Principes de fonctionnement des panneaux photovoltaïques

Un panneau solaire ou capteur solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie de l’énergie du rayonnement solaire pour la convertir en une forme d’énergie utilisable. La meilleure orientation est plein sud et la meilleure inclinaison, pour une utilisation sur une année entière, est d’environ 45°.

Deux types de panneaux solaires

Le solaire thermique

Les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui récupèrent sous forme de chaleur l’énergie du soleil et assurent un préchauffage de l’eau (chauffe-eau solaire, chauffage).
La distance entre les capteurs et le ballon de stockage conditionne l’efficacité énergétique du solaire thermique.

Le solaire photovoltaïque

Les panneaux photovoltaïques, convertissent la lumière en électricité (production d’électricité). Le recours à des panneaux photovoltaïques répond généralement à un projet de production de l’électricité non polluante destinée à la vente. Cette technologie est plus adaptée sur des grandes surfaces (bâtiments neufs d’activités ou industriels).

Fonctionnement d’une installation photovoltaïque

Le terme « photovoltaïque » est composé du grec ancien « photos » = lumière, et du nom du physicien italien, Alessandro Volta, inventeur de la pile électrique, qui donna aussi son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt. L’énergie solaire photovoltaïque est l’électricité produite par la conversion directe de l’énergie lumineuse du soleil en électricité grâce à une cellule photovoltaïque.

Les modules photovoltaïques n’utilisent que le rayonnement solaire (énergie lumineuse) pour produire l’électricité, sa chaleur n’étant pas un intermédiaire dans la production d’électricité photovoltaïque. Le rayonnement peut cependant être transformé en chaleur par d’autres technologies, comme les centrales solaires thermodynamiques, ou les capteurs solaires noirs installés sur les toits des particuliers. Comment ça marche.

Principe de fonctionnement des panneaux photovoltaïques

Le principe de fonctionnement d’un panneau photovoltaïque est semblable à celui d’une pile : une différence de potentiel est créée entre le pôle positif et le pôle négatif, ce qui permet aux électrons de circuler et de produire un courant électrique continu. Les électrons du silicium, matériau semi-conducteur qui compose les cellules photovoltaïques, ont la propriété de se mettre en mouvement sous l’effet du rayonnement solaire. Cette agitation en tous sens ne suffit pas à produire de l’électricité : pour cela, il faut produire une tension, grâce à une différence de potentiel entre un pôle positif et un pôle négatif, afin de faire circuler les électrons dans un sens bien précis. La différence de potentiel, nécessaire à la circulation du courant, est créée par le dopage du silicium : le dopage consiste à ajouter au silicium d’autres atomes, qui comportent plus ou moins d’électrons que le silicium, de façon à ce que le matériau présente un excès d’électrons (dopage de type N comme négatif) ou au contraire un déficit d’électrons (dopage de type P comme positif). La couche de la cellule exposée à la lumière est dopée avec des atomes de phosphore, qui comptent un électron de plus que le silicium. Cette couche, qui contient un excédent d’électrons (charges négatives), va constituer la borne négative. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore (un électron de moins que le silicium), elle présente un déficit d’électrons, et constitue la borne positive. Les cellules sont couvertes de conducteurs. Dès que la lumière du soleil atteint la couche dopée N, les électrons se mettent en mouvement, et le courant électrique est créé et collecté par les conducteurs.

Production photovoltaïque et puissance produite

Les centrales solaires photovoltaïques permettent de produire de l’électricité à grande échelle. Elles rassemblent plusieurs modules solaires photovoltaïques, reliés en série ou en parallèle, qui sont des générateurs de courant continu. D’une puissance allant de quelques MW à plusieurs dizaines de MW le plus souvent, les centrales solaires sont de plus en plus puissantes, et peuvent dépasser les 100 MW en 2012. Qu’il s’agisse de panneaux installés sur les bâtiments ou de centrales, la technique de production d’électricité est la même. Contraintes géographiques Une centrale photovoltaïque nécessite une surface importante, dans un lieu bien ensoleillé. En France, les centrales photovoltaïques sont principalement situées dans le sud.

Exploitation

L’énergie solaire est une énergie intermittente : la production électrique est interrompue la nuit. Quand le ciel est couvert, le panneau produit moins. Comme le panneau n’utilise que la lumière, et non la chaleur, il fonctionne également lorsqu’il fait froid.

Les solutions pour le transport et la distribution de l’énergie

Les centrales photovoltaïques produisent un courant continu. Pour l’injecter dans le réseau de transport/distribution, en alternatif, on utilise des onduleurs, dispositifs permettant de convertir un courant continu en courant alternatif. Les centrales photovoltaïques se raccordent : • soit au réseau de transport Haute ou Très Haute Tension (HT ou THT) si la puissance est supérieure à 12 MW, • soit au réseau de distribution Moyenne Tension (puissance inférieure à 12 MW)

Un environnement propice au développement solaire

Ressources

L’énergie solaire est inépuisable (du moins pour 4 milliards d’années), et bien répartie sur terre. Elle est disponible gratuitement, en grande quantité. Si, en France, les 10000 km2 de toitures existantes étaient utilisées comme générateur solaire, la production serait de 1000 TWh par an, soit plus du double de la consommation annuelle finale d’électricité (450 TWh). Les panneaux photovoltaïques répondent à une diversité de besoins :
• une production à petite échelle (utilisation domestique) ou décentralisée (sites isolés). L’énergie produite en surplus peut dans ce cas être stockée dans des accumulateurs ou batteries.
• une production à grande échelle (centrale photovoltaïque). Dans ce cas, une surface importante est nécessaire, qui peut entrer en concurrence avec d’autres utilisations des sols.

Pollution

La conversion de l’énergie solaire en électricité n’émet ni polluants, ni gaz à effet de serre. Les panneaux solaires sont presque entièrement recyclables. Les matériaux récupérés peuvent être réutilisés pour la fabrication de nouveaux panneaux. Le silicium, présent dans le sable, est une ressource abondante et non toxique. Cependant, l’impact énergétique de la fabrication des panneaux de silicium est important. Le silicium nécessaire à la fabrication des cellules doit être extrêmement pur, ce qui n’existe pas à l’état naturel. La purification du silicium nécessite de grandes quantités d’énergie, principalement de l’électricité. Si l’on considère le cycle de vie d’un panneau photovoltaïque, la quantité de CO2 émise pour la production d’un MWh solaire dépend, entre autres paramètres, de la façon dont a été produite l’électricité utilisée pour sa fabrication. L’Ademe donne le chiffre de 55 g eq CO2 par kWh photovoltaïque en France (+/- 30%). C’est inférieur aux émissions dues aux combustibles fossiles, mais supérieur à celles de l’hydraulique ou du nucléaire.

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