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Energie photovoltaïque |
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Les cellules solaires photovoltaïques sont des semi-conducteurs capables de convertir directement la lumière en électricité.
L'utilisation des cellules solaires débute dans les années quarante dans le domaine spatial. Les recherches d'après guerre ont permis d'améliorer leurs performances et leur taille mais il faudra attendre la crise énergétique des années septante pour que les gouvernements et les industriels investissent dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.
Toutefois, les prévisions de baisse des prix des modules photovoltaïques
ont été trop optimistes et l'industrie photovoltaïque
se trouve dans une situation difficile. En effet, la complexité
des procédés de fabrication des modules photovoltaïques
et les rendements de production trop faibles entraînent des coûts
élevés qui freinent le volume des ventes.
On peut espérer que, dans les années à venir,
la technologie photovoltaïque arrive à "maturité" (procédés
simplifiés, meilleurs rendements de production) et qu'alors l'augmentation
du volume de production réduise le coût des modules.
En dépit de ces difficultés, l'évolution de la technologie et du marché photovoltaïques est globalement positive. Les méthodes de fabrication se sont améliorées réduisant les coûts de production et les volumes de production ont été augmentés dans l'espoir de réduire les coûts. La production mondiale de modules photovoltaïques est passée de 5 Mégawatts-crête (MWc) en 1982 à 60 MWc en 1992. La croissance du marché photovoltaïque pour 1992 a été de +10% en moyenne, l'Europe ayant pu maintenir un taux de croissance élevé de +25 à +30%, alors que les taux aux Etats-Unis et au Japon étaient respectivement de +7% et de -5%.
Actuellement, 90% de la production totale de modules se fait au Japon,
aux EU et en Europe, avec en particulier des grandes compagnies, Siemens,
Sanyo, Kyocera, Solarex et BP Solar, qui détiennent 50% du marché
mondial. Le solde de 10% de la production est fourni par le Brésil,
l'Inde et la Chine qui sont les principaux producteurs de modules dans
les pays en voie de développement.
Les applications photovoltaïques se répartissent de manière
égale entre les pays industrialisés du nord et les pays dits
en voie de développement. Il est toutefois difficile d'établir
des prévisions pour cette fin de siècle: suivant les sources,
l'estimation de la capacité de production va de 100 à 1.000
MWc par an.
La cellule photovoltaïque est composée d'un matériau semi-conducteur qui absorbe l'énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs.
Le semi-conducteur
Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu'un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu'il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction). C'est l'énergie du "band gap", Eg, en électron-volt (eV). Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et va de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si), et 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si).
Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons - particules de lumière - en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d'onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste passera au travers de l'épaisseur de la cellule.
Les photons absorbés dont l'énergie est supérieure à l'énergie du band gap vont libérer un électron négatif, laissant un "trou" positif derrière lui. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique, E, de part et d'autre de la cellule.
La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du "dopage" par des impuretés. Deux types de dopage sont possibles:
Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.
Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l'insertion
dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le
bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour
le silicium.
Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type
p) de part et d'autre de la cellule, il en résulte, après
recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ
électrique constant créé par la présence d'ions
fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées
par l'absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule
photovoltaïque. Lorsque l'énergie du band gap augmente, le
courant diminue mais la tension est plus élevée.
L'interconnexion de modules entre eux - en série ou en parallèle - pour obtenir une puissance encore plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé aussi "Balance of System" ou BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la structure rigide (fixe ou mobile) pour poser les modules, le cablage, la batterie en cas de stockage et son régulateur de charge, et l'onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif.
Le système photovoltaïque est alors l'ensemble du générateur photovoltaïque et des équipements de consommation (charge ou load).
La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages.
Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients.
C'est de loin le secteur le plus ancien puisque les premières utilisations de cellules solaires pour des engins spatiaux (satellites, navettes,...) remontent aux années soixante. Depuis lors, des recherches et développements nombreux ont été réalisés dans le domaine militaire (NASA aux Etats-Unis) et public (ESA en Europe) pour accroître les performances électriques tout en réduisant le poids des modules.
Le spectre du rayonnement solaire étant différent
en dehors de l'atmosphère, on utilise pour les cellules et les modules
spatiaux d'autres matériaux plus sensibles dans les ultra-violets
et plus résistants aux rayonnements et aux bombardements divers
(UV,
électrons, protons, ions, oxygène atomique, micro-météroïdes,...).
L'arséniure de gallium (AsGa), le phosphure d'indium (InP) et le
tellurure de cadmium (CdTe) sont les semi-conducteurs les plus prometteurs
pour réaliser ces objectifs.
L'approvisionnement en électricité dans les régions rurales isolées est un problème d'actualité, en particulier dans les pays en voie de développement. L'extension du réseau pour des demandes relativement faibles et isolées n'est pas rentable pour les sociétés d'électricité. Bien que la solution des groupes électrogènes (Diesel) présente beaucoup d'inconvénients (peu fiables, peu autonomes, coûts cachés pour le combustible, les réparations et l'entretien), ils ont souvent été choisis pour leur coût d'investissement modéré. En effet, le coût initial élevé d'un générateur photovoltaïque est l'obstacle majeur à son expansion sur ce type de marché, en particulier dans les pays en voie de développement où les taux d'intérêt sont souvent très élevés.
Les dizaines de milliers d'unités photovoltaïques
autonomes (au silicium cristallin ou amorphe) installées de par
le monde ont pourtant démontré leur compétitivité
en ce qui concerne de multiples applications de petite et moyenne puissance
(inférieur à 100 kW).
De nombreuses organisations internationales d'aide aux pays en voie
de développement ont choisi la technologie photovoltaïque comme
outil de développement social et économique pour fournir
des services de base à la population, tels que:
-le pompage de l'eau pour la consommation du village ou pour l'irrigation,
-la réfrigération pour la production de glace et la conservation
de vaccins, sang, produits agricoles,...,
-l'éclairage (lampe portative, éclairage public, électrification
villageoise, ...)
La technologie photovoltaïque est de plus en plus couramment intégrée dans les programmes nationaux d'électrification rurale (habitations domestiques, écoles, centres de santé, télécommunication, ...). Le débat reste ouvert quant au choix d'un système photovoltaïque centralisé (avec un générateur photovoltaïque unique pour un ensemble d'utilisateurs dispersés) ou décentralisé (petits générateurs photovoltaïques pour chaque consommateur). Le choix dépendra d'abord de la densité de l'habitat et ensuite du mode de financement possible (pouvoir d'achat du consommateur, aide de banques locales, aide internationale,...).
Beaucoup d'applications professionnelles exigent une source d'électricité
hautement fiable, autonome, sans entretien et sans combustible. Le générateur
photovoltaïque est de loin l'option la plus séduisante; on
l'utilise avec succès dans les télécommunications
(stations-relais pour TV, radio, téléphonie, émetteur-récepteur,...),
mais aussi pour d'autres applications telles que:
-protection cathodique,
-systèmes silencieux ou sans vibration,
-éclairage, balises et signaux pour la navigation,
-équipement de monitoring,
-télémétrie, etc.
Avec les applications photovoltaïques connectées au réseau d'électricité national, une nouvelle tendance se dégage; elle est caractérisée par un fort potentiel de diffusion dans les pays industrialisés. Des centrales de production photovoltaïque sont expérimentées depuis quelques années en Europe (44 kW en Allemagne, 300 kW en Grèce, 340 kW en Corse), aux Etats-Unis (1 MW à Lugo, 8 MW à Carissa Plain) et au Japon (1 MW à Saijo), mais elles n'ont pas encore dépassé le stade pilote.
La plupart des projets utilisent des champs de capteurs plans,
mais on expérimente aussi les systèmes à concentration
dans les régions riches en rayonnement direct.
Seules les centrales photovoltaïques de moyenne et faible puissances
(0,1 à 0,5 MW) semblent avoir une rentabilité économique.
Elles seront vraisemblablement destinées à compléter
le réseau en différents points critiques.
Par exemple, aux extrémités d'un réseau, la qualité de la puissance se détériore lorsque la demande en électricité augmente. Une centrale photovoltaïque placée en bout de ligne permet de redresser la tension et d'améliorer la puissance.
Lorsque la pointe de la demande est en phase avec l'ensoleillement, la centrale photovoltaïque connectée au réseau permet de fournir les pointes. C'est le cas dans le sud des E.U. où la demande est maximum aux heures les plus ensoleillées à cause du conditionnement d'air omniprésent.
Une autre application intéressante dans ce secteur est la combinaison hydro-photovoltaïque pour des centrales au fil de l'eau (0,1 à 10 MW). L'apport énergétique du système photovoltaïque complète idéalement le creux saisonnier de certains cours d'eau, et la variation de la production sur l'année est atténuée. Cette application pourrait être développée dans nos régions dans un futur proche.
Le générateur photovoltaïque connecté au réseau est aussi envisagé en zone urbaine avec l'installation de modules sur les toits et façades de bâtiments.
Les premières réalisations datent de la fin des années 70 aux Etats-Unis, mais ce n'est que depuis quelques années que l'Europe s'est lancée dans un programme d'expérimentation de maisons photovoltaïques (2 à 3 kWc par toit), en particulier en Suisse et en Allemagne où la politique de protection de l'environnement est sévère.
L'intérêt de telles réalisations est de produire
de la puissance à l'endroit même de la demande, en s'affranchissant
des problèmes du stockage. L'excès de production est injecté
dans le réseau, et en période de non production (la nuit),
l'électricité est prélevée
sur le réseau. Le compteur tourne alors dans les deux sens.
L'enjeu est important mais la rentabilité est très faible,
même si le Wc coûte moins cher qu'en région isolée.
En Europe, la demande domestique en électricité est généralement
déphasée par rapport à
la contribution du photovoltaïque, la pointe se situant le soir.
La façade photovoltaïque suscite beaucoup d'enthousiasme en Europe et aux E.U.; le recouvrement des façades de bâtiments commerciaux - où la consommation est essentiellement diurne - correspond mieux aux heures d'ensoleillement. L'orientation verticale (ou quasi) peut être avantageuse dans nos régions de haute latitude pour rehausser la production au creux de l'hiver. Cependant, l'apport énergétique d'une façade recouverte de modules photovoltaïques risque d'être assez négligeable par rapport aux consommations de bâtiments commerciaux. En réalité, l'enthousiasme découle du fait que le revêtement à l'aide de panneaux solaires photovoltaïques reviendrait pratiquement au même prix qu'un recouvrement à l'aide de matériaux classiques.
L'électronique moderne requiert de très petites
puissances - du milliWatt à la dizaine de Watt - de sorte que beaucoup
de petits appareils peuvent être alimentés par une petite
surface de cellules photovoltaïques. Les calculatrices et les montres
sont de loin les applications les plus connues. Les chargeurs de batteries,
radios, lampes de poche, luminaires de jardin, systèmes d'alarme,
jouets, fontaines, tondeuses à gazon, etc.,
sont d'autres exemples et cette liste n'est pas limitative.
La plupart de ces mini-générateurs photovoltaïques utilisent des cellules au silicium amorphe, bon marché et mieux appropriées aux faibles illuminations et petites puissances. Ils constituent une alternative très intéressante aux piles qui comportent des risques divers de contamination de l'environnement par les métaux lourds principalement. Le Japon est le principal producteur et consommateur de ces articles.
Photo: Internet
Le "kayak" solaire du Japonais Kenichi Horie, âgé de 56
ans, est recouvert de cellules photovoltaïques pouvant générer
1,5 kW. Une batterie nickel-hydrogène alimente le moteur du bateau
et une autre le frigo, une radio, l'éclairage et un enregistreur
video.
La coque en alu est faite, partiellement, de 27 000 canettes de bière
recyclées (le mécène du voyage est un marchand de
bière!). Parti du port de Salinas (Ecuador) le 20 mars 1996, il
rejoignit le port de Tokyo au début août de la même
année.
Belgique
Bruxelles: le long du stade Baudouin au Heysel.
España
Huit localités du Maresme (Catalunya): Villasar de Mar (plaça Marti, plaça Ventura Gassol et le Pas de Laia), Alella (passeig de Can Coll), Teià (zone du Castell), Calella (les Torretes), Vilassar de Dalt (six maisons isolées alimentées par un petite centrale), El Masnou (passeig maritime), Premià de Mar (une place) et Palafolls (le cimetière!).
Portugal
Castro D'Aire.
Association française des activités sportives solaires
(AFASS)
Organisateur du championnat européen des bateaux solaires
à La Rochelle en juillet 1996
F. Berthet
133, r. Michel-Ange
Tél.+ fax: +33 (1) 40 71 63 72
case
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