Energie solaire

L’énergie solaire, issue du rayonnement du Soleil, représente sur la quasi-totalité de la surface de la planète une source de chaleur et de lumière importante, après réflexion et absorption par l’atmosphère et l’ionosphère. C’est une source d’énergie remarquable et renouvelable, que l’on peut considérer illimitée, à l’échelle des temps humains. Directement ou indirectement, elle est à l’origine de la plupart des énergies sur Terre telles que les énergies éolienne, hydraulique, hydrolienne, géothermique de très basse température, ainsi que les énergies fossiles… L’énergie solaire est également un maillon indispensable à la genèse et la pérennité de la vie sur la planète, notamment par le biais de la photosynthèse.

La puissance rayonnée par le Soleil est d’environ 3,8*1026 W. Quelques 8 minutes plus tard, La Terre, située à une distance de 1 unité astronomique (l’équivalent de 150 millions de km) perçoit au sommet de son atmosphère environ 1360 W/m², soit une puissance moyenne au sol de 340 W/m². Le système sol, atmosphère, océan n’absorbant pas la totalité des rayons incidents, environ 30% sont réfléchis vers l’espace (albédo), ce qui fait une puissance réelle au sol d’environ 238 W/m². Sur une année, cela représente une énergie totale Etot = 3,83*1024 J. En comparaison, la consommation énergétique mondiale est d’environ 9

Ainsi, la Terre reçoit en moins d’une heure d’ensoleillement, l’équivalent d’une année de consommation énergétique mondiale. C’est pour cette raison que l’énergie solaire est une ressource qu’il est nécessaire d’exploiter, particulièrement dans le contexte énergétique mondial actuel.

b. Utilisation de l’énergie solaire par l’homme

Depuis ses débuts, l’humanité n’a pratiquement eu à sa disposition que des énergies renouvelables, parmi lesquelles on retrouve l’énergie solaire, et a dû apprendre à s’en satisfaire. Mais dès la première révolution industrielle, avec l’utilisation du charbon, puis du pétrole, l’attrait pour le solaire n’a eu de cesse de diminuer. Néanmoins, face à la problématique de réchauffement climatique et d’épuisement de ces ressources fossiles, les énergies renouvelables connaissent un nouvel essor désormais indispensable pour l’avenir. C’est ainsi que, ces dernières décennies, le domaine du solaire a vu s’opérer de nombreux développements technologiques. Cette fois, le défi est de réussir à concevoir des dispositifs possédant des rendements de conversion de l’énergie solaire les plus élevés possible, mais avec des coûts de production au minimum. L’objectif est en effet de rendre l’utilisation de ces systèmes compétitifs financièrement et énergétiquement par rapport aux autres existants. Parmi les dispositifs actuels, nous pouvons distinguer trois grands groupes : le chauffage solaire, les centrales solaires thermodynamiques à concentration et les panneaux photovoltaïques.

i. Chauffage solaire

Le chauffage solaire est un type de chauffage qui fait appel uniquement ou principalement à l'énergie solaire comme source de chaleur. On trouve notamment les chauffe-ballons solaires, ou encore les fours solaires.

(a) (b)

Figure 1 : (a) Schéma de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire ; (b) Photographie du Grand Four Solaire d’Odeillo, situé dans le Parc Naturel Régional des Pyrénées Catalanes en France.

ii. Centrale solaire thermodynamique à concentration

Une centrale solaire thermodynamique à concentration est une centrale qui utilise les rayons du soleil en les concentrant à l’aide de miroirs, généralement vers une tour, afin de chauffer à haute température un fluide caloporteur. Ce fluide chauffé permet alors de former de la vapeur d’eau, laquelle crée de l’électricité en passant dans des turbines. Cette méthode nécessite néanmoins un fort ensoleillement annuel, ce qui ne permet pas une utilisation dans une région quelconque du globe.

Figure 2 : Photographie de la centrale solaire thermodynamique Thémis située en France, dans les Pyrénées-Orientales.

iii. Panneau photovoltaïque

Le panneau photovoltaïque est le seul dispositif permettant de créer directement de l’électricité à partir du rayonnement solaire, ceci grâce à l’effet photovoltaïque.

Le terme photovoltaïque est constitué du mot grec "phôtos" (φωτoς : lumière) et du nom de famille du physicien italien Alessandro Volta qui inventa vers 1800 la première pile électrique, appelée pile voltaïque.

C'est Alexandre Edmond Becquerel, un physicien français, qui découvre l’effet photovoltaïque, présenté à l’Académie des sciences en 1839 [1]. En effet, celui-ci observe que certains matériaux, lorsqu’ils sont exposés à la lumière, peuvent produire de petites quantités d’électricité. De ce constat, il démontre alors que cet effet est dû à une conversion directe de la lumière en électricité. En 1905, Albert Einstein décrit la nature de la lumière, constituée de « quanta », ce qui permet d’expliquer l’effet photo-électrique sur lequel la technologie photovoltaïque repose (cette explication lui vaudra un prix Nobel de physique en 1921). Huit ans plus tard, en 1913, William Coblentz dépose un premier brevet pour une cellule photovoltaïque. Malheureusement, celle-ci ne pourra jamais fonctionner. C’est Robert Millikan qui, le premier, prouve de façon expérimentale l’effet photo-électrique en réussissant à convertir en 1916 de l’énergie solaire en énergie électrique par le biais d’une cellule solaire. En 1954, trois chercheurs américains du Bell Telephone Laboratories : Chapin, Pearson et Prince mettent au point le premier panneau photovoltaïque à base de silicium et à haut rendement d’environ 6% (qui atteint les 9% en 1958) [2]. Depuis, motivés par les besoins spatiaux et la crise des énergies fossiles, les systèmes utilisés pour la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique n’ont eu de cesse de se diversifier et d’évoluer afin d’augmenter les rendements obtenus et diminuer les coûts de fabrication [3].

Dans le paragraphe suivant sont détaillés les différents types de panneaux solaires existants ainsi que les recherches actuelles dans le domaine.