L’énergie solaire est tout type d’énergie générée par le soleil.
L’énergie solaire est créée par la fusion nucléaire qui a lieu au soleil. La fusion se produit lorsque des protons d’atomes d’hydrogène entrent violemment en collision dans le noyau du soleil et fusionnent pour créer un atome d’hélium.
Ce processus, connu sous le nom de réaction en chaîne PP (proton-proton), émet une énorme quantité d’énergie. En son cœur, le soleil fusionne environ 620 millions de tonnes d’hydrogène chaque seconde. La réaction en chaîne PP se produit dans d’autres étoiles de la taille de notre soleil et leur fournit une énergie et une chaleur continues. La température de ces étoiles est d’environ 4 millions de degrés sur l’échelle du Kelvin (environ 4 millions de degrés Celsius, 7 millions de degrés Fahrenheit).
Dans les étoiles qui sont environ 1,3 fois plus grandes que le soleil, le cycle CNO entraîne la création d’énergie. Le cycle CNO convertit également l’hydrogène en hélium, mais s’appuie sur le carbone, l’azote et l’oxygène (C, N et O) pour le faire. Actuellement, moins de 2% de l’énergie du soleil est créée par le cycle CNO.
La fusion nucléaire par réaction en chaîne PP ou cycle CNO libère d’énormes quantités d’énergie sous forme d’ondes et de particules. L’énergie solaire s’écoule constamment loin du soleil et dans tout le système solaire. L’énergie solaire réchauffe la Terre, provoque le vent et les intempéries et soutient la vie végétale et animale.
L’énergie, la chaleur et la lumière du soleil s’écoulent sous forme de rayonnement électromagnétique (EMR).
Le spectre électromagnétique existe sous forme d’ondes de fréquences et de longueurs d’onde différentes. La fréquence d’une onde représente le nombre de fois où l’onde se répète dans une certaine unité de temps. Les ondes à très courtes longueurs d’onde se répètent plusieurs fois dans une unité de temps donnée, elles sont donc à haute fréquence. En revanche, les ondes basse fréquence ont des longueurs d’onde beaucoup plus longues.
La grande majorité des ondes électromagnétiques nous sont invisibles. Les ondes les plus hautes fréquences émises par le soleil sont les rayons gamma, les rayons X et les rayons ultraviolets (rayons UV). Les rayons UV les plus nocifs sont presque complètement absorbés par l’atmosphère terrestre. Les rayons UV moins puissants traversent l’atmosphère et peuvent provoquer des coups de soleil.
Le soleil émet également un rayonnement infrarouge, dont les ondes sont de fréquence beaucoup plus basse. La plus grande partie de la chaleur du soleil arrive sous forme d’énergie infrarouge.
Pris en sandwich entre l’infrarouge et l’UV se trouve le spectre visible, qui contient toutes les couleurs que nous voyons sur Terre. La couleur rouge a les longueurs d’onde les plus longues (les plus proches de l’infrarouge) et le violet (les plus proches des UV) les plus courtes.
Énergie solaire naturelle
Effet de serre
Les ondes infrarouges, visibles et UV qui atteignent la Terre participent à un processus de réchauffement de la planète et de rendre la vie possible — ce que l’on appelle « l’effet de serre. »
Environ 30% de l’énergie solaire qui atteint la Terre est réfléchie dans l’espace. Le reste est absorbé dans l’atmosphère terrestre. Le rayonnement réchauffe la surface de la Terre et la surface irradie une partie de l’énergie sous forme d’ondes infrarouges. Lorsqu’ils s’élèvent dans l’atmosphère, ils sont interceptés par les gaz à effet de serre, tels que la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone.
Les gaz à effet de serre emprisonnent la chaleur qui se reflète dans l’atmosphère. De cette façon, ils agissent comme les parois de verre d’une serre. Cet effet de serre maintient la Terre suffisamment chaude pour soutenir la vie.
Photosynthèse
Presque toute la vie sur Terre dépend de l’énergie solaire pour se nourrir, directement ou indirectement.
Les producteurs dépendent directement de l’énergie solaire. Ils absorbent la lumière du soleil et la convertissent en nutriments par un processus appelé photosynthèse. Les producteurs, également appelés autotrophes, comprennent des plantes, des algues, des bactéries et des champignons. Les autotrophes sont à la base du réseau trophique.
Les consommateurs dépendent des producteurs pour leurs nutriments. Les herbivores, les carnivores, les omnivores et les détritivores dépendent indirectement de l’énergie solaire. Les herbivores mangent des plantes et d’autres producteurs. Les carnivores et les omnivores mangent à la fois des producteurs et des herbivores. Les détritivores décomposent la matière végétale et animale en la consommant.
Combustibles fossiles
La photosynthèse est également responsable de tous les combustibles fossiles sur Terre. Les scientifiques estiment qu’il y a environ 3 milliards d’années, les premiers autotrophes ont évolué en milieu aquatique. La lumière du soleil a permis à la vie végétale de prospérer et d’évoluer. Après la mort des autotrophes, ils se sont décomposés et se sont déplacés plus profondément dans la Terre, parfois sur des milliers de mètres. Ce processus s’est poursuivi pendant des millions d’années.
Sous une pression intense et des températures élevées, ces restes sont devenus ce que nous appelons des combustibles fossiles. Les microorganismes sont devenus du pétrole, du gaz naturel et du charbon.
Les gens ont développé des procédés pour extraire ces combustibles fossiles et les utiliser pour l’énergie. Cependant, les combustibles fossiles sont une ressource non renouvelable. Ils mettent des millions d’années à se former.
Exploitation de l’énergie solaire
L’énergie solaire est une ressource renouvelable, et de nombreuses technologies peuvent la récolter directement pour une utilisation dans les maisons, les entreprises, les écoles et les hôpitaux. Certaines technologies d’énergie solaire comprennent les cellules et les panneaux photovoltaïques, l’énergie solaire concentrée et l’architecture solaire.
Il existe différentes façons de capter le rayonnement solaire et de le convertir en énergie utilisable. Les méthodes utilisent soit l’énergie solaire active, soit l’énergie solaire passive.
Les technologies solaires actives utilisent des dispositifs électriques ou mécaniques pour convertir activement l’énergie solaire en une autre forme d’énergie, le plus souvent la chaleur ou l’électricité. Les technologies solaires passives n’utilisent aucun appareil externe. Au lieu de cela, ils profitent du climat local pour chauffer les structures pendant l’hiver et réfléchir la chaleur pendant l’été.
Photovoltaïque
Le photovoltaïque est une forme de technologie solaire active qui a été découverte en 1839 par Alexandre-Edmond Becquerel, physicien français de 19 ans. Becquerel a découvert que lorsqu’il plaçait du chlorure d’argent dans une solution acide et l’exposait à la lumière du soleil, les électrodes de platine qui y étaient attachées généraient un courant électrique. Ce processus de production d’électricité directement à partir du rayonnement solaire est appelé effet photovoltaïque, ou photovoltaïque.
Aujourd’hui, le photovoltaïque est probablement le moyen le plus familier d’exploiter l’énergie solaire. Les réseaux photovoltaïques impliquent généralement des panneaux solaires, une collection de dizaines, voire de centaines de cellules solaires.
Chaque cellule solaire contient un semi-conducteur, généralement en silicium. Lorsque le semi-conducteur absorbe la lumière du soleil, il déchire les électrons. Un champ électrique dirige ces électrons lâches dans un courant électrique, circulant dans une direction. Les contacts métalliques en haut et en bas d’une cellule solaire dirigent ce courant vers un objet externe. L’objet externe peut être aussi petit qu’une calculatrice à énergie solaire ou aussi grand qu’une centrale électrique.
Le photovoltaïque a d’abord été largement utilisé sur les engins spatiaux. De nombreux satellites, y compris la Station spatiale internationale, comportent de larges « ailes » réfléchissantes de panneaux solaires. L’ISS dispose de deux ailes de panneaux solaires (scies), chacune utilisant environ 33 000 cellules solaires. Ces cellules photovoltaïques fournissent toute l’électricité à l’ISS, permettant aux astronautes de faire fonctionner la station, de vivre en toute sécurité dans l’espace pendant des mois à la fois et de mener des expériences scientifiques et techniques.
Des centrales photovoltaïques ont été construites partout dans le monde. Les plus grandes stations se trouvent aux États-Unis, en Inde et en Chine. Ces centrales émettent des centaines de mégawatts d’électricité, utilisés pour alimenter les maisons, les entreprises, les écoles et les hôpitaux.
La technologie photovoltaïque peut également être installée à plus petite échelle. Des panneaux solaires et des cellules peuvent être fixés sur les toits ou les murs extérieurs des bâtiments, fournissant de l’électricité à la structure. Ils peuvent être placés le long des routes pour éclairer les autoroutes. Les cellules solaires sont suffisamment petites pour alimenter des appareils encore plus petits, tels que des calculatrices, des parcomètres, des compacteurs de déchets et des pompes à eau.
Énergie solaire concentrée
Un autre type de technologie solaire active est l’énergie solaire concentrée ou l’énergie solaire concentrée (CSP). La technologie CSP utilise des lentilles et des miroirs pour focaliser (concentrer) la lumière du soleil d’une grande surface vers une zone beaucoup plus petite. Cette zone intense de rayonnement chauffe un fluide, qui à son tour génère de l’électricité ou alimente un autre processus.
Les fours solaires sont un exemple d’énergie solaire concentrée. Il existe de nombreux types de fours solaires, y compris des tours d’énergie solaire, des auges paraboliques et des réflecteurs de Fresnel. Ils utilisent la même méthode générale pour capturer et convertir l’énergie.
Les tours solaires utilisent des héliostats, des miroirs plats qui tournent pour suivre l’arc du soleil dans le ciel. Les miroirs sont disposés autour d’une « tour collectrice » centrale et réfléchissent la lumière du soleil en un rayon de lumière concentré qui brille sur un point focal de la tour.
Dans les conceptions précédentes de tours d’énergie solaire, la lumière solaire concentrée chauffait un récipient d’eau, qui produisait de la vapeur qui alimentait une turbine. Plus récemment, certaines tours d’énergie solaire utilisent du sodium liquide, qui a une capacité thermique plus élevée et retient la chaleur plus longtemps. Cela signifie que le fluide atteint non seulement des températures de 773 à 1 273 K (500 à 1 000 ° C ou 932 à 1 832 ° F), mais qu’il peut continuer à faire bouillir de l’eau et générer de l’énergie même lorsque le soleil ne brille pas.
Les auges paraboliques et les réflecteurs de Fresnel utilisent également le CSP, mais leurs miroirs sont de forme différente. Les miroirs paraboliques sont incurvés, avec une forme similaire à une selle. Les réflecteurs de Fresnel utilisent de fines bandes de miroir plates pour capter la lumière du soleil et la diriger sur un tube de liquide. Les réflecteurs de Fresnel ont plus de surface que les creux paraboliques et peuvent concentrer l’énergie du soleil à environ 30 fois son intensité normale.
Les centrales solaires à concentration ont été développées pour la première fois dans les années 1980.La plus grande installation au monde est une série de centrales dans le désert de Mojave en Californie. Ce Système de production d’énergie solaire (SEGS) génère plus de 650 gigawatts-heures d’électricité chaque année. D’autres plantes importantes et efficaces ont été développées en Espagne et en Inde.
L’énergie solaire concentrée peut également être utilisée à plus petite échelle. Il peut générer de la chaleur pour les cuisinières solaires, par exemple. Les habitants des villages du monde entier utilisent des cuisinières solaires pour faire bouillir de l’eau pour l’assainissement et pour cuisiner des aliments.
Les cuisinières solaires offrent de nombreux avantages par rapport aux poêles à bois: elles ne présentent pas de risque d’incendie, ne produisent pas de fumée, ne nécessitent pas de combustible et réduisent la perte d’habitat dans les forêts où les arbres seraient récoltés pour le combustible. Les cuisinières solaires permettent également aux villageois de consacrer du temps à l’éducation, aux affaires, à la santé ou à la famille pendant le temps qui était auparavant utilisé pour ramasser du bois de chauffage. Les cuisinières solaires sont utilisées dans des régions aussi diverses que le Tchad, Israël, l’Inde et le Pérou.
Architecture solaire
Au cours d’une journée, l’énergie solaire fait partie du processus de convection thermique, ou du mouvement de la chaleur d’un espace plus chaud vers un espace plus frais. Lorsque le soleil se lève, il commence à réchauffer des objets et des matériaux sur Terre. Tout au long de la journée, ces matériaux absorbent la chaleur du rayonnement solaire. La nuit, lorsque le soleil se couche et que l’atmosphère s’est refroidie, les matériaux rejettent leur chaleur dans l’atmosphère.
Les techniques d’énergie solaire passive tirent parti de ce processus naturel de chauffage et de refroidissement.
Les maisons et autres bâtiments utilisent l’énergie solaire passive pour distribuer la chaleur de manière efficace et économique. Le calcul de la » masse thermique » d’un bâtiment en est un exemple. La masse thermique d’un bâtiment est la majeure partie des matériaux chauffés tout au long de la journée. Des exemples de masse thermique d’un bâtiment sont le bois, le métal, le béton, l’argile, la pierre ou la boue. La nuit, la masse thermique libère sa chaleur dans la pièce. Des systèmes de ventilation efficaces — couloirs, fenêtres et conduits d’air — distribuent l’air réchauffé et maintiennent une température intérieure modérée et constante.
La technologie solaire passive est souvent impliquée dans la conception d’un bâtiment. Par exemple, au stade de la planification de la construction, l’ingénieur ou l’architecte peut aligner le bâtiment sur le trajet quotidien du soleil pour recevoir des quantités souhaitables de lumière solaire. Cette méthode prend en compte la latitude, l’altitude et la couverture nuageuse typique d’une zone spécifique. De plus, les bâtiments peuvent être construits ou modernisés pour avoir une isolation thermique, une masse thermique ou un ombrage supplémentaire.
D’autres exemples d’architecture solaire passive sont les toits frais, les barrières radiantes et les toits verts. Les toits frais sont peints en blanc et réfléchissent le rayonnement du soleil au lieu de l’absorber. La surface blanche réduit la quantité de chaleur qui atteint l’intérieur du bâtiment, ce qui réduit la quantité d’énergie nécessaire pour refroidir le bâtiment.
Les barrières rayonnantes fonctionnent de la même manière que les toits frais. Ils fournissent une isolation avec des matériaux hautement réfléchissants, tels que du papier d’aluminium. La feuille réfléchit, au lieu d’absorber, la chaleur et peut réduire les coûts de refroidissement jusqu’à 10%. En plus des toits et des greniers, des barrières radiantes peuvent également être installées sous les planchers.
Les toits verts sont des toits entièrement recouverts de végétation. Ils nécessitent de la terre et de l’irrigation pour soutenir les plantes, et une couche imperméable en dessous. Les toits verts réduisent non seulement la quantité de chaleur absorbée ou perdue, mais fournissent également de la végétation. Grâce à la photosynthèse, les plantes sur les toits verts absorbent le dioxyde de carbone et émettent de l’oxygène. Ils filtrent les polluants de l’eau de pluie et de l’air et compensent certains des effets de la consommation d’énergie dans cet espace.
Les toits verts sont une tradition en Scandinavie depuis des siècles et sont récemment devenus populaires en Australie, en Europe occidentale, au Canada et aux États-Unis. Par exemple, la Ford Motor Company a couvert de végétation 42 000 mètres carrés (450 000 pieds carrés) des toits de son usine de montage à Dearborn, au Michigan. En plus de réduire les émissions de gaz à effet de serre, les toits réduisent le ruissellement des eaux pluviales en absorbant plusieurs centimètres de pluie.
Les toits verts et les toits frais peuvent également contrer l’effet « îlot de chaleur urbain ». Dans les villes animées, la température peut être constamment plus élevée que les zones environnantes. De nombreux facteurs y contribuent: les villes sont construites avec des matériaux tels que l’asphalte et le béton qui absorbent la chaleur; les bâtiments de grande hauteur bloquent le vent et ses effets de refroidissement; et de grandes quantités de chaleur résiduelle sont générées par l’industrie, la circulation et la forte population. L’utilisation de l’espace disponible sur le toit pour planter des arbres, ou la réflexion de la chaleur avec des toits blancs, peut atténuer partiellement les augmentations de température locales dans les zones urbaines.
Énergie solaire et personnes
Étant donné que la lumière du soleil ne brille que pendant environ la moitié de la journée dans la plupart des régions du monde, les technologies de l’énergie solaire doivent inclure des méthodes de stockage de l’énergie pendant les heures sombres.
Les systèmes de masse thermique utilisent de la cire de paraffine ou diverses formes de sel pour stocker l’énergie sous forme de chaleur. Les systèmes photovoltaïques peuvent envoyer l’électricité excédentaire au réseau électrique local ou stocker l’énergie dans des batteries rechargeables.
L’utilisation de l’énergie solaire présente de nombreux avantages et inconvénients.
Avantages
Un avantage majeur de l’utilisation de l’énergie solaire est qu’il s’agit d’une ressource renouvelable. Nous aurons un apport constant et illimité de lumière solaire pendant encore 5 milliards d’années. En une heure, l’atmosphère terrestre reçoit suffisamment de lumière solaire pour alimenter les besoins en électricité de chaque être humain sur Terre pendant un an.
L’énergie solaire est propre. Une fois l’équipement de technologie solaire construit et mis en place, l’énergie solaire n’a pas besoin de carburant pour fonctionner. Il n’émet pas non plus de gaz à effet de serre ou de matières toxiques. L’utilisation de l’énergie solaire peut réduire considérablement l’impact que nous avons sur l’environnement.
Il y a des endroits où l’énergie solaire est pratique. Les maisons et les bâtiments situés dans des zones à forte ensoleillement et à faible couverture nuageuse ont la possibilité d’exploiter l’énergie abondante du soleil.
Les cuisinières solaires constituent une excellente alternative à la cuisson avec des poêles à bois – dont dépendent encore 2 milliards de personnes. Les cuisinières solaires offrent un moyen plus propre et plus sûr d’assainir l’eau et de cuire les aliments.
L’énergie solaire complète d’autres sources d’énergie renouvelables, telles que l’énergie éolienne ou hydroélectrique.
Les maisons ou les entreprises qui installent des panneaux solaires performants peuvent en fait produire un excès d’électricité. Ces propriétaires ou propriétaires d’entreprise peuvent revendre de l’énergie au fournisseur d’électricité, réduisant ou même éliminant les factures d’électricité.
Inconvénients
Le principal moyen de dissuasion à l’utilisation de l’énergie solaire est l’équipement requis. L’équipement de technologie solaire coûte cher. L’achat et l’installation de l’équipement peuvent coûter des dizaines de milliers de dollars pour les maisons individuelles. Bien que le gouvernement offre souvent des taxes réduites aux personnes et aux entreprises utilisant l’énergie solaire, et que la technologie puisse éliminer les factures d’électricité, le coût initial est trop élevé pour que beaucoup puissent en tenir compte.
Les équipements à énergie solaire sont également lourds. Afin de moderniser ou d’installer des panneaux solaires sur le toit d’un bâtiment, le toit doit être solide, grand et orienté vers la trajectoire du soleil.
La technologie solaire active et passive dépend de facteurs hors de notre contrôle, tels que le climat et la couverture nuageuse. Les zones locales doivent être étudiées pour déterminer si l’énergie solaire serait efficace ou non dans cette zone.
La lumière du soleil doit être abondante et constante pour que l’énergie solaire soit un choix efficace. Dans la plupart des endroits sur Terre, la variabilité de la lumière solaire rend difficile sa mise en œuvre comme seule source d’énergie.