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5 mars 2010 5 05 /03 /mars /2010 17:27

[Mise à jour 11/8/2011 : description de l'établissement d'une tension dans une cellule photovoltaïque]

[Mise à jour 2011/12/19 : correction d'une erreur grossière sur les bandes énergétiques]

 

Ah, l'énergie solaire. Les applications en dérivant sont nombreuses et variées : chauffe-eau solaire, panneaux photovoltaïques, mais aussi fours solaires, tours solaires...


Dans cet article, je vais essayer de faire un tour d'horizon de tout ce qui se fait dans ce domaine, en insistant un peu sur les panneaux photovoltaïques car cela reste l'application principale.


I L'importance du Soleil pour l'énergie sur Terre

II Les panneaux photovoltaïques

III Panorama du paysage des autres applications de l'énergie solaires

IV Avantages, défauts, issues à explorer


Les nuages, les océans et les terres de notre planète reçoivent environ 120 petawatts (1 petawatt=1 000 000 gigawatts). C'est carrément colossal. Ce que l'on a tendance à oublier, c'est que le potentiel de l'énergie solaire va au delà : imaginez qu'on place une nappe de panneaux solaires dans l'espace, autour de la Terre et face au Soleil...


L'énergie solaire nous vient sous la forme de lumière. Cette lumière, émise sous forme de particules appelées photons, provient de la perte de masse lors des réactions de fusion nucléaire au coeur du soleil. Donc d'une certaine manière, l'énergie du Soleil, c'est de l'énergie nucléaire !

 

sun

Le Soleil est une grosse boule de plasma qui produit beaucoup, beaucoup de lumière.


Et c'est l'énergie solaire qui met en branle la vie et le climat sur la Terre, avec les vents, les plantes, et tout ce qui repose dessus, dont nous les humains. Donc c'est vraiment pas de la gnognotte.


Ce qu'il faut retenir ici, c'est qu'on n'obtient des grosses énergies que lorsqu'on joue sur l'énergie de masse avec la formule E=mc².


II Les panneaux photovoltaïques


Ah, les fameux panneaux photovoltaïques. Donc on a un flux de photons, et on veut de l'électricité. Hmm, ouvrons à nouveau notre grimoire de réaction chimiques... Effet Cerenkov... Non, ça fait une jolie lumière bleue mais c'est pas ça, en plus il faut des électrons et pas des- hé ! Attendez je tourne les pages... Ah ! L'effet photoélectrique !


L'effet photoélectrique : c'est quand un photon arrive sur un atome et réussit à lui arracher un électron. Pour cela, il faut que le photon ait une énergie suffisante, supérieure à l'énergie de liaison de l'électron. L'énergie de chaque photon est reliée à sa fréquence par la formule E=h*nu, où E est l'énergie, h est une constante, la constante de Planck, et nu la fréquence du photon, qui correspond aux nombre de tours qu'a fait la flèche du champ électrique autour du photon en une seconde. Pour un bon schéma du photon, voir l'article La peur des nouvelles technologies .

 

effet photoelectrique

Planck avait commencé à comprendre que la lumière était composée d'entités bien distinctes, mais c'est Einstein qui a le plus osé remettre en cause la vision ondulatoire de la lumière en faisant l'hypothèse qu'elle était carrément composée de particules, celles qu'on a plus tard appelées les photons. Ce n'est pas la théorie de la relativité, mais l'explication de l'effet photoélectrique par la vision corpusculaire de la lumière, l'une des bases de la mécanique quantique, qui a valu à Einstein son prix Nobel. P'tit con, va.


Ensuite, une fois l'électron arraché, une tension électrique va amener les électrons à suivre un chemin, et c'est la naissance d'un courant électrique. On utilise pour cela des diodes dites P-N. Maintenant que je sais comment c'est fait, je vais pouvoir vous expliquer !

M'enfin, ne nous réjouissons pas trop vite : je ne suis pas sûr à 100 % que l'explication que je vais vous donner est la bonne.

Voici le schéma d'une cellule photovoltaïque dans son circuit :

schema cellule photovoltaique
Une cellule photovoltaïque est un morceau de panneau solaire, de l'ordre de 10 cm x 10 cm. En (1), le contact avant, en (2), le silicium dopé N (je vous explique ce que ça veut dire juste après), en (3), la jonction PN, en (4), le silicium dopé P, en (5), le contact arrière. Les - représentent des électrons, les + représentent des trous.

A partir de ce moment là, vous devez vous poser plein de questions : qu'est-ce qu'un trou ? qu'est-ce que du silicium dopé N ? Rassurez vous, je vais y répondre.

Le silicium est un semi-conducteur. Dans les solides, les électrons prennent des valeurs d'énergie de mouvement de façon régulière. Cela donne des schéma avec des bandes : à chaque bande correspond une zone d'énergie de mouvement privilégiée par les électrons. La plus énergétique s'appelle la bande de conduction : dans celle-ci, les électrons ne subissent quasiment aucune force des atomes. La bande en dessous s'appelle la bande de valence.
Dans un métal, les électrons occupent déjà la bande de conduction, ce qui fait qu'il est plus facile de faire bouger les électrons dans un métal. Cela fait des métaux de bons conducteurs électriques.
Dans un semi-conducteur, les électrons sont dans la bande de valence, mais ils ne sont pas loin de la bande de conduction. À ceux ci, il suffit de donner un peu d'énergie, avec une collision par un photon, par exemple, pour qu'ils entrent dans la bande de conduction et y restent.
Un schéma pour expliquer :

semi conductor bands

Les isolants, à gauche, ont une bande de conduction difficilement accessible aux électrons. Dans un métal, au milieu, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent, ce qui fait qu'il est très facile aux électrons d'accéder à la bande de conduction. Dans un semi-conducteur, à droite, il faut donner simplement un peu d'énergie aux électrons pour les mettre dans la bande de conduction.

 

Lorsque ceci arrive, on dit qu'un trou est apparu dans la bande de valence. Un trou, c'est une quasi particule. Imaginez une rangée de n chaises avec n-1 personnes assises sur ces chaises, sauf une qui reste inoccupée. Si la personne à gauche de la chaise inoccupée se lève et s'assoit dessus, il restera une chaise inoccupée. Si la personne à gauche de la chaise inoccupée y prend place, elle décalera la chaise inoccupée vers la gauche. Et bien, au lieu de considérer le mouvement des personnes, on considère le mouvement de la chaise inoccupée. Ce qui se passe avec les électrons de la bande de valence une fois un électron parti est très similaire, à ceci près que les électrons jouent le rôle des personnes et les trous le rôle des chaises inoccupées.
A savoir : les trous ont une charge électrique positive, alors que les électrons ont une charge électrique négative.

Le but de notre jonction PN est de faire circuler les électrons éjectés des atomes par effet photoélectrique. Pour cela, on va établir une tension électrique, autrement dit, une force qui s'applique aux particules électriquement chargées.

Cela se fait en plusieurs étapes.

La première est de construire des matériaux de silicium dopé P et dopé N. Le silicium dopé P est du silicium auquel on a ajouté des impuretés pour augmenter le nombre de trous. Le silicium dopé N est du silicium auquel on a ajouté des impuretés pour augmenter le nombre d'électrons. On peut le retenir en sachant que P est l'initiale de "positif", comme la charge des trous, et que N est l'initiale de "négatif", comme la charge des électrons.

Voici le schéma de ces deux matériaux, le dopé N à gauche, le dopé P à droite. Ces deux matériaux sont électriquement neutres. On a uniquement représenté les électrons et les trous en excès, ainsi que les particules annulant leur charge.

schema dope p n avant
Légende : point<->électron, croix<->proton, rond<->trou.

Ensuite, on joint les deux blocs.

schema dope p n transition
On voit ici que les électrons en excès migrent vers les trous en excès, laissant des trous derrière eux.

schema dope p n equilibre 
La jonction N prend une charge positive, la jonction P prend une charge négative, ce qui résulte en une tension constante à l'équilibre.

Si j'ai bien compris, les électrons en excès sont plus attirés par les trous en excès que par la charge positive des atomes de la jonction N dont ils sont issus.
L'édifice à l'équilibre voit des charges électriques négatives et positives écartées, ce qui fait une force qui pousse les électrons étrangers vers les trous de la jonction PN, et les trous étrangers vers les électrons de la jonction PN.

Simple information : quand les électrons sont arrachés par effet photoélectrique, ils laissent des trous derrière eux !

Maintenant, vous devriez mieux être capables de comprendre ce schéma :

schema cellule photovoltaique
En (1), le contact avant, en (2), le silicium dopé N (je vous explique ce que ça veut dire juste après), en (3), la jonction PN, en (4), le silicium dopé P, en (5), le contact arrière. Les - représentent des électrons, les + représentent des trous.


Autre point important : sous nos latitudes (45°), on reçoit environ 1kW d'énergie solaire au mètre carré. Lorsque le Soleil est au zénith, c'est carrément 1,5kW. Et si vous avez lu les articles précédents, vous avez du noter que les besoins moyens d'un ménage sont de 1 à 1,5kW. Attention, ce sont les besoins moyens ! Ca veut dire que si vous vous reposez sur votre petit mètre carré de panneaux solaires et que vous vous croyez malin et tirant la langue à EDF, vous risquez de vous cailler sérieusement en hiver. Ou de revenir à un chauffage polluant type cheminée ou fioul, ce qui n'est pas terrible pour l'atmosphère quand on en abuse.

 

panneaux solaires

Le gros problème, c'est que tout ça, ça coûte très très cher. Mais on y reviendra.

   
III Panorama du paysage des autres applications de l'énergie solaires


Je ne vais pas vous parler ici des chauffe-eau solaires classiques, l'idée étant que je profite du fait d'avoir des exemples originaux sous la main pour les rendre plus connus.


1) Le grand four solaire à Auroville

2) Les cheminées solaires

3) Les tours solaires


1) Le grand four solaire à Auroville


Auroville est une ville spéciale située en Inde, vers la ville de Pondichéry. C'est une sorte de grande communauté utopique de 50 000 habitants prônant le progrès, la tolérance et l'unité de l'humanité dans sa diversité. Certains la décrivent comme le repaire d'une secte, mais je n'ai pas l'impression qu'on y trouve l'intolérance et le dogmatisme tant décriés quand on pense aux sectes. M'enfin, venons en au four.


Il y a là bas une grande cuisine collective où environ 1000 repas sont servis trois fois par jour. Et pour chauffer l'eau qui permettra de cuire le riz (voire d'autres choses), on a recours à un grand chauffe chauffe-eau solaire.


Ce qu'il a de particulier est déjà le fait qu'il est grand. Aussi, on utilise une grande portion de sphère de miroirs qui va concentrer les rayons solaires en un point où l'énergie pourra être récoltée. De plus, un système informatique automatisé fait tourner le grand bol de façon à ce qu'il suive la course du Soleil.



solar kitchen auroville

Le bol du chauffe-eau solaire de la grande cuisine d'Auroville.


Cette ville m'a l'air charmante, dommage qu'elle n'a pas l'air de s'étendre, c'est pourtant sa vocation...


2) Les cheminées solaires


Souvent confondues avec les tours solaires, ce sont en effet bien des tours, mais ce sont surtout des cheminées. Voyez plutôt :

 

cheminée solaire

 

Les cheminées solaires sont de grandes centrales électriques. On projette d'en construire une d'un kilomètre de haut dans un désert de l'Australie. Fournissant 200 MW sans pollution ni risques d'explosions, le système serait opérationnel 24h/24. Petite explication :


cheminée solaire australie

L'idée est d'utiliser le fait que l'air chaud monte. Le soleil fait chauffer les serres en verre, dont le plafond est placé de 3 m à 20 m de haut pour pouvoir permettre un dénivelé autorisant l'air à se regrouper dans la cheminée.

L'air gagne de la vitesse du fait que la température diminue ici de 1°C à chaque fois que l'on monte de 100 m. Du coup, son énergie cinétique augmente, ce qui permet de faire tourner efficacement des turbines avec alternateurs au sommet de la cheminée. Pour plus d'infos sur le fonctionnement des alternateurs, voir l'article Les sources d'énergie : la fission nucléaire .

Le sol stockant de la chaleur le jour et la restituant la nuit, de l'air chaud fait encore tourner les turbines lors de la nuit. Du moins c'est ce qu'en dit le site Techno-science.net (je dis ça parce que j'ai un petit doute).

Cette cheminée solaire australienne devrait fournir assez d'énergie pour 200 000 foyers. A noter aussi que le coût du projet est estimé à 400 millions d'euros, bien qu'au final la Joule serait 5 fois moins chère qu'avec le charbon.


3) Les tours solaires


Le fonctionnement des tours solaires est assez simple. On utilise des miroirs qui focalisent les rayons du soleil sur le sommet de la tour, qui va chauffer un fluide caloporteur, souvent des sels fondus. Ce fluide va chauffer de l'eau, et hop, machine à vapeur, et hop, alternateur, et hop, énergie électrique prête à tracer son chemin sur le réseau à toute vitesse.


tour solaire

Une tour solaire. A mon sens, la modernité ressemblera à cela : une humanité avec des technologies respectueuses de l'environnement, les tours solaires avec leurs miroirs se détachant dans les verts paysages de campagne... Je trouve cela beaucoup plus esthétique que la décroissance.


IV Avantages, défauts, issues à explorer


Bon, allons y bourrin, c'est pas aussi compliqué que le nucléaire.


Avantages :


+Production d'énergie non polluante.

+Energie renouvelable.

+Immense potentiel.

+Reste d'actualité dans le cadre d'une expansion spatiale de l'humanité.


Défauts :


-Coûte très, très cher.

-Difficultés administratives et réglementaires à mettre en place des panneaux solaires chez soi en France.

-Quand il fait nuit ou qu'il y a des nuages, ça marche mal. Et on n'a pas encore les moyens de stocker l'énergie pour régler ce genre de problèmes.

-Il paraît que les panneaux photovoltaïques ne durent pas très très longtemps...


Quant à la pollution due à la construction, je veux des chiffres, et savoir ce qu'ils signifient. Tant que je ne les aurai pas, je continuerai à croire que ceux qui s'opposent aux panneaux solaires du fait de leur construction sont des gens de mauvaise foi qui veulent absolument chercher la petite bête noire.


Issues à explorer :


Les idées foisonnent pour ce qui est de l'énergie solaire. Et elles ne se ressemblent pas toutes. Un certain nombre de choses que je pense qu'il faudrait faire :


-Profiter des déserts tels que le Sahara pour fournir beaucoup d'énergie aux populations locales.

-Utiliser les réactions exothermiques pour que les électrons des panneaux photovoltaïques gagnent de l'énergie. Attention tout de même à bien récupérer les produits chimiques qui vont sortir de la boîte, et à bien savoir les utiliser. L'idéal serait d'utiliser comme réactif une plaque solide qui ferait qu'on aurait pas de produits résiduels.

-Chercher de nouveaux matériaux pour les panneaux photovoltaïques histoire de les rendre moins chers.

-Dans l'idéal, oublier les histoires d'argent, et penser en termes de travail, ou plutôt d'efforts à fournir, tout en pensant aux enjeux sur l'ensemble de la vie sur Terre.

-Si l'on règle la crise écologique actuelle par la technologie, l'humanité se sera dépassée et sera à même de s'occuper d'autres planètes. On pourra rendre les autres planètes et satellites moins hostiles et plus vivables, s'y installer, bref, s'étendre dans l'espace intersidéral en exploitant l'énergie des soleils de chaque système.


L'énergie solaire est de loin celle qui me séduit le plus. La fusion nucléaire est séduisante aussi, mais comme j'ai dit, l'énergie solaire vient de la fusion nucléaire ^_^. Je crois que c'est la magie du Soleil, son charme.

 

sun symbol2
Le Soleil, source de vie.

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commentaires

Bête spatio-temporelle 26/03/2011 13:27



J'ai lu les deux premières pages en lien, et j'ai remarqué que ça dit à peu près la même chose, si ce n'est que la première est en Français et la deuxième en Anglais.



Bête spatio-temporelle 10/01/2011 19:06



C'est marrant, Ecologiste, quand je lis ton texte, j'ai l'impression que tu le récites, comme si c'était appris par coeur. J'irai voir ces sites, mais pas tout d'un coup ! Merci pour l'info,
sinon.



Ecologiste 10/01/2011 09:44



Une Cheminée Solaire de 27.5 MW sera construite en Chine (à Jinshawan,
Wuhai, Mongolie).


Financé par une entreprise locale en Mongolie intérieure avec 1,38 milliards de yuans (208 millions de dollars, 160 millions d’euros),
la construction a démarré en mai 2009. Il y aura trois phases jusqu’à couvrir une superficie totale de 277 hectares et une puissance finale qui atteindra 27,5 MW, après la phase finale qui sera
achevée en 2013.


http://www.tour-solaire.fr/nouvelles-infos.php 


Actuellement, le prototype mis en service le 10 décembre 2010 dans le Jinshawan, ville de Wuhai en Chine du Nord dans la région
autonome de la Mongolie intérieure a une puissance de 200 kW, la superficie de la serre fait 4 ha et il peut fournir 400.000 kWh d'électricité par an, épargnant ainsi l'équivalent des émissions
de 100 tonnes de charbon et économisant 900 tonnes d'eau, par rapport à la production de la même quantité d'énergie au moyen d’une centrale thermique utilisant des énergies fossiles.


SOURCES


En Anglais


http://www.gov.cn/english/2010-12/28/content_1773883.htm


http://www.ccchina.gov.cn/en/NewsInfo.asp?NewsId=26743 


http://www.solar-tower.org.uk/news-informations-en.php


(NB: les sites en "gov.cn" sont les Web officiels du gouvernement de la République Chinoise)


En Chinois


http://www.takungpao.com/news/china/2010-12-28/382785.html


http://source.takungpao.com/news/10/12/28/ZM-1335069.htm


http://jzjn.sun0769.com/view.asp?id=1862


En Espagnol


http://www.torre-solar.es/noticias-informacion.php


En Français


http://www.cheminee-solaire.net/nouvelles-infos.php


 


Le prototype de tour solaire à courant d'air ascendant en fonctionnement en Mongolie, avec
ses 200kW est 4 fois plus puissant que celui des années 1982-1989 construit par la société Allemande SBP (Schlaich - Bergermann et Partenaires) à Manzanares en Espagne.


Quand la construction de la cheminée solaire Chinoise sera achevée en 2013, sa puissance
sera légèrement inférieure (-30%) à celle du projet de la Société Ingeneria Campo3 à Ciudad Real, Fuente el Fresno, en Espagne (27,5MW contre 40 MW), et environ 7 fois moins puissante que les
projets de tours solaires à vent artificiel de la société Enviromission à Buronga-Mildura en Australie (200 MW), et en Arizona aux Etats Unis (2 X 200MW).



marwen 18/05/2010 18:11



merci



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