Rayonnement solaire
Les rayonnements solaires sont issus de réactions de fusion thermonucléaires qui ont lieu dans le soleil. Ils représentent dans l'espace de l'énergie issue de ces réactions. Ceux sont des ondes électromagnétiques à bande très large qui s'étalent des ondes métriques aux ondes gammas.
La densité du flux d’énergie décroit de la surface du soleil au fin fond de l'univers à cause de la diffusion et de l’absorption qui diminue l'intensité dans toutes les longueurs. Celle-ci décroît en fonction du carré de la distance au soleil
L'ensoleillement sur la surface de la terre varie en fonction de la latitude. Pour la Suisse, l'ensoleillement est le suivant.59
Comme le montre le graphique ci-dessous, la quantité d’énergie reçue sur une surface va dépendre de son orientation, de son inclinaison, de l'altitude et de la situation dans le pays. On peut constater que l’ensoleillement des Alpes est beaucoup plus long que sur le Plateau.
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59 EPFL
Conversion du rayonnement solaire en énergie
Ils existent différents procédés et méthode qui permettent de convertir le rayonnement solaire en énergie utilisable par l'homme.
Photosynthèse : processus naturel effectué chez les végétaux qui transforment l'énergie solaire en biomasse (glucide, lipide, protéine)
Conversion héliothermique : production de chaleur utilisable pour le chauffage, les processus thermiques et la production d’électricité.
Capteurs photovoltaïques : permettent de transformer directement les rayonnements solaires en électricité (rendement théorique de 28%, rendement pratique 10%). Ce type de panneau reste encore cher malgré les baisses significatives de cout récent dû à la surproduction de ceux-ci en Chine qui est le principal producteur.
Conversion héliothermique
Celle-ci est possible grâce à l'utilisation de capteur solaire thermique (capteur héliothermique) qui capte le rayonnement solaire sous forme de chaleur à des températures diverses en fonction du procédé. Cette chaleur est ensuite transmise à un fluide pour d’autres usages énergétiques. La conversion héliothermique est aujourd’hui le mode de conversion le plus efficace (rendement supérieur à 80%) et le moins cher pour exploiter l'énergie solaire, ce qui explique son privilégiement actuel dans les investissements
On remarquera que dans le langage usuel, la notion de capteur solaire est souvent associée au capteur photovoltaïque, mais en réalité cette notion désigne les capteurs photovoltaïques et les capteurs thermiques (capteur héliothermique).
Capteurs héliothermiques
Ils existent différents types de capteurs héliothermiques qui se différencient :
par le fluide caloporteur
o capteur à eau ou liquide caloporteur o capteur à air
o capteur à ébullition ou caloducs
par la géométrie :
o capteurs plans avec ou sans couverture
o capteurs à concentration paraboliques ou cylindro-paraboliques Capteurs plans
De forme plane, il est constitué en coffre rigide, composé le plus souvent d'une face supérieur qui est nécessairement transparent afin de bénéficier de l'effet de serre. D'autres faces (latérales et arrière du capteur) très bien isolé sont présente pour limiter les pertes thermiques.
La surface vitrée, permet le passage rayonnements solaires directs et diffus, mais empêche aussi, grâce à un traitement spécial, la sortie des rayons réfléchis. De plus, l'isolation
hermétique par rapport à l'environnement extérieur diminue les pertes thermiques par convection dues au vent. Un capteur ou collecteur solaire plan comprend donc cinq parties.60
Une couverture transparente, composée éventuellement de plusieurs éléments (vitre).
L’absorbeur qui est aussi la plaque où se réalise la conversion de l’énergie solaire en chaleur.
Un circuit caloporteur (échangeur)
Une isolation thermique arrière et latérale.
Une structure de liaison, modulaire ou intégrée (toiture solaire).
L’absorbeur a trois fonctions :
Absorber le rayonnement solaire
Puis le transformer en chaleur
Enfin la transmettre au fluide caloporteur
C’est donc naturellement que les absorbeurs sont réalisé dans des matériaux présentant un fort coefficient d'absorption (0,95), une faible émissivité (matériau sélectifs : e < 0,15) et une forte conductivité (transmission de la chaleur au fluide optimale). Ces caractéristiques sont généralement satisfaites pour des sortes de métaux précis.61
L’éclairement de l’absorbeur, qui est maximale vers le sud, dépend aussi de l’inclinaison du capteur par rapport au soleil. Il devra être disposé de façon à absorber un maximum d'énergie solaire. L’angle optimal varie suivant la latitude et la saison, il est donc nécessaire lors de l'étude de bien prendre en compte le lieu de l'installation et l'usage voulu. L'inclinaison donnée au capteur déterminera à quel moment de l'année nous voulons que le capteur soit le plus performant. Et cela va dépendre du type d'utilisation voulu. Prenons un exemple. Si l'installation de ce panneau a pour but de produire du chauffage, on inclinera le panneau de manière à ce que l'ensoleillement soit maximal en hiver. Si c’est la production d'eau chaude
60 http://fr.ekopedia.org/Capteur_h%C3%A9liothermique
61 http://fr.ekopedia.org/Capteur_h%C3%A9liothermique
sanitaire (demande constante) qui est recherchée, on inclinera le panneau de manière à ce que l'ensoleillement soit maximal au printemps ou en automne (45 °).
On précisera que ce type de panneau est essentiellement destiné à usage domestique (chauffage, eau chaude sanitaire) et que sa forme permet une intégration facile en remplacement d'éléments conventionnels (tuiles de toit).
Capteurs à concentration
Leurs formes paraboliques ou cylindro-parabolique, font que les rayonnements solaires se réfléchissent sur les parois pour se concentrer en un point à très forte température, chauffant ainsi un fluide caloporteur. On appelle champs photovoltaïques les grands espaces consacrés à l'utilisation de cette technique, ils existent 2 principaux types.
Installation composé de plusieurs récepteurs des rayonnements solaires
Installation composé d'un récepteur central solaire mais de plusieurs structures de miroirs. Un exemple de ce type d’installation à Solúcar (Espagne) qui est composé de 624miroirs de 10 mètres sur 12, renvoyant en direction du récepteur central. Cette installation peut produire une puissance de 11 MW.
Dans les deux cas, le fonctionnement est le suivant. Les concentrateurs se déplacent pour suivre la course apparente du soleil, recevant ainsi un maximum de rayonnements. Les récepteurs chauffent un fluide, qui permettra par un jeu de tuyauterie d’entrainer des turbines dont le mouvement produira de l'électricité.
Les capteurs à concentrations sont bien plus complexes et couteux que les capteurs plans.
Leurs utilisation est principalement du domaine industriel. Néanmoins, le développement de nouvelle unité est exponentiel, les chercheurs continuent à explorer de nouvelles façons de promouvoir et d’améliorer ce type de capteur. L'utilisation de capteur héliothermique est très répandue en Espagne (quatrième pays au monde en termes d’utilisation de l’énergie solaire), plus précisément au Sud où les conditions sont propices à l’utilisation de capteur solaire. En Arabie Saoudite, cette technologie est utilisée pour la désalinisation de l'eau de mer. On notera aussi que l'énergie solaire est souvent la seule solution offerte aux endroits isolés qui sont à l'écart des réseaux électriques.
Intégration architecturales des capteurs plans
En Suisse, on assiste à une augmentation importante du nombre de capteurs destiné à la production d'eau chaude sanitaire. Par exemple, le canton de Genève exige lors de la rénovation d'un toit, de la construction ou de la rénovation d'une maison, d’installer des panneaux solaires thermiques couvrant au minimum 30% des besoins en chaude sanitaire.
L’installation de panneaux solaires devra se faire en respectant les conditions suivantes.
Respecter les conditions réglementaires (mise à l’enquête, autorisation)
Recherche de conditions optimales d’exposition en tenant compte aussi des techniques d’implantation et de la maintenance
Tenir compte de l’impact visuel des capteurs
Prendre en considération les préférences esthétiques
Choix adéquat des matériaux et des couleurs Dans un bâtiment existant, l'intégration des
capteurs se fera en évitant de dénaturer celui-ci. Une solution possible est l’installation autour du bâtiment existant.
On peut aussi penser à une balustrade de balcon, un avant-toit, un abri incliné, une pergola, une véranda, mais aussi un mur de séparation ou un mur extérieur.
Dans bâtiment neuf, la conception du bâtiment doit en tenir compte dès les premières esquisses. C’est ainsi que l’intégration architecturale sera la meilleure et les coûts les plus bas.
Par exemple, il est possible d’intégrer avec élégance des capteurs aux murs du bâtiment.
Dimensionnement des capteurs solaires Soient : Φs : flux incident
Φr : flux réfléchit
Φp , Φb : flux de perte au niveau du fluide caloporteur
Bilan énergétique : Φu =Φs - Φr- Φp- Φb
Φs- Φr= α •Φs où α est le rendement optique
Φp- Φb= K•(Tc-Te) •A avec K : le facteur de perte [W/m2 * oK]
Tc-Te : le gradient de température entre le capteur et l’extérieur
A : l’aire dela surface utile En termes de flux : q = α • qs – K•(Tc-Te)
η= = α - = α - K•x où x dépend essentiellement des conditions métérologiques
Les pertes thermiques Φp + Φb sont inévitables, mais on peut en diminuer l'importance à l’aide des mesures suivantes.
Réduire le gradient thermique en faisant fonctionner le capteur à la température la plus basse possible.
Diminuer la surface de l'absorbeur par rapport à la surface de captage (capteurs à concentration)
Isoler avec un matériau convenable la face arrière et les côtés de l'absorbeur
Diminuer les pertes au travers de la couverture en doublant celle-ci ou en utilisant un revêtement sélectif sur l'absorbeur et/ou la couverture
Faire le vide d'air autour de l'absorbeur (capteurs à vide).
Le schéma ci-dessous illustre la marche à suivre dans le dimensionnement d’installations solaires servant à préparer de l’eau chaude, sans contribution au chauffage, puis avec.62
On remarquera qu’il est nécessaire de mixer l'usage de panneau solaire thermique avec l'utilisation d'une autre énergie qui peut être aussi renouvelable. Ainsi, on peut prévoira une contribution de 30 à 60% des panneaux solaires thermiques.
62 http://www.pac.ch/dateien/Dimentionnement%20d'installations%20%E0%20capteurs%20solaires.pdf
Choix du type de capteur
Les critères pour le choix du type de capteur sont les suivants.
Niveau de température (utilisation domestique ou industriel)
Intégration au site
Caractéristiques pour l'emploi prévu rendement o pression de service
o pertes de charge o capacité thermique
Qualité et compatibilité des matériaux
Durée de vie
Prix (dépend des incitations)
Palexpo
Nous reprenons l’article de la TSR sur la plus grande centrale photovoltaïque de Suisse qui se situe sur les toits de Palexpo à Genève.63
63 http://www.tsr.ch/info/sciences-tech/3145726-la-plus-grande-centrale-solaire-suisse-a-palexpo.html
Plus de 15'000 panneaux photovoltaïques seront posés sur les toits de quatre halles de Palexpo. Au total, près de 80% de la surface disponible de 60'000 mètres carrés sera utilisée, soit quelque 48'000 m2, ont annoncé lundi les Services industriels de Genève (SIG) et Geneva Palexpo.
La puissance de la centrale, dont le coût se montera à 15 millions, atteindra à 4,2 mégawatts (MW). Dès 2012, elle permettra de couvrir la consommation de 1'200 ménages genevois ou d'une commune de la taille de Soral. Pour comparaison, la plus grande centrale photovoltaïque actuelle de Suisse, installée sur le toit du Stade de Suisse à Berne, fournit près de trois fois moins d'énergie.
Cette installation est le fruit d'une collaboration entre les deux partenaires autour d'un objectif commun: accroître la production d'énergies renouvelables en accord avec les principes du développement durable recommandés par le canton, souligne le communiqué.
Un défi technique majeur a dû être relevé pour concrétiser l'entreprise: les toits des halles de Palexpo doivent en effet être renforcés pour qu'ils puissent supporter le poids des panneaux photovoltaïques.
Les ingénieurs ont trouvé une solution économique qui leur permettra de recevoir un poids supplémentaire de 33kg/m2. L'opération permettra aussi de suspendre davantage de matériel lors des grandes manifestations organisées par Palexpo.
La pose des panneaux a été achevée à la fin de l'année 2011. Les SIG ont également travaillé d'arrache-pied pour assurer la rentabilité de la nouvelle centrale: le prix du kWh ne devrait pas dépasser 34 centimes, montant 2011 auquel les SIG rachètent le courant solaire auprès de producteurs indépendants genevois pour des centrales dont la puissance excède 20kW.
Le canton de Genève passera ainsi à une puissance de production d'électricité solaire de plus de 12 MW dès 2012. Cela représente 50% de plus que la production actuelle totale du photovoltaïque à Genève (8 MW). Cette hausse est en accord avec l'objectif de 15 MW à l'horizon 2015, fixé par la politique cantonale de l'énergie.