Une lampe solaire est un système d’éclairage composé d’une lampe à LED, de panneaux solaires, d’une batterie, d’un contrôleur de charge et d’un inverseur. La lampe fonctionne à l’électricité à partir de batteries, chargées grâce à l’utilisation de panneaux solaires photovoltaïques.

L’éclairage domestique à énergie solaire peut remplacer d’autres sources lumineuses telles que des bougies ou des lampes à pétrole. Les lampes solaires ont un coût d’exploitation inférieur à celui des lampes à pétrole, car l’énergie renouvelable produite par le soleil est gratuite, contrairement au combustible. De plus, les lampes solaires ne produisent aucune pollution de l’air intérieur contrairement aux lampes à pétrole. Cependant, les lampes solaires ont généralement un coût initial plus élevé et dépendent des conditions météorologiques.

Les lampes solaires utilisées dans les zones rurales ont souvent la capacité de fournir de l’électricité à d’autres appareils, tels que les téléphones portables. Les investisseurs américains ont travaillé au développement d’une lanterne solaire de 10 dollars / unité pour le remplacement des lampes à pétrole.

Histoire
Certains photovoltaïques solaires utilisent des panneaux de silicium monocristallin ou de silicium polycristallin, tandis que les nouvelles technologies utilisent des cellules solaires à couche mince. Depuis que les cellules solaires modernes ont été introduites en 1954 dans les laboratoires Bell, les progrès de l’efficacité des cellules solaires dans la conversion de la lumière en énergie électrique et les techniques de fabrication modernes combinées à des économies d’échelle

En 2016, les lampes à LED ne consomment qu’environ 10% de l’énergie requise par une lampe à incandescence. L’efficacité dans la production de lampes à LED a conduit à une adoption accrue en tant qu’alternative à un autre éclairage électrique.

Principes techniques
L’allumage et l’extinction de l’éclairage électrique sont déclenchés par une unité de commande: à la tombée de la nuit, le voyant s’allume automatiquement et s’éteint au lever du soleil; Certains modèles sont équipés de détecteurs de présence pour économiser la batterie et n’éclairer que si nécessaire.
Composants

Panneaux solaires
Les panneaux solaires sont constitués de cristaux constitués de liaisons covalentes entre les électrons de la couche externe des atomes de silicium. Le silicium est un semi-conducteur qui n’est ni des métaux conducteurs de l’électricité ni des isolants qui ne conduisent pas l’électricité. Les semi-conducteurs ne conduisent normalement pas l’électricité, mais dans certaines circonstances, ils s’exposent dans cet exemple à la lumière.

Une cellule solaire a deux couches de silicium différentes. La couche inférieure a moins d’électrons et a donc une légère charge positive due à la nature de charge négative des électrons. De plus, la couche supérieure a plus d’électrons et a une charge légèrement négative.

Une barrière est créée entre ces deux couches, mais lorsque le flux de particules lumineuses appelées photons entre, elles cèdent leur énergie aux atomes du silicium. Il favorise un électron d’un lien covalent à un niveau d’énergie suivant, de la couche supérieure à la couche inférieure. Cette promotion d’un électron permet un mouvement plus libre dans le cristal qui produit un courant. Plus la lumière brille, plus les électrons se déplacent, plus le courant circule entre eux. Ce processus est appelé effet photovoltaïque et photoélectrique. Les systèmes photovoltaïques signifient littéralement combinaison de lumière et de tension et ils utilisent des cellules photovoltaïques pour convertir directement la lumière du soleil en électricité.

Les panneaux solaires sont constitués de couches de matériaux différents, comme vous pouvez le voir sur la figure 2, par ordre de verre, encapsulation, cellules cristallines, encapsulation, feuille arrière, boîte de jonction et enfin cadre. L’encapsulation empêche l’humidité et les contaminants de causer des problèmes.

Batterie
Une batterie est généralement logée dans un boîtier en métal ou en plastique. À l’intérieur du boîtier se trouvent des électrodes comprenant des cathodes et des anodes où des réactions chimiques se produisent. Il existe également un séparateur entre cathode et anode qui empêche les électrodes de réagir ensemble tout en permettant à la charge électrique de circuler librement entre les deux. Enfin, le collecteur effectue une charge de la batterie vers l’extérieur.

Les batteries à l’intérieur des lampes solaires utilisent généralement une technologie à électrolyte gélifié à hautes performances en matière de décharge profonde, afin de permettre une utilisation dans des plages de température extrêmes. Il peut également utiliser de l’acide de plomb, de l’hydrure de nickel métallique, du nickel-cadmium ou du lithium.

Cette partie de la lampe permet d’économiser de l’énergie du panneau solaire et fournit de l’énergie lorsque cela est nécessaire la nuit lorsqu’il n’y a pas d’énergie lumineuse disponible.

En général, l’efficacité de la conversion de l’énergie photovoltaïque est limitée pour des raisons physiques. Environ 24% du rayonnement solaire d’une longue longueur d’onde n’est pas absorbé. 33% sont des pertes de chaleur dans l’environnement et d’autres pertes d’environ 15 à 20%. Seulement 23% sont absorbés, ce qui signifie qu’une batterie est un élément crucial de la lampe solaire.

Contrôleur de charge
Cette section contrôle l’ensemble des systèmes de travail pour protéger la charge de la batterie. Il garantit en toutes circonstances, y compris dans des conditions météorologiques extrêmes avec une grande différence de température, que la batterie ne se surcharge pas et ne décharge pas trop et endommage encore plus la batterie.

Cette section comprend également des composants supplémentaires tels que le contrôleur d’éclairage, le contrôleur de temps, le son, la compensation de température, la protection de l’éclairage, la protection contre l’inversion de polarité et les commutateurs de transfert CA qui garantissent le fonctionnement normal des charges de secours en cas de panne.

Principes de travail
Les lampes à LED sont utilisées en raison de leur efficacité lumineuse élevée et de leur longue durée de vie. Sous le contrôle d’un contrôleur de charge CC, le contrôle sans contact allume automatiquement la lumière à la tombée de la nuit et s’éteint le jour. Parfois, il se combine également avec les contrôleurs de temps pour définir le temps de rideau pour allumer et éteindre automatiquement la lumière.

Comme le montre la figure 3, la puce comprend une puce électronique (R), B-, B +, S- et S +. S + et S- sont tous les deux connectés à des panneaux solaires avec un fil, dont l’un a plus de charge et l’autre moins la charge. B et B + sont attachés à deux batteries dans ce cas. La lumière sera affichée à travers le voyant lorsque tous ces éléments sont connectés.

Avantages
Les lampes solaires peuvent être plus faciles à installer et à entretenir car elles ne nécessitent pas de câble électrique. Les lampes solaires peuvent bénéficier aux propriétaires avec des coûts de maintenance réduits et des coûts de factures d’électricité. Les lampes solaires peuvent également être utilisées dans des zones où il n’y a pas de réseau électrique ou de zones éloignées où l’alimentation électrique n’est pas fiable. Il y a beaucoup d’histoires de personnes atteintes d’une maladie pulmonaire, d’une détérioration des yeux, de brûlures et parfois même de la mort, simplement parce qu’elles n’ont pas d’alternative saine à la lumière la nuit. Les femmes se sentent en danger pour aller aux toilettes à l’extérieur après la tombée de la nuit. Les sages-femmes n’utilisent qu’une bougie pour nourrir les bébés et les élèves ne peuvent pas étudier lorsque le soleil se couche, faute de lumière, ce qui entraîne une augmentation de l’analphabétisme et une pauvreté perpétuelle. Ce sont les réalités de plus d’un milliard de personnes à travers le monde. Le manque d’éclairage est synonyme de pauvreté persistante dans le monde entier.

La production d’énergie solaire est limitée par les conditions météorologiques et peut être moins efficace si elle est nuageuse, humide ou en hiver.

Les ménages qui optent pour des lampes solaires à partir de lampes au kérosène profitent également des risques pour la santé associés aux émissions de kérosène. Le kérosène a souvent des effets négatifs sur les poumons humains.

L’utilisation de l’énergie solaire minimise la pollution créée à l’intérieur, où le kérosène a été associé à des problèmes de santé. Cependant, les panneaux photovoltaïques sont fabriqués à partir de silicium et d’autres métaux toxiques, y compris le plomb, qui peuvent être difficiles à éliminer.

L’utilisation de lampes solaires améliore l’éducation des étudiants qui vivent dans des ménages sans électricité. Lorsque l’organisation à but non lucratif Unite-To-Light a fait don de lampes solaires à des écoles situées dans une région reculée de Kwa Zulu Natal en Afrique du Sud, les notes et les taux de réussite ont augmenté de plus de 30%. La lumière donne aux élèves plus de temps pour étudier après la tombée de la nuit.

Une étude expérimentale réalisée en 2017 dans des zones non électrifiées du nord du Bangladesh a montré que l’utilisation de lanternes solaires réduisait les dépenses totales des ménages, augmentait les heures d’étude à domicile et augmentait la fréquentation scolaire. Cela n’a toutefois pas amélioré la réussite scolaire des enfants.

Utilisation

Réverbère solaire
Ces lumières offrent un moyen pratique et économique d’allumer les rues la nuit sans avoir besoin de réseaux électriques à courant alternatif pour les piétons et les conducteurs. Ils peuvent avoir des panneaux individuels pour chaque lampe d’un système ou peuvent avoir un grand panneau solaire central et un groupe de batteries pour alimenter plusieurs lampes.

Rural
En Inde rurale, des lampes solaires, communément appelées lanternes solaires, utilisant des LED ou des LFC, sont utilisées pour remplacer les lampes à pétrole. En particulier dans les zones où l’électricité est difficile d’accès, les lampes solaires sont très utiles et amélioreront également la vie dans les zones rurales.

Les évolutions
Ce type d’éclairage est en plein développement. Les candélabres solaires sont particulièrement recommandés pour l’éclairage des routes ou des quartiers dans les pays équatoriaux, où la ressource solaire est importante et régulière tout au long de l’année. Ils sont également très adaptés à l’éclairage de sites isolés dans d’autres territoires, en raison de l’absence de câblage électrique et de tranchées.

En 2013, un modèle à double lampe avec des modules photovoltaïques intégrés au mât est fabriqué aux Pays-Bas.

Problèmes
Ils concernent la sécurité, la réduction des nuisances et de la pollution lumineuse pour l’environnement nocturne, le climat et les économies d’énergie.
En utilisant des lumières LED, il devient plus facile d’éclairer « juste »; la puissance lumineuse peut être plus facilement modulée pendant la nuit selon un calendrier ou via un asservissement à un détecteur de passage. Ainsi, la consommation d’énergie est considérablement réduite et les fonctions de marquage et d’éclairage sont toujours remplies.

Le défi de l’économie d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre est important. Selon l’Agence Ecofin, «les Nations Unies nous rappellent que l’éclairage public représente 5% de l’électricité consommée dans le monde et qu’il existe des techniques rentables pour économiser cet énorme gain d’énergie, qui correspond approximativement à la consommation d’électricité d’une grande ville. des pays comme l’Inde « .

Avantages: les luminaires à LED présentent de nombreux avantages

performance énergétique,
moins de pollution lumineuse si elles sont contrôlées par des détecteurs de présence et de lumière ambiante
éclairage très homogène,
très longue vie
Le luminaire peut également être alimenté par des panneaux solaires intégrés au luminaire ou à proximité (sur les murs ou les toits d’une zone d’activité par exemple) comme dans le parc éco-industriel de Suzhou (Chine), mais un petit réseau électrique est alors nécessaire.
la maintenance se résume au changement des batteries, tous les 2 à 10 ans, selon leur type et leur utilisation.
Tous les composants peuvent potentiellement être intégrés dans un flux de recyclage ou même réutilisés.
intérêt pour tous les besoins d’éclairage hors réseau

Ces produits semblent voués au succès étant donné la hausse des prix de l’énergie et le coût de la mise en place d’un réseau électrique dans un pays en développement (zones isolées d’Afrique de l’Ouest, par exemple) ou dans des sites isolés. Un mât peut être déplacé (pendant les chantiers ou les fêtes, par exemple) selon les besoins et sans avoir besoin de réseaux électriques enterrés ou aériens. C’est une solution également testée par des électriciens sans frontières pour aider les pays en développement ou en Haïti après le séisme, en plus d’une distribution de « lampes solaires individuelles » ou après un tremblement de terre ou un accident grave privant un site ou une ville d’électricité . Par exemple, en 2010, un « projet, soutenu principalement par la Fondation de France, l’Ademe, le Conseil Régional de Martinique, la ville de Paris » a proposé l’installation de près de 350 lampadaires solaires dans 40 camps d’hébergement situés dans les communes de Port-au-Prince, Léogâne et Carrefour, avec plus de 80 000 réfugiés « . Un petit camping pour un écotourisme local dans le dernier village accessible depuis le Ladakh a été équipé (2010) d’une lampe solaire, village unique de source lumineuse fixe. L’ONU estime que l’éclairage solaire «hors réseau» avec des lampes solaires peut apporter des avantages significatifs aux personnes. Une étude menée par le PNUE dans 80 pays a conclu que « les économies de carburant permettraient d’amortir le coût de l’installation de systèmes d’éclairage LED en moins d’un an. Plus de 1,3 milliard de personnes l’éclairage électrique et près de 25 milliards de litres de kérosène sont utilisés chaque année pour alimenter les lampes à huile, ce qui représente un coût de près de 23 milliards de dollars par an pour les utilisateurs ». Au Nigéria seulement, 1,4 milliard de dollars par an seraient économisés.

Ces solutions font partie de la recherche et du développement des entreprises du secteur de l’éclairage.

Éventuel
Avec l’avancée des modules photovoltaïques, certains luminaires pourraient peut-être devenir « positifs en énergie » et alimenter latéralement d’autres objets ou acteurs, dans un réseau intelligent, comme l’a proposé Jeremy Rifkin dans son concept de troisième révolution industrielle. L’évolution des LED est essentielle pour l’évolution du candélabre solaire; la vie de la batterie est également essentielle. Cette durée de vie est fortement liée à la température ambiante, l’idéal étant un lieu de stockage à 20 ° C ou d’enterrer les batteries quel que soit le type de câble de batterie, lithium, Nimh.

Le stockage de l’hydrogène pour le projet Myrte à l’Université d’Ajaccio a été réalisé par le CEA, le CNRS et LUMI’IN France.