Les premières recherches en vue de capter et d’exploiter l’énergie solaire remontent à l’Antiquité. Les Égyptiens savaient que dans un récipient de verre hermétique, on peut obtenir une température plus élevée que dans un récipient ouvert; c’est ce qu’on appelle “l’effet de serre”. Il y a 3 500 ans, ils avaient réalisé des machines compliquées dans lesquelles la chaleur des rayons solaires actionnaient un orgue.
Les Grecs anciens attachaient énormément d’importance à la manière d’allumer la flamme olympique. Seuls les rayons du soleil pouvaient en garantir la pureté.Ils avaient conçu un skaphia, ancêtre du miroir parabolique, pour réfléchir les rayons solaires qui dégageaient une intense chaleur provoquant une flamme.
En 212 avant notre ère, Archimède imaginait d’incendier les vaisseaux romains devant le port de Syracuse en concentrant les rayons solaires à l’aide de “miroirs ardents”. A ce propos, une anecdote est rapportée par Plutarque sur laquelle des polémiques existent depuis l’Antiquité. Pendant la Seconde Guerre Punique, le général romain Marcellus assiégea Syracuse. Archimède, connu comme géomètre assurait la défense de la cité en tant qu’ingénieur militaire.
Ainsi, on rapporte que pour détruire la flotte romaine, il aurait conçu et utilisé des miroirs concaves, les “miroirs ardents” pour déclencher des incendies par concentration des rayons solaires. Archimède aurait d’ailleurs écrit une “Optique” que l’on n’a pas retrouvée.(1)
En 133 av.J-C, Héron d’Alexandrie construisit une machine à réaction utilisant la pression de la vapeur d’eau. De cette chaudière sortait un tube creux relié à une sphère pouvant tourner autour d’un axe horizontal. De cette sphère deux autres tubes perpendiculaires à l’axe laissaient sortir la vapeur qui par propulsion faisait tourner la sphère. Il étudia également les phénomènes de réflexion de la lumière sur des miroirs plans, convexes ou concaves. Vers 120 avant J-C, Héron d’Aléxandrie mis au point la Fontaine Héron pour agrémenter les jardins d’Alexandrie. Le principe de la fontaine de Héron a été utilisé pour assécher les mines, pour alimenter certaines fontaines du château de Versailles et dans des lampes hydrauliques.
En 1615, l’ingénieur français Salomon de Gaus (Gaux) décrivit dans sa “Raison des forces mouvantes” une fontaine qui fonctionnait grâce à la chaleur des rayons solaires. Cette fontaine élevait l’eau et jouait le rôle d’une pompe à eau. Comme celle d’Héron d’Alexandrie, elle fonctionnait sans concentration de l’énergie solaire.
Durant le printemps et l’été 1747, Buffon expérimenta un miroir composé de 168 glaces étamées, d’environ 20 cm de côté. Chacune de ces glaces était mobile en tous sens et pouvait ainsi renvoyer la lumière du Soleil vers le même point. Les expériences furent faites à Paris, dans le jardin du roi (actuellement, le Jardin des plantes) :
- une branche de hêtre goudronnée brûla avec 40 glaces seulement (le quart du miroir);
- on fit fondre un gros flacon d’étain, pesant environ 6 livres, avec 45 glaces (l’étain fond à 228 °C);
- un morceau d’argent fondit avec 117 glaces (l’argent fond à 1 044°C).
“J’ai fait construire en 1747 un miroir composé de 168 glaces planes de six pouces de largeur sur huit de hauteur, avec lequel j’ai brûlé du bois jusqu’à 200 pieds de distance, fondu l’étain à 150 pieds, le plomb à 130, l’argent à 60 (…) et j’ai rendu compte de cette découverte dans le volume des Mémoires de l’Académie pour l’année 1747. En 1749 et 1750, j’ai fait construire en fer et en cuivre un miroir bien plus précis, et bien supérieur pour les effets ; il est composé de 360 glaces de quatre pouces chacune de largeur et de hauteur. Ce miroir n’a qu’un inconvénient, c’est qu’il est si lourd que je n’ai pû m’en servir commodément : j’ai cependant fait une suite d’expériences sur la graduation de la chaleur, qui me serviront principalement pour faire un thermomètre qui marquera juste le double, le triple, le quadruple, le quintuple, etc, de l’augmentation de la chaleur, ce qui est absolument ignoré des Physiciens, les autres thermomètres n’étant tous gradués que sur des échelles arbitraires.“(2)
Lavoisier réalisa le premier four solaire en concentrant les rayons solaires à l’aide d’une lentille à liquide. Il atteint la température de la fusion du platine de 1750°.
A la fin du XVIIIe siècle, le savant Suisse H.B. de Saussure construisit diverses machines solaires. Son premier collecteur était couvert par deux plaques de verre orientées vers le soleil afin d’augmenter l’effet de serre. Au XIXe siècle et au début du XXe, de nombreuses et parfois importantes installations furent construites dans un but commun de reproduire l’énergie mécanique à partir de l’énergie solaire.
En 1816, le Pasteur écossais Robert Stirling a déposé un brevet pour un “moteur à combustion externe”, appelé aussi “moteur à air chaud”. L’air enfermé dans un cylindre étant soumis à 4 cycles : chauffage, détente, refroidissement et compression au moyen d’une source de chaleur externe, le système permettait d’entrainer le mouvement rotatif du moteur. Malgré de nombreuses applications le moteur “Stirling” ne résistait pas à la compétitivité économique d’abord des moteurs à vapeur et ensuite des moteurs à combustion interne.
En 1837, l’astronome anglais Sir John Herschel construisit un four fonctionnant sans concentration des rayons solaires qu’il utilisait pour préparer ses repas pendant une expédition au Cap de Bonne Espérance.
En 1839, Antoine Becquerel et son fils présentent pour la première fois un effet photoélectrique (photovoltaïque). Leur expérience permet d’observer le comportement électrique d’électrodes émergées dans un liquide, modifié par un éclairage. Il a été compris et présenté en 1887 par Heinrich Rudolf Hertz qui en publia les résultats dans la revue scientifique Annalen der Physik. Albert Einstein fut le premier à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière ou quantum, appelé aujourd’hui photon, initialement introduit par Max Planck dans le cadre de l’explication qu’il proposa lui-même pour l’émission du corps noir. Albert Einstein a expliqué que ce phénomène était provoqué par l’absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l’interaction du matériau avec la lumière.
En 1873, Carl Günther exposa pour la première fois des miroirs faits de bandes métalliques que l’on pouvait déplacer de manière à concentrer les rayons du soleil. Il estimait possible de produire, sur une surface de 200 pieds carrés, assez de vapeur d’eau pour obtenir une puissance de 1 cheval-vapeur.
Durant la deuxième motié du 19ème siècle, Augustin Mouchot construisit une machine produisant de la vapeur à 3,5 atmosphères, un grand miroir conique qui servit à faire fonctionner l’imprimerie de l’Exposition Universelle de 1878 pour imprimer le journal intitulé “le Soleil” à 500 exemplaires/heure. À la même époque, PIFRE construisit aussi une imprimerie solaire. Il obtenait une puissance de 2 Ch. pour 20 m2 d’insolateur.
Entre autres réalisations, Augustin Mouchot déploya dans ce domaine une activité considérable. Il imagina de nombreux appareils fonctionnant à l’air chaud. En 1860, il construisit une pompe capable d’élever l’eau à 1,50 mètre.
« Si dans nos climats l’industrie peut se passer de l’emploi direct de la chaleur solaire, il arrivera nécessairement un jour où, faute de combustible, elle sera bien forcée de revenir au travail des agents naturels. Que les dépôts de houille et de pétrole lui fournissent longtemps encore leur énorme puissance calorifique, nous n’en doutons pas. Mais ces dépôts s’épuiseront sans aucun doute : le bois qui, lui, cependant, se renouvelle n’est-il pas devenu plus rare qu’autrefois ? Pourquoi n’en serait-il pas de même un jour d’une provision de combustible où l’on puise si largement sans jamais combler les vides qui s’y forment ?[…] On ne peut s’empêcher de conclure qu’il est prudent et sage de ne pas s’endormir à cet égard sur une sécurité trompeuse ». (3)
En 1874 fut construit à Las Salinas, sur le haut plateau d’Atacama au Chilli, un distillateur solaire qui produisit 23 tonnes d’eau douce par jour ensoleillé – à 0.001 $ le litre ! – et qui a fonctionné pendant 40 années date à laquelle cette eau douce ne fut plus nécessaire.
Une importante installation fut celle que réalisa Franck Schuman près du Caire en 1913. Il construisit une chaudière solaire de 100 Ch. qui servit à pomper l’eau du Nil. Vu le prix du charbon en Egypte à l’époque, le retour sur investissement fût de 4 ans. Shuman envisagea une autre réalisation plus grandiose dans le Sahara. Hélas, la Première Guerre Mondiale puis, immédiatement après, l’ère du pétrole bon marché, portèrent un coup fatal à ces projets ambitieux.
Des efforts furent faits pour tenter de suivre le soleil afin d’améliorer le rendement et d’allonger la période d’utilisation des machines. E.P. Brown de Cottowood Falls (Kansas) a été le premier à construire un miroir convergent tournant au moyen d’un poids et d’engrenages.
M.L. Severy de Boston a proposé d’accumuler l’énergie solaire aux heures où le soleil ne brille pas de la façon suivante: on place un collecteur au foyer d’un réflecteur qui suit le mouvement du soleil dans la journée. La vapeur produite dans le collecteur actionne un moteur qui pompe de l’eau jusqu’à un réservoir surélevé. Cette eau fait fonctionner un générateur, ainsi de suite. L’énergie accumulée sert à faire tourner le réflecteur et est employée à d’autres usages en l’absence de rayons solaires.
Jusqu’à la dernière guerre, des améliorations diverses furent apportées aux techniques mais malgré leur intérêt, les réalisations n’ont eu qu’une portée limitée. De 1946 à 1949, Félix Trombe, ingénieur chimiste, réalise à Meudon, avec Marc Foex et Charlotte Henry La Blanchetais, le premier programme expérimental d’obtention de hautes températures à l’aide de concentration de rayonnement solaire, renouant ainsi avec les travaux de Lavoisier au XVIII° siècle. Ce premier “poste de chauffage solaire” de 2 kW utilise un concentrateur parabolique de projecteur de défense antiaérienne en monture polaire. Un nouvel outil est né pour la chimie et la métallurgie à haute température. Cette étape conduit à la construction du four solaire de 50 kW de Mont-Louis à l’initiative de F. Trombe et considéré par lui-même comme la maquette d’un four solaire industriel futur. Cet appareil servira de modèle pour la construction et l’utilisation de nombreux fours solaires dans le monde.
A partir de 1949, Félix Trombe construisit dans la citadelle militaire de Mont Louis un immense miroir parabolique qui va concentrer les rayons solaires vers un point unique qui s’élevera à près de 3000° C, température jamais atteinte autrement, en longue durée et gratuitement. Il dirige ensuite la création du grand four solaire de 1 000 kW d’Odeillo, Font-Romeu.
Le premier système CLFR / Compact Linear Fresnel Reflector au monde a été construit par l’italien Giovanni Francia et installé en collaboration avec Marcel Perrot à Marseille en 1963. Il faudra ensuite attendre la crise pétrolière de 1973 pour réorienter la politique énergétique de la France, mais ce n’est qu’en septembre 1977, suite aux travaux du programme THEM, qu’EDF et le CNRS décident de réaliser une centrale électrosolaire.
Le premier projet est réorienté au printemps 1979 pour des raisons budgétaires, mais en juin de la même année, le Président Giscard d’Estaing décide de soutenir la filière solaire et accepte la construction de Thémis, première centrale électrosolaire française à tour d’une puissance de 2500 Kilowatts. Le secrétaire d’Etat à la Recherche, Jacques Sourdille est un ardent défenseur de Thémis. La centrale solaire est construite en 1983 à Targasonne près de Font-Romeu, à 1700 mètres d’altitude avec 2400 heures d’ensoleillement annuel. Elle fera l’objet de tests pendant trois ans puis sera fermée en 1986, la France ayant fait le choix de développer exclusivement la filière fission nucléaire. La centrale fut réouverte en 2007 pour la conduite du projet PEGASE (4).
En 2007 et 2008, c’est le GRAND retour du solaire à concentration aux USA, en Espagne, en Australie, au Maroc, en Egypte, en Algérie, dans les pays du Golfe persique etc., ceci dans un contexte de crise climatique et de renchérissement des énergies fossiles.
En avril 2007, la centrale à tour PS10 de 11 MW, est inaugurée à Séville, Espagne. La PS10 est la première plateforme solaire commerciale qui atteindra 300 MWe en 2013, de quoi alimenter en électricité l’intégralité de la ville de Séville. La construction du module PS20, de 20MW se termine. En juillet 2008, c’est la centrale ANDASOL1 de 50 MW qui est inaugurée à Grenade, en Espagne. Cette centrale équipée d’un dispositif de stockage de la chaleur pour une autonomie de 8 heures.
” Du 20 au 30 août 1961, eut lieu à Rome un grand congrès international organisé par les Nations unies sur les sources nouvelles d’énergie : solaire, éolienne et géothermique. Ce fut une des premières manifestations mondiales qui, outre les autres énergies dites précédemment sauvages, mit à son programme l’utilisation de l’énergie solaire pour le développement économique des pays ou la misère s’étale sous les climats les plus ensoleillés. La valorisation des déserts dans un but humanitaire était aussi, à l’époque, un des arguments pour l’obtention de quelques crédits dans le laboratoires ou instituts qui avaient inscrit, avec un certain mérite, l’Energie Solaire dans leurs projets de recherche. Il faut aussi ajouter que l’on commençait à comparer cette source d’énergie aux sources traditionnelles en raison de leur épuisement et de la pollution qu’elles entraînent. Cependant, dans le domaine de recherche en laboratoire, l’Energie Solaire était surtout orientée dans des voies intéressantes mais marginales aux préoccupations de la grande industrie. Avérée comme impossible à stocker et jugeant, sans vraie justification, le prix du kW solaire installé trop élevé on avait d’abord cantonné cette énergie dans les applications mineures à l’usage des pays en voie de développement, ce qui n’était pas favorable à l’élaboration des méthodes nécessaires à la promotion industrielle de L’Energie Solaire.” (5)
COMPLES(6)
Si la France connait de nos jours un essort dans la production photovoltaïque, l’énergie solaire connait bien d’autres dérivés qui ne sont pas exclusivement réservés aux mondes industriels. Le solaire est avant tout un produit de consommation courante, peut coûteux à mettre en oeuvre et dont la principale énergie, le soleil, est gratuite. J’espère que cet historique déservira l’inventivité.
Notes :
(1) (Thuillier, Pierre. – “Une énigme : Archimède et les miroirs ardents”. – La Recherche, mai 1979, n° 100, p. 444-453. L’objet lui-même était effectivement connu. Euclide le mentionne dans “Optique et catoptrique”.)
(3) Propos d’Augustin Mouchot dans “La chaleur solaire et ses applications industrielles”.
(5) Source: http://www.gses.it/pub/perrot.php
(6) (Coopération Méditerranéenne pour l’Energie Solaire http://www.comples.org)).
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