L’énergie solaire photovoltaïque

L’effet photovoltaïque a été découvert en 1836 par Antoine Becquerel(Labouret and Villoz, 2009), mais ce n’est que dans les années 60 que les premières applications concrètes ont vu le jour avec l’essor de l’industrie spatiale. Depuis ce temps, les recherches dans ce domaine n’ont cessé d’évoluer afin de pouvoir offrir une alternative aux énergies fossiles en apportant des solutions pour l’amélioration globale des performances des systèmes de conversion photovoltaïque et les rendre plus abordables.

Energie solaire photovoltaïque : 

L’énergie solaire photovoltaïque est une forme d’énergie renouvelable permettant la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire, en énergie électrique à courant continu grâce à une cellule photovoltaïque.

Utilisation :
Les installations domestiques, les centrales électriques photovoltaïques, l’électrification de zones isolées, les éclairages publics, les systèmes de télécommunication ainsi que dans les objets de la vie quotidienne (comme les montres, les calculatrices…) .

Principe photovoltaïque : 

La cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au bore) présentant un déficit d’électrons et l’autre dopée N (dopée au phosphore) avec un excès d’électrons créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel (différence de potentiel). Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau.

Sous l’effet de la lumière, les photons traversant la cellule photovoltaïque arrachent des électrons aux atomes de silicium des deux couches n et p. Les électrons libérés se déplacent alors dans toutes les directions. Après avoir quitté la couche p, les électrons empruntent ensuite un circuit fermé pour retourner à la couche n. . La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule et de son vieillissement (Pastor, 2006) , (“Énergie solaire photovoltaïque : fonctionnement, enjeux et chiffres clés,” 2017).

Types d’installations photovoltaïques : 

Système PV autonomes : 

Le but de cette installation est d’assurer l’énergie demandée par la charge en tout temps. Elle comporte les éléments suivants : un ou plusieurs PV, une batterie de stockage et son contrôleur de charge et un onduleur autonome.

Ce système est utilisé pour les installations qui ne sont pas connectées au réseau, citons par exemple : les sites isolés (îles, en montagnes, désert), les éclairages publics …

Système PV connectés au réseau :

Ce système est couplé directement au réseau électrique à l’aide d’un onduleur GTI (Grid Tie Inverter). L’énergie produite par le PV est consommée sur place par le site et l’excédent de production est injecté au réseau en cas. Lorsque la production du générateur photovoltaïque est limitée, c’est le réseau qui va alimenter le site.

Différentes connexions des systèmes photovoltaïques : 

La connexion directe d’un panneau photovoltaïque à une charge est le principe de fonctionnement le moins cher, dans la mesure où la charge accepte bien la connexion directe au générateur de puissance continue. L’inconvénient majeur de cette connexion est la dépendance entre la puissance fournie par le générateur et la charge. En effet, la puissance fournie par le module photovoltaïque résulte de l’intersection entre la caractéristique I – V du générateur photovoltaïque et celle de la charge (Brunton et al., 2009). Les panneaux solaires de première génération étaient dimensionnés pour que leurs points de puissance maximale correspondent à la tension nominale de batterie. Grâce à cette configuration, une simple connexion directe via une diode anti-retour suffit à effectuer le transfert d’énergie du générateur photovoltaïque à la charge.

Les caractéristiques non-linéaires du module et sa sensibilité aux conditions extérieures, comme l’ensoleillement et la température, induisent des pertes énergétiques. L’utilisation d’un dispositif d’adaptation pour optimiser la production d’énergie à chaque instant est ainsi nécessaire. Celui-ci peut être un convertisseur élévateur (boost), un convertisseur abaisseur (buck) ou un convertisseur élévateur/abaisseur(buck-boost) (Esram and Chapman, 2007a) .

Ainsi, l’un des intérêts à introduire un étage d’adaptation , est d’assurer que le transfert d’énergie est toujours possible et qu’il peut s’effectuer dans des conditions de fonctionnement optimales pour la source PV et la charge. (Kassmi et al., 2007) .

Eléments constituant un système PV : 

Panneau photovoltaïque : 

Plusieurs cellules photovoltaïques connectées entre elles, en série et/ou en parallèle forment un module photovoltaïque ; plusieurs modules photovoltaïques connectés en série et/ou en parallèle forment un générateur photovoltaïque.

Notions fondamentales :
• La puissance d’un panneau photovoltaïque est exprimée en Watt crête (Watt peak en anglais). Il s’agit de la puissance produite par un panneau qui reçoit une irradiation de 1000 Watts par m².
• L’association des cellules photovoltaïques en série permet d’augmenter la tension générée d’un module tout en conservant le même courant (“Les caractéristiques électriques des cellules et des modules photovoltaïques,” 2018). Si l’association des cellules se fait en parallèle, les courants traversant chaque cellule s’additionnent et cela permet d’augmenter le courant résultant du module tout en conservant la même tension  .

• Il est à noter que ce n’est pas parce qu’il fait chaud dehors que la production de l’énergie est importante, c’est la luminosité du soleil qui est transformée en électricité et non pas sa chaleur. La température des cellules photovoltaïques (qui varie globalement entre 20°C et 75°C lorsqu’elles sont en fonctionnement) est plus élevée que la température ambiante (qui va varier de -20°C à 40°C). La température idéale des cellules pour un rendement optimum est de 25°C.