Energie solaire électrique et thermique

L'énergie solaire : définition

Le soleil, bien que distant de plus de 150 millions de kilomètres de nous, demeure notre plus grande source d'énergie même si elle est intermittente avec l'alternance jour / nuit. L'énergie fournie par le soleil est plus de 11 000 fois supérieure à la demande énergétique de toute la population mondiale : ce qui, théoriquement, en fait une énergie largement suffisante pour couvrir tous nos besoins.

L'énergie solaire, peut être convertie en luminosité dans l'habitat mais aussi en chaleur ou en électricité.
A ce titre, l'énergie solaire permet de s'orienter vers l'autonomie énergétique à l'échelle de l'habitat voire du quartier.

L'architecture solaire passive

Afin de profiter "passivement" de la chaleur et de la lumière du soleil, il faut aménager les bâtiments en fonction des apports solaires. Le principe du chauffage solaire passif est assuré par des ouvertures vitrées adéquates orientées vers le soleil et une isolation convenable pour éviter les risques de déperditions calorifiques. Il faut aussi stocker la chaleur afin de continuer à chauffer le bâtiment lorsque le soleil ne brille plus et la rediriger vers les zones qui n'en bénéficient pas grâce à la thermocirculation (mouvement naturel de l'air chaud qui monte) ou des ventilateurs.
En milieu tempéré, il faut s'assurer que le logement est bien exposé plein sud. De plus, les vitrages doivent être concus pour capter au maximum le soleil l'hiver, sans surchauffer la maison l'été. D'ou l'obligation de mettre des avancées de toit ou par-soleil. La chaleur est stockée dans les murs.

Chauffage et eau chaude solaires (soleil >> chaleur)

La production d'eau chaude sanitaire ou pour le chauffage des locaux ne nécessitent que des températures avoisinant les 50 à 60°C et peuvent même être de 25°C dans le cas de planchers chauffants. Cela permet de chauffer l'habitat collectif et individuel, des écoles, des résidences pour personnes âgées, bâtiments administratifs, bureaux...

Les capteurs solaires

Cette chaleur a basse température peut être obtenue à partir du soleil en captant son rayonnement sur des surfaces planes.
Dans ces capteurs plans circule soit de l'air, soit directement l'eau à réchauffer ou un liquide "caloporteur" qui transfera sa chaleur à l'eau par un échangeur.
Le fluide caloporteur est dirigé vers un ballon soit par une pompe ou l'effet de thermosiphon (tout fluide chauffé monte) où il cède sa chaleur : le ballon peut-être placé au-dessus du capteur.

Domaines d'applications

Mise hors gel de salles de sport, séchage de produits agricoles (fourrage), planchers chauffants, eau chaude sanitaire, piscines publiques...

Les capteurs solaires de toit fournissent de l'eau chaude à près de 40 millions de foyers dans le monde, la plupart d'entre eux en Chine (REN21, 11/2005).
Par exemple, fin 2003, 1 000 m² de toits étaient équipés de panneaux thermiques dans une cité du XIVè arrondissement de Paris. L'eau de la ville arrive à 12°C environ et est portée à 30-40°C grâce au circuit alimenté à l'énergie solaire. Enfin, le chauffage au gaz permet d'atteindre les 55°C maximum. Ce système complémentaire permet d'économiser environ 30% sur chaque m3 d'eau chaude.

Les centrales électriques thermiques solaires (soleil >> chaleur >> electricité)

Rappelons que la plupart des grandes centrales électriques fonctionne selon le même principe : il y a transformation de chaleur issue de vapeur ou de gaz à très haute température et à haute pression en énergie mécanique : ce sont les mouvements des turbines ou des pistons qui font ensuite tourner un générateur électrique qui crée donc du courant. Le rendement final est d'autant plus élevé que la chaleur fournie au départ est à haute température.
Ceci ne peut être obtenu qu'en concentrant les rayons solaires vers un point : phénomène connu depuis longtemps mais l'avènement des centrales électriques solaires remonte aux années 70 voire 80.

On considère que ces centrales ne sont concevables que dans les régions du globe où le rayonnement direct du soleil dépasse 1900 Kwh par m² et par an, et là où la transparence atmosphérique est bonne (donc dans les régions arides et montagneuses).

Les trois principaux types de centrales solaires se distinguent surtout par la manière dont on focalise les rayons solaires.

Collecteurs cylindro-paraboliques

Ce sont de longs miroirs cylindriques qui concentrent les rayons du Soleil sur une ligne ce qui permet d'élever la température jusqu'à 400°C

Les centrales à tour

Les centrales à tour sont composés d'un belvédère cerné par un champ de miroir orientables situés sur le sol (les "héliostats") qui suivent la course du Soleil et renvoient ses rayons vers le haut de la tour ou est installé une chaudière.
Le soleil, ainsi concentré, chauffe une résine liquide dans la parabole, qui est ensuite acheminée dans la centrale pour chauffer l'eau et produire de la vapeur qui produit de l'électricité. Le liquide a aussi déjà réchauffé les sels qui servent sous forme fondue à accumuler de la chaleur et produire de l'électricité hors ensoleillement.

Principe de fonctionnement d'une tour solaire et de ses heliostats.
© CNRS

Si cette technologie est moins répandue et plus couteuse que les panneaux photovoltaïques classiques, elle à l'avantage de continuer à produire de l'énergie même après le coucher du soleil.

Collecteurs paraboliques

Les collecteurs paraboliques ressemblent à nos antennes de TV, dirigés en permanence vers le soleil et concentrent les rayons vers le point focal de cette parabole.

Les deux dernières techniques qui concentrent les rayons vers un point peuvent obtenir des températures allant jusqu'à 1000 °C.

L'électricité solaire photovoltaïque (soleil >> électricité)

L'effet photovoltaïque, découvert par le physicien Becquerel en 1839 permet la conversion directe du rayonnement solaire en électricité lorsque les photons (particules de lumière) parviennent à mettre en mouvement les atomes de certains matériaux. C'est seulement en 1954 que cette découverte fut appliquée.

Une cellule solaire fait appel à des matériaux semi-conducteurs utilisés en électronique : le silicium très présent dans la nature est le plus utilisé.
Les installations photovoltaïques se présentent sous la forme d'un panneau rectangulaire un "module photovoltaïque" aux voltages et puissance désirés.

Principe de fonctionnement de l'effet photvoltaïque.
© CNRS

Toutefois, le rendement énergétique n'est que de 5 à 20% (frôle les 80% en laboratoire), le reste se dissipant sous forme de chaleur. De plus, ce rendement diminue lorsque les panneaux voient leur température monter. D'où l'idée de récupérer cette chaleur pour optimiser le rendement électrique et obtenir une source de chauffage.

Domaines d'application

• 5% de petits appareils : montres, calculettes, gadgets alimentés par des cellules de faible puissance
• 80% de générateurs autonomes pour l'alimentation d'habitations isolées, des zones rurales des pays en voie de développement, de relais de télécommunication, de systèmes professionnels variés (balises en mer, mesures météo, parcmètres...). Depuis peu, il existe aussi des tuiles solaires qui s'intégre mieux dans le paysage urbain
• Notons enfin que si les 10 000 km² de toitures existantes étaient couvertes de panneaux solaires, la production d'électricité serait de 1 000 TWh par an soit près du double de la consommation intérieure brute actuelle (516,4 TWh en 2004).