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.

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.

Le matériel requis

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• 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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

Montage de la brique chauffante

1. 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.

2. 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.

3. 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.

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.