Bio-énergie solaire

Les énergies renouvelables sont des énergies locales participant au développement local et créatrices d’emplois.

Energie solaire thermique et énergie solaire photovoltaïque

Solaire thermique

Le solaire thermique actif permet de récupérer la chaleur du rayonnement solaire au sein d’un fluide, parfois de l’air, le plus souvent de l’eau, par la mise en œuvre de capteurs solaires. Ces techniques peuvent assurer la production d’eau chaude sanitaire ou d’eau distillée, le chauffage des piscines et des habitations ainsi que le séchage de céréales, par exemple.

Composition d'un capteur solaire thermique

  • Un corps opaque absorbant le rayonnement solaire en s’échauffant,
  • Un système de refroidissement par le fuide caloporteur,
  • Un isolant thermique (dos et côtés non exposés),
  • Une couverture transparente (face avant, exposée au rayonnement) qui assure l’effet de serre,
  • Subsidiairement un coffrage étanche à l’eau et un système de support mécanique de l’ensemble.

Après transformation du rayonnement en chaleur sur la face superficielle exposée, il y a lieu de transmettre cette chaleur le plus possible au fluide. Pour ce faire, il importe que la plaque soit métallique car seuls les métaux ont de bons coefficients de conduction de la chaleur (cuivre : 300, aluminium : 200, acier : 60).

Les deux principaux types de capteurs solaires thermiques sont :

  • Les capteurs plans : trois fonctions incombent à ces capteurs, absorber le rayonnement solaire, le transformer en chaleur et transmettre cette chaleur au fluide caloporteur. Pour absorber au maximum l’énergie rayonnée du soleil, il suffit d’une surface plane ; cette surface doit être douée du coefficient d’absorption de la couche superficielle le plus élevé possible. Les meilleurs coefficients sont de l’ordre de 0,95. Seules les couleurs foncées permettent d’obtenir des valeurs aussi élevées, l’idéal étant le noir évidemment.
  • Les capteurs à concentration : ces capteurs utilisent des surfaces réfléchissantes (miroirs) paraboliques (t° pouvant atteindre 1500°C) ou cylindro-paraboliques (t° pouvant atteindre 400°C) Les rayons solaires sont concentrés dans un foyer où se trouvent les récepteurs (absorbeurs) de la chaleur solaire.. Naturellement ces concentrateurs doivent suivre le mouvement du soleil. Ces types de collecteurs solaires sont plus adaptés pour la production de chaleur industrielle et d’électricité.

Avantages et limites

L’utilisation thermique de l’énergie solaire propose :

  • Des technologies facilement maîtrisables et adaptables aux situations de toutes les régions. Les techniques et les matériaux utilisés sont similaires à ceux employés dans le secteur traditionnel du chauffage, du sanitaire et des verrières.
  • Des formes modulables de production d’énergie que l’on peut adapter en fonction des besoins.
  • Les frais de maintenance sont réduits. Si l’entretien des installations ne doit pas être négligé, les frais de maintenance et donc de fonctionnement sont cependant relativement faibles.

Solaire photovoltaïque

Les cellules solaires photovoltaïques sont des semi-conducteurs capables de convertir directement la lumière en électricité. Cette conversion est appelée effet photovoltaïque.

L’utilisation des cellules solaires débute dans les années 40 dans le domaine spatiale. Les recherches d’après guerre ont permis d’améliorer leur performance et leur taille mais il faudra attendre les crises énergétiques des années soixante dix pour que les gouvernements et les industriels investissent dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.

Les modules photovoltaïques modernes, composés de cellules interconnectés, ont largement prouvé leur efficacité et leur haute fiabilité. Leur champ d’application ne cesse de s’élargir, du pompage à l’éclairage, en passant par toutes les applications électroniques.

Les performances des systèmes photovoltaïques dépendent des caractéristiques du site (ensoleillement, température ambiante, obstacles géographiques, empoussièrement, …), du rendement des modules mais aussi des caractéristiques des autres équipements utilisés (régulateur, onduleur, batterie, ...).

Cellules photovoltaïques

La cellule photovoltaïque ne produit qu’une très faible puissance électrique de l’ordre de 1 à 3 W avec une tension de moins d’un volt.

Le module photovoltaïque est un ensemble de cellules interconnectées entre elles pour obtenir le courant et la tension souhaités.

Modules

Les connexions en série de plusieurs cellules augmente la tension pour une même intensité, tandis que la mise en parallèle accroit l'intensité en conservant la tension.

Le module standard commercialisé, connectant 36 cellules cristalines en série pour des applications en 12 V, a généralement une tension à vide supérieure à 20 V et le point optimale de fonctionnement est au voisinage de 16 V à 25 °C.

La durée de vie des modules cristalins commercialisés est de l’ordre d’une quinzaine d’années. L’objectif à long terme est d’obtenir une durée de vie de trente ans.

L’installation des modules peut se faire sur un toit si son orientation et son inclinaison sont bonnes, où à même le sol pour peu que l’endroit soit bien dégagé.

Batterie

 La batterie est souvent intégrée au générateur photovoltaïque. Elle permet le stockage de l’électricité solaire pour les systèmes isolés et sert de conditionneur de puissance. En effet, le courant des modules varie avec l’ensoleillement. La batterie accepte cette charge variable et restitue le courant dont la charge électrique a besoin avec une tension relativement stable. C’est la tension de la batterie qui fixera la tension du module. La batterie peut permettre également de restituer la nuit le courant accumulé durant la journée.

Régulateur

La plupart des batteries doivent être protégées des surcharges et des décharges excessives qui peuvent causer une perte d’électrolyte et endommager les plaques. C’est le rôle du régulateur qui maintient la tension de sortie entre deux seuils et permet ainsi une plus longue durée de vie du système photovoltaïque.

Onduleur

 L’onduleur est un dispositif électronique permettant de convertir le courant continu en courant alternatif avec la fréquence souhaitée.

Les applications de cette énergie

C'est probablement dans le secteur spatial, où le problème du coût est secondaire, que le photovoltaïque est le plus adapté à la problématique et le plus compétitif d'autant que le rapport poids/rendement a été amélioré grâce à la réalisation de cellules ultra-minces et à l'utilisation de nouveaux matériaux.

Plus qu'une alternative technologique, l'énergie solaire photovoltaïque constitue bien souvent la seule possibilité d'électrification pour les 2 milliards de personnes non encore raccordées au réseau. Ils permettent alors d'éviter l'installation de groupes électrogènes qui posent des problèmes de fiabilité et d'approvisionnement en carburant.

Le principal inconvénient est lié à l'intermittence de l'ensoleillement. Ainsi l'alimentation des équipements urbains tels que horodateurs, lampadaires, ou l'utilisation par des particuliers non reliés au réseau, nécessitent le stockage de l'électricité, dans des batteries électrochimiques le plus souvent, ce qui pose des problèmes de poids, d'encombrement et de coût. On pallie à cet inconvénient en reliant le générateur au réseau : ainsi lorsque la production est supérieure à la consommation , le surplus est injecté dans le réseau; inversement, quand la production est insuffisante, le réseau fournit l'appoint nécessaire.

Un détracteur de la filière photovoltaïque reste le coût encore important des installations. Or, c'est bien le prix du kilowattheure qui sera le facteur prépondérant pour la plupart des applications terrestres; ce coût pouvant être diminué par l'effet des grandes séries.

  • Grâce à leur fiabilité et leur autonomie, les systèmes photovoltaïques offrent une réponse particulièrement bien adaptée aux applications en site isolés.
  • Dans les applications professionnelles destinées par exemple à l'alimentation de réémetteurs télé en région montagneuse ou de dispositifs de sécurité routière, ils évitent le prolongement souvent coûteux d'une ligne électrique.