Le cadre théorique de l’énergie solaire révèle que le rayonnement solaire annuel dépasse de 10 000 fois la consommation énergétique mondiale. Cette étude innovante sur un micro-système hybride au Cameroun promet de transformer l’approvisionnement énergétique rural, tout en réduisant les émissions de CO2.
ENERGIE SOLAIRE
L’énergie solaire permet de produire de l’électricité directement à partir des rayonnements du soleil sans émission polluante [39]. Le soleil est une source d’énergie inépuisable qui envoie à la surface de la terre un rayonnement solaire qui représente chaque année environ 10 000 fois la consommation énergétique mondiale soit en moyenne 1 700 kWh chaque m² par an.
Cela correspond à une puissance instantanée reçue de 1 kilowatt crête par mètre carré (kWc/m2) répartie sur tout le spectre de l’ultraviolet à l’infrarouge, les déserts de notre planète reçoivent en 6 heures plus d’énergie solaire que ne consomme l’humanité en une année [5] et selon le syndicat des énergies renouvelables (SER), il garantie un développement durable de notre mix énergétique [9].
L’énergie solaire est repartie selon l’utilisation en deux sous familles [3] [6] [73] :
L’énergie solaire thermique basée sur la température permettant essentiellement de faire chauffer l’eau afin de produire une pression mesurable, on l’appelle aussi la production combinée de chauffage par plancher chauffant ;
L’énergie solaire photovoltaïque basée sur l’effet photovoltaïque permettant de produire une énergie électrique continu à partir d’un rayonnement électromagnétique (figure I.2).
Figure I.2 : Raccordement des panneaux-onduleur-réseau [6]
Unités de l’énergie solaire
L’énergie solaire se caractérise principalement par son éclairement (l’irradiance) et son irradiation (rayonnement) :
L’éclairement ou l’irradiance est défini comme une puissance reçue par une surface. Il s’exprime en W/m2 (watt par mètre carré). Le S.I. (système international d’unités) recommande d’utiliser le symbole E.
L’irradiation ou le rayonnement est l’énergie reçue par une surface. Elle s’exprime en J. m-2 (joule par mètre carré). L’ISES (International Solar Energy Society) recommande d’utiliser le symbole H. D’autres unités plus courantes sont le Wh/m2 (wattheure par mètre carré) bien que ce dernier ne doive pas être utilisé puisque n’appartenant pas au système international d’unités (SI).
Caractéristiques du soleil, diagramme de hauteur avec silhouette des
obstacles
L’irradiation solaire dépend de :
l’orientation et l’inclinaison de la surface ; la latitude du lieu et son degré de pollution ; la période de l’année ;
l’instant considéré dans la journée ; la nature des couches nuageuses.
La combinaison de tous ces paramètres produit la variabilité dans l’espace et le temps de l’irradiation journalière. Des cartes météorologiques (figure I.3) sont établies et nous renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou sur une année.
Figure I.3 : Carte du monde de l’irradiation moyenne annuelle en
kWh/m²/jour sur un plan horizontal [27]
Spectre du rayonnement solaire
Malgré la distance considérable qui sépare le soleil de la terre de 150.106 Km, la couche terrestre reçoit une quantité d’énergie importante de 180.106 GW, c’est pour cela que l’énergie solaire se présente bien comme une alternative aux autres sources d’énergie non renouvelables. Cette quantité d’énergie quittera sa surface sous forme de rayonnement électromagnétique compris dans une longueur d’onde variant de 220 à 10000 nm et l’énergie associée à ce rayonnement solaire se décompose approximativement comme suit :
9 % dans la bande des ultraviolets (< à 400 nm) ; 47 % dans la bande visibles (400 à 800 nm) ;
44 % dans la bande des infrarouges (> à 800 nm).
Figure I.4: Réponse spectrale d’une cellule PV [27]
Au cours de ces dix derniers années, ce spectre homologués par l’organisation international de standardisation (ISO 9845-1 :1992) et la société américaine de test et de matériaux (ASTM E 892-87 :1992) ont fixé le flux de standardisation Es à 1000 W/m2. Cette énergie est définie comme paramètre solaire qui à une valeur variable suivant la saison, l’heure, la localisation géographique du site, les conditions météorologiques (poussière, humidité, etc.) [27].
Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique décomposé en grains de lumière appelés photons. L’énergie de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde dont 98% d’énergie est comprise entre λ=0.25µm et λ=4µm, le reste représente 1% au-dessus et 1% au-dessous de cet intervalle. Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ à l’émission d’un corps noir porté à 5900°K.
La répartition de l’énergie en fonction de la longueur d’onde est [28] :
Pour 0.25µm ˂ λ ˂ 0.4µm : c’est le domaine de l’ultraviolet (invisible), il représente 7% de l’énergie totale émise par le soleil.
Pour 0.4µm ˂ λ ˂ 0.8µm : c’est le domaine du visible, il représente 47.5% de l’énergie totale émise par le soleil.
Pour 0.8µm ˂ λ ˂ 4µm : c’est le domaine de l’infrarouge (invisible), il représente 45.5% de l’énergie totale émise par le soleil.
L’énergie rayonnée par le soleil n’est pas uniformément répartie pour toutes les longueurs d’onde et elle passe par un maximum pour une longueur d’onde donnée par la loi de WIEN :
λmT =2898µmK Pour T=2800K ⟹ λm≈0.5µm.
L’énergie véhiculée par ce rayonnement sur une année et sur l’ensemble de la limite supérieure de l’atmosphère correspond à un éclairement de 340 W.m-2 (figure I.5). Un bilan énergétique montre que sur cette quantité d’éclairement qu’apporte le soleil au système terre-atmosphère, environ 100 W.m-2 sont réfléchis vers l’espace ; seul le reste est absorbé pour un tiers par l’atmosphère et pour les deux tiers par la surface [33].
rs par la surfa
Figure I.5 : Rayonnement solaire transmis à la terre [33] [94]
Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce que l’énergie solaire et comment est-elle produite?
L’énergie solaire permet de produire de l’électricité directement à partir des rayonnements du soleil sans émission polluante.
Quels sont les deux types d’énergie solaire?
L’énergie solaire est repartie selon l’utilisation en deux sous familles : l’énergie solaire thermique et l’énergie solaire photovoltaïque.
Comment l’irradiation solaire dépend-elle de différents facteurs?
L’irradiation solaire dépend de l’orientation et l’inclinaison de la surface, la latitude du lieu, son degré de pollution, la période de l’année, l’instant considéré dans la journée et la nature des couches nuageuses.