Tout savoir sur l’énergie du soleil

Le soleil est chaud. Il se lève à l’est et se couche à l’ouest. Hormis ces informations fournies par les sens, nous ne savons pas grand-chose du fonctionnement de notre étoile. Normal, car il a fallu attendre la fin du XXe siècle pour confirmer définitivement d’où elle tirait sa prodigieuse énergie. Aujourd’hui encore, le soleil recèle bien des mystères. À la fin de cet article, vous saurez pourquoi il brille sans discontinuer depuis des milliards d’années.

Transition énergétique

Depuis 10 ans, le nombre d’installations solaires domestiques a explosé en France. Parmi les dispositifs existants, on peut distinguer deux types de capteurs :

1. Les panneaux photovoltaïques
   Placés sur le toit d’une maison, ils convertissent la lumière du soleil en électricité grâce à des plaques de silicium qui se chargent d’un électron sous l’effet du bombardement des photons. Ce courant peut être consommé sur place ou injecté dans le réseau électrique.
2. Les capteurs thermiques
   Ces cellules utilisent l’énergie du soleil pour produire de la chaleur. Elles chauffent un fluide caloporteur qui, en circulant dans une tuyauterie, transmet sa température aux radiateurs d’un système de chauffage ou à un cumulus.

Chaque système a ses avantages et ses inconvénients, mais ils ont un point commun : leur performance dépend de l’ensoleillement. Il est donc important de comprendre la nature de l’énergie solaire avant de les utiliser.

S’il suffit d’allumer une chaudière à gaz pour qu’elle fonctionne, le rendement des centrales solaires est moins linéaire. En effet, selon la météo, le rayonnement solaire peut être direct ou diffus, ce qui impacte l’efficacité de ces appareils. Voici quelques éclaircissements.

Le soleil, une source d’énergie intermittente

Le flux d’énergie solaire reçu par le sol de la Terre est inconstant. Il varie à cause de plusieurs facteurs :

1. Les saisons
   La Terre est inclinée à 23,5°. De ce fait, quand elle orbite autour de son étoile, le pôle Nord est situé à l’opposé du soleil de septembre à mars. Les régions de l’hémisphère nord sont donc moins irradiées durant cette période. Les jours y sont plus courts. Bref, c’est l’hiver.
   À noter, notre planète est plus proche du soleil en janvier qu’en juillet. Pourtant, il fait plus froid à cette période sous nos latitudes. Autrement dit, les saisons ne sont pas causées par la variation de la distance entre la Terre et le Soleil.
2. Les conditions atmosphériques
   L’atmosphère terrestre filtre naturellement une partie des rayons solaires. C’est une bonne nouvelle, car certaines radiations sont extrêmement nocives. Par exemple, si les rayons gamma n’étaient pas stoppés par la couche d’ozone, la vie ne serait pas possible sur Terre.
   La couverture nuageuse impacte également la quantité d’énergie solaire qui atteint le sol. Les nuages, chargés de vapeur d’eau, n’arrêtent pas à proprement parler la lumière du soleil, ils la diffusent. Et, en modifiant sa direction, il l’atténue.

Le soleil brille en continue, mais l’atmosphère joue un rôle de filtre plus ou moins opaque. Quand le ciel est couvert, le rendement des installations solaires est affecté. Généralement, les capteurs thermiques, comme les fours solaires paraboliques, deviennent inopérants et les panneaux photovoltaïques sont moins productifs.

Pourtant, le flux d’énergie parvenant au sommet de l’atmosphère est relativement stable. Certes, le soleil connaît des cycles. Au cours de son histoire, son intensité a varié, entraînant des périodes de glaciation sur Terre. Mais, sur une échelle de temps courte, ces cycles entraînent une variation minime du rayonnement.

Le bilan radiatif de la Terre

Selon les mesures satellitaires, les rayons du soleil frappant perpendiculairement le sommet de l’atmosphère dégagent en moyenne une puissance de 1 368 W/m². Ce chiffre varie au cours de l’année, mais très sensiblement.

Une fois l’enveloppe gazeuse de la Terre traversée, le sol reçoit par temps clair près de 1 000 W/m² à l’Équateur. Toutefois, la puissance de ce flux diminue à mesure qu’on se rapproche des pôles. Cette variation est due à la forme sphérique de la Terre. En effet, plus la latitude augmente, moins le rayonnement solaire est concentré (voir notre infographie).

Malgré cette inégalité, le flux d’énergie solaire est exploitable dans de nombreuses régions du globe. En France, sa puissance avoisine les 900 W/m2 dans les zones méridionales. Au total, la face éclairée de la Terre reçoit chaque seconde près de 1,74 x 10¹⁷ W. Sur une année, cela représente plusieurs milliers de fois la consommation mondiale d’énergie. Or, ce gisement reste largement sous-exploité.

La Terre n’intercepte qu’une infime partie du rayonnement solaire. En effet, le soleil diffuse son énergie dans toutes les directions de l’espace. Sa puissance rayonnée est estimée à 3,84 x 10²⁶ W. D’où vient cette prodigieuse énergie ?

Pourquoi le soleil brille-t-il ?

Le soleil est une masse de poussières et d’hydrogène qui s’est agglomérée il y a 4,5 milliards d’années. En effet, dans l’univers, les corps ayant une masse ont naturellement tendance à s’attirer. Ce phénomène a été décrit par Newton en 1687 dans la loi de l’attraction universelle. La cohésion du soleil tient donc à sa propre gravité qui tend à rapprocher ses particules les unes des autres. Cette force est si puissante que les molécules d’hydrogène subissent une pression gigantesque. Or, quand un gaz est comprimé, il s’échauffe. Dans le cœur du soleil, la température est estimée à 15 millions de degrés.

Le soleil brille, parce qu’il est très chaud. Et le mot est faible. Son noyau est une telle fournaise que l’hydrogène s’y transforme. Sous la pression, quatre atomes d’hydrogènes vont se rapprocher et fusionner pour former un noyau d’hélium.

Cette fusion nucléaire est la source de l’incroyable énergie du soleil. En effet, lors de cette réaction, une partie de la matière est perdue, la masse de quatre atomes d’hydrogène étant supérieure à celle d’un atome d’hélium. Cette masse manquante est transformé en énergie qui va rayonner vers l’extérieur, générant la lumière que nous recevons et empêchant le Soleil de s’effondrer sur lui-même.

Il a fallu attendre les années 1920 pour que Jean Perrin et Arthur Eddington découvrent pourquoi les étoiles brillent. Grâce à cette réaction thermonucléaire, le soleil dégage une énergie colossale comparativement à sa masse. Ce processus devrait encore durer 7,6 milliards d’années, jusqu’à l’épuisement des réserves d’hydrogène de son noyau.

Comment l’énergie du soleil nous parvient-elle ?

Tous les objets émettent un rayonnement lumineux. Plus ils sont chauds, plus ce rayonnement est intense. Ainsi, notre corps propage en permanence des rayons infrarouges, invisibles à l’œil nu. Ils résultent de l’agitation de nos molécules qui émettent des ondes électromagnétiques. Ces dernières se diffusent dans l’espace, comme des vagues à la surface de l’eau.

Le noyau ardent du soleil émet un large spectre d’ondes électromagnétiques qui se propagent très loin dans l’espace. N’ayant pas de masse, elles traversent le vide sidéral à très grande vitesse. Nous ne voyons qu’une infime partie de ce rayonnement. On appelle cette portion la lumière visible. La sensation de chaleur que nous ressentons au soleil provient des rayons infrarouges qu’ils dégagent. En nous irradiant, ils mettent en mouvement les particules de notre corps. Or, nous percevons cette agitation moléculaire comme de la chaleur. Autrement dit, le soleil nous réchauffe, sans chauffer l’air.

Les capteurs solaires thermiques concentrent ce rayonnement infrarouge sur un élément en métal. Les molécules de ce matériau vont fortement s’agiter, puis transmettre cette agitation à un autre corps. Il peut s’agir de l’eau du circuit d’un chauffage central ou d’aliments dans la marmite d’un cuiseur solaire. On appelle ce phénomène la conduction.

En résumé

Le soleil est une source d’énergie inépuisable et gratuite. Aujourd’hui encore, elle reste largement sous-exploitée dans le monde.

1. La température dans le noyau du soleil est de 15 millions de degrés. À cette température, l’hydrogène se transforme en hélium. Cette fusion nucléaire produit un rayonnement colossal qui se propage dans l’espace dans toutes les directions.
2. La Terre est située à 150 000 000 km du soleil. Le sol terrestre reçoit néanmoins du soleil une énergie de 1 000 W/m2 quand le ciel est dégagé.
3. Le rendement des installations solaires est affecté par les conditions atmosphériques, mais le gisement solaire de la Terre représente tout de même plusieurs milliers de fois la consommation d’énergie mondiale.