>>Energie solaire : généralités

19 mai 2011
Cooperaction.org 

Yves GILLE - M'écrire

Récupération directe de l’énergie solaire

Nous entendrons ici par "récupération directe" l’utilisation de cette énergie par récupération des radiations et non par récupération d’une énergie générée par le soleil comme celle des vents (éoliennes) ou des chutes d’eau (puisque pour que l’eau chute depuis un point haut il faut qu’elle y ait été montée par l’énergie solaire sous forme de pluie) ou divers combustibles végétaux créés par la photosynthèse, qu’ils soient utilisés directement (bois de" chauffage) ou indirectement après transformation en huiles, alcool, et autres combustibles.

Cette récupération directe peut se faire essentiellement en récupérant :
- les radiations par des panneaux photovoltaïques,
- la chaleur due aux radiations.

Mais que l’une ou l’autre technique soit utilisée, ces énergies sont, par essence intermitentes, comme l’éolien. Elles ont pourtant sur l’éolien l’avantage d’être prévisibles aux nébulosités près. Or, qui dit intermittence dit stockage de l’énergie, d’autant plus que la consommation maximale se fera souvent la nuit. Or, ces problèmes de stockage sont encore loin d’être résolus par des solutions techniquement faciles (la gestion des batteries électriques demande un minimum de maitrise) et peu coûteuses.

Panneaux solaires photovoltaïques.

Nous ne dirons pour l’instant que quelques mots des panneaux solaires car ils sont très largement utilisés et de nombreux commerçants et artisans peuvent les fournir, les installer et, en principe fournir les données techniques pour faire le meilleur choix selon les circonstances.

Les panneaux solaire utilisent essentiellement les radiations visibles et plus ou moins une partie des ultra violets. Les infrarouges sont souvent pour eux une nuisance en ce sens que la montée en température, pour certains types de panneaux, diminue leur rendement.

Récupération de chaleur.

Là, il s’agit, non d’utiliser les rayons visibles ou les ultraviolets, peu vecteurs de calories, mais les infrarouges.

Nous ne nous arrêterons pas ici aux cuisinières solaires que nous verrons ailleurs pour nous intéresser aux moyens de transformer de la chaleur en énergie.

Pour transformer de la chaleur en énergie nous disposons de deux grands moyens :
- la thermoélectricité,
- les moyens mécaniques,
- les tours solaires.

La thermoélectricité

Certains matériaux, traversés par un flux thermiques, produisent un flux électrique. Le phénomène est comme on pouvait s’y attendre, réversible : en faisant traverser certains matériaux par un flux électrique il s’y créera un flux thermique (mais ici différent de l’effet d’une simple résistance), un déplacement des calories. Ce déplacement est soit "positif" (échauffement) soit "négatif" (refroidissement). C’est ce dernier qui est utilisé pour le refroidissement par effet Peltier. Cette propriété connue depuis le XIX° siècles n’a pas actuellement d’application rentable pour la production d’électricité.

Les moyens mécaniques

En principe, dès que l’on dispose d’une "source chaude", d’une source de chaleur (point chaud dans ou hors d’un cylindre moteur, en pratique), et d’une "source froide" (une zone froide : air ou eau avec ou sans radiateur, condensateur, on peut faire marcher une "machine thermique". L’exemple le plus classique est la machine à vapeur : la source chaude est la chaudière où de l’eau est chauffée jusqu’à vaporisation (transformation en vapeur, à ne pas confondre avec la nébulisation qui la transforme en très fines gouttelettes) et la source froide est l’échappement à l’air ou, mieux, dans un condensateur.

Donc, toute machine thermique (moteur à vapeur, moteur à combustion interne (à explosion), moteur Stirling... a comme principe de transformer la différence d’énergie thermique entre une source chaude et une source froide.

Selon le principe de Carnot, le rendement théorique d’une machine thermique se calcul comme :

R = (SC - sf) / (273 + SC) (à multiplier par 100 pour l’obtenir en %)

où :
- R = rendement,
- SC = température de la source chaude,
- sf = température de la source froide.
- 273 = température, en degrés Celsius, du 0° Celsius par rapport au zéro absolu.

Il est bien évident que, dans ces conditions :
- plus la différence de température entre les sources chaude et froide est importante, meilleur est le rendement,
- plus la température de la source froide est basse, meilleur est le rendement.

Prenons 3 exemples :
- A - SC = 150° C, sf = 30° C : (150 - 30) / (273 + 150) = 0,2837 ou 28,37 %
- B - SC = 120° C, sf = 0° C : (120 - 0) / (273 + 120) = 0,3053
- C - SC = 320° C, sf = 200° C : (320 - 200) / (273 + 320) = 0,2024

Les tours solaires

En fait, les tours aéro-génératrices sont, au moins partiellement, des sortes de machines thermiques même si ça ne saute pas aux yeux puisque ça ne ressemble pas à une "machine".

Le principe est simple (voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Tour_solaire) : une très vaste serre circulaire recouvre le sol, à environ 2 mètres de hauteur. Au centre de cette serre est implantée une tour ouverte à la base. L’air, chauffée dans la serre par le soleil (source chaude) monte dans la cheminée (source froide à son extrémité). Joue aussi (essentiellement ou exclusivement ?) dans le mécanisme le principe d’Archimède : l’ai chaud est moins dense que celui qui entour la serre ce qui le pousse du bas vers le haut. Dans cette tour des turbines récupèrent l’énergie de ce courant d’air ascendant.

C’est le même principe qui fait monter les fumées dans une cheminée ou qui permet le "tirage" grâce au verre d’une lampe à pétrole.

Un premier prototype a été mis en service en 1982 à Manzanares en Espagne.

Le problème est que, la source chaude ne pouvant dépasser 70 ° C (donc un air modérément moins dense que celui qui l’entoure), pour que le rendement soit acceptable, il faut une source froide le plus froid possible, donc augmenter la hauteur de la tour : un projet australien prévoit une tour de 1 000 m de haut, ce qui pose quelques problèmes de construction et de solidité en cas de séisme ou de tempête ! Idem, pour le principe d’Archimède, l’air en haut de la tour est d’autant moins dense que celui au sol, que la tour est haute.

Un des avantage de ce système est une certaine production même après le coucher du soleil grâce à l’inertie thermique du sol sous la serre. On a même proposé, très simplement, de tapisser le sol de la serre avec des sacs remplis d’eau qui fourniront la chaleur qu’ils ont emmagasinée pendant plusieurs heures mais dans ce cas on ne peut pas employer le serre pour des cultures comme certains l’ont prévu.

Une réponse à la fragilité des tours (et à leur impacte sur le paysage) est le projet de "montagne solaire" (voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Montagne_solaire) : au lieu de construire une tour on équipe une pente montagneuse avec un tube qui n’est, finalement, qu’une cheminée plus ou moins couchée. La falaise de Bandiagara (pays Dogon) pourrait en être un excellent exemple.


Quantité d’énergie solaire

L’énergie solaire en un point donné est évidemment très variable selon :
- la latitude,
- l’heure de la journée,
- la nébulosité,
- les poussières...

On la mesure généralement en Watts par mètre carré (W/m2).

On peut considérer qu’une puissance solaire de 1 000 Watts par m2 est importante. Par exemple, Nouméa, un des endroit du territoire français le plus ensoleillé, reçoit, en début d’année, un flux solaire maximal quotidien d’au moins 1130 W/m².

L’énergie moyenne reçue par la terre est de 1367 W/m2 (Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Irradiation_solaire). Ceci est assez théorique puisque c’est l’énergie que recevrait chaque m2 d’une surface plane égale à la section de la terre, perpendiculaire au soleil, hors de l’atmosphère.

Vu la réflexion de l’atmosphère, seule 70% de cette énergie est reçue au niveau du sol (957 W/m2 en moyenne).

Dans les pays sahariens et sahéliens la moyenne annuelle d’irradiation solaire serait de 2 000 W/m2.


Atlas de l’ensoleillement :

http://www.atlascuisinesolaire.com/carte-radiation-solaire-monde.php





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