Le solaire — Photovoltaïque et thermique
Le solaire exploite le rayonnement électromagnétique du Soleil pour produire de l'électricité (effet photovoltaïque) ou de la chaleur (capteurs thermiques). Ces deux filières sont complémentaires : le photovoltaïque alimente les réseaux électriques, le thermique couvre les besoins en eau chaude sanitaire et en chauffage.
Objectifs
- Distinguer les principes de conversion du photovoltaïque et du solaire thermique.
- Calculer le rendement d'un panneau photovoltaïque et analyser les pertes de la chaîne.
- Comparer les ordres de grandeur de puissance solaire disponible et produite.
L'irradiance solaire et la ressource disponible
La constante solaire vaut environ 1 361 W/m² au-dessus de l'atmosphère. Après traversée de l'atmosphère (absorption, diffusion), l'irradiance au sol atteint 800 à 1 000 W/m² par ciel clair en France métropolitaine. L'énergie annuelle reçue (irradiation) varie de 1 100 kWh/m²/an en Normandie à plus de 1 800 kWh/m²/an en région PACA. L'inclinaison et l'orientation du panneau (plein sud, 30-35° en France) optimisent la captation. L'angle d'incidence du rayonnement modifie l'irradiance effective reçue : E_eff = E_0 × cos(θ).
Cellule photovoltaïque — effet photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est une jonction p-n à base de silicium (monocristallin, polycristallin ou amorphe). Sous l'effet du rayonnement, les photons d'énergie E = h × f arrachent des électrons de valence, créant des paires électron-trou. Le champ électrique interne de la jonction sépare ces porteurs de charge, produisant une tension continue (Voc ≈ 0,6 V par cellule) et un courant (Icc proportionnel à l'éclairement). Les cellules sont associées en série et en parallèle dans un module (panneau). Un onduleur convertit la tension continue en courant alternatif 230 V / 50 Hz pour l'injection réseau ou l'autoconsommation.
Rendement photovoltaïque et pertes
Le rendement d'une cellule est le rapport entre la puissance électrique maximale délivrée et la puissance solaire reçue : η = P_élec / (E × A), où E est l'irradiance en W/m² et A la surface en m². Les cellules en silicium monocristallin atteignent η = 20 à 24 %, les polycristallines 15 à 18 %, les pérovskites (nouvelle génération) 25 à 30 %. Les pertes proviennent de la réflexion (5 %), de la recombinaison des porteurs, des résistances internes, de l'échauffement (pertes de 0,4 % par °C au-delà de 25 °C) et de la conversion DC/AC par l'onduleur (pertes ≈ 2 %). Le rendement système total est typiquement de 14 à 18 %.
Solaire thermique — capteurs et applications
Les capteurs solaires thermiques absorbent le rayonnement pour chauffer un fluide caloporteur (eau glycolée). On distingue : les capteurs plans vitrés (rendement 50 à 60 %, ECS et chauffage basse température), les capteurs à tubes sous vide (rendement 70 %, appoint pour pompe à chaleur), et les concentrateurs paraboliques (CSP, température > 400 °C, production d'électricité par turbine vapeur). Le rendement thermique d'un capteur plan est η_th = η_0 - a × (T_fluide - T_amb) / E, où η_0 ≈ 0,75 est le rendement optique, a le coefficient de pertes thermiques (W/m²/K) et E l'irradiance (W/m²). L'application la plus répandue est le Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI) qui couvre 50 à 70 % des besoins en ECS.
Relations et formules clés
η = P_élec / (E × A)η est le rendement (sans unité), P_élec la puissance électrique maximale produite en W, E l'irradiance solaire en W/m² (souvent prise à 1 000 W/m² en conditions standard STC), A la surface active du panneau en m². Exemple : un panneau de 1,6 m² produisant 320 W sous 1 000 W/m² a η = 320 / (1 000 × 1,6) = 0,20 soit 20 %.
P_solaire = E × A × cos(θ)P_solaire en watts, E l'irradiance directe normale en W/m², A la surface du capteur en m², θ l'angle entre le rayonnement incident et la normale au panneau. Pour un panneau bien orienté (θ faible), cos(θ) ≈ 1 et la puissance reçue est maximale.
η_th = η_0 - a × (T_fluide - T_amb) / Eη_0 est le rendement optique (≈ 0,75 pour un capteur vitré), a le coefficient de pertes en W/(m²·K), T_fluide la température moyenne du fluide en °C, T_amb la température ambiante en °C, E l'irradiance en W/m². Plus l'écart de température (T_fluide - T_amb) est grand, plus les pertes thermiques augmentent et le rendement baisse.
Exercice d'application
Question : Un panneau solaire de surface A = 1,8 m² présente un rendement η = 19 % sous une irradiance E = 900 W/m². Quelle est la puissance électrique produite ? Quelle énergie produit-il en 5 heures d'ensoleillement à ce niveau ?
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Réponse : Puissance produite : P_élec = η × E × A = 0,19 × 900 × 1,8 = 0,19 × 1620 = 307,8 W ≈ 308 W. Énergie produite en 5 h : W = P_élec × t = 308 × 5 = 1540 Wh = 1,54 kWh. Ce panneau produit environ 308 W de puissance crête et 1,54 kWh sur la journée d'ensoleillement considérée.
