1. L’énergie solaire
Fig 1 : Planisphère de l’ensoleillement (moyenne des années 1991, 1992, 1993)
Le Soleil, situé à 150 millions de km de la Terre, émet des ondes
lumineuses visibles (lumière blanche) et invisibles (ultraviolets et infrarouges).
Ces ondes arrivent sur Terre grâce aux photons. Ce sont ces photons, particules
d’énergie, qui sont utilisés par les panneaux solaires pour produire chaleur et
électricité.
On récupère l’énergie solaire dans deux buts principaux : produire de l’électricité et
produire de la chaleur. Les dispositifs utilisés sont appelés panneaux solaires. On en distingue
deux sortes :
-les panneaux thermiques, qui produisent de la chaleur
-les panneaux photovoltaïques, qui produisent de l’électricité
PARTIE I : La production d’électricité
1) fabrication des panneaux
Les panneaux photovoltaïques (fig 2) sont
constitués de plaques de plusieurs couches de
silicium, un élément métalloïde composant
aussi le verre et le quartz. Ce silicium subit
d’importantes transformations :
-il est purifié jusqu’à obtenir un matériau
pur à 95 %
-on lui incorpore du phosphore ou de
l’aluminium (éléments situés juste avant et
juste après lui dans la classification
périodique) : on dit qu’on le dope N ou P (voir
plus bas)
Fig 2 : Panneaux photovoltaïques
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2. -on le dépose sur une couche plane (substrat) en utilisant un procédé appelé épitaxie par
jet moléculaire : il s’agit de faire évaporer, sous vide
très poussé, le silicium dopé en dessous du substrat. La
matière ainsi évaporée vient se déposer sur le substrat en
formant des cristaux alignés les uns à côté des autres : on
parle de silicium monocristallin.
Cette fabrication consomme énormément d’énergie, c’est
la raison pour laquelle il existe depuis peu d’autres
procédés de fabrication moins gourmands en énergie
comme le remplacement du silicium monocristallin par
du silicium amorphe ou poly-cristallin (fig 3), du
tellurure de cadmium ou de l’arséniure de gallium. On
développe aussi des produits ayant un bon rendement
pour une faible épaisseur, pour fabriquer des
photogénérateurs bon marché. Fig 3 : Cellule photovoltaïque poly
cristalline
2) mode de fonctionnement (voir
diaporama)
Les panneaux solaires sont intégrés dans des circuits comprenant généralement un
onduleur, qui permet de transformer le courant continu généré en courant alternatif, et des
accumulateurs, permettant de stocker de l’énergie. Par sécurité, on y place aussi une diode.
3) Consommation d’énergie
On a vu que la fabrication d’un
panneau solaire consommait énormément
d’énergie. Cependant, lors de son
fonctionnement, un panneau solaire
photovoltaïque ne demande aucune
alimentation en énergie.
4) Restrictions d’usage
On peut installer des panneaux
solaires presque partout dans le monde,
même dans des zones peu ensoleillées.
Cependant, ce système ne peut être
utilisé à grande échelle, dans des
centrales, par exemple, car le coût
d’installation et l’impact sur
l’environnement (pollution visuelle) mis
en relation avec la puissance produite
rendent cette technologie non rentable.
Fig 4 : Ensoleillement en France en J/cm2 (kWh/m2) Les photogénérateurs sont destinés à une
utilisation privée, rendant ainsi les
habitations équipées en partie ou totalement autonomes du point de vue énergétique.
5) Rendement
Théoriquement, un module photovoltaïque parfait génère une intensité de 30mA/cm2.
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3. . Dans les faits, on obtient un rendement de (en % de l’énergie solaire reçue) :
- 21 à 31 % pour le silicium monocristallin (particulièrement efficace par fort ensoleillement)
- 7 à 12 % pour le silicium amorphe (particulièrement efficace par temps nuageux)
- 25 à 34 % pour l’arséniure de gallium (GaAs), mais son prix élevé le réserve à la haute
technologie.
On reçoit en moyenne une énergie de 1 kW/m2 à midi sur Terre (1.367 kW/m2 dans l’Espace).
On calcule la puissance d’une installation solaire comme suit :
surface de panneaux * énergie reçue* durée d’ensoleillement * rendement = puissance/ unité
de temps. Ex : à Nancy, avec 4 m2 : 4*1*1220*0.12 = 585.6 kW/an
Un module photovoltaïque a une durée de vie d’environ 15 à 30 ans.
6) Coûts
Un kWh d’électricité solaire revient à 0.30 €.
La pose d’un module photovoltaïque est
d’environ 2000 €, et le prix d’un panneau
(sans pose) oscille entre 5 et 10 € le kWc,
selon une enquête réalisée par le site
« outilssolaires.com ». Les surplus de
productions sont rachetés obligatoirement par
EDF à 0.30 € le kWh.
7) Innovations
On a développé des modules
photovoltaïques semi transparents qui sont
appliqués en vitrage et permettent donc
d’aménager une vaste surface sans nuisances
visuelles, comme à la bibliothèque de Mataro,
à Barcelone. Ceux-ci fournissent jusqu’à 53
kW et leur opacité diminue les apports solaires
à l’intérieur des locaux, l’été. De plus, les
prototypes de voitures, de bateaux et même d’avions solaires se multiplient.
Enfin, on commence à installer des modules photovoltaïques dans des « zones de nuisance »,
en les incorporant dans des panneaux anti-bruit, comme au bord de l’A21, en France.
Récemment, deux chercheurs japonais de l'université de Yokohama ont conçu un capteur
révolutionnaire capable de stocker l'énergie solaire sans batterie. Ce dispositif nommé photo
condensateur promet une simplification des installations photovoltaïques. Ce capteur serait
deux fois plus performant que les capteurs classiques à base de silicium et pourrait donc
fonctionner avec une lumière de faible intensité.
Outre l’intérêt écologique, les photogénérateurs ont un intérêt humanitaire puisque
leur simplicité d’utilisation a permis leur installation dans de nombreux villages africains,
pour l’éclairage des maisons (ce qui améliore indirectement les résultats scolaires) et les
pompes à eaux.
8) Historique
La première réaction photovoltaïque a été observée en 1839 par Becquerel. Le premier
module a été mis au point en 1883 par Frits, avec du sélénium.
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4. PARTIE II. La production de chaleur
1) Principe
On utilise l’effet de serre
dans des panneaux solaires
transparents et creux à
l’intérieur desquels circule de
l’eau, un réfrigérant ou de l’air
dans des tubes munis d’ailettes,
pour récupérer un maximum de
calories. Les calories de la
lumière sont « emprisonnées »
dans le panneau et conduites
dans le fluide. Celui-ci circule
tout seul par un système de
siphon thermique dans le
Fig 5 : Chauffe-eau solaire système dit « à circulation
naturelle »: le fluide chaud est moins dense et va monter alors que le fluide froid va
descendre.
2) Applications
On peut donc, avec l’eau ou le réfrigérant, chauffer un ballon d’eau chaude
domestique (auquel cas on souple souvent un chauffage d’appoint pour garder un confort
d’utilisation au pus dur de l’hiver), chauffer une maison (par plancher chauffant), ou une
piscine, ou encore, avec de l’air, ventiler et chauffer une maison ou des locaux agricoles
(silos à grains). Certaines technologies permettent même de climatiser une maison, mais leur
prix est élevé.
3) Rendement
Un panneau solaire
thermique, à eau ou à air, utilise 80
% de l’énergie qu’il reçoit. Ce
rendement est fonction de la
transparence du verre dont est
constitué le panneau (on arrive à
des rendements de 95% avec des
verres très purs). 2 à 4 m2 de
panneaux suffisent à chauffer un
ballon de 150 à 200 L d’eau. Fig 6 : Chauffe-eau solaire constitué de plaques posées au dessus
d’un réflecteur
4) Coût
Pour un chauffe-eau solaire (fig 5), compter 3000 à 5000 €. L’Ademe (Agence de
l’Environnement et de la Maîtrise de l’énergie) rembourse 1400 euros et les économies
réalisées sont de l’ordre de 50 à 80 % du budget chauffe-eau électrique. Pour un chauffage
solaire, compter 5000 à 9000 € pou une économie de 30 à 60 % suivant les régions.
Conclusion
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5. Les panneaux solaires permettent de rendre une maison en partie voire totalement
autonome dans sa production d’électricité et de chaleur, et de réaliser des économies
substantielles. Et le problème de la fabrication, gourmande et coûteuse, est en passe d’être
résolue. Néanmoins, il existe d’autres manières d’exploiter l’énergie solaire, comme la
concentration thermodynamique (fours ou centrales solaires).
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