solaire, énergie.

solaire, énergie. 1 PRÉSENTATION solaire, énergie, énergie produite par le Soleil à la suite de réactions de fusion thermonucléaire, source de la plupart des énergies disponibles sur Terre et exploitable pour la production d'électricité. L'énergie solaire se propage dans l'espace sous la forme de « grains «, ou quanta d'énergie, les photons ; elle est sans cesse renouvelée. 2 CONSTANTE SOLAIRE En 1837, le physicien français Claude Pouillet introduisit la notion de constante solaire. Il remarqua que la puissance du rayonnement solaire, mesurée sur le bord extérieur de l'atmosphère terrestre, est pratiquement invariable lorsque la Terre est à une distance moyenne du Soleil. Cette constante est égale à 1 350 W/m2 et fluctue d'environ 0,2 p. 100 tous les trente ans. L'intensité de l'énergie solaire réellement disponible à la surface de la Terre est inférieure à la constante solaire en raison de l'absorption et de la dispersion de cette énergie, due à l'interaction des photons avec l'atmosphère, les nuages ou encore les fumées produites par la pollution. La puissance solaire disponible en tout point de la Terre dépend également du jour, de l'heure et de la latitude du point de réception. De plus, la quantité d'énergie solaire captée est fonction de l'orientation du récepteur. 3 ÉNERGIE SOLAIRE ET MILIEU NATUREL Le Soleil rayonne sur la Terre une puissance de 16.1015 kWh par an, dans toutes les longueurs d'onde du spectre de la lumière visible. L'énergie lumineuse issue du Soleil est à la base de la majeure partie des formes d'énergie disponibles : énergies chimique, thermique, hydraulique, électrique. Par exemple, les combustibles fossiles, tels que le charbon, le gaz naturel et le pétrole, ont été formés à la suite d'un stockage d'énergie solaire par des organismes, sur une longue période. En fait, l'énergie nucléaire est la seule à ne pas provenir de l'énergie solaire. Cette dernière est indispensable pour maintenir sur Terre les conditions lumineuses et thermiques nécessaires à la vie. Par exemple, la photosynthèse utilise cette énergie pour fournir aux plantes chlorophylliennes de la matière organique. Soixante pour cent de l'énergie solaire qui atteint la Terre est réfléchie par l'atmosphère ; 11 p. 100 est réfléchie par le sol et la végétation ; 16 p. 100 entretient, par évaporation, le cycle de l'eau ( voir Eau), qui produit la pluie, les eaux de montagne et de rivière. Voir aussi Bioénergétique. 4 STOCKAGE ET EXPLOITATION DE L'ÉNERGIE SOLAIRE Du fait de sa nature et de sa puissance très variable à la surface de la Terre en un point donné, il est difficile d'exploiter ou de stocker l'énergie solaire sans la transformer au préalable. Pour cela, on utilise l'effet de serre, les capteurs solaires, les fours solaires, le refroidissement solaire et les photopiles. Dans les procédés thermiques, la puissance solaire sert à chauffer un gaz ou un liquide, qui est ensuite stocké ou distribué. Dans les dispositifs photovoltaïques, elle est directement convertie en énergie électrique sans mécanismes intermédiaires. 4.1 Serre La méthode la plus simple pour exploiter l'énergie solaire passe par la serre utilisée en agriculture. Dans une serre, le sol de couleur foncée absorbe toutes les radiations du spectre lumineux, ce qui provoque son échauffement. La vitre transparente qui recouvre la serre laisse passer le rayonnement solaire, mais piège le rayonnement calorifique qui se dégage du sol. Ce phénomène, appelé effet de serre, est également mis à profit pour réaliser des habitations solaires munies d'une véranda. Le stockage de cette énergie calorifique se fait alors au moyen de pierres ou de réservoirs d'eau, qui restituent lentement la chaleur. 4.2 Capteurs solaires Il existe deux principaux types de capteurs solaires : les capteurs plans et les capteurs par concentration. 4.2.1 Capteurs plans Les capteurs plans absorbent le rayonnement solaire au moyen d'une plaque peinte en noir et munie de fins conduits destinés au fluide caloporteur. Lorsqu'il traverse les conduits, sa température (liquide ou air) augmente en raison du transfert de la chaleur reçue par la plaque absorbante. L'énergie transmise au fluide caloporteur est le rendement instantané du capteur. Comme une serre, les capteurs plans sont munis d'un vitrage transparent, qui piège le rayonnement calorifique s'échappant de la plaque absorbante. Ils peuvent chauffer les fluides caloporteurs à des températures légèrement supérieures à 80 °C, avec un rendement variant entre 40 et 80 p. 100. Les capteurs plans sont surtout utilisés dans la production d'eau chaude sanitaire. Les capteurs fixes à usage domestique sont généralement installés sur le toit des habitations. Dans l'hémisphère Nord, ils sont orientés vers le sud, et dans l'hémisphère Sud, vers le nord. L'efficacité des capteurs dépend de l'angle qu'ils forment avec le plan horizontal. Leur inclinaison optimale varie selon la latitude de l'installation. Le fluide utilisé dans le système de chauffage solaire est l'air ou un liquide (eau ou mélange eau-antigel) ; le stockage thermique s'effectue généralement dans un accumulateur à pierre ou un réservoir d'eau bien isolé. 4.2.2 Capteurs par concentration Les capteurs plans ne peuvent généralement pas porter les fluides caloporteurs à très haute température. En revanche, il est possible d'utiliser des capteurs par concentration, mais ils sont plus complexes et plus onéreux. Il s'agit de réflecteurs en demi-cercle qui renvoient et concentrent l'énergie solaire sur un tuyau où circule un fluide caloporteur. Cette concentration entraîne une augmentation de l'intensité, et les températures obtenues sur le récepteur (appelé cible) peuvent atteindre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de degrés Celsius. Pour être efficaces, les concentrateurs doivent se déplacer pour suivre la course apparente du Soleil. De telles installations servent notamment en Arabie saoudite, pour la désalinisation de l'eau de mer par évaporation. 4.3 Fours solaires Les concentrateurs à haute température peuvent servir de fours solaires. Le plus grand d'entre eux, situé à Odeillo, près de Mont-Louis dans les Pyrénées-Orientales, est muni de 9 600 réflecteurs plans et orientables, appelés héliostats. Ces derniers couvrent une surface totale d'environ 1 860 m2. Ils concentrent l'énergie solaire sur un four placé en haut d'une tour ; on peut alors obtenir des températures allant jusqu'à 4 000 °C. Grâce à de tels fours, il est possible de mener des recherches nécessitant des températures élevées et un environnement exempt de polluants. Le four peut également être remplacé par une chaudière. La vapeur produite peut être utilisée dans le cycle traditionnel d'une centrale thermique pour produire de l'électricité. 4.4 Refroidissement solaire Le refroidissement solaire peut être obtenu en utilisant de l'énergie solaire comme source de chaleur dans un cycle de refroidissement par absorption. Le générateur de ces systèmes requiert une source de chaleur. Comme ces dispositifs nécessitent des températures de plus de 150 °C, les capteurs par concentration sont plus adaptés que les capteurs plans à ces cycles thermiques. Voir aussi Réfrigération. 4.5 Photopiles Les systèmes de transformation précédents ne permettent pas de transporter l'énergie solaire sur de grandes distances. Pour cela, on convertit cette énergie en électricité, plus facile à transporter, grâce à des dispositifs photovoltaïques. Les cellules solaires, ou photopiles, sont formées d'une couche d'un matériau semi-conducteur -- silicium amorphe, polycristallin ou monocristallin, arséniure de gallium ou matériau en « couches minces « -- et d'une jonction semi-conductrice. Le silicium est le plus employé ; cependant, l'arséniure de gallium offre les meilleures performances, mais reste beaucoup plus onéreux. Les photopiles utilisent l'effet photovoltaïque : un photon incident excite un électron situé dans la bande de conduction du semiconducteur (voir Solides, physique des ; Métaux). Une photopile est caractérisée par trois paramètres : le courant de court-circuit, c'est-à-dire l'intensité du courant traversant la photopile lorsque ses bornes sont reliées l'une à l'autre ; la tension mesurée en circuit ouvert ; le rendement, rapport de la puissance maximale fournie par la photopile sur la puissance solaire reçue. En laboratoire, on obtient des photopiles à plus de 24 p. 100 de rendement. Si la puissance solaire à terre est de 1 000 W/m2, 1 m2 de ces photopiles fournit 240 W. Toutefois, elles restent trop onéreuses pour être commercialisées. Elles sont utilisées principalement pour l'alimentation électrique des satellites dans l'espace. Actuellement, les photopiles les moins coûteuses à produire sont constituées de silicium amorphe. Bien que de très faible rendement, 6 à 8 p. 100, elles sont suffisantes pour de nombreuses applications peu gourmandes en énergie, comme les calculatrices, les montres électroniques ou encore les ampoules fluorescentes à faible consommation électrique. Les photopiles commerciales au silicium polycristallin, voire monocristallin, atteignent un rendement de 12 à 16 p. 100. On les emploie, par exemple, pour la signalisation lumineuse dans des sites d'accès difficile, comme le balisage des aéroports de montagne ou pour les bouées en pleine mer. Depuis 1996, des photopiles alimentent également tous les téléphones de secours des autoroutes de l'est de la France, permettant ainsi l'économie de milliers de kilomètres de fils électriques. Pour mesurer les progrès des photopiles, tous les deux ans, une course de voitures recouvertes de cellules solaires est organisée en Australie. Ces véhicules, n'utilisant que l'énergie solaire pour se mouvoir et dont les plus performants atteignent une vitesse de pointe de 140 km/h, sont aussi coûteux qu'une Formule 1. En novembre 1996, le vainqueur a parcouru les 3 000 km de cette épreuve en quatre jours, à la moyenne record de 89 km/h. 4.6 Autres systèmes de stockage L'intensité de l'énergie solaire reçue à terre peut varier dans des proportions considérables selon les conditions climatiques. L'excédent d'énergie produit en période de faible demande doit donc être stocké pour répondre aux besoins en cas de manque d'énergie solaire. Outre les simples systèmes de stockage d'eau ou d'accumulateurs à pierre, il est possible d'utiliser des dispositifs plus compacts, utilisant les caractéristiques de changement de phase des sels eutectiques (sels dont la fusion s'effectue à faible température), notamment pour les applications de refroidissement. Des batteries peuvent également être utilisées pour stocker l'énergie électrique produite par les systèmes photoélectriques. Un concept plus vaste consisterait à fournir l'excédent d'électricité aux réseaux existants et à utiliser ces réseaux comme des sources complémentaires lorsque l'énergie solaire est insuffisante. Toutefois, le coût et la fiabilité d'un tel projet limitent cette possibilité. Voir aussi Électricité, production et distribution de l' ; Énergie, économies d' ; Hydraulique, énergie. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.