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Synthèse énergie solaire

A
arleuein
1  sur  5
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 ondes
lumineuses visibles (lumière blanche) et invisibles (ultraviolets et infrarouges).
Ces ondes arrivent sur Terre grâce aux photons. Ce sont ces photons, particules
d’énergie, qui sont utilisés par les panneaux solaires pour produire chaleur et
électricité.

        On récupère l’énergie solaire dans deux buts principaux : produire de l’électricité et
produire de la chaleur. Les dispositifs utilisés sont appelés panneaux solaires. On en distingue
deux sortes :
-les panneaux thermiques, qui produisent de la chaleur
-les panneaux photovoltaïques, qui produisent de l’électricité

PARTIE 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
-on le dépose sur une couche plane (substrat) en utilisant un procédé appelé épitaxie par
jet moléculaire : il s’agit de faire évaporer, sous vide
très poussé, le silicium dopé en dessous du substrat. La
matière ainsi évaporée vient se déposer sur le substrat en
formant des cristaux alignés les uns à côté des autres : on
parle de silicium monocristallin.
Cette fabrication consomme énormément d’énergie, c’est
la raison pour laquelle il existe depuis peu d’autres
procédés de fabrication moins gourmands en énergie
comme le remplacement du silicium monocristallin par
du silicium amorphe ou poly-cristallin (fig 3), du
tellurure de cadmium ou de l’arséniure de gallium. On
développe aussi des produits ayant un bon rendement
pour une faible épaisseur, pour fabriquer des
photogénérateurs bon marché.                                Fig 3 : Cellule photovoltaïque poly
                                                           cristalline
      2) mode de fonctionnement (voir
diaporama)
      Les panneaux solaires sont intégrés dans des circuits comprenant généralement un
onduleur, qui permet de transformer le courant continu généré en courant alternatif, et des
accumulateurs, 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 les
habitations 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
. 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 haute
technologie.
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/ unité
de temps. Ex : à Nancy, avec 4 m2 : 4*1*1220*0.12 = 585.6 kW/an
Un 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, les
prototypes 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 l'université de Yokohama ont conçu un capteur
révolutionnaire capable de stocker l'énergie solaire sans batterie. Ce dispositif nommé photo
condensateur promet une simplification des installations photovoltaïques. Ce capteur serait
deux fois plus performant que les capteurs classiques à base de silicium et pourrait donc
fonctionner avec une lumière de faible intensité.

       Outre l’intérêt écologique, les photogénérateurs ont un intérêt humanitaire puisque
leur 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 les
pompes à eaux.

8) Historique
      La première réaction photovoltaïque a été observée en 1839 par Becquerel. Le premier
module a été mis au point en 1883 par Frits, avec du sélénium.


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PARTIE II. La production de chaleur
1) 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     le
Fig 5 : Chauffe-eau solaire                             système dit « à circulation
naturelle »: le fluide chaud est moins dense et va monter alors que le fluide froid va
descendre.

2) Applications
        On peut donc, avec l’eau ou le réfrigérant, chauffer un ballon d’eau chaude
domestique (auquel cas on souple souvent un chauffage d’appoint pour garder un confort
d’utilisation au pus dur de l’hiver), chauffer une maison (par plancher chauffant), ou une
piscine, 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 leur
prix est élevé.

3) Rendement
        Un     panneau        solaire
thermique, à eau ou à air, utilise 80
% de l’énergie qu’il reçoit. Ce
rendement est fonction de la
transparence du verre dont est
constitué le panneau (on arrive à
des rendements de 95% avec des
verres très purs). 2 à 4 m2 de
panneaux suffisent à chauffer un
ballon de 150 à 200 L d’eau.          Fig 6 : Chauffe-eau solaire constitué de plaques posées au dessus
                                        d’un réflecteur

4) Coût
        Pour un chauffe-eau solaire (fig 5), compter 3000 à 5000 €. L’Ademe (Agence de
l’Environnement et de la Maîtrise de l’énergie) rembourse 1400 euros et les économies
réalisées sont de l’ordre de 50 à 80 % du budget chauffe-eau électrique. Pour un chauffage
solaire, 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
Les panneaux solaires permettent de rendre une maison en partie voire totalement
autonome dans sa production d’électricité et de chaleur, et de réaliser des économies
substantielles. Et le problème de la fabrication, gourmande et coûteuse, est en passe d’être
résolue. Néanmoins, il existe d’autres manières d’exploiter l’énergie solaire, comme la
concentration thermodynamique (fours ou centrales solaires).




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Synthèse énergie solaire

  • 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 ondes lumineuses visibles (lumière blanche) et invisibles (ultraviolets et infrarouges). Ces ondes arrivent sur Terre grâce aux photons. Ce sont ces photons, particules d’énergie, qui sont utilisés par les panneaux solaires pour produire chaleur et électricité. On récupère l’énergie solaire dans deux buts principaux : produire de l’électricité et produire de la chaleur. Les dispositifs utilisés sont appelés panneaux solaires. On en distingue deux sortes : -les panneaux thermiques, qui produisent de la chaleur -les panneaux photovoltaïques, qui produisent de l’électricité PARTIE 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 par jet moléculaire : il s’agit de faire évaporer, sous vide très poussé, le silicium dopé en dessous du substrat. La matière ainsi évaporée vient se déposer sur le substrat en formant des cristaux alignés les uns à côté des autres : on parle de silicium monocristallin. Cette fabrication consomme énormément d’énergie, c’est la raison pour laquelle il existe depuis peu d’autres procédés de fabrication moins gourmands en énergie comme le remplacement du silicium monocristallin par du silicium amorphe ou poly-cristallin (fig 3), du tellurure de cadmium ou de l’arséniure de gallium. On développe aussi des produits ayant un bon rendement pour une faible épaisseur, pour fabriquer des photogénérateurs bon marché. Fig 3 : Cellule photovoltaïque poly cristalline 2) mode de fonctionnement (voir diaporama) Les panneaux solaires sont intégrés dans des circuits comprenant généralement un onduleur, qui permet de transformer le courant continu généré en courant alternatif, et des accumulateurs, 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 les habitations 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 haute technologie. 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/ unité de temps. Ex : à Nancy, avec 4 m2 : 4*1*1220*0.12 = 585.6 kW/an Un 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, les prototypes 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 l'université de Yokohama ont conçu un capteur révolutionnaire capable de stocker l'énergie solaire sans batterie. Ce dispositif nommé photo condensateur promet une simplification des installations photovoltaïques. Ce capteur serait deux fois plus performant que les capteurs classiques à base de silicium et pourrait donc fonctionner avec une lumière de faible intensité. Outre l’intérêt écologique, les photogénérateurs ont un intérêt humanitaire puisque leur 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 les pompes à eaux. 8) Historique La première réaction photovoltaïque a été observée en 1839 par Becquerel. Le premier module 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 chaleur 1) 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 le Fig 5 : Chauffe-eau solaire système dit « à circulation naturelle »: le fluide chaud est moins dense et va monter alors que le fluide froid va descendre. 2) Applications On peut donc, avec l’eau ou le réfrigérant, chauffer un ballon d’eau chaude domestique (auquel cas on souple souvent un chauffage d’appoint pour garder un confort d’utilisation au pus dur de l’hiver), chauffer une maison (par plancher chauffant), ou une piscine, 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 leur prix est élevé. 3) Rendement Un panneau solaire thermique, à eau ou à air, utilise 80 % de l’énergie qu’il reçoit. Ce rendement est fonction de la transparence du verre dont est constitué le panneau (on arrive à des rendements de 95% avec des verres très purs). 2 à 4 m2 de panneaux suffisent à chauffer un ballon de 150 à 200 L d’eau. Fig 6 : Chauffe-eau solaire constitué de plaques posées au dessus d’un réflecteur 4) Coût Pour un chauffe-eau solaire (fig 5), compter 3000 à 5000 €. L’Ademe (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’énergie) rembourse 1400 euros et les économies réalisées sont de l’ordre de 50 à 80 % du budget chauffe-eau électrique. Pour un chauffage solaire, 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 totalement autonome dans sa production d’électricité et de chaleur, et de réaliser des économies substantielles. Et le problème de la fabrication, gourmande et coûteuse, est en passe d’être résolue. Néanmoins, il existe d’autres manières d’exploiter l’énergie solaire, comme la concentration thermodynamique (fours ou centrales solaires). Licence Creative Commons BY-NC-SA – La Gazette/Arle Uein