LES DIVERSES APPLICATIONS DE L’ENERGIE SOLAIRE

Nous avons vu précédemment comment transformer les rayons lumineux en électricité ou en chaleur, nous allons maintenant parler des différentes applications possibles et, autant que possible, les illustrer avec des exemples concrets.

L’exemple que j’ai trouvé n’est pas très étoffé mais il est situé dans un lieu très représentatif de cette application.

L’alpage " Chlus " dans l’Entlebuch Lucernois est équipé d’une installation solaire pour l’alimentation en électricité. 12 m² de la surface du toit, ont été recouverts de panneaux solaires. Leur tension de sortie s’élève à 48 V, la capacité d’accumulation est de 450 Ah, En été, le bâtiment est utilisé pour l’exploitation d’un restaurant d’alpage, tandis qu’en hiver, il sert de cabane au CAS. Afin de tenir en compte des différents besoins de consommation des utilisateurs, un onduleur alimente les appareils domestiques fonctionnant en 230 V.

Cas concret :

Le cas que nous allons observer nous est très proche puisqu’il s’agit de l’installation photovoltaïque située sur le toit du CPLN.

Les panneaux solaires se trouvent sur le toit du bâtiment B (ouest) du CPLN. Ils ont une surface de 34 m². Leur puissance de crête serait de 3,8 kW. Cette valeur ne pourrait être atteinte que rarement ; par conséquent, l’onduleur choisi peut fournir 3,3 kW au maximum, mais fonctionne déjà par faible éclairement.

Cette centrale fournit de quoi alimenter environ trois salles d’informatique du CPLN. L’énergie annuelle estimée est de 4,4 MWh.

L’installation suit le déplacement du soleil. Par rapport à une installation fixe, le gain en énergie espéré est de 5 à 7 % par an. On gagne environ 25 % les jours favorables.

Il y a quatre champs de panneaux, bien situés car sans ombrage (important à cause du grand nombre de panneaux en série).

Rendement de l’installation

Les panneaux solaires ont un rendement de 8 à 13 %. Le rendement de l’onduleur est de 93 à 98 %.

D’après les mesures déjà effectuées, les performances de cette centrale sont excellentes. L’indice de performance est généralement d’environ 0,75 (maximum admis pratiquement : 0,8) et l’indice de service proche de 100 %.

Coût de l’installation réalisée au CPLN

Modules (cellules) Fr. 29'450.-

Onduleur Fr. 8'300.-

Câblage Fr. 3'000.-

Structure pour modules Fr. 3'750.-

Coût de l’installation sans le positionnement Fr. 44'500.-

Structure et matériel pour le positionnement Fr. 25'500.-

Coût de l’installation avec matériel et positionnement Fr. 70'000.-

La main d’œuvre était gratuite; on estime qu’il aurait fallu Fr. 60’000.- de plus pour faire réaliser cette installation par une entreprise extérieure.

Les applications à base d’énergie solaire thermique

L’application la plus utilisée de ce type d’énergie est le chauffage de l’eau pour l’injection dans les radiateurs ainsi que pour le chauffage de l’eau des robinets.

Le cas que nous allons étudier est l’installation sur le toit du collège des Coteaux à Peseux.

Le système comprend :

Une pompe à chaleur électrique de 62 kW.

Un refroidisseur sur la pompe à chaleur de 3 kW .

Un groupe chaleur-force à gaz de puissance thermique de 61 kW et d'une puissance électrique de 24 kW .

Un condenseur sur le groupe chaleur-force d'une puissance de 10 kW .

Une chaudière à mazout à condensation de 300 kW .

Des absorbeurs solaires sans vitrage pour la recharge du stock 306 m² .

Des capteurs solaires pour la production d'eau chaude sanitaire 24 m² .

30 sondes en terre en double U à 60 mètres de profondeur 1'800 m .

Un stock en rocher délimité par les sondes en terre 29’000m³.

L'ensemble du groupe chaleur-force et pompe à chaleur électrique constitue ce que nous appelons ici "la pompe à chaleur à gaz". Sa puissance nominale (refroidisseur et condenseur compris) est de 135 kW, soit le 42 % de la demande totale des bâtiments.

La demande thermique des bâtiments est de 320 kW. Le principe de fonctionnement choisi et la hiérarchie d'enclenchement des composants de l'installation sont les suivants :

En été :

• Production d'eau chaude par les capteurs solaires.
• Complément, si nécessaire, par la pompe à chaleur à gaz et son refroidisseur
• Recharge du stock en terre

En hiver:

• Production de chaleur et d'eau chaude par la pompe à chaleur à gaz et le refroidisseur.
• Complément, si nécessaire, par la chaudière à mazout (pointes, relances).
• Appoint solaire par les capteurs pour la production d'eau chaude.

Ainsi réglée, l'installation permet de couvrir 80 % des besoins énergétiques, la chaudière n'en couvrant que le 20 %.

Lorsque les besoins en eau chaude sont satisfaits, les capteurs solaires sont connectés au réseau des absorbeurs et contribuent à la recharge des sondes en terre. On évite ainsi la surchauffe des capteurs.

L'équipe HELIOS travaille à l'étude et à la fabrication de VOITURES SOLAIRES de compétition.

Le panneau solaire

Le panneau solaire est plat et mesure 1.90 sur 4,24 m (8 m²) : il est constitué de cellules en silicium monocristallin. Son rendement est de plus de 16.5%. Il fournit donc une puissance de pointe de 1400 W. Le panneau repose sur un treillis en profilés de carbone. A l'intérieur du véhicule, 2m² de panneaux solaires supplémentaires seront sortis à l’arrêt pour recharger davantage les batteries.

Les batteries :

Il y a 40 Kg de batteries réparties sous le panneau. Celles-ci ont une capacité de 5000 Wh. Elles sont en Argent/Zinc. Outre leur grande puissance, ces batteries possèdent un inconvénient de taille : elles ont un nombre de cycles très faible de 10 charges.

Ces batteries ne sont donc utilisées que pendant la course. Des batteries au plomb sont utilisées pour les tests.

L'électronique :

Le tableau de contrôle permet au pilote de connaître en permanence les principaux paramètres de gestion de l'énergie :

- tensions, courants du panneau solaire

- tensions, courants des batteries

- vitesse

- ...

De plus, un système de télémétrie envoie ces informations en permanence au véhicule suiveur, où un ordinateur enregistre et gère ces données pour optimiser la consommation de l'énergie.

Vitesse de pointe : 110 km/h

Vitesse moyenne sur 3000 km : 58 km/h

Le bateau dont nous allons voir les caractéristiques se nomme " Râ d’eau ", il a été développé par une équipe neuchâteloise de l’ EICN, l’école d’ingénieur du canton de Neuchâtel.

La course des Trois Lacs organisée depuis 1990 permet à toutes sortes d’embarcations solaires de se mesurer entre Neuchâtel, Morat et Bienne. Le catamaran solaire " Sholl Team " de Genève était, jusqu’en 1991, le seul représentant romand à régater contre une dizaine de bateaux venus de Suisse, d’Allemagne et d’Italie.

En janvier 1992, pour étoffer cette représentation, l’EICN a décidé de réaliser, en collaboration avec des entreprises neuchâteloises et grâce au soutien financier du fonds suisse de la recherche énergétique, un prototype pour la course d’août 1992 ! A partir d’une coque de voilier mise à disposition par le chantier naval Liechti de St-Aubin (NE), l’équipe de l’EICN a réalisé en moins de six mois un bateau solaire comportant 15 m² de panneaux photovoltaïques polycristallins. Ces panneaux orientables d’une puissance maximale de 1,5 kW rechargent 26 batteries au plomb. Les 12,5 kWh d’énergie électrique emmagasinée sont fournis au moteur par l’intermédiaire d’une électronique de puissance qui crée un champ tournant triphasé sur lequel s’accroche le rotor sans collecteur à aimants permanents tournants. Ce moteur central d’une puissance de 3,5 kW, protégé contre les projections d’eau, entraîne par l’intermédiaire d’un réducteur à courroie crantée, l’arbre d’hélice noyé dans la quille du bateau. Quant à l’hélice en bronze, qui a un diamètre et un pas de 40,6 cm, elle tourne à environ 750 tr/min et nécessite un couple de 45 Nm.

Les classements de ce prototype:

Lors de sa première participation à la course des Trois Lacs en août 1992, Râ d’Eau a brillamment remporté les 80 km de l’épreuve, ce qui le fit connaître loin à la ronde. Pendant l’hiver 92-93, il fut présenté dans les écoles de la région, au salon nautique de Genève, à diverses expositions ainsi qu’au congrès photovoltaïque mondial de Montreux. Laissant échapper la victoire en 93 et en 94 pour quelques poignées de secondes, Râ d’Eau revint en force en 1995 en s’imposant à Berlin, à La Rochelle et à Neuchâtel, remportant ainsi le premier titre de champion européen.

Grâce à un refroidissement du moteur par l’eau du lac, la puissance du bateau peut atteindre 6 kW, ce qui lui permet de remporter des épreuves de vitesse ou de traction. D’autre part, un microcontrôleur mémorise les mesures des courants, tensions, température du moteur et poussée de l’hélice, et nous affiche la quantité d’électricité restante et la consommation par kilomètre. La proximité de ces capteurs de mesure et des hacheurs de puissance a nécessité une étude de la compatibilité électromagnétique pour rendre les mesures fiables, malgré l’environnement très difficile que doit affronter l’électronique de bord. Le prototype de course initial se rapproche de plus en plus d’un laboratoire flottant qui pourrait faciliter la mise au point d’embarcations futures...

Il existe encore diverses applications fonctionnant grâce à l’énergie solaire, dont nous allons donner quelques exemples et faire un bref résumé

L'électronique moderne requiert de très petites puissances - du milliwatt à la dizaine de watt, de sorte que beaucoup de petits appareils peuvent être alimentés par une petite surface de cellules photovoltaïques.

La plupart de ces mini-générateurs photovoltaïques utilisent des cellules au silicium amorphe, bon marché et mieux appropriées aux faibles illuminations et petites puissances. Ils constituent une alternative très intéressante aux piles qui comportent des risques divers de contamination de l'environnement par les métaux lourds principalement. Le Japon est le principal producteur et consommateur de ces articles.

Il existe également des montres solaires

De plus en plus de gens demandent à la technologie horlogère moderne une précision absolue, un design novateur et le recours à des sources d’énergie non polluantes. Les modèles "solaires" de Junghans répondent à ces attentes; car ils allient la précision des montres à quartz à la technique photovoltaïque.

Grâce à leur faible consommation, un peu de lumière suffit pour fournir à ces montres une quantité d’énergie leur assurant un fonctionnement correct durant plusieurs mois dans l’obscurité. De plus, chaque montre "solaire" Junghans est munie d’un témoin de charge et d’un correcteur automatique de date. Etanchéité garantie jusqu'à 3 bars de pression.

Téléphones d'urgence sur autoroutes

L’exemple décrit ci-dessous est situé en France.

Une réelle économie de maintenance pour les exploitants qui sont de plus en plus nombreux à demander cette alimentation aux constructeurs des postes d’appels d’urgence.

Ces Postes d’Appels d’Urgence, sont des éléments vitaux de la sécurité routière. Toujours avalisés par le CNET (Centre National d’Etudes des Télécommunications), les matériaux qui les constituent sont sous haute surveillance.

Le système SECA de SOLEMS est une alimentation clé en main qui a été retenue pour sa discrétion et son excellent fonctionnement par temps couvert : le photogénérateur s’installe à plat sur le dessus de la borne, le limiteur de charge intégré et l’accumulateur à l’intérieur.

La recharge permanente par tous les temps assure le fonctionnement de ces téléphones avec une fiabilité reconnue et une durée de vie supérieure aux piles classiques.

Un des secteur d’application les plus importants mais nettement moins connu est le domaine spatial

C'est de loin le secteur le plus ancien puisque les premières utilisations de cellules solaires pour des engins spatiaux (satellites, navettes,...) remontent aux années soixante. Depuis lors, des recherches et développements nombreux ont été réalisés dans le domaine militaire (NASA aux Etats-Unis) et public (ESA en Europe) pour accroître les performances électriques tout en réduisant le poids des modules.

Le spectre du rayonnement solaire étant différent en dehors de l'atmosphère, on utilise pour les cellules et les modules spatiaux d'autres matériaux plus sensibles dans les ultraviolets et plus résistants aux rayonnements et aux bombardements divers

Voilà pour les applications les plus répandues, mais il existe encore énormément de possibilités d’exploitation de cette source d’énergie.