un câble - de l’alimentation en courant continu au convertisseur abaisseur ou élévateur. Utilisez un convertisseur élévateur pour augmenter la tension d’une alimentation en courant continu inférieure à 18 V, ou un convertisseur abaisseur pour réduire la tension d’une alimentation en courant de 24 V.

Si vous construisez une résistance chauffante électrique que vous souhaitez alimenter avec une batterie de 12 V ou 24 V, il vous suffit d’une alimentation en courant continu (avec une tension de sortie de 12 V ou 24 V, selon le cas).

Si vous disposez d’un budget limité, vous pouvez utiliser un adaptateur pour ordinateur portable à la place d’une alimentation en courant continu. La tension de sortie en courant continu d’un adaptateur pour ordinateur portable est indiquée directement sur l’adaptateur. Elle est généralement comprise entre 70 et 90 W pour une tension de 19 à 20 V. Bien qu’il ne soit pas en mesure d’alimenter un four solaire de 100 W à pleine puissance, il convient pour tester le circuit et vous pouvez l’obtenir gratuitement. Si vous disposez d’un budget important, vous pouvez également acheter une alimentation en courant continu réglable, qui vous permet d’ajuster la tension et l’intensité de sortie à l’aide de boutons.

Autres types de sources alimentation

Si vous souhaitez construire un élément chauffant fonctionnant sur une batterie de 12 V ou 24 V avec un régulateur de charge solaire, la valeur de tension à utiliser pour vos calculs est de 12 V ou 24 V, selon le cas. L’intensité dépend de la puissance que vous souhaitez atteindre. Par exemple, si vous disposez d’une source d’alimentation de 12 V et que vous souhaitez un élément chauffant de 100 W, il vous faut 8,33 A. Si vous disposez d’une source d’alimentation de 24 V et que vous souhaitez un élément chauffant de 100 W, il vous faudra un courant de 4,17 A.

Image : Tableau des sources d’alimentation courantes avec leur puissance nominale et la valeur de résistance nécessaire pour que l’élément chauffant fonctionne à pleine puissance.

Un autre type de résistance chauffante bricolée utilise des diodes, connectées en série, comme alternative au fil résistif électrique. Pour plus d’informations, consultez cet article ↩︎
Une solution consiste à utiliser une boîte à biscuits métallique existante ou le fond d’une grande boîte de conserve, mais dans ce cas, vous êtes limité par les dimensions des boîtes disponibles. Une boîte métallique conduit l’électricité, veillez donc à ce que le fil résistif ne touche pas le métal. Vous pouvez également verser le mortier dans un récipient en plastique et le démouler une fois qu’il a durci. ↩︎

Comment construire un petit système à énergie solaire ?

Mon, 12 Feb 2024 00:00:00 +0000

Image : un panneau solaire avec un régulateur de charge et une batterie au plomb. Photo par Marie Verdeil.

Des lecteurs m’ont dit qu’ils aimeraient construire des installations photovoltaïques de petite échelle, comme celles qui alimentent le site web et le bureau de Low-tech Magazine. Cependant, ils ne savent pas par où commencer et quels composants acheter. Ce guide rassemble toutes ces informations : ce dont vous avez besoin, comment tout câbler, quels sont vos choix de conception, où placer les panneaux solaires, comment les attacher (ou non), comment diviser l’alimentation électrique et comment installer des instruments de mesure. Il traite des systèmes d’énergie solaire qui chargent les batteries et des configurations plus simples qui fournissent de l’énergie solaire directe.

Les installations solaires photovoltaïques conventionnelles sont installées sur un toit ou dans un champ. Elles convertissent le courant continu basse tension (DC) produit par les panneaux solaires en courant alternatif haute tension (AC) destiné aux appareils domestiques et dépendent du réseau électrique pendant la nuit et en cas de mauvais temps. Rien de tout cela n’est valable pour les systèmes à petite taille que nous construisons dans ce manuel. Ils sont totalement indépendants du réseau électrique, fonctionnent entièrement avec du courant basse tension et n’alimentent pas un foyer ou une ville entière, mais plutôt une pièce, un ensemble d’appareils ou un appareil spécifique. Les petits systèmes d’énergie photovoltaïque poussent la décentralisation de la production à l’extrême.

La majeure partie du processus de construction d’une installation solaire de petite échelle consiste à déterminer la taille des composants et à construire le support du panneau solaire. Le câblage est assez simple, à moins que vous ne souhaitiez un panneau de contrôle sophistiqué. Vous n’avez besoin que de quelques outils : une pince à dénuder, quelques tournevis (y compris des petits) et une scie à bois sont les seuls outils indispensables. Un fer à souder, des pinces et un multimètre sont utiles, mais vous pouvez vous en passer.

Avancer de commencer: consignes de sécurité

Le courant continu à basse tension ne présente pas de risque d’électrocution (une décharge électrique mortelle). C’est particulièrement vrai pour les systèmes à 12 V. En fonction de la conductivité électrique de votre corps (et d’autres facteurs), vous pouvez aller jusqu’à 20 ou 50V avant qu’un choc électrique ne vous tue. ¹

Néanmoins, les installations solaire présentent des risques. Les principaux dangers sont la décharge électrique (non mortelle mais douloureuse), l’incendie, l’explosion de la batterie et l’endommagement des composants. Toutefois, si vous respectez quelques règles simples, tout ira bien. En sept ans d’expériences sur l’énergie solaire, je n’ai jamais provoqué d’incendie ni reçu de choc électrique, bien que j’aie fait griller quelques composants.

Ne jamais toucher les composants électriques avec des mains mouillées.
Ne jamais toucher simultanément la partie exposée d’un fil positif et d’un fil négatif. Vous feriez partie du circuit électrique et recevriez un choc électrique. Il est tout à fait possible de ne toucher qu’un seul fil. Il en va de même pour les bornes de la batterie : vous pouvez en toucher une, mais pas deux en même temps.
Ne laissez jamais un fil positif toucher un fil négatif. Cela provoquerait un court-circuit, entraînant des blessures physiques, des dommages aux composants, un incendie ou une explosion de la batterie. Utilisez des couleurs différentes pour les fils positif et négatif et tenez-vous en à celles-ci.
Placez toujours un fusible dans votre système solaire.
Assurez-vous que vos câbles sont suffisamment épais.
Ne jamais connecter un panneau solaire directement à une batterie. Utilisez un régulateur de charge entre les deux.
Ne placez jamais une batterie au plomb dans un conteneur fermé.

Avancer de commencer: basse tension ou haute tension ?

La puissance électrique (exprimée en watts) est égale au courant (en ampères) multiplié par la tension (exprimée en volts). Par conséquent, la puissance électrique (W) peut correspondre à une tension faible (V) avec un courant élevé (A) ou à une tension élevée avec un courant faible. Les installations solaires classiques pour les ménages utilisent toujours un onduleur, qui convertit le courant continu basse tension d’un panneau solaire en courant alternatif haute tension utilisé par les gros appareils domestiques. Il est possible de faire de même pour une installation solaire à petite échelle, mais il est plus intéressant de ne pas utiliser d’onduleur et de construire un système solaire à courant continu à basse tension. ² ³ C’est le type d’installation électrique des voitures, des camions, des voiliers, des caravanes et des camping-cars.

Puissance (watts) = V (volt) x A (ampère)

L’absence d’onduleur présente de nombreux avantages. Tout d’abord, il rend l’installation solaire moins coûteuse, car les onduleurs sont chers. Deuxièmement, il rend le système photovoltaïque plus efficace sur le plan énergétique. La conversion du courant continu basse tension en courant alternatif haute tension entraîne des pertes d’énergie pouvant atteindre 50 % pour les installations solaires de petite taille. Les onduleurs de haute qualité ont un rendement supérieur à 90 % lorsqu’ils sont utilisés à pleine capacité. Toutefois, si la charge électrique est bien inférieure à la capacité maximale d’un onduleur, ce qui est le cas dans de nombreuses installations solaires de petite taille, le rendement chute rapidement. Il y a souvent une perte d’énergie supplémentaire (au moins 5 à 15 %) lors de la conversion du courant alternatif en courant continu, car de nombreux appareils modernes fonctionnent en interne à basse tension. Cette perte d’énergie se produit dans l’adaptateur CA/CC de l’appareil, qui peut se trouver à l’intérieur ou à l’extérieur.

Le courant alternatif à haute tension (220-240 V en Europe, 110 V aux États-Unis) est le résultat de plus d’un siècle de production centralisée d’électricité. ² Les centrales électriques à combustibles fossiles deviennent plus efficaces sur le plan énergétique à mesure qu’elles s’agrandissent. Il est donc logique d’installer quelques grandes centrales électriques et de distribuer ensuite l’électricité sur de grandes distances à travers une région. La perte de puissance due à la résistance étant proportionnelle au carré du courant, les hautes tensions sont la clé d’un transport d’énergie efficace sur de longues distances. L’énergie solaire photovoltaïque a rendu cette approche obsolète. Contrairement à une centrale à combustible fossile ou à une éolienne, l’efficacité d’un panneau solaire ne dépend pas de sa taille. En outre, comme les panneaux solaires peuvent se trouver au point de consommation de l’énergie, il n’est pas nécessaire de convertir l’énergie solaire en haute tension et de la transporter sur de grandes distances.

Le couplage direct d’un appareil à courant continu basse tension à l’alimentation en courant continu basse tension produite par un panneau solaire permet d’éviter ces pertes d’énergie et d’obtenir un système plus efficace sur le plan énergétique. Concrètement, cela rend possible l’utilisation d’un panneau solaire plus petit pour alimenter le même appareil. Toutefois, cela implique que vous utilisiez des appareils à basse tension. Bien sûr, vous pouvez brancher un onduleur de temps en temps pour alimenter un appareil classique s’il n’y a pas d’autre solution. Veillez à en acheter un qui ne soit pas trop puissant, car il doit fonctionner à haute capacité pour être efficace. Je n’ai pas trouvé d’onduleurs d’une puissance inférieure à 150 watts.

Avancer de commencer : avez-vous vraiment besoin d’une batterie ?

Le soleil ne brille pas toujours. C’est particulièrement vrai la nuit. Vous pouvez ajouter une batterie et un régulateur de charge à votre installation solaire photovoltaïque, ce qui vous permettra d’utiliser l’énergie solaire lorsque le soleil ne brille pas. Cependant, les batteries sont coûteuses, consomment beaucoup d’énergie et ont une courte durée de vie. Sur l’ensemble de leur cycle de vie, les batteries représentent 80 à 90 % des coûts totaux et de l’énergie investie dans un système solaire hors réseau ⁴. Elles introduisent également des pertes de charge et de décharge qui doivent être compensées par des panneaux solaires plus grands. Pour les batteries plomb-acide, l’option la plus rentable, ces pertes peuvent atteindre 20 à 30 %.

Les batteries représentent 80 à 90 % des coûts totaux et de l’énergie investie dans un système solaire hors réseau.

Ce guide ne s’oppose pas au stockage sur batterie, qui est pratique pour certaines applications. Cependant, il est souvent possible de construire une installation solaire photovoltaïque sans stockage par batterie. Ces systèmes solaires “directs” sont moins chers, plus rapides et plus faciles à réaliser. Une installation solaire directe vous permet d’utiliser une grande variété d’appareils pendant la journée, même assez puissants. Par exemple, des outils électriques et de bricolage, des systèmes audio ou encore des ventilateurs. D’autres appareils, tels que les réfrigérateurs, les cuisinières et les systèmes de chauffage, peuvent utiliser l’énergie solaire directe en combinaison avec le stockage de la chaleur ou du froid comme une alternative bon marché et durable aux batteries. ⁵

Une partie de l’argent économisé sur les batteries peut être consacrée à l’achat de panneaux solaires plus grands, ce qui permet d’augmenter l’alimentation électrique lorsque les conditions météorologiques ne sont pas optimales. Une installation solaire directe peut donc parfaitement fonctionner par temps nuageux, même si elle ne peut être utilisée entre le coucher et le lever du soleil. Ce système est également parfaitement adapté à l’alimentation d’appareils dotés de batteries internes, tels que les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables, les lampes de vélo, les outils électriques sans-fil et les batteries externes portatives. Ces appareils ne peuvent être rechargés que pendant la journé. Vous pouvez toutefois les utiliser après le coucher du soleil.

La différence entre les panneaux solaires avec ou sans stockage d’énergie n’est pas toujours évidente. Par exemple, vous pouvez connecter un panneau solaire à une batterie externe USB (avec un convertisseur de tension CC-CC entre les deux). L’installation devient alors un système de stockage basé sur la technologie lithium-ion, en tirant parti de la gestion de l’énergie déjà disponible dans la batterie externe. Si vous chargez des lampes LED portables équipées de batteries, un panneau solaire peut même maintenir les lampes allumées la nuit - une conception moderne de la torche.

Ce qu’il vous faut: les composants d’une petite installation solaire

Image : Une collection de structures pour les panneaux solaires faites maison. Photo de Marie Verdeil.

Les panneaux solaires sont le principal composant de tous les systèmes que nous construisons ici. Les panneaux solaires sont disponibles en différentes tensions, généralement 12V ou 24V, parfois 36V, 48V, voire plus pour les systèmes connectés au réseau. Pour les installations de petite taille, 12V ou 24V est ce qu’il vous faut, surtout pour commencer. Il est également possible de trouver de petits panneaux solaires d’une tension inférieure à 12 V.

Les gens demandent souvent quels panneaux solaires acheter, mais il y a peu de conseils à donner. Vous avez le choix entre des panneaux solaires monocristallins et polycristallins. Les premiers sont plus puissants et plus chers, mais la différence est minime. Presque tous les panneaux solaires sont fabriqués en Chine, quel que soit l’endroit où vous les achetez. ⁶ Un bon conseil est de comparer les prix et d’en acheter un qui ne soit pas anormalement bon marché ou cher.

Les autres composants dépendent du type d’installation que vous souhaitez construire. Une installation solaire avec stockage sur batterie nécessite également un régulateur de charge et une batterie. Un système solaire direct sans batterie ne nécessite qu’un convertisseur CC-CC. Les deux types systèmes ont également besoin de câbles électriques, de fusibles et de connecteurs. En option, vous pouvez inclure des boutons marche/arrêt et des appareils de mesure.

Image : Un ordinateur portable alimenté par un panneau solaire, un régulateur de charge, une batterie et un onduleur. 1. Fusible. 2. Onduleur. Illustration de Marie Verdeil.

Image : Un ordinateur portable alimenté par un panneau solaire, un régulateur de charge et une batterie. Pas d'onduleur. 1. Fusible. 2. Power adapter (12V). Illustration par Marie Verdeil.

Image: Un ordinateur portable alimenté par un panneau solaire et un convertisseur de tension. Pas de régulateur de charge, pas de batterie, pas d'onduleur. 1. Fusible. 2. Convertisseur de tension (tension d'entrée varaible, 12V de sortie). 3. Adaptateur électrique (12V). Illustration par Marie Verdeil.

Image: Un ventilateur alimenté par un panneau solaire. Pas de convertisseur de tension, ni de régulateur de charge, ni de batterie, ni d'onduleur. 1. Fusible. 2. Diode schottky. 3. Ventilateur. Illustration par Marie Verdeil.

Comment connecter des panneaux solaires en série et en parallèle ?

Les panneaux solaires peuvent être utilisés individuellement ou connectés en parallèle ou en série. Lorsque vous raccordez des panneaux solaires en parallèle, la tension produite reste la même, mais le courant produit double. C’est la configuration la plus courante. Si vous avez besoin (par exemple) de 50 W d’énergie solaire 12 V, vous pouvez acheter un panneau solaire de 50 W ou plusieurs panneaux plus petits (2x25 W ou 5x10 W) et les raccorder en parallèle.

L’utilisation de plusieurs petits panneaux plutôt que d’un grand panneau n’est pas la solution la plus économique, car les petits panneaux solaires coûtent plus cher au watt-crête. Cependant, c’est parfois le seul moyen de placer les panneaux là où vous le souhaitez. Par exemple, le rebord de ma fenêtre est trop étroit pour un panneau solaire de 60 W, mais je peux installer trois panneaux solaires de 20 W montés les uns à côté des autres. Il serait moins cher et plus facile d’avoir un seul panneau solaire de 60 W dont la taille correspondrait à l’appui de fenêtre, mais ce format n’est pas disponible.

Lorsque vous raccordez des panneaux solaires en parallèle, la tension reste la même, mais le courant est doublé.

Vous pouvez également connecter des panneaux solaires en série. Dans ce cas, la tension produite double, mais l’intensité du courant reste la même. En raccordant des panneaux solaires en série, vous pouvez alimenter des appareils de 24V avec des panneaux solaires de 12V. Bien entendu, vous pouvez tout aussi bien vous procurer un panneau solaire de 24V. Il est préférable de raccorder des panneaux solaires du même type, que vous les raccordiez en série ou en parallèle. Des panneaux solaires de types différents peuvent avoir des sorties de courant différentes, ce qui réduit l’efficacité.

Vous pouvez également raccorder les panneaux solaires en série et en parallèle. Par exemple, vous pouvez raccorder deux groupes de trois panneaux de 12 V en parallèle, puis raccorder les deux groupes en série. Vous obtiendrez ainsi un système de 24 V avec le courant de sortie combiné de trois panneaux solaires. Vous pouvez également connecter des batteries en série ou en parallèle pour obtenir le même effet.

Image : comment connecter des panneaux solaires en parallèle (à gauche) et en série (à droite). Illustration de Marie Verdeil.

Image : comment connecter des panneaux solaires en parallèle et en série dans un même circuit. Illustration de Marie Verdeil.

Comment connecter une installation solaire avec une batterie ?

Lorsque vous construisez un système d’énergie solaire avec stockage par batterie, vous avez besoin d’un régulateur de charge solaire et d’une batterie. La plupart des installations solaires hors réseau fonctionnent avec des batteries au plomb. Pour les systèmes solaires mobiles dotés de batteries, le lithium-ion est l’option la plus pratique. Sinon, les batteries au plomb restent l’option la plus sûre et la plus abordable. Elles nécessitent des contrôles de gestion de la batterie moins complexes que les batteries lithium-ion. Il existe de nombreux autres types de batteries moins courants, sur lesquels je ne m’étendrai pas ici.

Régulateur de charge solaire

Ne connectez jamais un panneau solaire directement à une batterie. Si vous souhaitez stocker l’énergie solaire pour une utilisation ultérieure, installez un régulateur de charge solaire entre les deux. Un régulateur de charge solaire régule la tension de sortie du panneau solaire en fonction de la tension dont la batterie a besoin au cours de ses différentes phases de charge. Il fournit également une sortie stable de 12 V à partir de la batterie et arrête le système si la tension tombe en dessous d’un niveau déterminé. La plupart des régulateurs de charge solaire proposent un menu permettant de régler ces valeurs. Certains sont dotés d’un deuxième écran plus élaboré.

Il existe des centaines de types différents de régulateurs de charge solaire. Pour les systèmes solaires à petite échelle, mon expérience est que tout est possible. Les régulateurs de charge solaire les moins chers conviennent parfaitement, mais ils doivent fonctionner à la bonne tension et avoir une capacité suffisante (voir comment dimensionner un système solaire). Les régulateurs de charge solaire plus coûteux (comme les MPPTs) ne valent pas la peine pour les systèmes à petite échelle. Si votre installation utilise des batteries lithium-ion, vous aurez besoin d’un autre régulateur de charge solaire, plus onéreux. Si vous êtes doué en électronique, vous pouvez construire votre propre régulateur de charge solaire. ⁷

Image: Différents types de régulateurs de charge solaire. Photo par Kris De Decker.

Batteries

Le type de batterie dont vous avez besoin pour une installation solaire de petite taille est une batterie au plomb étanche (sealed lead-acid battery en anglais). Si vous utilisez un panneau solaire de 12 V, vous avez besoin d’une batterie de 12 V. Si vous utilisez un panneau solaire de 24 V, vous avez besoin d’une batterie de 24 V. Manipulez bien les batteries au plomb, car vous risquez de les abîmer rapidement. Le plus important est que leur tension ne baisse pas trop et que vous les rechargiez complètement régulièrement. Ne laissez jamais une batterie au plomb sans charge pendant une période prolongée. Gardez-la connectée à un panneau solaire, y compris lorsque vous n’êtes pas chez vous.

Manipulez les batteries au plomb avec précaution, car vous risquez de les abîmer rapidement.

Lorsqu’il est couplé à un panneau solaire et à une batterie, le régulateur de charge déconnecte la batterie lorsque sa tension descend en dessous d’un niveau spécifié, généralement 12V. Vous pouvez ajuster cette valeur dans le menu. Vous pouvez descendre jusqu’à 11V, au prix d’une durée de vie plus courte de la batterie. Si vous souhaitez prolonger la durée de vie de la batterie, vous pouvez régler la valeur sur 12,2 ou 12,5 V, par exemple. Le prix à payer est une capacité de stockage d’énergie plus faible.

Ne placez pas une batterie au plomb dans un conteneur fermé. Placez un fusible au niveau du cable positif entre la batterie et le régulateur de charge solaire, le plus près possible de la batterie. Surveillez la tension à l’aide d’un voltmètre numérique. Si vous souhaitez en savoir plus sur les batteries, l’Université des batteries (Battery University) est un bon point de départ.

Cablâge

Le régulateur de charge solaire relie tous les autres composants : la batterie, le panneau solaire et la charge électrique (les appareils que vous alimenterez). Un régulateur de charge solaire doit comporter six bornes : deux vers la batterie, deux vers le panneau solaire et deux vers la charge électrique. Vous devez toujours relier les composants dans l’ordre décrit ci-dessous.

Connectez la batterie au régulateur de charge solaire (symbole de la batterie).
Connecter le panneau solaire au régulateur de charge solaire (symbole du panneau solaire)
Connecter la charge électrique au régulateur de charge solaire (symbole de la lumière)

Pour débrancher, il faut suivre la procédure inverse :

Déconnecter la charge électrique du régulateur de charge solaire (symbole lumineux)
Déconnecter le panneau solaire du régulateur de charge solaire (symbole du panneau solaire)
Déconnecter la batterie du régulateur de charge solaire (symbole de la batterie).

Ne raccorder jamais le panneau solaire au régulateur de charge s’il n’est lui-même pas déjà raccordé à la batterie. Considérez la batterie et le régulateur de charge comme une seule unité. Vous éviterez des erreurs coûteuses en travaillant sur les systèmes solaires après le coucher du soleil ou en couvrant les panneaux solaires pendant la journée.

Comment connecter une installation solaire sans batterie ?

Dans une installation solaire directe, il n’est pas nécessaire d’avoir une batterie ou un régulateur de charge. Le panneau solaire est soit directement connecté à l’appareil alimenté, soit relié à un convertisseur de tension en courant continu (DC-DC converter en anglais). Certains appareils à courant continu peuvent fonctionner avec des tensions fluctuantes, par exemple les ventilateurs, les pompes et d’autres appareils dotés d’un moteur à courant continu. Le moteur tournera simplement plus ou moins vite en fonction de la tension. Les résistances chauffantes peuvent également fonctionner à des tensions différentes. Cependant, d’autres appareils - comme tous les équipements électroniques - ont besoin d’une tension d’entrée précise et constante. Un convertisseur CC-CC (abaisseur ou élévateur) est essentiel pour fournir cette tension d’entrée stable.

Convertisseur de tension (CC-CC)

Un convertisseur de tension CC-CC est un module électronique qui convertit la tension d’entrée d’un panneau solaire (ou d’une autre source d’énergie) en une tension de sortie stable pour un appareil, par exemple 5V pour les gadgets USB et 12 à 20V pour les outils électriques. Les convertisseurs abaisseurs “step down” ou “buck” diminuent la tension de sortie par rapport à la tension d’entrée. Les convertisseurs élévateurs “boost”, eux, augmentent la tension. Un convertisseur de tension introduit lui aussi des pertes d’énergie, mais elles sont inférieures aux pertes des batteries, des onduleurs et des adaptateurs CA/CC.

Pour les installations solaires sans batterie, il faut savoir que les panneaux solaires 12 V produisent plus que 12 V. En plein soleil, la tension de sortie sera plus proche de 20V. Il en va de même pour les panneaux solaires de 24V, qui produisent en fait une tension d’environ 32V. L’indication 12V ou 24V se rapporte uniquement au type de batterie pour lequel vous êtes censé l’utiliser. Par conséquent, si vous souhaitez faire fonctionner des appareils en 12 V directement sur un panneau solaire, vous avez besoin d’un module CC-CC qui convertit la tension d’entrée de 20 V en une sortie constante de 12 V (à moins que l’appareil ne puisse fonctionner sur des tensions différentes). Si vous voulez faire fonctionner des appareils de 5V, vous avez besoin d’un module qui a une sortie constante de 5V.

Veillez à vous procurer le bon module électronique. Le convertisseur CC-CC le plus polyvalent accepte une large plage de tensions d’entrée et les convertit en n’importe quelle tension de sortie. Ce type de convertisseur CC-CC peut être directement connecté à un panneau solaire et alimenter tous les appareils, quelle que soit la tension à laquelle ils fonctionnent. Ces modules sont equippés d’une petite vis ou d’un bouton qui permet de faire varier la tension de sortie. Certains convertisseurs buck et boost disposent d’un petit écran numérique qui indique la tension de sortie. Sinon, utilisez un multimètre pour ajuster la tension de sortie.

D’autres convertisseurs CC-CC ont besoin d’une tension d’entrée précise, et ne peuvent donc être connectés qu’à une source de tension stable, par exemple une batterie de 12V. Il existe également des convertisseurs CC-CC avec une tension d’entrée variable mais une tension de sortie fixe. Ils peuvent être directement connectés à un panneau solaire, mais il faut en choisir un avec une tension de sortie adaptée l’appareil que l’on souhaite alimenter.

Image: Une collection de convertisseurs de tension variés. Photo par Kris De Decker

Image: Un panneau solaire 12V de 5 watts avec un convertisseur abaisseur de tension de 12V à 5V. Le connecteur à gauche permet de déconnecter rapidement le convertisseur DC-DC et de relier le panneau solaire à un régulateur de charge. Photo par Kris De Decker

Cablâge

Raccorder une installation solaire directe sans batterie est relativement aisé S’il n’y a pas de convertisseur de tension, visser simplement le + et le - du panneau solaire au + et au - de l’appareil. Placez un fusible entre les deux. En option, ajoutez un bouton marche/arrêt. Assurez-vous auparavant que l’appareil que vous alimentez peut supporter la tension que le panneau solaire lui fournit.

Si votre système PV solaire direct est équipé d’un convertisseur CC-CC, connectez le + et le - du panneau solaire au + et au - de l’entrée du convertisseur CC-CC. Ensuite, reliez le plus et le moins de la sortie du convertisseur CC-CC au plus et au moins de l’appareil. Placez un fusible entre les deux. Certains modules nécessitent que vous soudiez les fils à ces derniers, tandis que d’autres sont munis de vis ou de fiches. Si votre convertisseur CC-CC a une tension de sortie variable, vous pouvez utiliser le panneau solaire pour différents types d’appareils en tournant la petite vis. Vous pouvez également construire un panneau de contrôle pour alimenter plusieurs appareils avec des tensions différentes.

Comment dimensionner les panneaux solaires, les batteries et les autres composants ?

Vous devez dimensionner correctement tous les composants d’une installation solaire pour qu’ils fonctionnent ensemble. C’est beaucoup plus facile pour un système photovoltaïque direct que pour un système photovoltaïque avec batterie.

Dimmensionner une installation solaire sans batterie

Dans un installation solaire directe, le dimensionnement du panneau solaire n’est pas difficile. Vous devez adapter la production d’énergie du panneau solaire au(x) appareil(s) que vous souhaitez charger ou alimenter. Toutefois, les panneaux solaires atteignent rarement leur puissance maximale, il convient donc de les surdimensionner légèrement. Par exemple, choisissez un panneau solaire dont la production d’énergie est deux fois supérieure à la consommation d’énergie de ou des appareils que vous souhaitez brancher. Si vous souhaitez également que le système fonctionne par temps nuageux, vous devez encore augmenter la taille du panneau. Une couverture nuageuse légère a peu d’effet sur la production d’énergie, tandis qu’une couverture nuageuse épaisse peut presque l’arrêter.

Si vous utilisez un ordinateur portable directement sur un panneau solaire, sachez qu’il aura besoin de beaucoup plus d’énergie lorsqu’il est en charge que lorsque sa batterie est complètement chargée (ou lorsqu’il est utilisé sans sa batterie). Un panneau solaire peut être suffisamment grand pour alimenter un ordinateur portable, mais pas pour charger sa batterie.

Dimmensionner une installation solaire avec batterie

Choisir la taille d’un panneau solaire pour une installation photovoltaïque avec batterie est beaucoup plus compliqué - et comporte également le défi supplémentaire du choix de la taille de la batterie. Une installation solaire dotée d’une batterie nécessitera un panneau plus grand pour stocker de l’énergie supplémentaire pour la nuit et les périodes de mauvais temps. Vous devez également tenir compte des conditions climatiques locales. Dans les climats moins ensoleillés où les différences saisonnières sont plus marquées, il faut des panneaux beaucoup plus grands pour charger les batteries en hiver. En outre, les pertes de charge et de décharge peuvent atteindre 20 à 30 % pour les batteries plomb-acide et environ 10 % pour les batteries lithium-ion.

Stockage d’énergie pour la nuit

Lors du calibrage d’un panneau solaire pour une installation solaire directe, il suffit de tenir compte de la puissance électrique. ⁸ En revanche, lorsque vous dimensionnez une installation solaire avec une batterie, vous devez également calculer la quantité d’énergie dont vous avez besoin. La consommation d’énergie correspond à la puissance multipliée par le temps. Par exemple, si vous voulez faire fonctionner un système d’éclairage de 20 W pendant 6 heures après le coucher du soleil, vous avez besoin de 6 heures x 20 watts de puissance = 120 wattheures d’énergie.

Énergie (wattheures) = puissance (watts) x durée (heures)

Déterminer la taille adéquate d’une batterie et d’un panneau solaire peut sembler délicat au début, car pour calculer la taille de l’un, il faut connaître la taille de l’autre. Le plus judicieux est de commencer par déterminer la taille de la batterie dont vous avez besoin. Si nous nous en tenons à l’exemple ci-dessus, maintenir les lumières allumées pendant six heures nécessite un stockage d’énergie de 120 wattheures.

Cependant, vous ne pouvez pas décharger complètement les batteries. Les batteries au plomb ne doivent pas descendre en dessous de 50 % de leur capacité maximale. les batteries lithium-ion, quant à elles, ne doivent pas descendre en dessous de 15 %. Si vous avez besoin d’une capacité de stockage de 120 wattheures, vous avez donc besoin d’une batterie au plomb de 240 wattheures (ou d’une batterie lithium-ion de 138 Wh). Ensuite, il faut prendre en compte les pertes dues à charge et à la décharge, qui ajoutent au moins 20 % (soit 48 wattheures) au total. Cela donne une capacité de stockage de 288 wattheures pour une batterie au plomb (10 % pour les batteries lithium-ion, soit 152 Wh). Pour trouver la bonne taille de batterie, vous devez convertir cette valeur en ampères-heures, car c’est ainsi que la capacité de stockage des batteries est spécifiée. Pour une batterie au plomb de 12 V, 288 wattheures correspondent à une capacité de stockage de 24 ampères-heures (Ah) (288/12=24).

Maintenant que vous connaissez la taille de la batterie, vous pouvez déterminer la taille du panneau solaire. Au minimum, il doit être assez grand pour charger complètement la batterie par temps dégagé le jour le plus court de l’année. Il s’agit d’un minimum, car les batteries au plomb ont régulièrement besoin d’une recharge complète pour rester en bon état. Si vous vivez dans une région où le temps est souvent nuageux, il est préférable de dimensionner le panneau solaire de manière à ce qu’il charge complètement la batterie lorsque la couverture nuageuse est modérée. Si l’énergie solaire est également utilisée pendant la journée, cela augmente la surface totale du panneau solaire.

Si la batterie est de type plomb-acide (batterie au plomb, ou lead-acid en anglais), le calcul doit commencer par une valeur correspondant à la moitié de la capacité de la batterie. Vous ne déchargez pas la batterie au plomb en dessous de 50 %, le panneau solaire ne doit donc charger que 50 % (ou moins) de la capacité de stockage. Par exemple, pour charger complètement une batterie de 288 watts-heure, le panneau solaire doit fournir 144 watts-heure.

Prenez ensuite un panneau solaire de dimension aléatoire et voyez ce qu’il produit. Dans l’exemple ci-dessus, un panneau solaire de 50 watts produisant la moitié de sa puissance (25 W) produira 144 watts-heures en moins de 6 heures, ce qui devrait permettre de recharger complètement une batterie là où j’habite. En revanche, un panneau solaire de 20 watts produisant la moitié de sa capacité nécessiterait 14,4 heures d’ensoleillement, ce qui n’arrivera pas.

Stockage d’énergie en cas de mauvais temps

La capacité de la batterie ci-dessus ne vous permettra de passer la nuit qu’après une recharge complète de la batterie. En revanche, elle ne permettra pas de faire marcher les lumières le soir si les conditions météorologiques de la journée sont défavorables. Pour résoudre ce problème, vous pouvez augmenter la capacité de stockage de la batterie ou la surface du panneau solaire.

La solution la plus efficace sur le plan énergétique et économique consiste à installer plus de panneaux solaires ou de taille supérieure et à ne pas modifier la capacité de stockage de la batterie, car les panneaux solaires sont beaucoup moins chers et moins énergivores que les batteries. Au fur et à mesure que la surface de vos panneaux solaires augmente, ils pourront recharger complètement la batterie, même par temps nuageux. Toutefois, vous devez disposer d’un espace suffisant pour accueillir la surface photovoltaïque additionnelle, ce qui n’est pas toujours possible.

Si vous recherchez la fiabilité grâce à un système de batteries plus important, multipliez la capacité de stockage requise par le nombre de jours de mauvais temps pendant lesquels vous avez besoin d’électricité. Par exemple, si vous avez besoin d’une batterie de 24 Ah (ampère-heure) pour faire fonctionner les lumières pendant une soirée, vous avez besoin d’une batterie de 3 x 24 Ah = 72 Ah pour compenser trois jours sans production d’électricité. Il s’agit là d’un scénario catastrophe, et au lieu d’ajouter de la capacité de stockage, vous pouvez également réduire la demande en énergie en réduisant l’éclairage ou en l’utilisant pendant une période plus courte. La taille de la batterie est toujours un compromis entre la fiabilité d’une part et les coûts (financiers et énergétiques) d’autre part, de sorte qu’adapter la demande est inévitable.⁹

Si vous choisissez une plus grosse batterie adaptée à à vos besoins, vous devez également augmenter la surface du panneau solaire. Toutes ces batteries doivent être rechargées. Calculez de la même manière que ci-dessus.

Outils en ligne

J’ai dimensionné toutes mes petites installations solaires à l’aide de petits calculs, comme expliqué ci-dessus, et par tâtonnement. Cependant, vous pouvez également utiliser des calculateurs en ligne, par exemple celui-ci. Après avoir sélectionné le type de système (choisissez “hors réseau”) et votre latitude, entrez les valeurs de la puissance PV crête installée (en Wp), la capacité de la batterie (en Wh), la limite de décharge (en %), la consommation d’énergie (en Wh), l’angle d’inclinaison de la pente (en degrés) et l’azimut (en degrés, la position du panneau PV par rapport à la direction plein sud). Vous obtiendrez une estimation quotidienne de la production d’énergie pour tous les mois de l’année. Vous pouvez ensuite jouer avec les différentes variables pour obtenir la production d’énergie et le stockage minimum dont vous avez besoin.

Dimensionner les autres composants: régulateurs de charge, convertisseurs de tension, cables, connecteurs et fusibles

Une fois que vous avez déterminé la taille du panneau solaire et, le cas échéant, de la batterie, vous pouvez dimensionner tous les autres composants : régulateur de charge, convertisseur de tension, câbles, fusibles, connecteurs et interrupteurs. Ici, le terme “taille” ne se réfère pas tant à la taille physique qu’à la puissance électrique qui peut circuler à travers un composant. Chaque composant nécessite une tension (V) et une intensité (A) adaptées. Choisissez la bonne “taille” de convertisseur CC-CC dans une installation solaire directe. Choisissez la bonne “taille” de régulateur de charge solaire dans un système solaire à stockage par batterie. Dans les deux cas, choisissez la bonne “taille” de câbles, de fusibles, de connecteurs et d’interrupteurs.

Régulateurs de charge et convertisseurs DC-DC

Les régulateurs de charge (dans le cas d’une installation solaire avec batterie) et les convertisseurs DC-DC (dans le cas d’une installation solaire directe) doivent être compatibles avec la tension produite par le panneau solaire. Si vous utilisez un panneau solaire de 12V et une batterie de 12V, vous avez également besoin d’un régulateur de charge de 12V. En revanche, si vous utilisez un panneau solaire de 12V sans batterie, vous avez besoin d’un convertisseur DC-DC dont l’entrée correspond à la tension réelle de sortie du panneau solaire (19-20V en plein soleil).

Si votre panneau solaire produit un courant de 3A, vous avez besoin d’un convertisseur CC-CC ou d’un régulateur de charge solaire qui puisse supporter un courant d’au moins 3A.

Cependant, il est tout aussi important que les deux composants puissent supporter la quantité de courant (A) qui les traverse. Pour ce faire, vous devez connaître la quantité de courant produite par votre/vos panneau(x) solaire(s), qui est indiqué à l’arrière. Vous pouvez également la mesurer à l’aide d’un multimètre. Par exemple, si votre panneau solaire produit un courant de 3A, vous avez besoin d’un convertisseur CC-CC ou d’un régulateur de charge solaire qui résiste à un courant d’au moins 3A. Si deux de ces panneaux sont connectés en parallèle, vous avez besoin de composants capables de supporter un courant de 6A. Les convertisseurs CC-CC les moins chers ne supportent qu’un courant de 2 à 5 A, tandis que les régulateurs de charge solaire les moins chers supportent un courant de 5 A au maximum. Le prix des régulateurs de charge et des convertisseurs CC-CC augmente avec leur capacité de courant.

Cables

Les câbles électriques sont disponibles dans de nombreux diamètres. Veillez à ce que vos fils soient suffisamment épais pour le courant qui les traverse. Dans le cas contraire, vous risquez un incendie électrique. Les systèmes électriques à basse tension nécessitent des câbles de plus grand diamètre que les systèmes à haute tension, car ils sont traversés par un courant plus important. Il peut être difficile de faire le bon choix en raison de plusieurs normes, dont aucune n’est facile à comprendre. Une solution consiste à raccorder tous les composants à un câble de diamètre relativement important, tel que 20AWG (maximum 11A) ou 18AWG (maximum 16A). Le choix d’un câble plus épais vous permet d’étendre votre installation solaire ultérieurement sans avoir à remplacer les câbles. Le seul inconvénient des fils plus épais est qu’ils sont plus chers. Une solution bon marché consiste à réutiliser des câbles électriques provenant d’appareils hors d’usage, que vous pouvez dénuder pour exposer les fils positif et négatif.

Fusibles

Le fusible est un composant de protection essentiel qui rompt le flux d’électricité dans le circuit. Vous pouvez construire une installation solaire sans fusible, mais vous risquez alors de provoquer un incendie électrique ou d’endommager des composants en cas de court-circuit. Un fusible doit avoir une capacité de courant maximale qui dépasse légèrement le flux de courant de crête dans votre système. En cas de court-circuit, le courant augmente et le fusible saute. Une fois le problème résolu, vous pouvez remplacer le fusible.

Un fusible doit avoir une capacité de courant maximale qui dépasse légèrement le flux de courant de pointe dans votre système.

Si le courant maximal de votre système est de 5A, choisissez un fusible de 6A ou 7A. Le courant maximal de votre système est déterminé par le panneau solaire et la batterie. Dans une installation solaire avec batterie, il faut savoir que le courant qui circule entre votre batterie et la charge électrique peut être plus élevé que le courant qui circule entre le panneau solaire et la batterie. C’est le cas si vous connectez un appareil de grande puissance à la batterie (en passant par le régulateur de charge ou en le contournant). Il se peut donc que vous ayez besoin de fils plus épais et de fusibles plus puissants entre la batterie et l’appareil. Enfin, si vous souhaitez utiliser des instruments de mesure dans votre circuit, dimensionnez-les en fonction de la tension et du courant qui circulent dans votre système.

Les fusibles doivent être placés à proximité de la source d’énergie (panneau solaire ou batterie), mais des fusibles supplémentaires peuvent protéger les appareils contre les problèmes liés aux convertisseurs CC-CC. Il existe deux types de fusibles : les anciens, qui consistent en un petit tube de verre placé dans un boîtier, et les plus récents, qui ressemblent davantage à des cartes et sont plus faciles à remplacer. Un disjoncteur peut remplacer un fusible.

Image: Deux types de fusibles et de boitier. Photo par Kris De Decker

Connecteurs

Vous avez besoin de connecteurs si vous reliez deux fils, comme lorsque vous placez un fusible dans un circuit. Il existe de nombreux types de connecteurs. Certains d’entre eux sont équippés de vis. D’autres fonctionnent sans tournevis. J’ai utilisé des borniers et des connecteurs à levier pour la plupart des systèmes. Vous pouvez également souder les fils les uns aux autres. ¹⁰ Un outil pratique est une pince à dénuder qui permet d’enlever la couche protectrice à l’extrémité de chaque fil, exposant ainsi le cuivre. Les connecteurs ont souvent une capacité de puissance maximale de 10 A ou 20 A, et conviennent donc à la plupart des petites installations solaires.

Image: Différent types de connecteurs. Photo par Kris De Decker

Interrupteurs

Les interrupteurs permettent de controller les circuits électriques. Ils sont utiles lorsqu’on partage le courant, pour transmettre du courant électrique à certains appareils, mais pas à d’autres. Le type d’interrupteur le plus simple possède une entrée et une sortie (interrupteur “unipolaire, unidirectionnel” ou “ON/OFF”). Il est placé sur le fil positif, comme un fusible. Les interrupteurs qui s’allument lorsqu’ils sont actifs sont un peu plus complexes à raccorder. ¹¹

Image: Différent types d'interrupteurs. Photo par Kris De Decker

Comment construire des supports ?

Il est judicieux de fixer un panneau solaire sur un support. Cela le rend plus pratique et offre une protection à un équipement qui devrait durer 30 ans ou plus. Les supports pour panneaux solaires disponibles sur le marché coûtent souvent plus cher que les panneaux solaires. Voilà une raison de fabriquer soi-même la structure, mais une autre raison est qu’elle permet de l’adapter à un emplacement spécifique. Il existe de nombreuses façons de construire des supports, que ce soit pour un usage fixe ou nomade. Je me contente de présenter les structures (fixes) que j’ai fabriquées moi-même, en utilisant principalement du bois de récupération et des joints métalliques. Vous pouvez également fixer des panneaux solaires sur des structures existantes, telles qu’un chevalet, un vieux cadre de lit ou tout ce que vous pouvez trouver.

Comment attacher le panneau au cadre ?

J’utilise deux méthodes pour fixer les panneaux solaires aux structures. La première méthode consiste à chercher des pièces de bois qui ont plus ou moins la même épaisseur que le panneau solaire, à les glisser à l’intérieur du cadre et à les visser dans les quatre trous prédéfinis du cadre en aluminium du panneau solaire (les panneaux plus petits n’ont que deux trous). Dans l’idéal, vous insérez une pièce de bois pour deux trous, mais quatre pièces de bois peuvent également faire l’affaire.

Reliez ensuite ces pièces de bois à deux autres pièces de bois placées en croix au-dessus d’elles. Le panneau solaire est maintenant solidement fixé à une structure en bois. Mettez suffisamment de bois sous le panneau solaire à l’endroit où vous fixerez les charnières (voir plus loin), qui attachent le panneau solaire à la partie inférieure de la structure et vous permettent de le placer à différents angles d’inclinaison. La structure de support inférieure doit rester stable même si le panneau est en position verticale.

Image : deux structures de panneaux solaires à angle fixe sur le balcon. Photo par Kris De Decker.

Soyez vigilant car les panneaux solaires sont fragiles. Lorsque vous vissez du bois dans le panneau solaire, veillez à ce que la vis ne soit pas trop longue et qu’elle ne pénètre pas dans le panneau solaire. Même une petite perforation dans un panneau solaire peut suffire à le faire cesser définitivement de fonctionner. Soyez également très vigilant lorsque vous manipulez un panneau solaire dont la face avant est posée à plat sur une surface, ce qui se produit, par exemple, lorsque vous le vissez contre un support en bois. Veillez à ce qu’aucune vis ou autre élément ne se cache sous le panneau solaire lorsque vous exercez une pression sur celui-ci.

La deuxième méthode consiste à construire un cadre autour du panneau solaire comme s’il s’agissait d’un tableau. L’arrière du cadre est une fine planche de bois, légèrement plus grande que le panneau sur les quatre côtés. Vous faites un trou au milieu de la planche pour y faire passer les câbles des panneaux solaires. Ensuite, vous vissez des lattes de bois sur le côté de la planche de manière à ce que le panneau solaire s’y insère. Enfin, vous ajoutez quelques pièces de métal ou de bois sur le dessus du cadre pour vous assurer que le panneau solaire reste fixé à l’intérieur du cadre. Vous pouvez ensuite ajouter une charnière et relier la structure supérieure à une structure de support inférieure.

Image : Un panneau solaire maintenu par un cadre sur une vieille lampe IKEA. Photo par Marie Verdeil

Image : Un panneau solaire fixé à un chevalet. Photo de Marie Verdeil.

Comment régler l’inclinaison et l’orientation du panneau solaire ?

Comme l’élévation et l’orientation du soleil varient au cours de la journée et de l’année, un panneau solaire dont la position est fixe n’utilise pas l’énergie solaire de manière optimale. Il ne produira sa capacité maximale que s’il est perpendiculaire aux rayons du soleil.

La plupart des systèmes conventionnels sont équipés de panneaux solaires dont l’angle et l’orientation sont fixes. Les installations solaires de petite taille peuvent également fonctionner avec des angles fixes. Toutefois, contrairement aux systèmes installés sur les toits, les panneaux solaires sont généralement à portée de main, ce qui permet d’ajouter un mécanisme manuel qui permet de faire variexfet peut-être aussi la rotation du panneau solaire. l’inclinaison peut être ajustée à chaque changement de saison, tandis que le panneau solaire peut être orienté plusieurs fois par jour. Tout cela peut se faire automatiquement à l’aide de dispositifs électroniques, mais aussi manuellement. Vous pouvez également ajuster l’orientation d’un panneau solaire en tournant l’ensemble de la structure de support vers le soleil si elle est suffisamment mobile. C’est pratique lorsque l’énergie solaire direct alimente un appareil qui requiert votre attention, comme un outil électrique.

L’ajout de ces deux mécanismes complique la conception. Toutefois, une structure de support qui permet au panneau de varier son inclinaison en fonction des saisons est généralement suffisante. L’inclinaison des panneaux en position presque verticale est la clé pour récolter suffisamment d’énergie solaire pendant l’hiver, lorsque les pénuries d’énergie sont les plus fréquentes.

Image : L'inclinaison de ce panneau est réglable et il peut tourner autour de son axe. Photo par Marie Verdeil.

L’angle optimal d’un panneau solaire dépend de la saison et de l’emplacement. Vous pouvez la calculer rapidement avec des outils en ligne. Par exemple, pour Barcelone en Espagne (41 degrés de latitude), l’inclinaison optimale des panneaux solaires varie de 26 degrés (par rapport à la verticale) en décembre à 72 degrés en juin. Un angle fixe d’environ 40 degrés par rapport à la verticale est un compromis dans lequel les panneaux sont mieux positionnés pour l’hiver que pour l’été.

Pour les panneaux solaires à inclinaison fixe, j’utilise de grandes charnières et des poutres de soutien composées de pièces de bois avec des joints métalliques. Je décide de l’angle et je calcule ensuite la longueur des poutres en bois à l’aide des règles de géométrie. Pour les panneaux solaires à inclinaison variable, j’utilise différentes méthodes. Pour les grands panneaux solaires qui restent à l’extérieur par tous les temps, je remplace les poutres de soutien en bois par d’autres plus longues ou plus courtes, en fonction de la saison. Bien sûr, on peut aussi concevoir un système plus sophistiqué qui permet d’ajuster l’inclinaison du panneau solaire sans changer les poutres.

Pour les panneaux solaires plus petits, j’utilise des charnières pour fixer des poutres de différentes tailles, ou j’utilise une vis papillon pour desserrer et modifier l’inclinaison. Toutefois, ces méthodes ne conviennent pas pour l’extérieur par temps venteux.

Où placer les panneaux solaires ?

Les petites installations solaires peuvent être mobiles ou statiques. Vous pouvez les placer sur des rebords de fenêtre, des balcons, des terrasses et des patios. Vous pouvez les mettre dans un sac à dos et les emporter avec vous. Elles peuvent également être placées à l’intérieur, près d’une fenêtre. J’ai un de ces panneaux sur un bureau devant une fenêtre. Il est relié à une batterie, à un contrôleur de charge et à une lampe intégrée. Il fonctionne bien en hiver, lorsque le soleil est bas dans le ciel et que la lumière pénètre profondément dans la pièce. La récolte de l’énergie solaire à l’intérieur d’un bâtiment n’est peut-être pas la plus efficace, mais la structure du panneau solaire n’a pas besoin de résister au vent et à la pluie.

Gardez à l’esprit que dans certaines villes, les autorités peuvent avoir interdit l’utilisation de panneaux solaires sur la façade d’un bâtiment. À Barcelone, par exemple, les panneaux solaires ne sont autorisés que s’ils ne sont pas visibles de la rue.

Comment sécuriser la fixation des structures de panneaux solaires ?

Vos panneaux solaires ne doivent pas tomber du rebord de la fenêtre ou du balcon. La structure de soutien doit être suffisamment solide. Elle doit rester en place même en cas de tempête. J’ai coincé mes structures de soutien entre le cadre de la fenêtre et une rambarde en métal. Sans ce support, je n’aurais probablement pas osé installer les panneaux sur les rebords étroits de la fenêtre. J’ai également alourdi les bases de la structure avec des pierres et des batteries au plomb hors d’usage. J’ai aussi attaché les supports à la rambarde métallique. Mieux vaut prévenir que guérir.

Les panneaux solaires installés sur les balcons présentent généralement moins de risques de tomber du bâtiment. Néanmoins, il faut les rendre lourds ou solides, car les panneaux solaires sont de bons attrape-vent. J’ai fabriqué deux grandes structures, l’une pour un panneau solaire de 30 W (qui alimente ce site web solaire) et l’autre pour deux panneaux de 50 W, qui alimentent le salon. La plus petite structure accueille un grand bac à plantes, tandis que la plus grande sert de coffre de rangement. Tous mes panneaux solaires ont survécu à plusieurs tempêtes sans aucun dommage.

Image : Deux petits systèmes solaires (100 watts et 30 watts) sur le balcon. Photo par Kris De Decker.

Image : Une structure de soutien pour un panneau solaire de 30W avec un conteneur de plantes à l'intérieur. Photo par Kris De Decker.

Image : trois panneaux solaires de 10W sur un rebord de fenêtre. Photo par Kris De Decker.

Comment diviser l’énergie et faire fonctionner plusieurs appareils en même temps ?

Une fois que vous avez construit une installation solaire, vous pouvez y brancher une charge électrique. Si l’installation solaire n’a qu’un seul but, connectez l’appareil électrique au régulateur de charge solaire, au convertisseur DC-DC ou au panneau solaire. Vous pouvez également ajouter un interrupteur pour allumer et éteindre le système.

Cependant, dans d’autres cas, vous pouvez souhaiter une plus grande flexibilité. Par exemple, vous voudrez peut-être diviser la puissance pour faire fonctionner plusieurs appareils simultanément ou alternativement sur la même installation solaire. Cette opération est simple si tous les appareils fonctionnent sur la même tension. Vous n’avez besoin que d’un connecteur avec deux entrées (plus et moins) d’un côté et plusieurs sorties de l’autre. Vous pouvez également ajouter des interrupteurs pour chaque circuit au lieu (ou en plus) d’un interrupteur pour l’ensemble du système. Si vous souhaitez utiliser des appareils fonctionnant sur des tensions différentes, vous devez diviser l’alimentation et placer le convertisseur CC-CC approprié dans chaque circuit.

La division du courant fonctionne aussi bien pour les installations solaires directes que pour les systèmes dotés d’une batterie. Cependant, il faut les construire légèrement différemment. Lorsque vous utilisez une batterie et un régulateur de charge solaire, la tension de sortie est stable (12 ou 24 V). Si tous vos appareils fonctionnent sur 12V ou 24V, la division de la puissance peut se faire sans convertisseur DC-DC. Si vous souhaitez également inclure un circuit qui nécessite une tension différente (par exemple, 5V pour charger des périphériques USB), vous pouvez utiliser un convertisseur CC-CC avec une tension d’entrée stable (12V/ ou 24V) et une tension de sortie de 5V.

En revanche, lorsque vous utilisez directement un panneau solaire, la tension de sortie dépend des conditions d’ensoleillement. De plus, elle est souvent plus élevée que ce dont vos appareils ont besoin. Lorsque tous vos appareils fonctionnent à la même tension, par exemple 12V, vous installez un convertisseur CC-CC qui accepte une tension d’entrée variable et produit la tension de sortie souhaitée. Ensuite, vous répartissez le courant. Si vos appareils fonctionnent sur des tensions différentes, répartissez d’abord le courant, puis installez un convertisseur CC-CC dans chaque circuit. Divisez à nouveau l’alimentation si vous souhaitez une deuxième sortie avec la même tension de sortie.

Image : diviser la puissance d'une installation solaire avec batterie. 1. Fusible. 2. Convertisseur Buck (12V à 5V USB). 3. Convertisseur Boost (12V à 24V). 4. Onduleur (12V vers 110/220V). Illustration par Marie Verdeil.

Image : diviser la puissance d'une installation solaire sans s batterie. 1. Convertisseur abaisseur de tension "buck"(20V à 5V). 2. Convertisseur élevateur "boost" (20V à 24V). 3. Convertisseur "buck" (20V à 12V). 4. Onduleur (12V vers 110/220V). Illustration par Marie Verdeil.

Si votre installation solaire est équipée d’une batterie et d’un régulateur de charge, et que tous vos appareils fonctionnent sur la même tension, vous pouvez également utiliser des connecteurs 12V/24V classiques. Vous les branchez ou les débranchez en fonction de l’appareil que vous souhaitez utiliser. Si vous disposez de plusieurs prises, vous pouvez utiliser plusieurs appareils simultanément.

Comment inclure des instruments de mesure?

Une installation solaire fonctionne parfaitement sans instruments de mesure, mais ceux-ci sont utiles pour comprendre et entretenir votre système. Ils permettent également d’optimiser l’efficacité énergétique.

Mesurer la tension de la batterie

Si votre installation solaire comprend une batterie, ajoutez y un voltmètre pour mesurer la tension. Bien que la plupart des régulateurs de charge affichent la tension de la batterie, il faut souvent appuyer sur un bouton pour l’afficher. En revanche, lorsque vous ajoutez un voltmètre directement à la batterie, vous connaissez toujours l’état de votre batterie en un clin d’œil. Les compteurs de tension numériques peuvent être très lumineux, donc si vous voulez pouvoir éteindre le votre la nuit, ajoutez un interrupteur.

Lire la tension sur un voltmètre pour batterie demande un peu d’entraînement.

Lire la tension sur un voltmètre pour batterie demande un peu d’entraînement. En principe, la tension de la batterie ne doit pas descendre en dessous de 12 V (24 V dans le cas d’une batterie de 24 V). Cependant, la tension de la batterie ne reflète correctement le niveau de charge que lorsqu’il n’y a pas d’alimentation (le panneau solaire ne fonctionne pas) ni de consommation électrique (aucun appareil n’est branché). Si le voltmètre de votre batterie indique 12 V dans cette situation, vous devez arrêter de la décharger pour éviter qu’elle ne vieillisse prématurément. S’il indique 12,9 ou 13 V, la batterie est complètement chargée. Au fur et à mesure que la batterie vieillit, cette valeur diminue progressivement (12,6 V est une valeur typique pour une batterie ancienne complètement chargée).

Si vous alimentez une charge électrique, la tension diminue et ne correspond plus à la capacité de stockage de la batterie. Si le panneau solaire est actif, la tension de la batterie augmente et ne correspond plus à la capacité de stockage.

En plein soleil, la tension de la batterie dépasse rapidement les 13V. Si vous connectez un appareil gourmand en énergie au régulateur de charge solaire pendant la nuit, la tension de la batterie peut descendre en dessous de 12V. Cependant, dans les deux cas, la capacité de stockage de la batterie peut être la même, par exemple 12,4V. Par conséquent, pour connaître la capacité de stockage de la batterie, vous devez vérifier la tension la nuit, lorsque rien n’est branché. Il faut un certain temps avant que la tension ne se stabilise, alors patientez un peu avant d’obtenir un relevé exact.

Cela peut sembler fastidieux, mais une fois que vous connaissez mieux votre système, vous pouvez estimer la capacité de stockage même lorsque la batterie est en train de se recharger ou de se décharger. Par exemple, lorsque j’allume l’éclairage dans mon bureau, la tension de la batterie passe de 12,9 V à 12,1 V environ. Après quelques heures d’utilisation, elle se situe à 11,7 V ou 11,8 V. Cependant, lorsque j’éteins les lumières en fin de soirée, la tension remonte à 12,5 V ou 12,6 V. Lorsque la batterie se recharge pendant la journée, la tension affichée indique l’état de la charge. Par exemple, lorsque sa tension monte et descend de manière répétée (entre 13 et 15 V environ), la batterie est complètement chargée.

Watt, volt, and ampère mètre

Les wattmètres, les voltmètres et les ampèremètres sont des instruments très pratiques. Vous pouvez les placer entre le panneau solaire et le régulateur de charge solaire, mais aussi entre le régulateur de charge solaire et l’appareil branché. Dans le premier cas, ils mesurent la puissance produite par le panneau solaire. Dans le second cas, ils mesurent la puissance utilisée par l’appareil électrique. La plupart des régulateurs de charge solaire incluent ces mesures dans leur menu, mais la navigation est souvent fastidieuse.

Dans un installation solaire directe sans convertisseur CC-CC, la puissance électrique utilisée par la charge sera toujours égale à la puissance produite par le panneau solaire. Par conséquent, un seul instrument de mesure suffit. En revanche, si vous utilisez un convertisseur CC-CC, vous pouvez placer un appareil de mesure avant et après le convertisseur. La différence entre les deux mesures revelera les pertes d’énergie du convertisseur.

Les instruments de mesure peuvent être numériques ou analogiques. Je préfère que mes appareils de mesure de la tension de la batterie soient numériques, car ils sont visibles de loin. Les compteurs V&A qui affichent des valeurs fluctuantes peuvent être des deux types. Les wattmètres sont difficiles à trouver en version analogique.

Cablâge

Les voltmètres se branchent en parallèle. Par exemple, vous raccordez le fil positif et le fil négatif d’un voltmètre à la borne positive et à la borne négative d’une batterie. Les wattmètres numériques ont deux fils qui entrent et deux fils qui sortent. Les compteurs de courant sont un peu plus complexes à câbler, voir l’illustration ci-dessous.

Image : comment câbler un multimètre pour mesurer des ampères (en série) et des volts (en parallèle). Illustration par Marie Verdeil

Image : Compteur de tension et de courant analogique (max 1A). Photo par Kris De Decker

De nombreuses personnes sont plus à l’aise avec les watts qu’avec la tension et le courant. Pourtant, bien qu’un wattmètre soit un complément précieux à une installation solaire, il est utile d’avoir des relevés de tension et de courant, car ils fournissent plus de données pour diagnostiquer les problèmes. Un voltmètre est un outil de contrôle pratique, en particulier pour les installations solaires directes. Par exemple, pour vérifier si un convertisseur CC-CC produit la tension de sortie correcte ou pour connaître la tension de sortie exacte d’un panneau solaire.

Les ampèremètres sont utiles pour optimiser l’efficacité énergétique. Dans une installation solaire avec batterie, le fait d’avoir un ampèremètre de chaque côté du régulateur de charge solaire vous permet de profiter au maximum de l’excédent d’énergie solaire. Si la charge de la batterie est presque terminée, le panneau solaire ne produira plus sa pleine puissance et vous verrez le compteur d’ampérage baisser. Cela signifie que vous gaspillez de l’énergie solaire. En revanche, à partir du moment où vous branchez un équipement (ou activez un circuit commutable), vous verrez le compteur de la charge électrique et du panneau solaire augmenter jusqu’à ce que vous atteigniez une limite - vous utilisez alors toute l’énergie solaire disponible produite par le panneau solaire. Ainsi, l’énergie solaire qui serait autrement perdue peut servir à charger un ordinateur portable ou à faire fonctionner un outil électrique.

Panneaux de contrôle et prises de courant

Si vous ajoutez des interrupteurs et des instruments de mesure, vous voudrez également organiser ces composants sur un panneau de contrôle, de préférence au même endroit.

Commencez par raccorder le système sans panneau de commande pour vous assurer que tout fonctionne, puis démontez-le à nouveau. Ensuite, mesurez tous les composants et dessinez le panneau de contrôle. Choisissez ensuite un matériau (carton, bois, métal, plastique), découpez-y des trous pour les interrupteurs et les instruments de mesure, et insérez-y tous les composants. Enfin, procédez au câblage et construisez un boîtier autour du panneau de commande. Les convertisseurs CC-CC peuvent être placés derrière le panneau, à moins que vous ne souhaitiez pouvoir régler régulièrement la tension de sortie. Si vous disposez d’instruments de mesure et de boutons on-off, le régulateur de charge solaire peut également être placé derrière le panneau de commande. Le boîtier doit être conçu de manière à pouvoir être facilement ouvert pour l’entretien, la réparation ou le réglage.

Pensez également aux prises de courant. Où voulez-vous pouvoir brancher vos appareils et quel type de connecteurs allez-vous utiliser ? La prise de courant de 12 V (appelée prise allume-cigare) est le type le plus courant, mais il existe d’autres solutions. Si vous souhaitez utiliser les connecteurs standard, ajoutez des fiches femelles à votre installation solaire (une pour chaque circuit) et des fiches mâles à tous vos appareils. Vous pouvez intégrer les fiches femelles au panneau de commande ou acheter des produits commerciaux que vous pouvez visser sur un support. Vous pouvez également raccorder des appareils à votre système solaire en vissant les fils dans un bornier ou en les soudant directement à la sortie d’alimentation. Cela ne convient pas pour les appareils que vous branchez et débranchez souvent, mais pour les charges qui sont toujours connectées (par exemple, une bande de LED). Bien entendu, il faut un interrupteur pour fermer le circuit.

Le principal inconvénient de l’électricité basse tension est la perte énergétique relativement élevée lors de la transmission, en particulier pour les appareils puissants. C’est pourquoi les prises de courant doivent être aussi proches que possible du reste du système solaire. Installez plusieurs systèmes plutôt qu’un système centralisé avec de nombreux mètres de câbles de distribution. Choisissez des fils électriques plus épais si vous distribuez du courant basse tension sur de longues distances. ³

Image : Le panneau de contrôle du vélo générateur [que j'ai construit avec Marie Verdeil en 2022](https://qelnixcor.cloud/fr/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/) peut également fonctionner avec des panneaux solaires. Il permettrait d'alimenter directement un appareil ou de charger une batterie au plomb, en fonction des circuits que vous activez. Le seul composant du système qui change (et qui n'est pas dans le panneau de contrôle lui-même) est le contrôleur de charge. Le générateur de vélo a besoin d'un régulateur de charge éolien au lieu d'un régulateur de charge solaire.

Image : Panneau de contrôle composé de modules distincts. De gauche à droite : multimètre, interrupteur, convertisseurs CC-CC, variateur.

Image : un contrôleur solaire fait sur mesure pour un train miniature alimenté directement par l'énergie solaire. Il possède un régulateur de tension au lieu d'un convertisseur CC-CC. Un convertisseur DC-DC réduit la tension de sortie à une valeur prédéfinie sans rapport avec la tension d'entrée. En revanche, un régulateur de tension réduit la tension de sortie par rapport à la tension d'entrée. Photo par Marie Verdeil.

Comment obtenir des appareils à basse tension ?

Ne pas utiliser d’onduleur implique d’utiliser des appareils et des équipements alimentés par du courant continu à basse tension. Ce n’est pas aussi compliqué que cela en a l’air. Tout d’abord, de nombreux appareils fonctionnent en interne sur du courant basse tension. Cela vaut pour tous les appareils USB, les éclairages à semi-conducteurs (LED), d’autres appareils électroniques et les outils électriques sans fil. Tout appareil équipé d’un adaptateur - le pendant de l’onduleur - peut être branché directement sur un réseau basse tension en remplaçant ou en modifiant simplement le cordon d’alimentation. Par exemple, vous pouvez faire fonctionner un ordinateur portable en basse tension si vous remplacez l’adaptateur standard par un adaptateur fonctionnant sur 12 V pour une utilisation dans les voitures¹². Dans la plupart des cas, il n’est pas nécessaire d’adapter vos appareils.

Dans d’autres cas, l’adaptation d’un appareil au 12V/24V demande plus de travail et de connaissances. Certains appareils - tels que les téléviseurs numériques et les luminaires à LED - sont équipés d’un adaptateur CA/CC interne, ce qui nécessite d’ouvrir l’appareil et d’en retirer les composants. Il peut aussi être nécessaire de remplacer un moteur à courant alternatif par un moteur à courant continu. La modification et la fabrication d’appareils à basse tension est un sujet trop vaste pour être abordé en détail dans ce guide. Low-tech Magazine approfondira ce sujet dans de futurs manuels. Par exemple, Marie Verdeil a converti un ventilateur industriel pour qu’il fonctionne de 1 à 24 V, fournissant jusqu’à 250 watts de puissance de climatisation. Il peut être alimenté directement par un panneau solaire (voir la vidéo) ou par une batterie.

Image : Ventilateur à courant alternatif (CA) converti en ventilateur à courant continu(CC). Photo par Marie Verdeil.

Image : Ventilateur CA démonté. Photo par Marie Verdeil.

Image : Moteur CC inséré à la place du moteur CA. Photo par Marie Verdeil.

Image : Une perceuse électrique convertie pour fonctionner en courant continu basse tension. Photo : Marie Verdeil.

Enfin, vous pouvez acheter un large éventail d’appareils dans le commerce à 12 ou 24 V destinés aux usagers des voitures, des camions, des voiliers et des camping-cars. Ils vont des ventilateurs aux réfrigérateurs en passant par les bouilloires électriques. Malheureusement, ces produits sont relativement chers et ne sont pas toujours de qualité. Par ailleurs, ils sont destinés à être utilisés dans de petits espaces et sont donc souvent trop compacts pour être pratiques dans la vie quotidienne. Il est souvent plus intéressant d’adapter un appareil existant ou d’en construire un de toutes pièces.

Voir https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-3/ohms-law-again/ ↩︎
Voir https://qelnixcor.cloud/fr/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎ ↩︎
Voir https://qelnixcor.cloud/fr/2016/05/how-to-get-your-apartment-off-the-grid/ ↩︎ ↩︎
https://qelnixcor.cloud/fr/2024/01/direct-solar-power-off-grid-without-batteries/ ↩︎
Voir Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. See also this PowerPoint by the same author. Also see: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. See also this video. ↩︎
Voir https://qelnixcor.cloud/fr/2015/04/how-sustainable-is-pv-solar-power/ ↩︎
Voir https://libre.solar. Voir aussi “Do it yourself 12 volt solar power”, par Michel Daniek, Permanent Publications, Third Edition 2015. ↩︎
Sauf si vous utilisez d’autres formes de stockage de l’énergie, comme c’est le cas pour les réfrigérateurs et les cuisinières à énergie solaire directe. ↩︎
https://qelnixcor.cloud/fr/2018/12/keeping-some-of-the-lights-on-redefining-energy-security/ ↩︎
Voir https://www.wikihow.com/Solder-Wires-Together ↩︎
Voir https://qelnixcor.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/images/Wiring-on-off-switch2_hu619c03e126fba9507b966073be9e16b5_65316_800x800_fit_q90_h2_box_3.webp ↩︎
Vous pouvez même aller plus loin et régler la tension de sortie du convertisseur CC-CC sur la tension exacte dont l’ordinateur portable a besoin. Dans ce cas, vous pouvez vous passer de l’adaptateur de voiture. ↩︎