Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Énergie solaire directe

Introduction

L'énergie solaire provient des réactions thermonucléaires qui se produisent au sein du soleil, provoquant l'émission d'un rayonnement électromagnétique de très forte puissance, se présentant sensiblement comme un « corps noir » à 5 800 K.

Hors atmosphère, le rayonnement reçu par la terre varie selon la période de l'année entre 1 350 et 1 450 W/m2. Il est ensuite partiellement réfléchi et absorbé par l'atmosphère, de telle sorte que le rayonnement reçu au sol comporte une part directe et une part diffuse, le total variant entre 200 W/m2 (ciel couvert), et environ 1 000 W/m2 (au zénith par ciel clair). L'énergie reçue par une surface donnée dépend donc des conditions climatiques du lieu ainsi que de son inclinaison et de son orientation. Des atlas du rayonnement solaire au sol sont publiés par les services météorologiques nationaux ou internationaux, sous forme de cartes et de tableaux, sur support papier ou informatique.

La section "Simulation de systèmes à énergie solaire" de la rubrique "Guides Méthodologiques" fournit des méthodologies de calcul permettant d'estimer la ressource solaire.

La conversion directe du rayonnement solaire se fait de trois manières principales :

  • sous forme thermique ;

  • par effet photoélectrique ;

  • par photosynthèse.

La conversion thermique de l'énergie solaire consiste à intercepter les photons incidents sur un matériau absorbant, dont la température s'échauffe.

Plusieurs modes de captation sont envisageables :

  • l'habitat solaire passif : pour les applications au chauffage et à la climatisation des locaux, il est possible de concevoir l'architecture des bâtiments de telle sorte qu'ils optimisent naturellement ou « passivement » l'utilisation de la ressource solaire, sans faire appel à des fluides caloporteurs autres que l'air et à des dispositifs annexes de captation et de stockage. L'intérêt de la conception solaire passive des bâtiments est qu'elle peut conduire à des économies de chauffage substantielles avec des surcoûts faibles ;

  • les capteurs plans utilisent généralement l'effet de serre pour limiter les déperditions thermiques de l'absorbeur. En effet, le verre est transparent pour le rayonnement visible, et laisse donc passer l'énergie solaire incidente, mais opaque pour le rayonnement infrarouge, ce qui a pour effet de piéger les calories absorbées. Selon les technologies employées, les températures de fonctionnement des capteurs plans varient de 40 °C à 120 °C (capteurs sous vide). La figure ci-dessous montre la vue en coupe d'un capteur plan. L'absorbeur est composé d'une plaque métallique sur laquelle sont soudées des canalisations dans lesquelles circule le fluide caloporteur. Les déperditions thermiques vers la face avant du capteur sont réduites par un ou plusieurs vitrages (2 sur la figure) et celles vers l'arrière par un isolant ;

  • les capteurs à concentration : pour atteindre des températures supérieures à environ 120 °C, il est nécessaire de concentrer les rayons solaires par des jeux appropriés d'éléments réfléchissants (miroirs) ou de lentilles (généralement de Fresnel). La contrainte principale, outre le coût plus élevé des dispositifs, est le système de poursuite destiné à suivre le soleil dans sa course. Toute une série de concentrateurs a été proposée et développée ;

  • la conversion thermodynamique de l'énergie solaire permet d'obtenir de l'électricité à partir d'un moteur thermique dont la source chaude reçoit sa chaleur de capteurs, généralement à concentration. Toutefois, les coûts de cette filière et les difficultés technologiques rencontrées limitent aujourd'hui son champ d'application.

Capteurs solaires sous vide

Capteurs à concentration

L'expérience des trente dernières années montre que quatre principales technologies permettent en pratique de réaliser la concentration du rayonnement solaire dans des conditions techniques et économiques viables :

  • les capteurs cylindro-paraboliques ;

  • les concentrateurs à lentilles de Fresnel ;

  • les capteurs paraboliques ;

  • les centrales à tour.

Les premières technologies ne nécessitent de suivre le mouvement du soleil que selon une seule direction, mais la concentration, et donc la température de captation, sont plus faibles (400 °C). Les deux autres nécessitent un double mouvement de poursuite, mais permettent d'atteindre des températures beaucoup plus élevées (750 – 1000 °C).

Les capteurs cylindro-paraboliques (concentration C ≈ 40-80, figure ci-dessous) sont des cylindres de section droite parabolique, qui permettent de concentrer le rayonnement solaire sur un tube rectiligne.

Concentrateur parabolique (SkyFuel Inc.)

Les concentrateurs linéaires de Fresnel ou CLFR (C ≈ 30, figures ci-dessous) utilisent d'étroits miroirs plans rectangulaires pour concentrer la lumière solaire sur un absorbeur fixe constitué d'une série de tubes parallèles ;

Concentrateur linéaire de Fresnel (AREVA Solar)

Dans les capteurs paraboliques (C ≈ 1000-2500, figure ci-dessous), le réflecteur est un paraboloïde de révolution.

Capteurs paraboliques en Australie(Photo : Robert McConnell)

Dans les centrales à tour (C ≈ 200-700, figure ci-dessous), des milliers de réflecteurs mobiles, appelés héliostats, redirigent le rayonnement solaire incident vers un absorbeur situé au sommet d'une tour, permettant ainsi d'obtenir à la fois de fortes concentrations et des puissances importantes.

Solar One, Barstow, California (Photo Sandia National Laboratories)

La photo ci-dessous donne un aperçu de quelques héliostats vus de près.

Héliostats eSolar de la centrale Sierra SunTower (David Hicks / NREL)

La photo ci-dessous montre la tour de la centrale de Gemasolar en Espagne illuminée par les héliostats.

Centrale à tour (Photo de Greg Glatzmaier / NREL à Gemasolar)

Électricité photovoltaïque

L'électricité photovoltaïque est obtenue grâce à des semi-conducteurs dopés qui, sous l'effet des photons incidents, produisent un courant continu, les photons dotés d'une énergie suffisante permettant aux électrons de sauter de niveau d'excitation (voir figure ci-dessous).

Cette photo montre une cellule photovoltaïque en cours de tests.

Photopile Tetra Sun (Dennis Schroeder / NRE)

Les cellules sont ensuite assemblées pour constituer des panneaux photovoltaïques.

Initialement développées pour alimenter en électricité les satellites, les photopiles trouvent de nos jours de plus en plus d'applications terrestres, de la calculette aux générateurs solaires de puissance élevée.

Leur intérêt principal est leur simplicité d'usage : soumises au rayonnement solaire direct ou diffus, elles produisent directement de l'électricité, sans pièce mobile, et ne requièrent qu'un entretien simple.

Champ de capteurs photovoltaïques

Les matériaux utilisés sont pour l'essentiel le silicium, qui, selon son état cristallin, conduit à des rendements variables (20 % pour le monocristal, 15 % pour le polycristal, 8 % pour le silicium amorphe, alors que le rendement maximal théorique est de 43,5%). D'autres matériaux comme l'arséniure de gallium sont à l'étude, et des progrès constants sont réalisés d'année en année.

Compléments

Fiche thématique

Une fiche thématique sur les capteurs solaires thermiques explique comment ils peuvent être modélisés.

Guides méthodologiques

Les systèmes à énergie solaire présentent la particularité de devoir s'adapter à une ressource énergétique fluctuante, ce qui implique des méthodologies de calcul particulières.

Fiches-guides

Une fiche-guide vous propose la modélisation d'une centrale solaire du type SEGS, et une autre la génération d'électricité à partir d'un étang solaire à gradient inverse.

Capacité et production mondiale d'électricité photovoltaïque

Ces cartes interactives vous fournissent des informations récentes et détaillées sur les capacités installées et les productions dans le monde.

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