Énergie solaire photovoltaïque
Potentiel de l'énergie solaire

Une des manifestations les plus évidentes du rayonnement solaire est la chaleur qu'il apporte. Cette page est consacrée aux dispositifs qui convertissent le rayonnement solaire en chaleur, soit parce que le but recherché est justement la production de chaleur, soit comme une étape intermédiaire dans la production d'énergie électrique.
On peut classer ces dispositifs selon le degré de concentration du rayonnement solaire qu'ils opèrent avant la transformation en chaleur.

Dispositifs 2D (sans concentration)

Le sigle 2D signifie ici "à deux dimensions". Les capteurs 2D sont en général des surfaces planes noircies (pour mieux absorber le rayonnement) et couverte d'une vitre (pour profiter de l'effet de serre et empêcher la chaleur de la surface d'être emportée par les mouvements de l'air tels que le vent et la convection naturelle).
Un fluide circule à l'arrière de la surface pour emporter la chaleur produite.

Le thermique 2D atteint des rendements très élevés (de l'ordre de 80 %), mais la chaleur est produite à des températures ne dépassant pas 120°C. Ceci n'est pas un handicap pour des applications telles que l'obtention de l'eau chaude domestique, ce qui est encouragé par les pouvoirs publics (par contre le chauffage des habitations, qui serait plus ambitieux, est beaucoup moins encouragé !).
Malheureusement, il n'est guère possible d'utiliser cette technique pour produire de l'énergie noble (mécanique, électrique ... ) car l'écart entre la température du fluide et la température ambiante est trop faible : la conversion de la chaleur en énergie noble se ferait avec un très mauvais rendement.

Dispositifs 1D (concentration sur une ligne)

Le thermique 1D (figure S00-1) utilise comme capteur de chaleur un élément tubulaire sur lequel un miroir parabolique concentre le rayonnement du soleil. Comme il utilise un système de concentration du rayonnement, il nécessite un système d'orientation du miroir (à un degré de liberté).

Figure S00-6 : principe d'une concentration 1D

Ce système permet d'atteindre une concentration du rayonnement direct de 200x et une température de 400°C. Le rendement thermique n'est plus que de 60%, mais il est possible de produire une énergie noble en réaliser un cycle thermodynamique. Le rendement de ce cycle étant de 20%, on peut estimer le rendement global à 12% . Il faut cependant tenir compte de ce que,

• comme chaque fois que l'on utilise un dispositif de concentration, seul le rayonnement direct est utilisé, le rayonnement diffus ne pouvant pas être concentré,
• du fait que, comme le miroir doit être tourné vers le soleil, on doit laisser un espace inutilisé entre les miroirs pour éviter qu'ils se fassent de l'ombre, ce qui ferait chuter de façon très importante leur rendement. Une partie de l'énergie solaire passe donc entre les miroirs et est "perdue" sur le sol.
• entre le champ solaire et le dispositif thermodynamique, il peut y avoir perte de chaleur.

Le rendement réel d'un tel système est donc très faible. Ce système pourrait cependant, d'un point de vue économique, être plus rentable que certains dispositifs concurrents ayant un meilleur rendement, mais un coût plus élevé.

Dispositifs 0D (concentration sur un point)

Le thermique 0D (figure 1.3) semble le plus intéressant. Il utilise comme capteur un élément de petite dimension sur lequel le rayonnement solaire est concentré par un ensemble de miroirs paraboliques (héliostats). Les héliostats doivent être munis d'un dispositif d'orientation à deux degrés de libertés. Une grande précision est nécessaire (donc bâtis rigides et capteurs de position de haute précision).

Figure S00-7 : Principe d'une concentration en un point

Ce système permet d'obtenir une concentration de 45000x et une température de 1500°C (fluctuante, ce qui fatigue les matériaux du capteur).

Le rendement thermique est tombé à 50% , en partie à cause de la grande distance qui sépare l'héliostat du capteur, mais il est possible de réaliser un cycle thermodynamique avec un rendement de 36 % , et donc d'approcher un rendement de 18% .

Ici aussi, ce chiffre doit être tempéré par une série de considérations. Tout d'abord, puisqu'il y a concentration, le rayonnement diffus du soleil n'est pas utilisé. Ensuite, les héliostats doivent être disposés de façon à éviter non seulement les ombres, mais encore le blocage du rayonnement entre un héliostat et le capteur. L'occupation du sol est dès lors assez faible (la surface des héliostats représente environ 20% de la surface du sol). Ensuite, comme le soleil, l'héliostat et le capteur ne sont pas alignés, la surface effective de l'héliostat se trouve affectée par un facteur "cosinus" qui vaut en moyenne 0.8 . Enfin, la distance entre le capteur (en haut d'une tour) et le dispositif thermodynamique donne lieu à des pertes de chaleur.

Malgré ce fait et les difficultés technologiques liées à cette solution, elle pourrait bien s'avérer la plus intéressante économiquement des solutions thermiques.

Pour en savoir plus, on peut consulter le site Plataforma Solar de Almeria .

Dernière mise à jour le 16-03-2003