Energie solaire photovoltaïque

Acteur durable de plus de 4 milliards d’années, le soleil sauvera l’humanité du chao. Bien que distant de plus de 150 millions de kilomètres de nous, il demeure notre plus grande source d’énergie. L’énergie solaire reçue par la terre représente chaque année environ 8380 fois la consommation énergétique de l’humanité en 2009 soit environ 11 milliards de TEP (tonnes équivalent pétrole). Toutes les quarante minutes, en effet, la terre reçoit du soleil assez d’énergie solaire pour couvrir sa consommation mondiale d’énergie pendant une année.

Jusqu’à présent, cette énergie est utilisée principalement pour l’éclairage naturel et pour le chauffage. Mais avec le développement de la technologie, il y a eu apparition de trois autres domaines d’utilisations de cette énergie :

◆ L’énergie solaire thermique : Elle consiste à produire de la chaleur a partir du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer l’eau ou l’air. On utilise dans ce cas des capteurs thermiques qui relèvent d’une toute autre technologie. Dans le langage courant, ce sont des « chauffe-eau solaire » ou des « capteurs à air chaud ».
◆ L’énergie solaire thermodynamique : cela fonctionne sur un principe de concentration des rayons solaires au moyen de miroirs galbés, en un foyer placé sur une tour qui emmagasine les calories pour les restituer ensuite sous forme mécanique à l’aide d’une turbine à vapeur par exemple. [2]
◆ L’énergie solaire photovoltaïque : Il existe deux types. Le premier consiste à produire de l’électricité en absorbant les rayonnements lumineux, le deuxième transforme la chaleur en électricité. Le premier type sera repris en détail.

Qu’est ce que l’énergie solaire photovoltaïque

La conversion du rayonnement lumineux (solaire ou autre) en électricité, appelée aussi effet photovoltaïque, a été découverte par Antoine Becquerel en 1839, mais il faudra attendre prés d’un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique. L’énergie photovoltaïque s’est développée dans les années 50 pour l’équipement de vaisseaux spatiaux et le premier a été lancé dans l’espace en 1958. C’était le seul procédé non-nucléaire d’alimenter des satellites en énergie. Les images satellites reçus par notre téléviseur ne nous parviennent que grâce à l’énergie photovoltaïque.

A présent des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés dans plusieurs pays.

Ensoleillement et lumière

Qu’est ce que la lumière 

A. Un peu de physique
Un faisceau lumineux est un déplacement de petits corps porteurs d’énergie, ou photons, comme la décrit Einstein en 1905, pour expliqué l’effet photovoltaïque. Depuis l’équivalence onde-corpuscule mise en évidence par Louis de Broglie en 1924, la lumière est décrite également comme une onde électromagnétique, comme les rayons X ou les ondes radiofréquence. Tous est une question de longueur d’onde, ou de fréquence, pour ces oscillations qui traversent l’espace et parfois la matière. Chaque photon porte une quantité d’énergie directement liée à sa longueur d’onde.

B. Couleur et longueur d’onde
La longueur d’onde d’un faisceau lumineux caractérise sa couleur, telle que la perçois notre œil. Bien sûr, tous les rayonnements ne sont pas perceptibles par l’œil, mais ils ont aussi leurs longueurs d’onde, qui dépond de leurs fréquences : fréquence radio, micro-ondes… Puisque la photopile a pour vocation de fournir de l’électricité dans le monde ou nous vivons, elle est conçue pour convertir les longueurs d’onde disponibles dans notre environnement, d’une façon la plus écologique qu’elle soit, donc propres au développement de la vie.

Regardons de quoi se compose le rayonnement du soleil parvenant à la surface de la terre : l’infrarouge procure de la chaleur, le visible est nécessaire à la croissance des plante et des animaux (dont nous faisons partie, s’il est besoin de le précisé), et l’ultraviolet brunit la peau et tue les bactéries. Le spectre du soleil s’étend de 200 nm à 3 µm (=3000 nm).

Quoi de plus naturel pour les physiciens du siècle dernier que de nommer «ultraviolette » la lumière plus bleue que le bleu-violet perceptible par l’œil, et « infrarouge » la lumière moins rouge que celle que notre œil détecte ? En effet, la perception oculaire moyenne de l’homme s’étend du bleu (longueur d’onde 380nm) au rouge (longueur d’onde 780nm), en passant par les couleurs que l’arc-en-ciel nous dévoile lorsque les gouttes de pluie décomposent la lumière blanche.

Rayonnement solaire et atmosphère

La distance de la terre au soleil est d’environ 150 millions de kilomètres et la vitesse de la lumière est d’un peu plus que 300 000 km/s ; les rayons du soleil mettent environ 8min à nous parvenir. [4] L’énergie lumineuse dite « extraterrestre » c’est-à-dire hors atmosphère a été évaluée avec précision par la NASA et vaut 1367 W/m² . Il s’agit de l’irradiance reçue, ou rayonnement solaire instantané, à un instant donné au-dessus de l’atmosphère terrestre, en incidence normale (c’est-à-dire sur un plan perpendiculaire à la direction du soleil). On appel cette valeur « constante solaire », mais elle ne l’est pas tout à fait à cause des légères variations de la distance Terre Soleil. Cette énergie qui descend en ligne droite vers notre planète ne peut pas nous parvenir sur terre en intégralité car elle va subir des transformations en traversant l’atmosphère : par absorption et par diffusion.

En effet, l’atmosphère est composée, d’une majorité d’azote et d’oxygène (respectivement 78 et 21%), mais aussi de l’argon, du CO2, de la vapeur d’eau et la fameuse couche d’ozone de la stratosphère, dont le rôle est de filtrer les UV les plus durs est si important. Les poussières et les nuages (formés de minuscules gouttelettes d’eau, ne pas confondre avec la vapeur d’eau, qui elle est un gaz) on aussi leurs importance dans la diffusion du rayonnement solaire.