Sujets de travaux pratiques de Sciences Industrielles pour l'Ingénieur : Série 1 - Étude des systèmes

Quelques généralités

L'énergie solaire : Pourquoi les énergies renouvelables ?

Le Soleil constitue une énorme source d'énergie dans laquelle nous baignons en permanence. L'homme a compris depuis longtemps l'intérêt pour lui d'exploiter une telle source de lumière et de chaleur. Actuellement, il existe deux voies d'utilisation de l'énergie solaire qui transforment directement le rayonnement en chaleur ou en électricité, respectivement le solaire thermique et le solaire photovoltaïque. Toutefois, l'exploitation de cette source énergétique est récente et se développe mais reste encore très coûteuse.

Trois facteurs militent en faveur des énergies renouvelables :

  • la sauvegarde de l'environnement ;

  • l'épuisement inévitable des ressources (pétrole, gaz, ..) limitées de la planète ;

  • les considérations économiques (coût).

Forme et potentiel de l'énergie solaire

Ce que l'on désigne par énergie solaire est le rayonnement émis dans toutes les directions par le Soleil et que la Terre reçoit à raison d'une puissance moyenne de 1,4 kW.m-2, pour une surface perpendiculaire à la direction Terre - Soleil. Ce flux solaire est atténué lors de la traversée de l'atmosphère par absorption ou diffusion, suivant les conditions météorologiques et la latitude du lieu ; au niveau du sol, la puissance restante est de l'ordre de 1 kW.m-2 sous nos latitudes. La quantité d'énergie utilisable varie entre 800 et 7000 kWh.m-2 suivant le lieu.

Une petite idée de l'ensoleillement sur notre pays est donnée par la carte ci-dessous.

Les régions les plus froides reçoivent un ensoleillement inférieur à 1220 kwh.m-2 /An, alors que les zones rouges reçoivent un ensoleillement supérieur à 1760 kwh.m-2 /An .

Les panneaux solaires : le principe

Les panneaux solaires convertissent l'énergie lumineuse en énergie électrique. Ils sont composés de cellules photovoltaïques. Ces cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs qui peuvent libérer leurs électrons sous l'action d'une énergie (ici l'énergie lumineuse). La libération des électrons des matériaux constituant les cellules sous l'action des photons permet ainsi la production d'un courant électrique.

Il existe trois types de cellules photovoltaïques :

  • Les cellules mono-cristallines : elles sont constituées d'un cristal à deux couches, le plus souvent du silicium. Elles ont un rendement entre 15 et 22 % mais elles sont chères à fabriquer.

  • Les cellules poly-cristallines : elles sont constituées de plusieurs cristaux, ce qui diminue leur prix de fabrication. Cependant leur rendement n'est que de 10 à 13 %.

  • Les cellules amorphes : elles ont un rendement très faible (5 à 10 %) mais leur prix est très bas.

Pourquoi orienter les panneaux solaires ?

Le soleil se déplace au cours de la journée et suivant les saisons. Le panneau solaire, en revanche, se trouve généralement en position fixe, ce qui entraîne des pertes énergétiques précieuses. Une installation fixe, orientée, dans le cas idéal, vers le sud délivre une puissance qui croît très lentement tôt le matin et diminue fortement l'après-midi.

Une part importante de l'énergie récupérable est ainsi perdue. Si l'installation s'oriente constamment en direction du soleil, elle génère un maximum d'électricité. Une installation fixe de 1 kW et orientée de façon optimale, produit par jour d'ensoleillement, environ 5 kWh d'électricité solaire. La même installation de 1 kW avec « suiveur » fournit en revanche jusqu 'à 10 kWh par jour

Le rendement des panneaux solaires dépend ainsi de leur orientation. L'angle d'incidence des rayons du soleil détermine le rendement du panneau solaire. L'angle d'incidence Ø optimal est de 90°. °. Le rendement du panneau solaire est définit selon l'équation suivante :

R = 100.sin α

avec α : Angle d'incidence en degrés et R : Rendement en %

Ainsi, seule une rotation automatique peut permettre au panneau solaire de délivrer une puissance maximale.

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