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Université tebessa Département Génie électrique Spécialité : M1 LMD électrotech

Université tebessa Département Génie électrique Spécialité : M1 LMD électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE Chapitre 7 : énergie solaire 7.1. Introduction L'énergie solaire est une source d'énergie qui dépend du soleil. Cette énergie permet de fabriquer de l'électricité à partir de panneaux photovoltaïques ou des centrales solaires thermiques, grâce à la lumière du soleil captée par des panneaux solaires. Figure 7.1 les panneaux solaires.  L’énergie solaire est propre, n'émet aucun gaz à effet de serre et sa matière première, le soleil bien que distant de plus de 150 millions de kilomètres de nous, est gratuite, inépuisable et disponible partout dans le monde.  L'énergie solaire est l'énergie diffusée par le rayonnement du Soleil. Des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible, tous ces rayonnements sont constitués de photons, les composants fondamentaux de la lumière et les vecteurs de l’énergie solaire. L’énergie solaire est issue des réactions de fusion nucléaire qui animent le Soleil.  Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse du règne végétal. Le règne animal, y compris l’humanité, dépendent des végétaux sur lesquels sont fondées toutes les chaînes alimentaires.  L'énergie solaire est ainsi à l'origine de toutes les formes de production énergétique aujourd’hui utilisées sur terre, à l'exception de l’énergie nucléaire, de la géothermie et de l’énergie marémotrice.  L’homme utilise l'énergie solaire pour la transformer en d'autres formes d'énergie : énergie chimique (les aliments que notre corps utilise), énergie cinétique, énergie thermique, énergie électrique ou biomasse. Par extension, l'expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l'électricité ou l'énergie thermique obtenue à partir de la source énergétique primaire qu’est le rayonnement solaire. Actuellement, il existe deux voies principales d’exploitation de l’énergie solaire :  Le solaire photovoltaïque qui transforme directement le rayonnement solaire en électricité ;  Le solaire thermique qui transforme directement le rayonnement en chaleur.  La solaire thermodynamique est une variante du solaire thermique. Cette technique se différencie en cela qu’elle utilise l’énergie thermique du soleil afin de la transformer dans un second temps en électricité. Université tebessa Département Génie électrique Spécialité : M1 LMD électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE 7.2 Fonctionnement technique ou scientifique 7.2.1 Les caractéristiques du rayonnement solaire sur Terre L'énergie solaire reçue en un point du globe dépend de  l'énergie solaire envoyée par le Soleil, qui fluctue avec son activité de fusion ;  la nébulosité (nuages, brouillards, etc.), qui est par exemple importante à l'équateur et plus faible en milieu intertropical ;  la latitude, la saison et l'heure, qui influent sur la hauteur du soleil dans le ciel et donc l'énergie reçue par unité de surface au sol. Figure 7.2 Modélisation de l’inégale répartition de l’énergie solaire dans le monde. 7.2.2 L’exploitation de l’énergie solaire Trois familles de procédés de transformation de l’énergie solaire se distinguent aujourd’hui. a. L’énergie solaire thermique L'énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur du rayonnement solaire :  en usage direct de la chaleur : chauffe-eau et chauffages solaires, cuisinières et sécheuses solaires ;  en usage indirect, la chaleur servant pour un autre usage : rafraîchissement solaire, dessalement, etc. De fait, elle est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau ou des locaux. On utilise pour cela des capteurs thermiques. Il en existe plusieurs catégories mais le principe est toujours le même : le capteur thermique absorbe les photons solaires et les transforme en chaleur. Celle- ci est ensuite transmise à un liquide ou à un gaz (dit « caloporteur ») qui la transporte vers un réservoir de stockage de chaleur. b. L’énergie solaire thermodynamique (CSP) L’énergie thermique du soleil permet également de produire de l’électricité par voie thermodynamique. Le principe est identique à celui d’une centrale électrique classique: la production de vapeur ou de gaz à haute pression est turbinée pour être ensuite transformée en électricité. Ce processus nécessite des températures importantes (de 250°C à plus de 1 000°C) que l’on atteint en concentrant la lumière solaire avec des miroirs vers un fluide caloporteur. Université tebessa Département Génie électrique Spécialité : M1 LMD électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE Parmi les technologies de concentration majeures peuvent être citées :  les centrales solaires cylindro-paraboliques avec concentration linéaire, équipées d’auges paraboliques ;  les centrales solaires à miroirs de Fresnel avec concentration linéaire, équipées de lames de miroirs légèrement incurvées ;  les centrales solaires à tour avec héliostats renvoyant le rayonnement sur le concentrateur  les paraboles solaires Dish-Stirling avec une concentration ponctuelle, équipées d’un moteur Stirling Elles permettent le stockage d'une partie de l'énergie sous forme de chaleur. Ce stockage permet de diminuer les conséquences de l'intermittence de la ressource solaire en permettant, par exemple, de continuer à produire de l'électricité après le coucher du soleil. c. L’énergie solaire photovoltaïque (PV)  Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839), ou la technique associée. L’intérêt de cette technique est de convertir l’énergie du soleil directement en électricité.  L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire dans une cellule photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, produits à partir d’une matière première de très grande pureté.  Bien que comptant encore pour une très faible part de la production mondiale d'électricité (environ 2% en 2017 selon l'AIE (L’Agence internationale de l’énergie)), le solaire photovoltaïque se voit promettre un grand avenir grâce aux progrès attendus, à la baisse des coûts, à sa simplicité et à sa polyvalence. Pouvant fonctionner avec ou sans raccordement à un réseau, elle peut répondre aux besoins en énergie électrique d'une maison (capteurs sur le toit) ou d'une industrie.  La première application est apparue dans le domaine spatial pour les satellites. D’autres secteurs ont ensuite utilisé la technologie photovoltaïque, notamment les télécommunications, le balisage maritime et aérien, l’éclairage domestique et le pompage de l’eau.  Mais comme le soleil n’est pas visible en un point de la Terre 24 heures sur 24, cette application nécessite l’utilisation de batteries ou autres systèmes qui assurent le stockage de l’électricité en vue d’une consommation hors période d’ensoleillement. 7.2.3 Enjeux par rapport à l'énergie : Répondre aux enjeux économiques et environnementaux :  L’énergie solaire est souvent considérée comme l’énergie de l’avenir : elle est renouvelable et potentiellement inépuisable à l'échelle humaine.  L’enjeu est de taille dans le contexte de dérèglement climatique et de fortes variations des cours des ressources fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole).  Ce fort potentiel couplé à la nécessité de réduire les gaz à effet de serre font de l’énergie solaire un axe de développement privilégié aujourd’hui. Université tebessa Département Génie électrique Spécialité : M1 LMD électrotechnique ind Module : production d’énergie Enseignante : Dr BOUGUERNE Accroître la rentabilité et le rendement :  L’investissement initial dans une centrale solaire est toujours important mais, une fois l’installation amortie, ses frais de fonctionnement sont faibles.  De nombreux pays ont mis en place des systèmes d'incitation financière (sous forme de détaxation, de subventions, ou de tarifs avantageux pour le rachat de l'énergie produite) afin d’encourager l’innovation et les premières installations.  L'utilisation de ces systèmes de production d'énergie solaire se justifie immédiatement dans les situations où il est très coûteux de transporter des combustibles (fossiles), de procéder à un raccordement au réseau électrique, comme pour des appareils isolés (balises marines, horodateurs) ou dans des zones isolées ou peu peuplées. 7.2.4 Unités de mesure  L’énergie est mesurée en joules (J) et la puissance est mesurée en watts (W).  Un joule égale un watt pendant 1 seconde.  L'énergie solaire totale absorbée chaque année par l'atmosphère terrestre, les océans et les terres avoisinerait 3 850 zettajoules (1 ZJ = 1021J).  Pour rappel, la consommation mondiale d’énergie primaire a atteint 14301 Mtep en 2018 selon le rapport annuel « Global Energy and CO2 Status » de l’AIE, soit environ 600 exajoules (1 EJ = 1018 J). 7.2.5 Passé et présent : 1839: Antoine Becquerel (1788-1878) découvre le phénomène photovoltaïque et invente la pile photovoltaïque. 1912 : première mise en œuvre d’un capteur cylindro-parabolique inventé par Charles Vernon Boys (1855-1944), un physicien anglais. 1949 : Félix Trombe (1906-1985), un chimiste française, développe les systèmes passifs de chauffage solaire et notamment le « mur Trombe ». Il participe également au développement des fours solaires successifs du site d’Odeillo. 1959 : lancement de Vanguard I, le premier satellite fonctionnant à l’énergie photovoltaïque. Années 70 : les deux chocs pétroliers relancent l’intérêt porté aux énergies solaires. Années 80: les développements sont freinés pour des raisons de rentabilité liées notamment aux technologies trop coûteuses. Années 1990 : un nouvel essor s’amorce. Années 2000 : les énergies solaires thermique et photovoltaïque se développent rapidement en France. Entre 2007 et 2009, leurs productions énergétiques respectives ont été multipliées par 2 et par 7. 2012 : la puissance photovoltaïque uploads/Industriel/ chapitre-7-energie-solaire.pdf