© CRDP de Basse-Normandie
Le soleil : un rayonnement indispensable à la vie sur Terre.
Le Soleil, astre du jour vénéré par nos anciens, est une étoile indispensable à la vie sur Terre.
Son noyau, constitué en majeure partie d'hydrogène, est le siège de réactions thermonucléaires qui produisent surtout de l'hélium et un rayonnement sous une température de plusieurs dizaines de millions de degrés.
La majeure partie de ce rayonnement est absorbée par l'atmosphère avant d'atteindre la surface de notre planète.
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© CRDP de Basse-Normandie |
Cette absorption dépend de l'épaisseur traversée qui dépend elle-même de la date et de l'heure.
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Les trajets du rayonnement solaire dans l'atmosphère en fonction de la journée © CRDP de Basse-Normandie |
L'insolation d'une région dépend donc de sa latitude, de la saison et de l'heure de la journée.
Néanmoins, l'énergie solaire reçue par la Terre représente par an près de 15 000 fois la totalité de la consommation énergétique mondiale actuelle !
L'énergie solaire.
Il faut tout d'abord distinguer les deux types d'énergie solaire :
Les capteurs solaires thermiques
La température du capteur solaire augmente lorsqu'il est exposé au rayonnement solaire. Il émet à son tour un rayonnement électromagnétique de type infrarouge source de chaleur.
Le capteur solaire vitré.
Parmi les systèmes proposés, le capteur vitré est le plus répandu et le plus
mature. Il est composé d'une plaque métallique, nommée absorbeur, noircie pour absorber
le maximum du rayonnement et recouverte d'une vitre. Les rayons solaires traversent
la vitre, parviennent à l'absorbeur qui s'échauffe et émet des rayons infrarouges.
Les infrarouges sont retenus dans le capteur à cause de la vitre (effet de serre).
L'eau qui traverse le capteur récupère la chaleur pour la conduire jusqu'au consommateur.
Ces capteurs fournissent une eau dont la température peut atteindre 60° C, suffisante
pour les usages sanitaires et les planchers chauffants.
Le capteur sous vide.
Pour réduire les pertes thermiques, l'absorbeur du capteur vitré peut être monté
sous vide d'air, ce qui permet d'obtenir un meilleur rendement et de fournir de l'eau à des températures supérieures à 70° C, mais le coût est déjà plus élevé.
Le capteur autostockeur.
Pour la production d'eau chaude solaire individuelle ce type de capteur qui chauffe directement le stock d'eau est le plus simple et le plus économique du marché. Cependant, du fait de sa tendance à générer des pertes nocturnes il est surtout utilisé dans les DOM-TOM.
Par suite de l'irrégularité de l'ensoleillement, et en fonction des régions, le chauffe-eau solaire thermique ne peut couvrir en moyenne que 60% des besoins annuels en eau chaude des particuliers. Il ne permet donc pas de s'affranchir totalement d'autres sources d'énergie.
Exemple de maison solaire près d'Aix-les-Bains
© Systèmes solaires, n° 102 (www.energies-renouvelables.org).
les capteurs solaires à concentration
Leur principe consiste, comme avec une loupe, à faire converger tous les rayons solaires en un même point. On obtient ainsi des températures qui avoisinent les 400° C.
Ces capteurs sont de deux types : les capteurs à miroirs paraboliques et les capteurs à miroirs plans.
Les capteurs à miroirs paraboliques
Un récepteur de petite dimension est placé, au dessus du miroir, au point de convergence des rayons. Il assure, à la fois, l'absorption du rayonnement solaire et sa conversion en énergie mécanique puis électrique.
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Un capteur parabolique © CRDP de Basse-Normandie |
Les capteurs à miroirs plans
Un ensemble de miroirs plans mobiles concentre en permanence le rayonnement solaire vers
une chaudière située au sommet d'une tour. L'énergie reçue par la chaudière permet l
e fonctionnement d'une machine à vapeur qui entraîne une génératrice de courant.
Disposition des capteurs plans dans une centrale à tour
© CRDP de Basse-Normandie.
Les fours solaires.
Le four solaire est en fait l'addition des deux systèmes précédents, il est constitué d'un champ de miroirs plans mobiles et d'un grand miroir parabolique fixe qui concentre tout le rayonnement sur une surface réduite. Ces fours permettent d'obtenir des températures dépassant 3 000° C.
Disposition des miroirs dans un four solaire
© CRDP de Basse-Normandie
L'expérience de four solaire mise en œuvre par EDF dans les années 60 à Odeillo (Pyrénées-Orientales) fonctionne mais il n'y a pas eu d'autres développements. On peut penser, mais il faudrait interroger les responsables d'EDF pour en connaître les vraies raisons, que ce n'était pas suffisamment rentable face au pétrole.
Le four solaire d'Odeillo (Pyrénées-Orientales)
© Photo : F. Pharabod.
J'ai eu confirmation de ce que je pensais à la lecture du livre d'Hubert Reeves qui a lui même interrogé les responsables d'EDF à ce sujet. Il a effectivement été décidé de ne pas développer plus avant la technologie parce que cela n'était pas rentable!!
Vue à court terme consternante, après nous le déluge!!Le solaire thermique en France
Ordre de grandeur des économies d'énergies obtenues grâce à des installations solaires
© ADEME
Impulsé par l'ADEME dans le cadre du programme national Plan Soleil en 2000-2006,le parc des capteurs solaires augmente progressivement dans notre pays, mais trop lentement compte tenu de l'urgence de la lutte qui doit être menée contre l'effet de serre. On compte en 2003, 86400 m2 de capteurs installés, dont 53400 m2 en individuel, 17100 m2 en collectif et 15900 m2 en extension au chauffage (systèmes solaires combinés).
Il serait souhaitable, en France, que rapidement chaque citoyen dote son toit de capteur solaire afin d'en exploiter l'énergie.
A l'état de les y aider.Mais que font les pouvoirs publics pour encourager cette nécessaire mutation ?
L'Etat consent une incitation fiscale, sans doute trop timide eu égard aux enjeux (crédit d'impôt, réduction du taux de TVA), mais paradoxalement les subventions de l'ADEME, victime de l'austérité budgétaire, viennent de diminuer. L'état a ses raisons que la raison ignore.
Des conseils régionaux et parfois généraux apportent leur soutien dans le cadre des contrats de plan Etat-Régions. Une prime de 1400 euros est offerte dans beaucoup de régions pour l'installation d'un capteur type de 4 m2.
L'organisation et le développement de la filière sont, par ailleurs, encouragés avec notamment la charte Qualisol par laquelle les chauffagistes s'engagent à respecter les exigences de bonne pratique et de qualité du service rendu aux clients. Aujourd'hui 4000 installateurs Qualisol couvrent la quasi totalité du territoire national.
Mais, il y a quand même et c'est le point le plus positif, un début de prise en compte par une partie de l'opinion de la nécessité de protéger l'environnement.
Les panneaux solaires photovoltaïques.
Les cellules photovoltaïques présentent la propriété de convertir directement les rayons solaires en électricité. Le matériau semiconducteur le plus utilisé pour sa fabrication est, actuellement, le silicium cristallin, comme pour la plupart des composants de la micro-électronique.
Pour obtenir une puissance suffisante, les cellules sont reliées entre elles et constituent le module ou panneau solaire photovoltaïque. En fonction de la puissance désirée, les panneaux peuvent être assemblés pour constituer un champ photovoltaïque. L'ensemble est enfermé dans une enveloppe rigide et étanche dont la surface supérieure est transparente (verre ou plastique) et résistante aux intempéries.
Des produits de plus en plus diversifiés sont en cours de développement pour permettre une intégration plus simple dans les bâtiments et permettre simultanément à la production d'électricité d'assurer d'autres fonctions telles que la rigidité mécanique du bâtiment, l'isolation, la protection solaire ou la captation de l'énergie thermique.
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Un toit photovoltaïque en Finlande (chalet d'été) Les modules de toit assurent également des fonctions de couverture et d'isolation. © Photo : Naps Systems |
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La plupart des utilisations locales du photovoltaïque nécessite le stockage de l'électricité produite dans les batteries d'accumulateurs pour la restituer lorsque le soleil a disparu. La classique batterie au plomb offre actuellement la meilleure réponse en termes de prix et de durée de vie. Mais les recherches se poursuivent pour mettre au point de nouveaux produits mieux adaptés aux contraintes des applications photovoltaïques. Une centrale photovoltaïque se compose de plusieurs modules associés couvrant une grande surface, un onduleur permettant de convertir le courant continu en courant alternatif et un transformateur qui ajuste la tension pour que la centrale soit couplée au réseau général de distribution de l'électricité.
Les centrales photovoltaïques sont reliées au réseau général de distribution de l'électricité © CRDP de Basse-Normandie
La centrale de Rancho Seco (Californie) près de la centrale nucléaire © ADEME, photo Alain Liébard
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L'énergie photovoltaïque, source infinie d'électricité
L’énergie solaire est disponible partout sur la terre. L’Europe reçoit en moyenne chaque jour 3kWh par m2. Les déserts reçoivent 7kWh par m2. L'énergie solaire est donc l'énergie renouvelable absolue et mérite nos plus grands efforts de recherche et les plus gros investissements pour parvenir à la maîtriser.
L'énergie solaire photovoltaïque est incontestablement une solution d'avenir pour la production décentralisée d'électricité car elle constitue souvent la seule possibilité d'électrification des sites et villages isolés. Or, les besoins sont énormes car aujourd'hui encore, la moitié de la population mondiale vit à l'écart des réseaux électriques et c'est d'ailleurs dans les pays en voie de développement qu'elle est la plus utilisée en apportant le bien être aux gens isolés.
Dernières nouvelles de la science
le 18/12/2003 nous avons appris qu'un nouveau procédé venait d'être mis au point par les chercheurs d'EDF et du CNRS. Ce nouveau procédé améliore très nettement les rendements qui jusqu'à présent étaient considérés comme trop faible pour rendre la technologie suffisamment rentable (et oui! n'oublions jamais que le commerce dirige le monde).
L'innovation réside dans le procédé de fabrication du matériau " Cuivre, Indium, Sélénium " communément appelé CIS, qui constitue les pellicules de semi-conducteurs utilisées pour réaliser les cellules photovoltaïques. Jusqu'alors réalisé sous vide donc avec un coût très élevé, le CIS peut désormais être obtenu à pression atmosphérique grâce a un nouveau procédé électrolytique mis au point par EDF et le CNRS.
La révolution consiste a combiner une étape de dépôt électrochimique de diséléniure de cuivre et d’indium (CIS) suivie d'un recuit thermique. Ce nouveau procédé n'ayant plus besoin de condition de vide, il permet un gain considérable sur les coûts de production sans pour autant perdre en qualité.
Ce procédé présente de nombreux avantages :
Cette grande innovation a reçu le soutien de l'ADEME et d'une coopération avec Saint-Gobain Recherche. Les perspectives sont, bien entendu, excellentes si nos dirigeants le souhaitent.
D'autres pistes concernant le solaire sont également explorées, notamment :
Sources :
