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L’énergie photovoltaïque. Qu’est-ce que l’énergie photovoltaïque ?. Le terme « photovoltaïque » désigne un phénomène physique.
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Qu’est-cequel’énergiephotovoltaïque? • Le terme « photovoltaïque » désigne un phénomène physique. • L’energiephotovoltaïqueestuneénergieélectriquerenouvelableproduiteàpartir de la transformation d'unepartie du rayonnementsolaires par les cellule photovoltaïque. les cellules photovoltaïquessontfabriquées avec des matériaux semi-conducteursproduitsàpartird’unematière première très pure (comme le silicium). Cesmatériauxémettent des électronslorsqu’ilssontsoumisàl'action de la lumière. Ceux-ci sontéjectés du matériau et ilscirculentdans un circuit fermé, produisantainsi de l’électricité. • Ses installation produise de l'électricité qui peutêtreconsomméesur place oualimenter un réseau de distribution. • Ceprocessus ne nécessiteaucun cycle thermodynamiqueintermédiaire, c'est-à-dire que le rayonnementestdirectementconverti en électricité sans utilisationintermédiaire de la chaleur.
Histoire L'utilisation de l'énergiesolaireremonteàl'Antiquité. Les Grecsallumaient en effet la flammeolympique grâce à un système de miroirs et les rayons du soleil. En 1839, la conversion de la lumière en électricité sera découverte par Edmond Becquerelet sera appeléel'effetphotovoltaïque. En 1913 le premier brevet pour une cellule solaire, déposépar William Coblentz, ne pourra pas fonctionner. En 1916, Robert Millikan sera le premier àproduire de l'électricité avec une cellule solaire, mais pendant les quaranteannéessuivantes, personne ne fera beaucoup de progrès en énergiesolaire car les cellules photovoltaïquesont un trop mauvaisrendement pour transformer la lumière du soleil en énergie. Mais en 1954, troischercheursaméricains (Chapin, Pearson et Prince) mettent au point une cellule photovoltaïqueà haut rendement (9 %) et les LaboratoiresBell construisent le premier panneausolaire,qui étaitcependanttrop coûteux pour êtreproduit en série.
L’énergiesolairefit de grandsprogrèslorsdes lancers de satellites, cetteénergieétantle seulmoyen non-nuclaire de les alimenter. C’est, en effet, en 1958 qu’a lieu le premier lancement d’un satellite fonctionnantàl’énergiephotovoltaïque. L'industriespatialeinvestiradonc beaucoup de fondsdans le développement des panneauxsolaires: c'estla première utilisationimportante de la technologiesolairephotovoltaïque. • Pendant les années 70 et 80 des efforts sontfaits pour réduire les coûts de l’énergiephotovoltaïque pour qu'ellesoitégalementutilisablesurterre: l'énergiesolaireconnaîtraun second élan au cours du premier choc pétrolierdans les années 70. Quand le prix du pétroleaugmentefortement, les panneauxsolairesphotovoltaïquescommencentàêtreutilisés pour la première foisdans les maisons. • En effet, en 1973, la première maisonalimentée par des cellules photovoltaïquesestconstruiteàl’université du Delaware et en 1983, la première voiturealimentée par énergiephotovoltaïqueparcourtune distance de 4 000 km en Australie. Depuis, les panneauxsolaires se sontdéveloppéslentement.
Pendant longtemps, les panneauxsolairesontétéconsidéréscomme des sources d'énergies alternatives. Maisl'énergiesolaireest de nouveau en pleinessor car on prévoitunepénurie de pétroleprochaine, on se préoccupe du réchauffement de la planète et les prix de l'énergien'ontjamaisétéaussihauts. L'énergiesolairedevientunepriorité pour de plus en plus de pays. Des centralessolairessont en cours de construction dans le monde entier. Les entreprisesd'électricité et les gouvernementsontoffert des subventions et des réductions pour encourager les propriétairesàinvestirdansl'énergiesolaire pour leurmaison. En effet, en 1995, des programmes de toitsphotovoltaïquesraccordés au réseauontétélancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisentdepuis 2001.
Fonctionnement L’effetphotovoltaïqueest la création de voltage ou de courant électriquedans un matériau après son exposition à la lumière. Quand la lumière du soleil (ou de n’importequelleautre source) arrive sur la surface du matériau, les électrons de sacouche la plus extérieure (la couchedite de valence) absorbent de l’énergie, et, devenantexcités (plus énergisés et doncbougeant plus) échappentàcettecouche et deviennentlibres.
Pour exploiter ceteffet, on utilisedeux couches de silicium, un élementdit semi-conducteurdont les quatreélectrons de valence luipermettent de former quatre liaisons covalentes avec un atomevoisin. Danscecas, tous les électronssontutilisés et aucunn’estdisponible pour créer un courant électrique. C’est pour celaquechaquecoucheest “dopée” par des atomesdifférents: • La couche du haut (qui reçoit la lumière) reçoit un dopage de type N, qui consisteàproduire un excèsd'électrons par l’addition de phosphore; • La couche du bas reçoit un dopage de type P, qui consisteàproduire un déficitd'électrons par l’addition de bore.
Ainsi, l’énergieajoutée par la lumière du soleildéplace des électrons de la couche du haut vers la couche du bas. Cependant, certainsélectrons ne peuvent pas reveniràleurétat initial (en remplissant un des “trous” de la couche du bas), formant donc un courant électriquecontinu. Note: Ce courant est direct et nécessite un onduleur pour le transformer en courant alternatif, qui est la forme de courant utilisée par tous les appareilsélectroniquesd’aujourd’hui.
Les differents types de cellules photovoltaïques • Les modules solairesmonocristallins:ilspossèdent le meilleurrendement au m². Ilssontessentiellementutiliséslorsque les espacessontrestreintspuisqueleurcoûtest plus élevéquecelui des autres types de cellules. • Les modules solairespolycristallins:ilsontactuellement le meilleur rapport entre la qualité et le prix. C'est pour celaquecesont les plus utilisés. Ilsont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans). • Les modules solairesamorphes: cesont les moinschèrsàproduire, maisaussi les moinsefficaces.Le siliciumamorphepossède en effetun rendementdivisé par deux par rapport àcelui du cristallin.
Economie Le prix du kWh produit par une installation solairephotovoltaïquedépend des coûts fixes liésàl'investissement initial (achat du matériel et travaux), de la quantité de rayonnement solaire reçu par l'installation, du rendement de l'installation et surtout de la duréeprise en compte pour l'amortissement de l'investissement. Pour un calcul plus précis, ilfaudraittenircompte de la durée de vie moyenne de l'onduleur (trèsprobablement comprise entre 10 et 20 ans pour une installation domestique). Par exemple, avec unedurée de 10 ans : • Pour une installation domestique de 3 kW produisant 3 000 kWh/an, et ayantcoûté 6 €/W, le kWh coûtait, en 2009, 58 centimes ; le coût descend à 40 centimes si on obtient 4 500 kWh/an (zone bienensoleillée, comme en Corse par exemple) et monteà 72 centimes si la production n'estque 2 500 kWh/an (zone moinsensoleillée : nord de la France, Belgique) ;
Pour unecentralesolairetellequecelled'Amareleja (Portugal), ayantcoûté 261 millions d'euros et produisant 93 GWh/an, soit 2,8 € par kWh et par an, le coût du kWh peutêtreestiméà 28 centimes ; • Pour le projet (àéchéance 2015) de centralephotovoltaïqueà concentration de Mildura en Australie, d'une puissance de 154 MW et produisant 270 GWh par an pour un investissement initial de 420 millions de dollars australiens (320 millions d'euros), le coûtprévisionnelpeutêtreestiméà 12 c€/kWh. De toutes les énergiesrenouvelables, le kWh photovoltaïqueest (en 2008) de loin le plus cher (20 à 25 centimes pour unecentrale et environ 40 centimes pour une bonne installation individuelle en France, contre 7 à 8 pour l'éolien par exemple). Celadonnait début 2010 un tarifd'achat de 7,4 à 10,4 foissupérieur pour le photovoltaïque en comparaison des prix actuels du marché.
La technique photovoltaïqueprésentecependant des possibilités de réduction de coûts beaucoup plus grandesquetoutes les autres. De plus, ilfauttenircompte des économiessur le réseauélectriqueinduites par des installations décentralisées de production d'électricité. Cesfacteursjustifientl’intérêt pour le photovoltaïque et expliquentqu'ilbénéficied'incitationsgouvernementalesluipermettant de se développer en dépit de coûts plus importantsquetoutes les autres, développement qui estd'ailleursune des conditions à la baisse des coûts.
Utilisations Jusqu'àunedizained'annéesauparavant, l’énergiephotovoltaïqueétaitutiliséefréquemmentpour les calculatrices et autrespetitsdispositifs. Mais des améliorationsdans les circuits intégrés de puissance ontpermisà la charge de telsdispositifs de durerplusieursannées entre les changements de batterie, rendantmoinsfréquentel’utilisation de cetteénergie. En revanche, l’énergiesolaire a euuneutilisationcroissanterécemmentdans des endroitsoù le coût de connexion au réseauélectriqueest trop important. De telles applications comprennent les pompesà eau, les parcmètres, les téléphonesd'urgence, les compacteurs de déchets et les panneaux de signalisationtemporaires. Les panneauxsolairessontaussiutilisés pour alimenter en électricité des sites isolés et difficilesd’accès, par exemple des régionsmontagneuses.
Danscescas, ilestintéressantd’installer des panneauxsolaires car ceux-ci ne demandentquetrèspeu, voireaucunentretien. L’énergiephotovoltaïqueestrarementutilisée pour donner de la force motricedans les divers transports, maiselleestutiliséecomme source d’énergieauxiliairedanscertains bateaux et voitures. Un véhiculeautonomesolaireaurait un pouvoirlimité et unefaibleutilité, mais un véhiculesolaireà charge permettraitl'utilisation de l'énergiesolaire pour le transport. En effet, des voituressolairesont déjà étémises en évidence. Finalement, l’énergiephotovoltaïqueestutilisée pour obtenir de l'énergieélectriquedansl'espace.
Avantages • L’énergiesolaireestcomplètementrenouvelable: le Soleil n’arrêtera pas d’illuminer la Terre. • Les 89 PW de lumière solaireatteignant la surface de la Terre par jour sontabondants - près de 6000 fois plus que les 15 TW consommés en moyenne par les humains. De plus, la production d'électricitésolaire a la plus forte densité de puissance possible (moyenneglobale de 170 W/m2) parmi les énergiesrenouvelables. • L'énergiesolaireest non polluante pendant son utilisation; des technologies de recyclage en fin d'utilisationsont en cours de développement et des politiques qui encouragent le recyclage des producteurssont en train d’être implantées.
Les installations photovoltaïquespeuventfonctionner pendant de nombreusesannées avec peud'entretienoud'intervention après leurmise en place initiale, donc après le coût initial de la construction d'unecentralesolaire, les coûtsd'exploitationsontextrêmementfaibles par rapport aux technologies électriquesexistantes. • Par rapport aux sources d'énergiefossiles et nucléaires, trèspeu de ressourcesontétéinvestiesdans le développement de cellules solaires, de sortequ'il y a place àl'amélioration. Néanmoins, des cellules solairesexpérimentalesont déjà des rendements de plus de 40% et cetteefficacitéest en train d’augmenterrapidementalorsque les coûts de leur production en masse sont en diminution.
Les risquessurl’environnement • Si l'électricitéproduite par une installation photovoltaïqueest sans pollution, la fabrication, l'installation et l'élimination des panneauxont un impact surl'environnement. Pour cette raison, les différentsgouvernementsmettentprogressivement en place des obligations d'intégrer le démantèlement et le recyclage des installations en fin de vie. Les panneauxsolairesphotovoltaïque, contient des élémentsfacilement inflammable, meme sisont isolation est de classe II (isolation renforcée), commetoutesappareilsélectroniquesquel'onbrule, sont isolation termine par s'abime et ilpeutfaciliter la propagation de l'incendie, mais ne peut pas le commencer.
Conclusion • Le photovoltaïqueest en pleinessor, ellepermet beaucoup d’avantages pour les systèmesisolés. Le rendement a beaucoup augmentédepuis les débuts du PV. Maisaujourd’hui, les chercheurs se tournentdavantageversl’amélioration de la durée de vie des panneaux. Malgré tout, elle ne s’est pas encore imposéecommel’énergie du futur.
