Chapitre 4 : Énergie solaire et habitat


1. L’énergie solaire

1. Caractéristiques du rayonnement solaire reçu sur terre

L’énergie solaire arrive à la surface de la Terre sous la forme d’un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d’onde vont de l’ultraviolet à l’infrarouge, avec un maximum situé dans le visible.

Une grande partie du rayonnement est renvoyée ou absorbée par l’atmosphère : les rayonnements suffisamment énergétiques pouvant être utilisés sont les UV proches, le visible et le proche IR.

1. Solutions dans l’habitat

• Des panneaux solaires thermiques permettent la conversion en énergie thermique pour produire l’eau chaude sanitaire
• Des panneaux photovoltaïques permettent la conversion en énergie électrique en délivrant un courant continu quand ils sont éclairés.

2. Conversion thermique par panneau solaire thermique

Un fluide caloporteur (mélange eau+glycol) s’échauffe : ce fluide circule dans un absorbeur peint en noir placé sous un vitrage(ce qui ajoute l’effet de serre).

Le fluide restitue la chaleur emmagasinée directement ou via un échangeur pour le chauffage ou l’eau chaude.

Le rendement de la plupart des panneaux solaires thermiques utilisés dans de bonnes conditions varie entre 60 et 100 %.

3. Conversion électrique ( photovoltaïque)

3.1 Caractéristiques des panneaux photovoltaïques

Les panneaux photovoltaïques sont constitués de cellules photovoltaïques ( ou photopiles) réalisées en matériau semi-conducteur ( silicium en général).

Une cellule photovoltaïque fournit un courant et une tension continus : l’énergie de rayonnement est transformée en énergie électrique.

L’énergie électrique est transmise à un onduleur qui convertit la tension continue en une tension alternative de caractéristiques 230V,50Hz, directement utilisée ou réinjectée sur le réseau EDF.

Caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque ( TP8) :

- Le courant produit dépend de l’éclairement
- Sur un large domaine, la cellule photovoltaïque se comporte comme un générateur de courant.
- Il existe une puissance maximale appelée puissance crête.

Le rendement d'un panneau photovoltaïque est définie par :

η = Pc / Pl	η sans unité
	Pc (puissance crête) en W
	Pl (puissance lumineuse) en W

3.2 Interprétation de la conversion photovoltaïque

La lumière peut être considérée à la fois comme une onde électromagnétique (caractérisée par sa fréquence et sa longueur d'onde) et comme un flux de particules non chargées et de masses nulles : Les photons.

Chaque photon transporte une énergie E donnée par la relation suivante :

E = h * ν = h*( c / ͘λ )	E énergie en J
	h constante de Planck 6,62*10^-34 J.s
	ν la fréquence en Hz
	c vitesse de la lumière 3,0*10^8 m/s
	λ la longueur d'onde en m

Le joule étant une énergie très grande pour un photon on utilise l'électronvolt (eV) : 1 eV = 1,6*10^-19J.

Un photon absorbé par une cellule photovoltaïque fournit de l'énergie à un électron qui est arraché à son atome, cela génère un courant électrique.

Pour le silicium, l'énergie d'un photon doit être supérieur à 1,12eV pour arracher un électron ; on peut alors vérifier que le silicium produit un courant électrique s'il est éclairé par une onde lumineuse dont la longueur d'onde est inférieur à 1,1µm (proche des IR) ; il convient donc pour capter la lumière solaire arrivant à la surface de la Terre.

Plus le panneau photovoltaïque reçoit de photons d'énergie suffisante, plus l'intensité et la puissance électrique sont importantes.