Solaire
Solaire ; quelques bases : de la
fusion nucléaire … à notre quotidien énergétique
23/02/2014
de la Fusion nucléaire …
Le
soleil est notre étoile. Son Hydrogène, en se transformant en
Hélium sous l’effet d'une réaction de fusion nucléaire,
émet
une grande quantité d'énergie, sous forme de photons (grains de
lumière)
La réaction de Fusion nucléaire est la suivante :
Hydrogène → Hélium + électron positif + neutrino + rayon gamma (énergie)
c'est à dire : 4 1H → 4He + 2 0e + 2 ν + 2 γ
( 6.25 Mev)
perte de masse = 4 m(1H) – [(m(4He) + 2 m(0e)]
perte de masse = 4 . 1,0073 – [4,0026 + 2 . 0,0006] = 0,0254 u
u est l'unité de masse atomique, et est égal à la masse de
1/12 de la masse d'un atome de carbone 12,
et vaut approximativement 1,66 × 10-27 kg
La perte de masse de 0,0254 u correspond à la fusion de 4 1H,
soit une masse de 4 . 1,0073 = 4,0292 u.
La perte de masse par seconde correspondant
à la transformation de 720 millions de tonnes d'hydrogène est :
720 . 0,0254 / 4,0292 = 720 . 1 / 160 = 4,5 millions de tonnes
pour en savoir plus
Ce
rayonnement électromagnétique du Soleil,
dont une partie est
visible (rayonnement lumineux) irradie tout autour du lui,
et une
petite partie est captée par la terre.
Finalement
la terre capte, dans sa haute atmosphère,
une énergie
correspondante à son disque vue du soleil, soit environ 1367 W/m2,
relativement indépendante du lieu ou l'on est sur la terre.
|
... au 1368 W/m2
Démonstration... un autre petit calcul
En
1 seconde, le soleil transforme 720 millions de tonnes d'Hydrogène
en 716 millions de tonnes d’Hélium.
Ce défaut de masse de 4
millions de tonnes lié à la fusion est transformé en énergie
selon la célèbre formule E=mc2,
où c est la vitesse de la lumière
qui est égale à 300 000 km/s, soit 3 108 m/s).
Le
soleil libère donc une énergie par seconde de
E = 4 .109 kg x (
3.108 m/s)2 = 4.1026 joules/s =
4.1026 Watt
Comme
le Soleil est à environ à 150 millions des km de la terre (soit
150.109 m),
la terre capte comme énergie une portion de
cette manne
qui dépend du ratio de la surface de son disque
et celle
de la surface de la sphère qui serait à la même distance.
s = Surface
du disque de la terre vue du soleil
s = π
. Rterre2
avec
le rayon de la terre égal à Rterre
= 6371 km = 6,4 . 106 m,
soit s = 6,4 . 106 m
= 1,3.1014 m2
S = Surface
de la sphère toute entière à une distance de D=150.109
m :
S= 4.π.D2
La
terre reçoit donc
e = E. s / S = E. π.
Rterre2 / 4.π.D2
= E/4 . (Rterre/D)2
e
= 4.1026 /4 . (6,4 . 106 /150.109
)2 = 1,8 . 1017 W
Par
m2 de terre, cela représente : e/s = 1,8 . 1017 W /
1,3.1014 m2 ,
soit
avec quelques arrondis une valeur de 1800/1,3 = 1384 W/m2
Les
spécialistes, avec leur calculettes, trouvent de 1360 à 1368 W/m2.
La valeur courante retenue est 1367 W/m2.
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De l'atmosphère au sol
Ces
1367 W/m2 vont être absorbé partiellement par l'atmosphère.
Cette
énergie, pour peu qu'on la capte perpendiculairement au rayons
lumineux,
ne dépend pratiquement que de l'épaisseur de l'atmosphère
traversée
(de l'ozone, de le la vapeur d'eau, du CO2...) ,
et donc
essentiellement de l'altitude et du lieu ou l'on est.
Après cette absorbtion, il nous parvient environ 1000 W/m2,
flux de lumière répartie sur toute les longueurs d'onde.
L'énergie électromagnétique qui nous arrive du soleil
est en effet constitué
principalement de lumière visible et d'infra rouge à égalité
(46%),
et de quelques UV (7%).
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Rayonnement
Direct - Diffus - Réfléchi
Ce flux de 1000 W/m2 ne parvient pas exclusivement de manière directe.
La partie normalement la plus grande est émise de manière directe,
une autre partie est absorbée par la couche nuageuse, et réémise de manière diffuse
Une partie enfin est réfléchie par les différents obstacles (sol, relief...)
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le jour et la nuit, les saisons, la météo
Les
1000W/m2, soit 1 kW/m2 devrait en 1 journée fournir 1 x 24 = 24
kWh/m2/jour....
si le lieu était toujours éclairé (un satellite en
orbite par exemple)
A
un endroit particulier de la terre, comme la terre tourne,
on capte
la lumière seulement quand il fait jour,
donc, sous nos latitudes,
environ durant 16h en été et 8 en hiver.
Le flux lumineux de
1000W/m2, soit 1 kW/m2
devrait donc en en 1 journée fournir comme énergie :
- en
été : 1 x 16 = 16 kWh/m2/jour....
-
en
hiver : 1 x 8 = 8 kWh/m2/jour....
Mais tout n'est pas aussi simple, car 2 facteurs entre en jeu.
1) La hauteur du soleil varie au cours de l'année avec les saisons,
mais les panneaux sont fixes tout au long de l'année,
orientés cependant pour en tirer le maximum :
idélament plein sud, et à inclinés à 45° environ en France,
c'est à dire à une inclinaison voisine de la latitude du lieu.
2) Le temps n'est pas toujours clair, et la météo intervient,
venant diminuer d'autant l'ensoleillement maximum.
|
Des panneaux fixes : impact
(orientations des panneaux)
Nous
captons de manière concrète l'énergie du soleil
avec des panneaux
qui ne sont pas en permanence perpendiculaire aux rayons du soleil,
et donc non orientés idéalement tout le temps.
En
les orientant au mieux (disons pour qu'ils donnent le maximum
d'efficacité
quand en été il est midi heure solaire),
ils ne vont
absorber qu'une petite quantité d'énergie tôt le matin et tard le
soir,
pour donner leur maximum vers midi.
Prenons
par exemple des panneaux installés à Lille (latitude 50° N) ,
et
orientons nos panneaux plein sud avec un angle de 45°.
Nos
valeurs d'été et d'hiver deviennent alors :
-
en
été : 8 kWh/m2/jour
-
en
hiver : 3 kWh/m2/jour.
(on a presque optimisé le panneau en position
été
pour presque avoir 1000 W/m2 à midi heure solaire par temps
clair)
Une explication plus détaillée est donnée ici,
et sur l'excellent site suivant.
Vous y trouverez un exemple d'éclairement au jour 181 de la ville de Mulhouse.
Ce shéma a comme grand intérêt de montrer que le soleil ne brille pas la nuit !
(aucune flux de 0 à 4h du matin ni de 20h à minuit)
On voit aussi, en prenant la courbe bleu de l'éclairement global avec des panneaux fixe à 45°,
(je vous laisse en faire la démonstration avec la méthode des petits carreaux)
que si la valeur moyenne de l'éclairement en journée est d'environ 500 W/m2,
il n'est plus que de 300 W/m2 si on prend la journée complète de 24 h !
(ceci pour mieux comprendre encore la partie Bilan radiatif plus bas)
On voit aussi qu'avec un traqueur (et non un panneau fixe),
on peut quasiment esperer atteindre à midi nos 1000 W/m2 .
Voir pour cela la courbe verte qui représente l'éclairement total*
pour un récepteur perpendiculaire aux rayons lumineux.
(* presque total car il manque le rayonnement refléchi,
comme on peut le voir sur les schéma plus haut concernant Lille)
* * *
Si on s'interesse à l'éclairement annuel de la même ville, on a :
Sur ce schéma, l'éclairement total en journée (courbe bleu)
va de 350 W/m2 à quasiment 800 W/m2 en journée d'été.
En moyenne, nous sommes à environ 500 W/m2.
Avec la courbe verte (récepteur perpendiculaire aux rayons du soleil),
on monte à 600 W/m2 en moyenne en journée (de 400 à 900).
Ceci est cohérent avec d'autres méthodes.
A Mulhouse, on est à 1100 kWh/m2/an (voir plus bas)
avec 1800 à 1900 heures d'ensoleillement (voir plus bas), soit 1850 heures environ
On retrouve un flux de 1100 x 1000 / 1850 = 600 W/m2.
|
Maintenant,
passons aux différents types de panneaux :
thermiques et photovoltaïques
L'énergie lumineuse reçue est captée par des panneaux solaires
qui vont permettre de récupérer cette énergie et de l'utiliser dans notre quotidien.
Nous
allons supposer qu'il existe principalement 2 types de panneaux.
| Les
panneaux solaires thermiques, tout en verre bien noir, pour chauffer
un fluide caloporteur (comme de l'eau , un glycol, ou encore de
l'huile). Ces panneaux ont un rendement d'environ 50%, ce qui
signifient que 50% de l'énergie qu'ils reçoivent va être
transmise au fluide caloporteur (pour chauffer votre eau chaude
sanitaire par exemple!) |
| Les
panneaux solaires photovoltaïques, derniers cris de la technologie,
qui transforme le flux lumineux en électricité, avec un rendement
d'environ 10% en moyenne et pour simplifier (les meilleurs vont
jusqu'à un peu plus que 20%)
|
Panneaux photovoltaïques (alias PV) en haut, et thermiques en bas
Nous
pouvons maintenant passer de ce que les panneaux reçoivent en
énergie...
…
à
ce que les panneaux fournissent en énergie !
Sur
une journée, nos panneaux fourniront, en tenant compte du rendement :
(on part des 2 valeurs de 5 kWh/m2/j en été et de 1 kWh/m2/j en hiver)
-
|
Panneaux
|
Thermiques
(rendement = 50%)
|
Photovoltaïques
(rendement = 10%)
|
|
En été
|
2,5
kWh/m2/j
|
0,5
kWh/m2/j
|
|
En hiver
|
0,5
kWh/m2/j
|
0,1
kWh/m2/j
|
|
En moyenne
|
1,5
kWh/m2/j
|
0,3
kWh/m2/j
|
|
Pour 20 m2
|
30 kWh/j
|
6 kWh/j
|
On
trouve des valeurs cohérentes sur certains sites, comme par exemple
ici
Sur
un mois, on a donc environ en multipliant par 30 :
-
|
Panneaux
|
Thermiques
(50%)
|
Photovoltaïques
(10%)
|
|
Mois d'été
|
75
kWh/m2/mois
|
15
kWh/m2/mois
|
|
Mois d'
hiver
|
15
kWh/m2/mois
|
3
kWh/m2/mois
|
|
En moyenne
|
45
kWh/m2/mois
|
9
kWh/m2/mois
|
|
Pour 20 m2
|
900
kWh/mois
|
180
kWh/mois
|
Sur
l'année, très approximativement, on a :
-
|
Panneaux
|
Thermiques
(50%)
|
Photovoltaïques
(10%)
|
|
Sur
l'année
|
50
kWh/m2/mois
|
10
kWh/m2/mois
|
|
Sur
l'année
|
600
kWh/m2/an
|
120
kWh/m2/an
|
|
Pour 20 m2
|
12000
kWh/an
|
2400
kWh/an
|
On
retrouve l'ordre de grandeur des valeurs données ici par le CNRS
Pour
le photovoltaïque, la puissance normalisée d’un module
photovoltaïque s’exprime en Watt crête (noté Wc)
et correspond à
la puissance électrique qu’il délivre sous un éclairement
solaire normalisé de 1000 W/m2,
correspondant à l’énergie reçue
en plein midi face au Soleil par temps clair.
Les
valeurs données dans la littérature donne en moyenne pour les
panneaux photovoltaïques
une valeur de 100 Wc/m2 (Watt crête par
m2 de panneau)
soit pour un panneau à 25°C, orienté idéalement,
quelques 100 kWh par an (120 dans le tableau ci-dessus) .
En
affinant les valeurs du tableau, on aurait pour Lille des valeur
plutôt autour de 90 kWh,
et pour Nice à 130 kWh, soit un rendement
annuel de 0,9 kWh/Wc à Lille à 1,3 kWh/Wc à Nice.
On
trouve des valeurs plus précises pour chaque région ici, sur ce
site très complet
|
Et
maintenant, parlons consommation d'énergie !
Bases,
valeur de ce site ici
ELECTRICITE SPECIFIQUE
La
consommation d'électricité annuelle spécifique (donc hors
chauffage et ECS et cuisson)
d'un foyer de 3 personnes vivant
confortablement dans 100 m2 étant d'environ 3700 Kwh/an,
on voit que
ces besoins serait comblés avec une installation d'environ 30 m2
de panneaux photovoltaïque.
EAU CHAUDE SANITAIRE
La
consommation d'eau chaude sanitaire (ECS)
d'un foyer de 3 personnes vivant confortablement
étant d'environ
4500 kWh/an (à 250 L/jour pour le foyer),
en supposant que nos
panneaux solaires thermiques fournissent une température suffisante
(capteurs à tubes sous vide),
on voit que ces besoins seraient «
théoriquement » comblés
avec une installation d'environ 7,5
m2 de panneaux solaires thermiques,
ce qui est cohérent avec la littérature.
Voir
par exemple ici
Dans
la réalité, on prendra une surface de capteur inférieure (environ
4 m2),
et on couvrira 60% des besoins, le complément étant assuré
par une autre énergie (électrique par exemple)
CHAUFFAGE
Quant
à la consommation de chauffage pour ce même foyer, qui
nécessite quelques 13000 kWh,
en supposant que nos panneaux solaires
thermiques fournissent une température suffisante,
on voit qu'il
nous faut environ 20 m2 de capteurs solaires thermiques.
En
réalité, pour le chauffage solaire, on utilise un chauffage
d'appoint
(bois, fuel, gaz, charbon... ou électricité)
qui fournit
environ 50% de l'énergie thermique nécessaire,
la moitié étant
assuré au moyen des capteurs solaires
(donc ici environ 10 m2 qui
fourniraient quelques 6000 kWh)
Voir
par exemple ici (en page 66):
en chauffage uniquement
ou en chauffage combiné avec l'ECS
*
* *
Avec des panneaux souvent produits en Chine, à 3 €/Wc (donc 300 €/m2 de panneau),
ce n'est pas encore la panacée... mais qui sait...
le solaire à de beau jour devant lui !
|
Parenthèse : le bilan radiatif
Si le flux qui arrive sur la terre en haute atmosphère est de 1367 W/m2,
et si le flux qui arrive sur nos panneaux est au maximum de 1000 W/m2
(face au soleil, par temps clair, en plein été, à midi),
il ne faut pas les confondre avec le flux moyen qui arrive sur terre, qui n'est "que" de 340 W/m2.
Explications.
La terre nous l'avons vu, reçoit environ 1367 W/m2,
il s'agit de m2 de disque vu du soleil !!
(donc aussi de m2 de panneaux solaires qui seraient altitude, sans filtre de l'atmosphère.
Par exemple sur unpanneau de la station spatiale internationale.)
Mais une fois que ce flux atteint la terre, il se réparti sur toute la surface de la terre.
Commment passer des m2 de disque, au m2 de terre ?
Réponse : en divisant par 4 !
La surface du disque terre vu du soleil est la surface d'un c ercle de rayon Rterre soit π.
Rterre2
La surface de la terre est la surface d'une sphère de rayon Rterre soit 4. π.
Rterre2
nos 1367 W/m2 que j'arrondi à 1368 W/m2 sont à répartir sur toute la surface du globe,
et deviennent 1368/4 = 342 W/m2.
Cette valeur est une moyenne pour la planète, et les valeurs locales
sont différentes si l'on est au pôle ou au coeur du Sahara.
Si l'on regarde une carte du monde en prenant en compte les variations locales,
on a approximativement quelque chose comme cela (valeur sans garanties !) :
Quand on étudie l'effet du rayonnement solaire sur le climat (et donc pas sur des panneaux),
c'est ce flux thermique qui nous intéresse. On en a en particulier besoin
pour établir le bilan thermique de notre planète. On parle souvent de bilan radiatif.
Il est représenté ci-dessous.
Comme on le voit, c'est un peu compliqué. Si vous souhaitez une explication,
je vous invite à la parcourir sur la présentation que vous trouverez ici
Le 340 W/m2 est le flux qui arrive du soleil
88 W/m2 sont réémis vers l'espace par diffusion de l'atmosphère (68) ou des particules (20)
14 W/m2 sont réémis vers l'espace par reflexion terrestre.
Enfin, 65 W/m2 sont absorbés dans l'atmosphère.
Pendant ce temps, notre planète emet elle aussi un fluxx d'Infra Rouge : 390 W/m2,
dont une petite partie va vers l'espace (20 W/m2), le reste (370=390-20) va donc vers l'atmosphère.
Un flux de chaleur latente de 78 W/m2 provenant de l'évaporation et de la condensation
monte également du sol, ainsi que 24 W/m2 provenant de la diffusion de chaleur sensible.
De la chaleur accumulée dans l'atmosphère (65 du soleil + 370+78+24) = 537 W/m2,
une partie va vers l'espace par emission de l'atmosphère (130 W/m2) ou des nuages (88 W/m2).
Le reste retourne vers la terre (319 W/m2), grâce auquel notre température est vivable
(autour de 15° et non de -18° si ce flux n'existait pas). C'est l'effet de serre naturel !
(par opposition au surplus d'effet de serre lié au trop plein de CO2, de CH4
ou des autres GES que nous émettons inconsidéremment depuis le début de l'aire industrielle.
Vous remarquerez que sur ce schéma, il n'y a pas d'accumulation de flux.
Le bilan au niveau du sol est nul : 173-390+319-78-24=0
Le bilan au niveau de l'atmosphère est nul : 65+(390-20)+78+24-88-130-319= 0
le bilan au niveau de l'espace est nul : 340-88-14-20-130-88=0
Le système terre est en équilibre. Ouf !
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