Les énergies renouvelables : état des lieux et perspectives

Principe, technologies, filières

Définition

L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique renouvelable produite à partir du rayonnement solaire. La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photo photovoltaïque.

Ces cellules produisent donc du courant continu à partir du rayonnement solaire.Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque, plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.

L'utilisation de ce courant continu diffère d'une installation à l'autre, selon le but de celle-ci. On distingue principalement deux types d'utilisation, celui où l'installation photovoltaïque est connectée à un réseau de distribution d'électricité et celui où elle ne l'est pas.

Exemples de panneaux solaire photovoltaïques : panneaux en silicium monocristallin (en haut à droite), installation du laboratoire CNRS Promes à Perpignan (en bas à gauche), cellules en silicium amorphe (en bas à droite).
Exemples de panneaux solaire photovoltaïques : panneaux en silicium monocristallin (en haut à droite), installation du laboratoire CNRS Promes à Perpignan (en bas à gauche), cellules en silicium amorphe (en bas à droite).InformationsInformations[1]

Les principales technologies du photovoltaïque

Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaïques :

  • les modules solaires monocristallins possèdent le meilleur rendement au m² et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût, plus élevé que celui d'autres installations de même puissance, contrarie le développement de cette technique ;

  • les modules solaires polycristallins ont actuellement le meilleur rapport qualité/prix, c'est pourquoi ce sont les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans) ;

  • les modules solaires amorphes auront certainement un bon avenir car ils peuvent être souples et ont une meilleure production par faible lumière. Cependant, le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin, cette solution nécessite donc une plus grande surface pour la même puissance installée. Toutefois, le prix au m² installé est plus faible que pour des panneaux solaires composés de cellules cristallines.

Les différentes technologies du photovoltaïque
Les différentes technologies du photovoltaïqueInformationsInformations[2]

Circuit équivalent d'une cellule solaire

Pour comprendre le comportement électronique d'une cellule solaire, il est utile de créer un modèle qui est électriquement équivalent et basé sur des composants électriques discrets. Une cellule solaire idéale peut être modélisée par une source dans un circuit parallèle comprenant une diode. En pratique, aucune cellule solaire n'est idéale, il faut dont ajouter au modèle des résistances donc une résistance en parallèle et une en série. Le résultat est "le circuit équivalent d'une cellule solaire" représenté ci-dessous.

Circuit équivalent d'une cellule solaire
Circuit équivalent d'une cellule solaireInformationsInformations[3]

Caractéristiques d'une cellule PV

Une cellule photovoltaïque, en tant que dipôle électrique, dispose de sa propre caractéristique courant-tension.

Deux données importantes sont à relever :

  • Le courant de court-circuit noté Icc : il s'agit du courant qui traverse la cellule photovoltaïque lorsque celle-ci est court-circuit, c'est-à-dire lorsque le pôle + est relié au pôle – (la tension à ses bornes est alors nulle). Dans ce cas, la puissance fournie par la cellule P = U × I est nulle.

  • La tension en circuit ouvert notée Vco : il s'agit de la tension aux bornes de la cellule lorsque celle-ci est en circuit ouvert, c'est-à-dire lorsque le pôle + et le pôle – sont isolés électriquement de tout autre circuit électrique (le courant la traversant est alors nul). Dans ce cas, la puissance fournie par la cellule P = U × I est nulle.

Grandeurs caractéristiques d'une cellule
Grandeurs caractéristiques d'une celluleInformationsInformations[4]

Ainsi pour caractériser une cellule photovoltaïque, on trace la courbe I=F(V) avec I l'intensité et V la tension. L'intensité augmente lorsque la rayonnement solaire incident est plus important.

Caractéristique d'une cellule photovoltaïque I=f(V) en fonction du rayonnement solaire incident
Caractéristique d'une cellule photovoltaïque I=f(V) en fonction du rayonnement solaire incidentInformationsInformations[5]

Malheureusement, lorsque la cellule s'échauffe du fait de l'absorption du rayonnement solaire, elle pert en rendement. Ci-dessous les courbes I=f(V) à différentes températures. De 10°C à 70°C, on passe de 52 à 39,7 W.

Caractéristique d'une cellule photovoltaïque I=f(V) en fonction de la température - Module : Photowatt PWX 500
Caractéristique d'une cellule photovoltaïque I=f(V) en fonction de la température - Module : Photowatt PWX 500InformationsInformations[6]

ComplémentEstimation de la production d'électricité

La capacité de production électrique d'un site peut être déterminée par les données météorologiques d'ensoleillement annuel du site. La carte ci-dessous donne la production électrique moyenne attendue dans les conditions optimales d'implantation pour un système photovoltaïque d'une puissance de 1 kWc[7] avec des modules polycristallins standards, en fonction de la localisation géographique de l'installation.

(Source photovoltaique.info).

Productible en fonction de la localisation
Productible en fonction de la localisationInformationsInformations[8]

Des rendements en augmentation depuis près de 40 ans

Les rendements des cellules augmentent sans cesse atteignant même 44 % pour des cellules multi-jonction (cellules constituées de plusieurs couches minces). D'autres technologies commencent à apparaître comme les cellules à base de polymères ou de colorants sensibles à la lumière.

Les rendements des cellules solaires de 1975 à 2012
Les rendements des cellules solaires de 1975 à 2012InformationsInformations[9]

Complément

Pour avoir plus de détails sur la filière photovoltaïque, vous pouvez consulter le module 5 "La filière solaire photovoltaïque".

  1. Source : tiré du cours de Master Énergie Solaire de Régis Olives

  2. Source : tiré du cours de Master Énergie Solaire de Régis Olives

  3. Source : http://www.dimec.unisa.it/leonardo_new/fr/PV.php

  4. Source : tiré du cours de Master Énergie Solaire de Régis Olives

  5. Source : tiré du cours de Master Énergie Solaire de Régis Olives

  6. Source : tiré du cours de Master Énergie Solaire de Régis Olives

  7. kWc : Kilowatt-crête

  8. Source : http://sunbird.jrc.it/pvgis/

  9. Source : NREL http://www.nrel.gov/ncpv/ et http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg

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