Énergie solaire
Rayonnement du Soleil capable de produire de la chaleur, de déclencher des processus chimiques et de générer de l’électricité. La quantité d’énergie solaire incidente sur Terre dépasse de loin les besoins énergétiques actuels et prévus du monde. Cette source extrêmement dispersée a la capacité de répondre à tous les besoins énergétiques futurs si elle est correctement exploitée.
L’énergie solaire devrait gagner en popularité en tant que source d’énergie renouvelable au 21ème siècle en raison de son approvisionnement illimité et de sa nature non polluante, en contraste frappant avec les combustibles fossiles finis charbon, pétrole et gaz naturel.
La lumière du soleil est de loin la principale source d’énergie reçue par la Terre, mais son intensité à la surface de la planète est en fait plutôt faible. Cela est principalement dû à l’immense diffusion radiale du rayonnement du Soleil lointain. Jusqu’à 54% de la lumière solaire entrante est absorbée ou dispersée par l’atmosphère terrestre et les nuages, provoquant une perte relativement légère.
La lumière du soleil qui atteint la terre se compose d’environ 50% de lumière visible, de 45% de rayonnement infrarouge et de quantités moindres d’ultraviolets et d’autres formes de rayonnement électromagnétique.
Le potentiel de l’énergie solaire est énorme, car la Terre reçoit environ 200 000 fois la capacité totale quotidienne de production d’électricité dans le monde sous forme de rayonnement solaire chaque jour.
Même si l’énergie solaire est gratuite, le coût élevé de sa collecte, de sa conversion et de son stockage empêche son utilisation généralisée dans de nombreux endroits.
Le rayonnement du soleil peut être transformé en énergie thermique (chaleur) ou en énergie électrique, mais le premier est plus facile à faire.
Énergie thermique
Les capteurs à plaques plates sont parmi les dispositifs les plus fréquemment utilisés pour capter l’énergie solaire et la convertir en énergie thermique; ils sont utilisés dans des applications de chauffage solaire. En raison de la faible intensité du rayonnement solaire à la surface de la Terre, ces capteurs doivent avoir une large surface.
Même dans les régions les plus ensoleillées des climats tempérés du monde, un collecteur doit avoir une surface d’environ 40 mètres carrés (430 pieds carrés) pour collecter suffisamment d’énergie pour une personne.
Les collecteurs à plaques plates les plus courants sont constitués d’une plaque métallique noircie recouverte d’une ou deux feuilles de verre, qui est chauffée par les rayons du soleil.
Cette chaleur est ensuite transférée aux fluides porteurs, tels que l’air ou l’eau, qui s’écoulent à l’arrière de la plaque. La chaleur peut être utilisée directement ou transférée sur un autre support pour le stockage. Les chauffe-eau solaires et les systèmes de chauffage domestique comprennent souvent des capteurs à plaques plates.
En règle générale, les réservoirs isolés sont utilisés pour retenir l’eau chauffée pendant les périodes ensoleillées pour une utilisation la nuit ou par temps nuageux. Un tel système peut servir une résidence avec de l’eau chaude provenant du réservoir de stockage ou du chauffage des locaux en faisant circuler de l’eau chauffée à travers des tubes dans les planchers et les plafonds.
Les collecteurs à plaques plates transportent généralement les fluides caloporteurs à des températures comprises entre 66 et 93 degrés Celsius (150 et 200 degrés Fahrenheit). Selon la conception du collecteur, l’efficacité de ces collecteurs (la proportion de l’énergie reçue qui est convertie en énergie utile) varie de 20 à 80%.
Une autre méthode de conversion de l’énergie thermique se trouve dans les étangs solaires, qui sont des plans d’eau salée conçus pour collecter et stocker l’énergie solaire. La chaleur extraite de ces étangs permet la production de produits chimiques, d’aliments, de textiles et d’autres produits industriels et peut également être utilisée pour réchauffer les serres, les piscines et les bâtiments d’élevage.
Les bassins solaires sont parfois utilisés pour produire de l’électricité grâce à l’utilisation du moteur à cycle organique rankine, un moyen relativement efficace et économique de conversion de l’énergie solaire, ce qui est particulièrement utile dans les endroits éloignés. Les étangs solaires sont assez coûteux à installer et à entretenir et sont généralement limités aux zones rurales chaudes.
À plus petite échelle, l’énergie du Soleil peut également être exploitée pour cuire des aliments dans des fours solaires spécialement conçus. Les fours solaires concentrent généralement la lumière du soleil sur une large zone vers un point central, où un récipient à surface noire convertit la lumière du soleil en chaleur. Les fours sont généralement portables et ne nécessitent aucune autre entrée de combustible.
Production d’électricité
Les cellules solaires peuvent convertir directement l’énergie solaire en électricité (cellules photovoltaïques). Lorsque la lumière entre en contact avec la jonction entre un métal et un semi-conducteur (comme le silicium) ou la jonction entre deux semi-conducteurs distincts, un potentiel électrique modeste se forme dans ces cellules. (Pour plus d’informations, voir effet photovoltaïque.)
En règle générale, une seule cellule solaire ne génère qu’environ deux watts d’énergie. En connectant un grand nombre de cellules individuelles, comme dans les panneaux solaires, il est possible de créer des centaines, voire des milliers de kilowatts d’électricité dans une centrale électrique solaire ou un grand réseau domestique.
L’efficacité énergétique de la majorité des cellules photovoltaïques utilisées aujourd’hui n’est que de 15 à 20%, et comme l’intensité du rayonnement solaire est faible au départ, des réseaux massifs et coûteux de ces cellules sont nécessaires pour générer même des quantités modestes d’énergie.
Les petites cellules photovoltaïques alimentées par le soleil ou la lumière artificielle ont été largement utilisées dans les applications de faible puissance, telles que les calculatrices et les montres-bracelets. Des unités plus grandes ont été utilisées pour alimenter des pompes à eau et des équipements de communication dans des endroits éloignés, ainsi que des satellites pour la météo et les communications.
Les propriétaires et les entreprises peuvent installer des panneaux de silicium cristallin traditionnels et développer des technologies utilisant des cellules solaires à couche mince, telles que le photovoltaïque intégré au bâtiment, sur leurs toits pour remplacer ou compléter l’alimentation électrique conventionnelle.
Les centrales solaires à concentration utilisent des capteurs de concentration ou de focalisation pour concentrer la lumière du soleil reçue d’une large zone sur un petit récepteur noirci, augmentant ainsi considérablement l’intensité de la lumière afin de produire des températures élevées.
Les réseaux de miroirs ou de lentilles soigneusement alignés peuvent focaliser suffisamment de lumière du soleil pour chauffer une cible à des températures de 2 000 ° C (3 600 ° F) ou plus. Cette chaleur peut ensuite être utilisée pour faire fonctionner une chaudière, qui à son tour génère de la vapeur pour une centrale électrique à turbine à vapeur.
Pour produire directement de la vapeur, les miroirs mobiles peuvent être disposés de manière à concentrer de grandes quantités de rayonnement solaire sur des tuyaux noircis à travers lesquels l’eau circule et est ainsi chauffée.
Autres applications
En plus des utilisations décrites ci-dessus, l’énergie solaire est également utilisée à une échelle modeste pour une variété d’autres applications. Dans certains pays, par exemple, l’énergie solaire est utilisée pour évaporer l’eau de mer afin de générer du sel.
De même, les systèmes de dessalement à énergie solaire transforment l’eau salée en eau potable en convertissant directement ou indirectement l’énergie du Soleil en chaleur pour conduire le processus de dessalement.
En tant que source d’énergie alternative, la technologie solaire a également évolué pour la création propre et durable d’hydrogène. Les feuilles artificielles sont des dispositifs à base de silicium qui utilisent l’énergie solaire pour diviser l’eau en hydrogène et en oxygène, ne laissant presque aucun contaminant. D’autres recherches sont nécessaires pour améliorer l’efficacité et la rentabilité de ces dispositifs industriels.
