L’énergie photovoltaïque est une source d’énergie renouvelable qui transforme essentiellement le rayonnement ou l’énergie solaire en électricité. On estime que la production photovoltaïque mondiale couvre entre 3,5% et 7% de la demande d’électricité existante.
Cette forme de production d’énergie, une fois installée et en fonctionnement, ne génère pas de gaz à effet de serre ni d’autres types de pollution. En outre, il est très facile de faire évoluer l’installation pour l’adapter aux besoins de ses utilisateurs.
Ses principaux inconvénients sont le fait qu’elle a besoin de la lumière directe du soleil pour maximiser son efficacité et que, normalement, les heures d’irradiation solaire maximale ne coïncident pas avec les heures de forte demande d’électricité.
La cellule photoélectrique
Il s’agit de l’élément de base des panneaux photovoltaïques et de l’élément clé de tout le processus de production d’électricité.
En bref, la fonction des cellules photoélectriques (également appelées cellules, photocellules ou cellules photovoltaïques, entre autres) est de transformer la lumière en tension et en courant électrique. Un phénomène qui se manifeste par certains semi-conducteurs et qui s’appelle l’effet photoélectrique.
Cet effet, bien que découvert par Heinrich Hertz en 1887, ne trouvera une base théorique que près de 20 ans plus tard dans l’article « Heuristique de la génération et de la conversion de la lumière » publié par Albert Einstein.
Principe de fonctionnement
Le principe de cette technologie, sans entrer dans les détails de ses fondements physiques, repose sur la capacité d’un photon à frapper un atome semi-conducteur et à l’exciter, libérant ainsi un électron et créant un trou.
Les électrons trouvent généralement rapidement un nouveau trou à occuper et l’énergie fournie par le photon est dissipée sous forme de chaleur.
La particularité des matériaux qui composent les cellules photoélectriques est qu’ils obligent les électrons et les trous à se déplacer au lieu de se recombiner en même temps. Cela crée une différence de potentiel, tout comme une batterie.
Fabrication de cellules photoélectriques
Les techniques de fabrication de ces cellules sont similaires à celles d’autres dispositifs à semi-conducteurs, bien que le degré de pureté des matières premières requises ou le processus lui-même ne soient pas aussi exigeants.
Le processus est globalement similaire à ce qui suit :
- La matière première, telle que le quartz, est prise et introduite dans un four où l’on obtient du silicium fondu.
- Les impuretés sont éliminées.
- Au travers de procédés tels que celui de Czochralski, on obtient des lingots monocristallins.
- Le lingot est découpé en tranches très fines (wafers) de 200 µm.
- Nettoyage et polissage des tranches.
- Le dopage des tranches, qui peut être effectué au cours du procédé Czochralski dans le cas du dopage au bore (B) ou, comme c’est le cas pour le phosphore (P), en amenant les tranches en dessous du point de fusion en présence de phosphore gazeux.
- Les cellules sont reliées entre elles par des contacts électriques et de fines bandes métalliques sont ajoutées pour « capter » l’électricité produite.
- Un revêtement anti-reflet est ajouté pour éviter les fuites.
- Les cellules solaires sont encapsulées et placées dans la structure du panneau.
Types de cellules photovoltaïques
Bien qu’il existe plusieurs types de cellules, nous nous concentrerons sur les deux types les plus populaires.
Cellules en silicium polycristallin
Également appelées cellules multicristallines, elles se caractérisent par la formation de cristaux multiples lors du refroidissement du silicium. Il en résulte un aspect non uniforme.
Ils ont un efficacité d’environ 100 Wp/m2 (watt maximum par mètre carré) avec un rendement élevé de 14%.
Elles sont utilisées surtout dans les climats chauds car elles subissent moins la surchauffe.
Cellules en silicium monocristallin
Outre les cellules solaires, elle sert également de base aux puces en silicium, bien que les exigences relatives aux imperfections de ces dernières soient beaucoup plus limitées.
Son efficacité et rendement sont un peu plus élevés, avec respectivement près de 150 Wp/m2 et 14-16%.
Contrairement aux précédentes, elles sont moins tolérantes aux températures élevées.
Applications de l’énergie solaire photovoltaïque
Les applications de ce type d’énergie sont très diverses. Dans cet article, nous allons nous concentrer sur les installations d’autoconsommation d’électricité à usage domestique mais nous allons d’abord énumérer quelques-unes de ses nombreuses utilisations :
Mécanismes isolés
Il s’agit généralement de petits dispositifs qui sont alimentés par une petite plaque ou un groupe de cellules photoélectriques.
L’exemple le plus typique est la calculatrice solaire mais on trouve aujourd’hui toutes sortes d’appareils tels que lampes, pompes à eau ou parcmètres.
Transport et navigation
Bien que son utilisation en tant que source d’énergie primaire soit plus expérimentale que pratique, elle est de plus en plus utilisée comme système d’alimentation auxiliaire dans les voitures et les bateaux.
Le World Solar Challenge en Australie est très populaire. Une course dans laquelle plusieurs équipes (principalement des entreprises, universités ou instituts) s’affrontent avec leurs voitures solaires respectives à travers 3021 km de désert.
Fermes solaires
Également appelés parcs solaires, ce ne sont rien d’autre que des centrales photovoltaïques dans lesquelles de grands systèmes de panneaux solaires sont installés pour produire de l’électricité et l’injecter dans le réseau.
Télécommunications
Ce type d’énergie est très utile dans les centrales téléphoniques, les antennes radio ou les répéteurs de micro-ondes, où elle est généralement installée en même temps que des batteries. De cette façon, le service n’est pas interrompu en cas de panne de courant.
Aérospatiale
L’une des premières applications de la technologie photovoltaïque. Les panneaux solaires sont utilisés depuis longtemps sur les satellites depuis que les États-Unis ont lancé Vanguard 1 en 1958.
Autoconsommation photovoltaïque au moyen de panneaux solaires
Par autoconsommation photovoltaïque, on entend la production d’énergie pour l’autoconsommation, en utilisant évidemment des panneaux solaires.
Ce type d’installation se retrouve principalement dans les habitations unifamiliales où, en général, l’installation et le dimensionnement du système sont plus simples.
Eléments de base d’un système photovoltaïque « domestique ».
Les principaux composants d’une installation solaire photovoltaïque standard sont les suivants :
Les panneaux photovoltaïques : ceux qui sont chargés de produire de l’énergie électrique, selon le principe physique que nous avons déjà détaillé au début de cet article.
Batteries : elles accumulent l’énergie produite pour une utilisation ultérieure, généralement durant la nuit et les heures creuses.
Onduleur : transforme le courant continu en courant alternatif.
Régulateurs de charge : empêchent une charge/décharge excessive des batteries, prolongeant ainsi leur durée de vie.
Il convient de noter que tous les éléments ne doivent pas nécessairement être présents dans une installation, à l’exception des panneaux, pour qu’elle soit pleinement fonctionnelle. Tout dépend des besoins de chaque projet.
Classification des systèmes d’autoconsommation photovoltaïques
Parmi les différentes options actuellement disponibles, on peut distinguer, sur le plan technique, différents types d’installations selon qu’elles soient connectées ou non au réseau électrique conventionnel et selon la manière dont cette connexion est réalisée.
De cette façon, nous pouvons distinguer :
Système photovoltaïque hors réseau
Comme leur nom l’indique, il s’agit de systèmes totalement hors réseau. Ils sont particulièrement populaires dans les régions où l’accès à l’électricité est plus limité.
Dans ce type d’installation, l’utilisation de batteries est essentielle car, si elles n’étaient pas présentes, la disponibilité de l’électricité se limiterait aux heures d’ensoleillement.
Il est très courant de trouver des installations de ce type qui combinent des circuits séparés pour AC et DC, c’est-à-dire qu’elles comportent des appareils qui fonctionnent en courant continu (principalement 12V/24V), comme l’éclairage, et d’autres qui fonctionnent en courant alternatif, comme un téléviseur.
Système photovoltaïque raccordé au réseau
Dans ce cas, le réseau conventionnel sert d’appoint lorsque l’énergie solaire produite n’est pas suffisante éliminant ainsi la nécessité d’installer des batteries et réduisant le coût de l’installation.
On peut ici faire la distinction dans la législation actuelle entre les installations avec ou sans production excédentaire rejetée dans le réseau (un système isolé ne réintroduit évidemment pas d’énergie dans le réseau de distribution).
Maintenant, nous en savons un peu plus sur le fonctionnement de l’énergie solaire photovoltaïque et ses nombreuses applications.