L’énergie solaire

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L’énergie solaire est la lumière et la chaleur rayonnantes du Soleil qui sont exploitées à l’aide d’une gamme de technologies en constante évolution telles que le chauffage solaire, le photovoltaïque, l’énergie solaire thermique, l’architecture solaire, les centrales à sel en fusion et la photosynthèse artificielle.

Il s’agit d’une importante source d’énergie renouvelable et ses technologies sont largement caractérisées comme étant soit du solaire passif, soit du solaire actif, selon la manière dont elles captent et distribuent l’énergie solaire ou la transforment en énergie solaire. Les techniques solaires actives comprennent l’utilisation de systèmes photovoltaïques, l’énergie solaire concentrée et le chauffage solaire de l’eau pour exploiter l’énergie. Les techniques solaires passives comprennent l’orientation d’un bâtiment vers le soleil, le choix de matériaux ayant une masse thermique ou des propriétés de dispersion de la lumière favorables et la conception d’espaces qui font circuler naturellement l’air.

La grande quantité d’énergie solaire disponible en fait une source d’électricité très attrayante. Le Programme des Nations Unies pour le développement, dans son évaluation mondiale de l’énergie de 2000, a constaté que le potentiel annuel de l’énergie solaire était de 1 575-49 837 exajoules (EJ). Ce chiffre est plusieurs fois supérieur à la consommation mondiale totale d’énergie, qui était de 559,8 EJ en 2012.

En 2011, l’Agence internationale de l’énergie a déclaré que  » le développement de technologies d’énergie solaire abordables, inépuisables et propres aura d’énormes avantages à long terme. Elle renforcera la sécurité énergétique des pays en s’appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et pour la plupart indépendante des importations, améliorera la durabilité, réduira la pollution, abaissera les coûts de l’atténuation du réchauffement climatique et maintiendra les prix des combustibles fossiles à un niveau plus bas qu’autrement. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des incitations au déploiement précoce doivent être considérés comme des investissements dans l’apprentissage ; ils doivent être judicieusement dépensés et doivent être largement partagés ».

Potentiel

La Terre reçoit 174 petawatts (PW) de rayonnement solaire entrant (insolation) dans la haute atmosphère. Environ 30 % sont réfléchis dans l’espace tandis que le reste est absorbé par les nuages, les océans et les masses terrestres. Le spectre de la lumière solaire à la surface de la Terre est principalement réparti sur les plages du visible et du proche infrarouge, avec une petite partie dans le proche ultraviolet. La majeure partie de la population mondiale vit dans des régions où le niveau d’ensoleillement est de 150-300 watts/m², soit 3,5-7,0 kWh/m² par jour.

Le rayonnement solaire est absorbé par la surface terrestre, les océans – qui couvrent environ 71 % du globe – et l’atmosphère. L’air chaud contenant de l’eau évaporée des océans s’élève, provoquant une circulation ou une convection atmosphérique. Lorsque l’air atteint une altitude élevée, où la température est basse, la vapeur d’eau se condense en nuages, qui pleuvent sur la surface de la Terre, complétant ainsi le cycle de l’eau. La chaleur latente de la condensation de l’eau amplifie la convection, produisant des phénomènes atmosphériques tels que le vent, les cyclones et les anticyclones. La lumière solaire absorbée par les océans et les masses terrestres maintient la surface à une température moyenne de 14 °C. Par photosynthèse, les plantes vertes transforment l’énergie solaire en énergie stockée chimiquement, qui produit de la nourriture, du bois et la biomasse dont sont issus les combustibles fossiles.

L’énergie solaire totale absorbée par l’atmosphère, les océans et les masses terrestres de la Terre est d’environ 3 850 000 exajoules (EJ) par an. En 2002, c’était plus d’énergie en une heure que la consommation mondiale en un an. La photosynthèse capte environ 3 000 EJ par année dans la biomasse. La quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la planète est si vaste qu’en un an, elle est environ deux fois plus importante que celle qui sera jamais obtenue de toutes les ressources non renouvelables de la Terre, à savoir le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l’uranium extrait,

L’énergie solaire potentielle qui pourrait être utilisée par les humains diffère de la quantité d’énergie solaire présente près de la surface de la planète parce que des facteurs comme la géographie, les variations temporelles, la couverture nuageuse et les terres disponibles pour les humains limitent la quantité d’énergie solaire que nous pouvons acquérir.

La géographie influe sur le potentiel d’énergie solaire parce que les régions les plus proches de l’équateur ont une plus grande quantité de rayonnement solaire. Cependant, l’utilisation de systèmes photovoltaïques qui peuvent suivre la position du soleil peut augmenter de manière significative le potentiel d’énergie solaire dans les régions plus éloignées de l’équateur. La variation temporelle affecte le potentiel de l’énergie solaire parce que pendant la nuit, il y a peu de rayonnement solaire à la surface de la Terre que les panneaux solaires peuvent absorber. Cela limite la quantité d’énergie que les panneaux solaires peuvent absorber en une journée. La couverture nuageuse peut affecter le potentiel des panneaux solaires parce que les nuages bloquent la lumière du soleil et réduisent la lumière disponible pour les cellules solaires.

En outre, la disponibilité des terrains a un effet important sur l’énergie solaire disponible, car les panneaux solaires ne peuvent être installés que sur des terrains qui, autrement, ne seraient pas utilisés et qui seraient adaptés aux panneaux solaires. Les toits se sont avérés être un endroit approprié pour les cellules solaires, car de nombreuses personnes ont découvert qu’elles peuvent capter l’énergie directement de leur maison de cette façon. D’autres zones qui conviennent aux cellules solaires sont des terrains qui ne sont pas utilisés pour des entreprises où l’on peut installer des centrales solaires.

Les technologies solaires sont caractérisées comme étant soit passives, soit actives, selon la façon dont elles captent, convertissent et distribuent la lumière solaire et permettent d’exploiter l’énergie solaire à différents niveaux dans le monde, principalement en fonction de la distance à l’équateur. Bien que l’énergie solaire se réfère principalement à l’utilisation du rayonnement solaire à des fins pratiques, toutes les énergies renouvelables, autres que la géothermie et l’énergie marémotrice, tirent leur énergie directement ou indirectement du soleil.

Les techniques solaires actives utilisent le photovoltaïque, l’énergie solaire concentrée, les capteurs solaires thermiques, les pompes et les ventilateurs pour convertir la lumière solaire en rendements utiles. Les techniques solaires passives comprennent la sélection de matériaux ayant des propriétés thermiques favorables, la conception d’espaces qui font naturellement circuler l’air et la référence de la position d’un bâtiment au soleil. Les technologies solaires actives augmentent l’offre d’énergie et sont considérées comme des technologies du côté de l’offre, tandis que les technologies solaires passives réduisent le besoin de ressources alternatives et sont généralement considérées comme des technologies du côté de la demande.

En 2000, le Programme des Nations Unies pour le développement, le Département des affaires économiques et sociales de l’ONU et le Conseil mondial de l’énergie ont publié une estimation de l’énergie solaire potentielle qui pourrait être utilisée par l’homme chaque année en tenant compte de facteurs tels que l’insolation, la couverture nuageuse et les terres utilisables par les humains. L’estimation a révélé que l’énergie solaire a un potentiel global de 1 575-49 837 EJ par an (voir tableau ci-dessous).

Potentiel solaire annuel par région (Exajoules)
Région Amérique du Nord Amérique latine et Caraïbes Europe occidentale Europe centrale et orientale Ancienne Union soviétique Moyen-Orient et Afrique du Nord Afrique subsaharienne Pacifique Asie Asie du Sud Asie planifiée centralement Pacifique OCDE
Minimum 181.1 112.6 25.1 4.5 199.3 412.4 371.9 41.0 38.8 115.5 72.6
Maximum 7,410 3,385 914 154 8,655 11,060 9,528 994 1,339 4,135 2,263
Note :

  • Le potentiel global annuel total d’énergie solaire s’élève à 1 575 EJ (minimum) à 49 837 EJ (maximum)
  • Les données reflètent les hypothèses d’irradiance annuelle du ciel clair, de dégagement annuel moyen du ciel et de superficie terrestre disponible. Tous les chiffres sont en Exajoules.

Relation quantitative entre le potentiel solaire mondial et la consommation mondiale d’énergie primaire :

  • Ratio de la consommation potentielle par rapport à la consommation actuelle (402 EJ) en date de l’année : 3.9 (minimum) à 124 (maximum)
  • Ratio de la consommation potentielle par rapport à la consommation prévue d’ici 2050 (590-1 050 EJ) : 1,5-2,7 (minimum) à 47-84 (maximum)
  • Ratio de la consommation potentielle par rapport à la consommation prévue d’ici 2100 (880-1 900 EJ) : 0,8-1,8 (minimum) à 26-57 (maximum)

Source : Programme des Nations Unies pour le développement – Évaluation de l’énergie dans le monde (2000)

Énergie thermique

Les technologies solaires thermiques peuvent être utilisées pour le chauffage de l’eau, le chauffage des locaux, la climatisation des locaux et la production de chaleur industrielle.

Adaptation commerciale précoce

En 1878, à l’Exposition Universelle de Paris, Augustin Mouchot fit la démonstration d’une machine à vapeur solaire, mais ne put poursuivre son développement à cause du charbon bon marché et d’autres facteurs.

En 1897, Frank Shuman, inventeur, ingénieur et pionnier de l’énergie solaire aux États-Unis, a construit un petit moteur solaire de démonstration qui réfléchissait l’énergie solaire sur des boîtes carrées remplies d’éther, dont le point d’ébullition est inférieur à celui de l’eau, et qui étaient équipées de tuyaux noirs à l’intérieur, qui à leur tour faisaient fonctionner une machine à vapeur. En 1908, Shuman créa la Sun Power Company avec l’intention de construire de plus grandes centrales solaires. Avec son conseiller technique A.S.E. Ackermann et le physicien britannique Sir Charles Vernon Boys, il a mis au point un système amélioré utilisant des miroirs pour réfléchir l’énergie solaire sur les collecteurs, augmentant ainsi la capacité de chauffage au point que l’eau peut maintenant être utilisée au lieu de l’éther. Shuman a ensuite construit une machine à vapeur à grande échelle alimentée par de l’eau à basse pression, ce qui lui a permis de breveter l’ensemble du système de moteur solaire en 1912.

Entre 1912 et 1913, Shuman a construit la première centrale solaire thermique au monde à Maadi, en Égypte. Son usine utilisait des auges paraboliques pour alimenter un moteur de 45-52 kilowatts (60-70 ch) qui pompait plus de 22 000 litres (4 800 gal imp ; 5 800 gal US gal) d’eau par minute du Nil aux champs de coton voisins. Bien que le déclenchement de la Première Guerre mondiale et la découverte de pétrole bon marché dans les années 1930 aient découragé les progrès de l’énergie solaire, la vision et la conception de base de Shuman ont ressuscité dans les années 1970 avec une nouvelle vague d’intérêt pour l’énergie solaire thermique. En 1916, Shuman a été cité dans les médias en faveur de l’utilisation de l’énergie solaire, disant :

Nous avons prouvé le profit commercial de l’énergie solaire sous les tropiques et plus particulièrement que lorsque nos réserves de pétrole et de charbon sont épuisées, la race humaine peut recevoir une puissance illimitée des rayons du soleil.

- Frank Shuman, New York Times, 2 juillet 1916

Chauffage de l’eau

Les chauffe-eau solaires utilisent la lumière du soleil pour chauffer l’eau. Dans les basses latitudes géographiques (moins de 40 degrés), 60 à 70 % de l’utilisation d’eau chaude sanitaire à des températures allant jusqu’à 60 °C peut être assurée par des systèmes de chauffage solaire. Les types de chauffe-eau solaires les plus courants sont les capteurs à tubes sous vide (44 %) et les capteurs plats vitrés (34 %) généralement utilisés pour la production d’eau chaude sanitaire et les capteurs en plastique non vitrés (21 %) utilisés principalement pour chauffer les piscines.

En 2007, la puissance totale installée des chauffe-eau solaires était d’environ 154 gigawatts thermiques (GWth). La Chine est le leader mondial de leur déploiement avec 70 GWth installés en 2006 et un objectif à long terme de 210 GWth d’ici 2020. Israël et Chypre sont les leaders par habitant dans l’utilisation des systèmes de chauffe-eau solaires avec plus de 90% des foyers qui les utilisent. Aux États-Unis, au Canada et en Australie, le chauffage des piscines est l’application dominante du chauffe-eau solaire avec une puissance installée de 18 GWth en 2005.

Chauffage, refroidissement et ventilation

Aux États-Unis, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) représentent 30 % (4,65 EJ/an) de l’énergie utilisée dans les bâtiments commerciaux et près de 50 % (10,1 EJ/an) dans les bâtiments résidentiels. Les technologies de chauffage, de refroidissement et de ventilation solaires peuvent être utilisées pour compenser une partie de cette énergie.

La masse thermique est tout matériau qui peut être utilisé pour stocker la chaleur du soleil dans le cas de l’énergie solaire. Les matériaux de masse thermique courants comprennent la pierre, le ciment et l’eau. Historiquement, ils ont été utilisés dans les climats arides ou les régions tempérées chaudes pour garder les bâtiments au frais en absorbant l’énergie solaire pendant la journée et en irradiant la chaleur stockée dans l’atmosphère plus froide la nuit. Cependant, ils peuvent aussi être utilisés dans les régions tempérées froides pour maintenir la chaleur. La taille et l’emplacement de la masse thermique dépendent de plusieurs facteurs tels que le climat, l’éclairage naturel et les conditions d’ombrage. Lorsqu’elle est bien incorporée, la masse thermique maintient la température des locaux dans une plage confortable et réduit le besoin d’équipement auxiliaire de chauffage et de refroidissement.

Une cheminée solaire (ou cheminée thermique, dans ce contexte) est un système de ventilation solaire passive composé d’un puits vertical reliant l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment. Lorsque la cheminée se réchauffe, l’air à l’intérieur est chauffé, ce qui provoque un courant ascendant qui tire l’air à travers le bâtiment. Les performances peuvent être améliorées en utilisant des vitrages et des matériaux de masse thermique qui imitent les serres.

Les arbres et les plantes à feuilles caduques ont été encouragés comme moyen de contrôler le chauffage et la climatisation solaires. Lorsqu’elles sont plantées sur le côté sud d’un bâtiment de l’hémisphère nord ou sur le côté nord de l’hémisphère sud, leurs feuilles fournissent de l’ombre pendant l’été, tandis que les membres nus laissent passer la lumière pendant l’hiver. Comme les arbres dénudés et sans feuilles ombragent de 1/3 à 1/2 du rayonnement solaire incident, il y a un équilibre entre les avantages de l’ombrage estival et la perte correspondante de chauffage en hiver. Dans les climats où les charges thermiques sont importantes, les arbres à feuilles caduques ne devraient pas être plantés du côté équatorial d’un bâtiment parce qu’ils risquent de nuire à la disponibilité du soleil en hiver. Ils peuvent toutefois être utilisés à l’est et à l’ouest pour fournir un certain degré d’ombrage estival sans affecter de façon appréciable le gain solaire hivernal.

Cuisine

Les fours solaires utilisent la lumière du soleil pour la cuisson, le séchage et la pasteurisation. On peut les regrouper en trois grandes catégories : les cuiseurs à caissons, les cuiseurs à panneaux et les cuiseurs réflecteurs. Le cuiseur solaire le plus simple est le cuiseur à caisson construit pour la première fois par Horace de Saussure en 1767. Un cuiseur de base consiste en un récipient isolé avec un couvercle transparent. Il peut être utilisé efficacement par ciel partiellement couvert et atteint généralement des températures de 90-150 °C (194-302 °F). Les cuiseurs à panneaux utilisent un panneau réfléchissant pour diriger la lumière du soleil sur un contenant isolé et atteindre des températures comparables à celles des cuiseurs à caisson. Les cuisinières à réflecteurs utilisent différentes géométries de concentration (plat, auge, miroir de Fresnel) pour focaliser la lumière sur un récipient de cuisson. Ces cuisinières atteignent des températures de 315 °C (599 °F) et plus, mais ont besoin de lumière directe pour fonctionner correctement et doivent être repositionnées pour suivre le soleil.

Chaleur du processus

Les technologies de concentration solaire telles que la parabole, l’auge et les réflecteurs Scheffler peuvent fournir de la chaleur industrielle pour des applications commerciales et industrielles. Le premier système commercial a été le Solar Total Energy Project (STEP) à Shenandoah, en Géorgie, aux États-Unis, où un champ de 114 antennes paraboliques a fourni 50% des besoins en chauffage, climatisation et électricité d’une usine de vêtements. Ce système de cogénération raccordé au réseau fournissait 400 kW d’électricité plus de l’énergie thermique sous forme de vapeur de 401 kW et d’eau réfrigérée de 468 kW, et avait un stockage thermique de pointe d’une heure. Les bassins d’évaporation sont des bassins peu profonds qui concentrent les solides dissous par évaporation. L’utilisation de bassins d’évaporation pour obtenir du sel de l’eau de mer est l’une des plus anciennes applications de l’énergie solaire. Les utilisations modernes comprennent la concentration des solutions de saumure utilisées dans l’extraction par lixiviation et l’élimination des solides dissous des flux de déchets. Les cordes à linge, les chevaux et les étendoirs à linge font sécher les vêtements par évaporation par le vent et la lumière du soleil sans consommer d’électricité ou de gaz. Dans certains États des États-Unis, la législation protège le « droit au séchage » des vêtements. Les capteurs transpirants non vitrés (UTC) sont des parois perforées orientées vers le soleil qui servent à préchauffer l’air de ventilation. Les UTC peuvent augmenter la température de l’air entrant jusqu’à 22 °C (40 °F) et fournir des températures de sortie de 45 à 60 °C (113-140 °F). La courte période de récupération des capteurs (3 à 12 ans) en fait une alternative plus économique que les systèmes de collecte vitrés. En 2003, plus de 80 systèmes d’une superficie totale de 35 000 mètres carrés (380 000 pieds carrés) avaient été installés dans le monde, dont un collecteur de 860 m2 (9 300 pieds carrés) au Costa Rica utilisé pour sécher les grains de café et un collecteur de 1 300 m2 (14 000 pieds carrés) à Coimbatore, en Inde, utilisé pour sécher les soucis.

Traitement de l’eau

La distillation solaire peut être utilisée pour rendre potable l’eau saline ou saumâtre. Les alchimistes arabes du XVIe siècle en ont été les premiers témoins. Un projet de distillation solaire à grande échelle a été construit pour la première fois en 1872 dans la ville minière chilienne de Las Salinas. L’usine, qui avait une surface de captage solaire de 4 700 m2 (51 000 pi2), pouvait produire jusqu’à 22 700 L (5 000 gal imp ; 6 000 gal US) par jour et fonctionner pendant 40 ans. Les modèles individuels d’alambics comprennent les modèles à pente simple, à double pente (ou à effet de serre), verticaux, coniques, coniques, à absorbeur inversé, à mèche multiple et à effet multiple. Ces alambics peuvent fonctionner en mode passif, actif ou hybride. Les alambics à double pente sont les plus économiques pour les applications domestiques décentralisées, tandis que les alambics actifs à effets multiples conviennent mieux aux applications à grande échelle.

La désinfection solaire de l’eau (SODIS) consiste à exposer les bouteilles en plastique polyéthylène téréphtalate (PET) remplies d’eau à la lumière du soleil pendant plusieurs heures. Les temps d’exposition varient en fonction du temps et du climat, allant d’un minimum de six heures à deux jours par temps couvert. Il est recommandé par l’Organisation mondiale de la santé comme méthode viable pour le traitement de l’eau domestique et le stockage sûr. Plus de deux millions de personnes dans les pays en développement utilisent cette méthode pour leur eau potable quotidienne.

L’énergie solaire peut être utilisée dans un bassin de stabilisation de l’eau pour traiter les eaux usées sans produits chimiques ni électricité. Un autre avantage environnemental est que les algues poussent dans ces étangs et consomment du dioxyde de carbone lors de la photosynthèse, bien que les algues puissent produire des produits chimiques toxiques qui rendent l’eau inutilisable.

Technologie du sel fondu

Le sel fondu peut être utilisé comme méthode de stockage de l’énergie thermique pour retenir l’énergie thermique collectée par une tour solaire ou un bac solaire d’une centrale solaire à concentration, de sorte qu’il peut être utilisé pour produire de l’électricité par mauvais temps ou pendant la nuit. Elle a été démontrée dans le projet Solar Two de 1995 à 1999. On prévoit que le système aura un rendement annuel de 99 %, une référence à l’énergie retenue en stockant la chaleur avant de la transformer en électricité, par opposition à la conversion directe de la chaleur en électricité. Les mélanges de sels fondus varient. Le mélange le plus étendu contient du nitrate de sodium, du nitrate de potassium et du nitrate de calcium. Il est ininflammable et non toxique, et a déjà été utilisé dans l’industrie chimique et métallurgique comme fluide caloporteur, de sorte que l’expérience de tels systèmes existe dans des applications non solaires.

Le sel fond à 131 °C (268 °F). Il est maintenu liquide à 288 °C (550 °F) dans un réservoir de stockage « froid » isolé. Le sel liquide est pompé à travers des panneaux dans un capteur solaire où le soleil focalisé le chauffe à 566 °C (1 051 °F). Il est ensuite envoyé dans un réservoir de stockage à chaud. C’est tellement bien isolé que l’énergie thermique peut être stockée jusqu’à une semaine.

Lorsqu’on a besoin d’électricité, le sel chaud est pompé vers un générateur de vapeur conventionnel pour produire de la vapeur surchauffée pour une turbine/génératrice, comme dans toute centrale au charbon, au pétrole ou nucléaire conventionnelle. Une turbine de 100 mégawatts aurait besoin d’un réservoir d’environ 9,1 mètres (30 pieds) de haut et 24 mètres (79 pieds) de diamètre pour l’entraîner pendant quatre heures selon cette conception.

Plusieurs centrales à auges paraboliques en Espagne et le développeur de tours solaires SolarReserve utilisent ce concept de stockage d’énergie thermique. La centrale de Solana, aux États-Unis, dispose de six heures de stockage par du sel fondu. La centrale María Elena est un complexe thermo-solaire de 400 MW situé dans la région d’Antofagasta, au nord du Chili, utilisant la technologie du sel fondu.

Production d’électricité

L’énergie solaire est la conversion de la lumière du soleil en électricité, soit directement par le photovoltaïque (PV), soit indirectement par l’énergie solaire concentrée (CSP). Les systèmes CSP utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de poursuite pour focaliser une grande partie de la lumière du soleil dans un petit faisceau. Le PV convertit la lumière en courant électrique à l’aide de l’effet photoélectrique.

D’ici à 2050, l’énergie solaire devrait devenir la plus grande source d’électricité au monde, l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie solaire concentrée représentant respectivement 16 et 11 % de la consommation mondiale totale. En 2016, après une nouvelle année de croissance rapide, l’énergie solaire a produit 1,3 % de l’électricité mondiale.

Les premières centrales solaires à concentration commerciales ont été développées dans les années 1980. La centrale solaire de 392 MW d’Ivanpah, dans le désert de Mojave en Californie, est la plus grande centrale solaire du monde. Parmi les autres grandes centrales solaires à concentration, on peut citer la centrale solaire de Solnova de 150 MW et la centrale solaire d’Andasol de 100 MW, toutes deux en Espagne. Le projet solaire Agua Caliente de 250 MW, aux États-Unis, et le parc solaire Charanka de 221 MW en Inde, sont les plus grandes centrales photovoltaïques du monde. Des projets solaires de plus de 1 GW sont en cours de développement, mais la plupart des installations photovoltaïques déployées sont constituées de petits panneaux photovoltaïques de moins de 5 kW, qui sont connectés au réseau par comptage net et/ou au tarif de rachat.

Photovoltaïque

Au cours des deux dernières décennies, le photovoltaïque (PV), également connu sous le nom de PV solaire, a évolué d’un marché de niche pur d’applications à petite échelle pour devenir une source d’électricité courante. Une cellule solaire est un dispositif qui convertit la lumière directement en électricité par effet photoélectrique. La première cellule solaire a été construite par Charles Fritts dans les années 1880. En 1931, un ingénieur allemand, le Dr Bruno Lange, développa une cellule photoélectrique utilisant du séléniure d’argent à la place de l’oxyde de cuivre. Bien que les cellules prototypes de sélénium aient converti moins de 1 % de la lumière incidente en électricité, Ernst Werner von Siemens et James Clerk Maxwell ont tous deux reconnu l’importance de cette découverte. Après les travaux de Russell Ohl dans les années 1940, les chercheurs Gerald Pearson, Calvin Fuller et Daryl Chapin ont créé la cellule solaire au silicium cristallin en 1954. Ces premières cellules solaires ont coûté 286 USD/watt et ont atteint des rendements de 4,5-6%. En 2012, les rendements disponibles dépassaient 20 % et l’efficacité maximale de la recherche photovoltaïque dépassait 40 %.

Énergie solaire concentrée

Les systèmes à concentration d’énergie solaire (CSP) utilisent des lentilles ou des miroirs et des systèmes de poursuite pour concentrer une grande surface de lumière solaire dans un petit faisceau. La chaleur concentrée est ensuite utilisée comme source de chaleur pour une centrale électrique conventionnelle. Il existe une large gamme de technologies de concentration ; les plus développées sont l’auge parabolique, le réflecteur linéaire de Fresnel à concentration, la parabole Stirling et la tour solaire. Diverses techniques sont utilisées pour suivre le Soleil et focaliser la lumière. Dans tous ces systèmes, un fluide de travail est chauffé par la lumière solaire concentrée et est ensuite utilisé pour la production d’électricité ou le stockage d’énergie.

Architecture et urbanisme

La lumière du soleil a influencé la conception des bâtiments depuis le début de l’histoire de l’architecture. L’architecture solaire avancée et les méthodes de planification urbaine ont d’abord été employées par les Grecs et les Chinois, qui ont orienté leurs bâtiments vers le sud pour apporter lumière et chaleur.

Les caractéristiques communes de l’architecture solaire passive sont l’orientation par rapport au Soleil, la proportion compacte (faible rapport surface/volume), l’ombrage sélectif (surplombs) et la masse thermique. Lorsque ces caractéristiques sont adaptées au climat et à l’environnement local, elles peuvent produire des espaces bien éclairés qui restent dans une plage de température confortable. La maison Megaron de Socrates est un exemple classique de conception solaire passive. Les approches les plus récentes en matière de conception solaire font appel à la modélisation par ordinateur qui associe des systèmes d’éclairage, de chauffage et de ventilation solaires dans un ensemble intégré de conception solaire. Les équipements solaires actifs tels que les pompes, les ventilateurs et les fenêtres commutables peuvent compléter la conception passive et améliorer les performances du système.

Les îlots de chaleur urbains (UHI) sont des régions métropolitaines où les températures sont plus élevées que celles du milieu environnant. Les températures plus élevées résultent de l’absorption accrue de l’énergie solaire par les matériaux urbains tels que l’asphalte et le béton, qui ont des albédos plus faibles et des capacités thermiques plus élevées que ceux de l’environnement naturel. Une méthode simple pour contrer l’effet de l’indice UHI consiste à peindre les bâtiments et les routes en blanc et à planter des arbres dans la région. En utilisant ces méthodes, un hypothétique programme  » cool communities  » à Los Angeles a prévu que les températures urbaines pourraient être réduites d’environ 3 °C pour un coût estimé à 1 milliard de dollars US, ce qui donne des bénéfices annuels totaux estimés à 530 millions de dollars US provenant de la réduction des coûts de climatisation et des économies en soins de santé.

Agriculture et horticulture

L’agriculture et l’horticulture cherchent à optimiser le captage de l’énergie solaire afin d’optimiser la productivité des plantes. Des techniques telles que les cycles de plantation chronométrés, l’orientation sur mesure des rangs, l’échelonnement des hauteurs entre les rangs et le mélange des variétés de plantes peuvent améliorer le rendement des cultures. Bien que la lumière du soleil soit généralement considérée comme une ressource abondante, les exceptions soulignent l’importance de l’énergie solaire pour l’agriculture. Pendant les courtes saisons de croissance du Petit Âge glaciaire, les fermiers français et anglais utilisaient des murs fruitiers pour maximiser la collecte de l’énergie solaire. Ces murs servaient de masses thermiques et accéléraient la maturation en gardant les plantes au chaud. Les premiers murs fruitiers ont été construits perpendiculairement au sol et orientés vers le sud, mais au fil du temps, des murs en pente ont été aménagés pour mieux utiliser la lumière du soleil. En 1699, Nicolas Fatio de Duillier proposa même l’utilisation d’un mécanisme de poursuite qui pouvait pivoter pour suivre le Soleil. Les applications de l’énergie solaire dans l’agriculture en plus des cultures comprennent le pompage de l’eau, le séchage des cultures, la couvaison des poussins et le séchage du fumier de poulet. Plus récemment, la technologie a été adoptée par les viticulteurs, qui utilisent l’énergie produite par les panneaux solaires pour alimenter les pressoirs à raisins.

Les serres convertissent la lumière solaire en chaleur, ce qui permet la production toute l’année et la croissance (dans des environnements fermés) de cultures spéciales et d’autres plantes non adaptées naturellement au climat local. Les serres primitives ont été utilisées pour la première fois à l’époque romaine pour produire des concombres toute l’année pour l’empereur romain Tibère. Les premières serres modernes ont été construites en Europe au XVIe siècle pour conserver les plantes exotiques rapportées des explorations à l’étranger. Les serres demeurent une part importante de l’horticulture aujourd’hui, et des matériaux plastiques transparents ont également été utilisés à des fins similaires dans les polytunnels et les couvertures de rangées.

Transport

Le développement d’une voiture à énergie solaire est un objectif technique depuis les années 1980. Le World Solar Challenge est une course automobile semestrielle alimentée à l’énergie solaire, où des équipes d’universités et d’entreprises s’affrontent sur 3 021 kilomètres (1 877 mi) à travers l’Australie centrale, de Darwin à Adelaide. En 1987, au moment de sa fondation, la vitesse moyenne du vainqueur était de 67 kilomètres à l’heure (42 mi/h) et en 2007, la vitesse moyenne du vainqueur était passée à 90,87 kilomètres à l’heure (56,46 mi/h). Le North American Solar Challenge et le South African Solar Challenge sont des compétitions comparables qui reflètent un intérêt international pour l’ingénierie et le développement de véhicules à énergie solaire.

Certains véhicules utilisent des panneaux solaires comme source d’énergie auxiliaire, comme la climatisation, pour garder l’habitacle frais, réduisant ainsi la consommation de carburant.

En 1975, le premier bateau solaire pratique a été construit en Angleterre. En 1995, des bateaux à passagers équipés de panneaux photovoltaïques ont fait leur apparition et sont aujourd’hui largement utilisés. En 1996, Kenichi Horie a effectué la première traversée de l’océan Pacifique à l’énergie solaire, et le catamaran Sun21 a effectué la première traversée de l’océan Atlantique à l’énergie solaire à l’hiver 2006-2007. Il était prévu de faire le tour du monde en 2010.

En 1974, l’avion sans pilote AstroFlight Sunrise a effectué le premier vol solaire. Le 29 avril 1979, le Solar Riser a effectué le premier vol à bord d’une machine volante à énergie solaire, entièrement contrôlée et transportée par l’homme, atteignant une altitude de 12 m (40 ft). En 1980, le Gossamer Penguin a effectué les premiers vols pilotés propulsés uniquement par l’énergie photovoltaïque. Ce fut rapidement suivi par le Solar Challenger qui traversa la Manche en juillet 1981. En 1990, Eric Scott Raymond en 21 houblons s’est envolé de Californie en Caroline du Nord en utilisant l’énergie solaire. Les développements se sont ensuite tournés vers les véhicules aériens sans pilote (UAV) avec le Pathfinder (1997) et les conceptions subséquentes, culminant avec les Helios qui ont établi le record d’altitude pour un avion non propulsé par fusée à 29 524 mètres (96 864 pi) en 2001. Le Zephyr, développé par BAE Systems, est le dernier-né d’une gamme d’avions solaires battant tous les records, avec un vol de 54 heures en 2007, et des vols d’un mois étaient prévus d’ici 2010. Depuis 2016, Solar Impulse, un avion électrique, fait actuellement le tour du monde. Il s’agit d’un avion monoplace alimenté par des cellules solaires et capable de décoller par ses propres moyens. La conception permet à l’avion de rester en vol pendant plusieurs jours.

Un ballon solaire est un ballon noir rempli d’air ordinaire. Lorsque la lumière du soleil éclaire la montgolfière, l’air à l’intérieur est chauffé et se dilate, ce qui provoque une force de poussée vers le haut, un peu comme une montgolfière à air chaud chauffée artificiellement. Certains ballons solaires sont assez gros pour le vol humain, mais leur utilisation est généralement limitée au marché du jouet car le rapport surface-surface/poids utile est relativement élevé.

Production de carburant

Les processus chimiques solaires utilisent l’énergie solaire pour provoquer des réactions chimiques. Ces processus compensent l’énergie qui proviendrait autrement d’une source de combustible fossile et peuvent également convertir l’énergie solaire en combustibles stockables et transportables. Les réactions chimiques induites par le soleil peuvent être de nature thermochimique ou photochimique. Divers combustibles peuvent être produits par photosynthèse artificielle. La chimie catalytique multi-électronique impliquée dans la fabrication de carburants à base de carbone (comme le méthanol) à partir de la réduction du dioxyde de carbone est un défi ; une alternative réalisable est la production d’hydrogène à partir de protons, bien que l’utilisation de l’eau comme source d’électrons (comme les plantes) nécessite de maîtriser l’oxydation multi-électrons de deux molécules d’eau en oxygène moléculaire. Certains ont envisagé de mettre en service des centrales à combustible solaire dans les zones métropolitaines côtières d’ici 2050 – la séparation de l’eau de mer fournissant de l’hydrogène qui sera acheminé par des centrales électriques à pile à combustible adjacentes et le sous-produit de l’eau pure qui sera directement acheminé dans le réseau municipal. Une autre vision implique que toutes les structures humaines recouvrant la surface de la terre (c.-à-d. les routes, les véhicules et les bâtiments) font la photosynthèse plus efficacement que les plantes.

Les technologies de production d’hydrogène sont un domaine important de la recherche en chimie solaire depuis les années 1970. Outre l’électrolyse pilotée par des cellules photovoltaïques ou photochimiques, plusieurs procédés thermochimiques ont également été explorés. L’une de ces voies utilise des concentrateurs pour diviser l’eau en oxygène et en hydrogène à des températures élevées (2 300-2 600 °C ou 4 200-4 700 °F). Une autre approche utilise la chaleur des concentrateurs solaires pour alimenter le reformage à la vapeur du gaz naturel, augmentant ainsi le rendement global en hydrogène par rapport aux méthodes de reformage classiques. Les cycles thermochimiques caractérisés par la décomposition et la régénération des réactifs constituent une autre voie de production d’hydrogène. Le procédé Solzinc en cours de développement à l’Institut Weizmann utilise un four solaire de 1 MW pour décomposer l’oxyde de zinc (ZnO) à des températures supérieures à 1 200 °C (2 200 °F). Cette réaction initiale produit du zinc pur, qui peut ensuite réagir avec l’eau pour produire de l’hydrogène.

Méthodes de stockage de l’énergie

Les systèmes de masse thermique peuvent stocker l’énergie solaire sous forme de chaleur à des températures domestiques utiles pour des durées quotidiennes ou intersaisonnières. Les systèmes de stockage thermique utilisent généralement des matériaux facilement disponibles avec des capacités thermiques spécifiques élevées comme l’eau, la terre et la pierre. Des systèmes bien conçus peuvent réduire la demande de pointe, faire passer les heures d’utilisation aux heures creuses et réduire les besoins globaux en chauffage et en climatisation.

Les matériaux à changement de phase tels que la cire de paraffine et le sel de Glauber sont un autre moyen de stockage thermique. Ces matériaux sont peu coûteux, facilement disponibles et peuvent fournir des températures utiles au pays (environ 64 °C ou 147 °F). La « Dover House » (à Douvres, Massachusetts) a été la première maison à utiliser un système de chauffage au sel Glauber’s, en 1948. L’énergie solaire peut également être stockée à haute température à l’aide de sels fondus. Les sels sont un moyen de stockage efficace parce qu’ils sont peu coûteux, qu’ils ont une grande capacité calorifique spécifique et qu’ils peuvent fournir de la chaleur à des températures compatibles avec les systèmes d’alimentation conventionnels. Le projet Solar Two a utilisé cette méthode de stockage d’énergie, lui permettant de stocker 1,44 térajoules (400 000 kWh) dans son réservoir de stockage de 68 m³ avec un rendement de stockage annuel d’environ 99%.

Les systèmes PV hors réseau ont traditionnellement utilisé des batteries rechargeables pour stocker l’électricité excédentaire. Dans le cas des systèmes reliés au réseau, l’électricité excédentaire peut être envoyée au réseau de transport, tandis que l’électricité du réseau standard peut être utilisée pour combler les manques à gagner. Les programmes de mesurage net accordent aux réseaux domestiques un crédit pour toute l’électricité qu’ils fournissent au réseau. Pour ce faire, il faut  » reculer  » le compteur chaque fois que la maison produit plus d’électricité qu’elle n’en consomme. Si la consommation nette d’électricité est inférieure à zéro, le service public reporte le crédit de kilowattheures au mois suivant. D’autres approches impliquent l’utilisation de deux compteurs, pour mesurer l’électricité consommée par rapport à l’électricité produite. Cette situation est moins fréquente en raison de l’augmentation du coût d’installation du deuxième compteur. La plupart des compteurs standard mesurent avec précision dans les deux sens, ce qui rend inutile l’utilisation d’un deuxième compteur.

L’hydroélectricité à accumulation par pompage emmagasine l’énergie sous forme d’eau pompée lorsque l’énergie est disponible d’un réservoir situé plus bas à un réservoir situé plus haut. L’énergie est récupérée lorsque la demande est élevée en libérant l’eau, la pompe devenant ainsi un générateur d’énergie hydroélectrique.

Développement, déploiement et économie

Depuis l’essor de la consommation de charbon qui a accompagné la révolution industrielle, la consommation d’énergie est passée progressivement du bois et de la biomasse aux combustibles fossiles. Le développement précoce des technologies solaires à partir des années 1860 s’explique par le fait que l’on s’attendait à ce que le charbon se fasse bientôt rare. Cependant, le développement des technologies solaires a stagné au début du XXe siècle en raison de la disponibilité, de l’économie et de l’utilité croissantes du charbon et du pétrole.

L’embargo pétrolier de 1973 et la crise énergétique de 1979 ont entraîné une réorganisation des politiques énergétiques dans le monde entier et attiré une attention renouvelée sur le développement des technologies solaires. Les stratégies de déploiement se sont concentrées sur des programmes incitatifs tels que le Federal Photovoltaic Utilization Program aux États-Unis et le Sunshine Program au Japon. Parmi les autres efforts déployés, mentionnons la création d’installations de recherche aux États-Unis (SERI, maintenant NREL), au Japon (NEDO) et en Allemagne (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE).

Les chauffe-eau solaires commerciaux ont fait leur apparition aux États-Unis dans les années 1890. Ces systèmes ont été de plus en plus utilisés jusqu’aux années 1920, mais ont été progressivement remplacés par des combustibles de chauffage moins chers et plus fiables. Comme pour le photovoltaïque, le chauffage solaire de l’eau a suscité un regain d’intérêt à la suite des chocs pétroliers des années 1970, mais l’intérêt a diminué dans les années 1980 en raison de la chute des prix du pétrole. Le développement du secteur du chauffage solaire de l’eau a progressé régulièrement tout au long des années 1990 et les taux de croissance annuels ont atteint en moyenne 20 % depuis 1999. Bien que généralement sous-estimée, la technologie solaire de chauffage et de refroidissement de l’eau est de loin la technologie solaire la plus répandue avec une capacité estimée à 154 GW en 2007.

L’Agence internationale de l’énergie a déclaré que l’énergie solaire peut apporter une contribution considérable à la résolution de certains des problèmes les plus urgents auxquels le monde est actuellement confronté :

Le développement de technologies d’énergie solaire abordables, inépuisables et propres aura d’énormes avantages à long terme. Elle renforcera la sécurité énergétique des pays en s’appuyant sur une ressource indigène, inépuisable et pour la plupart indépendante des importations, améliorera la durabilité, réduira la pollution, abaissera les coûts de l’atténuation des changements climatiques et maintiendra les prix des combustibles fossiles à un niveau plus bas qu’autrement. Ces avantages sont mondiaux. Par conséquent, les coûts supplémentaires des incitations au déploiement précoce devraient être considérés comme des investissements dans l’apprentissage ; ils doivent être judicieusement dépensés et doivent être largement partagés.

En 2011, un rapport de l’Agence internationale de l’énergie a révélé que les technologies de l’énergie solaire telles que le photovoltaïque, l’eau chaude solaire et l’énergie solaire concentrée pourraient fournir un tiers de l’énergie mondiale d’ici 2060 si les politiciens s’engagent à limiter le changement climatique. L’énergie solaire pourrait jouer un rôle clé dans la décarbonisation de l’économie mondiale, parallèlement aux améliorations de l’efficacité énergétique et à l’imposition de coûts aux émetteurs de gaz à effet de serre. « La force de l’énergie solaire réside dans l’incroyable variété et la flexibilité des applications, de la petite à la grande échelle ».

Nous avons prouvé …. qu’une fois que nos réserves de pétrole et de charbon sont épuisées, la race humaine peut recevoir une puissance illimitée des rayons du soleil.

Normes ISO

L’Organisation internationale de normalisation a établi plusieurs normes relatives à l’équipement d’énergie solaire. Par exemple, la norme ISO 9050 concerne le verre dans le bâtiment, tandis que la norme ISO 10217 concerne les matériaux utilisés dans les chauffe-eau solaires

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