(I) INTRODUCTION:De nos jours, notre quotidien est régi en grande partie par la fée électricité. Que ce soit pour s éclairer, communiquer, s informer, actionner des outils, se chauffer, l électricité est ces omniprésente.
Cela n a pas toujours été le cas, les générations passées ont longtemps vécu sans le "miracle électrique". L énergie utilisée avait différente source: le foyer de la cheminée, ou la chaudière a vapeur de la moissonneuse batteuse, les moulins a eau ou a vent tant pour le travail de la forge, le foulage de la laine ou la mouture du grain...
Paradoxalement, cette diversité, cette rusticité de tous ces moyens de produire et de domestiquer une énergie sous une forme autre qu'électrique offrait une certaine autonomie à des familles ou petites communautés rurales.
De nos jours, le tout électrique, ne serait ce qu'au niveau domestique pur est souvent majoritaire. Avec les facilites et le confort que cela procure, mais aussi une forte dépendance technique au réseau public de distribution...
Cette dépendance reste une faiblesse en cas de rupture de la fourniture électrique, lors d une catastrophe naturelle par exemple. Nous connaissons tous, si nous ne l avons pas vécu nous même, le cas de famille demandant asile chez les voisins équipés d une simple cheminée, après une tempête de neige ayant détruit le réseau, car elle était "tout électrique": du chauffage en passant par la fourniture d'eau chaude a l éclairage...
Cette dépendance a aussi un cout, une facture, que tous, nous aimerions bien diminuer...
Compte tenu de ce constat, ne serait ce pas intéressant de pouvoir conjuguer le meilleur des 2 époques? l"avant électrique" avec "maintenant", à savoir une rusticité, fiabilité de maintenance, indépendance, avec la souplesse et la puissance de l usage de l électricité au quotidien?
Et pourquoi ne pas diversifier les sources d énergie disponibles? Pourquoi juste l électricité, qui n est qu'une forme plus ou moins dégradée de transport et de manifestation d énergies.
Pourquoi ne pas combiner:
- l énergie
mécanique,
- l énergie
thermique,
- l énergie
électrique.
Dans nos installations domestiques, a l échelle du foyer individuel jusqu' a la petite communauté? Pour gagner en autonomie et capacité de réagir en cas de "coup dur"?
Tentons d y réfléchir... ne serait ce qu'en listant et classant les différentes possibilités qui s offrent au particulier ou a la petite communauté de quelques familles...
(II) LES SOURCES ALTERNATIVES D ENERGIE ELECTRIQUE:En partant du plus simple, ou plutôt en partant de l idée qu'on peut fournir son foyer en électricité,
en se passant du réseau public et sans profondément changer l infrastructure électrique déjà existante de la maison, vers quelle possibilité pouvons nous nous tourner?
Remarques:
durant ce listing de possibilités à venir, on ne se souciera pas du fait que certaines sources ou générateurs ne délivre qu'une tension et courant continus alors que d'autres délivrerons exclusivement une tension et courant alternatifs. cet aspect sera traité dans le paragraphe (III) en tenant compte des limitations et obligations d'adaptation CC/AC ou vice versa liée au parc d'appareils domestiques couramment disponible dans nos foyers.
(II.1) Les source d électricités photovoltaïques:l idée simple et connues depuis longtemps consiste a convertir l énergie lumineuse (électromagnétique) fournie par le soleil en énergie électrique basse tension/courant continu qui pourra alimenter des appareils déjà prévu pour fonctionner alimente par ce type de source.
Le soleil déverse une énergie considérable sur la surface terrestre. En absence de nuage, a l équateur, on estime la puissance instantanée (Watts) reçue par 1 m2 de sol supérieure a 1kw!
http://www.ademe.fr/Midi-Pyrenees/a_2_08.htmlCette énergie (joule) et sa puissance instantanée associée (Watt) peut être captée par des cellules photovoltaïques et convertie en énergie électrique qui par le biais d un régulateur permettra d obtenir en sortie d installations une basse tension comprise typiquement entre quelques volts et quelques dizaines de volts et un courant allant de quelques centaines de mA a quelques Ampères. Ce qui fait en fait une puissance instantanée comprise entre quelques dizaines de watts jusqu' a quelques centaine de watt voir quelques kW. Sachant que ces cellules photovoltaïques, réunies et regroupées sous formes de panneau solaire n ont pas un rendement très élevé (0.1 a 0.2: ce qui veut dire qu'un panneau de 1 m2, bien que recevant 1 kW, ne sera capable de délivrer, au mieux que 200 w) on comprendra que pour obtenir une puissance disponible appréciable pour un usage domestique, il conviendra d exposer de grandes surfaces de panneaux au soleil.
principe et développement:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFquehttp://radiospares-fr.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=getProduct&R=5097100Ceci est un exemple de panneau capable de délivrer environ 80 W sous 17 à 18 Volts en charge avec un ampérage de l ordre de 4 à 5 ampères.
Sans rentrer dans le détail des différentes technologies (amorphes, monocristallins, jonctions...) permettant de produire des cellules et donc des panneaux de cap acité différentes, il suffira pour le moment de considère chaque cellules ou panneaux comme un
générateur (fournissant un courant lorsque connecté à une charge donnée) dont la tension de sortie est directement liée a la puissance d ensoleillement.
Ainsi en combinant en parallèle ou en série une succession de panneau, et en imaginant des conditions d ensoleillement optimale, il est possible d obtenir un générateur équivalent offrant une tension de sortie plus ou moins grande, pour un courant maximal donne:
Ex: si nous connectons en parallèle 10 panneaux equivalent a celui montre plus haut, nous obtiendrons un panneau global equivalent pouvant délivre sous charge 17 a 18 V en chargeet 40 a 50 ampères! Soit plus ou moins, 800 W
Si nous décidons cette fois ci de connecter nos 10 panneaux en série, nous obtiendrons un panneau équivalent capable de délivrer une tension de 170 volts en charge et 4 a 5 ampères, soit plus ou moins 800 W aussi.
Comme on le constate, il est donc possible, pour une puissance instantanée maximale possible, d obtenir un générateur équivalent capable de délivrer une tension plus ou moins grande et un courant en relation direct avec ladite tension.
En résumé:
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Avantages: fourniture immédiate d'énergie électrique, sans inertie à la mise en marche du système ou a son arrêt. pas de pièce mécanique en mouvement. facilité d'entretien et de maintenance. Facilité de faire évoluer la taille et la capacité énergétique de son installation par simple adjonction de panneaux solaires (correctement dimensionné électriquement parlant par rapport a son installation existante).
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Inconvénients: nécessité d'une orientation optimale par rapport a l'ensoleillement reçu sur les lieux de l habitat, nécessité d une grande surface disponible au sol et bien orientée, ou d'un pan de toiture bien orienté. pas de fourniture de nuit, d'ou la nécessité d'installer un dispositif de batteries "relais" ou tampons pour assurer la fourniture électrique nocturne.
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ordre de grandeur de puissance accessible pour une petite installation: de quelques watts a quelques kwatt.
En ce qui concerne l'usage de cette électricité:
Obtenir une énergie électrique reste donc assez facile, mais comme elle dépend directement de l ensoleillement auquel sont exposes nos panneaux ainsi que de la charge imposée en sortie de panneaux, la tension délivrée en charge ainsi que le courant disponible associe resterons variable de façon aléatoire ou tout le moins non contrôlable.
Il conviendra donc de "stabiliser" ou "réguler cette source d énergies électrique afin de rendre la tension de sortie d un tel générateur indépendante de l ensoleillement de celui-ci. Ainsi même si la quantité de courant débitée varie en fonction de nos besoins du moment, la tension a la sortie du générateur restera, dans une limite raisonnable stable et constante.
(schéma de Meow)
Le même principe sera utilise avec d autres type de générateur électrique comme il sera vu plus loin.
En ce qui concerne l'installation de ces panneaux, il pourront être traditionnellement posés sur la pent la mieux ensolleillée de la toiture de sa maison ou disposés dans un champ voisin, correctement inclinés afin de bénéficier d'un ensolleillement maximal.
(II.2) Les sources d énergie thermo voltaïques:La même possibilité s offre à nous en utilisant un autre phénomène physique: l'effet Seebeck permettant de convertir (moyennant un rendement de l ordre là aussi de 0.1 à 0.2) une énergie d'origine thermique en énergie électrique, par le biais d'une création de différence de température (gradient thermique) entre les 2 faces d'un module thermoélectrique constitué d'une multitudes de thermocouples agencés en parallèle/série et capable donc de délivrer la aussi une tension continue directement lié à l amplitude du gradient de température, associée à un débit de courant maximum, permettant donc d'obtenir une puissance instantanée comprise entre quelques centaines de mW jusqu au kW.
un module constitué d'un pavé comprenant une multitude de thermocouple compris entre 2 plaques de céramique, un peu comme un sandwich, devra avoir une de ces faces exposées à une source de chaleur tandis que l autre face sera maintenue a une température suffisament basse ( ailettes metallique (radiateurs) + ventilation et ou circulation d'eau, face exposée à l'air extérieur en hiver...).
quelques principes et remarques:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermoélectricité
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_SeebeckConcrètement, l'idée serait de pouvoir utiliser une source de chaleur domestique: typiquement cheminée, poële,... ou agricole: fumier, compost,... afin d' utiliser au moins une petite partie de l'énergie thermique produite afin de générer de l'électricité.
du point de vue domestique, il serait ainsi tout à fait envisageable d'utiliser son poële ou sa cheminé pour chauffer son habitat et en profiter pour simultanément générer son électricité.
un exemple de réalisation et d'essai :
http://www.triz-journal.com/archives/1997/01/a/index.htmhttp://www.davidmanise.com/forum/index.php/topic,9328.0.htmlLà aussi, il conviendra d'utiliser un régulateur de tension afin de stabiliser ladite tension de sortie, et donc de la rendre indépendante de la charge imposée au générateur suivant la consommation des appareils qu on sera amené à brancher dessus. le régulateur permettra aussi de la rendre indépendante au moins partiellement des fluctuations de régime de fonctionnement de la source thermique elle même.
En résumé:
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Avantages: possibilité de rester maître du régime de fonctionnement des modules thermo-voltaiques: démarrage et arrêt d'un générateur de ce type à la demande, dépendant uniquement de notre capacité à fournir un gradient thermique constant (écart de température entre source chaude et froide constantes). Ce génörateur peut ne pas dépendre des conditions environnementales dans lesquelles se trouve le foyer alimenté par ce type de générateur.
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Inconvénient: l obtention du régime de fonctionnment "de croisière" dudit générateur demande un peu de temps, quelques minutes à un quart d'heure de "mise en température" de la source chaude et froide. Nöcessité de bien controller la valeur du gradient de température ainsi que la valeur max de la température de la source chaude afin de s assurer d'un régime de fonctionnmenet optimal et d'éviter d'endommager les modules Pelletier en les exposants a une source chaude à la température trop élevée (limitation due a la température de fusion des soudures des thermocouples constituant les modules.
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ordre de grandeur de puissance accessible pour une petite installation: de quelques watts au kwatt.
(II.3) Les sources d'énergie de type aéro-électrique ou hydro-électrique:En ce qui concerne cet autre de moyen de production d'énergie électrique, on s'appuiera sur une conversion d'une énergie mécanique en une énergie électrique:
l'idée est de mettre en action une dynamo ou un alternateur électrique, en faisant tourner leur rotor par le biais d'une hélice/turbine/roue à aube capable de capter le vent ou l'eau.
principe:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Éolienne#Puissance_r.C3.A9cup.C3.A9rable
on notera un rendement énergétique de l'ordre de 50% cette fois ci.
un petit rappel sur les dynamo qui sont des machines à courant continu pouvant fonctionner de façon bi-directionnelle soit comme un moteur, soit comme un générateur à courant continu.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dynamohttp://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_%C3%A0_courant_continu#Avantages_et_inconv.C3.A9nientsUn autre petit rappel sur les alternateurs (de la catégorie des machines synchrones) qui sont des machines à courant alternatif pouvant fonctionner de façon bi-directionnelle soit comme un moteur, soit comme un générateur à courant alternatif (dans le cas du fonctionnement en mode générateur, la fréquence du courant, et donc de la tension, obtenu dépendra de la vitesse de rotation de l axe de son rotor) .
http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_synchronePartant de ce principe de conversion mecanique-électrique, l'idée générale la plus simple consistera à installer, pour la version aero-électrique:
une dynamo ou un alternateur sur un bâti ou sur son habitation, l axe de ladite dynamo ou de l'alternateur étant équipé d'un collecteur de vent: hélice ou turbine horizontale ou verticale, capable de mettre en rotation ledit axe.
idéalement, le bâti ou le générateur sera orientable afin de profiter au mieux des vents.
Là aussi, la quantité d'énergie (et donc l'amplitude et/ou la fréquence de la tenion disponible en sortie de générateur) dépendant directement de la puissance des vents utilisés, variables dans le temps, pour une charge donnée, on veillera donc à équiper la sortie du générateur d'un régulateur de tension, comme indiqué dans les paragraphes précédents.
il existe aussi la possibilité de réguler mécaniquement la vitesse de rotation de l axe du rotor en jouant sur les surfaces efficaces de l hélice (orientation de sa voilure) ou turbine exposées au vent, ou "sections efficaces", mais plus complexe à mettre en oeuvre.
En ce qui concerne la version hydraulique de ce type de générateur, les principes sont les mêmes mais à cela s'ajoute la contrainte d'avoir à disposition un cours d'eau suffisamment alimenté tout au long de l année.
ex de schéma de principe d'une installation hydro-électrique de base sous 2 variantes possibles:
(Schéma de Meow)
Pour de fortes puissances nécessaires, la version impliquant un alternateur semble intéressante car il reste assez facile de se procurer un alternateur de voiture ou de camion dans un garage, une casse, voir e-bay...
Pour une installation hydrau-électrique:
Avantages: obtention d'une installation pouvant fournir une puissance instantanée élevée à partir d'une installation dont une bonne part peut être à l'origine de matériaux de récupération (bois, bâti, alternateurs...), ou possibilité de s'appuyer sur une structure déjà existante (pouvant quand même nécessiter pas mal de rénovation): moulin à eau, minoterie... robustesse.
Inconvénients: gros travaux en perspectives!!! nécessité éventuelle d'appareils de levage, et nécessité de connaître les variations de débit annuelles du cours d'eau utilisé. pièces mécaniques en mouvement donc souci d'usure et de maintenance (axes rotors, démultiplication éventuelle, paliers roulements à billes... "charbons".)
puissance accessible: jusqu'a plusieurs kw à dizaines de kw, suivant la taille des alternateurs ou dynamos utilisés et surtout de la taille du cours d'eau exploité.
(III) L'ADAPTATION DE CES SOURCES A NOS PARCS D'APPAREILS DOMESTIQUES:Comme on peut le voir, les différentes sources décrites ci-dessus sont remarquables par le fait:
- qu'elles délivrent généralement une basse tension et un courant continus.
- qu'elles sont susceptibles (certaines, comme la centrale éolienne ou hydraulique) de délivrer une basse tension et un courant alternatif, mais dont on maîtrise mal la fréquence sans moyens mécaniques complexes.
- que le niveau de puissance instantanée fournie par ces générateur connecté à une charge constante (et résistive pour faire simple) varie de façon plus ou moins prévisible du fait de l'origine et de la nature parfois peu constante de la source d'énergie primaire (soleil plus ou moins caché par les nuages, hauteur variable en cours de journée, cours d'eau au débit dépendant des saisons, éolienne soumise a un vent capricieux, générateur thermo-électrique dont le régime de fonctionnment est directement lié au régime de fonctionnement de la source chaude, telle qu'un poele à bois...).
ainsi donc, avoir de l'énergie n'est qu'une partie du problème. Il va falloir se pencher sur les 2 aspects suivants:
- Parce qu'une bonne partie de notre matériel domestique fonctionne sur le "220 V/50Hz" du réseau, il faudra arriver à générer une haute tension de type 220 V (tension efficace) et un courant alternatifs, à une fréquence de 50 Hz, et cela indépendemment des variations de la source primaire, et de la nature même de ces variations.
- arriver à maintenir cette haute tension de type 220 V constante au cours du temps, et cela indépendemment des variations de la source primaire, et de la nature même de ces variations. la variation du courant produit dépendra bien-sûr, de la charge qu'on imposera à notre générateur.
Et tout cela à partir d'une basse tension (quelques Volts, à dizaines de volts), continue mais fluctuante dans le temps...
Pour cela on va d'abord stabiliser en tension la sortie du générateur de courant continu (Cf plus haut les quelques mots dédiés au régulateur de tension).
Sans rentrer dans les détails techniques, un rappel: un régulateur sera un disopsitif électronique permettant de garder dans une certaine mesure une tension de sortie d'un générateur indépendemment constante de la variation de la charge électrique, donc de la variation du courant débiter en sortie du générateur, imposée au dit générateur. classiquement la structure d'un régulateur comporte:
- une référence de tension qui va définir la valeur de la tension à stabiliser juste avant l'utilisation. Ce rôle est traditionnellement tenu par un composant tel qu'une diode Zener (caractérisée entre autre, dans sa caractéristique courant/tension, par la valeur de d'une tension Zener apparaissant à ces bornes sous certaines conditions, souvent indiquée Uz).
- un élement "ballast" capable de laisser passer un courant donné maximum tout en maintenant la tension de référence constante (a un chouilla près), et donc finalement capable de gérer et transmettre une puissance suffisante sans que la tension de référence ne s'écroule. cet élement appraît souvent sous la forme d'un transistor de puissance.
un peu de wiki:
http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9gulateur_de_tensionhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_zenerDe façon générale, ce dispositif s'installera juste à la sortie "brute" ou directe de notre générateur, et sera suivi en amont par le reste de l'installation électrique.
Une fois ce premier souci de régulation résolu, on s'attelera à transformer cette belle source de tension régulée (tension continu, courant fluctuant selon les besoins mais positif et continu lui aussi) en une source de tension (toujours régulée) mais alternative et à la valeur efficace compatible avec notre parc électro-ménager.
Pour cela, on utilisera ce qu'on appelle un convertisseur "DC/AC" (Direct Current/Alternative Current), mais qu on devrait appeler plus précisément convertisseur de tension continue réguleé en tension alternative régulée.
Même si les solutions techniques ont évoluées au cours du temps, le principe de base consistera à "découper" ou "hacher" cette tension continue en un signal alternatif tout d'abord de forme carrée, par le biais d'un dispositif de commutation transistorisée, à le filtrer afin d'obtenir, après extraction plus ou moins optimale des harmoniques de ce signal, une belle sinusoïde. Et ensuite on élève la valeur efficace de la tension de ce signal par le biais de transformateurs de tension, pour obtenir finalement ce que l'on veut: une source d'énergie électrique caractérisée par une tension alternative sinuosïdale de tension efficace de 220 V et ayant une fréquence de 50 Hz (60 Hz pour les Etats Unis).
[petit schéma de base à insérer ici...]
ce type de convertisseur, vous les connaissez sans doute sous le nom d' "onduleurs", utilisés par exemple, dans le domaine informatique pour permettre de faire fonctionner un ordinateur au moins quelques minutes de plus en cas de rupture de réseau, ceci afin de se donner le temps de faire les sauvegardes de données nécessaires avant l'extinction du système...
un peu wikipédia...
http://fr.wikipedia.org/wiki/Onduleurainsi à ce niveau de l'installation on a la chaîne de production énergétique suivante:
convertisseur d'énergie/générateur d'énergie électrique - régulateur de tension - onduleur -...
penser à parler de l 'utilité des batteries "tampons dans un tel système...
en cours...................
Sujet: Synthese... en cours (Lu 6361 fois)
