Energie solaire

L’énergie solaire



1- Les centrales solaires

La production d’électricité solaire suit le même principe que les autres transformations de chaleur en électricité (centrales thermiques, centrales nucléaires…). On transforme la chaleur en énergie mécanique, sous la forme d’un gaz porté à haute température et haute pression qui fait tourner une turbine. Puis cette énergie mécanique est transformée en électricité : la turbine entraîne un alternateur. Pour que le système ait un bon rendement, il est indispensable d’obtenir des hautes températures pour chauffer le gaz.
Les capteurs solaires, même sous vide, ne permettent pas d’atteindre les très hautes températures nécessaires. Le principe d’une centrale solaire va donc être de concentrer les rayons solaires vers un point, comme on le fait avec une loupe pour enflammer un bout de papier !
Il existe 3 types de centrales solaires, en fonction de la méthode de focalisation des rayons solaires :
Les centrales à collecteurs cylindro-paraboliques : ce sont des alignements parallèles de longs miroirs hémicylindriques, qui tournent autour d’un axe horizontal pour suivre la course du soleil. Les rayons solaires sont concentrés sur un tube horizontal, où circule le fluide caloporteur qui servira à transporter la chaleur vers la centrale elle-même. La température du fluide peut monter jusqu’à 500° C. Ce type de centrale est le plus fréquent.
Les centrales à tours : un ensemble de miroirs orientables situés au sol concentrent tous le rayonnement solaire avec précision sur un même point : une chaudière située en haut d’une tour. La température obtenue ainsi est de 600° C.
Les centrales à collecteurs paraboliques : la même forme que nos antennes paraboliques, mais en plus grand ! Les paraboles ont un diamètre de 10 à 20 m et sont orientables.

Le rayonnement solaire est concentré sur la focale de la parabole, où se trouve une mini-centrale électrique. La température obtenue atteint 800° C. Les centrales solaires ne fonctionnent que le jour. Pour leur assurer un fonctionnement continu, on peut stocker du fluide caloporteur chaud dont on se servira la nuit, ou brûler des carburants traditionnels (gaz, charbon…) une fois le soleil couché.

Les centrales solaires ne peuvent pas être installées n’importe où. Pour qu’elles soient rentables, il faut :

- beaucoup de soleil pendant la plus grande partie de l’année ;
- une bonne transparence de l’air (donc dans une zone non polluée) ;
- beaucoup d’espace libre pour installer les miroirs et paraboles (2ha/MW de puissance) ;
- une zone plate si possible (pour faire des économies de pompage du fluide caloporteur) ;
- un réseau électrique pas trop éloigné, pour y apporter l’électricité produite.



2-Les capteurs solaires thermiques
Le principe des capteurs solaires thermiques est simple :
- une surface plane, le capteur lui-même, pour récupérer la chaleur solaire ;
- un système de circulation, pour transporter la chaleur vers un lieu de stockage ou d’utilisation ;
- un système de régulation, pour maintenir la température souhaitée.
Les capteurs sont de 3 types, suivant la température qu’on veut obtenir :

- Les capteurs non vitrés : ce sont de longs tubes noirs (la couleur qui piège le mieux la chaleur) en plastique ou en métal, dans lesquels circule de l’eau. Ils ne sont pas isolés, ce qui fait que l’élévation de température obtenue est faible : + 20° C par rapport à la température de l’air. Ces capteurs sont bien adaptés pour le chauffage des piscines.

- Les capteurs plans : ils comprennent un caisson isolant au-dessus duquel est fixée une vitre en verre ou en plastique. A l’intérieur, une feuille métallique noire absorbe la chaleur du soleil, qui est emprisonnée dans le caisson. Cette chaleur est transmise à de l’air, de l’eau, ou un autre fluide caloporteur qui ne gèle pas en hiver. Le fluide caloporteur circule librement ou dans des tuyaux vers le point d’utilisation. L’élévation de température par rapport à la température de l’air ambiant peut atteindre + 70° C. C’est l’idéal pour produire de l’eau chaude pour la maison ou pour le chauffage de tous les types de bâtiments.

- Les capteurs sous vide : ils se présentent sous la forme d’un panneau où sont alignés une série de tubes de verre transparent. Dans ces tubes, on a fait le vide, qui est un des meilleurs isolants thermiques existants. Dans chaque tube, un absorbeur capte la chaleur solaire et un système d’échangeur de chaleur la transmet à un fluide caloporteur. Comme pour les autres capteurs, le fluide caloporteur circule vers les points d’utilisation. Avec ce système, les déperditions de chaleur sont très faibles. La température peut s’élever jusqu’à 100-140° C Ces capteurs sont adaptés aux applications industrielles qui nécessitent de hautes températures.

Le système de circulation comporte une pompe de circulation ou un thermosiphon. Le thermosiphon joue sur le fait que l’eau chaude est plus légère que l’eau froide. Dans un circuit de tuyaux vertical, l’eau chaude monte d’elle-même et l’eau froide descend.

Un thermosiphon ne peut fonctionner que si le point d’utilisation de l’eau chaude est situé au-dessus du capteur. Le système de régulation est équipé de sondes de mesure de la température
et d’un thermostat contrôlant la mise en route ou l’arrêt de la pompe de circulation.
3-L’énergie solaire photovoltaïque
L’effet photovoltaïque (ou encore photoélectrique), conversion de la lumière en électricité, a été découvert par Becquerel en 1839. Mais il n’a reçu une application industrielle qu’en 1954, en particulier dans le domaine spatial.

Comment ça marche ? Les photons (particules constitutives de la lumière) sont capables de déloger les électrons périphériques de certains atomes d’éléments semi-conducteurs, et de produire ainsi du courant électrique (le courant électrique est un déplacement d’électrons). La plupart des capteurs photovoltaïques utilisent les propriétés du silicium. Cet élément offre de bons rendements et est abondant dans la nature. Les rendements varient de 5 à 16 % suivant le type de cristallisation du silicium (10 à 16 % pour du silicium polycristallin, 5 à 10 % pour du silicium amorphe), les cellules les plus efficaces coûtant plus cher à fabriquer. Les recherches se poursuivent pour tenter d’améliorer les rendements.

Un capteur photovoltaïque est un panneau dans lequel sont intégrées des cellules photovoltaïques (appelées aussi photopiles). En fonction de l’agencement des cellules dans le panneau, on obtient la puissance désirée et la tension de sortie (12, 24, 48 V…) en courant continu (on utilise un convertisseur continu/alternatif ou DC/AC pour transformer le courant continu en courant alternatif permettant d’alimenter le réseau électrique ou, directement, la plupart des appareils électriques modernes). La grande majorité des panneaux délivrent une puissance de 50 à 200 Wc (Watt crête. La puissance d’une photopile varie avec l’ensoleillement. Le Watt crête représente la puissance fournie dans les conditions standards de référence : éclairement solaire de 1000 W/m² et température de 25° C). Les cellules sont fragiles : pour cette raison, elles sont encapsulées au sein de panneaux solaires, afin de les protéger des chocs et de l’humidité.
Utilisation
L’électricité photovoltaïque a plusieurs utilisations :
- l’alimentation électrique de sites et d’habitations isolés, situés loin d’un réseau électrique (zones rurales dans les pays en développement, relais de communication, téléphones sur les autoroutes, balises en mer, satellites…) pour 25 à 30 % du marché ;
- des systèmes raccordés au réseau électrique (toits et murs photovoltaïques de maisons, centrales photovoltaïques) pour 70 à 75 % du marché.
- d’autres applications individuelles, comme les montres et les calculettes alimentées par des cellules de faible puissance, pour 2 à 5 % du marché.

L’investissement dans la production d’électricité photovoltaïque coûte cher. Elle doit être stimulée par des aides importantes. C’est le cas par exemple en France, depuis une loi passée en février 2000. Les aides prennent la forme d’une obligation de rachat par EDF de l’électricité produite à un tarif supérieur au tarif normal. Ces aides s’appliquent à toutes les énergies renouvelables pour de petites unités de production (< 12 MW,) mais c’est l’électricité photovoltaïque qui est rachetée au tarif le plus élevé (0,15 €/kWh contre, par exemple, 0,08 €/kWh pour l’éolien). En Allemagne, le tarif de rachat de l’électricité photovoltaïque est de 0,6 €/kWh.

Les aides passent aussi par des incitations fiscales : ainsi, depuis janvier 2005, les Français qui désirent s’équiper d’un système photovoltaïque peuvent percevoir un crédit d’impôt de 40 % du montant de l’équipement.