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Changements climatiques et énergie
Les sources d'énergie alternatives : l'énergie solaire

Lorsque nous pensons « énergie renouvelable », la première chose qui nous vient à l'esprit, c'est le soleil. La lumière du soleil est chaude, brillante et disponible. Problématique : comment capter l'énergie de la lumière du soleil et la convertir en éléments utilisables par tout le monde, par exemple, en eau chaude, en vapeur ou en électricité ?

Nous savons depuis le 7ème siècle avant J.C que la concentration des rayons du soleil à travers une loupe grossissante peut permettre d’allumer un feu. Les grecs, les romains et les chinois utilisaient des miroirs pour capter et concentrer la lumière du soleil et allumer les torches pendant les cérémonies religieuses. Cependant, la production d'énergie à grande échelle s'avère bien plus complexe.

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Avec l'aimable autorisation de NREL

Des panneaux solaires couvrent un pan du toit de cette maison neuve.

Les scientifiques et les inventeurs travaillent sur le sujet depuis plus de 200 ans. Mais, dans les années 1970, les prix des carburants fossiles ont commencé à grimper. Dans le même temps, les préoccupations liées à la pollution générée par les énergies fossiles, et ses conséquences sur le climat se sont accrues. Longtemps, l'énergie solaire a été très peu rentable. Le coût des installations était très élevé. C'est seulement dans les années 1980 que l'énergie solaire a commencé à être utilisée plus communément. Lentement, tranquillement, l'énergie solaire a été introduite dans toutes sortes d'usages quotidiens. Des installations solaires alimentent toutes sortes d'équipements, du réseau électrique général dans certaines régions aux éclairages urbains, piscines et autres machines à calculer.

L'énergie solaire ne constitue pas une technologie unique. En effet, il existe trois méthodes utilisées couramment, chacune adaptée à un ensemble d'utilisations. Certaines sont basées sur des concepts développés il y a des années, tandis que d'autres sont plus récentes. Examinons comment elles ont été développées et quelles sont celles disponibles aujourd'hui.

Histoire

Les scientifiques s'interrogent sur le potentiel de l'énergie solaire depuis des années. Les premières tentatives d’exploitation de l'énergie solaire ont eu lieu au XIXème siècle. Au début des années 1860, Auguste Mouchout, un français, plaça un chaudron d'eau en fer sous du verre. La lumière du soleil fit chauffer le chaudron et bouillir l'eau. Mouchout découvrit que le fait d'ajouter un réflecteur en métal poli concentrait la lumière du soleil, amenait l'eau à son point d'ébullition plus rapidement, et permettait d'accroître la quantité de vapeur produite. Après quelques modifications mineures apportées à son système, il fut en mesure d'alimenter un petit moteur. Ce fut la première étape vers le capteur solaire avec concentration moderne.

 

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Avec l'aimable autorisation de Perlin /Butti Solar Archives,

Abel Pifre, l'assistant de Mouchout, utilise une parabole solaire pour alimenter une presse à la fin des années 1880.

A la fin des années 1870, William Adams, officier britannique en Inde, reprit les idées de Mouchout. Il remplaça le réflecteur en métal poli par un groupe de miroirs placés en demi-cercle autour de la chaudière. Ces miroirs concentraient la lumière, ce qui faisait bouillir l'eau plus rapidement. La conception d'Adams est toujours utilisée aujourd'hui, sous forme de centrale à tour. Adams a également écrit le premier livre consacré à l'énergie solaire intitulé « Solar Energy: A Substitute for Fuel in Tropical Countries » (Energie solaire : un substitut au pétrole dans les pays tropicaux).

L'inventeur américain Charles Fritts construisit la première pile solaire au début des années 1880. Cet appareil convertissait moins d'1 % de la lumière en électricité, ce qui n'était ni efficace, ni très utile.

A la fin des années 1880, le français Charles Tellier construisit un collecteur solaire très similaire au collecteur plan actuel. Son installation comprenait 10 plaques, chacune composée de deux feuilles métalliques rivetées ensemble. Des tubes remplis d'ammoniaque reliaient les plaques entre elles. Tellier avait choisi l'ammoniaque car son point d'ébullition est plus faible que celui de l'eau. La chaleur de la lumière du soleil qui frappait les plaques convertissait l'ammoniaque en vapeur d'ammoniaque. La vapeur alimentait le moteur d'une pompe à eau. Par la suite, Tellier inséra la partie supérieure de l'appareil dans de l'eau et en isola le fond, pour gagner en efficacité. Cependant, il ne poursuivit pas le projet, s'orientant plutôt vers le développement des techniques de réfrigération.

 

Clarence Kemp de Baltimore, Maryland, breveta le premier chauffe-eau solaire commercial en 1891. Il était réalisé à partir d'un appareil nommé « boîte chaude », un conteneur isolé avec l'intérieur peint en noir et recouvert de verre. Sachant que les conteneurs en métal chauffent ce qu'ils contiennent, Kemp plaça un réservoir d'eau dans la boîte chaude. La combinaison du métal, de la peinture noire et de la boîte intégrée permettait à l'eau dans le réservoir de conserver la chaleur de la journée plus longtemps qu’un simple réservoir.

Après 10 ans d'expérimentation sur les moteurs solaires, Aubrey Eneas de Boston fonda Solar Motor Co. en 1900. En 1904, il fit la démonstration de son appareil. L'immense réflecteur, qui mesurait 10 mètres de diamètre comprenait 1 788 miroirs individuels. La chaudière contenait 378,5 litres d'eau et générait 2,5 chevaux vapeur. Eneas vendit deux de ces machines. Malheureusement, ses moteurs solaires ne supportaient pas les orages : le premier fut détruit par une tempête, le second, par un orage de grêle.

 


 

L'entrepreneur américain Frank Shuman construisit le premier générateur solaire en 1912, pour alimenter une pompe d'irrigation dans le désert égyptien près du Caire. Son usine Sun Power Co. mit en place une rangée de paraboles concentrant l'énergie solaire dans des tubes remplis d'eau insérés dans du verre. Dans un système ressemblant étonnamment aux centrales solaires modernes, l'eau présente dans les tubes se transformait en vapeur, laquelle alimentait à son tour une pompe à eau. La centrale de Shuman fonctionna pendant les tests, mais avant qu'elle puisse fonctionner pour de bon, la première guerre mondiale éclata. La centrale fut détruite pendant les batailles en Afrique du nord.

 

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Avec l'aimable autorisation de Perlin /Butti Solar Archives,

L'ingénieur américain Frank Shuman réalisa ces collecteurs paraboliques en Egypte en 1912.

Après la première guerre mondiale, l'intérêt pour l'énergie solaire déclina. Les combustibles fossiles étaient disponibles et leur prix, peu élevé. Le développement commercial des technologies solaires fut interrompu. Cependant, les recherches sur l'énergie solaire continuèrent. Les systèmes utilisés actuellement ou en cours de développement sont fondés sur le travail de ces pionniers de l'énergie solaire.

Collecteurs solaires avec concentration

Les collecteurs solaires avec concentration collectent et concentrent la lumière du soleil à l'aide de miroirs et produisent d'importantes quantités d'électricité. La lumière ainsi captée chauffe l'eau, ou un autre liquide, pour produire de la vapeur. La vapeur alimente un générateur pour produire de l'électricité. La quantité d'énergie produite par les systèmes de collecteurs solaires varie. Des systèmes de petite taille peuvent alimenter un village. Les systèmes plus grands peuvent produire l'électricité nécessaire pour alimenter le réseau électrique d'une région.

 

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Avec l'aimable autorisation de NREL
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Diagramme centrale à tour cylindro
parabolique

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Avec l'aimable autorisation du Département américain de l'énergie (DOE).

Système à gouttières
paraboliques au sol.

Il existe trois types de collecteurs solaires. Les centrales solaires plus grandes utilisent de longues gouttières en forme de parabole pour collecter et concentrer la lumière du soleil, puis la convertir en énergie. Les gouttières sont alignées selon un axe nord-sud pour suivre les mouvements du soleil. Au centre de la gouttière se trouve un tube rempli de fluide de transfert de chaleur, le plus souvent, de l'huile. La gouttière réfléchissante concentre la chaleur du soleil dans le tube. Le fluide réchauffé chauffe l'eau et la transforme en vapeur. Cela fournit l'électricité nécessaire à un générateur de vapeur. Les gouttières sont placées en lignes parallèles pour former un champ collecteur. Certaines centrales ont des capacités de stockage pour stocker l'énergie thermique à utiliser pendant la nuit. Les systèmes de gouttières importants peuvent générer 80 mégawatts de puissance. Voilà qui est suffisant pour alimenter le réseau électrique d'une région !
 

Le système parabole/moteur utilise un groupe de miroirs disposés en forme de parabole. La parabole s'oriente en fonction du soleil, collectant et concentrant l'énergie solaire. Les miroirs concentrent l'énergie vers un récepteur. Situé sur le point foyer de la parabole, le récepteur est équipé d'un dispositif de transfert de chaleur, de tubes remplis d'hydrogène, d'hélium ou d'un fluide qui bout, est transformé en gaz puis se condense, pour transférer la chaleur vers un petit moteur, souvent nommé moteur Stirling. Monté lui aussi sur le point foyer, le moteur crée l'énergie mécanique permettant d'actionner un générateur et de produire de l'électricité. Le système parabole-moteur a une rentabilité d'environ 30 %et représente le plus efficace des collecteurs solaires.

 

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Avec l'aimable autorisation de DOE.

Schéma du système parabole/moteur.

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Avec l'aimable autorisation des laboratoires Sandia National

Système parabole/moteur solaire au sol.

La tour solaire est située parmi des miroirs qui suivent la trajectoire du soleil et concentrent cette dernière sur un récepteur situé au sommet de la tour. Les miroirs, nommés héliostats, sont plus ou moins disposés en cercle autour de la tour. Un fluide de transfert de chaleur situé au centre du récepteur génère de la vapeur permettant d'alimenter un générateur. Dans les premières centrales à tour, le fluide de transfert thermique était la vapeur. Le sel de nitrate a remplacé la vapeur, car il présente de meilleures performances en matière de transfert thermique et de stockage à des fins d'utilisation ultérieure. Les centrales à tour produisent de 52 à 200 mégawatts de puissance. L'utilisation de centrales à tour est envisagée en Afrique du Sud, ainsi que dans d'autres régions du monde.

 

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Illustration courtesy of Energy Information Administration.

La centrale à tour utilise des miroirs situés au sol pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur au sommet de la tour.

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Avec l'aimable autorisation du Département américain de l'énergie (DOE).

Tour solaire expérimentale en exploitation.

Systèmes à énergie solaire photovoltaïques

Les systèmes à énergie solaire photovoltaïques utilisent des semi-conducteurs (la matière qui sert à fabriquer les puces informatiques) pour créer de l'électricité à partir de la lumière du soleil. Au cœur des systèmes photovoltaïques se trouve la cellule photovoltaïque. Une cellule est constituée de deux tranches de semi-conducteurs contenant les produits chimiques nécessaires à la création d'un champ électrique. Lorsque la lumière du soleil en frappe la surface, le champ électrique déplace les électrons dans une direction spécifique. Cela crée un courant électrique. Chaque cellule ne produit qu'un ou deux watts. Mais les cellules peuvent être regroupées en modules pour produire plus d'électricité, pour des utilisations nécessitant davantage de puissance, et les modules peuvent être regroupés en barrettes. Une barrette peut inclure un ou plusieurs modules en fonction de la puissance nécessaire. Les systèmes photovoltaïques ont une rentabilité de 10 %, et la recherche devrait faire passer cette efficacité à 20 % sous peu.

 

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Illustration courtesy of Florida Solar Energy Center.

Diagramme d'une cellule photovoltaïque.

La cellule photovoltaïque a été développée en 1953. Après cinq ans de recherche et de développement, des cellules photovoltaïques en silicone à l'épreuve des rayonnements étaient utilisées dans des satellites. Le satellite américain Vanguard I, lancé le 17 mars 1958, fonctionnait grâce à l'énergie photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques produisent désormais la plupart de l'énergie électrique utilisée dans l'espace. Sur Terre, elles alimentent surtout des calculatrices à énergie solaire, l'éclairage urbain et la signalisation routière. Cependant, les systèmes photovoltaïques peuvent être de n'importe quelle taille, en fonction de la quantité d'électricité nécessaire. Parmi les produits en cours de développement, il existe des toits photovoltaïques, utilisés en complément de l'énergie traditionnelle. De nombreux systèmes de ce type fonctionnent avec une installation locale ou un système de batterie, pour garantir le fonctionnement électrique pendant la nuit ou les jours nuageux.

Systèmes solaires thermiques

 

Les systèmes solaires thermiques chauffent de l'eau destinée aux piscines, aux maisons et aux bureaux. Il existe deux types de collecteurs : les collecteurs plans et les capteurs à tube sous vide.

 

 

Les collecteurs plans fonctionnent mieux pour les utilisations résidentielles limitées, par exemple, le chauffage de l'eau ou de l'air. L'appareil se compose d'un caisson en métal isolé contenant une plaque de cuivre ou d'aluminium foncé. La couleur foncée de l'absorbeur vient des revêtements spéciaux qui absorbent et retiennent mieux la chaleur que le métal brut ou la peinture noire classique. Une couverture en verre ou en plastique couvre le caisson. La lumière frappe le collecteur plan et chauffe l'absorbeur.

 

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Illustrations (dessous et en bas à droite) avec l'aimable autorisation du Département américain de l'énergie (DOE).

Les collecteurs plans sont utilisés pour le chauffage de l'eau domestique et les installations de chauffage hydronique pour l'espace.

 

 

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Avec l'aimable autorisation de The Solarserver,

Schéma d'un collecteur plan.

Le support utilisé entre le revêtement et l'absorbeur dépend de la nature du collecteur plan (liquide ou aérien). Le collecteur plan liquide, utilisé pour chauffer l'eau, contient une suite de tubes placés sur l'absorbeur. Les tubes contiennent de l'eau chauffée par l'absorbeur. L'eau chauffée peut alors être utilisée dans une maison ou dans une piscine. Les collecteurs plans utilisés pour les piscines extérieures sont en général non couverts, pour maintenir des prix bas. C'est ainsi parce que l'eau du bassin doit être seulement un peu plus chaude que la température ambiante, les piscines intérieures et les spas utilisent des collecteurs plus chers, vitrés. Les collecteurs plans aériens contiennent des couches de plaques métalliques au-dessus des absorbeurs, pour réchauffer l'air du collecteur. Ils sont utilisés pour le chauffage de l'espace et sont en général plus efficaces que les collecteurs plans liquides. Les collecteurs plans chauffent le liquide ou l'air à moins de 82,2°C. Ces collecteurs sont installés en panneaux, et la taille du système dépend du volume d'eau chaude nécessaire, que ce soit pour une piscine, une maison ou un immeuble.

 

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Avec l'aimable autorisation de l'DOE.

Les collecteurs plans aériens sont utilisés pour le chauffage de l'espace.

 

 

Les capteurs à tube sous vide chauffent jusqu'à des températures de 77 ° à 177 °C. Cela signifie qu'ils génèrent plus de puissance que les collecteurs plans standard. Les systèmes de capteurs à tube sous vide se composent de rangées parallèles de tubes en verre. Chaque tube en verre contient un autre tube. Le tube intérieur est le tube absorbeur en métal avec un revêtement absorbant la chaleur. La lumière du soleil est convertie en énergie thermique, transférée directement vers l'eau ou le fluide utilisé pour chauffer l'eau. Les capteurs à tube sous vide trouvent davantage d'applications pour le refroidissement et les applications commerciales et industrielles.

Une caractéristique unique du système de capteurs à tube sous vide est que l'espace situé entre les deux tubes est vide. Le vide permet l'isolation, retenant plus longtemps la chaleur recueillie auprès du soleil dans les tubes. Cela signifie que les tubes ne perdent que très peu de chaleur dans l'environnement. Ce type de système peut être utilisé dans les régions où le climat est froid ou le temps nuageux.

 

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Illustrations (below and bottom right) courtesy of DOE.

Les systèmes de capteurs à tube sous vides sont efficaces à haute température.

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Avec l'aimable autorisation de Sol Heat Ltd,

Système de capteurs à tube sous vide monté sur un toit.

 

Comme les systèmes photovoltaïques, la chaleur issue du pétrole ou du gaz naturel fournit une source d'alimentation de secours pour les systèmes thermiques solaires, pour maintenir le niveau d'eau chaude souhaité.

Problèmes

Le principal obstacle à l'énergie solaire a longtemps été le coût de l'installation, et cela reste d'actualité. Un équipement solaire coûte beaucoup plus cher qu'un équipement d'énergie traditionnelle. Il faut attendre plusieurs années d'utilisation avant de sentir le retour sur investissement. Par exemple, un système de capteurs à tube sous vide coûte deux fois plus cher qu'un collecteur solaire sans concentration. En outre, les systèmes ont une durée de vie de 20 ans. Aux États-Unis, chaque état doit offrir des plans de remise pour les personnes passant à un système de chauffage solaire.


Recherches en cours

L'éclairage solaire hybride est toujours en cours de développement. Cette technologie utilise les collecteurs montés sur le toit pour transmettre l'énergie directement à des câbles de fibre optique connectés à des installations montées dans la pièce. Les installations fournissent alors de la lumière. Le système est connecté à un système électrique pour les jours nuageux. Cela permet d'économiser de l'énergie, en particulier pendant les heures de pointe.
 


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