L'énergie solaire est l'une des sources d'énergie renouvelables les plus abondantes et les plus prometteuses aujourd'hui. Elle est obtenue directement ou indirectement à partir du rayonnement solaire, qui atteint la Terre sous forme d'ondes électromagnétiques. L'énergie solaire peut être exploitée grâce à diverses technologies qui convertissent la lumière du soleil en énergie utilisable, comme l'électricité ou la chaleur.
Cet article explore les principaux types de technologies d’énergie solaire, leurs applications, leurs avantages, leurs limites et la manière dont elles s’intègrent à d’autres sources d’énergie dans les systèmes hybrides :
- Énergie solaire photovoltaïque (PV)
- Énergie solaire thermique
- Énergie solaire concentrée
- Énergie solaire passive
L'énergie solaire photovoltaïque
Les systèmes photovoltaïques (PV) convertissent directement la lumière du soleil en électricité grâce à des matériaux semi-conducteurs (généralement du silicium) contenus dans des cellules solaires. Ces cellules sont regroupées en panneaux solaires, qui peuvent être installés sur les toits, dans des parcs solaires et même dans des systèmes mobiles.
- Les systèmes photovoltaïques produisent de l’électricité en courant continu (CC).
- L’efficacité varie généralement entre 15 % et 22 %.
- Largement utilisé dans les installations résidentielles, commerciales et utilitaires.
Applications
Panneaux solaires sur les toits des maisons
Les panneaux solaires photovoltaïques sont généralement installés sur les toits résidentiels pour produire de l’électricité à usage domestique.
Ces systèmes réduisent la dépendance au réseau électrique, abaissent les factures d'électricité et augmentent l'indépendance énergétique. Dans de nombreux pays, les propriétaires peuvent bénéficier d'incitations financières, telles que des crédits d'impôt ou des programmes de facturation nette, qui leur permettent de réinjecter l'énergie excédentaire dans le réseau.
Les systèmes sur toit sont généralement connectés au réseau, mais peuvent être combinés avec un stockage sur batterie pour une alimentation de secours en cas de panne de courant ou la nuit.
Systèmes solaires hors réseau dans les zones reculées
Les systèmes solaires hors réseau offrent une solution énergétique essentielle dans les régions dépourvues d'accès à l'électricité centralisée. Ces systèmes sont généralement constitués de panneaux solaires, de batteries, de régulateurs de charge et d'onduleurs, leur permettant de fonctionner indépendamment du réseau électrique. Ils sont largement utilisés dans les communautés rurales, les stations de recherche isolées, les chalets hors réseau et les situations d'aide humanitaire.
L’énergie solaire hors réseau alimente non seulement les lumières et les appareils électroménagers, mais peut également prendre en charge les systèmes de communication, les pompes à eau et les équipements médicaux dans les zones mal desservies.
Éclairage public à énergie solaire
Les lampadaires à énergie solaire utilisent des panneaux photovoltaïques pour charger les batteries pendant la journée et alimenter des lampes LED à faible consommation d'énergie la nuit.
Ces systèmes autonomes sont idéaux pour l'éclairage public dans les zones où l'extension du réseau est difficile ou coûteuse. Ils améliorent la sécurité, réduisent les coûts d'électricité des municipalités et contribuent à la réduction des émissions de carbone. Certains modèles intègrent des détecteurs de mouvement ou des minuteries pour une efficacité accrue. L'éclairage public solaire est de plus en plus adopté dans les projets de développement urbain et rural à travers le monde.
Énergie solaire thermique
L'énergie solaire thermique, aussi appelée énergie solaire thermique, consiste à capter la chaleur du soleil pour chauffer des fluides tels que l'eau ou l'air à des fins domestiques, commerciales ou industrielles. Contrairement aux systèmes photovoltaïques qui produisent de l'électricité, les systèmes thermiques se concentrent sur la captation du rayonnement solaire sous forme de chaleur. Ceci est réalisé grâce à des dispositifs appelés capteurs solaires, qui comprennent des capteurs plans et des capteurs à tubes sous vide.
Ces systèmes sont particulièrement efficaces pour les applications à basse température, comme le chauffage de l'eau des habitations, des piscines et des locaux. Ils sont économiques, relativement faciles à installer et largement utilisés dans les régions ensoleillées du monde entier.
Outre les applications domestiques, l'énergie solaire thermique est également utilisée dans les systèmes à haute température pour produire de l'électricité. Ces installations comprennent généralement des capteurs solaires à concentration qui chauffent un fluide pour produire de la vapeur, laquelle entraîne des turbines selon un processus similaire à celui des centrales thermiques classiques. Ces systèmes solaires thermiques à concentration sont courants dans les installations industrielles ou de services publics, notamment dans les climats désertiques ou arides où l'ensoleillement est abondant et constant.
En intégrant le stockage thermique, ces systèmes peuvent prolonger la production d’électricité jusqu’aux heures du soir, offrant ainsi une solution renouvelable pour répondre à la demande énergétique de pointe.
Énergie solaire concentrée (CSP)
L'énergie solaire concentrée (CSP) est une technologie solaire thermique qui utilise des miroirs ou des lentilles pour concentrer une grande zone de lumière solaire sur un petit point focal.
L'énergie solaire concentrée sert à chauffer un fluide de travail – souvent du sel fondu ou de l'huile synthétique – qui produit ensuite de la vapeur pour entraîner une turbine et produire de l'électricité. Contrairement aux systèmes photovoltaïques, l'ESC fonctionne selon le principe de la conversion de la lumière solaire en chaleur avant la production d'électricité, ce qui la rend particulièrement adaptée aux applications industrielles. Il existe plusieurs types de systèmes ESC, tels que les miroirs paraboliques, les tours solaires et les moteurs Stirling à parabole, chacun présentant des niveaux d'efficacité et de complexité variables.
L’un des principaux avantages de l’énergie solaire concentrée est sa capacité à intégrer le stockage d’énergie thermique, permettant à la production d’électricité de continuer même après le coucher du soleil.
Par exemple, les sels fondus peuvent conserver la chaleur pendant plusieurs heures, permettant aux centrales CSP de répondre aux pics de demande nocturne, une limitation généralement rencontrée par les technologies solaires traditionnelles. Si les systèmes CSP sont très efficaces dans les zones à fort ensoleillement direct, ils nécessitent une surface de terrain et une maintenance importantes, et leurs coûts initiaux élevés les rendent plus viables pour les projets d'infrastructures énergétiques à grande échelle et à long terme. Le CSP est le plus souvent déployé dans les régions à fort ensoleillement, comme le sud-ouest des États-Unis, l'Afrique du Nord et certaines régions du Moyen-Orient.
Caractéristiques principales :
- Plus efficace à grande échelle que le photovoltaïque dans les climats ensoleillés et secs.
- Il comprend des technologies telles que les capteurs paraboliques, les tours solaires et les moteurs paraboliques.
- Il peut intégrer un stockage thermique pour produire de l’électricité après le coucher du soleil.
Énergie solaire passive
L'énergie solaire passive désigne la conception stratégique des bâtiments et des structures pour capter, stocker et distribuer naturellement la chaleur et la lumière du soleil, sans recourir à des systèmes mécaniques. Plutôt que de recourir à des panneaux ou des capteurs solaires, la conception solaire passive s'appuie sur des éléments architecturaux tels que l'orientation des fenêtres, les matériaux de construction, la masse thermique et l'isolation pour optimiser le confort intérieur.
Par exemple, dans l’hémisphère nord, les fenêtres sont souvent orientées au sud pour maximiser l’ensoleillement en hiver et le minimiser en été, réduisant ainsi le besoin de chauffage et de refroidissement artificiels.
Les principaux éléments d'une conception solaire passive comprennent la masse thermique (matériaux comme le béton ou la pierre qui absorbent et restituent lentement la chaleur), la ventilation naturelle (positionnement des fenêtres et des ouvertures favorisant la circulation de l'air) et l'éclairage naturel (maximisation de la lumière naturelle pour réduire le besoin d'éclairage électrique). Des caractéristiques supplémentaires telles que les toitures végétalisées, les systèmes d'ombrage et les vitrages haute performance peuvent encore améliorer l'efficacité énergétique. Les stratégies solaires passives sont rentables à long terme et contribuent significativement aux économies d'énergie et aux pratiques de construction durables, en particulier lorsqu'elles sont intégrées aux nouvelles constructions dès la phase de planification.
Exemples de stratégies d’énergie solaire passive :
- Orientation du bâtiment : Dans l’hémisphère nord, les bâtiments doivent être orientés de manière à ce que les principales pièces à vivre et les fenêtres soient orientées vers le sud. Cela permet de maximiser l’exposition directe au soleil pendant les mois d’hiver pour un chauffage naturel, tout en minimisant la surchauffe pendant l’été grâce à l’utilisation d’ombrages ou de surplombs appropriés.
- Ventilation naturelle : Des fenêtres, des aérations et des portes judicieusement placées créent des flux d'air naturels qui contribuent à ventiler et à rafraîchir les espaces intérieurs. La ventilation transversale et l'effet cheminée sont couramment utilisés pour maintenir la circulation de l'air sans système mécanique.
- Isolation : Une isolation de haute qualité des murs, des plafonds et des sols permet de conserver la chaleur en hiver et de maintenir la fraîcheur intérieure en été. Cela réduit le besoin de chauffage et de climatisation artificiels, améliorant ainsi l'efficacité énergétique tout au long de l'année.
- Matériaux à forte masse thermique : Les matériaux de construction à forte masse thermique, comme le béton, la brique ou la pierre, peuvent absorber la chaleur du soleil pendant la journée et la restituer progressivement la nuit. Cela contribue à modérer les températures intérieures et à réduire la dépendance aux systèmes de chauffage.
- Toits végétalisés et murs végétaux : La végétation sur les toits ou les façades absorbe le rayonnement solaire par photosynthèse, réduisant ainsi les apports de chaleur et améliorant le confort intérieur. Ces éléments assurent également l'isolation, réduisent l'effet d'îlot de chaleur urbain et améliorent la qualité de l'air.
Systèmes d'énergie solaire hybrides
Les systèmes énergétiques hybrides combinent l'énergie solaire avec d'autres sources renouvelables ou conventionnelles pour améliorer la fiabilité et l'efficacité. Ces systèmes sont particulièrement utiles dans les zones reculées ou les régions à ensoleillement variable.
Combinaisons hybrides courantes
Solaire + Éolien
- Les éoliennes complètent les panneaux solaires les jours nuageux ou la nuit.
- Largement utilisé dans les installations rurales ou hors réseau.
Solaire + Biomasse
- Énergie solaire pour l'électricité, biomasse (par exemple granulés de bois) pour le chauffage.
- Améliore la diversité énergétique dans les régions agricoles ou forestières.
Générateurs solaires et diesel
- Le diesel sert de source de secours lorsque l’énergie solaire n’est pas disponible.
- Courant dans les régions en développement ou les communautés isolées.
Énergie solaire et hydroélectrique
- Énergie hydroélectrique la nuit, énergie solaire le jour.
- Il peut s’agir de systèmes de stockage par pompage pour stocker l’excédent d’énergie solaire en déplaçant l’eau vers le haut pour une utilisation ultérieure.