LL ’é’énergie Solairenergie Solaire

Au Au QuotidienQuotidien

« Durant un jour, le soleil rayonne vers la terre autant d’énergie que les humains en consomment en 1 an. »

« 5 m2 de capteurs solaires économise env. 450 l. de mazout par an. »

SommaireLe Soleil

L’énergie du SoleilPuissance rayonnée sur terre

L’Energie SolaireDéfinitionConversion passiveConversion ThermiqueConversion ThermodynamiqueConversion Photovoltaïque

Les Capteurs SolaireComment ça marcheTour d’horizonEt l’Avenir ?

Vivre avec le SoleilBesoins en EnergieProduction d’electricitéProduction d’eau chaudeUne installation domestiqueConclusion

Distance de la Terre: 149 597 870 km ( 1UA)

Magnitude: -26.8

Diamètre: 1 392 000 km, soit 109 fois la Terre

Surface: 6,09×1012 km²

Température au centre: 15 millions de °C

Pression au centre:340 milliards d’atmosphère

Masse: 1,9891×1030 kg

Composition:75% d’Hydrogène

25% d’Helium

Cycle de Vie:

Le Soleil

Des réactions de fusion ont lieu en permanence dans le Soleil.

La chaleur et la lumière provenant du Soleil sont le résultat de la fusion de l'hydrogène en hélium et de l'énergie relâchée à la place de la matière perdue au cours de cette conversion.

Chaque seconde, le Soleil convertit 564 millions de tonnes d'hydrogène en 560 millions de tonnes d'hélium. Les 4 millions de tonnes restants sont convertis en énergie.

La puissance émise est de3,826×1026 W

Le flux émis dans toutes les directions de l’espace par la surface du Soleil est de64 millions de W/m²

Energie du Soleil

Sur Terre

La quantité d’énergie solaire que reçoit une surface de 1 m2 sur Terre, exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil est appelée CONSTANTE SOLAIRE. Compte tenu de l’éloignement du Soleil (150 millions de km), les 64 millions de W/m²deviennent: 1362 W/m² (Hors atmosphère)Au niveau du Sol, et compte tenu de l’atmosphère, il reste 1000W/m²En pratique, cette énergie reçue dépend de l’heure de la journée et de la zone climatique. Dans le meilleur des cas, elle est de350 W/m²

Energie sur terre

Chez nous…

KW/h/m² journalier

KW/h/m² annuel

Hiv

er

÷3

1500 kWh/m²

L’Energie Solaire

En Gironde, chaque m² peut rapporter 75€/an, à condition de pouvoir être converti en énergie

En France, si chaque toiture exposée au Sud était équipée de capteurs photovoltaïque, on pourrait produire toute l'énergie électrique nationale soit 550 terawattheures, c’est-à-dire mille milliards de wattheures, par an.

Sur la Terre, si on équipait 5% de la surface des déserts, on pourrait couvrir les besoins en électricité de toute la planète

L'énergie solaireest l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère.

L'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse créée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. L'énergie solaire est donc àl'origine de toutes les énergies sur Terre à l'exception de l'énergie nucléaire, de la géothermie et de l'énergie marémotrice.

De part leur nature, on distingue quatre formes d’énergie Solaire

Energie Solaire Passive

Energie Solaire Thermique

Energie Solaire Thermodynamique

Energie Solaire Photovoltaïque

Les # formes d’énergie Solaire

Le Solaire Passif consiste à utiliser l’architecture du bâtiment - orientation, murs, toits et fenêtres - pour capter les rayons du soleil

Le principe est: capter la chaleur, la transformer/diffuser et la conserver

L’énergie solaire passive se conçoit dès la construction, on parle alors d’architecture bioclimatique

Une application remarquable est le mur de Trombe-Michel (Du nom du physicien Felix Trombe, fondateur du four solaire d’Odeillo et de l’architecte Jacques Michel)

Energie Solaire Passive

Immeuble à Odeillo près du four solaire utilisant des murs "Trombe-Michel"

Energie Solaire Thermique

On désigne par énergie solaire thermiquela transformation du rayonnement solaire en énergie thermique.

Le principe général est de concentrer les rayons solaires sur une surface absorbant le rayonnement solaire (Revêtement Noir), et restituant son énergie sous forme de chaleur.

Un fluide circule au travers du capteur, collecte les calories et est ensuite transportévers un échangeur

Cette énergie chauffe l’eau d’un ballon pour produire de l’eau chaude sanitaire (ECS) ou circuler dans un circuit de chauffage

Energie Solaire Thermodynamique

On désigne par énergie solaire thermodynamique, les dispositifs transformant la chaleur en énergie mécanique, ce qui permet ensuite de faire tourner un alternateur et produire de l’électricité

Le dispositif présenté utilise un générateur STIRLING, fonctionnant suivant un cycle thermodynamique dit de « CARNOT »

• Chauffagede la source chaude (Le foyerde la parabole

• Augmentation de la pression, puis déten-te (Mouvement mécanique moteur)

• Refroidissementvers la source froide (L’air ambiant)

• Retour du piston (Compression)

Energie Solaire Photovoltaïque

On désigne par Energie solaire photovoltaïque l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque (Effet photovoltaïque découvert par Antoine Becquerel en 1839).

Plusieurs cellules sont reliées entre elles pour former un module solaire photovoltaïque.

Une installation solaire peut alimenter un besoin sur place (en association avec un moyen de stockage) ou être injectée, après transformation en courant alternatif, dans un réseau de distribution électrique (le stockage n'étant alors pas nécessaire).

Les Capteurs sont les éléments actifs qui vont transformer l’énergie solaire (Le flux photonique) en énergie thermique, électriques ou motrice.

Les différents capteurs

Influence de la saison

Les centrales du Futur

Les Capteurs Solaire

Deux technologies coexistent:• Capteur plan: plus anciens, ils sont moins efficace en hiver, mais plus efficace en été,

ils sont aussi moins cher. Leur rendement est de l’ordre de 70%

• Capteurs à tubes: Le tube à un meilleur rendement en hiver, période durant laquelle on a le plus besoin de chauffer l’eau. Associé à un relecteur parabolique, le rendement atteint 96% ( Capteur CPC de Paradigma)

Capteur thermique

Capteur Plan

Capteur à tubes CPC

Principe du réflecteur parabolique CPC

Capteur à tubes: Plus efficace en Hiver

Hybride, ce capteur solaire réunit sur une même surface le solaire thermique (de l'eau chauffée grâce au soleil), et le solaire photovoltaïque (les cellules du panneau transforment le rayonnement solaire en électricité).

Toutefois, ce type de capteur étant pluscomplexe, sera plus cher et plus fragile.Par contre, il économise la surface en toiture

Capteur Hybride

L’effet photovoltaïque, conversion de la lumière en électricité, a été découvert par Becquerel en 1839. Comment ça marche ? Les photons sont capables de déloger les électrons périphériques de certains atomes d’éléments semi-conducteurs, et de produire ainsi du courant électrique. La plupart des capteurs photovoltaïques utilisent les propriétés du silicium. Les rendements varient de 5 à 16 % suivant le type de cristallisation du silicium (10 à 16 % pour du silicium polycristallin, 5 à 10 % pour du silicium amorphe.

Fabrication du capteur – Source PhotoWatt - France

Capteur Photovoltaique

Capteur Photowatt PWX5000.5m² brut / 0.37 utile / 55WRendement: 15%Coût: ~300€

Silicium Brut Broyage Fusion Prêt pour decoupage en tranches

Traitement P-N Serigraphie des contacts Cellule finie

Capteurs multi jonctionDéveloppés initialement pour le spatial, ces capteurs utilisent plus largement le spectre solaire grâce a de multiples jonctions. Alors que les capteurs classique bi-jonctions plafonnent à 20% de rendement en labo, les capteurs SpectroLabs atteignent 40%

Leur coût est élevé, mais il supportent des flux lumineux très intense, 500 fois le flux solaire. On les utilisent avec des concentrateurs parabolique

Capteurs à haut rendement

Science&Avenir - Octobre 2008

Capteur Couches minces

Le procédé couche mince permet la fabrication en continue d’un film photovoltaïque, par un procédé de type Offset, qui ne coute pas plus cher que la fabrication d’un simple journal

L’encre classique est remplacée par des nanoparticules photovoltaïque, dont le rendement atteint les 16%

Ce procédé permettra de démocratiser l’énergie solaire, avec un capteur au prix de la tuile

En partenariat avec Beck Energy, les premiers lots de panneaux vont être installés sur une ferme solaire photovoltaïque destiné à alimenter environ 400 maisons individuelles dans l'est de l'Allemagne.

La parabole Stirling peut atteindre 30% de rendement et produit directement du courant alternatif, ce qui évite de passer par des convertisseurs couteux. Elle n’est pas constituée de matériaux noble comme les capteurs photovoltaique

La parabole Infinia mesure 4m70 de diamètre et produit 3 KW/h. Ce dispositif peut être discrètement intégré àun lotissement, ce qui n’est pas le cas de l’éolien

Ce produit est une alternative a l’éolienne dans les régions plus ensoleillées que ventées, sans les nuisances de l’éolien (Bruit, pollution visuelle)

Parabole Stirling

La saison influe sur trois facteurs:• La hauteur du Soleil: Le flux reçu par le capteur dépend de l’angle d’incidence

des rayons, il est maximum si celui-ci est perpendiculaire au capteur

• La durée du jour

• La couverture nuageuse

Influence de la saison

Temps d’ensoleillement

Hauteur du Soleil

Temps d’ensoleillement

Hauteur du Soleil

Au global, 3 fois moins d’énergie collectée en HiverMais aussi très peu d’énergie collectée par temps couvert (Ciel diffus)

Centrale PhotovoltaïqueLa plus grande centrale photovoltaïque du monde sera achevée en 2009 en Allemagne. Elle produira 40 MW, de quoi alimenter 10000 foyers et éviter 25000 t/an d’émission de CO²

Centrale à TourProjet Australien de centrale de 200 MW, elle utilise une tour de 1000m de haut à l’intérieur de laquelle un puissant flux d’air circule, grâce a un collecteur au sol de 7 km de diamètre

Centrale SpatialeDans l’espace, la radiation solaire est 8 fois plus intense que sur terre, et ne souffre pas de l’effet des saisons et des conditions atmosphériques. Un laser micro-onde (MASER) transférerait l’énergie sur terre. Toutefois, le coût actuel de mise sur orbite est un frein à ce type de projet.

Centrales du futur

Mais le futur sera peut être l’équipement des toitures avec des capteur moins cher au m² que de simples tuiles…

Un foyer de 4/5 personnes consomme environ 4000 kWh/an, avec la répartition ci contre

Les principaux consommateurs:

• Froid (600 kWh)• Eclairage (500 kWh)• Sèche Linge (500 kWh)• VMC (300 kWh)

Besoin en Electricité

Apport Photovoltaïque

Le Besoin en Éclairage et VMC correspond à 18% du besoin total en électricité:

• Éclairage: 450 kWh/an soit 1200W en moyenne par jour• 1700W en Hiver• 850W en Eté

• VMC: 300 kWh/an soit 35W 24h/24

Soit un besoin journalier moyen de 1.5 KWh. Mais ce besoin est inégal, en été, l’énergie captée est plus importante alors que le besoin en éclairage est moindre (Nuits plus courte). Inversement, en hiver, les nuits sont plus longues et l’énergie captée 3 fois plus faible. Une source d’appoint est donc nécessaire.

VMC: Fonctionnement en alternance, un régime continu n’est pas indispensable:•En Eté, utilisation du surplus d’énergie en journée, coupure la nuit•En Hiver, utilisation la nuit, en heure creuse, grâce à la source d’appoint

Éclairage: Emploi généralisé d’ampoules basse consommation (Leds, Fluo) permettant une division par 3 de la puissance nécessaire

Le Photovoltaique doit être associé à des mesures de maitrise de l’énergie

Ampoules de puissance Ampoules de puissance ééquivalente 40Wquivalente 40WLED Fluo Incandescence

Ampoule-leds.fr2.5W

50 000 H16€

28.5€

IKEA Sparsam7 W

10 000 H4.25€

56.5€

Kripton40 W1000 H1.16€

258€Coût de revient sur 50 000H x2x2 x10x10

Malgré leur coût à l’achat, les ampoules LED sont rentables à long terme et évitent un surdimensionnementde l’installation photovoltaïque

Ampoules basse consommation

L’installation proposée à une puissance de 220WLa production annuelle est de 242 kWh, avec une moyenne mensuelle de 20kWh:• Production journalière maxi en Juillet: 1000Wh• Production journalière mini en Décembre 270 Wh

Profils de consommation:Juillet:• 300W de besoin en éclairage• 700W de dispo pour la VMCDécembre:• 570W de besoin en éclairage• 300W d’apport en Heures creuses pour l’éclairage • Activation de la VMC en Heures creuses et en fin de besoin d’éclairage

Apport d’énergie en Heures creuses

Surplus d’énergie pour la VMC

Gestion de l’Energie

La gestion de l’énergie nécessite un automate dédié

For

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Mesure Batterie+12V +12V

Mesure Cellules

Mod

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10K 10K 10K10K

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0V / Terre

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Alarme batterie

Automate de gestion

L’automate permet de gérer la source d’énergie en provenance des capteurs, d’entretenir la charge de la batterie et de distribuer la puissance aux éléments consommateurs

C’est un mini-ordinateur qui reçoit en entrées la tension de la batterie, la sortie des cellules photovoltaïque, l’information été/hiver et tarif jour/nuit

Un programme interne permet d’agir sur des relais de sortie afin d’activer un chargeur de batteries, la VMC et l’éclairage extérieur la nuit

Au format DIN, il est directement intégré au tableau électrique, et se connecte à un PC pour la programmation

Shunt SolaireBoitier électronique assurant la recharge et le contrôle des batteries au moyen de capteurs photovoltaïque

OnduleurBoitier electronique assurant la conversion du courant continu issue des batteries en courant alternatif sinusoidal 220V

BatterieBatteries spécialement adaptées a l’application solaire:

Faible taux de décharge

Pas de dégagement gazeux

Durée de vie

Autres composants

Capteur Photovoltaique

Régulateur Solaire

Automate

Convertisseur 220V

Chargeur

Batteries

Installation complete

Installation Photovoltaïque personnelle:Puissance photovoltaïque installée: 220WBatteries: 2x130VAPuissance distribuée sous 220V: 600W (VMC+Eclairage)

La réalisation photovoltaïque présentée n’ouvre droit a aucunes aides de l’Etat, seul la revente d’électricité fait l’objet d’une aide:

Sur ce principe, EDF rachète l’électricité photovoltaïque « a prix d’or », jusqu’à 55 cts / kWh, et ceci pendant 20 ans (Arrêté du 10 juillet 2006)

Une installation de 2000W va produire en moyenne 2400 kWh / an soit un revenu de 1320€

Le coût d’une telle installation est de l’ordre de 20000 € dont 9300€déductible (Plafonné pour famille de 3 enfants), soit un investissement de 11000€

Amortissement sur 8 à 10 ans, gain de 11000€ les 10 années suivantes

Revente d’électricité

Plutôt un produit financier!

en bleu,

Zone H1en jaune, Zone H2en rouge, Zone H3

Soit à Bordeaux (Maison de 150 m² / 5 personnes):

16500 kWh / anDont 3500 pour l’eau chaude

Rappel: Puissance Solaire reçue: 1500 kWh/m²/anSoit 11m²ou encore7.5% de la surface habitable

Besoins en Chauffage / Eau chaude

Installation Thermique

Capteur Thermique (Tubes sous vide)

Vase d’expansion

Chaudière (Condensation)

Pompe Solaire

Boitier de controle

Ballon d’eau chaude

Installation Thermique personnelle*:Capteur a tubes sous vides CPC Paradigma de 4 m²Puissance thermique: 4000 WBallon d’eau chaude de 300 litresSoutient au chauffage en fin de chauffe du ballon

*Ensemble réalisé par la sociétéEOLE Energie – Ludon-Medoc

Le coût moyen d’un système de chauffage ECS solaire est de 4500€, dont 600€ de pose et 3900€ de matériel

La déduction fiscale est de 50% du matériel soit 1950€Coût total après déduction de 2500€

Un prêt 0% peut être accordé par le Crédit Agricole:42€ par mois sur 5 ans

Premiers résultats:Economie réalisée sur 4 mois : 133€

2729 KWh de produit par le Solaire

Division de la consommation par 10

Retour a faire sur l’année complète, mais le résultatdevrait être > aux 3500 kWh prévus

Apport Solaire:> 20% du besoin énergétique en thermique

Aspect financier

L’amortissement se fera en 6 ans

÷10

Ce lampadaire fonctionne grâce au vent et à l’énergie solaire. Ses LED à économie d’énergie éclairent autour de lui lorsqu’il y a du mouvement, le tout étant alimenté par panneaux solaires. Les ingénieurs de Philips Electronics ont pensé a tout car le Light Blossom peut aussi se recharger à la manière d’une éolienne, en tournant sur lui même grâce a ses pétales en forme de pales.

Science&Avenir - Décembre 2008

Lu dans la Presse

Le Figaro – 18 Novembre 2008

Prise de conscience du gouvernement avec une annonce de mesures en faveur des énergies renouvelables, dont le Solaire. En avant: Une centrale solaire par Région. Mais avec un objectif de passage a 20% d’énergie renouvelable, la production et la consommation par les particuliers est une piste àne pas négliger, et à encourager par des aides plus généreuses…

L’Energie Solaire est incontournable, elle peut dès aujourd’hui, moyennant une maitrise de l’énergie, subvenir à 20% des besoins d’un foyer

Avec les progrès en matière de captation, transformation et stockage, 30 à 40% sont envisageable

Des centrales solaires de forte puissance peuvent être dès a présent construites, c’est juste une question de volonté politique. Les annonces faites actuellement semblent aller danscette voie

La production par les particuliers est une alternative aux grosses centrales. Les aides actuelles permettent un amortissement d’une durée raisonnable, mais sont applicable dans un cadre trop strict pour encourager les réalisations personnelles.

Les Communes et Régions ont un rôle a jouer en encourageant l’énergie Solaire sur les construction neuves, comme cela se fait dans certains pays Européens

Conclusion

L’Energie Solaire, ça marche, déployons-la et économisons les ressources non renouvelables

Sites Internethttp://www.outilssolaires.com/http://lamap.inrp.fr/http://pagesperso-orange.fr/herve.silve/http://www.ademe.fr/http://sunbird.jrc.it/pvgis/http://www.sudenergies.fr/http://www.jayworld.fr/2008/10/20/philips-light-blo ssom-concept-intelligent-declairage-urbain/

Livres, Conferences, Publications

Le miracle de l’atome (Harun Yahya)L’energie Solaire (Jean Marc Bezian)Multijunction Solar Cells Multijunction Solar Cells for CPV (Spectrolabs – Avr 2008)La maîtrise de la demande d’électricité dans l’habitat social (Olivier Sidler)

Bibliographie