Fonctionnement de la production d’énergie solaire
Le soleil émet une quantité phénoménale d’énergie vers la Terre. Celle-ci peut s’exprimer de deux manières: sous sa forme thermique ou par l’effet photovoltaique. Des panneaux permettent de capter l’un, l’autre, ou les deux, ce que nous allons présenter là :
Le solaire photovoltaïque
Les panneaux solaires photovoltaïques sont conçus pour convertir directement l’énergie solaire en électricité. Leur fonctionnement repose sur l’effet photovoltaïque, un phénomène découvert par le physicien Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Les cellules photovoltaïques, généralement en silicium, sont les éléments clés de ces panneaux, captant les photons solaires pour libérer des électrons et générer un courant électrique.
Il existe trois principales technologies de cellules photovoltaïques : le silicium monocristallin, le silicium polycristallin et les couches minces. Les cellules monocristallines offrent la meilleure efficacité, atteignant jusqu’à 22%, tandis que les cellules polycristallines ont une efficacité légèrement inférieure, généralement comprise entre 15% et 18%. Les cellules à couches minces sont moins efficaces, mais leur flexibilité et leur faible coût les rendent intéressantes pour certaines applications.
Le développement des panneaux solaires photovoltaïques a été soutenu par les avancées technologiques et les politiques gouvernementales favorisant les énergies renouvelables. La baisse des coûts de production et l’augmentation de l’efficacité ont rendu l’énergie solaire photovoltaïque de plus en plus compétitive face aux sources d’énergie traditionnelles. De plus, l’innovation dans les matériaux, comme les cellules à base de pérovskite, laisse entrevoir un potentiel d’amélioration encore plus important de l’efficacité et de la durabilité des panneaux solaires.
Le marché du solaire photovoltaïque a connu une croissance rapide ces dernières années, avec une capacité mondiale installée dépassant les 700 GW en 2020. Cette expansion est principalement due à la mise en place de grandes centrales solaires et à l’adoption généralisée des panneaux photovoltaïques sur les toitures des bâtiments résidentiels et commerciaux. Les pays leaders en matière de solaire photovoltaïque incluent la Chine, les États-Unis, l’Inde, le Japon et l’Allemagne.
C’est de loin la principale technique d’énergie solaire utilisée.
Le solaire thermique
Le solaire thermique est une technologie permettant de convertir l’énergie solaire en chaleur, qui peut ensuite être utilisée pour produire de l’électricité ou pour des applications thermiques directes. Il existe deux principales catégories de solaire thermique : le solaire thermique à basse température pour des applications résidentielles et industrielles, et le solaire thermique à haute température pour la production d’électricité dans les centrales solaires.
Les systèmes solaires thermiques à basse température comprennent les chauffe-eau solaires et les systèmes de chauffage solaire pour l’eau sanitaire et le chauffage des bâtiments. Ces systèmes utilisent des capteurs solaires, généralement des capteurs plans vitrés ou des capteurs à tubes sous vide, pour capter l’énergie solaire et la transférer à un fluide caloporteur. L’eau chauffée peut ensuite être stockée dans un ballon d’eau chaude ou utilisée directement pour le chauffage.
Les centrales solaires thermiques à haute température produisent de l’électricité en utilisant la chaleur du soleil pour créer de la vapeur, qui entraîne une turbine reliée à un générateur. Les principales technologies solaires thermiques à haute température sont les centrales à concentrateur parabolique, les centrales à tour solaire et les centrales à réflecteurs linéaires Fresnel. Ces centrales utilisent des miroirs pour concentrer l’énergie solaire sur un récepteur, où la chaleur est transférée à un fluide, généralement de l’eau, du sel fondu ou un autre fluide caloporteur.
Plusieurs pays ont investi dans le développement de centrales solaires thermiques, notamment les États-Unis, l’Espagne, le Maroc, l’Afrique du Sud et la Chine. Parmi les centrales solaires thermiques notables figurent la centrale d’Ivanpah aux États-Unis (392 MW), la centrale d’Andasol en Espagne (150 MW), la centrale solaire Noor au Maroc (580 MW prévus), la centrale solaire de KaXu en Afrique du Sud (100 MW) et la centrale solaire de Delingha en Chine (50 MW).
En 2019, la capacité installée dans le monde était de 6.2 GW, essentiellement en Chine et aux États-Unis.
Le solaire hybride
Les panneaux solaires hybrides combinent les technologies du solaire photovoltaïque et du solaire thermique en un seul système, optimisant ainsi l’utilisation de l’énergie solaire. Ils produisent à la fois de l’électricité et de l’eau chaude sanitaire. Leur fonctionnement repose sur deux éléments clés:
- D’une part, les cellules photovoltaïques captent l’énergie lumineuse du soleil et la convertissent en électricité.
- D’autre part, un système thermique est intégré au panneau pour exploiter la chaleur produite par les cellules photovoltaïques. Ce système thermique est composé d’un réseau de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur, généralement de l’eau glycolée, qui absorbe la chaleur générée par les cellules et la transfère vers un ballon d’eau chaude sanitaire ou un système de chauffage.
Les panneaux solaires hybrides présentent plusieurs avantages :
- ils permettent une meilleure utilisation de l’espace, car ils combinent deux technologies en un seul dispositif.
- ils offrent une meilleure efficacité énergétique, car ils récupèrent à la fois l’énergie lumineuse et thermique du soleil, ce qui réduit les pertes d’énergie et augmente le rendement global du système.
- le refroidissement des cellules photovoltaïques est mieux assuré grâce au système thermique intégré.
Les applications spécifiques d’énergie solaire
L’énergie solaire a plusieurs applications spécifiques, comme l’agrivoltaïsme (combiner agriculture et production phovotoltaïque), les véhicules solaires, le résidentiel extérieur (lampadaires solaires, tuiles solaires …) et plus largement les applications pour particuliers.
L’agrivoltaïque
L’agrivoltaïsme est une approche innovante qui combine l’énergie solaire et l’agriculture pour optimiser l’utilisation des terres et des ressources. Il existe plusieurs types d’agrivoltaïsme, tels que l’agrivoltaïsme horizontal, surélevé, intégré aux serres, avec élevage et aquatique. Chacun de ces types a ses propres caractéristiques et avantages en fonction de la manière dont les panneaux solaires sont intégrés dans le paysage agricole.
Il permet de réduire la concurrence pour les terres, d’améliorer l’efficacité énergétique et de fournir des avantages environnementaux et économiques. Les projets agrivoltaïques peuvent être adaptés aux conditions locales et aux besoins spécifiques de l’agriculture, offrant une solution durable pour répondre aux défis énergétiques et agricoles. Le concept a évolué au fil des décennies, avec un soutien croissant des gouvernements, des chercheurs et des entreprises qui reconnaissent les avantages potentiels de cette approche innovante.
Les véhicules solaires
Il y a des:
- Les bateaux solaires sont des véhicules maritimes propulsés par l’énergie solaire, offrant une alternative écologique et durable aux moteurs traditionnels. La typologie des bateaux solaires varie en fonction de leur taille et de leur usage, incluant des petites embarcations, des navettes, des bateaux de tourisme, des yachts de luxe et des navires de recherche. Les besoins en panneaux solaires et en batteries dépendent de plusieurs facteurs tels que la taille du bateau, la vitesse de croisière, l’autonomie et les conditions météorologiques, avec des capacités de panneaux solaires allant de 500 W à 200 kW et des batteries de 2 à 1 000 kWh.
- L’avion solaire est un aéronef propulsé par des moteurs électriques alimentés par l’énergie solaire. Il utilise des panneaux solaires, généralement placés sur les ailes et le fuselage, pour convertir la lumière du soleil en électricité. Cette électricité est ensuite stockée dans des batteries à bord, qui alimentent les moteurs et les systèmes de l’avion. Les avions solaires offrent un moyen de transport aérien écologique et durable, avec un potentiel d’autonomie quasi illimité, sous réserve de conditions météorologiques favorables et de capacités de stockage d’énergie adéquates. Néanmoins, ce n’est pas réalisé en pratique actuellement.
- La voiture solaire est un véhicule électrique équipé de panneaux solaires intégrés qui convertissent l’énergie solaire en électricité pour alimenter le moteur et les systèmes auxiliaires du véhicule. L’énergie solaire générée est stockée dans des batteries à bord, qui sont utilisées pour alimenter les moteurs électriques et assurer une autonomie de conduite. Ces véhicules combinent les avantages des voitures électriques, telles que l’absence d’émissions locales et le faible coût de fonctionnement, avec l’énergie renouvelable et gratuite du soleil. Les voitures solaires ont le potentiel de réduire la dépendance aux combustibles fossiles et de contribuer à la lutte contre le changement climatique, tout en offrant une alternative durable pour la mobilité personnelle et collective.
L’énergie solaire pour des applications résidentielles
Résidentiel extérieur
Plusieurs applications intègrent des panneaux photovoltaïques à des éléments extérieurs, pouvant concerner tant des particuliers que des collectivités territoriales :
- L‘éclairage public solaire consiste à équiper l’éclairage public, souvent des lampadaires, de panneaux solaires et de petites batteries, pour rendre l’appareil autonomie.
- Les tuiles solaires permettent d’utiliser comme toiture des tuiles faisant aussi office de panneaux photovoltaïques.
- Les fenêtres solaires sont des surfaces vitrées intégrant des cellules photovoltaïques pour convertir la lumière solaire en électricité. Elles combinent la transparence d’une fenêtre classique avec la production d’énergie renouvelable, permettant un gain de place considérable.
- La route solaire a été une idée très séduisante pendant longtemps, mais ses concrétisations ont largement été des échecs.
Résidentiel particulier et biens de consommation
D’autres innovations concernent essentiellement les particuliers. Il peut s’agit d’innovation portant sur le logement:
- La cuisine solaire utilise l’énergie du soleil pour cuire les aliments sans consommer de combustibles fossiles. Elle se présente sous diverses formes, notamment les fours solaires paraboliques, les fours solaires à boîte et les cuiseurs solaires à tube. Ces dispositifs captent et concentrent les rayons du soleil pour générer de la chaleur, permettant la cuisson des aliments. Bien que le temps de cuisson puisse être plus long que les méthodes traditionnelles, la cuisine solaire est écologique, économique et durable. Elle offre une alternative intéressante pour réduire notre empreinte carbone et préserver les ressources énergétiques.
- Les chauffe-eaux solaires permettent de produire de l’eau chaude sanitaire en utilisant l’énergie du soleil. Ils sont composés de capteurs solaires thermiques qui captent la chaleur, un ballon d’eau chaude pour stocker l’eau chauffée, et un système de circulation, souvent un fluide caloporteur. Ils réduisent la consommation d’énergie traditionnelle, comme le gaz ou l’électricité, et contribuent à diminuer les émissions de CO2. Les chauffe-eaux solaires sont une solution écologique et économique, avec des aides financières disponibles pour encourager leur installation.
Autres biens de consommation
- Les tissus photovoltaïques intègrent des cellules photovoltaïques flexibles et légères dans des textiles pour convertir la lumière solaire en électricité. Ces matériaux innovants offrent de nombreux avantages, tels que la possibilité d’intégrer la production d’énergie solaire dans diverses applications (auvents, tentes, vêtements) de manière esthétique et fonctionnelle. De plus, leur légèreté et leur flexibilité facilitent l’installation et permettent une utilisation sur des surfaces courbes ou irrégulières, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités pour l’exploitation de l’énergie solaire.
- Les films photovoltaïques transparents utilisent des cellules photovoltaïques organiques pour offrir une alternative esthétique et polyvalente aux panneaux solaires traditionnels. Parmi leurs avantages, on compte la transparence, la légèreté et la flexibilité, permettant une intégration facile dans différents projets architecturaux et urbains.
- Des tondeuses solaires, pour tondre la pelouse en n’étant propulsé par une électricité bas carbone.
L’énergie solaire dans le monde
Au début du 21e siècle, le paysage énergétique mondial se trouvait à un tournant. En 2000, la capacité solaire mondiale était encore modeste, ne représentant que 1,2 GW. Mais le potentiel de cette source d’énergie propre et renouvelable commençait à être reconnu, et les gouvernements ont commencé à investir dans son développement.
Au cours des années 2006 à 2010, la capacité solaire a connu une croissance substantielle. Les investissements gouvernementaux et les progrès technologiques ont porté la capacité solaire mondiale de 6,7 GW en 2006 à 40 GW en 2010. Pendant cette période, l’essor de l’énergie solaire a commencé à se manifester dans des pays comme la Chine, les États-Unis et l’Inde, qui ont adopté cette technologie à grande échelle.
Entre 2010 et 2015, le déploiement de l’énergie solaire a encore accéléré. La capacité solaire mondiale a bondi de 40 GW à 227 GW, grâce à l’engagement accru des gouvernements et à la baisse des coûts des panneaux solaires. Cette période a également vu de nombreux autres pays suivre l’exemple des leaders mondiaux et investir dans l’énergie solaire.
La période 2015-2020 a été marquée par une croissance soutenue, la capacité solaire mondiale atteignant 714 GW en 2020. Les coûts réduits et les investissements accrus dans le secteur ont contribué à cette expansion rapide. De plus en plus de pays ont reconnu les avantages environnementaux et économiques de l’énergie solaire, favorisant ainsi une transition énergétique mondiale vers un avenir plus durable.
Les cinq principaux acteurs – la Chine, les États-Unis, le Japon, l’Inde et l’Allemagne – dominent le secteur en représentant environ 70% de la capacité solaire mondiale, dont presque la moitié (254 GW en 2021) par la Chine. Seconds, les États-Unis ont une capacité solaire installée de 76 GW en 2021.
- https://www.maison-travaux.fr/maison-travaux/renovation-par-type/energies-renouvelables-renovation-par-type/solaire-energies-renouvelables-renovation-par-type/energie-solaire-ca-fonctionne-fp-183097.html
- https://www.planete-energies.com/fr/medias/decryptages/la-cellule-photovoltaique-comment-ca-marche