L’énergie de la plupart des combustibles que l’homme utilise provient du soleil. Pourquoi alors ne pas capter directement l’énergie solaire plutôt que d’attendre que la nature la transforme en combustibles fossiles.

Le Soleil envoie 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.

60% de l'énergie solaire qui atteint la Terre est réfléchie par l'atmosphère ; 11% est réfléchie par le sol et la végétation ; 16% entretient, par évaporation, le cycle de l'eau , qui produit la pluie, les eaux de montagne et de rivière.

Capteurs solaires:

Il existe deux principaux types de capteurs solaires : les capteurs plans et les capteurs par concentration.

 

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 infraouge 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 %.

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.

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 foyer) 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.(c'est le même principe qu'on utilise dans le projet "solaictreau")

Fours solaires:

La focalisation de la lumière solaire avec des miroirs est une idée qui a souvent retenue l’attention. Elle s’est concrétisée par la mise au point de photopiles de grande taille. L’avantage de ce système est de pouvoir atteindre des températures élevées favorables à une production efficace d’électricité. Mais il y a deux inconvénients. Le premier concerne la nécessité d’assurer aux miroirs la mobilité requise pour maintenir la convergence du rayonnement solaire vers le capteur. Le second a trait aux coûts élevés de fabrication et d’entretien de ces installations. Dans certains pays en développement, on a essayé à plusieurs reprises d’introduire des cuisinières solaires pour remplacer les longues heures passées à la collecte du bois nécessaire à la cuisson des aliments. Trois raisons principales expliquent l’insucée de ces tentatives : La première est d’ordre pécuniaire : le coût d’acquisition de ces cuisinières était trop élevé pour les populations de ces pays. La deuxième est d’ordre fonctionnel : c’est sous la chaleur brûlante du soleil de midi que ces cuisinières fonctionnent le mieux, alors que les populations préfèrent cuisiner le soir. La dernière est d’ordre pratique : l’utilisation de ces cuisinières est difficile et les risques de brûlures trop présents.

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.

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.

Chauffage solaire :

À la différence du chauffage solaire actif qui requiert un équipement spécifique (système de stockage, fluide caloporteur, etc.), le chauffage passif utilise les éléments structuraux d'une habitation pour capter l'énergie solaire. Ainsi, cette maison est pourvue d'une véranda convenablement orientée. L'hiver, l'énergie solaire chauffe le mur en pierre. La chaleur dégagée par le mur est piégée par le vitrage transparent de la véranda. L'été, des stores ou des volets occultent le vitrage.

 

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. Produire de l’électricité à partir de plaques solaires constitue sans doute la solution la plus intéressante pour l’avenir. Si le prix de ces plaques solaires pouvait être abaissé, cette solution permettrait d’échapper à la complexité des moteurs thermiques , des turbines, des générateurs, à la pollution et aux déchets radioactifs. 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 semi-conducteur. 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% 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%) 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%. 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. Des photopiles alimentent également les téléphones de secours des autoroutes, 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 .

L’électricité produite part ces piles pourrait alors concurrencer celle obtenue par les combustibles fossiles. Mais toutes les formes d’énergie solaire présenteront toujours le même inconvénient : cette énergie n’est disponible que la journée et s’affaiblit en hiver alors que les besoins domestiques sont plus important à cette même époque. Il faut, par conséquent, trouver une autre source d’énergie renouvelable disponible aussi bien le jour que la nuit, d’été comme hiver. Il en existe une : le vent.