Information technique concernant l'énergie solaire: thermique et photovoltaïque :
Le soleil est gratuit, disponible en abondance et il est la seule source d'énergie qui est totalement propre, silencieuse.
Les avantages de l'énergie solaire sont :
- Une réduction rigoureuse du besoin de combustibles fossiles ou de l'énergie nucléaire
- Une réduction spectaculaire de l'émission de CO2 nocive
- L'approvisionnement est garanti pendant 4 milliards d'années
- Facilité d’installation
- La production d’énergie se fait dans le voisinage immédiat du consommateur (aucune perte de transport)
- La longévité des panneaux est de 25 à 30 ans
- Entièrement silencieux et exempts d'entretien (seulement nettoyant au besoin)
Nous expliquons ci-dessous plus en détail le fonctionnement des installations PV et thermiques. Les modules solaires photovoltaïques (PV) produisent d'électricité ; les panneaux solaires thermiques de l'eau chaude.
Le fonctionnement d’un module solaire PV
Le processus de convertir la lumière du soleil en électricité s'appelle: la conversion photovoltaïque. Souvent indiqué par l'abréviation: PV.
Le matériel photosensible le plus commun est le silicium. C'est un métal, semi-conducteur, disponible en grandes quantités sur la terre, comme sa matière première est le sable. Pour les piles PV, du silicium extrêmement pur est tout d’abord fabriqué, dont ensuite deux couches traitées différemment sont préparées.
Quand ces couches sont exposées à la lumière et se sont reliées, il y a un courant d'électricité entre ces deux semi-conducteurs non identiques. (Le courant photovoltaïque)
Ci-dessous, nous expliquons le fonctionnement des piles solaires cristallines. Le fonctionnement des panneaux à couche mince est très semblable.
La pile solaire est fabriquée à base de 4 éléments : 2 couches de silicium: 1 couche à laquelle une très petite quantité du phosphore a été ajoutée (doped) et une deuxième couche avec une petite quantité de bore. Des bandes de contact très minces sont ajoutées au dessus et il y a une couche de métal très mince (généralement: argent ou nickel) au dessous. Quand elle est exposé à la lumière, à l’intérieur de la pile solaire les électrons (photons) se détachent de la première couche de silicium et se déplacent à la 2ième couche, créant de cette façon une différence de tension: (-) face en bas) et (+) au dessus de la pile. Dés que les 2 faces de contact sont reliées, un courant électrique démarre à travers.
Remarque: pour ce processus il ne faut pas de lumière solaire directe, aussi pendant des jours nuageux (lumière diffuse) la pile solaire fournira de l'électricité. En connectant les piles solaires les unes avec les autres (raccordement en série) des quantités d'électricité utiles sont obtenues. Généralement, un module solaire est composé de 72 piles : 6 rangés de 12 piles solaires, dont chacune fonctionne comme une petite batterie.
Pour les panneaux à couche mince, les verres supérieurs et inférieurs sont tous les deux couverts d’une couche conductrice. Les cellules entre ces 2 couches sont étroites (+/- 10mm) et ont la longueur du module (1.25 m) et sont extrêmement minces (quelques µm). Elles sont faites par de subséquents cycles de dépôt d’une couche sur la pleine surface du panneau, suivi chaque fois d'un tracement au laser d’une ligne très précise et mince jusqu'à la couche déposée en dessous. Chaque ligne est la séparation d’une cellule de l’autre. Ces lignes, une fois remplies de matériel de la prochaine couche, servent comme les bandes de contacts, mentionnés ci-dessus.
Le processus de fabrication des panneaux à couche mince est entièrement automatisé et la consommation du matériel photosensible est nettement inférieure, en comparaison avec celle des panneaux cristallins. Choses qui ont comme conséquence que le coût global est plus bas.
De l'autre côté, des limitations techniques (les matériaux utilisables pour les couches est en général le silicium amorphe) limitent le rendement.
Les systèmes solaires PV sont faits de plusieurs modules solaires reliés ensemble, qui à leur tour sont composés de piles solaires reliées (comparables à des batteries). Les modules fournissent du courant continu (C.C). Ce courant C.C est converti ensuite en courant alternatif utile 230 V (C.A.) à l'aide d'un inverseur et est en général relié au réseau.
Nous expliquons plus loin plus en détail les composants d'une installation PV :
La pile solaire
Les 2 types de modules cristallins sont monocristallin et poly cristallin:
- Piles solaires monocristallines : Un grand monocristal de silicium en forme d’une bougie bleu foncé est produit en premier lieu. Ensuite cette bougie est découpée en tranches minces de silicium, dont les piles sont produites. La couleur est homogène et elles sont rectangulaires, mais avec les coins coupées.
- Piles solaires poly cristallines : Le silicium de base est fondu dans une forme au lieu d’être découpé en tranches hors d'un monocristal. Les piles solaires sont complètement rectangulaires ; la couleur est inégale avec l'effet de marbre et ils ont généralement environ 1% moins de rendement en comparaison avec les piles solaires monocristallines.
- Cellules à couche mince : La matière première est le silicium amorphe (A-Silicium) Le silicium est vaporisé directement sur le verre. L’épaisseur de la couche de silicium est très petite: seulement quelques µm. Le modèle de cellules a été formé par une découpe laser. Le coût de production est inférieur en comparaison avec celui des modules cristallins. C’est dû à la petite quantité de matière première nécessaire et les panneaux fonctionnent mieux en cas de lumière diffuse (temps nuageux) mais la production/m² est plus basse. Ces panneaux sont employés en premier lieu pour les plus grandes surfaces (bâtiments industriels). Comme les panneaux sont fabriqués de verre feuilleté et ils existent aussi en semi transparent –Ces panneaux sont aussi très appropriés à BIPV (Building Integrated Photovoltaics / Photovoltaïque intégré aux bâtiments): les façades, les vérandas, etc.
| Type de cellules | Panneaux monocristallins | Panneaux poly cristallins | Le panneau à couche mince |
|---|---|---|---|
| Abréviations | mono-Cr | poly-Cr ou multi-Cr | amorf-Si (couche mince) A-Si |
| Procédé de la production | Tranches de silicium/scié | fond | vaporisé : la couche mince, production automatisée |
| Part de marché | 85% | 15% | |
| Rendement | 15%-18% | 14%-16% | 6% |
| Couleur | bleu foncé/anthracite | Bleu, marbre | Anthracite |
Le rayonnement solaire et le rendement de conversion
La terre est exposée à une quantité d'énergie solaire énorme. Chaque heure, notre globe obtient suffisamment d'énergie solaire pour couvrir le besoin d’énergie mondial pour toute une année. En Belgique il égale à 500 fois notre consommation d'électricité et presque 60 fois notre consommation totale d'énergie annuelle. La lumière du soleil est constituée d'ondes de différentes longueurs. Malheureusement, aujourd’hui, nous ne pouvons que convertir une partie (6 à 18%) en électricité, comme les piles solaires courantes ne peuvent convertir que 1 ou 2 longueurs d'onde.
La capacité d'un module solaire dépend principalement de 3 facteurs : la position vis-à-vis du soleil, sa taille et l'efficacité des piles.
La capacité du module solaire est exprimée en watt crête (Wc ou Wp). C'est le rendement d’un module exposé à un rayonnement de 1000W/m² et à une température ambiante de 25°C. La plupart des modules solaires ont une capacité entre 40 à 200 Wp. Après installation, le rendement d’un système solaire dépend de la quantité de la lumière qui atteint le panneau. Le rendement en Espagne, par exemple, est beaucoup plus haut qu'en Belgique pour la simple raison que le nombre d’heures ensoleillées est beaucoup plus élevé. Aussi l'orientation est très importante pour le rendement. Pour la Belgique le positionnement idéal est : orienté au sud sous un angle de 36°. Si l'orientation dévie, le rendement chutera selon la table ci-dessous.
Le système solaire PV
Un système solaire PV cristallin consiste en modules solaires -qui ont généralement 72 piles solaires- liées. Dans le panneau, les cellules sont protégées contre le vent et la pluie par un verre au dessus et un film de Tedlar au fond. En cas de panneau à couche mince, les piles solaires sont laminées entre 2 plaques de verre.
Un système solaire complet a plusieurs modules reliés par des câbles, un inverseur / onduleur, un compteur, un disjoncteur et est en général relié à un réseau.
Systèmes liés au réseau
Les panneaux génèrent un courant continu (C.C). Pour obtenir la tension utilisable désirée (C.A.) de 230 volts, le courant continu (C.C) venant des panneaux est converti par l'inverseur. Si vous consommez plus d'électricité que ce que le système PV produit (par exemple. quand la machine à laver et/ou le lave-vaisselle sont en service), le manque sera compensé par ‘électricité normale’ venant du réseau. Si vous produisez plus d'électricité que vous ne consommez (par exemple en été), le surplus est injecté dans le réseau et le compteur tourne à sens inverse. Parfois il est nécessaire de remplacer le compteur (pour les types plus anciens), mais ceci est rare et généralement le remplacement est gratuit et se fait par simple demande au gérant du réseau.
Fonctionnement du capteur solaire thermique.
Une installation thermique solaire d'énergie est constitué principalement de 4 composants : le capteur solaire, la cuve de stockage, un vase d’expansion et une unité de commande. Chacun de ces composants est nécessaire pour le bon fonctionnement du système. En fonction du besoin d'eau chaude plusieurs capteurs peuvent être nécessaires.
Une installation thermique solaire peut être reliée au système de chauffage central (pétrole, gaz, granules) pour préchauffer l'eau, mais dans le plupart des cas, elle est utilisée pour générer seulement l’eau sanitaire chaude.
Comme en Belgique les capteurs à plaques plates ne sont pas appropriés à cause du rendement faible pendant l'hiver, nous expliquons ci-dessous seulement les capteurs sous vide.
Le capteur solaire sous vide
Une installation contient le capteur qui est placé sur le toit, une unité de commande, et une cuve de stockage, et un vase d’expansion installés à l’intérieur.
Le capteur est constitué d'un certain nombre de tubes solaires sous vide (heat pipes), d'un collecteur d'eau en cuivre (tubulure) et d'une armature de support. La photo ci-dessous montre un capteur de 20 tubes.
Le tube sous vide (Heat pipe)
Le tube sous vide est creux, et comparable à une bouteille Thermos très longue dans laquelle un aileron d'aluminium et un tube de cuivre sont installés. L’espace étroit entre le verre intérieur et extérieur est vide de façon que la chaleur (rayonnement) rentre dans le tube, mais ne puisse plus s'échapper vers l'extérieur. Ceci résulte dans une efficacité nettement meilleure pendant l'hiver par rapport aux capteurs aux plaques plates traditionnels, qui subissent pendant l’hiver des pertes de chaleur considérables.
Un aileron d'aluminium incorporé absorbe la chaleur entrante et le conduit à un tube de cuivre central. Ce tube est rempli d’un fluide qui s'évapore à une température relativement basse (35°C). Le réchauffement évapore le fluide et la chaleur monte entièrement à la partie supérieure: la tête. Ces têtes de cuivre vont dans un collecteur également en cuivre : la tubulure (en anglais: manifold). Cette tubulure tient toutes les têtes chaudes de cuivre des tubes sous vide. De l'eau avec de l'antigel circule à travers la tubulure, qui refroidis les têtes chaudes des tubes et évacue la chaleur à la cuve de stockage (circuit fermé avec un échangeur de chaleur: serpentin). La partie supérieure du tube sous vide refroidit, le fluide condense, coule vers le bas de le tube et le cycle redémarre.
La tubulure
C’est un collecteur de cuivre dans lequel les têtes des tubes de chaleur sont montées par un ajustage précis. Une pâte conductrice est mise dans cet ajustage de précision pour maximaliser le transfert de chaleur. Les têtes des tubes de chaleur n'ont aucun contact direct avec le fluide de refroidissement: il n’y a donc aucune possibilité de fuite. L'unité avec les tubes, la tubulure et l'armature forment ensemble: le capteur solaire.
L'unité de commande
L’eau réchauffée est pompée à travers un serpentin (échangeur de chaleur) dans la cuve de stockage. Cette pompe est réglée par une unité de commande, avec des sondes, qui se trouvent dans la tubulure et dans la cuve de stockage (chaudière). Si la température dans la cuve de stockage de l'eau est inférieure à la température dans la tubulure, la pompe sera activée. La pompe s'arrêtera quand la température de collecteur est descendue à la température de la chaudière.
La cuve de stockage
La cuve de stockage est nécessaire, pour avoir assez d'eau chaude pour, par exemple la douche aux moments sans soleil (nuit) ou pour surmonter des jours moins ensoleillés. L’entrée de l’eau sanitaire froide est en bas de la cuve et l'eau chaude venant des capteurs solaires traverse un échangeur de chaleur monté dans la cuve. L'eau sanitaire se réchauffe et monte jusqu'au dessus de la cuve, d'où elle est soutirée.
Dans la cuve, au-dessus du premier serpentin (échangeur de chaleur), un serpentin est souvent installé. Celui-la peut servir pour le branchement éventuel d’une source de chauffage supplémentaire (petite installation: l’hiver) ou pour relier d'autres consommateurs de la chaleur, tels que le chauffage de sol… (Grandes installations) La dimension de la cuve est dépendante de la quantité quotidienne d'eau chaude requise.
Une première évaluation de la quantité quotidienne d'eau chaude est calculée comme suit :
| 10+(nombre de des membres de famille x 5) = | ...(pour la cuisine) |
| Nombre de douches quotidiens x 35 = | ...(pour la douche) |
| Nombre de bains quotidiens x 70 = | ...(de salles de bains) |
| Total besoin quotidien | ...litres |
Contenu de cuve de stockage = quantité quotidien X jours à surmonter (les jours sans soleil)