ÉNERGIE SOLAIRE. Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

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1 ÉNERGIE SOLAIRE Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

2 ÉNERGIE SOLAIRE: BONNE NOUVELLE 1. Presque toutes les sources d énergie que nous maîtrisons proviennent du soleil. C est l échelle de temps qui les distingue M. Lacroix Énergie solaire 2

3 Échelle des saisons L énergie solaire captée par les plantes est transformée, grâce à la photosynthèse, en énergie chimique. Stockée dans les céréales, cette énergie est libérée sous forme de chaleur par le métabolisme. M. Lacroix Énergie solaire 3

4 COMBUSTION ALIMENTAIRE ( ALIMENT ) + O 2 CO 2 + H 2 O + ÉNERGIE BROYEUR RÉACTEUR BATCH RÉACTEUR PLUG FLOW MOTEURS À COMBSTION: MUSCLES M. Lacroix Énergie solaire 4

5 Échelle des saisons Le rayonnement solaire évapore l eau des lacs et des océans pour la décharger dans de grands réservoirs en amont des rivières. L énergie potentielle de l eau qui les descend est récupérée dans les turbines hydrauliques et transformée en électricité. M. Lacroix Énergie solaire 5

6 PRODUCTION, TRANSPORT ET DISRIBUTION D ÉD ÉLECTRICITÉ M. Lacroix Énergie solaire 6

7 Échelle des années L énergie solaire est stockée dans la biomasse. Elle est libérée sous forme de chaleur par la combustion. M. Lacroix Énergie solaire 7

8 Échelle des centaines de millions d annd années La matière organique se fossilise et se transforme en charbon, en pétrole et en gaz naturel. L énergie solaire est libérée sous forme de chaleur en brûlant ces combustibles fossiles. M. Lacroix Énergie solaire 8

9 Échelle des journées Le rayonnement solaire chauffe les terres et les océans qui soulèvent les masses d air et provoquent les vents. L énergie cinétique des vents propulse les voiliers et fait tourner les éoliennes. M. Lacroix Énergie solaire 9

10 Échelle des journées Le rayonnement solaire nous baigne de sa chaleur et alimente les piles photovoltaïques. M. Lacroix Énergie solaire 10

11 Échelle des microsecondes Des atomes d hydrogène se fusionnent et allument le soleil. C est la source d énergie des étoiles. Mais cette source, hélas, nous échappe toujours. M. Lacroix Énergie solaire 11

12 ÉNERGIE SOLAIRE: INTÉRÊT 2. En une seule année, le rayonnement solaire capté par la terre équivaut à fois la consommation annuelle mondiale d énergie! 3. Si le soleil s éteignait soudainement, la température sur terre plongerait au point de liquéfaction de l air! M. Lacroix Énergie solaire 12

13 flux solaire (W/m 2 ) ÉNERGIE SOLAIRE: DISPONIBILITÉ φ max φ exp ( t t 2σ = φ 0 max 2 σ ) 2 Saison Latitude Altitude Nuages temps (h) t 0 M. Lacroix Énergie solaire 13

14 TRANSFORMATION DE L ÉL ÉNERGIE SOLAIRE SUR TERRE* Phénomène % Albédo ~ 35 Chaleur 43 Hydrologie 22 Vent 0.2 Photosynthèse 0.02 *Energy Resources, P. Kruger, Wiley 2006 M. Lacroix Énergie solaire 14

15 EXPLOITATION DE L ÉL ÉNERGIE SOLAIRE Systèmes thermiques - passifs -actifs Systèmes photovoltaïques M. Lacroix Énergie solaire 15

16 SYSTÈMES THERMIQUES PASSIFS la chaleur solaire est interceptée naturellement par la structure du bâtiment (toits, murs, planchers, fenêtres, etc.) M. Lacroix Énergie solaire 16

17 SYSTÈMES THERMIQUES ACTIFS la chaleur solaire est absorbée dans un capteur, transportée par un caloporteur et emmagasinée dans un stock. M. Lacroix Énergie solaire 17

18 FOUR SOLAIRE: PRINCIPE M. Lacroix Énergie solaire 18

19 FOUR D ODEILLO, D FRANCE Puissance thermique: 1MW Flux maximal: 1kW/cm 2 Température du four: C Mise en service: 1970 M. Lacroix Énergie solaire 19

20 CHEMINÉE E SOLAIRE: PRINCIPE M. Lacroix Énergie solaire 20

21 CHEMINÉE E DE MANZANARES, ESPAGNE Puissance maximale: 50kW Hauteur de cheminée: 195m Diamètre de cheminée: 10m Diamètre du collecteur: 240m Mise en service: 1981 M. Lacroix Énergie solaire 21

22 SYSTÈMES PHOTOVOLTAÏQUES Le rayonnement solaire est converti en électricité dans une cellule photovoltaïque. M. Lacroix Énergie solaire 22

23 SYSTÈMES PHOTOVOLTAÏQUES M. Lacroix Énergie solaire 23

24 ÉNERGIE SOLAIRE: AVANTAGES 1. Source naturelle et inépuisable. 2. Disponible et gratuite partout sur terre. 3. Propre, du moins en principe. 4. Incontournable. M. Lacroix Énergie solaire 24

25 ÉNERGIE SOLAIRE: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Source d énergie à basse température: piètre qualité. M. Lacroix Énergie solaire 25

26 SCHÉMA ÉNERGIE-TRAVAIL Énergie potentielle élevée Machine Travail Énergie potentielle basse M. Lacroix Énergie solaire 26

27 SCHÉMA CHALEUR-TRAVAIL Température élevée T H Machine Travail Température basse T C M. Lacroix Énergie solaire 27

28 RENDEMENT D UNE D MACHINE Il est impossible de convertir toute la chaleur en travail! Plus la température de la source d énergie est élevée, meilleure est la qualité de l énergie. Rendement maximal d un système solaire: η T ( ) = 1 C = 1 = max T ( ) H 12%! M. Lacroix Énergie solaire 28

29 ÉNERGIE SOLAIRE: INCONVÉNIENTS NIENTS 2. Source indisponible la nuit, les jours nuageux et moins généreuse l hiver. 3. Désynchronisation entre la disponibilité et l utilisation: stockage nécessaire. M. Lacroix Énergie solaire 29

30 Stockage thermique M. Lacroix Énergie solaire 30

31 Stockage électrique M. Lacroix Énergie solaire 31

32 ÉNERGIE SOLAIRE: INCONVÉNIENTS NIENTS 4. Coûts d acquisition et d entretien des installations. 5. Perception publique. M. Lacroix Énergie solaire 32

33 CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Matériaux toxiques. 2. Rendement faible (~10-15%). 3. Grande superficie nécessaire. M. Lacroix Énergie solaire 33

34 Grande superficie nécessaire n M. Lacroix Énergie solaire 34

35 La maison au Québec Électricité: 120 Volt, 200 Ampères soit 24 kw*. Consommation moyenne quotidienne d une maison de 140 m 2 : ~ 60 kwh**. Coût annuel: 60 kwh/jour x 365 jours x 0,07$/kwh ~ $ * Moteur voiture ~ 100 kw; ** Métabolisme quotidien adulte: ~ 2.4 kwh M. Lacroix Énergie solaire 35

36 Exemple de capteur solaire au Québec (MRNF du Québec) Ensoleillement en janvier ~ 1,5 kwh par m 2 et par jour. Rendement des capteurs photovoltaïques ~ 10%. Électricité produite: 1,5 kwh x 0,10 = 0,15 kwh/(m 2 x jour) En janvier, consommation ~ 100 kwh/jour soit ~ 660 m 2 de capteurs M. Lacroix Énergie solaire 36

37 CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES: INCONVÉNIENTS NIENTS 4. Entretien et lavage des surfaces exposées. 5. Pollution visuelle. M. Lacroix Énergie solaire 37

38 Maison écologique: bien mais Coût des investissements Harmonisation et contrôle des systèmes M. Lacroix Énergie solaire 38

39 Sa consommation d éd énergie selon l Agence l de l efficacité énergétique du Québec Superficie: ~ 140 m 2 ; Facture annuelle: ~ 1500 à 2000 $ (Au Québec, coût de l électricité ~ $/kwh); M. Lacroix Énergie solaire 39

40 Systèmes de chauffage* Système Coût (k$) Vie (ans) Plinthes électriques 1 à 3 40 Air chaud 8 à à 40 Eau chaude 15 à Thermopompe 10 à Géothermie 25 à *Agence de l efficacité énergétique du Québec M. Lacroix Énergie solaire 40