Qu’est-ce que l’énergie solaire et comment cela fonctionne
L’énergie solaire est une technologie qui convertit les vastes radiations solaires du soleil en énergie électrique, soit à travers des panneaux photovoltaïques (PV), soit en utilisant des miroirs pour concentrer les radiations solaires sur un point central afin de générer de l’électricité ou de la stocker dans des batteries.
À l’école, nous avons appris qu’avec l’eau, nous avions besoin du soleil pour briller sur la Terre Mère afin d’aider à soutenir la vie sous toutes ses formes. Cela inclut la vie animale et végétale qui l’habite, ainsi que la croissance de nos cultures pour nous nourrir. Le soleil est également une source majeure d’énergie pour les océans, les terres et l’atmosphère de la Terre.
Nous pouvons également utiliser la lumière rayonnante du soleil pour produire de la chaleur, de la lumière et de l’énergie sous forme d’électricité grâce aux vastes ressources solaires offertes par le soleil. La quantité de lumière solaire qui atteint la surface de la Terre influence les conditions météorologiques, les courants océaniques, les saisons et le climat de la planète. Cela provoque constamment l’évaporation de l’eau dans l’atmosphère, qui retourne sous forme de pluie (ou de neige) car la plupart des plantes ont besoin d’au moins un peu de lumière du soleil et d’eau pour croître.
Des rayons électromagnétiques sous forme d’énergie rayonnante sont constamment émis dans le vide spatial par l’action de combustion du soleil. Ces rayons électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière à travers l’espace dans toutes les directions, certains atteignant la surface de la Terre à 150 millions de kilomètres (93 millions de miles) de distance. L’énergie rayonnante émise par le soleil met en moyenne huit minutes et demie pour atteindre la Terre.
En fait, la quantité d’énergie solaire qui atteint la surface de la Terre chaque heure de la journée est supérieure à notre demande totale en énergie pour une année entière. Comme le soleil brille intensément dans le système solaire 24 heures sur 24, 365 jours par an, l’énergie solaire sous forme de « puissance solaire » est classée comme une ressource énergétique renouvelable et, pour toutes fins pratiques, nous pouvons considérer la puissance solaire comme étant de l’énergie provenant du soleil.
La Terre reçoit l’énergie rayonnante du soleil sous forme d’ondes électromagnétiques. La quantité de rayonnement solaire qui tombe réellement sur la surface de la Terre à un endroit et un moment donnés dépend de nombreux facteurs, tels que l’heure de la journée (matin, après-midi ou nuit), la période de l’année (saisons) et la latitude géographique de la surface de la Terre, pour n’en nommer que quelques-uns.
La quantité d’énergie rayonnante disponible pour une installation de puissance solaire n’est qu’une très petite proportion du rayonnement solaire total reçu par la Terre au-dessus de son atmosphère. Cela est principalement dû aux nuages, à l’atmosphère elle-même et aux conditions du sol, qui peuvent soit absorber, soit réfléchir la majeure partie de cette énergie solaire de retour vers le ciel et l’espace.
La Terre est essentiellement un immense collecteur d’énergie solaire qui reçoit de grandes quantités d’énergie du soleil. Cette énergie solaire peut être utilisée directement comme énergie solaire grâce à un panneau solaire photovoltaïque, et indirectement sous forme d’énergie éolienne, marémotrice ou des vagues. L’énergie solaire est une ressource énergétique renouvelable, inépuisable et disponible localement partout sur Terre. Mais pour collecter l’énergie solaire plus efficacement, les capteurs solaires nécessitent une lumière directe du soleil et non une lumière réfléchie, ce qui les rend inefficaces par temps nuageux.
La puissance brute de notre soleil qui atteint l’atmosphère externe de la Terre est d’environ 1373 Watts par mètre carré (1,37 kW/m2) au-dessus de la couche nuageuse. Cette quantité est ensuite réduite par l’atmosphère et les couches protectrices pour parvenir à la surface de la Terre à midi depuis un ciel dégagé, à environ 1000 watts par mètre carré (1,0 kW/m2) ou légèrement moins.
Cela signifie alors que l’irradiation solaire atteignant la surface de la Terre se compose d’environ 70% de lumière directe et d’environ 30% de lumière diffuse, car l’atmosphère et les nuages agissent comme des filtres géants bloquant et diffusant l’énergie rayonnante du soleil dans toutes les directions.
Par exemple, les gaz et les petites particules de poussière en suspension dans l’atmosphère provoquent un effet de diffusion sur le rayonnement solaire entrant, ce qui entraîne une partie de celui-ci étant réfléchie de nouveau dans l’espace dans toutes les directions en raison de l’air, des nuages, de la pluie et de la brume. Les nuages, composés de particules d’eau liquides et gelées, vont diffuser et réfléchir le rayonnement solaire de nouveau dans l’espace, comme nous le constatons lors des journées nuageuses.
De plus, la réflectivité de la surface de la Terre varie en fonction des matériaux différents qui la couvrent, qu’il s’agisse de sable, de neige ou de mer, tandis qu’une partie de l’énergie lumineuse rayonnante du soleil est absorbée par les différents gaz qui composent l’atmosphère, tels que la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et l’ozone.
Comme décrit précédemment, le rayonnement solaire est à la fois diffusé et réfléchi dans toutes les directions lorsqu’il traverse l’atmosphère. Cette dispersion peut atteindre jusqu’à 60% de la valeur totale qui atteint l’atmosphère terrestre à travers l’espace. Cependant, le rayonnement solaire direct projette des ombres car il est directionnel, provenant directement du soleil. La position et la localisation du soleil dans le ciel jouent également un rôle important dans l’efficacité de tout système de puissance solaire.
À midi, lors d’une journée ensoleillée et dégagée au milieu du désert, l’énergie solaire disponible au niveau du sol peut atteindre jusqu’à 1 000 watts par mètre carré, soit 1 000W ou 1kW par m2 d’espace pointant directement vers le soleil, mais pour de nombreux endroits dans le monde, une valeur plus réaliste se situe entre 600 et 800W par m2.
Pour obtenir la quantité maximale de puissance solaire par m2, nous devons compenser l’inclinaison et l’angle entre le soleil et la Terre, ainsi que le fait qu’il n’est pas toujours midi, en orientant un collecteur de puissance solaire en direction sud, là où le soleil est le plus brillant, et en l’ajustant peut-être pour les différentes saisons afin de suivre le soleil d’est en ouest.
La viabilité de l’énergie solaire
La position du soleil
La viabilité de l’utilisation du rayonnement solaire du soleil en tant que source d’énergie solaire, que ce soit pour chauffer de l’eau ou pour produire de l’électricité, dépend principalement de la quantité d’irradiance solaire reçue à un endroit donné sur la surface de la Terre, et cela variera selon le temps et les saisons, la Terre recevant globalement plus d’énergie solaire durant les mois d’été de mai à août.
La disponibilité ou l’absence de rayonnement solaire dépend très fortement de la rotation de la Terre, car il y a moins d’énergie solaire disponible la nuit que durant le jour, ainsi que du mouvement orbital de la Terre, qui produit des cycles saisonniers d’été à hiver, le soleil étant plus haut et plus brillant.
Le soleil est donc plus puissant dans le ciel pendant les mois d’été que durant les mois d’hiver. De plus, la latitude géographique joue un rôle important dans la disponibilité d’une énergie solaire suffisante, tout comme l’état de l’atmosphère, la couverture nuageuse, etc., le potentiel de génération d’énergie solaire étant le plus élevé dans l’hémisphère sud. L’énergie solaire concentrée nous aide à surmonter certains de ces manques.
Cela dit, suffisamment d’énergie solaire du soleil brille sur la Terre en une heure pour répondre à tous nos besoins pendant une année entière, et la première étape pour déterminer la viabilité de tout système énergétique alternatif est de réaliser une estimation réaliste de la quantité et du type d’énergie réellement nécessaire. Prendre le temps de réfléchir à cela et de planifier correctement un système de puissance solaire garantira que le système terminé, lorsqu’il sera opérationnel, répondra aux besoins électriques attendus tout en étant rentable.
Systèmes de puissance solaire
Les panneaux solaires convertissent l’énergie solaire en électricité, qui peut ensuite être utilisée pour alimenter tous types de systèmes et d’appareils à domicile. Quels types de systèmes de puissance solaire sont disponibles pour exploiter l’énergie solaire à la maison ? Nous savons désormais que les technologies solaires convertissent la puissance infinie de l’énergie solaire du soleil en chaleur, lumière et énergie.
Une des meilleures utilisations de l’énergie solaire est l’utilisation des panneaux photovoltaïques pour générer de l’électricité. La puissance solaire active fait référence à la génération d’énergie en utilisant l’énergie solaire, et il existe deux façons différentes de le faire. Les panneaux PV solaires génèrent de l’électricité, tandis que les panneaux solaires thermiques génèrent de la chaleur. La source principale d’énergie provenant du soleil est la même, mais la technologie utilisée dans chaque système est relativement différente.
Il existe d’énormes centrales électriques commerciales en activité aujourd’hui qui utilisent l’énergie solaire pour chauffer de l’eau afin de produire de la vapeur, qui est ensuite utilisée pour générer de l’électricité, tout comme dans les centrales électriques à combustibles fossiles, au charbon ou nucléaires. Une autre méthode consiste à utiliser de vastes zones de cellules photovoltaïques connectées ensemble pour former des matrices solaires qui peuvent générer de l’électricité à des tensions et des courants élevés.
Pour un système de puissance solaire domestique, il n’est pas nécessaire de dépenser de grosses sommes d’argent à concevoir des systèmes photovoltaïques mécaniques très élaborés : de nombreux débutants commencent avec des conceptions “faites maison” simples pour économiser de l’argent, entourant les photovoltaïques d’une boîte en bois pour concentrer l’énergie solaire.
L’énergie solaire est utilisée pour convertir l’énergie de la lumière du soleil en un support énergétique stockable et transportable, tel que l’électricité, en utilisant des panneaux solaires photovoltaïques. La technologie photovoltaïque (ou “PV”) convertit directement la lumière en électricité et c’est le panneau solaire monté sur le toit que la plupart des gens associent à l’énergie solaire. Il y a de nombreux avantages et inconvénients à l’énergie solaire et, dans le prochain tutoriel, nous examinerons les photovoltaïques plus en détail pour voir comment ils convertissent l’énergie du soleil en énergie solaire utilisable.
Dans le prochain tutoriel de cette section sur “l’énergie solaire”, nous examinerons les cellules solaires et verrons comment elles peuvent convertir la lumière du soleil sous forme de photons en énergie électrique pour nos maisons.