Ce texte est une traduction du texte History of solar energy publié par Charles SMITH à l'adresse http://solarenergy.com/power-panels/history-solar-energy.
Début du texte :
Des inventeurs ont découvert le secret de la transformation des rayons du soleil en puissance mécanique il y a plus d'un siècle, uniquement pour voir leurs machines de rêve s'effondrer suite à un manque de soutien public. Les ingénieurs du solaire des temps modernes ne doivent pas être condamnés à subir ce sort à nouveau.
Charles SMITH est un membre adjoint du Department of Technology à l'Appalachian State University et doctorant au Department of Science and Technology Studies au Virginia Polytechnic Institute. Son domaine de recherche principal est l'Histoire de l'énergie.
Beaucoup d'entre nous pensent que le premier effort national pour développer les ressources renouvelables est né alors que des Américains en colère attendaient les lignes de gaz pendant la "crise de l'énergie" des années 1970. Tenu en otage par l'embargo de pétrole de l'OPEC, le pays s'est soudainement trouvé réceptif aux avertissements des scientifiques, des écologistes et même de quelques politiciens pour mettre fin à sa surdépendance aux réserves finies de charbon et de pétrole, ou pour faire face à une sévère détresse économique ou commotion politique.
Mais les efforts pour designer et construire des appareils pour se ravitailler en énergie renouvelable ont en fait commencé il y a environ 100 ans avant cette période turbulente -ironiquement, au sommet de la Révolution Industrielle, qui était largement fondée sur la promesse de réserves apparemment inépuisables de combustibles fossiles. Contrairement à l'opinion dominante de l'époque, un certain nombre d'ingénieurs ont remis en question les pratiques d'une économie industrielle basée sur une énergie non-renouvelable et se sont inquiétés de ce que feraient les nations du monde après avoir épuisé les réserves de combustible.
Plus important encore, beaucoup de ces visionnaires n'ont pas seulement donné une rhétorique futuriste mais ont activement exploré pratiquement toutes les possibilités d'énergie renouvelable habituelles aujourd'hui. Au final, la plupart ont décidé de se focaliser sur la puissance solaire, se disant que les récompenses potentielles dépassaient les obstacles technologiques. En moins de 50 ans, ces pionniers ont développé un éventail impressionnant de techniques innovantes pour capturer le rayonnement solaire et l'utiliser pour produire la vapeur qui faisait marcher les machines de cette ère. En fait, juste avant la Première Guerre Mondiale, ils avaient ébauché toutes les méthodes de conversion thermique solaire aujourd'hui reconnues. Malheureusement, malgré leurs succès techniques et leurs designs innovants, leur travail a été largement oublié pendant les 50 années suivantes avec la ruée du développement des combustibles fossiles pour un monde assoiffé d'énergie.
Aujourd'hui, un siècle après, l'Histoire se répète. Après avoir suivi le même chemin que les inventeurs venus plus tôt -dans certains cas, réinventant les mêmes techniques- les ingénieurs du solaire contemporains en sont venus à la même conclusion : la puissance solaire n'est pas seulement possible mais aussi particulièrement pratique, sans compter le fait qu'elle respecte l'environnement. Hélas, une fois encore, alors que la technologie avait fait ses preuves d'un point de vue pratique, le soutien public pour un développement et une mise en oeuvre plus importants s'est érodé, et la puissance solaire a pu une fois encore être éclipsée par les technologies énergétiques conventionnelles.
Le Premier Moteur Solaire
La mention la plus ancienne à une conversion directe du rayonnement solaire en puissance mécanique remonte à Auguste Mouchout, un professeur de mathématiques au Lycée de Tours. Mouchout a commencé son travail sur le solaire en 1860 après avoir exprimé de graves inquiétudes vis-à-vis de la dépendance de son pays au charbon. "Il serait prudent et avisé de ne pas s'endormir face à cette quasi-sécurité", a-t-il écrit. "Au bout d'un moment, l'industrie ne trouvera pas en Europe les ressources pour satisfaire sa prodigieuse expansion. Le charbon sera sans aucun doute épuisé. Que fera l'industrie après ?" L'année suivante, on lui a accordé le premier brevet pour un moteur fonctionnant avec la puissance solaire dont il a continué à améliorer le design jusqu'à environ 1880. Pendant cette période, l'inventeur a posé les fondations de notre compréhension moderne de la conversion du rayonnement solaire en puissance de vapeur mécanique.
Les expériences initiales de Mouchout impliquaient un chaudron en fer clos avec du verre : le rayonnement solaire incident passait à travers le couvercle de verre et les rayons piégés transmettaient la chaleur à l'eau. Bien que ce petit arrangement faisait bouillir l'eau, sa valeur pratique était faible car les quantités et pressions de vapeur produites étaient minimales. Toutefois, Mouchout découvrit bientôt qu'en ajoutant un miroir pour concentrer plus de rayonnement sur le chaudron, il pouvait générer plus de vapeur. À la fin de l'année 1865, il réussit à utiliser son appareil pour faire fonctionner une petite machine à vapeur conventionnelle.
L'été suivant, Mouchout montra son moteur solaire à l'Empereur Napoléon III à Paris. Le monarque, favorablement impressionné, offrit une assistance financière pour développer un moteur solaire industriel pour la France. Avec les nouveaux fonds acquis, Mouchout agrandit la capacité de son invention, raffina le miroir, le redesignant en un cône tronqué, comme une assiette avec des bords inclinés, pour mieux concentrer les rayons du soleil sur la chaudière. Mouchout a aussi construit un mécanisme suiveur qui permettait à la machine toute entière de suivre l'altitude et l'azimuth du soleil, autorisant une réception solaire ininterrompue. Après six années de travail, Mouchout exposa sa nouvelle machine dans la cour de la bibliothèque de sa Tours natale en 1872, étonnant favorablement les spectateurs. Un journaliste a décrit le miroir comme un "abat-jour de lampe" inversé, "couvert à l'intérieur d'une très fine feuille d'argent" et la chaudière comme un "énorme dé à coudre" fait en cuivre noirci et "couvert avec une cloche en verre".
Anxieux à l'idée de mettre son invention au travail, il connecta l'appareil à une machine à vapeur qui activait une pompe à eau. Pour ce que l'on considérait comme "un jour exceptionnellement chaud", le moteur solaire produisait un demi-cheval de puissance. Mouchout fit part de ses résultats et découvertes à l'Académie des Sciences. Le gouvernement, impatient d'exploiter la nouvelle invention à son potentiel total, décida que le meilleur lieu pour la nouvelle machine serait le protectorat d'Algérie, avec son climat tropical, une région bénéficiant d'un ensoleillement presque constant et entièrement dépendante au charbon, une commodité beaucoup trop chère dans la région africaine.
Mouchout a été rapidement déployé avec un financement important en Algérie pour construire une grande machine à vapeur solaire. Il décida tout d'abord d'élargir la capacité de son invention, la faisant passer à 100 litres (70 pour l'eau et 30 pour la vapeur) et utilisa une chaudière multi-tubes à la place de l'unique chaudron. Les tubes de la chaudière avaient un meilleur rapport surface/volume d'eau, produisant plus de pression et amélioraient la performance de la machine.
En 1878, Mouchout exposa l'invention redesignée à l'Exposition Universelle de Paris. Peut-être pour impressionner le public, ou plus probablement ses soutiens gouvernementaux, il coupla la machine à vapeur à un système réfrigérant. La vapeur du moteur solaire, après être acheminée à travers un condenseur, refroidissait rapidement l'intérieur d'un compartiment isolé séparé. Il expliqua le résultat : "En dépit du paradoxe apparent de l'exposé, [il était] possible d'utiliser les rayons du soleil pour faire de la glace.". Mouchout a reçu une médaille pour ce qu'il avait accompli.
En 1881, le Ministère français des Travaux Publics, intrigué par la machine de Mouchout, demanda à deux personnes d'évaluer l'efficacité de sa machine de point de vue du coût. Mais après quelque 900 observations à Montpellier, une cité au sud de la France, et à Constantine, en Algérie, le gouvernement jugea que la machine était un succès technique mais un échec pratique. Une des raisons était que la France avait récemment amélioré son système de transport de charbon et développé une meilleure relation avec l'Angleterre, dont elle était dépendante pour cette commodité. Le prix du charbon a par conséquent chuté, rendant le besoin pour des alternatives moins attractif. Incapable de se procurer une plus grande assistance financière, Mouchout retourna à sa carrière académique.
La Tour de Puissance
Au sommet des expériences de Mouchout, William Adams, le deputy registrar pour la Couronne anglaise à Bombay, en Inde, écrivit un livre intitulé Solar Heat: A Substitute for Fuel in Tropical Countries, qui remporta un prix. Adams écrivit qu'il était intrigué par la machine à vapeur solaire de Mouchout après avoir lu un compte-rendu de la démonstration à Tours, mais que l'invention n'était pas pratique, car "il serait impossible de construire un [miroir en forme d'assiette] de dimensions beaucoup plus grandes" pour générer plus du demi-cheval de puissance de Mouchout. Il sentait que le problème était que le métal poli du miroir se ternirait trop facilement, et serait trop cher à fabriquer et trop lourd pour suivre le soleil efficacement.
Heureusement pour la discipline solaire naissante, le registrar anglais ne passa pas tout son temps à trouver des défauts dans les efforts de l'inventeur français, mais offrit quelques solutions créatives. Par exemple, Adams était convaincu qu'un miroir constitué de plusieurs petits miroirs plats argentés disposés en un demi-cercle serait moins chers à construire et plus faciles à entretenir. Son plan était de construire un grand panneau fait de plusieurs petits miroirs plats et d'ajuster chacun de façon à réfléchir la lumière du soleil dans une direction spécifique. Pour suivre le mouvement du soleil, le panneau entier pouvait être roulé autour d'une piste semi-circulaire, projetant le rayonnement concentré sur une chaudière stationnaire. La piste pouvait être manipulée par un ouvrier et n'aurait à être bougée que "trois ou quatre fois par jour", écrivit Adams, ou plus fréquemment si on voulait améliorer la performance.
Confiant en son arrangement innovant, Adams commença la construction à la fin de l'année 1878. En ajoutant graduellement des miroirs plats de 17 pouces fois 10 pouces et en mesurant les températures croissantes, il calcula que pour générer les 1200 [?] nécessaires pour produire des pressions de vapeur suffisamment hautes pour faire fonctionner des machines conventionnelles, le miroir nécessiterait 72 petits miroirs. Pour démontrer la puissance du rayonnement concentré, Adams plaça un morceau de bois sur le point de focalisation des carreaux de miroir où, il nota, "il s'enflamma immédiatement". Il arrangea alors les collecteurs autour de la chaudière, conservant la configuration en chaudron fermé de Mouchout, et la connecta à une machine à vapeur de 2,5 chevaux de puissance qui fonctionna pendant les heures du jour "pendant une quinzaine de jours dans l'enceinte de [son] bungalow".
Impatient de montrer son invention, Adams contacta la presse et invita ses amis importants -dont le commandant en chef de l'Armée, un colonel des Royal Engineers, le secrétaire des travaux publics, plusieurs juges, et les principaux propriétaires de moulins- à une démonstration. Adams écrivit que tous furent impressionnés, même les ingénieurs qui malgré leurs doutes sur la possibilité de la puissance solaire d'être directement compétitive face au charbon et au bois, pensèrent que ce serait une source d'énergie supplémentaire pratique.
Cependant, les expériences d'Adams finirent peu après la démonstration, peut-être parce qu'il avait atteint son objectif de prouver la faisabilité de son design de base, mais plus probablement, comme disent certains, parce qu'il manquait de dynamisme entreprenerial. Pourtant, l'héritage de sa méthode versatile et puissante pour exploiter et convertir la chaleur solaire survit. Les ingénieurs d'aujourd'hui connaissent ce design avec le concept de la Tour de Puissance, qui est l'une des meilleures configurations pour des usines centralisées à large échelle. En fait, la plupart des usines solaires à tour modernes suivent la configuration basique d'Adams : des miroirs plats ou très légèrement incurvés qui restent stationnaires ou voyagent sur une piste semi-circulaire ou réfléchissent la lumière vers le haut sur une chaudière dans une tour réceptrice ou vers le bas dans une chaudière au niveau du sol, générant ainsi de la chaleur pour faire fonctionner une machine à vapeur annexe.
Collection sans Réflexion
Malgré l'abandon de Mouchout et le désenchantement de ce qui était le seul participant anglais apparent, l'Europe continua à faire avancer l'application pratique de la chaleur solaire, alors que la torche vint dans les mains de la France et de l'ingénieur Charles Tellier. Considéré par beaucoup comme le père de la réfrigération, Tellier a en fait commencé son travail sur la réfrigération suite à ses expériences sur le solaire, qui l'ont amené à designer le premier moteur solaire sans concentration ni réflexion.
En 1885, Tellier installa un collecteur solaire sur son toit similaire aux collecteurs à plaques plates placés sur de nombreuses maisons aujourd'hui pour chauffer l'eau domestique. Le collecteur était constitué de dix plaques, chacune consistant en deux feuilles de fer rivetées ensemble pour former un sceau étanche, et connectées par des tubes pour former un tout. Au lieu de remplir les plaques avec de l'eau pour produire de la vapeur, Tellier choisit de l'ammoniaque comme fluide actif à cause de son point d'ébullition bien moindre. Après une exposition au soleil, les conteneurs émettaient suffisamment de gaz d'ammoniac pressurisé pour alimenter une pompe à eau qu'il avait placé dans son puits à un taux de quelque 300 gallons par heure pendant la lumière du jour. Tellier considéra sa pompe à eau solaire pratique pour toute personne avec un toit Sud. Il pensait aussi que simplement ajouter des plaques, et ainsi augmenter la taille du système, rendrait des applications industrielles possibles.
En 1889, Tellier avait amélioré l'efficacité des collecteurs en fermant le haut avec du verre et en isolant le bas. Il a publié ses résultats dans The Elevation of Water with the Solar Atmosphere, qui comprenait des détails sur ses intentions d'utiliser le soleil pour manufacturer de la glace. Comme son compatriote Mouchout, Tellier imagina que les larges étendues des plaines africaines pourraient devenir industriellement et agriculturellement productives par l'implantation de la puissance solaire.
Dans The Peaceful Conquest of West Africa, Tellier argua qu'un apport en énergie constant et facilement disponible serait nécessaire pour faire fonctionner les machines de l'industrie avant que les propriétés françaises en Afrique puissent être correctement développées. Il remarqua aussi que bien que le prix du charbon ait chuté depuis les expériences de Mouchout, le combustible continuait à être une dépense importante dans les opérations françaises en Afrique. Il conclut que les coûts de construction de son moteur solaire à basse température et sans concentration étaient suffisamment bas pour justifier son implantation. Il nota aussi que sa machine était beaucoup moins coûteuse que l'appareil de Mouchout, avec son miroir en forme d'assiette et son mécanisme de suivi complexe.
En dépit de ce potentiel, Tellier a manifestement décidé de poursuivre ses recherches sur la réfrigération à la place, et de le faire sans l'aide de la chaleur solaire. Très probablement, les profits de réfrigérateurs avec un système conventionnel se sont trouvés irrésistibles. Aussi, une grande partie de la demande pour une nouvelle technologie de refroidissement provenait du désir de transporter de la viande de boeuf en Europe depuis l'Amérique du Nord et du Sud. Le mouvement roulant des bateaux combiné à des limitations de place écartèrent l'utilisation de la puissance solaire. Et alors que Tellier changeait de centre d'intérêt, la France n'a connu le dernier développement majeur de la puissance mécanique solaire sur son sol que bien après au XXème siècle. La plupart des expériences de la discipline débutante ont traversé l'Atlantique vers un nouveau bastion d'ingéniosité mécanique, les États-Unis.
L'Auge Parabolique
Bien que suédois de naissance, John Ericsson était l'un des ingénieurs états-uniens les plus influents et les plus controversés du XIXème siècle. Alors qu'il passa ses années les plus productives à designer des machines de guerre -son oeuvre la plus célébrée était le vaisseau de combat de la Guerre Civile the Monitor- il dédia les 20 dernières années de sa vie à des objectifs bien plus pacifiques comme la puissance solaire. Ce travail s'inspirait d'une peur partagée par quasiment tous ses camarades inventeurs solaires que les réserves de charbon, un jour, s'épuiseraient. En 1868, il écrivit "Deux millénaires tombés dans l'océan du temps épuiseront complètement les réserves de charbon de l'Europe, à moins que, dans le même temps, la chaleur du soleil soit employée.".
Ainsi en 1870 Ericsson avait développé ce qu'il prétendait être la première machine à vapeur fonctionnant au soleil, rejetant la machine de Mouchout comme un "genre de jouet". En vérité, les premiers designs d'Ericsson ressemblaient beaucoup aux appareils de Mouchout, utilisant un miroir conique, en forme d'assiette, qui concentrait le rayonnement solaire sur une chaudière et un mécanisme de suivi qui gardait le miroir dirigé vers le soleil.
Bien qu'il fût injustifié de prétendre son design original, Ericsson inventa bientôt une nouvelle méthode pour collecter les rayons solaires -l'auge parabolique. Contrairement à une vraie parabole, qui focalise le rayonnement solaire sur une unique et petite surface, ou point focal, comme une parabole de télévision par satellite, une auge parabolique ressemble plus à un bidon de pétrole coupé en deux suivant la longueur qui focalise les rayons solaires sur une ligne du côté ouvert du miroir. Ce type de miroir offrait beaucoup d'avantages sur son homologue semi-circulaire (en forme d'assiette) : il était comparativement simple et moins coûteux à construire, et contrairement à un miroir circulaire, il n'avait à suivre le soleil que dans une seule direction (en haut et en bas, s'il est posé à l'horizontale, ou d'Est en Ouest s'il se tient sur une extrémité), éliminant ainsi le besoin d'un système complexe de suivi. L'inconvénient était que les températures et rendements de l'appareil n'étaient pas aussi élevés qu'avec un miroir en forme d'assiette, puisque la configuration répandait le rayonnement sur une surface plus grande -une ligne plutôt qu'un point. Cependant, lorsqu'Ericsson construisit une chaudière linéaire unique (principalement un tuyau), la plaça sur le point de focalisation de l'auge, positionna le nouvel arrangement vers le soleil et le connecta à une machine à vapeur conventionnelle, il clama que la machine marchait, bien qu'il refusa de fournir des évaluations de puissance.
Le nouveau système de collection devint populaire avec des expérimentateurs venus après et devint un standard pour les usines modernes. En fait, les plus grands systèmes solaires de la dernière décennie ont opté pour le miroir en auge parabolique d'Ericsson parce qu'il permet un bon compromis entre l'efficacité et la facilité d'opération.
Pendant la décennie suivante, Ericsson continua à raffiner son invention, essayant des matériaux plus légers et simplifiant sa construction. En 1888, il avait tellement confiance en la performance pratique de ses designs qu'il planifia de produire en masse l'appareil pour "les propriétaires des terres brûlées par le soleil de la côte Pacifique" pour l'irrigation agricole.
Malheureusement pour la discipline en lutte, Ericsson mourut l'année suivante. Et parce qu'il était suspicieux ou, certains disent, paranoïde, il gardait ses designs pour lui-même jusqu'à l'obtention du brevet et les plans détaillés de son moteur solaire amélioré moururent avec lui. Néanmoins, la recherche d'un moteur solaire pratique n'était pas abandonnée. En fait, l'expérimentation et le développement de la technologie solaire à large échelle était juste en train de commencer.
La Première Aventure Commerciale
Aubrey Eneas, résidant à Boston, commença son expérimentation de moteur solaire en 1892, forma la première compagnie de puissance solaire (The Solar Motor Co.) en 1900, et continua son travail jusqu'à 1905. L'un de ses premiers efforts résulta en un miroir très similaire à l'auge parabolique d'Ericsson. Mais Eneas trouva qu'elle ne pouvait atteindre des températures suffisamment élevées et, incapable de percer les secrets de son prédécesseur, décida de mettre le concept de côté et de retourner au miroir en cône tronqué de Mouchout. Malheureusement, alors que l'approche de Mouchout résultait en des températures élevées, Eneas était encore insatisfait par la performance de la machine. Sa solution était de rendre le bas du miroir en forme de cône tronqué plus large en designant ses côtés de façon à être plus droits et à focaliser le rayonnement sur une chaudière qui était 50 pour cent plus large.
Finalement satisfait par les résultats, il décida de promouvoir son design en l'exposant à l'ensoleillée Pasadena, en Californie, dans la ferme d'autruches d'Edwin Cawston, une attraction touristique populaire. La machine monstrueuse n'échoua pas à capter l'attention. Son miroir, qui faisait 33 pieds de diamètre, contenait 1788 petits miroirs individuels. Et sa chaudière, qui faisait à peu près 13 pieds en longueur et un pied en largeur, contenait 100 gallons d'eau. Après une exposition au soleil, le système d'Eneas faisait bouillir l'eau et transférait la vapeur à travers un tuyau flexible dans une machine qui pompait 1400 gallons d'eau par minute dans un puits pour l'amener dans le paysage aride de la Californie.
Ils ne saisirent pas tous le concept. En fait, un homme pensait que la machine solaire avait quelque chose à voir avec l'incubation des oeufs d'autruche. Mais la jugeotte commerciale d'Eneas a finalement été récompensée. Malgré les misconceptions occasionnelles, des milliers de visteurs de la ferme sont partis avec la conviction que la machine solaire serait bientôt une installation permanente dans le Sud-Ouest ensoleillé. De plus, beaucoup de journaux régionaux et de popularisation scientifique ont envoyé des journalistes à la ferme pour couvrir le spectacle. Pour Frank Millard, un journaliste du tout nouveau magazine World's Work, le potentiel de moteurs solaires placés en quantité dans les terres inspirait les visions futuristes d'une région "où les oranges pourraient pousser, les citrons jaunir, et les raisins se teindre de violet, sous l'éclat du soleil qui, tandis qu'il fait mûrir les fruits les hydratera et les nourrira aussi.". Il prédit aussi que le potentiel de la nouvelle machine n'était pas limité à l'irrigation : "Si le moteur solaire pompera l'eau, il moudra aussi le grain et sciera le bois et fera rouler des voitures électriques.".
Le futur, comme la machine elle-même, semblait lumineux et brillant. En 1903, Eneas, prêt à commercialiser son moteur solaire, déménagea sa compagnie basée à Boston vers Los Angeles, plus près des clients potentiels. Au début de l'année suivante, il avait vendu son premier système complet à 2160 $ au Dr. A. J. Chandler of Mesa, en Arizona. Malheureusement, après moins d'une semaine, le gréement soutenant la lourde chaudière s'affaiblit pendant une tempête et s'effondra, culbuta le miroir et endommagea la machine au-delà de toute réparation.
Mais Eneas, habitué aux déceptions, décida d'aller de l'avant et construisit une autre pompe solaire près de Tempe, en Arizona. Sept mois plus tard, en 1904, John May, un fermier à Wilcox, Arizona, acheta une autre machine pour 2500 $. Malheureusement, peu après, elle fut détruite par une tempête de grêle. Ce second incident météorologique prouva que le miroir parabolique massif était trop susceptible aux conditions climatiques turbulentes du désert du Sud-Ouest. Et incapable de survivre avec de telles ventes misérables, la compagnie mit bientôt la clé sous la porte.
Bien que la machine ne devint pas une installation permanente comme le souhaitait Eneas, l'inventeur contribua beaucoup à des données scientifiques et techniques sur la conversion de la chaleur solaire et initia plus que le public de ses expositions. Malgré son échec commercial, l'attrait d'une ressource inépuisable était fort, et tandis qu'Eneas et la Solar Motor Company étaient en train de suspendre leurs opérations, un autre pionnier du solaire était juste en train de commencer.
Opération Moonlight
Henry E. Willsie commença la construction de son moteur solaire une année avant la fermeture de la compagnie d'Eneas. Son opinion était que les leçons de Mouchout, Adams, Ericsson et Eneas prouvait l'inefficacité de coût de machines à haute température et à concentration. Il était convaincu qu'un système de collection sans réflexion et à basse température similaire à l'invention de Tellier était la meilleure méthode pour utiliser directement la chaleur du soleil. L'inventeur sentit aussi qu'un moteur solaire ne serait jamais pratique tant qu'il ne serait pas opérationnel jour et nuit. Ainsi le stockage thermique, une pratique qui l'a amené à un travail à basse température, était le principal centre d'intérêt de son expérimentation.
Pour stocker l'énergie du soleil, Willsie a construit de larges collecteurs à plaques plates qui chauffaient des centaines de gallons d'eau, qu'il gardaient chauds pendant toute la nuit dans un énorme bassin isolé. Il submergeait ensuite une série de tubes, ou tuyaux de vaporisation, dans le bassin pour servir de bouilleurs. Quand le médium actif -Willsie préférait le dioxide de soufre à l'ammoniaque de Tellier- passait à travers les tuyaux, il se transformait en vapeur à haute pression, qui passait dans la machine, la faisait marcher, et s'échappait dans un tube condenseur, où il se refroidissait, retournait à un état liquide, et était réutilisé.
En 1904, confiant en la capacité de son design à fournir une puissance continue, il construisit deux usines, une de 6 chevaux de puissance à St Louis et une de 15 chevaux de puissance à Needles, en Californie. Après plusieurs essais de puissance, Willsie a décidé de tester la capacité de stockage du plus grand système. Après la tombée de la nuit, il ouvrit une valve qui "permettait à l'eau chauffée par le soleil de s'écouler sur les tuyaux échangeurs et ainsi de démarrer la machine.". Willsie avait créé le premier système solaire qui pouvait fonctionner la nuit en utilisant la chaleur récoltée pendant le jour. Il annonça aussi que la machine de 15 chevaux de puissance était l'arrangement le plus puissant construit de ce temps. En plus d'offrir un moyen de fournir une production de puissance solaire continue, Willsie fournit aussi des comparaisons de coût détaillées pour justifier ses efforts : l'usine solaire nécessitait un temps de retour économique de deux ans, dit-il, une valeur exceptionnelle même comparée aux standards d'aujourd'hui pour les technologies énergétiques alternatives.
Au départ, comme Ericsson et Eneas avant lui, Willsie prévoyait de commercialiser sa machine pour l'irrigation du désert. Mais dans ses derniers brevets, Willsie écrivit que l'invention était "designée pour fournir de la puissance pour la lumière électrique et l'électricité en général, la réfrigération et la fabrication de glace, pour moudre et pomper dans les mines, et pour d'autres objectifs où de grandes quantités de puissance sont requises.".
Willsie se dit que tout ce qui restait à faire était de mettre son invention futuriste à la vente. Malheureusement, aucun acheteur n'émergea. Malgré l'analyse de coût sur le long terme favorable, les clients potentiels étaient suspicieux vis-à-vis de la durabilité de la machine, dissuadés par le rapport important de la taille de la machine sur sa puissance de sortie, et avaient peur de l'investissement initial de l'installation ingénieuse de puissance solaire de Willsie. Son entreprise, comme d'autres auparavant, s'est dissoute.
Une Certaine Maturité Technique
Malgré les échecs commerciaux lamentables de la puissance solaire, certains adeptes continuèrent à croire que s'ils pouvaient trouver la bonne combinaison des technologies solaires, la vision d'une source gratuite et illimitée de puissance deviendrait vraie. Frank Shuman était l'un de ceux qui partageaient ce rêve. Mais contrairement à la plupart des rêveurs, Shuman n'avait pas la tête dans les nuages. En fait, son approche réaliste des affaires et sa recherche persistente d'une puissance solaire pratique l'ont amené avec ses collègues à construire la machine la plus grande et la plus efficace en termes de coût avant l'ère spatiale.
Le premier effort de Shuman en 1906 était similaire au design du collecteur à plaques plates à ceci près qu'il utilisait de l'éther comme fluide actif au lieu du dioxide de soufre. La machine fonctionnait mollement, cependant, car même à des pressions respectables, la vapeur exerceait comparativement peu de force pour actionner un moteur à cause de sa faible densité relative.
Shuman savait qu'il avait besoin de plus de chaleur pour produire de la vapeur, mais sentit qu'utiliser des miroirs compliqués et des systèmes de suivi serait trop cher et enclin à une panne mécanique. Il décida qu'au lieu de chercher à générer plus de chaleur, la réponse était de mieux conserver la chaleur déjà absorbée.
En 1910, pour améliorer les propriétés d'isolation du collecteur, Shuman a fermé les plaques d'absorption non pas avec une unique feuille de verre mais avec deux vitres séparées par une épaisseur d'un pouce d'air. Il remplaça aussi les tuyaux du bouilleur par un conteneur en métal plat et fin, similaire au design original de serre de Tellier. Le système pouvait faire bouillir de l'eau en permanence au lieu de l'éther. Malheureusement, la pression était encore insuffisante pour faire fonctionner des machines à vapeur de taille industrielle, qui étaient conçues pour fonctionner à des pressions produites par la combustion plus chaude de charbon ou de bois.
Après avoir déterminé que le coût de construction d'un absorbeur plus important serait prohibitif, Shuman concéda à contre-coeur qu'une chaleur additionnelle devrait être produite par une certaine forme de concentration. Il conçut ainsi un miroir à bas coût alignant deux rangées de miroirs ordinaires pour doubler la quantité de rayonnement reçue. Et en 1911, après avoir formé la Sun Power Co., il construisit le plus grand système de conversion solaire jamais construit. En fait, la nouvelle usine, près de sa maison à Talcony en Pennsylvanie, recevait plus de 10000 mètres carré de rayonnement solaire. Le nouvel arrangement accrût la quantité de vapeur produite, mais ne fournissait toujours pas la pression à laquelle il s'attendait.
Pas facilement défait, Shuman se dit que s'il ne pouvait augmenter la pression de la vapeur pour faire marcher une machine à vapeur conventionnelle, il n'aurait qu'à redesigner la machine pour fonctionner à des pressions plus basses. Alors il se mit en équipe avec E. P. Haines, un ingénieur qui suggéra que moudre plus précisément, mettre des tolérances plus proches dans les composants en mouvement et utiliser des matériaux plus légers réussirait la chose. Haines avait raison. Quand la nouvelle machine a été connectée au collecteur solaire, elle développait une puissance de 33 chevaux et activait une pompe à eau qui faisait jaillir 3000 gallons par minute sur le sol de Talcony.
Shuman a calculé que l'usine de Talcony coûtait 200 $ par cheval comparés aux 80 $ d'un système conventionnel au charbon -une comparaison respectable, dit-il, considérant que l'investissement additionnel serait récupéré en quelques années car la ressource était gratuite. De plus, le fait que cette configuration ne soit pas compétitive avec les machines au charbon ou au pétrole dans le Nord-Est industriel ne le concernait pas puisque, comme les entrepreneurs français avant lui, il projetait de débarquer sa machine dans les vastes régions brûlées par le soleil d'Afrique du Nord. Pour acheter des propriétés et déménager la machine à cet endroit, de nouveaux investisseurs ont été sollicités d'Angleterre et la Sun Power Co. Ltd. était créée. Mais avec le soutien financier plus important sont venues des stipulations. On a exigé de Shuman qu'il laisse le physicien britannique C. V. Boys revoir la machine et suggérer des améliorations possibles. En fait, le physicien recommandait un changement radical. Au lieu de miroirs plats reflétant le soleil sur une configuration en plaque plate, Boys pensait qu'une auge parabolique focalisant sur un tube fermé avec du verre fonctionnerait beaucoup mieux. A. S. E. Ackermann, le consultant technique de Shuman, donna son accord, mais ajouta que pour fonctionner, l'auge aurait besoin de suivre le soleil continuellement. Shuman sentit que sa conception d'un système simple se désintégrait rapidement.
Heureusement, lorsque la machine fut finie juste à côté du Caire en Égypte en 1912, les peurs de Shuman que la complexité accrue rendrait le nouveau système impraticable se sont avérées infondées. L'usine du Caire surpassait celle de Talcony de loin -la machine produisait 33 pour cent de vapeur en plus et générait plus de 55 chevaux de puissance- ce qui faisait plus que compenser les coûts plus élevés. La station de pompage solaire de Sun Power Co. offrait une valeur excellente de 150 $ par cheval, réduisant significativement le temps de retour économique pour l'irrigation par le soleil dans la région. Il semblait que la puissance mécanique solaire avait enfin développé la sophistication technique dont elle avait besoin pour être compétitive face au charbon ou au pétrole.
Malheureusement, le début était aussi la fin. Deux mois après les derniers essais du Caire, l'Archiduc Ferdinand fut assassiné dans les Balkans, mettant le feu à la Grande Guerre. Le combat se répandit rapidement aux colonies d'Europe, et les régions du haut de l'Afrique furent bientôt englouties par les flammes. L'usine d'irrigation solaire de Shuman a été détruite, les ingénieurs associés au projet retournèrent dans leurs pays respectifs pour accomplir des tâches liées à la guerre, et Frank Shuman mourut avant la signature de l'armistice.
Que le système de Shuman eût ou non initié le succès commercial dont la puissance solaire avait désespérément besoin, nous ne le saurons jamais. Cependant, la Sun Power Co. peut se vanter d'une certaine maturité technique en synthétisant les idées de ses prédécesseurs des 50 années précédentes. La compagnie utilisait un absorbeur (quoique de forme linéaire) comme Tellier et Willsie, un miroir similaire à celui d'Ericsson, les mécanismes de suivi simples utilisés d'abord par Mouchout puis ensuite par Eneas, et les ont combinés pour faire marcher une machine spécialement conçue pour la vapeur générée avec le soleil. En effet, Shuman et ses collègues ont posé le standard de beaucoup des systèmes solaires modernes les plus populaires 50 ou 60 années plus tard.
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Les pionniers du solaire mentionnés plus haut étaient uniquement les inventeurs les plus notables impliqués dans le développement de la puissance thermique solaire de 1860 à 1914. Beaucoup d'autres ont contribué aux plus de 50 brevets et aux marques dans des livres et articles sur le sujet. Avec toute cette sophistication, pourquoi la technologie mécanique solaire n'a pas pu connaître un essor dans une industrie viable ? Pourquoi cette discipline a-t-elle connu un plongeon de 50 ans avant de regagner l'intérêt public et l'attention technologique ?
Premièrement, malgré les rapides avancées dans la technologie mécanique solaire, le futur de l'industrie était rendu problématique par une révolution dans l'utilisation et le transport des combustibles fossiles. Les compagnies du pétrole et du charbon ont établi une infrastucture massive, des marchés stables, et de grands approvisionnements. Aussi, en plus d'essayer de perfectionner la technologie, les pionniers du solaire ont eu la tâche difficile de convaincre les sceptiques de voir l'énergie solaire comme plus qu'une curiosité. La rhétorique visionnaire sans résultats tangibles n'était pas bien reçue par une population habituée à la gratification immédiate. Améliorer et adapter une technologie déjà existante, jugée moins risquée et plus contrôlée, semblait faire beaucoup plus de sens.
Au final, la capacité à implanter un matériel radicalement nouveau requiert soit un engagement financier massif soit l'échec de technologies existantes pour que le travail soit fait. Or la production de puissance mécanique solaire à la fin du XIXème et au début du XXème siècle ne rencontra aucun de ces critères. Malgré les avertissements de scientifiques et d'ingénieurs éminents, les alternatives à ce qui semblait une réserve inépuisable ne figuraient pas dans l'agenda des États-Unis. Malheureusement, de beaucoup de façons, ces sentiments archaïques sont encore en nous aujourd'hui. Pendant les années 1970, pendant que les nations de l'OPEC exercaient leur pouvoir économique et que les mouvements écologistes et "no-nuke" gagnaient de l'ampleur, les Américains ont mis au point un coup industriel dont les slogans étaient efficacité énergétique et ressources renouvelables. Par conséquent, la puissance solaire mécanique -avec aussi son ère spatiale, son fraternel photovoltaïque producteur d'électricité ainsi que d'autres sources renouvelables comme la puissance du vent- subit une sorte de résurrection. Et pendant les deux décennies suivantes, les ingénieurs solaires ont essayé des myriades de techniques pour satisfaire le besoin de la société en puissance.
Ils ont découvert que des miroirs en forme d'assiette similaires aux designs de Mouchout et d'Eneas étaient les plus efficaces mais aussi les plus difficiles et les plus chers à entretenir. Des systèmes à basse température sans concentration comme ceux de Willsie et Tellier, bien que simples et peu sensibles aux conditions climatiques, étaient parmi les moins puissants et ne convenaient par conséquent que pour de petites tâches spécifiques. Des réflecteurs stationnaires comme ceux utilisés dans le système d'Adams, aujourd'hui appelés systèmes de Tour de Puissance, offraient une meilleure solution mais étaient coûteux et enclins à la dégradation.
Au milieu des années 1980, des ingénieurs solaires contemporains, comme leurs homologues de la révolution industrielle Ericsson et Shuman, ont déterminé que pour des surfaces ensoleillées, les auges paraboliques avec suiveur étaient le meilleur compromis parce qu'elles avaient un meilleur rapport puissance/coût dans la plupart des endroits. De tels efforts ont mené des ingénieurs de la Luz Co. basée à Los Angeles à construire une usine de puissance électrique de 80 megawatts utilisant des collecteurs en auges paraboliques pour actionner des turbines par la vapeur. La compagnie avait déjà utilisé des designs similaires pour construire neuf autres usines de génération d'électricité solaire, fournissant une puissance totale de 275 megawatts. Pendant le procédé, les ingénieurs de Luz ont constamment diminué les coûts initiaux en optimisant les techniques de construction et en profitant des économies d'achat de matériaux en gros pour construire des usines toujours plus grandes jusqu'à ce que le prix chute de 24 à 12 cents par kilowatt heure, près du prix de l'électricité produite par les technologies du charbon, du pétrole, ou du nucléaire.
Une fois encore, comme avec Shuman et son équipe, le fossé se resserrait. Mais une fois encore ces usines ne seraient pas construites. Luz, producteur de plus de 95 pour cent de l'électricité solaire dans le monde, fit faillite en 1991. Selon son président Newton Becker et d'autres investisseurs, la fin des maigres crédits d'impôt, le prix décroissant des combustibles fossiles, et les pâles perspectives d'une assistance future des gouvernements fédéral et d'État ont conduit les investisseurs à se retirer du projet. Comme conclut Becker, "L'échec de la plus grande compagnie au monde d'électricité solaire n'était pas dûe à des échecs de jugements technologiques ou commerciaux mais plutôt aux échecs des pouvoirs publics gouvernementaux de reconnaître les bénéfices économiques et environnementaux des usines thermiques solaires.".
D'autres projets ont rencontré un échec financier similaire. Par exemple, deux usines qui employaient le concept de la tour de puissance, l'usine de 10 megawatts d'Edison à Daggett, en Californie, et une usine de 30 megawatts construite à Jordan ont bien marché bien que fonctionnant à beaucoup plus petite échelle et sans les avantages de Luz d'un investissement initial lourd et d'un long processus d'essais et d'erreurs pour augmenter l'efficacité. Cependant ils ont été estimés trop coûteux pour être compétitifs dans l'intense marché des ressources conventionnelles.
Bien que quelques uns de nos ingénieurs les plus brillants aient produit des designs de puissance solaire exemplaires pendant les 25 dernières années, leur travail reflète une politique d'énergie solaire incohérente. Si les découvertes des pionniers du solaire et l'évolution de leur machinerie avaient été regardées de plus près, peut-être par les employés du Department of Energy ou sous la surveillance d'un autre comité, les efforts contemporains se seraient peut-être focalisés sur la construction d'une nouvelle infrastructure quand l'attitude sociale et politique était plus réceptrice à la technologie solaire. Plutôt que de redécouvrir les mérites techniques des divers systèmes, nous aurions peut-être été mieux servis en regardant l'Histoire, en sélectionnant un nombre relativement petit de systèmes prometteurs, et en les combinant avec les matériaux et les techniques de construction modernes. Réinventer la roue uniquement lorsque la direction de la charrette semble suspecte n'est certainement pas le melleur moyen d'atteindre sa destination.
Alors que la meilleure période pour faire notre transition énergétique est peut-être passée et bien que notre futur énergétique apparaisse stable, les problèmes qui ont initié la crise énergétique des années 1970 n'ont pas disparu. En effet, l'instabilité de l'OPEC et le récent succès de la Guerre du Golfe ont créé un sens artificiel de sécurité au sujet des réserves de pétrole. Alors que nous devrions continuer de développer une technologie propre et efficace du pétrole et du charbon pendant que nos réserves sont pleines, cette approche ne devrait pas dominer nos efforts. Des technologies alternatives d'énergie renouvelable doivent au bout d'un moment être implantées en tandem avec leurs homologues des combustibles fossiles. Ne pas le faire fournirait simplement une excuse pour maintenir le statu quo et supplier pour un saut économique lorsque les réserves sont basses ou que l'instabilité politique entre en éruption dans les régions riches en pétrole.
Dans ce but, nous devons changer l'attitude dominante selon laquelle la puissance solaire est un enfant né des chocs pétroliers et des mouvements écologistes des 25 dernières années. De telles misconceptions mènent beaucoup à penser qu'avant que la puissance solaire ne devienne une alternative viable, l'industrie doit d'abord payer les cotisations de ses justes parts d'évolution technologique.
La technologie solaire se vante déjà d'un siècle de R&D, n'a besoin d'aucun combustible toxique et que de peu de maintenance, est inépuisable, et, avec un soutien financier adéquat, est capable de devenir directement compétitive avec les technologies conventionnelles dans de nombreux endroits. Ces attributs font de l'énergie solaire l'une des sources les plus prometteuses pour beaucoup de besoins énergétiques actuels et futurs. Comme Frank Shuman a déclaré il y a plus de 80 ans, c'est "la source de puissance la plus rationnelle".
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