a) L'énergie solaire.

« Nous ne vivons pas d’autre chose que d’énergie solaire ; nous la mangeons, et c’est elle qui nous maintient debout, qui fait mouvoir nos muscles, qui corporellement opère en nous tous nos actes. Elle est peut-être, sous des formes diverses, la seule chose qui constitue une force antagoniste à la pesanteur ; c’est elle qui monte dans les arbres, qui par nos bras soulève des fardeaux, qui meut nos moteurs. Elle procède d’une source inaccessible et dont nous ne pouvons pas nous rapprocher même d’un pas. Elle descend continuellement sur nous. »

Simone Weil - La condition ouvrière

Malgrè l'annonce pessimiste des scientifiques face au réchauffement climatique et à la fin des ressources d'énergies fossiles, les énergies propres et particuliérement l'énergie solaire sont des espoirs pour demain. En effet, cette derniére est une énergie non-polluante qui transforme la lumiére en électricité sans rejeter de Co2 dans l'atmosphére.

Qu'est ce que l'énergie solaire thermique:

Voici comment l'on peut définir l'énergie solaire thermique: c'est la transformation des rayons solaires en chaleur. Cette transformation en chaleur, et donc en énergie thermique, permet de chauffer de l'eau ou de l'air et de les utiliser dans différentes situations.
Elle peut être utilisée directement, pour chauffer un bâtiment par exemple ou bien indirectement, pour obtenir de l'énergie électrique. Cependant, son utilisation la plus courante est l'usage direct.
 

Comment fonctionne un systéme solaire thermique.

L'énergie solaire thermique utilise le rayon solaire et le transforme en énergie thermique.
Le principe général est de concentrer les rayons solaires en un seul endroit. En effet, tout d'abord, le systéme solaire thermique va capter les rayons du soleil, grâce à ses capteurs solaires qui transmettent l'énergie solaire à des absorbateurs metalliques.
Puis, dans un deuxième temps, ces derniers réchauffent des tuyaux dans lesquels circule un fluide coloporteur, c'est à dire un circuit qui reçoit de la chaleur en un point et qui la rejette en un autre point.
Enfin, cette chaleur va être tranférée, grâce à un dispositif de transport de chaleur jusqu'à l'endroit de la piéce que l'on veut chauffer.



Pour étudier l'énergie solaire thermique, nous allons voir comment fonctionne un chauffe balon solaire.

Les panneaux solaire thermiques vont chauffer l'eau d'une maison grâce à l'énergie solaire.
Tout d'abord, on observe que les capteurs solaires vont capter les rayons du soleil.
Puis, l'absorbateur, un matériau absorbant dans lequel circule un fluide thermique, va transformer les rayons du soleil qu'il a capter, pour en faire de la chaleur. Cette chaleur est aussi appelée énergie thermique.
Enfin, le fluide va circuler jusqu'à un échangeur thermique, où il céde sa chaleur, pour revenir ensuite par circuit fermé au capteur solaire grâce à une pompe.

Fonctionnement d'un chauffe-ballon solaire.

Cependant, un chauffe balon ne peut pas produire de l'eau chaude tous les jours. En effet, si l'ensoleillement est insuffisante ou si les besoins sont supériéur.
Toutefois, c'est un investissement assez faible et un chauffe ballon fonctionne très facilement.
 


Qu'
est ce que l'énergie solaire photovoltaique.

On remarque que l'énergie lumineuse, que produit le soleil, peut couvrir dix mille fois les besoins en énergie necessaire pour les six milliards d'Hommes sur terre!
Toutefois, l'on ne peut pas se servir de cette énergie propre directement. Il faut donc se servir d'un montage appelé systéme solaire. Ce dernier a pour but de convertir l'énergie solaire délivrée en énergie utilisable, c'est à dire en énergie thermique ou électrique.

 

Les différentes énergies solaires.


Le panneau photovoltaique.

Le systéme solaire photovoltaïque, aussi appelé systéme solaire PV, est le disposotif qui permet de convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique. On appelle ce dispositif l'effet photovoltaïque, du nom Alessandro Volta, qui est l'inventeur de la pile électrochimique en 1800.
On utilise ce systéme pour des panneaux photovoltaïques. Ces derniers sont un assemblage d'une vingtaine de cellules photovoltaïques, souvent appelées "cellules solaires". Ces derniéres sont composées d'un composant électronique qui, quand il reçoit de la lumiére, délivrent une tension allant de 0.5V à 0.6V.

La cellule photovoltaique.
On observe que la cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de matériaux appelés semi-conducteur. Plus de 90% des cellules photovoltaïques sont en Silicium. De plus, cette cellule est composée de deux couches:

D'une part, la couche supérieur de la cellule, qui est composée de Silicium, est appelée la zone N. Dans cette couche, il existe une plus grande quantité d'électrons libres superieur à la couche de silicium pur: on dit que cette couche est dopée N. En effet, cette derniére est négative, à cause des électrons.
Cependant, le matériau reste électriquement neutre: c'est le réseau du cristallin qui supporte une charge positive.

D'autre part, la couche inferieur de la cellule, qui est, aussi, composée Silicium, est appelée la zone P. Dans cette couche, il existe une moins grande quantité d'électrons libres par rapport à la couche de silicium pur. Les électrons sont liés au réseau cristallin qui est donc chargé positivement.
Lorsque la lumiére arrive sur le panneau solaire, elle dépose des photons. Ces derniers sont à l'origine de la rupture entre les atomes de Silicium et les électrons, ce qui modifie les charges électriques: on appelle ceci l'effet photovoltaïque.
Les atomes qui sont, eux chargé positivement, vont alors dans la zone P et les électrons, chargé négativement vont dans la zone N. Une différence de tension électrique entre les électrons et les protons est alors créee.

La cellule photovoltaique.

 

 

On remarque trois types de cellules photovoltaïques qui sont plus ou moins productives selon la qualité du Silicium:

- les cellules monocristallines : le rendement est très bon (15 à 22% *) mais le coût de fabrication est élevé.

- les cellules polycristallines : elles sont moins chères à fabriquer mais le rendement est un peu moins bon (10 à 13% *).
- les cellules amorphes : leur coût est très faible mais le rendement l'est aussi (5 à 10% *).

* Un rendement de 10% signifie que pour une puissance de 1000 W qui arriverait sur le panneau, celui-ci produirait 100 W.

 

 

Le rendement d'un panneau solaire photovoltaique.

Un panneau constitué de 20 cellules photovoltaïques va donc délivrer une tension U de 12V, et cela quelque soit l'ensoleillement. Mais pour faire fonctionner des appareils électriques, c'est la puissance P (en Watt) qui détermine l'énergie électrique. Et P=U×I, c'est donc l'intensité du panneau qui va déterminer l'énergie électrique. Et c'est l'intensité qui varie en fontion de l'ensoleillement.

Exemple:
- Si on prend, par exemple, un panneau de 12V, lorsque l'ensoleillement solaire est maximale (1000 W/m2), l'intensité
et la puissance délivrées, par le panneau, seront élevées.

Puissance (W) = Tension (V) x Intensité (A)
P = 12 x 10
P = 120W
 

La puissance fournie dans les conditions optimales est 120 W pour une irradiation de 1000 W, le rendement est donc de 12%, on peut donc déduire que ce panneau est constitué de cellules polycristallines.

- Lorsque l'irradiation solaire est faible (50 W/m²), l'intensité et la puissance délivrées par le panneau seront faibles.

P = U x I
P = 12 x 0.5
P = 6

La puissance fournie pour une faible irradiation solaire peut être de 6 W. On peut toujours y aller pour faire fonctionner un four qui consomme 3500 W ! Une forte irradiation solaire est donc indispensable.

Coût et rentabilité.

Les rendements des panneaux solaires varient selon de nombreux facteurs, mais en mettant tous les atouts de notre côté, nous verrons à quel point les panneaux solaires peuvent être rentables.

- L'influence de l'angle d'incidence:
L'angle d'incidence, c'est l'angle formé par les rayons du Soleil et le plan du panneau.

 

 

L'angle d'incidence joue un rôle majeur pour les rendements du panneau. Il est défini selon l'équation suivante :

R = Sin ß x 100
(R correspond au rendement en % et ß l'angle d'incidence en ° )

 

Ainsi, le rendement est maximal lorsque les rayons arrivent perpendiculairement au panneau. En effet, on obtient l'équation:

R = Sin ß x 100
R = Sin 90 x 100
R = 100%


Voici donc le graphique représentatif du rendement en fonction de l'angle d'incidence :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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