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L'énergie du soleil

En plus d'être inépuisable, l'énergie solaire est extraordinairement abondante, puisque l'irradiation que le Soleil fait parvenir sur la Terre chaque année représente près de 8 000 fois la consommation mondiale d'énergie, toutes formes et tous usages confondus.

Découverte du phénomène physique

Le principe à l'origine de la production d'électricité solaire photovoltaïque s'appelle « l'effet photoélectrique » : c'est l'émission d'électrons par un matériau soumis à l'action de la lumière, provoquant un courant électrique.

Ce phénomène physique a été mis en évidence en 1839 par Antoine Becquerel, lors d'une expérience consistant à observer le comportement d'électrodes immergées dans un liquide, modifié par un éclairage.

Albert Einstein fut le premier, en 1905, à proposer une explication en utilisant le concept de particules de lumière, appelées aujourd'hui photons. Einstein a expliqué que ce phénomène était provoqué par l'absorption de photons, lors de l'interaction du matériau avec la lumière. Cette découverte lui valut le prix Nobel de physique en 1921.

Explication du phénomène physique

Les réactions de fusion nucléaire ayant lieux dans le cœur du soleil produisent une quantité phénoménale d'énergie qui est émise dans l'espace par rayonnement (le transfert de chaleur du soleil vers le vide de l'espace ne peut se faire que par rayonnement).Ce rayonnement solaire émet entre autres des ondes électromagnétiques (dont la lumière visible fait partie). Le photon est la particule qui compose les ondes électromagnétiques, et qui véhicule donc leur énergie.

Les photons sont donc des particules chargées d'énergie, émises par le soleil dans toutes les directions de l'espace, et notamment vers la Terre. Lorsqu'un photon en provenance du soleil est absorbé par la matière, l'énergie qu'il contient permet la libération d'un électron : c'est « l'effet photoélectrique » !

Attention, pour qu'un électron soit libéré, il faut que l'énergie contenue par le photon soit suffisante pour l'arracher à la matière. C'est notamment le cas avec les matériaux métalliques qui sont conducteurs de courant, et qui facilitent cet effet.

Fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques

Les panneaux solaires photovoltaïques sont constitués de plusieurs cellules photovoltaïques qui sont le lieu où l'énergie solaire est absorbée et convertie en courant électrique.

La cellule photovoltaïque engendre un courant électrique

Dans une cellule photovoltaïque qui reçoit des ondes électromagnétiques en provenance du soleil, le déplacement des électrons se fait vers une même face de la cellule au moyen d'un matériau semi-conducteur. Ainsi, ce mouvement créé une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme dans une pile.

Pour permettre le déplacement des électrons d'une face vers l'autre, on s'arrange pour créer un champ électrique entre les deux couches de silicium qui constituent chacune des faces de la cellule photovoltaïque. Celle-ci est ainsi polarisée.

Pour cela chacune des couches est « dopée » soit positivement, soit négativement afin de créer une liaison électrique entre les deux faces. Le dopage consiste à produire un excès (ou un déficit) d'électrons sur un matériau semi-conducteur.

Enfin, des fils métalliques relient les cellules entre-elles afin de capter le flux d'électrons et générer un courant électrique continu.

Facteurs influençant la production d'énergie

-   Temps (moment) et temps (météo)

L'énergie maximale récupérable dépend de la nébulosité et de l'inclinaison du soleil qui varie suivant l'heure et la saison. La production varie donc au cours de la journée et atteint donc son maximum à midi (heure solaire). Attention donc aux vendeurs qui vous promettent une production maximale durant toutes les heures d'ensoleillement et durant toute l'année. Nous sommes disposés à vous calculer la véritable production annuelle attendue selon votre orientation.

A noter que même par temps couvert, les cellules photovoltaïques produisent de l'énergie, les nuages réémettant une partie du rayonnement qu'ils absorbent.

-   Situation géographique

L'ensoleillement n'est pas uniforme sur toute la surface de la Terre, ainsi l'énergie solaire reçue annuellement est plus importante à l'approche de l'équateur terrestre.

La quantité d'énergie solaire qui arrive dans l'atmosphère Terrestre est de 1,36kW/m², mais sa traversée réduit ce flux d'énergie à 1kW/m² au niveau du sol (dans des conditions optimales : perpendiculairement au soleil et par temps clair). Ainsi l'altitude joue également un rôle (certes mineur), puisque la réduction du flux d'énergie incident sera plus faible lorsque l'épaisseur d'atmosphère traversée diminue.

-   Orientation des panneaux et ombrage

Idéalement, le capteur doit être orienté plein sud (afin de capter un maximum de rayonnement durant toute la course du soleil dans le ciel), avec une inclinaison de 35° par rapport au sol (pour une production maximale l'été en France). Cependant, pour une orientation comprise entre le sud-est et le sud-ouest, la perte de rendement est faible.

Attention aux ombrages (arbres, bâtiments, cheminée, etc.) qui pénalisent la production d'énergie électrique. Une ombre sur une cellule d'un panneau peut diminuer voir stopper la production de l'ensemble du panneau.

-   Température

A trop forte température, le rendement des cellules photovoltaïques chute. C'est pour cela qu'il faut prévoir une bonne ventilation de leur face arrière, afin de les refroidir.

Le Watt-crête (Wc)

C'est l'unité qui exprime la puissance maximale pouvant être générée par une installation photovoltaïque dans des conditions standards et optimales : ensoleillement de 1kW/m², à 25°C et pour une pression de 1,5 atmosphère (représentant l'épaisseur de l'atmosphère pour une inclinaison de 45°).

On utilise une unité différente du Watt car comme nous l'avons vu, la puissance n'est pas générée en continu mais varie avec le temps. De plus cette unité permet de comparer les systèmes entre eux.

Les composants d'une installation solaire photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques :

Toutes les cellules photovoltaïques sont constituées à partir de silicium. Celui-ci est obtenu par extraction à partir de la silice (constituant du sable et du quartz), grâce à des réactions chimiques à très haute température. Le silicium séparé est ensuite recueilli à l'état liquide et refroidi afin de le solidifier. Découpé en fine tranche de que

- Silicium monocristallin : En refroidissant, le silicium se cristallise en un seul cristal qui est ensuite découpé en fines tranches qui forment les cellules. Présente l'avantage d'avoir un bon rendement théorique, mais pour un coût de production élevé.

- Silicium multicristallin : Cette fois-ci le silicium se cristallise en plusieurs cristaux en refroidissant. Rendement théorique plus faible mais avec un coût de production moindre. Le meilleur rapport qualité/prix, mais réagit moins favorablement au rayonnement diffus (par temps nuageux).

Attention, les rendements sont donnés en laboratoire mais dans la réalité les cellules multicristallines produisent plus sur une journée. En effet, elles sont moins dépendantes de la direction du soleil (qui varie d'Est en Ouest) étant donné que les cristaux sont répartis dans toutes les directions à la surface de la cellule. Le rendement journalier est donc quasiment constant tout au long de la journée, et pas seulement lorsque le soleil se situe perpendiculairement au panneau.

ü Silicium amorphe (ou « couches minces ») : La transformation du silicium produit un gaz que l'on projette sur une feuille de verre. Le rendement et le coût de production sont faibles. Cependant il a l'avantage de bien réagir à la lumière diffuse. De plus, l'intégration peut se faire sur support souple et donc s'adapter à toutes les formes.

Le panneau photovoltaïque :

Il est le support des cellules photovoltaïques, le but d'interconnecter plusieurs cellules entre-elles est d'obtenir une tension nominale suffisante. Celles-ci sont encapsulées dans une plaque de verre qui sert à les protéger de l'humidité et des agressions extérieures.

L'onduleur :

Il permet de convertir le courant continu généré par les panneaux photovoltaïques, en courant alternatif pour l'injecter dans le réseau. L'onduleur possède également une fonction de protection contre les surtensions.

Dans le cas d'une installation en site isolé, il n'y a pas d'onduleur.

Les avantages de la production d'énergie photovoltaïque

-  Phénomène physique imperceptible, son fonctionnement n'occasionne aucune nuisance ou impact sur l'environnement immédiat : ni mouvement, ni bruit, ni odeur, ni émission quelconque

-  Le fonctionnement d'un système photovoltaïque ne fait appel à aucune pièce en mouvement, le risque de panne ou d'accident est donc quasiment nul et le niveau de fiabilité très élevé

-  Les caractéristiques physiques des matériaux ne s'altèrent pas dans le temps, et la baisse de rendement des panneaux, due essentiellement aux imperfections de fabrication, est très lente et très limitée. Cela permet aux fabricants d'apporter une garantie de rendement pouvant aller jusqu'à 30 ans

-  Hormis le coût d'investissement, l'accès à la ressource énergétique est totalement libre et gratuit (lumière du soleil) et comme les besoins d'entretien sont très réduits (concernent essentiellement l'électronique et les connexions), le bilan économique est prévisible avec un haut degré de certitude

-  La quantité d'énergie récupérable est directement proportionnelle à la surface exposée à la lumière du soleil, ce qui confère au photovoltaïque un caractère intrinsèquement modulaire et flexible : la surface des capteurs va de quelques cm² pour l'alimentation d'une calculette, à plusieurs milliers de m² pour les centrales au sol. De plus cette taille peut être modifiée à tout moment par simple ajout (ou retrait) de panneaux, sans même interrompre le fonctionnement de l'installation existante