Imaginez que vous placiez une poêle noire dans le désert des Mojaves en pleine journée. La poêle devient brûlante au toucher jusqu'à ce que sa température dépasse 90 °C. Vous y jetez un œuf et en quelques minutes, celui-ci est totalement cuit. Vous ne vous en rendez peut-être pas compte, mais cette expérience toute simple est une excellente illustration du captage de l'énergie solaire.
On associe la plupart du temps le captage de l'énergie solaire aux panneaux solaires que l'on peut voir sur le toit des maisons. Or, son adoption dans le commerce couvre une large diversité d'applications qui fournissent au monde une quantité d'énergie astronomique. Étudions cinq technologies innovantes de captage de l'énergie solaire.
1) Panneaux solaires photovoltaïques
Les panneaux solaires photovoltaïques (PV) utilisent l'énergie du soleil pour générer un flux d'électricité. C'est aujourd'hui la méthode la plus couramment adoptée pour capter l'énergie solaire. Ces panneaux, dont la taille varie de quelques centimètres carrés à plusieurs mètres carrés, sont constitués d'un grand nombre de cellules photovoltaïques disposées selon une matrice complexe. Comme on peut s'en douter, plus la surface de cellules pouvant être pénétrées par les rayons du soleil est large, plus la quantité d'énergie captée est importante.
Chaque cellule solaire photovoltaïque est en général faite d'une structure composée de plaquettes de semi-conducteurs, qui peut être une structure monocristalline ou polycristalline. Les deux fines plaquettes de semi-conducteurs de la structure, l'une de type P et l'autre de type N, sont assemblées séparément. Les deux plaquettes sont placées l'une au-dessus de l'autre et la réaction qui se produit naturellement entre ces deux types de semi-conducteurs crée une zone de déplétion qui atteint un point d'équilibre, cela sans générer la moindre électricité. Avec la cellule photovoltaïque, lorsque les photons de lumière traversent les plaquettes de semi-conducteurs en créant une connexion, cette interaction libère suffisamment d'énergie pour perturber l'équilibre dans la région de déplétion. Cette action crée alors un bref flux d'électricité. Toutefois, puisque la lumière est constamment présente, cette interaction se produit en continu et peut générer des quantités phénoménales d'énergie électrique.
La puissance produite par l'interaction d'un seul photon se reproduit sur toute la surface de la cellule. Cette cellule se combine avec d'autres pour former tout un panneau de cellules solaires, puis un vaste ensemble de panneaux photovoltaïques. L'interaction mineure produite dans la zone de déplétion peut-être répétée et multipliée, produisant ainsi une quantité d'électricité significative. Les réseaux solaires photovoltaïques, cependant, produisent du courant continu. Pour pouvoir s'intégrer dans les systèmes modernes de transmission d'énergie, tels que les prises électriques murales de votre domicile, cette énergie continue doit être convertie en courant alternatif à l'aide d'un onduleur. Cette technologie fondamentale se décline en divers modèles exclusifs qui cherchent à optimiser l'efficacité de chaque cellule photovoltaïque au niveau des molécules, de la constitution des panneaux et de la capacité de ces derniers à s'intégrer dans un plus vaste réseau solaire.
2) Captage d'énergie thermique : l'énergie des radiations électromagnétiques
Le soleil produit un large spectre de radiations de différentes longueurs d'onde, notamment l'infrarouge. Ce spectre transfère efficacement l'énergie thermique à des corps capables de l'absorber. On appelle « corps noir » les éléments qui peuvent absorber efficacement cette énergie électromagnétique thermique, car la couleur noire absorbe toutes les longueurs d'ondes des radiations visibles par l’œil humain. Un corps noir idéal peut absorber et émettre correctement toutes les longueurs d'onde de radiations électromagnétiques.
Les radiations électromagnétiques sont utilisées depuis longtemps pour le chauffage dans de nombreux systèmes passifs, comme dans notre exemple de cuisson de l’œuf, dans les thermes romains ou les maisons de l'Égypte ancienne, ainsi que dans des solutions modernes telles que les panneaux solaires thermiques et les thermosiphons. Ces stratégies de captage de l'énergie solaire thermique reposent largement sur la physique des radiations des corps noirs et leur capacité à absorber et à transférer les radiations électromagnétiques. Dans un contexte résidentiel, l'énergie thermique est le plus souvent recueillie pour être utilisée dans des systèmes de chauffage de l'eau. Ces solutions sont cependant moins bien adaptées à la production d'énergie à l'échelle industrielle.
3) Chauffe-eaux solaires
Le chauffe-eau solaire est un excellent exemple d'application de captage de l'énergie solaire thermique couramment utilisée sous tous les climats ensoleillés du monde. Cette version ultra simple d'un système de chauffage de l'eau par le soleil utilise une pompe pour faire circuler de l'eau froide à travers un panneau de couleur noire. Cela ressemble visuellement à un panneau solaire photovoltaïque. La surface noire absorbe efficacement l'énergie thermique, qui est refroidie par l'eau en circulation, laquelle est alors réchauffée. L'eau circule en permanence dans cette boucle, ce qui crée de l'eau chaude grâce à l'activité solaire. Certains systèmes peuvent se passer de pompe en utilisant l'effet de flottabilité créé par l'eau ainsi chauffée. Cette eau plus chaude « flotte » tandis que l'eau plus froide s'enfonce, ce qui produit de faibles mouvements de flux dans le système et crée un thermosiphon. Dans ces systèmes, la cuve de stockage doit être placée au-dessus de la source d'absorption solaire, comme indiqué ici.
4) Chauffe-eau solaire à tubes sous vide
Certains systèmes de chauffe-eaux solaires plus évolués et plus efficaces utilisent des tubes sous vide et des tuyaux chauffants autonomes pour transférer l'énergie thermique à une cuve secondaire. Le tube sous vide laisse pénétrer l'énergie rayonnante dans le système, mais toute l'énergie transformée en énergie thermique est contenue dans le tube. Le tuyau chauffant absorbe cette énergie et la transfère à une large cuve d'eau. Ces systèmes sont nettement plus efficaces pour chauffer l'eau pendant les mois froids car le tube sous vide ne laisse s'échapper que de faibles quantités d'énergie thermique, ce qui permet de convertir la quasi-totalité de l'énergie rayonnante en énergie thermique.
5) Énergie solaire à sel fondu
Des avancées relativement récentes dans les systèmes à sel fondu repoussent les limites de la production énergétique solaire. Toutefois, comme pour les chauffe-eaux solaires que nous venons de voir, les systèmes énergétiques à sel fondu utilisent les radiations électromagnétiques pour faire fondre du sel. Ce sel fondu est alors transféré à un échangeur de chaleur qui chauffe l'eau jusqu'à la transformer en vapeur, qui est ensuite guidée à travers une turbine pour générer de l'électricité. Les centrales énergétiques à sel fondu, comme la centrale solaire d'Ivanpah, s'appuient sur un vaste réseau de miroirs héliostats pour concentrer la lumière du soleil en un point unique, que l'on appelle en général tour solaire ou tour centrale. Cette tour recueille l'énergie de tous les héliostats environnants, ce qui suffit à faire fondre le sel à plus de 800 °C. Ce sel fondu est ensuite stocké dans des réservoirs isolés, ce qui permet d'utiliser l'énergie même quand le soleil ne brille plus.
L'avenir de l'énergie solaire
Les technologies de captage de l'énergie solaire sont de plus en plus utilisées pour remplacer l'électricité générée par les carburants fossiles. Bien qu'il existe diverses méthodes pour capter cette énergie, toutes utilisent fondamentalement le soleil pour accomplir des tâches spécifiques que nous souhaitons lui faire réaliser et pour lesquelles nous comptons depuis longtemps sur l'électricité. Les progrès réalisés pour optimiser les processus et les rendre plus efficaces continueront à faire émerger la productivité des méthodes de captage de l'énergie solaire, jusqu'à, peut-être, rendre inutile tout recours aux carburants fossiles.