Chauffage de l’eau à courant continu

Nous pouvons utiliser l’énergie solaire directe pour les systèmes de chauffage d’eau chaude domestique en utilisant des panneaux solaires thermiques et des tubes évacués. Mais nous pouvons également utiliser l’énergie électrique en courant continu ( courant continu ) générée par des panneaux photovoltaïques ou des turbines génératrices pour alimenter un élément chauffant d’eau en courant continu sans utiliser l’électricité du réseau.

Lorsqu’un courant électrique circule à travers un élément résistif, de la chaleur est produite et l’élément devient incandescent. Ainsi, l’effet de chauffage I²R d’un courant électrique passant à travers un élément à haute résistance est le principe de base pour tous les éléments de chauffage, qu’il s’agisse d’un fil chauffant, d’une bouilloire électrique ou d’un fer à repasser, etc.

Pour la plupart des systèmes de chauffage d’eau chaude domestique avec réservoirs de stockage, nous utiliserions typiquement un élément de chauffage résistif conventionnel de type tige tubulaire alimenté par le fournisseur d’énergie pour chauffer l’eau. La quantité de puissance thermique, en “watts”, qui peut être produite par un élément résistif dépend de la tension du réseau qui lui est fournie, ainsi que de sa résistance statique à froid. Cela dit, il existe toute une gamme d’éléments de chauffage électriques de 120 et 240 volts disponibles, évalués entre 100 et 5 000 watts.

De plus, les éléments chauffants résistifs peuvent être considérés comme étant 100 % efficaces, car toute l’énergie électrique d’entrée est convertie en sortie utile, dans ce cas en chaleur. La quantité d’énergie électrique convertie ou consommée en énergie thermique est mesurée en watts.

Pour les circuits en courant continu, la puissance en watts est égale au produit des volts et des ampères. C’est-à-dire V x I. Cependant, pour les circuits en courant alternatif, la puissance en watts est égale au produit des volts multipliés par les ampères à cet instant précis.

La tension alternative utilisée dans un foyer typique est exprimée en termes de son valeur efficace. Cette valeur de tension efficace est plus communément appelée la valeur de tension “Racine Moyenne Carrée”, ou la valeur de tension RMS. Par exemple 120 volts rms (120 Vrms) ou 240 volts rms (240 Vrms).

La valeur RMS couramment donnée d’une tension alternative produit la quantité équivalente d’effet de chauffage lorsqu’elle est appliquée à un élément de chauffage résistif, semblable à une tension de courant continu (DC) de la même valeur. Autrement dit : 120 Vrms = 120 Vdc.

La loi d’Ohm nous dit que si la tension RMS, en volts (V) de l’alimentation, et la résistance en ohms (Ω) sont connues, alors la puissance (P) dissipée par un élément chauffant, en watts (W), peut être donnée par la formule : P = V²/R watts. De même, si nous connaissons le courant (I) que l’élément chauffant tire en ampères (A) ainsi que la tension. Alors, la puissance (P) dissipée par un élément de chauffage, en watts (W), serait donnée par la formule : P = V*I [watts].

Par exemple, si un élément de chauffage de 2400W est connecté à une alimentation de 240 volts, quel sera le courant tiré de l’alimentation et la résistance statique à froid de l’élément ?

1. courant tiré de l’alimentation :

2. résistance de l’élément de chauffage :

Nous pouvons alors voir que pour notre élément d’exemple, sa résistance à froid est de 24 Ohms (quelle que soit la tension appliquée) et il consommera 10 Ampères de courant à 240VAC. Les éléments de chauffage conçus pour des alimentations de 120 ou 240 volts ont généralement une résistance beaucoup plus élevée. En utilisant la tension et la résistance fixe de l’élément, la puissance électrique dissipée par celui-ci peut être calculée.

Par exemple, supposons que nous utilisons le même élément de chauffage de 240 volts et 2400 watts de l’exemple No1 ci-dessus sur une alimentation AC de 120 volts, quelle sera la puissance de sortie de l’élément ?

En utilisant notre élément de chauffage évalué à 240V sur une alimentation de 120V, la puissance de sortie serait réduite de 75 % à 600 watts. Nous nous attendrions à ce que cela soit le cas, car chaque fois que la tension est réduite de moitié, la puissance diminue de 75 % en raison du carré de la tension dans la formule de puissance. Autrement dit, l’effet de chauffage de l’élément de 240V est réduit à 1/4 de sa sortie d’origine lorsqu’il est connecté à une alimentation de 120V. Mais ce même élément de chauffage pourrait-il chauffer de l’eau en utilisant l’électricité DC d’une turbine génératrice (éolienne ou hydraulique) ou d’un panneau solaire ?

De nombreuses personnes utilisent l’énergie solaire et des panneaux collecteurs thermiques pour préchauffer leur eau chaude domestique. Mais nous pouvons également utiliser la sortie DC des panneaux photovoltaïques ou d’un réseau de PV pour chauffer l’eau, il suffit de penser un peu différemment.

Chauffer de l’eau directement à l’aide d’un élément chauffant d’eau en courant continu avec un générateur éolien ou un panneau photovoltaïque (avec ou sans batterie) est couramment utilisé dans les systèmes solaires DIY et les applications hors réseau où il n’y a pas de connexion au réseau ni d’alimentation électrique du réseau. Les éléments chauffants d’eau DC, associés à un réseau PV, peuvent même fournir de l’eau chaude sous faible irradiation ou par mauvais temps, car la seule limite à la température de l’eau dépend de la quantité d’énergie qu’un élément chauffant peut lui délivrer.

Les éléments de chauffage d’eau AC fonctionneront avec des alimentations DC. Cependant, comme nous l’avons vu, lorsque la tension d’alimentation est réduite sur le même élément, l’effet de chauffage de l’élément est également réduit. Par exemple, supposons que nous souhaitions utiliser notre élément de 240 volts et 2400 watts ci-dessus sur une alimentation DC de 24 volts. Quelle sera la puissance générée par l’élément chauffant ?

Comme calculé précédemment, la résistance ohmique de notre élément est fixée à 24 Ohms. Mais lorsqu’il est connecté à une alimentation DC de 24 volts, le même élément de chauffage ne produit que 24 watts de puissance et donc ne chauffe pas autant. C’est-à-dire que son effet de chauffage est réduit à 1/10 de la sortie originale lorsqu’il est connecté à une alimentation de 240 volts. Il est donc clair que nous avons besoin d’un élément de chauffage d’eau DC qui est évalué pour une alimentation basse tension puisque peu importe quelle formule nous utilisons, seule 24 watts de puissance est dissipée sous forme de chaleur.

Des éléments chauffants d’eau DC à basse tension sont facilement disponibles pour des applications hors réseau telles que le populaire élément chauffant d’eau DC 12V 700W DERNORD de Amazon qui se visse simplement dans votre réservoir de chauffe-eau existant, le transformant en votre propre chaudière d’eau 12 volts.

Ces éléments chauffants d’eau DC à basse tension peuvent être alimentés par l’énergie solaire, éolienne ou par batterie, ils peuvent être alimentés directement à partir d’un seul panneau solaire ou d’un réseau PV pour chauffer de l’eau avec de l’électricité DC. Ils peuvent également être utilisés comme charge de décharge pour une éolienne. Il est évident que le panneau solaire ou la turbine connectée doit avoir une puissance similaire à celle de l’élément.

Les éléments d’immersion DC sont disponibles en diverses tensions allant de 12V à 48V, mais vous devez acheter un élément qui est classé pour la tension de votre système afin de préchauffer suffisamment votre eau chaude domestique. En utilisant le dernier exemple de DERNORD 700W 12V, quelle sera sa résistance statique à froid et le courant tiré de l’alimentation DC de 12 volts ?

Rappelez-vous que la loi d’Ohm dit : Volts carrés ÷ Watts = Ohms, et Tension ÷ Résistance = Courant

1. résistance de l’élément de 700 watts :

2. courant tiré de l’alimentation :

Il y a deux choses à noter ici. 1. La résistance de l’élément chauffant est très, très basse à seulement 0,21Ω (0,206Ω arrondi), 2. le courant tiré de l’alimentation est beaucoup plus élevé, à 58 ampères. Si nous le remplaçons par un élément de chauffage de 700W à 48VDC, alors ses valeurs seraient : 3,3Ω et 14,5 Ampères respectivement, une valeur de courant beaucoup plus faible.

Nous pouvons donc voir qu’il faut plus de courant fourni par un panneau ou une turbine avec une basse tension pour fournir la même quantité de puissance électrique, soit 700 watts dans cet exemple.

Cependant, nous ne pouvons pas simplement augmenter la tension appliquée à notre élément de 12VDC pour réduire le courant (et donc la taille du câble). Que se passerait-il si 48VDC était connecté à l’élément évalué à 12 volts de 700 watts, qui a une résistance à froid de 0,21Ω ? Utilisons à nouveau la loi d’Ohm pour le découvrir.

P = V² ÷ R = (48×48) ÷ 0,21 = 10 972 watts … l’élément va brûler immédiatement !

En d’autres termes, 10 972 watts (ou 15 fois la note) passant par un élément de 700 watts le fera brûler immédiatement. Il est donc important de comprendre que pour un élément chauffant DC, sa valeur ohmique variera en fonction de la puissance et de la tension. Fort heureusement, les fabricants impriment généralement la puissance et la tension sur le côté de chaque élément pour une référence facile.

Utiliser deux ou plusieurs éléments de chauffage en série est une autre option pour utiliser des éléments à basse tension sur une alimentation de haute tension, car la tension appliquée à une combinaison en série d’éléments se répartit sur chacun des éléments. Ainsi, deux éléments chauffants 12VDC pourraient être utilisés sur une alimentation 24VDC. La valeur du courant électrique sera la tension d’alimentation divisée par la somme des résistances des éléments.

Nous avons vu ici que les éléments chauffants d’eau en courant continu peuvent être utilisés pour chauffer (ou préchauffer) de l’eau chaude domestique à partir d’un panneau ou d’un réseau photovoltaïque, ou comme élément de charge de décharge pour la surproduction d’une turbine éolienne (ou hydraulique). Cependant, il faut réaliser que l’élément sélectionné doit être utilisé avec la tension d’alimentation prévue, car une tension d’alimentation plus basse réduira sa puissance de sortie, ce qui signifie que l’élément chauffant ne chauffera pas autant. Tandis qu’une tension d’alimentation trop élevée signifie que l’élément chauffant deviendra trop chaud et brûlera.

Il existe une variété d’éléments basse tension disponibles en ligne de 12VDC à 48VDC avec des puissances nominales allant de 100 à 1 000 watts. Cependant, si vous utilisez un élément chauffant à une tension inférieure à sa valeur nominale, la puissance en watts diminue de 75 % chaque fois que la tension d’alimentation est réduite de moitié.

Tandis que l’utilisation d’éléments basse tension fait sens pour dissiper tout excès d’électricité solaire, des collecteurs solaires thermiques et des systèmes de chauffage dédiés à l’eau chaude utilisant l’énergie du soleil sont plus rentables. Cela est dû en partie aux rendements plus élevés des collecteurs solaires thermiques et à un coût inférieur par pied carré de surface de collecteur/panneau.

Pour apprendre comment les éléments de chauffage d’eau en courant continu peuvent être utilisés avec des panneaux et réseaux photovoltaïques, êtes-vous intéressé à ajouter le chauffage d’eau électrique à votre système solaire hors réseau existant ? Ou peut-être souhaitez-vous simplement explorer les avantages et les inconvénients de chauffer de l’eau utilisant l’électricité en DC et comment vous pouvez l’utiliser dans votre autocaravane ou VR, alors Cliquez ici pour obtenir votre exemplaire de l’ensemble « Énergie solaire pour les débutants » directement depuis Amazon aujourd’hui.