L’énergie solaire

energie solaire

puce_carre_orange Qu’est-ce que le soleil ?

Le Soleil est une immense boule de gaz faisant l’objet de deux forces:

– La gravitation: le gaz est attiré vers le centre du Soleil par la gravité.
– La pression: elle compense la gravitation et empêche le Soleil de s’effondrer sur lui même.

La gravitation attire donc le gaz vers le centre du Soleil, mais la pression compense ce phénomène et fait se dilater le Soleil. Cette pression génère des températures élevées jusqu’à permettre les réactions de fusion thermonucléaire. L’énergie ainsi produite par le Soleil équivaut à l’explosion de 92 milliards de bombes nucléaires d’une mégatonne par seconde. Pendant longtemps on s’est demandé d’où venait cette énergie. On sait maintenant que l’énergie du Soleil provient des réactions de fusion nuclaire, les atomes d’hydrogène se combinant pour donner des atomes d’hélium. Ainsi, 700 millions de tonnes d’hydrogène sont transformées en hélium chaque seconde dont 5 tonnes se transformant en pure énergie.

puce_carre_orange Soleil et photons

Le coeur du soleil est la seule partie qui produise une quantité notable de chaleur par fusion : le reste de l’étoile tire sa chaleur uniquement de l’énergie qui en provient. La totalité de l’énergie qui y est produite doit traverser de nombreuses couches successives jusqu’à la photosphère, avant de s’échapper dans l’espace sous forme de rayonnement solaire ou de flux de particules.

Les photons de haute énergie (rayons X et gamma) libérés lors des réactions de fusion mettent un temps considérable pour atteindre la surface du Soleil, ralentis par l’interaction avec la matière et par le phénomène permanent d’absorption et de réémission à plus basse énergie dans le manteau solaire. On estime que le temps de transit d’un photon du coeur à la surface se situe entre 17 000 et 50 millions d’années. Après avoir traversé la couche de convection et atteint la photosphère, les photons s’échappent dans l’espace, en grande partie sous forme de lumière visible. Chaque rayon gamma produit au centre du Soleil est finalement transformé en plusieurs millions de photons lumineux avant de s’échapper dans l’espace.

La lumière du soleil est l’énergie la mieux répartie sur terre, la ressource est illimitée. L’énergie solaire est disponible partout sur notre planète.

atlas_sol_monde

La quantité d’énergie lumineuse que fournie le soleil à notre terre couvre dix mille fois le besoin en énergie nécessaire pour alimenter tous les habitants de la planète.

L’énergie solaire est disponible partout sur terre. Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2 à 3 kWh par jour en Europe du Nord, 4 à 7 kWh par jour en Nouvelle Calédonie.

La ressource est abondante : 5% des déserts suffiraient pour alimenter notre planète…

(*)La somme des 6 points de l’atlas représente à elle seule 18 TWc
(terra Watt crête)

puce_carre_orange Les 4 grandes familles d’énergie solaire

puce_carre_bleu L’énergie photovoltaïque

Production d’électricité à partir de la lumière, notamment à l’aide de panneaux solaires.

L’effet photovoltaïque

Historique

Découvert en 1839 par Henri Becquerel, l’effet photovoltaïque permet la transformation de l’énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer des électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule, qui génère un courant électrique continu.

A la différence des autres énergies renouvelables, l’énergie solaire est disponible partout sur la Terre. L’Europe reçoit en moyenne chaque jour 3kWh par mètre carré, même si les déserts les plus ensoleillés recueillent 7kWh. Il n’y a donc pas de problème de gisement pour cette source.

En 1875, le physicien Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Malheureusement, le phénomène est encore considéré comme anecdotique jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale. Les premières vraies cellules sont apparues en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium.

Ce n’est qu’en 1954 que trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince mettent au point une cellule photovoltaïque. On entrevoit alors la possibilité de fournir de l’électricité grâce à ces cellules. Au même moment, l’industrie spatiale naissante cherche de nouvelles solutions pour alimenter ses satellites.

En 1958, une cellule avec un rendement de 9% est mise au point et en même temps, les premiers satellites avec panneau solaires sont envoyés dans l’espace. Par la suite, l’industrie spatiale, à la recherche du meilleur moyen pour alimenter ses satellites, va permettre le développement de la technologie photovoltaïque.

Au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et est même devenue familière à des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompes et même réfrigérateurs solaires.

De nos jours, la nécessité d’une énergie respectueuse de l’environnement a permis aux panneaux photovoltaïques de devenir une alternative plus que crédible pour produire de l’électricité.

puce_carre_orange Principes de l’effet photovoltaïque

160x100integr01L’énergie solaire photovoltaïque se base sur la conversion directe du rayonnement solaire en électricité [l’effet photovoltaïque], grâce à des modules [ou panneaux] solaires photovoltaïques [cas le plus répendu].

Ces modules rassemblent, dans un cadre métallique, plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles afin d’additionner leurs puissances de production d’énergie électrique.

Cette énergie produite par l’effet photovoltaïque résulte de la conversion directe -dans un semi-conducteur- d’un photon en électron. Le module photovoltaïque convertit donc sur place et très simplement l’énergie solaire qu’il reçoit en courant électrique continu. Ce courant électrique continu est ensuite converti en courant électrique alternatif [identique à celui délivré par les fournisseurs d’énergie tels que ENERCAL ou F].

puce_carre_orange Fonctionnement détaillé de l’effet photovoltaïque [cellule de 1ère génération]

principe-effet-PV-STIl peut être illustré par l’exemple suivant, qui présente le cas d’une cellule au silicium :

La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est à dire qui possède plus d’électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne de l’oxygène, par exemple le Phosphore P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type N.
La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s’agir de Bore B. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons inférieure une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type P.

 

 

 

Il peut être illustré par l’exemple suivant, qui présente le cas d’une cellule au silicium :

La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est à dire qui possède plus d’électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne de l’oxygène, par exemple le Phosphore P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type N.
La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s’agir de Bore B. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons inférieure une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type P.

puce_carre_bleu L’énergie solaire thermique

Production de chaleur, par conversion de l’énergie contenue dans le rayonnement solaire, très rentable pour le chauffage dans les régions ensoleillées.

Histoire :

La véritable révolution du chauffe-eau solaire s’est faite après la crise pétrolière de 1974, avec des systèmes commercialisés principalement en Californie, Floride, Israël, (au Japon et en  Australie pour la région Asie-Pacifique). La croissance de la demande énergétique et la montée d’une demande écologique (préservation des ressources en combustibles fossiles et réduction des émissions de dioxyde de carbone) ont favorisé la multiplication de ce type d’installation, qui avec la technologie actuelle, fonctionne même par faible rayonnement solaire.

Le chauffe-eau solaire comment ça marche ?

Le chauffe-eau solaire permet de produire de l’eau chaude sanitaire à moindre coût pour les besoins de  l’habitation (douches, bains, entretien de la maison, dégraissage, usages en cuisine…)

En quelques mots le chauffe-eau solaire individuel (CESI) est l’application la plus répandue sur les toits calédoniens du fait de sa faible maintenance, sa forte durabilité et son fort rendement solaire. Un appoint électrique est installé en « option » afin de parer à d’éventuelles pluies prolongées. Une résistance est automatiquement incluse dans la cuve lors de sa fabrication et éventuellement reliée au tableau électrique, au choix du client.
En moyenne son utilisation par le particulier en Nouvelle Calédonie est de 7 % par an.

Deux types de modèles :

Il existe actuellement deux types d’installations  pour équiper le logement individuel sur le territoire :

-Installation en  Thermosiphon :

Ce type d’installation est le plus souvent commercialisé en Nouvelle Calédonie du fait du fonctionnement simple et peu couteux.
Le principe est très simple. Le revêtement du capteur solaire va absorber la chaleur du rayonnement qui est alors retenue et protégée par une vitre en verre trempé.
La cuve sera placée au dessus des capteurs. La circulation de l’eau se fait naturellement dans le  ballon grâce à la différence de densité entre l’eau chaude et l’eau froide. (Phénomène du Thermosiphon).

Installation Thermo-régulé :

Ce type d’installation est favorisé quand la toiture est en ossature légère ou que le cahier des charges du lotissement n’autorise pas la cuve sur le toit.
Dans ce type d’installation la cuve est en dessous des capteurs, ce qui va alors nécessiter l’utilisation d’un contrôleur qui vérifie la température de l’eau du réseau et d’une pompe de circulation qui va forcer l’eau chaude des capteurs à redescendre dans la cuve.

Sa composition :

– Un ou plusieurs capteurs solaires captent et transforment le rayonnement solaire en calories.
– Une cuve en acier inoxydable constitue la réserve d’eau chaude sanitaire.
– Accessoires : hydrauliques, électriques et de fixation

Certifications et normes

Il n’existe pas de normes à proprement dit dédiées au chauffe-eau solaire en Nouvelle Calédonie. Toutefois, certains fournisseurs de CES ont certifié, de manière volontaire, leurs produits, permettant au consommateur calédonien de mieux appréhender son futur achat de chauffe-eau solaire et de garantir la qualité des matériaux.
Ainsi, le matériel commercialisé et distribué en Nouvelle Calédonie doit idéalement respecter des normes de qualité attestant sa fiabilité et sa résistance (Zone cyclonique, norme sanitaire…) des produits commercialisés.

–    La certification CALSOL est un gage de qualité des installateurs de chauffe-eau solaires en Nouvelle-Calédonie. Seuls les installateurs adhérant à la démarche CALSOL peuvent faire bénéficier leurs clients de la prime ECOCASH du gouvernement de la Nouvelle-Calédonie sur les chauffe-eau solaires individuels.

–          CSTBAT est une certification qui, assure la qualité des produits et des installations en termes de performances environnementales et  énergétiques, ainsi que de leur résistance en zone cyclonique et sismique.

–          Solar Key Mark atteste de la conformité aux normes européennes établies par le CEN TC 312. Actuellement elle porte essentiellement sur les capteurs solaires.

–          Norme ACS est une attestation de conformité sanitaire. Ce label, reconnu par les institutions de santé, garantit l’innocuité des matériaux utilisés dans la fabrication des produits dont découle  la consommation d’eau.

puce_carre_bleu La cuisson solaire

En 1767, Horace de Saussure, un géologue et alpiniste franco-suisse, met au point le principe de la cuisson solaire.
Malgré cette découverte, la majorité des personnes utilisent toujours du bois, du charbon, du gaz ou de l’électricité pour se chauffer et cuire leurs aliments. Pourtant, l’énergie solaire, est gratuite, illimitée et non-polluante ! Aujourd’hui elle peut être utilisée pour cuire des aliments grâce à des fours solaires ou des cuiseurs paraboliques. La facture de gaz ou d’électricité diminue alors fortement !

Comment fonctionne la cuisson solaire ?

Tout simplement avec du soleil et un système capable d’amplifier le rayonnement solaire sur la marmite contenant la nourriture. Le principe est de concentrer un maximum de rayons du soleil au moyen de miroirs orientés vers un récipient qui va absorber les rayons et les transformer en chaleur.

Il existe 3 modes de cuisson solaire :

-Le four solaire Les rayons se concentrent à l’intérieur du four, la chaleur monte progressivement et cuit les aliments par effet de serre. Comme pour un four traditionnel, il faut un temps de préchauffage qui sera compris entre 20 et 30 minutes. L’augmentation progressive de la température permet une cuisson douce et sans surveillance.
-Le barbecue solaire Le barbecue solaire utilise le principe de la concentration des rayons. Grâce à sa forme parabolique, toute l’énergie du soleil se concentre sur le plat. Il n’y a ni dégagement de fumée, ni émissions de CO2.
-Le système hybride Ce système utilise la concentration solaire, l’effet de serre et le transfert de chaleur.

Un autre avantage de la cuisson solaire est que l’on n’a pas à surveiller ses plats : ils ne risquent pas de brûler. On peut donc vaquer à ses occupations la conscience tranquille sans craindre de rater son plat ou de déclencher un feu dans sa cuisine !

puce_carre_bleu L’énergie solaire thermodynamique

Ou heliothermodynamique ou encore thermosolaire.

Production de vapeur à partir de la chaleur du soleil par concentration, puis conversion de la vapeur en électricité.

Article à compléter

puce_carre_bleu L’énergie solaire passive

Utilisation directe de la lumière pour le chauffage.