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Synthèse énergie solaire
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Synthèse énergie solaire

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  • 1. L’énergie solaire Fig 1 : Planisphère de l’ensoleillement (moyenne des années 1991, 1992, 1993) Le Soleil, situé à 150 millions de km de la Terre, émet des ondeslumineuses visibles (lumière blanche) et invisibles (ultraviolets et infrarouges).Ces ondes arrivent sur Terre grâce aux photons. Ce sont ces photons, particulesd’énergie, qui sont utilisés par les panneaux solaires pour produire chaleur etélectricité. On récupère l’énergie solaire dans deux buts principaux : produire de l’électricité etproduire de la chaleur. Les dispositifs utilisés sont appelés panneaux solaires. On en distinguedeux sortes :-les panneaux thermiques, qui produisent de la chaleur-les panneaux photovoltaïques, qui produisent de l’électricitéPARTIE I : La production d’électricité 1) fabrication des panneaux Les panneaux photovoltaïques (fig 2) sont constitués de plaques de plusieurs couches de silicium, un élément métalloïde composant aussi le verre et le quartz. Ce silicium subit d’importantes transformations : -il est purifié jusqu’à obtenir un matériau pur à 95 % -on lui incorpore du phosphore ou de l’aluminium (éléments situés juste avant et juste après lui dans la classification périodique) : on dit qu’on le dope N ou P (voir plus bas)Fig 2 : Panneaux photovoltaïques Licence Creative Commons BY-NC-SA – La Gazette/Arle Uein
  • 2. -on le dépose sur une couche plane (substrat) en utilisant un procédé appelé épitaxie parjet moléculaire : il s’agit de faire évaporer, sous videtrès poussé, le silicium dopé en dessous du substrat. Lamatière ainsi évaporée vient se déposer sur le substrat enformant des cristaux alignés les uns à côté des autres : onparle de silicium monocristallin.Cette fabrication consomme énormément d’énergie, c’estla raison pour laquelle il existe depuis peu d’autresprocédés de fabrication moins gourmands en énergiecomme le remplacement du silicium monocristallin pardu silicium amorphe ou poly-cristallin (fig 3), dutellurure de cadmium ou de l’arséniure de gallium. Ondéveloppe aussi des produits ayant un bon rendementpour une faible épaisseur, pour fabriquer desphotogénérateurs bon marché. Fig 3 : Cellule photovoltaïque poly cristalline 2) mode de fonctionnement (voirdiaporama) Les panneaux solaires sont intégrés dans des circuits comprenant généralement unonduleur, qui permet de transformer le courant continu généré en courant alternatif, et desaccumulateurs, permettant de stocker de l’énergie. Par sécurité, on y place aussi une diode. 3) Consommation d’énergie On a vu que la fabrication d’un panneau solaire consommait énormément d’énergie. Cependant, lors de son fonctionnement, un panneau solaire photovoltaïque ne demande aucune alimentation en énergie. 4) Restrictions d’usage On peut installer des panneaux solaires presque partout dans le monde, même dans des zones peu ensoleillées. Cependant, ce système ne peut être utilisé à grande échelle, dans des centrales, par exemple, car le coût d’installation et l’impact sur l’environnement (pollution visuelle) mis en relation avec la puissance produite rendent cette technologie non rentable.Fig 4 : Ensoleillement en France en J/cm2 (kWh/m2) Les photogénérateurs sont destinés à une utilisation privée, rendant ainsi leshabitations équipées en partie ou totalement autonomes du point de vue énergétique. 5) Rendement Théoriquement, un module photovoltaïque parfait génère une intensité de 30mA/cm2. Licence Creative Commons BY-NC-SA – La Gazette/Arle Uein
  • 3. . Dans les faits, on obtient un rendement de (en % de l’énergie solaire reçue) :- 21 à 31 % pour le silicium monocristallin (particulièrement efficace par fort ensoleillement)- 7 à 12 % pour le silicium amorphe (particulièrement efficace par temps nuageux)- 25 à 34 % pour l’arséniure de gallium (GaAs), mais son prix élevé le réserve à la hautetechnologie.On reçoit en moyenne une énergie de 1 kW/m2 à midi sur Terre (1.367 kW/m2 dans l’Espace).On calcule la puissance d’une installation solaire comme suit :surface de panneaux * énergie reçue* durée d’ensoleillement * rendement = puissance/ unitéde temps. Ex : à Nancy, avec 4 m2 : 4*1*1220*0.12 = 585.6 kW/anUn module photovoltaïque a une durée de vie d’environ 15 à 30 ans. 6) Coûts Un kWh d’électricité solaire revient à 0.30 €. La pose d’un module photovoltaïque est d’environ 2000 €, et le prix d’un panneau (sans pose) oscille entre 5 et 10 € le kWc, selon une enquête réalisée par le site « outilssolaires.com ». Les surplus de productions sont rachetés obligatoirement par EDF à 0.30 € le kWh. 7) Innovations On a développé des modules photovoltaïques semi transparents qui sont appliqués en vitrage et permettent donc d’aménager une vaste surface sans nuisances visuelles, comme à la bibliothèque de Mataro, à Barcelone. Ceux-ci fournissent jusqu’à 53 kW et leur opacité diminue les apports solaires à l’intérieur des locaux, l’été. De plus, lesprototypes de voitures, de bateaux et même d’avions solaires se multiplient.Enfin, on commence à installer des modules photovoltaïques dans des « zones de nuisance »,en les incorporant dans des panneaux anti-bruit, comme au bord de l’A21, en France.Récemment, deux chercheurs japonais de luniversité de Yokohama ont conçu un capteurrévolutionnaire capable de stocker lénergie solaire sans batterie. Ce dispositif nommé photocondensateur promet une simplification des installations photovoltaïques. Ce capteur seraitdeux fois plus performant que les capteurs classiques à base de silicium et pourrait doncfonctionner avec une lumière de faible intensité. Outre l’intérêt écologique, les photogénérateurs ont un intérêt humanitaire puisqueleur simplicité d’utilisation a permis leur installation dans de nombreux villages africains,pour l’éclairage des maisons (ce qui améliore indirectement les résultats scolaires) et lespompes à eaux.8) Historique La première réaction photovoltaïque a été observée en 1839 par Becquerel. Le premiermodule a été mis au point en 1883 par Frits, avec du sélénium. Licence Creative Commons BY-NC-SA – La Gazette/Arle Uein
  • 4. PARTIE II. La production de chaleur1) Principe On utilise l’effet de serre dans des panneaux solaires transparents et creux à l’intérieur desquels circule de l’eau, un réfrigérant ou de l’air dans des tubes munis d’ailettes, pour récupérer un maximum de calories. Les calories de la lumière sont « emprisonnées » dans le panneau et conduites dans le fluide. Celui-ci circule tout seul par un système de siphon thermique dans leFig 5 : Chauffe-eau solaire système dit « à circulationnaturelle »: le fluide chaud est moins dense et va monter alors que le fluide froid vadescendre.2) Applications On peut donc, avec l’eau ou le réfrigérant, chauffer un ballon d’eau chaudedomestique (auquel cas on souple souvent un chauffage d’appoint pour garder un confortd’utilisation au pus dur de l’hiver), chauffer une maison (par plancher chauffant), ou unepiscine, ou encore, avec de l’air, ventiler et chauffer une maison ou des locaux agricoles(silos à grains). Certaines technologies permettent même de climatiser une maison, mais leurprix est élevé.3) Rendement Un panneau solairethermique, à eau ou à air, utilise 80% de l’énergie qu’il reçoit. Cerendement est fonction de latransparence du verre dont estconstitué le panneau (on arrive àdes rendements de 95% avec desverres très purs). 2 à 4 m2 depanneaux suffisent à chauffer unballon de 150 à 200 L d’eau. Fig 6 : Chauffe-eau solaire constitué de plaques posées au dessus d’un réflecteur4) Coût Pour un chauffe-eau solaire (fig 5), compter 3000 à 5000 €. L’Ademe (Agence del’Environnement et de la Maîtrise de l’énergie) rembourse 1400 euros et les économiesréalisées sont de l’ordre de 50 à 80 % du budget chauffe-eau électrique. Pour un chauffagesolaire, compter 5000 à 9000 € pou une économie de 30 à 60 % suivant les régions.Conclusion Licence Creative Commons BY-NC-SA – La Gazette/Arle Uein
  • 5. Les panneaux solaires permettent de rendre une maison en partie voire totalementautonome dans sa production d’électricité et de chaleur, et de réaliser des économiessubstantielles. Et le problème de la fabrication, gourmande et coûteuse, est en passe d’êtrerésolue. Néanmoins, il existe d’autres manières d’exploiter l’énergie solaire, comme laconcentration thermodynamique (fours ou centrales solaires). Licence Creative Commons BY-NC-SA – La Gazette/Arle Uein