L’énergie transportée par la lumière

Le photon, ou le modèle corpusculaire de la lumière

La physique du xx^e siècle a montré que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée. On appelle photon le quantum d’énergie, c’est-à-dire la plus petite quantité d’énergie indivisible. C’est aussi une particule (ou un corpuscule) dénuée de masse.

L’existence de cette particule ne contredit pas la théorie des ondes électromagnétiques. Il revient à Isaac Newton d’avoir proposé le premier une théorie corpusculaire de la lumière.

C’est en 1905 qu’Albert Einstein reprend l’idée que la lumière peut avoir une nature corpusculaire : il explique l’effet photoélectrique en proposant l’existence des photons, sorte de grains d’énergie lumineuse. Einstein admet que la fréquence ν de cette lumière est liée à l’énergie E d’un photon par la relation dite de Planck-Einstein :

Définition

Effet photoélectrique : émission d’électrons par un matériau soumis à l’action de la lumière.

La conversion photovoltaïque

A) Présentation

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.

Cellule photoélectrique

On définit :

l’irradiation solaire, exprimée en watt par m² (W.m^–2) : c’est la puissance solaire disponible par unité de surface sur le plan de la cellule ;

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 sur 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).

B) Le rendement d’une conversion photovoltaïque

Montage électrique pour l’étude de la cellule

Les panneaux photovoltaïques sont des convertisseurs d’énergie, transformant l’énergie lumineuse en énergie électrique et en énergie thermique. Dans le cas d’un panneau photovoltaïque, seule l’énergie électrique est recherchée.

Il est possible de mesurer les caractéristiques d’une cellule photovoltaïque, en la plaçant comme un générateur de tension et en l’éclairant par une source de lumière blanche. La distance entre la cellule et la lampe ainsi que l’orientation de la cellule sont fixées afin d’avoir toujours le même éclairement E (mesuré avec un luxmètre).

La résistance variable permet de faire varier l’intensité I (mesurée avec un ampèremètre). Le voltmètre placé en dérivation mesure la valeur de la tension U aux bornes de la cellule photovoltaïque.

On obtient le graphe de l’intensité I en fonction de la tension U (courbe rouge). On peut alors calculer la puissance P = U × I et tracer le graphe P en fonction de la tension U (courbe bleue). On remarque que la puissance est maximale pour un couple de valeur U et I : c’est la puissance électrique maximale P_élec.

Évolution de l’intensité et de la puissance électriques en fonction de la tension aux bornes de la cellule

Le rendement est alors η = $\frac{{\text{P}}_{\text{élec}}}{{\text{P}}_{\text{reçue}}}$.

La conversion photothermique

A) Présentation

Il est possible d’utiliser l’énergie fournie par le soleil en la convertissant directement en énergie thermique immédiatement utilisable. Pour ce faire, on utilise des capteurs solaires à circulation d’eau, en exploitant le principe de l’échange thermique.

Le capteur est constitué d’un circuit tubulaire noir exposé de face au rayonnement solaire et isolé au dos. On fait circuler en circuit fermé de l’eau (avec antigel) ou un autre fluide caloporteur dans le capteur, puis dans un autre échangeur interne à un ballon d’eau chaude sanitaire (ECS), à un stockage d’eau chaude ou à un plancher chauffant.

Définition

Un fluide caloporteur est un liquide utilisé pour transporter de la chaleur d’un point à un autre.

Au contact des tubes irradiés par le rayonnement solaire, donc chauds, l’eau qui circule dans le capteur s’échauffe, puis cède l’énergie récupérée à l’eau du ballon grâce à l’échangeur interne. On a ainsi deux circuits d’eau séparés, ce qui assure la non-pollution du réseau d’ECS.

Du fait de l’intermittence de l’énergie solaire, le ballon d’ECS sert de stock tampon (c’est-à-dire qu’il y a de l’eau chaude en réserve) pour assurer la disponibilité en eau chaude à toute heure. Une chaudière classique ou une résistance électrique fournit le complément d’énergie en cas d’absence prolongée d’ensoleillement ou d’énergie solaire insuffisante (par exemple, en période hivernale).

B) Le rendement d’une conversion photothermique

Le capteur absorbe une énergie égale à l’irradiation solaire moyenne reçue (considérée à une latitude donnée en France) multipliée par le nombre d’heures d’ensoleillement. L’énergie absorbée vaut : E_reçue = 1 000 W.m^–2 × 2 000 h = 2 000 kW.h.m^–2.an^–1.

L’énergie thermique économisée est de l’ordre de : E_utile = 350 kWh par an et par m² de capteur.

Le rendement η de conversion est le rapport d’énergie utile par l’énergie reçue. Il s’exprime en pourcent. η = $\frac{{\text{E}}_{\text{utile}}}{{\text{E}}_{\text{reçue}}}$ = $\frac{350}{2400}$ = 15 %.