Fonctionnement

Les procédés permettant de récupérer l'énergie solaire sont multiples.

Le choix d'une installation ou d'une autre se fait principalement en fonction des besoins et du budget. Du chauffe-eau artisanal aux dernières techniques de production industrielle, cette section vous permet de découvrir toutes les techniques permettant de récupérer l'énergie solaire.

Une cellule photovoltaïque est composé de deux faces. Une qui est exposée et dont le silicium est dopé en électrons et donc chargé  négativement ; l'autre face a un déficit en électrons. Quand un photon (particule de lumière) d'énergie suffisante arrache un électron d'un semi-conducteur exposé à la lumière, il se crée un trou d'électron qui doit être "rempli".   L'idée de la cellule photovoltaïque est de se servir de cette propriété pour forcer le trou et l'électron de chaque côté de la cellule pour créer une différence de potentiel. L'électron et ce trou vont se propager dans le réseau électrique relié et cette propagation n'est autre que le courant électrique. Ce fonctionnement est similaire à une pile. Il faut donc relier les deux faces au réseau électrique grâce à un système de grille.

Les techniques de fabrication sont nombreuses et chacune présente des avantages et des inconvénients. Dans l'optique d'une installation, il est préférable de laisser le professionnel vous indiquer la meilleure solution (sans doute la cellule en silicium monocristallin). Voici cependant une liste non-exhaustive des techniques de fabrication.

• Cellule en silicium amorphe (la moins chère avec un rendement faible au soleil mais fonctionne à la lumière artificielle. Calculatrices et autres applications peu gourmandes en électricité)
  
• Cellule en silicium monocristallin (la plus répandue)
  
• Cellule en silicium multicristallin ou polycristalin (moins chère que le monocristallin mais moins bon rendement)
  
• Cellule Tandem (fonctionne avec deux couches)
  
• Cellule photovoltaïque organique (encore à l'état de développement, utilise des matériaux autres que le silicium). Leur attractivité réside dans le fait qu'elles sont produites à partir de matériaux plastiques et que leur prix est donc plus abordable.
  
• Cellule multi-jonction (superposition de plusieurs couches, très cher à produire et utilisé principalement pour l'espace)
  
• Semi conducteur fbi (utilise des matériaux tellement rares qu'on n'envisage pas s'en procurer malgré le très bon rendement)

Ce type d'installations convient particulièrement aux endroits isolés du réseau électrique et profitant de nombreuses heures d'ensoleillement par an. Dans le désert d'Atacama, en Amérique du Sud, le nombre d'installations se multiplie grâce aux aides des gouvernements pour éviter l'installation de lignes électriques dans des sites protégés ou particulièrement éloignés. C'est notamment le cas de toutes les construction du parc Eduardo Avaroa dans le sud ouest de la Bolivie.

Les refuges de hautes-montagnes également se dotent de panneaux solaires pour limiter l'utilisation de groupe électrogènes fonctionnant au pétrole car cela permet de fournir de l'énergie plus propre dans des écosystèmes sensibles et d'utiliser la place utilisée par le pétrole lors des approvisionnement pour d'autres denrées.

Historique

Atouts et inconvénients

La réponse à cette question dépend de beaucoup de facteurs et principalement la situation géographique. En premier lieu, il y a ce qu'on appelle le potentiel photovoltaïque de l'emplacement. Les régions les plus productives car les plus ensoleillées en France sont celles du pourtour méditerranéen suivies de celles du sud-ouest ensuite une large bande allant de la Bretagne au nord des Alpes et enfin le nord et l'est de la France. Pour le reste de l'Europe, les régions du sud et de la côte Atlantique sud de l'Europe sont les mieux situées en vue d'une production efficace. Pour l'Afrique, la majeure partie du continent est dans de bonnes conditions pour produire de l'énergie photovoltaïque de manière efficace même si la région équatoriale souffre de la couverture nuageuse. Les régions peuplées du Canada bénéficient d'une bonne capacité de production sans être vraiment élevée.
De la position géographique va également dépendre les pertes dues aux températures. En effet, de très fortes températures engendrent des pertes plus élevées.
De là va également dépendre l'éventuelle ombre produite par les bâtiments, les arbres ou les montagnes situés dans les environs de votre installation.
Enfin, l'orientation est très importante dans le cas d'un système intégré au bâtiment. D'une part, l'installation fonctionnera de manière optimale si elle est orientée vers le sud (nord dans l'hémisphère sud) et dans la mesure où la lumière solaire de midi n'est pas masquée. D'autre part, l'inclinaison du système est important dans la mesure où des pertes sont enregistrées suivant l'incidence (l'angle selon lequel les panneaux reçoivent la lumière) des rayons du soleil.

Potentiels photovoltaïques de l'Europe et de l'Afrique, contient également un simulateur pour ces deux régions.

Potentiel photovoltaïque du Canada

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Ce procédé est utilisé depuis des millénaires mais les techniques se sont améliorées. Le procédé existe même dans la nature puisque c'est l'énergie rayonnante du soleil qui réchauffe les cours et les étendues d'eau.

Chauffe-eau à capteurs (panneaux)

Un liquide antigel circule à travers des tubes qui sont exposés au soleil et qui une fois chauds vont permettre d'élever la température de l'eau dans un ballon. La forme que prennent les chauffe-eau à capteurs est similaire aux panneaux photovoltaïques. Une énergie d'appoint est cependant nécessaire pour ne pas avoir à prendre une douche froide les jours peu lumineux. Dans une région fortement ensoleillée et aux hivers doux cette technique peut permettre de chauffer l'habitation. Etant relativement abordable et facile à mettre en place, il s'agit de la technique la plus utilisée à l'heure actuelle.

Cuve ou tuyau

De manière plus artisanale, vous pouvez récupérer une cuve que vous peignez en noir. Cette technique est très utilisée sur le pourtour méditerranéen où l'ensoleillement est suffisant et les températures suffisamment clémentes pour ne pas avoir recours à un système industriel ou dans le cas de maisons de campagne habitées l'été. Il est également possible d'avoir recours à un long tuyau noir à disposer au soleil dans la pelouse pour chauffer l'eau. Pour le reste de la France, en récupérant l'eau de ruissellement et en pompant sur le haut de la cuve avec un filtre, cette eau peut servir pour la piscine des enfants. Cela limite le coût environnemental du bain.

En camping

Les adeptes des nuits sous tente ou en bivouac connaissent sans doute depuis longtemps cette poche ayant une face noire et une face transparente permettant de chauffer une dose personnelle pour une douche. Attention cependant à bien lire les recommandations pour éviter les brulures.

Si vous voulez expérimenter le four solaire : Tutorial pour construire un four à panneaux

Le four solaire peut permettre de faire des études sur les matériaux dans des conditions extrêmes ou plus simplement de faire cuire des aliments. Du fait de la diversité des utilisations, il y a une foison de modèle de fours solaires.

Le four d'Odeillo

Au niveau historique, le plus important est sans doute le four d'Odeillo dans les Pyrénées-Orientales. De par sa taille et sa situation, il a permis des avancées importantes dans l'étude du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes. L'efficacité de ce four est due au fait qu'il permet de faire subir à un matériau des écarts de températures immenses (le four peut passer en très peu de temps de la température ambiante à 3000°C) et que l'énergie utilisée soit entièrement renouvelable et gratuite. Il est avec le four de Tashkent en Ouzbekistan un des plus grands fours solaires.

Gràce à 64 miroirs orientables, les rayons du soleil sont reflétés vers un immense miroir concave qui concentre toute l'énergie rayonnante en un seul point. La pureté de l'air dans cette partie des Pyrénées et le nombre d'heures d'ensoleillement permette d'utiliser le four de manière optimale le plus souvent.

Le four solaire domestique ou cuiseur solaire

Le rayonnement solaire peut être utiliser pour cuire les aliments, pasteuriser l'eau ou au moins tuer les principales bactéries qui s'y trouvent. Ce principe a été particulièrement développé dans les pays chauds et où l'accès à l'énergie n'est pas assurée faute de moyens. Dans certains oasis, comme à San Pedro de Atacama au Chili, des restaurants à fourneaux solaires s'ouvrent ayant pour thème l'utilisation seule de l'énergie solaire pour la cuisine. L'idée est la même que pour le four d'Odeillo. Il s'agit de concentrer les rayons vers ce qu'on désire faire cuire. Il y a trois principaux types de fours.

• Les fours à panneaux sont les plus simples à réaliser puisqu'il ne nécessitent pas forcément de calculs avancés ou de matériaux chers. Des panneaux sont disposés de part et d'autre de l'élément à cuire (qui est enveloppé dans un sac plastique résistant à la chaleur) et permettent la cuisson durant la journée.
• Les fours "boite" sont un peu plus sophistiqués puisqu'il faut construire une boite, la couvrir avec une vitre et la tapisser d'un matériaux réfléchissants. Cependant, à l'utilisation, ils s'avèrent plus efficaces que les simples fours à panneaux puisque la chaleur est confinée dans la boite et ils ne nécessitent pas de sacs plastiques résistants à la chaleur.
• Les fours paraboliques sont des fours à panneaux améliorés puisque les panneaux qui entourent l'élément à cuire sont de forme concave et permettent une meilleur concentration de l'énergie rayonnante.

Pour aller plus loin :
https://solarcooking.org/francais/plans.htm

https://www.foursolaire-fontromeu.fr/

L'idée directrice pour ce type de centrale est de produire de l'électricité à partir de la vapeur d'eau.

Pour parvenir à élever suffisamment la température de l'eau pour dégager de la vapeur, elle est chauffée par un liquide caloporteur. Ce liquide est chauffé à l'aide des rayons solaire concentrés par de nombreux miroirs qu'on appelle Héliostat. Le principe de base est, en fait, le même que pour le four solaire. La différence est que dans le cas du four solaire, l'énergie concentrée en un point sert à chauffer directement alors que dans ce cas, le but est de produire de l'électricité. De nombreux projets (notamment aux Etats-Unis) sont en cours de réalisation autour de ce concept qui est moins cher à l'installation que le photovoltaïque. De plus, les nouvelles centrales de ce type stockent la chaleur pour pouvoir fonctionner en l'absence de soleil.

Une tour solaire est une centrale électrique utilisant de l'air chaud pour faire tourner les turbines génératrices.

Cette centrale s'apparente à une grande cheminée dont les alentours sont recouverts de serres. L'air dans les serres est chauffé par le soleil et s'échappe ensuite grâce à la cheminée. L'air circule dans le sens voulu car l'air chaud est plus léger que l'air froid. L'énergie ainsi créée se situe entre le solaire et l'éolien puisque l'énergie est produite à partir de courants d'air. La vitesse du courant dépend de la surface de chauffage et de l'installation ou non de Tuyère de Laval (utilisées également pour les moteurs de fusées). D'autres projets sont à l'étude comme une conception permettant de faire tourbillonner l'air dans la cheminée. Cette dernière technique permettrait de dégager une puissance cinq fois supérieure pour une hauteur de tour égale. Enfin, les projets incluent pour la plupart une zone de la serre permettant une production maraichère.

Si cette technique est relativement ancienne par sa conception (1903) et son brevet, elle n'en reste pas moins inconnue du grand public et peu utilisée à travers le monde.