Comment l’énergie photovoltaïque est-elle produite ?

Définition simplifiée : C’est l’énergie électrique fournie à partir du soleil.

Le principe de l’obtention du courant par les cellules photovoltaïques s’appelle l’effet photoélectrique. Ces cellules produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire. Ensuite 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.

Les installations non connectées peuvent directement consommer l’électricité produite. À grande échelle, c’est le cas des calculatrices solaires et autres gadgets, conçus pour fonctionner en présence de lumière naturelle ou artificielle (dans un logement ou un bureau). À plus petite échelle, des sites non raccordés au réseau électrique (en montagne, sur des îles ou des voiliers, un satellite…) sont alimentés de la sorte, avec des batteries d’accumulateurs pour disposer d’électricité au cours de périodes sans lumière (la nuit notamment).

Des installations photovoltaïques sont aussi connectées à un réseau de distribution. Sur les grands réseaux de distribution (Amérique du Nord, Europe, Japon…) des installations photovoltaïques produisent de l’électricité et l’injectent dans le réseau. Pour ce faire, ces installations sont munies d’onduleurs qui transforment le courant continu en courant alternatif aux caractéristiques du réseau (e.g. fréquence de 50 Hz en Europe ou 60 Hz en Amérique du Nord par exemple). Elles n’ont pas besoin d’installation de stockage (batteries), l’électricité est consommée à l’instant où elle est produite par les consommateurs les plus proches sur le réseau.

Les différentes techniques de modules photovoltaïques.

Il existe plusieurs techniques de modules solaires photovoltaïques :

  • les modules solaires monocristallins possèdent un meilleur rendement au m² et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût, plus élevé que celui d’une autre installation 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.

Influence de l’ensoleillement

Même si la constante solaire est de 1,367 kW/m², les pertes de lumière lors de la traversée de l’atmosphère réduisent l’énergie reçue au sol à environ 1 kW/m² au midi vrai: 1 m² de panneaux exposés en plein soleil reçoivent 1 kW (1 000 watts). C’est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs et en laboratoire pour déterminer le rendement d’une cellule ou d’un panneau solaire, c’est une source lumineuse artificielle de 1 kW/m² qui est utilisée. Au final, l’énergie qui arrive au sol dépend de la nébulosité, de l’inclinaison du soleil (et de l’épaisseur de l’atmosphère à traverser) et donc de l’heure de la journée.

Au cours d’une journée, même sans nuage, la production électrique du panneau varie en permanence en fonction de la position du soleil et n’est à son maximum que pendant un bref passage au plein midi. Le nombre d’heures d’équivalent plein soleil (valeur qui concerne le producteur d’électricité photovoltaïque), est moindre que le nombre d’heures où le soleil a brillé (le nombre d’heures d’ensoleillement au sens de la météorologie) dans la journée. La saison joue aussi, dans le même sens.

Alors que cette question peut être étudiée plus en détail sur le site de l’Institut de l’énergie solaire (INES), il faut aussi tenir compte de l’albédo du sol, c’est-à-dire de son pouvoir de réflexion de la lumière. Lorsqu’une installation est dans un environnement très réfléchissant (un paysage de neige par exemple), sa production augmente parce qu’elle récupère une petite partie de la lumière réfléchie par la neige alentour. Mais cette variable n’est pas facile à quantifier et se trouve, de fait, incluse dans le nombre d’heures d’équivalent plein soleil.

Avant de s’équiper en panneaux photovoltaïques, il est intéressant de savoir ce qu’on peut en tirer au lieu géographique concerné. L’information se trouve facilement sur internet, par exemple la Communauté Européenne a mis en ligne un nouveau logiciel gratuit PV Estimation Utility…

Quelques ordres de grandeur

  • 10 heures de vélo produisent en moyenne 1 kWh.
  • Un ménage de 4 personnes consomme entre 3’000 et 4’000 kWh par an.
  • Pour atteindre 20% d’électricité solaire en Suisse, il faut poser ~ 12 m2 de panneaux solaires par habitant.

L’article

Contre les idées recues sur l’électricité solaire Adobe_PDF_IconSmall