A Les flux et l'éclairement énergétiques
Pyranomètre
L'irradiance (ou éclairement énergétique) quantifie la puissance d'un rayonnement électromagnétique reçu perpendiculairement à une surface. Elle est mesurée à l'aide d'un pyranomètre : son capteur reçoit la lumière extérieure et il indique la valeur de l'irradiance en watt par mètre carré (W.m–2). L'irradiance I est donc le rapport d'une puissance par une surface S :
L'éclairement solaire équivaut à 1 400 W.m–2 dans de bonnes conditions (le jour sans couverture nuageuse).
Exemple
Le soleil au zénith éclaire un champ de 1 000 m2 perpendiculairement à sa surface avec une irradiance I = 1 200 W.m–2.
Ce champ reçoit donc une puissance lumineuse P = I × S = 1 200 × 1 000 = 1,2 × 106 W = 1,2 MW. Cette puissance est considérable !
L'ordre de grandeur de la puissance lumineuse totale reçue par la Terre de la part du soleil est 1017 watts, soit une puissance moyenne de 340 W.m–2 au sol. L'ordre de grandeur de l'énergie reçue pendant un an est 1025 J. Cependant, environ 70 % de l'énergie est absorbée par la Terre, soit 1024 J, car une part de cette énergie est réfléchie par le système Terre-atmosphère. Ceci correspond à environ 1014 tonnes d'équivalent pétrole soit 12 000 fois la consommation énergétique mondiale.
DÉFINITION
Tonne d'équivalent pétrole (tep) : énergie moyenne libérée par la combustion d'une tonne de pétrole. 1 tep = 4,2 × 1010 J = 1,2 × 104 kWh.
B La conversion photovoltaïque
La conversion photovoltaïque est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité dans une photopile. L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel.
Une cellule photovoltaïque est un très mince disque de silicium monocristallin. On dope cette cellule avec des atomes de bore et de phosphore pour former 2 zones superposées (n) et (p). En soumettant la cellule au rayonnement solaire, une tension de l'ordre de 0,6 V apparaît entre ces zones.
Les photons incidents, entrant en collision avec les atomes de la cellule, lui cèdent leur énergie. Il apparaît un mouvement de charges électriques (d'électrons en l'occurrence) permettant la circulation d'un courant électrique dans un récepteur branché aux bornes de la cellule.
On définit :
le courant crête, exprimé en ampère-crête (Ac) : c'est le courant maximum que peut délivrer la cellule soumise à l'irradiation maximale ;
la puissance crête, exprimée en watt-crête (Wc) : c'est la valeur maximale de la puissance électrique délivrée par la cellule soumise à l'irradiation maximale ;
le rendement η (« éta ») de conversion : c'est le rapport de la puissance électrique délivrée par la puissance reçue (pour une même surface).
Il existe 3 types de cellules photovoltaïques de rendements variables suivant la méthode de fabrication :
les cellules monocristallines : le rendement est correct (15 à 20 %) mais le coût de fabrication est élevé ;
les cellules polycristallines : constituées de plusieurs cristaux, elles sont moins chères à fabriquer et le rendement est un peu moins bon (10 à 12 %) ;
les cellules amorphes : leur coût est faible et le rendement l'est aussi (5 à 10 %).
En plein soleil, correspondant à une irradiation de 1 000 W par m2 (en été au sud de la France), une cellule de bonne qualité peut délivrer une densité de courant de l'ordre de J = 3 A.dm–2 soit 300 A par mètre carré. La densité de courant J est égale au quotient du courant délivré par la surface (A.m–2).
La détermination du rendement d'un panneau photovoltaïque se réalise selon un protocole précis : un panneau photovoltaïque de surface S soumis à un éclairement E reçoit une puissance Preçue. On détermine par lecture graphique la puissance électrique maximale Pélec pour ce panneau. Le rendement est alors η = .