🌞 Le chauffe-eau solaire face au chauffe-eau électrique
Le Soleil livre gratuitement près de 1 000 watts sur chaque mètre carré de ton toit. Assez pour une douche bien chaude ? Lance la course entre un ballon chauffé par un capteur solaire et un ballon électrique qui fait tourner le compteur. Puis retire la vitre du capteur… et regarde l'effet de serre faire (ou ne plus faire) son travail.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Le capteur reçoit la puissance G × S : elle suit la course du Soleil (aire jaune du graphique), nulle la nuit et maximale vers 13 h. La courbe orange du ballon solaire monte vite à midi et plafonne en fin de journée.
- Le ballon électrique monte en ligne droite, à vitesse constante, jusqu'au thermostat : sa puissance P est fixe, donc la température augmente de P × Δt / (m c) à chaque instant. Mais il coûte de l'argent, au kWh près.
- Plus l'eau est chaude, plus le capteur perd de chaleur vers l'air : les pertes Φ = a S (θ − θext) grandissent et le rendement baisse. Quand elles dépassent ce que le Soleil apporte, la pompe s'arrête.
- La coupe du capteur montre l'effet de serre : la vitre laisse passer la lumière visible, l'absorbeur noir chauffe et émet de l'infrarouge que la vitre renvoie vers l'intérieur. Sans vitre, le coefficient de pertes est environ 4 fois plus grand.
- En hiver, les journées sont courtes, le Soleil plus bas et l'air froid : il faut une surface de capteur bien plus grande pour la même eau chaude, et un appoint électrique est souvent nécessaire.
Expériences à faire
- En été, quelle surface de capteur suffit pour une famille (ballon de 200 L à plus de 55 °C) ? Et en hiver ?
- Double la surface du capteur : la température du ballon solaire monte-t-elle deux fois plus haut ? Pourquoi ?
- Retire la vitre en été, puis en hiver : dans quel cas la vitre est-elle la plus utile ?
- Calcule Q = m c Δθ pour chauffer 200 L de 15 à 60 °C, puis le temps de chauffe avec une résistance de 2 kW.
- Par une journée nuageuse, le solaire suffit-il ? Combien d'euros d'électricité le capteur fait-il économiser ?
La physique derrière l'animation
- Le flux solaire G (en W/m²) est la puissance reçue par mètre carré : la puissance reçue par le capteur de surface S vaut Preçue = G × S. Par ciel clair, G atteint 800 à 1 000 W/m² sur un capteur bien orienté.
- Le capteur perd de la chaleur vers l'air par conduction, convection et rayonnement : Φ = (θ − θext) / Rth avec Rth = 1 / (a S). La puissance utile vaut Pu = η0 G S − Φ, et le rendement η = Pu / (G S).
- L'énergie nécessaire pour chauffer une masse m d'eau de Δθ vaut Q = m c Δθ, avec c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹. Un ballon électrique de puissance P met Δt = Q / P pour la fournir, et coûte E × prix du kWh (1 kWh = 3,6 × 106 J).
- Effet de serre : le verre est transparent pour la lumière visible mais absorbe et réémet l'infrarouge. L'énergie lumineuse entre, mais le rayonnement infrarouge de l'absorbeur chaud ne ressort presque pas : le capteur vitré garde sa chaleur.
- Modèle simplifié : eau du capteur à la température du ballon, flux solaire en arc de sinusoïde entre le lever et le coucher, ballons bien isolés (1,5 W/K) dans une maison à 20 °C, pompe arrêtée à 90 °C par sécurité. Valeurs typiques arrondies, toutes réglables.
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