Lénergie solaire est la fraction de l'énergie électromagnétique provenant du Soleil, traversant l’atmosphère qui en absorbe une partie, et parvenant à la surface de la Terre.
L'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse réalisée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaînes alimentaires. Le Soleil est à l'origine de la plupart des énergies sur Terre, à l'exception de l'énergie nucléaire et de la géothermie profonde.
Les sources d'énergie issues indirectement de l'énergie solaire sont notamment l'énergie hydraulique, dérivée de l'énergie cinétique de l'eau dont le cycle dépend de l'énergie thermique du Soleil ; l'énergie éolienne, provenant de l'énergie cinétique du vent, lui-même lié à l'échauffement et à l'évaporation de l'eau générés par le Soleil, la rotation de la Terre et la force de Coriolis ; l'énergie hydrolienne et l'énergie des vagues, liées aux mouvements des océans et des cours d'eau ; le bois énergie et l'énergie de la biomasse ainsi que la géothermie de très basse température, provenant des couches superficielles du sol réchauffées par le Soleil. L'énergie solaire est ainsi l'une des principales formes d'énergies renouvelables. On peut ajouter, à des échelles de temps plus longues, les combustibles fossiles, provenant de matières organiques créées par photosynthèse (charbon, pétrole, gaz naturel…). auxquelles s'ajoute l'énergie biochimique de la matière organique vivante.
Cet article traite de l'énergie produite par l'homme en captant le rayonnement solaire, principalement sous forme d'électricité ou d'énergie thermique.
vignette|Carte de l'irradiation solaire globale horizontale en Europe. vignette|Part de la production d'énergie primaire produite par le solaire (données BP 2018).
Histoire
Avant la découverte de l'effet photovoltaïque L'utilisation de l'énergie solaire remonte à l'Antiquité, alors que les Grecs allument la flamme olympique grâce à un système de miroirs concentrant les rayons du Soleil, appelé skaphia..
Les applications pratiques apparaissent au . Le Français Salomon de Caus construit en 1615 une pompe solaire, grâce à l'utilisation d'air chauffé par le rayonnement solaire. François Villette, opticien au château de Versailles, conçoit un miroir en bronze (appelé « miroir ardent ») d'un mètre de diamètre, grâce auquel il fait des démonstrations de fusion d'objets..
En 1747, Georges-Louis Leclerc de Buffon expérimente un miroir qui concentre la lumière du Soleil en un point focal. Il arrive à faire fondre un morceau d'argent (soit plus de ). Dans les années 1780, Horace Bénédict de Saussure invente un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du Soleil qu'il nomme « hélio thermomètre ». Cet instrument utilise l'effet de serre obtenu par un vitrage placé au-dessus d'un absorbeur dans un caisson isolé.. Il crée ainsi un capteur solaire thermique à basse température.. À la fin du , grâce à une lentille à liquide qui concentre les rayons solaires, Antoine Lavoisier construit un four solaire. qui atteint la température de .
Les années 1870-1880 voient en France l'émergence d'un premier « imaginaire solaire », selon les termes de l'historien des techniques François Jarrige. L'ingénieur français Augustin Mouchot est l'inventeur en 1868 d'un des premiers moteurs solaires. Son travail est présenté à L'Obs, , 23 décembre 2021. et il publie un ouvrage dans lequel il « invente » intellectuellement les usages modernes de l'énergie solaire.. Il perfectionne son moteur grâce à des fonds publics et un séjour en Algérie au titre de l’instruction publique. Son grand réflecteur, exposé au palais du Trocadéro lors de l'Exposition universelle de 1878, permet de chauffer de l'eau grâce à des réflecteurs solaires et de « faire travailler cette vapeur ». Pionnier reconnu notamment par l’Académie des sciences, il bénéficie d’une audience internationale et travaille également sur la cuisson solaire..
Découverte de l'effet photovoltaïque La conversion de la lumière en électricité, exploitant l'effet photovoltaïque, est découverte par Edmond Becquerel en 1839Les cellules solaires photovoltaïques sont des semi-conducteurs capables de convertir directement la lumière en électricité, sur lénergie-solaire.fr (consulté le 12 mai 2012)..
Il faut attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène physique. En 1875, Werner von Siemens publie un article sur l'effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs ; en 1887, Heinrich Hertz présente sa compréhension du phénomène dans les ..
Entre la fin du et le milieu du , les essais de plusieurs chercheurs restent infructueux, en raison de faibles rendements et de coûts prohibitifs.
Premières cellules photovoltaïques En 1916, Robert Andrews Millikan est le premier à produire de l'électricité avec une cellule solaire, cependant le rendement est insuffisant. En 1954, Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller réussissent à produire des cellules atteignant un rendement de 6 %, grâce à du silicium dopé, c’est-à-dire contenant une petite proportion d’un autre élément, par exemple du phosphore.. Les Laboratoires Bell construisent le premier panneau solaire, mais il est trop coûteux pour être produit en série. C'est la conquête spatiale qui fait réellement progresser l'énergie solaire ; le panneau solaire est le seul moyen non-nucléaire d'alimenter des satellites en énergie, de plus l'énergie solaire est une source d'énergie constante pour les satellites en orbite. De fait, c'est en 1958 qu'a lieu le premier lancement d'un satellite fonctionnant à l'énergie photovoltaïque. L'industrie spatiale investit dans le développement des panneaux solaires.
Pendant les années 1970 et 1980, des efforts sont faits pour réduire les coûts, afin que l'énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres. L'énergie solaire connaît un second élan au cours du premier choc pétrolier dans les années 1970. Alors que le prix du pétrole augmente de façon spectaculaire, les panneaux solaires photovoltaïques commencent à être utilisés pour la première fois dans les maisons. En 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l'université du Delaware et, en 1983, la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de en Australie. Depuis, les panneaux solaires se développent lentement. L'énergie solaire connaît un nouvel essor parallèlement à la prise de conscience du réchauffement de la planète et à l'augmentation des prix de l'énergie.
Perfectionnement et popularisation Au cours des dernières décennies, l'énergie solaire a réalisé des avancées significatives en matière de rendement, de coûts et d'adoption mondiale.
Amélioration de l'efficacité Les recherches ont permis d'augmenter l'efficacité des cellules photovoltaïques. En 2023, des cellules tandem pérovskite-silicium ont atteint un rendement de 33,7 %, contre environ 15 % pour les cellules traditionnelles au silicium
Réduction des coûts Le coût de production de l'électricité solaire a considérablement diminué. Selon l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), le coût moyen pondéré mondial de l'électricité solaire photovoltaïque a chuté de 82 % entre 2010 et 2020, passant de 0,378 USD/kWh à 0,068 USD/kWh..
Adoption mondiale L'énergie solaire est devenue l'une des sources d'électricité à la croissance la plus rapide. En 2022, la capacité mondiale installée de solaire photovoltaïque a atteint , contre 40 GW en 2010..
Innovations techniques Des innovations telles que les panneaux solaires bifaciaux, qui captent la lumière des deux côtés, et les systèmes de suivi solaire, qui orientent les panneaux vers le soleil tout au long de la journée, ont amélioré la production d'énergie. De plus, l'intégration de l'intelligence artificielle permet une gestion optimisée des systèmes solaires..
Défis persistants Malgré ces progrès, des défis subsistent, notamment en matière de stockage de l'énergie pour pallier l'intermittence de la production solaire et l'intégration des installations solaires dans les réseaux électriques existants. Des recherches sont en cours pour développer des solutions de stockage plus efficaces et des réseaux intelligents..
Potentiel
L'énergie solaire provient de la fusion nucléaire qui se produit au centre du Soleil. Elle se propage dans le Système solaire et dans l'Univers essentiellement sous la forme d'un rayonnement électromagnétique dont la lumière n'est que la partie visible..
Valeurs énergétiques
vignette|Répartition quotidienne moyenne de l'énergie solaire reçue au sol sur Terre. Les disques noirs représentent la surface nécessaire pour satisfaire toute la demande énergétique de la planète en 2007 au moyen de capteurs photovoltaïques d'une efficacité de 8 %. La Terre reçoit (, ou PW) de rayonnement solaire entrant dans la haute atmosphère (irradiation solaire), soit environ à sa surface (rayonnement solaire incident moyen).. Environ 30 % sont réfléchis dans l'espace, tandis que le reste, , est absorbé par les nuages, les océans et la masse terrestre. Le spectre du rayonnement solaire à la surface de la Terre est principalement réparti entre le spectre visible et les infrarouges proches, ainsi qu'une petite partie située dans les ultraviolets proches.. La majorité de la population mondiale vit dans des zones où le niveau d'irradiation solaire moyen (nuit comprise) est compris entre , ce qui représente par jour.. En France, l'énergie totale reçue au cours d'une année est de , tandis qu'à l'équateur, elle s'élève à ..
L'énergie solaire totale absorbée chaque année par l'atmosphère terrestre, les océans et les masses terrestres est d'environ , soit (, ou ZJ).. En 2002, cela représente plus d'énergie en une heure que la consommation humaine sur une année... Pour comparaison, le vent contient , soit . et la photosynthèse capture environ , soit par an dans la biomasse.. La quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la planète est si importante que, en un an, elle représente environ deux fois l'énergie obtenue à partir des ressources non renouvelables de la Terre exploitées de tout temps par l'homme.. L'énergie totale utilisée par l'homme représente en effet, en 2005, ., dont sous forme d'électricité..
Rôle sur Terre Le rayonnement solaire est absorbé par la surface terrestre, les océans et l'atmosphère. L'air chaud contenant l'eau évaporée des océans s'élève, provoquant une circulation atmosphérique ou une convection. Lorsque l'air chaud atteint une altitude élevée, où la température est basse, la vapeur d'eau se condense en nuages, puis s'écoule sur la surface de la Terre sous forme de pluie, complétant ainsi le cycle de l'eau. La chaleur latente de la condensation de l'eau réchauffe à son tour l'air ambiant et amplifie la convection, produisant des phénomènes atmosphériques tels que le vent, les cyclones et les anticyclones.. Le rayonnement solaire absorbé par les océans et les masses terrestres représente environ et, ajouté à l'effet de serre, maintient la surface à une température moyenne de .. Par photosynthèse, les plantes vertes convertissent l'énergie solaire en énergie stockée chimiquement, qui produit de la nourriture, du bois et la biomasse dont sont dérivés les combustibles fossiles..
Exploitation humaine vignette|Un héliostat de la centrale solaire Thémis.