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L’énergie photovoltaïque, comment ça marche ?

Lectures : 134422 août 2014

L’énergie solaire est utilisée essentiellement pour deux usages : la production d’électricité (on parle alors d’énergie solaire photovoltaïque) ou la production de chaleur (on parle alors d’énergie solaire thermique). L’énergie solaire photovoltaïque transforme le rayonnement solaire en électricité grâce à des cellules photovoltaïques intégrées à des panneaux qui peuvent être installés sur des bâtiments ou posés sur le sol. L’électricité produite peut être utilisée sur place ou réinjectée dans le réseau de distribution électrique.

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Comment ça marche ?

L’énergie solaire photovoltaïque transforme le rayonnement solaire en électricité grâce à des cellules photovoltaïques. Les installations solaires photovoltaïques installées chez les particuliers comme les centrales solaires photovoltaïques de grandes tailles comprennent plusieurs modules solaires photovoltaïques reliant chacun un certain nombre de cellules.

Les cellules utilisées par les systèmes photovoltaïques sont constituées d’une ou deux couches de matériaux semi-conducteurs. Lorsque la lumière atteint la cellule, cela crée un champ électrique à travers les couches et ainsi un flux électrique. Plus la lumière est intense, plus le flux électrique est important. Ces cellules sont assemblées sous forme de modules (ensemble de cellules couplées) qui sont implantés sur des supports de fixation permettant d’assurer la résistance mécanique et l’étanchéité du système.

Le Principe de l’effet photovoltaïque

  • Les particules de lumière ou photons heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couches minces puis transfèrent leur énergie aux électrons présents dans la matière qui se mettent alors en mouvement dans une direction particulière.

  • Le courant électrique continu qui se crée par le déplacement des électrons est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et ensuite acheminé à la cellule photovoltaïque suivante.

  • Le courant s’additionne en passant d’une cellule à l’autre jusqu’aux bornes de connexion du panneau et il peut ensuite s’additionner à celui des autres panneaux raccordés au sein d’une installation.
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Le courant continu issu des modules est transformé en courant alternatif via un onduleur. Il est ensuite injecté sur le réseau de distribution d’électricité si le panneau est raccordé, ou bien consommé directement sur le lieu de production. Dans tous les cas, un système de stockage (généralement des batteries) peut être couplé au système.

La performance d’une cellule solaire se mesure par son rendement de conversion de la lumière du soleil en électricité. En moyenne, les cellules solaires ont un rendement de 15?%. La capacité des cellules photovoltaïques est exprimée en kilowatt crête (kWc). Il s’agit de la puissance générée dans des conditions d’essai normalisées.

Les différentes technologies

Quatre générations technologiques coexistent, à des stades différents de maturité:

  • Les cellules photovoltaïques de type couches épaisses, en silicium cristallin

  • Les cellules photovoltaïques de type couches minces

  • Les cellules photovoltaïques organiques

  • La technologie du photovoltaïque à concentration (CPV) : les rayons lumineux sont concentrés par des lentilles optiques sur des cellules photovoltaïques à haut rendement.


Le photovoltaïque de première génération : au silicium
Les cellules photovoltaïques de première génération sont constituées de fines plaques de silicium mono ou multi-cristallin. Ces cellules ont un bon rendement (15 à 20%) et le prix le plus bas du marché. Elles représentent plus de 80% des cellules existantes. La durée de vie des modules photovoltaïques de première génération est estimée entre 25 et 30 ans.

Le photovoltaïque de deuxième génération : à couches minces
Les modules photovoltaïques de deuxième génération sont fabriqués en déposant une ou plusieurs couches semi-conductrices et photosensibles sur un support de verre, de plastique ou d’acier.
Cette technologie permet de diminuer les coûts de fabrication mais le rendement des cellules est moindre.
Différents produits sont disponibles, dont le silicium amorphe. Certains intègrent dans leur composition des éléments chimiques rares (comme l’indium, le sélénium, le gallium) et parfois même controversés,:comme le tellure de cadmium.

Le photovoltaïque de troisième génération : cellules organiques
Les modules photovoltaïques de troisième génération sont constitués de molécules organiques pour offrir une énergie solaire à un prix significativement inférieur aux technologies de première et de deuxième génération. Les capteurs solaires se présenteront sous forme de films de type photographiques, souples, légers et facile à installer. Il y a trois types de cellules photovoltaïques organiques : les moléculaires, celles en polymères et les organiques hybrides.

Ces technologies sont encore au stade de la recherche et développement. Néanmoins, ces cellules sont déjà utilisées dans certaines applications spécifiques à faible consommation et forte valeur ajoutée comme les calculatrices ou le rechargement des appareils nomades.

La technologie CPV : le photovoltaïque à concentration
Les centrales photovoltaïques à concentration utilisent des lentilles optiques qui concentrent la lumière sur de petites cellules photovoltaïques à haute performance. Pour fonctionner, il est nécessaire de suivre le soleil tout au long de la journée avec un système mécanique pivotant (couramment appelé tracker). Cette technologie n’est aujourd’hui économiquement viable que dans les zones où l’ensoleillement direct est très important.

A quoi cela sert ?



Les installations fonctionnent isolément ou bien « en îlot », et peuvent répondre à des besoins locaux en chargeant des batteries ou bien alimenter un réseau de distribution électrique. Les panneaux des installations ont une durée de vie moyenne estimée de 25 ans et peuvent être soit installés sur les toitures déjà existantes soit intégrés au bâti lors de la construction.

Les installations raccordées au réseau public de distribution d’électricité comprennent :

  • les systèmes attachés à un bâtiment consommateur d’électricité, qu’il soit à usage résidentiel (maison individuelle, habitat collectif social ou privé) ou professionnel (bureaux, commerces, équipements publics, industrie, agriculture). Les modules sont intégrés à la toiture des bâtiments et remplacent les éléments de couverture traditionnels. Ils peuvent aussi dans certains cas assurer une double fonction (bardage, verrière, garde-corps). Leur surface active varie de quelques dizaines de mètres carrés à quelques milliers de mètres carrés, soit des puissances de quelques kilowatts-crête à quelques centaines de kilowatts-crête ;

  • les systèmes posés sur ou intégrés à des structures non-consommatrices d’électricité mais pour lesquelles les panneaux remplissent une fonction bien identifiée en complément de la production d’électricité (ombrière de parking, couverture de passage public ou de quai de gare, mur anti-bruit…). La surface active de tels systèmes est en général de quelques centaines à quelques milliers de mètres carrés, soit des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de kilowatts-crête ;

  • les installations photovoltaïques au sol constituées de nombreux modules portés par des structures fixes ou suivant la course du soleil, dont la production alimente directement le réseau électrique. Leur surface active est de plusieurs hectares, ce qui correspond à des puissances de plusieurs mégawatts-crête.

Les chiffres clés

L’énergie solaire photovoltaïque s’est très fortement développée ces dernières années. Le parc photovoltaïque a atteint en France une puissance de 4 003 MW en fin d’année 2012.

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Avec plus de 4 000 MW cumulés dont un peu plus de 1 000 MW installés durant 2012, la France occupe la 3ème place du marché européen et la 6ème au niveau mondial.

Europe : en 2012, la puissance installée annuellement se stabilise entre 17 000 et 18 000 MW par an pour la troisième année consécutive.
Monde : la puissance photovoltaïque installée a dépassé en 2012 la barre de 100 000 MW.

L’objectif français est d’installer une capacité photovoltaïque totale de 5 400 MW à l’horizon 2020, produisant 5 TWh/an, soit environ 1% de l’électricité consommée en France sur une année.

Entre fin 2011 et fin 2012, la puissance total du parc photovoltaïque installé s’est accrue de 37 %. Les raccordements de nouvelles capacités photovoltaïques se sont établis à 1 079 MW sur l’ensemble de l’année 2012.

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Puissance photovoltaïque totale raccordée par département au 31 mars 2014 (en MW)

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Les avantages et limites du développement de l’énergie solaire

TABLEAU

 

Impacts des systèmes photovoltaïques sur le climat

L’impact sur le climat

Une installation photovoltaïque ne génère pas de gaz à effet de serre durant son fonctionnement. Elle ne produit aucun déchet dangereux et n’émet pas de polluants locaux.
L’Agence internationale de l’énergie calcule qu’une installation photovoltaïque raccordée au réseau fournit l’équivalent de l’énergie nécessaire à sa fabrication dans un délai de un à trois ans, selon l’ensoleillement du site. Du point de vue des émissions évitées, elle estime que 1 kW photovoltaïque permet d’économiser entre 1,4 t et 3,4 t de CO2 sur sa durée de vie.
En 2030, selon les chiffres avancés par l’Association européenne du photovoltaïque, le solaire photovoltaïque permettra de réduire les émissions mondiales de CO2 de 1,6 milliard de tonnes par an, soit l’équivalent de la production de 450 centrales au charbon d’une puissance moyenne de 750 MW.
Le plan de développement des énergies renouvelables et la programmation pluriannuelle des investissements fixent pour 2020 un objectif de 5 400 MW photovoltaïques installés fin 2020.
L’ensemble des mesures concernant la production d’électricité d’origine photovoltaïque en France permettrait ainsi en 2020 de réduire les émissions de la France de 1,7 Mteq CO2.

L’impact sur l’environnement

L’impact environnemental de la fabrication

La mesure de l’impact environnemental de la fabrication des composants de l’installation photovoltaïque s’effectue par une analyse du cycle de vie du système photovoltaïque depuis sa fabrication jusqu’à son installation sur site, son fonctionnement et sa fin de vie. Si le fonctionnement d’une installation photovoltaïque n’occasionne pas de pollution particulière, la source d’impact la plus importante dans le cycle de vie des systèmes photovoltaïques est la consommation d’énergie pour la fabrication des modules.

Dans le cas de la filière silicium cristallin, qui représente environ 90 % du marché, la dépense énergétique pour fabriquer le système photovoltaïque provient à 40 % du procédé de raffinage du silicium. Cette dépense énergétique est compensée lors du fonctionnement de l’installation.

Ce bilan environnemental favorable pourrait être amélioré à l’avenir, avec des processus industriels plus performants permettant de réduire la dépense énergétique lors de la fabrication, avec l’économie de matériaux (diminution de l’épaisseur des plaques de silicium, pose de modules sans cadre) ou encore avec l’augmentation du rendement des cellules. Enfin, la mise en place de filières de recyclage des modules contribue à la réduction des impacts environnementaux.

L’impact sur les territoires et la réversibilité des installations

L’énergie photovoltaïque est disponible et accessible sur l’ensemble du territoire. Cette production décentralisée contribue à une meilleure adéquation entre les besoins et la production au niveau local, évitant ainsi le transport d’énergie (et les pertes) sur de grandes distances.
La durée de vie des modules est de l’ordre de 25 ans.

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Source : 
Site du gouvernement

Source : http://www.abc-eleveurs.net/materiel/dossiers/1083-l-energie-photovoltaique-comment-ca-marche

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