Récupérer la lumière du soleil

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Comment fait-on pour récupérer l’énergie solaire ?

On serait tenté de dire, en plaçant des capteurs capables de transformer la lumière solaire en énergie.

Mais la réponse exacte diffère selon qu’on souhaite produire de la chaleur ou de l’électricité.

On distingue alors les toits noirs (solaire thermique) des toits bleus (panneau solaire photovoltaïque).

En effet, les deux technologies solaires, thermiques et photovoltaïques font appel à des approches techniques totalement différentes.

Ce sont deux filières d’énergie renouvelable distinctes, faisant appel à des compétences et des matériels différents.

La première approche

La première solution consiste à absorber la lumière du soleil pour produire de la chaleur.

Or, on sait que les corps colorés réfléchissent une partie de la lumière qu’ils reçoivent.

C’est l’exemple du tuyau d’arrosage au soleil en plein été, qui va fournir de l’eau chaude, mais qui va aussi laisser rayonner cette chaleur à l’extérieur (le tuyau est bouillant).

C’est autant d’énergie qui ne sera pas absorbée.

On peut alors le peindre en noir : un corps noir ne réfléchit pratiquement aucune lumière, et absorbe donc la plupart de l’énergie pour la transformer en chaleur.

Le problème, c’est que cette chaleur accumulée va néanmoins rayonner dans l’infrarouge vers l’extérieur du tuyau.

Comment retenir cette énergie ?

La solution du vitrage

On a trouvé la solution pour retenir la chaleur dans un capteur, en plaçant un vitrage sur le dessus.

Un simple vitrage ordinaire est opaque au rayonnement infrarouge et va permettre de conserver le rayonnement thermique dans l’enceinte du capteur, tout en laissant entrer la lumière visible du soleil.

Les capteurs modernes n’utilisent plus du vitrage ordinaire, mais des verres à haut pouvoir absorbant et fort blocage du rayonnement infrarouge.

Sur l’arrière du capteur, qui n’a pas besoin d’être transparent, une isolation avec des isolants conventionnels (laine de verre ou laine de roche) permet de conserver la chaleur dans l’absorbeur.

Une fois que le rayonnement solaire a été transformé en chaleur, c’est le fluide caloporteur qui prend le relais en circulant dans le panneau pour amener cette énergie là où elle doit être stockée.

Le vitrage doit absorber la chaleur et bloquer le rayonnement infrarougeLe vitrage doit absorber la chaleur et bloquer le rayonnement infrarouge

La seconde approche

Il existe une seconde manière de capter l’énergie solaire, c’est la filière photovoltaïque qui transforme cette fois le flux lumineux, non pas en chaleur, mais directement en électricité.

Pour cela on utilise une caractéristique physique d’un matériau utilisé dans l’industrie informatique : le Silicium.

C’est un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre : c’est par exemple le constituant principal du sable. En tant que tel, le silicium naturel n’est pas utilisable directement, car c’est un isolant électrique.

Mais si on le rend semi-conducteur par un procédé industriel qui le débarrasse de ses impuretés, le silicium pur va développer alors des caractéristiques photo électriques.

De plus en le « dopant » avec des atomes de phosphore et des atomes de bore, la jonction créée entre ces deux bornes, va donner naissance à un semi-conducteur, c’est à dire un matériau qui ne laissera passer le courant que dans un sens.

Quand on expose un semi-conducteur en silicium à la lumière du soleil, les particules de lumière, les photons, éjectent des électrons de leurs orbitales atomiques et ces électrons se retrouvent bloqués par la jonction entre les dopants, créant avec cette accumulation d’électrons, un courant électrique proportionnel au flux lumineux.

En conclusion

Le principe de la captation du flux lumineux régulier qu’est le rayonnement solaire (quand le soleil brille), est un phénomène physique bien compris que l’on peut gérer de deux manières : thermique en récupérant la chaleur qu’il dégage.

Electrique en le transformant en une circulation d’électrons qui génère un courant électrique.

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