Exploitation de l'énergie solaire

Exploitation de l'énergie solaire

Thomas Züttel | 10 septembre 2018 |

Le rayonnement solaire que nous percevons sous forme de lumière et de chaleur fournit toute l'énergie nécessaire à l'écosystème terrestre. Dans notre civilisation, le fait de savoir que le soleil est à la base de la vie sur notre planète n'a depuis longtemps plus l'importance qu'il avait lorsque l'homme devait assurer sa vie quotidienne avec l'énergie dispensée par cet astre. Avec le progrès technique, il est devenu possible d'exploiter les richesses du sol – charbon, pétrole, gaz et uranium – pour produire de l'énergie. Quelques générations seulement suffiront cependant pour épuiser ces réserves accumulées tout au long des différentes ères géologiques. Nos conditions de vie se modifient par conséquent très rapidement – par exemple l’atmosphère, le cycle de l'eau et les zones climatiques.

Cette situation implique une réflexion globale qui se traduit par un retour à l'utilisation d'énergies renouvelables. Pendant des siècles, les énergies renouvelables ont joué un rôle capital dans la vie de l'homme. Il a toutefois fallu attendre les deux siècles derniers pour s'apercevoir que la lumière était une forme d'énergie et créer alors les équipements techniques propres à exploiter l'énergie solaire à grande échelle. Outre l'énergie solaire, on compte également, parmi les énergies renouvelables, l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne, la houille verte (= énergie des marées), le bois, la biomasse, etc. La plupart des nouvelles techniques énergétiques ont aujourd'hui fait leurs preuves et s'utilisent de plus en plus dans le monde entier. Des recherches sont néanmoins encore nécessaires pour améliorer les systèmes.



Energie solaire et autres énergies renouvelables
Les applications mises en évidence par l’encadré gras sont particulièrement intéressantes dans le contexte de l’architecture.


Le rayonnement du soleil
Le rayonnement solaire est une source d'énergie de grande valeur intarissable dans l'esprit humain. Il peut se mesurer comme d'autres formes d'énergie. A la limite de l'atmosphère terrestre, sa puissance est d'environ 1,4 kW/m2. Une partie de ce rayonnement est réfléchie par l'atmosphère dans l'univers; une autre partie est absorbée par les particules de poussière et les gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère. A la surface de la terre, sa puissance est de l'ordre de 1 kW/m2 par temps clair. Par forte nébulosité, la puissance du rayonnement solaire peut tomber au-dessous de 0,1 kW/m2. En Suisse, le soleil fournit 220 fois plus d'énergie par année qu'il n'en est consommé. Par beau temps, le rayonnement solaire atteint dans les Alpes des valeurs approximativement 15 % supérieures à celles enregistrées sur le Plateau. Etant donné l'absence de brouillard, les régions alpines sont également plus ensoleillées que le Plateau en automne et en hiver. Il ne faut toutefois pas en déduire qu'il ne vaut la peine d'exploiter l'énergie solaire que dans des régions épargnées par le brouillard ou sur la façade méridionale des Alpes, mais il est bien entendu tout particulièrement indiqué de l'y exploiter. Les données nécessaires pour analyser la situation locale relativement au rayonnement solaire figurent dans les tableaux de l'ouvrage standard Données Meteonorm. En tenant compte de la situation locale et en optant pour un système approprié, il est parfaitement possible de réaliser, sur le Plateau suisse, des installations solaires qui fonctionnent bien et qui sont intéressantes sur le plan de la rentabilité.

Rayonnements quotidiens typiques sur une surface inclinée de 20–30° au sud pour le Plateau suisse:
Eté avec ciel clair: max. 8 kWh/m2/jour
Printemps avec ciel clair: max. 5 kWh/m2/jour
Hiver avec ciel clair: max. 3 kWh/m2/jour
Rayonnement annuel typique sur une surface inclinée de 20–30° au sud pour le Plateau suisse: env. 1’300 kWh/m2/année

Exemple de villa familiale pour comparaison:
Pan de toiture incliné au sud: 70 m2
Rayonnement annuel sur ce pan de toiture: 91’000 kWh
Besoins annuels de la villa en énergie de chauffage:
20’000 kWh (environ 2000 litres de mazout)
Besoins annuels en énergie pour la préparation d'eau chaude: 650 kWh/personne


Accumulation de l'énergie solaire
En Suisse également, l'offre d'énergie solaire est d'un multiple supérieure à la demande. Comme toutes les installations techniques, les installations solaires ne travaillent pas avec un rendement de 100 %. La conversion de l'énergie rayonnée en électricité ou en chaleur s'opère sur la base d'un rendement de l'ordre de 10 à 30 %. A cela s'ajoute le problème que l'offre d'énergie solaire ne concorde souvent pas avec la demande. L'énergie excédentaire doit être accumulée d'une manière aussi rationnelle que possible afin d'être disponible pendant les périodes peu ensoleillées. Avec les moyens actuels – batteries pour l'énergie électrique et accumulateurs hydrauliques ou à galets pour la chaleur –, il est sans autre possible d'accumuler de l'énergie pour quelques heures ou quelques jours. Une accumulation saisonnière nécessite par contre des accumulateurs très gros et très coûteux; elle est de plus liée à des pertes importantes. Aujourd'hui, la plupart des installations solaires ne sont donc encore et toujours pas équipées d'un accumulateur saisonnier. L'énergie complémentaire est donc fournie par un équipement conventionnel (mazout, gaz, etc.).

Utilisation judicieuse des énergies renouvelables
L'énergie solaire ou d'une manière générale l'énergie renouvelable n'est pas la formule magique qui permet de résoudre tous les problèmes. Il est notamment faux de penser que les énergies conventionnelles doivent étre remplacées par des énergies renouvelables pour résoudre automatiquement les problèmes posés par la pollution atmosphérique, l'épuisement des ressources et l'approvisionnement énergétique. On utilisera des énergies renouvelables uniquement dans les hypothèses suivantes:
– Toutes les mesures d'économie d'énergie possibles (par exemple bonne isolation thermique) auront
   préalablement été prises
– On pourra estimer à l'avance les besoins énergétiques réguliers

Dans le cadre de l'étude d'un bâtiment, l'utilisation rationnelle de l'énergie est donc un objectif prioritaire. Si l'étude s'efforce de minimiser les besoins en énergie, le bâtiment permettra d'économiser, durant son existence d'une cinquantaine d'années, des milliers de kilowatts/heure en énergie électrique et des milliers de tonnes de combustible sans que son confort en souffre.



Courant solaire (Technique photovoltaïque))
La technique photovoltaïque consiste à exploiter l'énergie solaire en convertissant directement la composante solaire lumineuse en électricité à l'aide de cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques sont les principaux composants des systèmes conçus pour produire de l'électricité à partir du rayonnement solaire. L'utilisation ou l'accumulation de l'énergie électrique produite par des cellules photovoltaïques relèvent de la technique électrique. Les premières cellules photo-voltaïques ont été mises au point dans les années 50 et s'utilisent depuis dans la technique spatiale. Les premières installations photovoltaïques sur terre ont été réalisées dans les années 70. Les expériences faites ont été prometteuses et l'intérêt pour une énergie renouvelable augmente sans cesse. L'utilisation décentralisée de la technique photovoltaïque sur des bâtiments représente en l'occurrence une possibilité.


Conversion de la composante solaire en électricité

Légende
1 Rayonnement solaire
2 Couche métallique
3 Verre
4 Electrode négative
5 Silicium n
6 Zone de charge d’espace
7 Silicium p
8 Couche métallique
9 Electrode positive



Chaleur solaire

Piège à rayons: conversion de la lumière solaire en chaleur
On réalise un «piège à rayons» à l’aide d’une surface noire et d’une plaque de verre, principe fondamental d’un capteur solaire. L’explication physique du phénomène quotidien voulant qu’une surface noire se réchauffe par insolation n’est pas simple et relève de la physique quantique. Il est important de bien avoir à l’esprit que la lumière solaire aussi bien que la chaleur sont une forme d’énergie, à savoir des ondes électromangétiques de différentes longueurs.
Lorsque le soleil éclaire une surface noire, celle-ci se réchauffe et émet une chaleur sensible sous forme de rayonnement thermique à ondes longues. Par rapport à des ondes électromagnétiques, le verre possède d’autres caractéristiques. Il est transparent pour la lumière solaire, mais pas pour le rayonnement thermique à ondes longues qui est ainsi «piégé» entre la surface noire et la plaque de verre.


Piège à rayons: conversion de la lumière solaire en chaleur




Exploitation passive de l’énergie solaire
Par exploitation passive de l'énergie solaire, on comprend l’ensemble des mesures architecturales ayant pour but d'utiliser le rayonnement solaire en vue de chauffer des locaux sans avoir recours à de l’énergie étrangère. Il est ainsi possible de réduire les besoins calorifiques d’un bâtiment et d'économiser de l'énergie.

Ces mesures reposent essentiellement sur les principes suivants:
– Protection contre les pertes thermiques
– Gain de chaleur par des surfaces vitrées
– Accumulation et émission de la chaleur
Pour atteindre ces objectifs, on exploite la différence entre la Position estivale et la position hivernale du soleil. Le soleil hivernal situé assez bas sur l'horizon peut pénétrer à l'intérieur des locaux, alors que le soleil estival situé haut dans le ciel contribue à empêcher un surchauffage des locaux en été.
Le transport de la chaleur entre son lieu de production, la masse d'accumulation et l'air ambiant s'effectue exclusivement par convection, transmission et rayonnement naturels.


Rayonnement et Distribution de la chaleur dans un bâtiment à chauffage passif

Légende
1 Position du soleil en été
2 Position du soleil en hiver
3 Rayonnement solaire direct
4 Fenêtre orientée au sud
5 Accumulateur massique; le sol et les parois absorbent le rayonnement solaire incident
6 Isolation thermique
7 Le rayonnement thermique à ondes longues est émis par le sol et les parois; il est réfléchi par le verre
8 Chauffage d’appoint
9 Zone-tampon au nord

L'art d'exploiter passivement l'énergie solaire n'est pas une science abstraite. Le concept d’une maison solaire passive se base sur ses fonctions, les influences du site, les désirs du maître d'ouvrage et les idées configuratives de l'architecte. Les mesures d'exploitation passive de l'énergie solaire sont combinées à cet effet. Même avec nos conditions climatiques plutôt rudes, il a ainsi été possible de réaliser de nombreuses maisons d'habitation, ateliers artisanaux, bâtiments commerciaux et établissements scolaires particulièrement intéressants. En Suisse, la minimisation des besoins énergétiques d'un bâtiment d'une part et l'exploitation passive de l'énergie solaire d'autre part peuvent réduire considérablement les besoins en énergie de chauffage.

Extrait d'une série d'articles sur le thème «Exploitation de l'énergie solaire» de la Documentation suisse du bâtiment.


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