Photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque est une forme d’énergie renouvelable permettant de produire de l’électricité par transformation d’une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque.

Plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque. Plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque.

Cette installation peut-être isolée et fonctionner « en îlot » en chargeant des batteries et répondant à des besoins locaux, ou alimenter un réseau de distribution électrique.
Le terme photovoltaïque désigne indifféremment le phénomène physique – l’effet photovoltaïque – et/ou la technologie associée.

Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire, qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. De nombreuses calculatrices de poche utilisent l’énergie photovoltaïque.

Quand l’énergie nécessaire dépasse la quantité fournie par une seule cellule, les cellules sont regroupées pour former un module photovoltaïque, parfois désigné de manière ambiguë sous le terme de panneau solaire. De tels modules ont été dans un premier temps utilisés pour alimenter des satellites en orbite, puis des équipements électriques dans des sites isolés ou sur des bateaux ou véhicules. Une baisse des coûts de production a ensuite élargi le champ d’application de l’énergie photovoltaïque à la production d’électricité sur les réseaux électriques.

Influence de l’ensoleillement

Sur terre, l’énergie solaire moyenne en pleine exposition reçue par m² de panneaux exposés en plein soleil est de 1 kW, alors que dans l’espace la constante solaire est de 1,367 kW/m². Malgré son nom la constante solaire n’est pas vraiment constante puisque l’activité solaire n’est pas elle-même constante.
Les pertes occasionnées lors de la traversée de l’atmosphère par la lumière est telle que l’énergie qui arrive au sol sur terre est plus faible et de l’ordre moyen de 1 kW/m² au midi vrai. C’est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs. En laboratoire pour déterminer le rendement d’une cellule ou d’un panneau solaire, une source d’énergie solaire artificielle de 1 kW/m² est également utilisée. Au final, l’énergie qui arrive au sol dépend de l’inclinaison du soleil donc de l’épaisseur de l’atmosphère à traverser et de sa nébulosité.
Alors que cette question peut être étudiée plus en détail sur le site de l’Institut de l’énergie solaire (INES), le nombre d’heures d’équivalent plein soleil concerne plus particulièrement le producteur d’électricité photovoltaïque.
En effet, un panneau solaire n’est qu’exceptionellement exactement face au soleil puisque la terre tourne sans arrêt et que l’inclinaison du soleil par rapport au panneau évolue en permanence.

• Au cours d’une journée sans nuage la production électrique du panneau varie également en permanence en fonction de la position du soleil et n’est jamais à son maximum sauf au bref passage du plein midi. La production en fin de journée est donc une somme de productions partielles.
• Par temps couvert, donc en l’absence de soleil, la luminosité ambiante permet quand même une toute petite production électrique, et ces petites productions additionnées finissent par faire des kWh. En fin d’année à partir du total de la production électrique on obtient le nombre d’heures d’équivalent plein soleil de l’année qui n’a rien à voir avec le nombre d’heures d’ensoleillement au sens météo.

Le nombre d’heures d’ensoleillement vu par les services météo ou les climatologues n’est pas de la même nature. Soit il y a du soleil soit il n’y en a pas. On constate que Rouen est située sur la ligne des 1750 heures d’ensoleillement par an, alors que le nombre d’heures d’équivalent plein soleil y est proche de 1100 heures.
Il faudrait aussi tenir compte de l’albedo du sol, c’est-à-dire de son pouvoir de réflexion de la lumière. Lorsqu’une installation est environnée de neige par exemple, donc d’un environnement très réflexif, la production d’une installation 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 qui nous concerne. Pour cela, la Communauté Européenne a mis en ligne un logiciel gratuit qui permet à tout citoyen de l’Union où qu’il se trouve dans la Communauté de connaître la production d’électricité annuelle en kWh dont il bénéficiera (PV Estimation Utility). On découvre ainsi qu’à Liège on peut obtenir 840 kWh/kWc/an, Hambourg 870, Colmar 940, Rouen 950, Munich 950, Arcachon 1100, Chamonix 1110, La Rochelle 1140, Agen 1150, Perpignan 1290, Eraklion Crête 1310, Madrid 1400, Cannes 1465, Séville 1470, Malte 1480, Faro Portugal 1550.

Influence de l’évolution récente des rendements.

En 1995, les rendements des panneaux monocristallins étaient d’environ 10%, en 2000 d’environ 12% et actuellement (2007) suivant les fabricants, de 15 à 17%. En 12 ans, la croissance des rendements a donc été de près de 60%.

Pour calculer une production électrique annuelle estimée, il suffit de multiplier le nombre d’heures d’équivalent plein soleil par le rendement des panneaux. Ainsi pour Rouen avec 1.100 h et des panneaux d’un rendement de 15 %, on arrive à 1 kW/m² x 1.100 h/an x 0,15 = 165 kWh/m²/an. Cette production s’entend à la sortie des panneaux, donc ne tient pas compte des pertes dans les fils et lors de la conversion en électricité alternative par l’onduleur. En tenant compte de ces pertes (lignes, connexions, onduleur ; soit 14 % environ) on arrive à 142 kWh/m²/an (165 x 0,86). Certains onduleurs récents ont un rendement qui permet d’obtenir un résultat meilleur que celui là.On peut aussi dire qu’avec un rendement de 15 %, la puissance fournie par un panneau d’1 m² est de 1 kW x 0,15 = 150 W. Ce qui donne une puissance de 150 Wc (watt crète) sortie panneau.

La rapidité de l’évolution récente des rendements rend très vite obsolète des calculs effectués il y a quelques années seulement. Comme il est prévisible que cette tendance va continuer dans les années qui viennent, faire son propre calcul semble donc une attitude à conserver.

Pour arriver à une puissance de 1 kWc avec des panneaux d’un rendement de 15 %, il faut : 1000 W / 150 W = 6,66 m² de panneaux (ou encore présenté autrement: 150 W par m² x 6,66 m² = 1000 W pour les 6,66 m²). Plus le rendement des panneaux augmente, plus la surface nécessaire pour obtenir une puissance d’1 kWc diminue.

Pour estimer la surface de panneaux souhaitable, l’étude des habitudes de consommation au cas par cas est nécessaire. Tout dépend également du résultat final que l’on veut obtenir. On peut vouloir ne produire qu’une partie de sa consommation ou aller jusqu’à compenser la totalité. On peut même vouloir dépasser sa consommation et devenir revendeur net.

Le marché mondial.

Depuis plusieurs années, les installations de panneaux photovoltaïques sont accélérées par des programmes nationaux offrant des incitations financières telles que des tarifs de rachats bonifiés de l’électricité produite pour le réseau public, notamment en Allemagne, Japon, Espagne, É.-U., Australie, France et dans d’autres pays (mais souvent à des conditions particulières).
En 2006, les nouvelles installations solaires photovoltaïques ont représenté, dans le monde, une puissance de 1500 MW , portant la totalité des installations mondiales à 6700 MW . Le Japon (1750 MW) , l’Allemagne (3063 MW) et les États-Unis (610 MW) représentent ensemble 81 % du marché mondial. Les installations connectées aux réseaux (sans stockage de l’électricité) représentent la majorité des nouvelles installations.

L’obstacle au développement : le stockage de l’énergie.

Le développement du solaire photovoltaïque a eu pour origine l’électrification des sites isolés et non raccordés au réseau, mais également l’alimentation de matériel mobile. Cette nécessité a permis à la filière naissante de faire année après année des progrès en termes de prix de revient du kWh produit et de rendement des panneaux.
La production d’électricité solaire est sujette aux aléas de l’ensoleillement et n’est pas régulière. Les périodes de production ne coïncident pas aux périodes de consommation et la nuit la production est nulle mais pas les besoins. Dans les sites isolés et non connectés au réseau, on stocke l’énergie dans des batteries pour pallier cet inconvénient. Mais c’est un investissement supplémentaire et non négligeable en terme de coût et d’entretien. Dans ce cas particulier, le surcoût est acceptable en comparaison du prix qu’il aurait fallu mettre dans l’installation d’une nouvelle ligne électrique.
Le développement actuel du solaire photovoltaïque, n’est plus motivé par les besoins des sites isolés sauf dans quelques pays comme l’Inde. La motivation actuelle est due à l’épuisement prévisible des énergies non renouvelables comme le pétrole, le gaz, le charbon, ou l’énergie nucléaire à base d’uranium4 ou de thorium. Depuis peu, médiatisation aidant, nous commençons à en prendre conscience et le photovoltaïque raccordé au réseau apparait comme l’une des solutions.

Il convient donc de mettre en œuvre plusieurs politiques : économiser l’énergie, augmenter l’efficacité énergétique, promouvoir et développer rapidement des énergies de remplacement, communément appelées les « nouvelles énergies renouvelables » (donc hors l’hydroélectricité et hors bois), dont le solaire photovoltaïque fait partie.

Puissances installées en photovoltaïque dans le monde

Différentes puissances cumulées installées fin 2007 :
Monde 9 400 MW dont :

• Europe 4 690 MW
• Allemagne 3 850 MW
• Japon 2 150 MW
• États-Unis 840 MW
• Espagne 516 MW

La prévision mondiale pour 2008 est de 13.500 MW

Cette définition provient de l’encyclopédie libre Wikipédia publiée sous licence GNU FDL, elle est reprise sur techno-science.net à but informatif. Vous pouvez soumettre une modification ou un complément à cette définition sur la page correspondante de Wikipédia. La liste des auteurs de cet article est disponible sur cette page. Nous les remercions de leurs contributions.