Énergie solaire photovoltaïque

Énergie solaire photovoltaïque

L'énergie solaire photovoltaïque (PV) est une méthode de génération d'énergie électrique en convertissant le rayonnement de l'énergie solaire en énergie électrique à courant continu à l'aide de semi-conducteurs qui présentent l'effet photovoltaïque. L'énergie solaire photovoltaïque est une source d'énergie renouvelable et durable. L'énergie solaire photovoltaïque est désormais la troisième source d'énergie renouvelable la plus importante après l'hydroélectricité et l'énergie éolienne en termes de capacité installée à l'échelle mondiale. Les cellules solaires, également appelées cellules photovoltaïques par les scientifiques, convertissent directement l'énergie solaire en électricité. Le PV tire son nom du processus de conversion de la lumière (photons) en électricité (tension), appelé « effet photovoltaïque (PV) ». L'effet PV fait référence aux photons de la lumière excitant les électrons dans un état d'énergie plus élevé, leur permettant d'agir comme porteurs de charge pour un courant électrique. L'effet PV a été observé pour la première fois par Alexandre-Edmond Bequerel en 1839. Le terme photovoltaïque désigne le mode de fonctionnement non biaisé d'une photodiode dans lequel le courant traversant l'appareil est entièrement dû à l'énergie lumineuse transduite. Pratiquement tous les appareils photovoltaïques sont un certain type de photodiode. L'effet PV du silicium (un élément présent dans le sable) a été découvert en 1954, lorsque des scientifiques de Bell Telephone ont découvert que le silicium créait une charge électrique lorsqu'il était exposé à la lumière du soleil.

L'énergie solaire est la ressource énergétique la plus abondante sur la terre. La conversion directe de l'énergie solaire en énergie électrique dans les cellules photovoltaïques est l'une des trois technologies solaires actives. Les deux autres technologies sont «l'énergie solaire à concentration (CSP)» et «les capteurs solaires thermiques pour le chauffage et le refroidissement (HSC)». Aujourd'hui, le PV fournit plus de 0,1 % de la production énergétique mondiale totale. Il a aussi un avenir prometteur. La capacité PV mondiale augmente à un taux de croissance annuel moyen de plus de 40 % depuis 2000 et elle a un potentiel important de croissance à long terme dans les années à venir. L'énergie solaire photovoltaïque est une technologie fiable disponible dans le commerce pour la production d'électricité. L'énergie solaire photovoltaïque contribue non seulement à d'importantes réductions des émissions de gaz à effet de serre, mais offre également des avantages en termes de sécurité d'approvisionnement énergétique et de développement socio-économique. En raison de la demande croissante de sources d'énergie renouvelables, la fabrication de cellules solaires et photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années.

Les cellules solaires produisent de l'électricité en courant continu à partir de la lumière du soleil, qui peut être utilisée pour alimenter des équipements ou pour recharger une batterie. La première application pratique du photovoltaïque était d'alimenter des satellites en orbite et d'autres engins spatiaux, mais aujourd'hui, la majorité des modules photovoltaïques sont utilisés pour la production d'électricité connectée au réseau. Dans ce cas, un onduleur est utilisé pour convertir le courant continu (DC) en courant alternatif (AC).

Les panneaux solaires utilisés pour la production d'électricité sont généralement fabriqués à partir de cellules solaires combinées en modules contenant environ 40 cellules. De nombreux panneaux solaires se sont combinés pour créer un système appelé panneau solaire. Les câbles solaires en cuivre connectent les modules (câble de module), les réseaux (câble de réseau) et les sous-champs. Un bâtiment typique utilisera environ 10 à 20 panneaux solaires pour répondre à ses besoins en électricité. Pour les grands services publics d'électricité ou les applications industrielles, des centaines de panneaux solaires sont interconnectés pour former un système photovoltaïque à grande échelle.

Pour de meilleures performances, les panneaux solaires photovoltaïques visent à maximiser le temps pendant lequel ils font face au soleil pour une production d'énergie plus élevée. Les suiveurs solaires y parviennent en déplaçant les panneaux photovoltaïques pour suivre le soleil. Cela leur permet de capter au maximum la lumière du soleil. L'augmentation peut aller jusqu'à 20 % en hiver et jusqu'à 50 % en été. Les systèmes montés statiques peuvent être optimisés en analysant la trajectoire du soleil. Les panneaux sont souvent réglés sur une inclinaison de latitude, un angle égal à la latitude, mais les performances peuvent être améliorées en ajustant l'angle pour la saison estivale et la saison hivernale. Généralement, comme pour les autres dispositifs à semi-conducteurs, les températures supérieures à la température ambiante réduisent les performances des cellules photovoltaïques.

La cellule solaire est constituée de couches d'un matériau semi-conducteur. Lorsque la lumière brille sur la cellule, elle crée un champ électrique à travers les couches, provoquant la circulation de l'électricité. Plus l'intensité de la lumière est grande, plus le flux d'électricité est important. Cependant, un système PV peut également produire de l'électricité par temps nuageux. Il n'a pas besoin de plein soleil pour fonctionner. La performance d'une cellule solaire est mesurée en termes d'efficacité à transformer la lumière du soleil en électricité. Un module solaire PV ayant une efficacité de 12,5 % signifie qu'il convertit un huitième de la lumière du soleil frappant le module en électricité.

La capacité de puissance photovoltaïque est mesurée en tant que puissance de sortie maximale dans des conditions de test normalisées (STC) en « Wp » (watts crête). La puissance de sortie réelle à un moment donné peut être inférieure ou supérieure à cette valeur normalisée ou « nominale », selon l'emplacement géographique, l'heure de la journée, les conditions météorologiques et d'autres facteurs. Le facteur de charge de l'installation (PLF) des panneaux solaires photovoltaïques est généralement inférieur à 25 %, ce qui est inférieur à celui de nombreuses autres sources d'électricité industrielles.

Cellules photovoltaïques solaires

Les cellules solaires traditionnelles sont fabriquées à partir de silicium. Ils sont généralement plats et sont généralement les plus efficaces. Les cellules doivent être protégées de l'environnement et sont généralement emballées hermétiquement derrière une feuille de verre. La technologie photovoltaïque utilise les types de cellules solaires suivants.

• Cellule solaire en silicium cristallin :ce sont les cellules solaires les plus efficaces et elles sont fabriquées à partir de « silicium de qualité solaire ». Cette technologie a été développée en premier et représente aujourd'hui la majorité des applications dans les panneaux solaires. Les cellules sont constituées de tranches minces (wafers) taillées soit dans un monocristal de silicium (silicium monocristallin c-Si), soit dans un bloc de cristaux de silicium (silicium poly ou multicristallin poly-Si ou mc-Si). Les cellules de plaquette monocristallines ont tendance à être coûteuses car elles sont découpées à partir de lingots cylindriques. Ils ne couvrent pas complètement un module de cellule solaire carré sans un gaspillage substantiel de silicium raffiné. Habituellement, il y a des lacunes non couvertes aux quatre coins des cellules en monocristal. Les cellules en silicium poly ou multicristallin sont fabriquées à partir de lingots carrés coulés qui sont de gros blocs de silicium fondu soigneusement refroidis et solidifiés. Les cellules poly-Si sont moins chères à produire que les cellules en silicium monocristallin, mais sont moins efficaces.
• Cellule solaire à couches minces :il s'agit de cellules solaires de deuxième génération, fabriquées en déposant des couches extrêmement fines de matériaux photosensibles sur un support à faible coût tel que du verre, de l'acier inoxydable ou du plastique. Les matériaux photosensibles utilisés sont du silicium amorphe et des matériaux non silicium tels que le tellurure de cadmium (Cd-Te), le séléniure/sulfure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS). Les cellules solaires à couches minces utilisent des couches de matériaux semi-conducteurs de seulement quelques micromètres d'épaisseur. La baisse des coûts de production compense la moindre efficacité de cette technologie. Ils sont devenus populaires par rapport aux tranches de silicium en raison de leurs coûts inférieurs et de leurs avantages, notamment la flexibilité, les poids plus légers et la facilité d'intégration. Un processus typique de fabrication de couches minces comprend (i) le revêtement du substrat avec une couche conductrice transparente, (ii) le dépôt de la couche active par diverses techniques telles que le dépôt chimique/physique en phase vapeur, (iii) la métallisation de la face arrière (contacts) à l'aide d'un laser rayage ou sérigraphie traditionnelle, et (iv) encapsulation dans un boîtier en polymère de verre. Les techniques rouleau à rouleau sont souvent utilisées avec des substrats flexibles pour réduire le temps et les coûts de production.

• Autres types de cellules :plusieurs autres types de technologies photovoltaïques sont en cours de développement ou commencent à être commercialisés. Il s'agit de cellules solaires de troisième génération fabriquées à partir d'une variété de nouveaux matériaux, notamment des encres solaires utilisant des technologies d'impression conventionnelles, des colorants solaires et des plastiques conducteurs. Certaines nouvelles cellules solaires utilisent des lentilles ou des miroirs en plastique pour concentrer la lumière du soleil sur un très petit morceau de matériau photovoltaïque à haut rendement. Le matériel PV est plus cher, mais comme il en faut si peu, ces systèmes deviennent rentables pour une utilisation par les services publics et l'industrie. Cependant, les lentilles devant être orientées vers le soleil, l'utilisation des collecteurs concentrateurs est limitée aux parties les plus ensoleillées.

L'efficacité de conversion des différentes technologies est donnée dans l'onglet 1. La durée de vie d'une cellule solaire PV est de 25 ans. Cependant, son efficacité et donc sa production d'énergie se détériorent avec le temps. La détérioration est de 10 % au cours des dix premières années et de 10 % supplémentaires au cours des 15 prochaines années.

Applications de l'énergie solaire photovoltaïque

Les systèmes solaires photovoltaïques peuvent être installés sur les toits ou peuvent être montés au sol. Il peut s'agir de centrales électriques connectées au réseau ou de systèmes hors réseau. La connexion au réseau permet de transférer l'électricité excédentaire produite vers le réseau et d'importer de l'électricité lorsque l'électricité n'est pas produite parce qu'il n'y a pas de soleil. Les systèmes hors réseau apportent de l'électricité dans les régions éloignées. Les systèmes hors réseau peuvent également être utilisés pour l'électrification rurale. Le solaire photovoltaïque peut également être utilisé pour les biens de consommation. Les schémas d'une centrale solaire photovoltaïque sont illustrés à la figure 1.

Fig 1 Schéma d'une centrale solaire photovoltaïque

Avantages de l'énergie solaire photovoltaïque

• La lumière du soleil atteignant la surface de la Terre est abondante et a le potentiel de devenir la principale source d'énergie du monde.
• L'énergie solaire est sans pollution pendant son utilisation.
• Les installations photovoltaïques ont une longue durée de vie avec très peu d'entretien.
• Les coûts d'exploitation des installations photovoltaïques sont extrêmement faibles.
• L'électricité solaire connectée au réseau peut être utilisée localement, réduisant ainsi les pertes de transmission/distribution.

Inconvénients de l'énergie solaire photovoltaïque

• L'investissement initial est élevé.
• Nécessite un grand espace
• Il n'y a pas de production d'électricité lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible
• La taille maximale de la centrale électrique connectée au réseau est limitée à 10 MW.






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