Généralités sur l’énergie solaire

1.1.L’énergie solaire

L’énergie solaire est la plus dominante de toutes les énergies renouvelables, elle est à l’origine de la quasi-totalité des sources d’énergies utilisées par l’homme. Les principales caractéristiques de l’énergie solaire sont sa gratuité, sa disponibilité sur une grande partie du globe terrestre et l’absence de risque d’épuisement connu par les sources d’énergie fossile.

1.1.1.      Soleil

Le Soleil est une étoile de dimension moyenne, une énorme boule chaude de gaz. C'est une étoile parmi des milliards dans notre galaxie (la voie lactée). Bien que sa distance moyenne à la Terre soit de 149,6 millions de kilomètres, il reste l'étoile la plus près de la Terre. Le Soleil mesure 1 400 000 kilomètres de diamètre, 108 fois le diamètre de la Terre.

Figure. 1-1: La structure du Soleil.

Le Soleil produit sa propre lumière et sa propre chaleur. Il fournit la chaleur et la lumière à la Terre par un processus similaire à celui qui se produit dans une bombe à hydrogène. En effet, l'énergie du Soleil provient de réactions nucléaires qui se produisent dans son noyau. La chaleur extrême du Soleil (le centre atteint une température de 15 millions de degrés centigrades) permet à ses atomes d'hydrogène d'atteindre des « super » vitesses faisant en sorte qu'ils entrent en collision ensemble. Les noyaux (les centres) des atomes fusionnent en groupes de quatre et forment un atome plus lourd appelé hélium. Le choc de cette collision est tellement fort qu'une partie de l'atome est convertie en énergie. C'est cette énergie qui fournit la chaleur et la lumière à la Terre. C'est cette énergie qui cause nos différentes conditions climatiques. Notre planète tire donc toute son énergie d'une seule source: le Soleil. Le sol, les océans et l'atmosphère reçoivent de l'énergie du Soleil sous forme de rayonnement électromagnétique. La lumière que nous voyons est formée de ce rayonnement. Le rayonnement auquel nos yeux sont sensibles ne représente qu'une petite portion du rayonnement que l'on reçoit du Soleil.

1.2.Gisement solaire

Le gisement solaire est un ensemble de données décrivant l’évolution du rayonnement solaire disponible au cours d’une période donnée. Il est utilisé dans des domaines aussi variés que l’agriculture, la météorologie et les applications énergétiques. Il est aussi utilisé pour simuler le fonctionnement d’un système énergétique solaire et faire un dimensionnement le plus exact possible compte tenu de la demande à satisfaire.

1.2.1.      L'énergie solaire reçue sur Terre/

La Terre est située à 150 millions de km du Soleil. Celui-ci émet en permanence 1026 Watt sous forme de rayonnement et la Terre reçoit 178 millions de milliard de Watt sur sa face éclairée soit 350 Watt/m² à l'équateur.

La part d'énergie reçue sur la surface de la terre dépend de l'épaisseur de l’atmosphère à traverser Celle-ci est caractérisée par le nombre de masse d'air AM.

Figure. 1-2: Définition de la masse d’air

1.2.2.      Rayonnement solaire

Le rayonnement solaire correspond la quantité d'énergie reçu sur une surface donnée pendant une durée définie, généralement exprimée en unités S.I. de watts par mètre carré (W / m2).

Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique composé essentiellement de :

• Lumière visible de longueur d'onde comprise entre 400nm et 800 nm ;
• Rayonnement infrarouge (IR) de longueur d'onde inférieure à 400 nm ;
• Rayonnement ultraviolet (UV) de longueur d'onde supérieure à 800nm.

Sur Terre, l'atmosphère absorbe en grande partie les IR et les UV et un peu la lumière visible. Ainsi plus l'épaisseur d'atmosphère traversée est importante, plus la quantité d'énergie solaire reçue par le sol est faible.
 Le rayonnement solaire dépend fortement de nombreux paramètres: La latitude du site, la saison, l’heure de la journée, les condition météorologiques et atmosphériques, etc…
L'énergie solaire est également infecté par:

• L’alternance des jours et des nuits ;
• La couverture nuageuse (celle-ci réduit à 50 % l'énergie solaire) ;
• La variation saisonnière.

 

Figure. 1-3: Variations horizontales du rayonnement solaire qui arrive à la surface de la Terre.

Suite à ces phénomènes de diffusion, on divise la lumière reçue à la surface de la terre en différentes composantes:

1. Le rayonnement global : est la somme des trois composantes énumérés ci-dessous. C’est ce dernier qui est systématiquement mesuré par les stations météorologiques.
2. Le rayonnement direct : arrive du Soleil en ligne droite et n’est, à aucun moment, diffusé. Il forme les ombres.
3. Le rayonnement diffus : correspond à la lumière qui a été diffusée soit par l’atmosphère, soit par les nuages. Par temps couvert ou par temps très clair, celle-ci est considérée comme isotrope. 
4. L’albédo : est la partie du rayonnement réfléchie par le sol et dépend donc directement du site d'observation.

Figure.1-4 : Composantes du rayonnement solaire au sol : (Global = direct + diffus + albédo)

Notons enfin que le rayonnement direct sur un plan horizontal est toujours inférieur au rayonnement dans le plan perpendiculaire au soleil. Par contre, le rayonnement diffus peut être supérieur car le plan horizontal "voit" une plus grande part de la voûte céleste

Figure.1-5 : L’effet d’angle d’inclinaison « cosinus »

1.3.Captation de l’énergie solaire

Il existe différentes techniques pour capter une partie de cette énergie à savoir :

1.3.1.      L’énergie solaire thermique

La thermique solaire est un procédé de transformation de l’énergie solaire en une forme thermique, qu’on peut utiliser :

• En usage direct de la chaleur : chauffe-eau solaire, chauffage solaire, cuisinière et séchoir solaire.
• En usage indirect où la chaleur sert pour un autre usage : centrales solaires thermodynamiques, froid solaire.

1.3.2.      L’énergie solaire thermodynamique

La solaire thermodynamique utilise le solaire thermique pour produire de l’électricité selon le même principe qu’une centrale électrique classique mais en utilisant des centrales hélios thermoélectriques. Trois types principaux de centrales sont utilisés :

ü  Les centrales à capteurs cylindro-paraboliques pour atteindre des températures entre 300 et 350 °C.

ü  Les centrales à capteurs paraboliques pour atteindre des températures de 1000°C ou plus.

ü  Les centrales à tour pour atteindre 1000 °C.

1.3.3.      L’énergie solaire photovoltaïque

Elle permet de produire de l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque.

Les photopiles utilisent l’effet photovoltaïque, elles sont formées d'une couche d'un matériau semi-conducteur et d'une jonction semi-conductrice. Le silicium est le plus employé.