7 Juin 1980 – Centrale solaire (photovoltaïque)

Que ce que c’est le Système d’alimentation solaire?Sous un ciel partiellement nuageux, le plus grand système d’énergie solaire au monde a été inauguré le 7 juin 1980 dans le désert du sud-est de l’Utah. En 1980, la première centrale solaire du gouvernement américain a été inaugurée. Située dans le désert ensoleillé du Natural Bridge National Monument, dans l’Utah, elle est à l’époque la plus grande du monde. Un réseau de plus de 250 000 cellules solaires disposées en 12 longues rangées fournit jusqu’à 50 kilowatts d’énergie. La centrale fournit de l’électricité au centre des visiteurs du parc, aux résidences du personnel, aux installations d’entretien et au système d’assainissement de l’eau, qui se trouvaient autrement à 38 miles de la ligne électrique alternative la plus proche. La centrale fait partie d’un projet commun du Lincoln Laboratory du MIT et du ministère de l’énergie. D’énormes batteries fournissent de l’énergie la nuit et par temps nuageux. Un générateur diesel de secours prend automatiquement le relais si les batteries sont trop faibles. Il est beaucoup moins utilisé que celui que les panneaux solaires ont remplacé, ce qui permet de réduire les nuisances sonores, la pollution des gaz d’échappement et le coût du carburant.Une brève histoire des panneaux solairesBien avant que le premier Jour de la Terre ne soit célébré le 22 avril 1970, générant une prise de conscience sur l’environnement et un soutien à la protection de l’environnement, les scientifiques faisaient les premières découvertes dans le domaine de l’énergie solaire. Tout a commencé avec Edmond Becquerel, un jeune physicien travaillant en France, qui en 1839 a observé et découvert l’effet photovoltaïque – un processus qui produit une tension ou un courant électrique lorsqu’il est exposé à la lumière ou à l’énergie rayonnante. Quelques décennies plus tard, le mathématicien français Augustin Mouchot s’est inspiré des travaux du physicien. Il a commencé à déposer des brevets pour des moteurs à énergie solaire dans les années 1860. De la France aux États-Unis, les inventeurs s’inspirent des brevets du mathématicien et déposent des brevets sur des appareils solaires dès 1888.Faites un pas en arrière jusqu’en 1883, lorsque l’inventeur new-yorkais Charles Fritts a créé la première cellule solaire en recouvrant le sélénium d’une fine couche d’or. Fritts a rapporté que le module de sélénium produisait un courant « continu, constant et d’une force considérable ». Cette cellule a atteint un taux de conversion d’énergie de 1 à 2 %. La plupart des cellules solaires modernes fonctionnent à une efficacité de 15 à 20 %. Ainsi, Fritts a créé ce qui était une cellule solaire à faible impact, mais c’était quand même le début de l’innovation des panneaux solaires photovoltaïques en Amérique. Nommé d’après le physicien, chimiste et pionnier italien de l’électricité et de l’énergie, Alessandro Volta, photovoltaïque est le terme plus technique pour transformer l’énergie lumineuse en électricité, et utilisé de manière interchangeable avec le terme photoélectrique.Quelques années plus tard seulement, en 1888, l’inventeur Edward Weston a reçu deux brevets pour les cellules solaires – le brevet américain 389 124 et le brevet américain 389 425. Pour les deux brevets, Weston a proposé de « transformer l’énergie rayonnante dérivée du soleil en énergie électrique, ou par l’énergie électrique en énergie mécanique. «L’énergie lumineuse est concentrée via une lentille (f) sur la cellule solaire (a), « une thermopile (un dispositif électronique qui convertit l’énergie thermique en énergie électrique) composée de barres de métaux différents ». La lumière chauffe la cellule solaire et provoque la libération d’électrons et la circulation du courant. Dans ce cas, la lumière crée de la chaleur, qui crée de l’électricité ; c’est exactement l’inverse du fonctionnement d’une ampoule à incandescence, convertissant l’électricité en chaleur qui génère ensuite de la lumière.Cette même année, un scientifique russe du nom d’Aleksandr Stoletov a créé la première cellule solaire basée sur l’effet photoélectrique, c’est-à-dire lorsque la lumière tombe sur un matériau et que des électrons sont libérés. Cet effet a été observé pour la première fois par un physicien allemand, Heinrich Hertz. Dans ses recherches, Hertz a découvert que plus de puissance était créée par la lumière ultraviolette que par la lumière visible. Aujourd’hui, les cellules solaires utilisent l’effet photoélectrique pour convertir la lumière du soleil en énergie. En 1894, l’inventeur américain Melvin Severy a reçu les brevets 527 377 pour un « Appareil pour le montage et le fonctionnement des thermopiles » et 527 379pour un « Appareil de production d’électricité par la chaleur solaire. » Les deux brevets concernaient essentiellement les premières cellules solaires basées sur la découverte de l’effet photoélectrique. Le premier générait « de l’électricité par l’action de la chaleur solaire sur une thermopile » et pouvait produire un courant électrique constant lors des mouvements quotidiens et annuels du soleil, ce qui évitait à quiconque de devoir déplacer la thermopile en fonction des mouvements du soleil. Le deuxième brevet de Severy de 1889 visait également à utiliser l’énergie thermique du soleil pour produire de l’électricité pour la chaleur, la lumière et l’électricité. Les « piles thermos », ou cellules solaires comme nous les appelons aujourd’hui, étaient montées sur une norme pour permettre leur contrôle dans le sens vertical ainsi que sur une plaque tournante, ce qui leur permettait de se déplacer dans un plan horizontal. « Par la combinaison de ces deux mouvements.Près d’une décennie plus tard, l’inventeur américain Harry Reagan a reçu des brevets pour les batteries thermiques, qui sont des structures utilisées pour stocker et libérer de l’énergie thermique. La batterie thermique a été inventée pour collecter et stocker la chaleur en ayant une grande masse qui peut chauffer et libérer de l’énergie. Il ne stocke pas d’électricité mais de la « chaleur », cependant, les systèmes utilisent aujourd’hui cette technologie pour générer de l’électricité par des turbines conventionnelles. En 1897, Reagan a obtenu le brevet américain 588 177pour une « application de la chaleur solaire aux batteries thermiques ». Dans les revendications du brevet, Reagan a déclaré que son invention comprenait « une nouvelle construction d’appareil dans lequel les rayons du soleil sont utilisés pour chauffer des thermo-batteries, l’objet étant de concentrer les rayons du soleil sur un foyer et d’avoir un ensemble de jonctions d’un thermo-batterie au foyer des rayons, tandis que des dispositifs de refroidissement appropriés sont appliqués aux autres jonctions de ladite thermo-batterie. Son invention était un moyen de collecter, de stocker et de distribuer la chaleur solaire selon les besoins.En 1913, William Coblentz, de Washington, DC, a reçu le brevet 1 077 219 pour un « générateur thermique », qui était un appareil qui utilisait des rayons lumineux « pour générer un courant électrique d’une telle capacité à effectuer un travail utile ». Il voulait également que l’invention ait une construction bon marché et solide. Bien que ce brevet ne concerne pas un panneau solaire, ces générateurs thermiques ont été inventés soit pour convertir directement la chaleur en électricité, soit pour transformer cette énergie en électricité pour le chauffage et le refroidissement.Dans les années 1950, Bell Laboratoires s’est rendu compte que les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium étaient plus efficaces que le sélénium. Ils ont réussi à créer une cellule solaire efficace à 6 %. Les inventeurs Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson (intronisé au National Inventors Hall of Fame en 2008) étaient les cerveaux derrière la cellule solaire en silicium des Bell Labs. Alors qu’il était considéré comme le premier appareil pratique pour convertir l’énergie solaire en électricité, son coût était encore prohibitif pour la plupart des gens. Les cellules solaires au silicium sont chères à produire, et lorsque vous combinez plusieurs cellules pour créer un panneau solaire, cela coûte encore plus cher à l’achat pour le public. L’Université du Delaware est reconnue pour avoir créé l’un des premiers bâtiments solaires, « Solar One », en 1973. La construction fonctionnait grâce à une combinaison d’énergie solaire thermique et solaire photovoltaïque. Le bâtiment n’utilisait pas de panneaux solaires ; à la place, l’énergie solaire a été intégrée au toit.C’est à cette époque, dans les années 1970, qu’une crise énergétique éclate aux États-Unis. Le Congrès a adopté la loi de 1974 sur la recherche, le développement et la démonstration de l’énergie solaire, et le gouvernement fédéral s’est engagé plus que jamais à « rendre l’énergie solaire viable et abordable et à la commercialiser auprès du public ». « Après le lancement de « Solar One », les gens ont vu l’énergie solaire comme une option pour leurs maisons. La croissance s’est ralentie dans les années 1980 en raison de la baisse des prix traditionnels de l’énergie. Mais au cours des décennies suivantes, le gouvernement fédéral s’est davantage impliqué dans la recherche et le développement de l’énergie solaire, créant des subventions et des incitations fiscales pour ceux qui utilisaient des systèmes solaires. Selon l’Association des industries de l’énergie solaire, l’énergie solaire a connu un taux de croissance annuel moyen de 50 % au cours des 10 dernières années aux États-Unis, en grande partie grâce au crédit d’impôt à l’investissement solaire adopté en 2006. L’installation de l’énergie solaire est également plus abordable aujourd’hui en raison de la baisse des coûts d’installation la dernière décennie.Cela dit, au moins jusqu’à récemment, les moyens de trouver une solution énergétique viable et abordable sont plus importants que de rendre les cellules solaires esthétiques ou belles. Les panneaux solaires traditionnels sur les toits américains ne sont pas exactement subtils ou agréables à l’œil. Ils ont parfois été une horreur pour les voisins, et sûrement une douleur pour les associations de propriétaires, mais les avantages pour l’environnement sont substantiels. Alors, où est l’équilibre ? Aujourd’hui, les entreprises s’efforcent d’adopter une technologie solaire plus esthétique et plus avancée, comme le photovoltaïque appliqué au bâtiment (BAPV). Ce type de cellule solaire discrète s’intègre dans les tuiles existantes ou les façades en céramique et en verre des bâtiments.Solus Engineering, Enpulz, Guardian Industries Corporation, SolarCity Corporation, United Solar Systems et Tesla (après leur fusion avec SolarCity) ont tous obtenu des brevets pour des cellules solaires beaucoup plus discrètes que le panneau solaire traditionnel. Tous les brevets intègrent des systèmes photovoltaïques, qui transforment la lumière en électricité à l’aide de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium. Les panneaux solaires et la technologie solaire ont parcouru un long chemin, ces inventions brevetées sont donc la preuve que la technologie améliore encore son efficacité et son esthétique.Système d’alimentation solaireL’électricité au Natural Bridges National Monument est produite à partir du soleil. Les cellules solaires convertissent la lumière du soleil en électricité grâce à un processus appelé photovoltaïque, un mot qui signifie électricité à partir de la lumière. Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule photovoltaïque (PV), les photons interagissent avec les électrons dans la cellule pour créer de l’électricité en courant continu (CC). Le courant continu est ensuite acheminé vers un onduleur où il est converti en courant alternatif (CA), la forme d’énergie électrique la plus couramment utilisée. La puissance excédentaire est stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure.Alors que seulement 10 % de l’énergie du soleil frappant la cellule photovoltaïque est convertie en électricité, les nombreuses cellules qui composent le générateur photovoltaïque produisent jusqu’à 50 kilowatts d’énergie. C’est plus qu’assez d’électricité pour répondre aux besoins de la petite communauté du personnel du National Park Service, de leurs familles et de vous, le public.Le générateur photovoltaïque est situé sur un acre de terrain en face du centre d’accueil. Un court chemin depuis le côté ouest du parking du centre d’accueil mène à une plate-forme d’observation. Ici, d’une simple pression sur un bouton, un message audio explique le processus photovoltaïque.Le Natural Bridges National Monument a été choisi comme site de démonstration pour l’utilisation de l’énergie solaire il y a plus de deux décennies. Situé à une altitude de 6 500 pieds dans le désert du sud-est de l’Utah, le climat modéré et ensoleillé de Natural Bridges en fait un emplacement idéal pour un système d’énergie solaire. D’autres facteurs dans cette décision comprenaient l’emplacement éloigné de Natural Bridges loin des sources d’énergie commerciales et l’accessibilité du système solaire au public visiteur.

Après l’inauguration du système en juin 1980, les visiteurs ont pu voir comment une énergie électrique non polluante, silencieuse et rentable est produite à partir du soleil par ce qui était alors la plus grande centrale photovoltaïque au monde.

Pourquoi l’énergie solaire ?Avant l’installation du système photovoltaïque, le monument dépendait de générateurs diesel pour tous ses besoins en électricité. Les générateurs fonctionnaient en continu. Le bruit et la pollution produits par la combustion de combustibles fossiles non renouvelables étaient incompatibles avec le cadre désertique vierge de Natural Bridges. Contrairement aux générateurs diesel, un système PV est une source d’énergie électrique propre, silencieuse, sûre et non polluante, et l’énergie du soleil est presque illimitée. Avant de passer à l’énergie photovoltaïque, le monument consommait jusqu’à 200 000 kilowattheures d’électricité par an. Avec l’installation du système photovoltaïque et la mise en œuvre de mesures d’efficacité énergétique, le monument consomme désormais environ 70 000 kWh par an, dont plus de 90 % proviennent du soleil. La plupart des besoins de chauffage et de cuisson continuent d’être satisfaits par le gaz de pétrole liquéfié.

Comment fonctionnent les cellules photovoltaïquesLes cellules photovoltaïques utilisées ici sont principalement constituées de silicium, l’un des éléments les plus abondants sur terre. Lorsque la lumière du soleil frappe la surface de la cellule, les photons de la lumière sont absorbés. Ceux-ci réagissent avec les électrons à la surface du silicium pour créer un faible courant électrique. Plusieurs milliers de ces cellules sont câblées ensemble pour créer un générateur photovoltaïque. Sur sa face avant, la cellule est recouverte d’une fine grille de fils collecteurs. Ces fils minuscules, associés à une surface arrière conductrice, fournissent le contact par lequel la puissance de la cellule est délivrée. Afin de maximiser la quantité de lumière solaire absorbée par la cellule, sa face avant est également recouverte d’un revêtement antireflet.

The cutting-edge photovoltaic roof tiles could turn the  residences into solar power stations. #GreenEnergy #smartnews #technology
Source: @TechBurritoUno pic.twitter.com/ijmeSTlk7Z

— CINC (@ChongqingCinc) February 23, 2024

Composants majeursLes principaux composants du système d’alimentation PV sont illustrés dans le schéma de droite. L’électricité à courant continu du réseau est soit stockée dans des batteries au plomb-acide, soit transmise à un onduleur de 50 kilowatts, qui convertit l’électricité CC en électricité CA. Comme source d’alimentation de secours, le Monument dispose d’un générateur diesel de 40 kilowatts. En cas de besoin, l’alimentation de ce groupe électrogène peut être fournie directement sur le site ou à un chargeur de batterie.

Système de stockage d’énergieÉtant donné que l’énergie solaire n’est pas toujours disponible – la nuit ou par temps nuageux – un système PV à distance tel que celui de Natural Bridges doit avoir un moyen de stocker l’électricité. Pour ce faire, 39 batteries plomb-acide à cycle profond pesant 1200 livres chacune sont utilisées. Ces batteries ont une capacité nominale combinée de plus de 600 kilowattheures, bien que la consommation maximale soit limitée à 480 kWh afin d’augmenter la durée de vie de la batterie. 450 kWh suffisent pour faire fonctionner le Monument pendant deux jours sans soleil.

Contrôle du systèmeUn contrôle automatique permet au système PV de fonctionner pendant de longues périodes sans intervention humaine. Il contrôle le réseau lorsque la batterie est à pleine charge ou presque. Il démarre également automatiquement le générateur diesel de secours lorsque l’état de charge de la batterie tombe en dessous de 20 %. Près de la charge complète, la commande déconnectera (déconnectera) une ou plusieurs des 48 stations du réseau pour éviter de surcharger les batteries.

L’avenir de l’énergie solaireL’énergie solaire a été utilisée pour la première fois au Natural Bridges Monument à titre d’essai en février 1980. L’ensemble du système photovoltaïque de 100 kW est devenu opérationnel en mai de la même année. Les batteries d’origine ont fourni un excellent service pendant 10 ans. Ensuite, pendant une période de deux ans, le système est resté inactif pendant que des alternatives de réactivation étaient explorées. En 1992, le système a été réaménagé avec de nouvelles batteries et le réseau a été réduit à 50 kilowatts. Le système PV a été réactivé grâce à un partenariat entre le National Park Service, le département américain de l’énergie et le département des ressources naturelles de l’Utah. Aujourd’hui, le système PV fonctionne plus efficacement à plus petite échelle tout en répondant aux besoins énergétiques du Monument. Il s’est avéré être une source d’énergie rentable et non polluante dans des endroits éloignés comme celui-ci. Alors que la recherche et le développement se poursuivent, le photovoltaïque deviendra encore plus rentable. Peut-être un jour, dans un avenir pas trop lointain, les besoins énergétiques de votre maison seront-ils satisfaits par le soleil.

https://www.smithsonianmag.com/sponsored/brief-history-solar-panels-180972006/

https://www.nps.gov/nabr/planyourvisit/solarpower.htm

https://www.todayinsci.com/6/6_07.htm#death