La radiation solaire est une énergie solaire
Nous savons tous que l’énergie solaire est une ressource d’énergie renouvelable et, pour tous les aspects pratiques, elle est gratuite. La technologie et l’équipement nécessaires pour exploiter la radiation solaire comme ressource énergétique pour produire lumière, chaleur, puissance et électricité sont bien établis.
Le soleil est la source d’énergie originale, et notre planète a utilisé la lumière et la chaleur du soleil pendant des milliards d’années pour se développer et croître. Même notre météo est le résultat de toutes ces interactions thermiques complexes entre la radiation solaire, l’atmosphère, les océans et les surfaces terrestres sur les portions du globe éclairées par le soleil.
La radiation solaire provient du soleil, qui est en lui-même une source d’énergie pratiquement illimitée. La quantité de radiation solaire que la Terre reçoit chaque jour dépasse de loin tous nos besoins énergétiques combinés si nous pouvions l’exploiter. Cette immense quantité d’énergie que nous recevons quotidiennement, appelée radiation solaire incidente, ou irradiation pour faire court, dépasse plus de 100 millions de fois la quantité totale d’énergie que nous utilisons en une seule année.
Cette immense quantité d’énergie est gratuite, abondante et presque uniformément distribuée, disponible pour tous à travers le monde. L’énergie solaire est donc considérée comme renouvelable et peut être convertie en d’autres formes d’énergie par plusieurs processus de conversion. Cependant, même avec l’utilisation actuelle des photovoltaïques, des panneaux solaires thermiques et des parcs éoliens, seule une très petite fraction de cette lumière incidente est utilisée par la population terrestre.
La Terre orbite autour du soleil, qui est lui-même une étoile, et le temps nécessaire pour effectuer une rotation complète est d’une période d’un an, définie comme environ 365,25 jours. Mais la rotation de la Terre n’est pas un cercle parfait ; elle tourne autour du soleil sur une orbite légèrement elliptique, produisant les saisons d’hiver et d’été.
De plus, la Terre tourne quotidiennement (24 heures) autour de son axe polaire, du pôle Nord au pôle Sud, à une inclinaison constante de 23,45 degrés par rapport au plan de l’orbite elliptique.
Ces différentes inclinaisons verticales et horizontales ainsi que les orbites entraînent des variations saisonnières de la quantité de radiation solaire reçue par la Terre. La quantité d’énergie solaire reçue à la surface de la Terre à un endroit donné dépend donc de l’altitude, de la latitude, de l’heure du jour et de l’année, des conditions météorologiques locales et des effets atmosphériques, ainsi que de l’orientation de la surface par rapport au soleil. C’est pourquoi l’orientation des collecteurs solaires, c’est-à-dire la direction dans laquelle ils font face et leur inclinaison par rapport à l’horizontale, optimise leur capacité de collecte solaire.
Le soleil émet des radiations parce que sa surface est chaude – tout comme un élément électrique émet de la lumière et de la chaleur lorsqu’il est chaud. L’énergie de radiation solaire émise par le soleil couvre une large gamme de longueurs d’onde (correspondant aux couleurs du spectre visible), allant de la radiation ultraviolette à la lumière visible, en passant par le rayonnement infrarouge. Ici sur Terre, nous recevons une lumière normale dans les fréquences visibles et notre chaleur du spectre infrarouge de fréquences. Ainsi, la radiation solaire est la lumière et la chaleur reçues par la Terre du soleil.
La puissance de radiation solaire émise par le soleil est uniforme et homogène dans toutes les directions, traversant continuellement l’atmosphère terrestre vers sa surface. Dans l’espace au-dessus de l’atmosphère terrestre, chaque mètre carré de l’espace reçoit environ 1370 watts (1,37 kilowatt) de radiation solaire. Cette valeur est appelée constante solaire, S mesurée en W/m2.
Cependant, l’atmosphère gazeuse de la Terre permet la transmission facile de la radiation solaire ultraviolette, visible et infrarouge entrante, mais elle agit également comme un filtre, car les nuages, les particules, la vapeur d’eau et la surface de la Terre absorbent, reflètent et diffusent une partie de celle-ci dans l’espace.
La radiation solaire à travers l’atmosphère
Normalement, les mesures de radiation solaire sont prises avec un instrument horizontal tel que ce capteur de radiation solaire qui peut mesurer la radiation nette tracée sur une journée entière. Ce capteur de radiation solaire Davis estime avec précision la quantité de radiation solaire qu’un site recevra et peut être utilisé pour le placement de systèmes photovoltaïques, de maisons solaires et de panneaux thermiques solaires.
Les valeurs mesurées à la surface de la Terre sont généralement inférieures à la constante solaire. Comme nous l’avons mentionné précédemment, diverses influences de l’atmosphère et de la surface terrestre réduisent l’irradiation solaire.
Au moment où elle atteint le sol, la radiation incidente maximale de 1m2 d’une surface horizontale à un emplacement équatorial est proche de 1000 watts (1,0 kW). Cependant, lorsque la radiation solaire est moyenne sur l’ensemble des cycles jour-nuit et sur l’année entière été-hiver, même les meilleurs emplacements ici sur Terre ne reçoivent en moyenne que 250 à 300 W/m2. C’est moins de 30 % de ce qui arrive au sommet de l’atmosphère.
Une partie de cette radiation solaire qui finit par traverser est ensuite dispersée et reflétée au fur et à mesure qu’elle descend vers la surface de la Terre. La radiation dispersée qui atteint éventuellement la surface de la Terre est connue sous le nom de « radiation diffuse ». La radiation diffuse est généralement une forme plus faible de radiation solaire, mais néanmoins, elle peut encore être utilisée pour générer de l’électricité et de la chaleur.
La portion de la radiation solaire qui atteint directement la surface de la Terre, ayant parcouru une trajectoire droite sans être réfléchie ou dispersée, est appelée « radiation directe » et est donc une forme plus forte de radiation solaire capable de produire plus de pouvoir solaire.
La radiation directe incidente sur un panneau photovoltaïque ou thermique est déterminée par son angle d’incidence. Cet angle dépend à son tour de l’alignement et de l’emplacement de la surface réceptrice et de la position du soleil. Lorsque le soleil est directement au-dessus, la lumière du soleil a le chemin le plus court à parcourir dans l’atmosphère et donc la radiation solaire maximum se produit au moment du midi solaire. Plus le soleil est loin de la position verticale, plus la radiation doit parcourir d’atmosphère.
Dans la matinée ou en fin d’après-midi, la position du soleil est à un angle plus horizontal par rapport à la surface de la Terre, de sorte que la radiation solaire doit passer par davantage d’atmosphère avant d’atteindre un panneau solaire, ce qui la rend moins intense. Cela s’explique par le fait qu’il y a moins de radiation solaire directe et plus de radiation diffuse en raison des processus de diffusion accrus au sein de l’atmosphère.
Nous pouvons également augmenter la quantité d’énergie de radiation solaire par unité de surface en concentrant la radiation solaire diffusée ou directe à l’aide de lentilles ou de miroirs. Mais à quel point l’énergie du soleil peut-elle être concentrée ? Malheureusement, toutes les rayons du soleil qui atteignent la surface de la Terre ne sont pas exactement parallèles les uns aux autres, ce qui rend leur concentration efficace sur un seul point difficile.
Les collecteurs solaires, les réflecteurs et les paraboles peuvent grandement augmenter l’efficacité d’un système en concentrant la lumière du soleil. Le facteur de concentration, également connu sous le nom de « nombre de soleils », d’un collecteur solaire concentrant peut être équivalent à plus de 1 000 soleils. Cependant, cela n’est pas une bonne idée avec des panneaux photovoltaïques PV, car vous pourriez facilement surchauffer les panneaux et réduire, plutôt qu’augmenter, leur efficacité.
Résumé du tutoriel
La radiation solaire est une source d’énergie puissante et la viabilité économique et la faisabilité technique de l’énergie solaire dépendent de la quantité de radiation solaire dans la région où nous avons l’intention d’utiliser cette forme d’énergie.
Nos maisons et bâtiments peuvent être conçus pour tirer pleinement parti de la radiation solaire en utilisant sa chaleur et sa lumière.
Cependant, avant d’installer un système d’énergie solaire, il est nécessaire de connaître à la fois la demande et la quantité probable d’énergie de radiation solaire disponible, ainsi que leur variabilité à un emplacement donné. En connaissant cela et le modèle prévu de consommation d’énergie, il est possible de calculer la taille des panneaux, des collecteurs et du stockage nécessaires.
En plus des variations régulières de l’été et de l’hiver, il existe également des variations irrégulières substantielles liées aux fluctuations quotidiennes de la radiation solaire, car elles affectent la quantité de stockage d’énergie requise au sein d’un système d’énergie solaire.
Il devient donc évident que la quantité totale d’énergie solaire reçue à tout emplacement à la surface de la Terre pendant une journée ou une année dépend de plusieurs facteurs qui déterminent la viabilité de l’énergie solaire :
- Latitude géographique de l’emplacement.
- Couverture nuageuse moyenne de l’emplacement.
- Heure de la journée et jour de l’année.
- Angle du collecteur par rapport à l’horizontale.
- Paysage local et conditions météorologiques locales.
La position du soleil par rapport à un emplacement donné est essentielle pour de nombreux systèmes d’énergie solaire. Les deux angles de hauteur du soleil (altitude solaire ou élévation) et d’azimut solaire définissent la position du soleil et donc la quantité d’énergie solaire disponible.
Des diagrammes de position solaire ou de parcours solaire peuvent être utilisés pour visualiser le trajet du soleil au cours d’une journée à cet emplacement. Ces diagrammes de parcours solaire montrent la hauteur du soleil et l’azimut pour chaque heure des jours sélectionnés avec une courbe tracée à travers les points fournissant les données de radiation solaire du soleil.
L’énergie du soleil est gratuite et disponible pour tout le monde à travers le monde, et les technologies qui transforment l’irradiance solaire en énergie utilisable, à la fois thermique et photovoltaïque, diminuent en prix à mesure que l’industrie solaire se développe et que la production augmente.
Les panneaux photovoltaïques solaires fabriqués pour nos maisons aujourd’hui sont plus avancés que jamais, avec la capacité de produire de l’électricité même en période de faible ensoleillement. Les réflecteurs solaires peuvent convertir une radiation solaire diffuse plus faible en électricité à l’aide de miroirs et de lentilles.
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