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Solaire Photovoltaïque

Collection: Energies

Résumé

Généralités, chiffres clés et description du fonctionnement des panneaux photovoltaïques. Les bases théoriques pour la compréhension des contraintes liées à l'exploitation de l'énergie solaire photovoltaïque.


Généralités

 La technologie photovoltaïque permet de transformer directement l'énergie du rayonnement solaire en une force électromotrice. Pour se faire on utilise les propriétés électroniques remarquables de certains matériaux, dont principalement le silicium, qui "absorbent" les photons et transforment leur puissance en une puissance électrique.

A ce jour c'est une technique qui a fait ses preuves, qui ne nécessite qu'un entretien minime et qui est parfaitement respectueuse de l'environnement. Cependant le coût au mètre carré de panneaux est plutôt élevé, pour un rendement faible. Il existe plusieurs variantes de capteurs photovoltaïque et plusieurs types d'installations (autonomes, raccordées réseau, modules AC...)





Installations autonomes

 Lorsque le système de capteurs photovoltaïques est installé dans un endroit isolé, loin du réseau (cabanes, chalets,...) il fonctionne de manière autonome. Un régulateur électronique contrôle la charge et la décharges de batteries. On dispose ainsi de courant continu produit et stocké localement. On peut également équipé le système d'un onduleur pour alimenter en 230V des appareils standards.





Installations raccordées au réseau

 Lorsque la situation le permet l'installation solaire peut être raccordée au réseau électrique. On utilise alors un onduleur pour transformer le courant continu des cellules photovoltaïques en courant alternatif conforme au réseau électrique (230V, 50Hz). C'est une configuration optimale en terme de confort et de coût:

- Le courant alternatif peut être utilisé avec des appareils standards
- Les batteries de stockage ne sont pas nécessaires
- Le surplus de production est réinjecté et revendu à la centrale de distribution
- En cas de surconsommation l'énergie est disponible par le réseau.





Chiffres clés

 Production annuelle

Pour 1 m2 photovoltaïque Si-amorphe à Genève: 50 à 70 kWh
Pour 1 m2 photovoltaïque Si-polycristallin à Genève: 100 à 140 kWh
Pour 1 m2 photovoltaïque Si-monocristallin à Genève: 150 à 210 kWh
Pour 1 m2 photovoltaïque Si-hétérojonctions à Genève: 200 à 280 kWh

Pour une estimation plus précise utilisez notre calculateur.


Puissance crête standard

Pour 1 m2 photovoltaïque Si-amorphe: ~50 Wc
Pour 1 m2 photovoltaïque Si-polycristallin: ~100 Wc
Pour 1 m2 photovoltaïque Si-monocristallin: ~150 Wc
Pour 1 m2 photovoltaïque Si-heterojonction: ~200 Wc


Coût d'une installation

Y compris installation: 4'000 à 8'000 € par kWc


Prix du courant photovoltaïque

Entre 0.2 et 0.6 €





Types de capteurs photovoltaïques

 Le matériau de base des capteurs photovoltaïques est un semi-conducteur. Généralement on utilise le silicium. Les propriétés électroniques des semi-conducteurs, tels que le silicium, permettent d'absorber des photons (lumière) et les transforment en courant électrique continu. Ces cellules photovoltaïques existent sous différentes formes.

Technologies standards:

- Cellules monocristallines - Il s'agit de monocristaux de silicium découpés en "tranches fines". Chaque tranche constitue une cellule. Les panneaux fabriqués avec ce type de capteurs offrent le meilleur rendement, c'est aussi les plus coûteux!
- Cellules polycristallines - Elles sont constituées de plusieurs "petits" cristaux bien visibles. Le rendement et le coût sont légèrement inférieur à ceux des cellules monocristallines.
- Cellules amorphes - Ces cellules ne possèdent pas de structure cristalline, elles existent sous forme de couches minces et sont généralement utilisées dans les applications portables (calculettes...). Leur coût de fabrication et leur efficacité sont encore inférieurs.





Nouvelles technologies

 Cellules HIT
La technologie HIT (pour Heterojunction with Intrinsic Thin layer) ou cellules à hétérojonction, utilise des wafers de silicium monocristallin sur lesquels sont déposées une série de couches minces, dont du silicium amorphe. Le principal avantage de cette technologie est un excellent rendement et un meilleur comportement en température (la cellule perd moins de son efficacité lorsque la température augmente). Pour une augmentation de température de la cellule de 10° un système photovoltaïque silicium cristallin perd environ 5% de son efficacité. Une cellule HIT quand à elle perd environ 2% pour une même augmentation de température.

Le procédé de fabrication HIT est plus complexe, cependant, outre la fabrication du wafer monocristallin, il ne nécessite pas d’étape à très haute température coûteuse en énergie. De plus les cellules à hétérojonction offrent un intéressant potentiel de réduction de l’épaisseur des cellules, d’où une économie en silicium monocristallin. Les cellules HIT commercialisée ont actuellement un rendement de ~18%.

Cellules microcristallines
Il s'agit d'une technologie hybride, des cristaux de silicium sont formé à l'intérieur d'une couche de silicium amorphe lors de la fabrication des couches minces. Ils constituent ainsi des dispositifs à jonctions multiples, qui permettent de couvrir le spectre solaire de manière optimale et d’obtenir des rendements supérieurs tout en limitant la consommation de matière première monocristalline. Les rendements sont intermédiaires entre ceux du silicium amorphe et ceux du silicium polycristallin.





Influence de la température

 La température de la cellule a une petite influence sur le rendement, celui-ci décroît lorsque la température augmente. Il s'agit bien de la température de la cellule dont on parle ici, elle dépend de la température extérieure, de l'ensoleillement et du refroidissement auquel la cellule est soumise (vent, contacts, système de refroidissement dédié,...). On mesure généralement une perte sur la puissance de 0,4% à 0,5% par degré supplémentaire au niveau de la cellule.

Par exemple un panneau qui génère 100 W à 25°C ne fournira plus que 95 W à 35°C. Si la température extérieure est à 30°C le panneau peut facilement atteindre les 60° (beau temps, peu de vent) et dans le cas de notre exemple le panneau ne fournirait alors plus que ~82,5 W.





Influence de la météo

 Outre l'influence de la température ambiante sur la température des cellules la question centrale reste celle du type d'illumination: directe ou indirecte (diffuse).

L'illumination diffuse ou rayonnement diffus est celui qui ne vient pas en ligne droite du soleil mais qui a subi une (ou plusieurs) réflexion(s) dans l'atmosphère. C'est par exemple la seule source de lumière lorsque le soleil est couché!

En journée, le ratio rayonnement direct / rayonnement diffus dépend de beaucoup de paramètres dont la couverture nuageuse, la position du soleil (au zénith, proche de l'horizon,...) la qualité de l'air dans les basses couches etc... De plus ce rapport varie en fonction des plages de longueur d'onde considérées.

Dans un modèle simplifié on peut considérer que dans le cas de la Suisse le rayonnement global est constitué à 40% du rayonnement direct et 60% du rayonnement diffus.

Le rayonnement diffus suffi à provoquer l'effet photovoltaïque, ce qui est une bonne nouvelle! C'est important que les cellules photovoltaïques soit placées dans un environnement dégagé pour profiter au maximum du rayonnement direct mais également diffus. Evidemment en cas de couverture nuageuse dense une grosse partie du rayonnement n'est ni "direct" ni "diffus"... il est absorbé ou réfléchi par l'atmosphère et donc perdu...





Sensibilité spectrale

 Le photovoltaïque exploite les longueurs d'onde correspondant au "visible" éventuellement en débordant sur le "proche infra-rouge" suivant le type de cellules. La situation est différente pour les capteurs solaires thermiques qui eux exploitent également les UV mais surtout l'infrarouge.









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