Fiche de révision : Énergie solaire et photovoltaïque

📋 Plan du Cours

1. Principe de conversion photovoltaïque
2. Énergie et protection environnementale
3. Sources et production énergétiques
4. Gisement et potentiel solaires
5. Production photovoltaïque française
6. Origine et devenir de l’énergie solaire
7. Photons et rayonnement solaire
8. Masses d’air et standards solaires
9. Gisement solaire et disponibilité
10. Exploitation et idées reçues du PV

📖 1. Principe de conversion photovoltaïque

★ À maîtriser

• La conversion photovoltaïque transforme l’énergie lumineuse en énergie électrique en créant des charges excitées dans le matériau, puis en les collectant.

📐 Formule - Le rendement de conversion énergétique vérifie $\eta = \frac{P_e}{P_{lum}}$.

• Un convertisseur photovoltaïque nécessite : un matériau absorbant les longueurs d’onde solaires visibles, une asymétrie spatiale ou électrique pour transporter les charges, une conception limitant leur relaxation pendant le transport et la collecte

Compléments

📐 Formule - La puissance électrique vérifie $P_e = I \times V$.

• Une jonction PN ou des contacts sélectifs peuvent assurer l’asymétrie spatiale ou électrique d’une cellule photovoltaïque, et une jonction Schottky peut également fonctionner.

💡 Astuce mémo

La lumière excite des charges → leur collecte produit une puissance électrique

📖 2. Énergie et protection environnementale

★ À maîtriser

• La consommation d’énergie contribue au développement économique et humain, mais elle entraîne aussi une pollution environnementale, des effets sur le climat, la faune, la flore et la santé humaine, ainsi que l’épuisement de certaines ressources.

Compléments

• Le développement durable vise à allier promotion sociale et protection de l’environnement.

• La protection de l’environnement comprend : la gestion des déchets, la lutte contre les risques industriels et la pollution, la lutte contre le réchauffement climatique et les gaz à effet de serre, la recherche de sources d’énergie moins polluantes, la réduction des consommations d’énergie

• La température moyenne globale de surface a augmenté de 0,6 ± 0,2 °C en 100 ans, selon la comparaison présentée entre 1950 et 2011.

📖 3. Sources et production énergétiques

★ À maîtriser

📌 Les sources d’énergie se répartissent en énergies fossiles non renouvelables, énergie nucléaire fondée sur des réactions dans les noyaux atomiques et énergies renouvelables dont la consommation ne diminue pas la ressource à l’échelle humaine.

Compléments

• Les énergies fossiles citées sont : le pétrole, le charbon, le gaz naturel, les sources non conventionnelles comme les schistes et les huiles de sable

• La fission nucléaire scinde un noyau lourd en deux noyaux plus légers, tandis que la fusion nucléaire est présentée comme non maîtrisée avant 2100.

• Les énergies renouvelables citées sont :

  • l’hydraulique
  • l’éolien
  • la géothermie
  • la biomasse
  • le solaire

📐 Formule - L’équivalence masse-énergie est exprimée par $E = mc^2$.

• Les sources d’énergie peuvent être utilisées pour :
  • le chauffage
  • la production d’électricité
  • les carburants

📖 4. Gisement et potentiel solaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Gisement solaire : Le rayonnement solaire intégré sur une période donnée, généralement une année, et exprimé comme énergie lumineuse reçue par unité de surface.

★ À maîtriser

• Au centre de la France, le rayonnement solaire moyen reçu est d’environ 1300 kWh/m² par an.

• Le rayonnement solaire reçu sur une année par 550 000 km² de France métropolitaine représente environ six fois la consommation mondiale d’énergie, 36 fois la consommation mondiale d’électricité et 1400 fois la consommation française d’électricité.

Compléments

• Une tonne équivalent pétrole (TEP) correspond à 42 GJ.

• Un kilowattheure correspond à 3,6 MJ.

• Avec un rendement de conversion de 10 %, environ 4000 km² de panneaux photovoltaïques pourraient couvrir une consommation française d’électricité d’environ 550 TWh, soit moins de 1 % du territoire métropolitain.

• La surface des infrastructures bâties en France métropolitaine est estimée à environ 6000 km², supérieure aux 4000 km² de panneaux photovoltaïques estimés pour couvrir la consommation électrique française.

📖 5. Production photovoltaïque française

★ À maîtriser

• En France métropolitaine en 2018, la production nette d’électricité était de 548,6 TWh, dont 393 TWh nucléaires, 39,5 TWh thermiques fossiles, 68,6 TWh hydrauliques, 28,0 TWh éoliens, 10,4 TWh solaires et 9,9 TWh de bioénergie. - RTE

• La production photovoltaïque française a atteint 18,6 TWh en 2022, soit environ 4,1 % de la production totale d’électricité. - solairepv.fr

Compléments

• En 2018, le nucléaire représentait 71,7 % de la production électrique française, le thermique fossile 7,2 %, l’hydraulique 12,5 %, l’éolien 5,1 %, le solaire 1,9 % et la bioénergie 1,8 %. - RTE

• La production photovoltaïque devait encore être multipliée par environ 30 pour atteindre 550 TWh.

📖 6. Origine et devenir de l’énergie solaire

📝 Points essentiels

• Le cœur du Soleil produit l’énergie solaire par fusion nucléaire, qui transforme l’hydrogène en hélium.

• Sur Terre, 30 % de l’énergie solaire est réfléchie directement dans l’espace, 45 % est transformée en chaleur puis rayonnée et 25 % est convertie en surface et dans l’atmosphère, notamment sous forme de vent et de houle.

📖 7. Photons et rayonnement solaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Irradiance spectrale : L’irradiance spectrale est la puissance lumineuse reçue par unité de surface et par unité de longueur d’onde ; elle s’exprime en W/m²/nm.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie d’un photon est reliée à sa fréquence et à sa longueur d’onde par $E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$.

Compléments

📐 Formule - En électronvolts, l’énergie d’un photon vérifie $E\ (\mathrm{eV})=\frac{1{,}24}{\lambda\ (\mu\mathrm{m})}$.

• Pour la lumière visible étendue au proche infrarouge et à l’ultraviolet, l’énergie des photons est comprise entre 0,6 eV et 4 eV.

• Un électronvolt correspond à environ 1,6 × 10⁻¹⁹ J.

📖 8. Masses d’air et standards solaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Air Mass : L’Air Mass (AM) est le rapport entre l’épaisseur d’atmosphère traversée par le rayonnement direct jusqu’au sol et l’épaisseur traversée à la verticale du lieu.

★ À maîtriser

• AM0 désigne le rayonnement solaire direct au-dessus de l’atmosphère, pour lequel le trajet optique est nul.

• Les irradiances de référence sont AM0 = 1367 W/m², AM1 = 1000 W/m², AM1.5D direct = 768,3 W/m² et AM1.5G global = 1000 W/m² selon la CIE.

Compléments

• AM1 correspond au Soleil au zénith au niveau de la mer, situation caractéristique des régions tropicales et équatoriales.

• AM1.5 correspond à une élévation solaire de 41,81° et à un angle zénithal de 48,19°, situation caractéristique des régions tempérées.

• Le standard AM1.5G correspond à un rayonnement global — direct, diffus et albédo — sur une surface inclinée à 37° face au sud, avec un albédo de 0,3, une turbidité de 0,29 et une température de 25 °C.

• 97 % du spectre du rayonnement solaire est compris entre 300 nm et 3 μm.

• L’atmosphère absorbe une partie du rayonnement solaire sous l’effet de H₂O, O₂, O₃ et CO₂.

📖 9. Gisement solaire et disponibilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Azimut : L’azimut est l’angle repéré par rapport au sud, positif vers l’ouest et négatif vers l’est.
• Inclinaison : L’inclinaison est l’angle entre le plan du panneau et le sol ; elle vaut 0° pour un panneau parallèle au sol et 90° pour un panneau normal au sol.

★ À maîtriser

• La densité du flux solaire au sol dépend de : la latitude, l’orientation ou azimut, l’inclinaison, les apports directs, diffus et par albédo, les conditions atmosphériques, notamment les gaz, particules et gouttelettes

• Le gisement solaire annuel est d’environ :
  • 1000 kWh/m² à Lille
  • 1100 kWh/m² à Paris
  • 1150 kWh/m² à Brest
  • 1270 kWh/m² à Lyon
  • 1350 kWh/m² à Toulouse
  • 1550 kWh/m² à Marseille

Compléments

• Les régions citées à fort gisement solaire sont :

  • les bords de la Méditerranée
  • l’Afrique du Nord
  • l’Australie
  • l’Amérique centrale
  • l’Asie

• L’alimentation des zones à faible gisement solaire pose des problèmes de stockage et d’acheminement de l’énergie.

📖 10. Exploitation et idées reçues du PV

★ À maîtriser

📌 Le solaire thermique transforme l’énergie solaire en chaleur pour produire de l’eau chaude sanitaire, chauffer ou assurer un rafraîchissement solaire.

📌 Le solaire photovoltaïque transforme l’énergie solaire en électricité, qui peut être utilisée localement, réinjectée dans le réseau ou stockée pour un usage ultérieur.

• La fabrication et le recyclage des panneaux photovoltaïques génèrent environ 50 g de CO₂/kWh pour le silicium monocristallin et 30 g de CO₂/kWh pour la couche mince.

Compléments

• Le solaire thermodynamique concentre l’énergie solaire pour produire de la chaleur à haute température, puis convertit cette chaleur en électricité au moyen d’une turbine.

• La plupart des technologies photovoltaïques actuelles, qui représentent plus de 95 % du marché, utilisent principalement du silicium, matériau présenté comme non polluant et facilement recyclable.

• Le taux de panne des panneaux photovoltaïques est extrêmement faible, sauf pour les technologies émergentes.

• Les gaz dangereux utilisés dans la fabrication des panneaux photovoltaïques sont présents en très faibles proportions, environ autant dans 1 m² de panneau que dans un téléphone portable.

• À La Réunion, après des cyclones, les panneaux solaires peuvent rester les seules sources d’électricité pendant quelques jours.

💡 Astuce mémo

Le thermique produit de la chaleur ; le photovoltaïque produit de l’électricité.