Photovoltaïque

Articles randomisés pouvant vous intéresser :

Le photovoltaïque (PV) est la conversion de la lumière en électricité à l’aide de matériaux semi-conducteurs qui présentent l’effet photovoltaïque, un phénomène étudié en physique, en photochimie et en électrochimie.

Un système photovoltaïque utilise des modules solaires, chacun comprenant un certain nombre de cellules solaires, qui produisent de l’électricité. Les installations PV peuvent être montées au sol, sur le toit ou au mur. La monture peut être fixe, ou utiliser un suiveur solaire pour suivre le soleil à travers le ciel.

Le photovoltaïque solaire présente des avantages spécifiques en tant que source d’énergie : une fois installé, son fonctionnement ne génère aucune pollution et aucune émission de gaz à effet de serre, il montre une simple évolutivité en termes de besoins énergétiques et le silicium est largement disponible dans la croûte terrestre.

Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis longtemps dans des applications spécialisées, car les installations autonomes et les systèmes PV connectés au réseau sont utilisés depuis les années 1990. Les premiers modules photovoltaïques ont été produits en série en 2000, lorsque les écologistes allemands et l’organisation Eurosolar ont obtenu un financement gouvernemental pour un programme de dix mille toits.

Les progrès technologiques et l’augmentation de l’échelle de fabrication ont en tout état de cause réduit le coût, augmenté la fiabilité et augmenté l’efficacité des installations photovoltaïques. Les compteurs nets et les incitations financières, telles que les tarifs préférentiels de rachat de l’électricité produite à partir de l’énergie solaire, ont soutenu les installations photovoltaïques solaires dans de nombreux pays. Plus de 100 pays utilisent maintenant le PV solaire.

Après l’hydraulique et l’éolien, le photovoltaïque est la troisième source d’énergie renouvelable en termes de capacité globale. Fin 2016, la capacité photovoltaïque installée dans le monde est passée à plus de 300 gigawatts (GW), couvrant environ 2 % de la demande mondiale d’électricité. La Chine, suivie du Japon et des États-Unis, est le marché qui connaît la croissance la plus rapide, tandis que l’Allemagne reste le premier producteur mondial, l’énergie solaire photovoltaïque fournissant 7 % de la consommation annuelle d’électricité nationale. Avec la technologie actuelle (à partir de 2013), le photovoltaïque récupère l’énergie nécessaire à sa fabrication en 1,5 an en Europe du Sud et 2,5 ans en Europe du Nord.

Étymologie

Le terme « photovoltaïque » vient du grec φῶς (phōs) qui signifie « lumière », et du grec « volt », unité de force électromotrice, le volt, qui vient du nom de famille du physicien italien Alessandro Volta, inventeur de la batterie (cellule électrochimique). Le terme « photovoltaïque » est utilisé en anglais depuis 1849.

Cellules solaires

Le photovoltaïque est surtout connu comme méthode de production d’énergie électrique en utilisant des cellules solaires pour convertir l’énergie solaire en un flux d’électrons par effet photovoltaïque.

Les cellules solaires produisent de l’électricité en courant continu à partir de la lumière du soleil qui peut être utilisée pour alimenter un équipement ou pour recharger une batterie. La première application pratique de l’énergie photovoltaïque a été l’alimentation des satellites en orbite et d’autres engins spatiaux, mais aujourd’hui, la majorité des modules photovoltaïques sont utilisés pour la production d’électricité à partir de systèmes connectés au réseau. Dans ce cas, un onduleur est nécessaire pour convertir le courant continu en courant alternatif. Le marché des systèmes autonomes pour les habitations éloignées, les bateaux, les véhicules récréatifs, les voitures électriques, les téléphones d’urgence routiers, la télédétection et la protection cathodique des pipelines est encore plus restreint.

La production d’énergie photovoltaïque utilise des modules solaires composés d’un certain nombre de cellules solaires contenant un matériau semi-conducteur. Les câbles solaires en cuivre relient les modules (câble de module), les réseaux (câble de réseau) et les sous-champs. En raison de la demande croissante de sources d’énergie renouvelables, la fabrication de cellules solaires et de panneaux photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années.

La production d’énergie solaire photovoltaïque est depuis longtemps considérée comme une technologie d’énergie propre qui fait appel à la source d’énergie renouvelable la plus abondante et la plus répandue de la planète – le soleil. Les cellules ont besoin d’être protégées de l’environnement et sont généralement emballées de manière étanche dans des modules solaires.

La puissance des modules photovoltaïques est mesurée dans des conditions d’essai standard (STC) en « Wp » (watts crête). La puissance de sortie réelle à un endroit donné peut être inférieure ou supérieure à cette valeur nominale, selon l’emplacement géographique, l’heure de la journée, les conditions météorologiques et d’autres facteurs. Les facteurs de capacité des panneaux solaires photovoltaïques sont généralement inférieurs à 25 %, ce qui est inférieur à de nombreuses autres sources industrielles d’électricité.

Développements actuels

Pour des performances optimales, les systèmes photovoltaïques terrestres visent à maximiser le temps qu’ils passent face au soleil. Les suiveurs solaires y parviennent en déplaçant les modules PV pour suivre le soleil. L’augmentation peut aller jusqu’à 20 % en hiver et jusqu’à 50 % en été. Les systèmes statiques peuvent être optimisés par l’analyse de la trajectoire du soleil. Les modules PV sont souvent réglés sur l’inclinaison en latitude, un angle égal à la latitude, mais les performances peuvent être améliorées en ajustant l’angle en été ou en hiver. Généralement, comme pour les autres dispositifs semi-conducteurs, les températures supérieures à la température ambiante réduisent les performances des modules photovoltaïques.

Un certain nombre de modules solaires peuvent également être montés verticalement les uns au-dessus des autres dans une tour, si la distance zénithale du Soleil est supérieure à zéro, et la tour peut être tournée horizontalement dans son ensemble et chaque module autour d’un axe horizontal supplémentaire. Dans une telle tour, les modules peuvent suivre exactement le Soleil. Un tel dispositif peut être décrit comme une échelle montée sur un disque rotatif. Chaque marche de cette échelle est l’axe médian d’un panneau solaire rectangulaire. Si la distance zénithale du Soleil atteint zéro, l' »échelle » peut être tournée vers le nord ou le sud pour éviter qu’un module solaire ne produise une ombre sur un module inférieur. Au lieu d’une tour exactement verticale, on peut choisir une tour avec un axe dirigé vers l’étoile polaire, ce qui signifie qu’elle est parallèle à l’axe de rotation de la Terre. Dans ce cas, l’angle entre l’axe et le Soleil est toujours supérieur à 66 degrés. Pendant la journée, il suffit de tourner les panneaux autour de cet axe pour suivre le Soleil. Les installations peuvent être montées au sol (et parfois intégrées à l’agriculture et au pâturage) ou intégrées au toit ou aux murs d’un bâtiment (photovoltaïque intégrée au bâtiment).

Un autre développement récent concerne la composition des cellules solaires. La perovskite est un matériau très peu coûteux qui est utilisé pour remplacer le silicium cristallin qui fait encore partie d’une cellule PV standard aujourd’hui. Michael Graetzel, directeur du laboratoire de photonique et d’interfaces de l’EPFL, déclare : « Aujourd’hui, l’efficacité a culminé à 18 %, mais elle devrait encore augmenter à l’avenir » Il s’agit d’une affirmation importante, car un rendement de 20 % est typique des panneaux solaires qui utilisent des matériaux plus coûteux.

Economie

Il y a eu des changements majeurs dans les coûts sous-jacents, la structure de l’industrie et les prix du marché de la technologie solaire photovoltaïque, au fil des ans, et obtenir une image cohérente des changements qui se produisent dans l’ensemble de la chaîne de valeur de l’industrie est un défi. Cela est dû à : « la rapidité des changements de coûts et de prix, la complexité de la chaîne d’approvisionnement photovoltaïque, qui implique un grand nombre de processus de fabrication, l’équilibre entre les coûts du système (BOS) et les coûts d’installation associés aux systèmes PV complets, le choix des différents canaux de distribution et les différences entre les marchés régionaux dans lesquels le PV est déployé ». D’autres complexités résultent des nombreuses initiatives de soutien politique qui ont été mises en place pour faciliter la commercialisation du photovoltaïque dans différents pays.

L’industrie photovoltaïque a connu une chute spectaculaire des prix des modules depuis 2008. Fin 2011, les prix départ usine des modules photovoltaïques au silicium cristallin sont tombés sous la barre des 1,00 $/W. Le coût d’installation de 1,00 $/W est souvent considéré dans l’industrie photovoltaïque comme marquant l’atteinte de la parité du réseau pour le PV. Les progrès technologiques, l’amélioration des procédés de fabrication et la restructuration de l’industrie signifient que d’autres réductions de prix sont probables au cours des prochaines années. En 2017, les prix des contrats d’achat d’électricité pour les parcs solaires inférieurs à 0,05 $/kWh sont courants aux États-Unis et les offres les plus basses dans plusieurs pays internationaux étaient d’environ 0,03 $/kWh.

Des incitations financières pour le photovoltaïque, telles que les tarifs de rachat, ont souvent été offertes aux consommateurs d’électricité pour installer et exploiter des systèmes de production d’électricité solaire. Le gouvernement a parfois également offert des incitations pour encourager l’industrie photovoltaïque à réaliser les économies d’échelle nécessaires pour être compétitive lorsque le coût de l’électricité produite à partir du PV est supérieur au coût du réseau existant. Ces politiques sont mises en œuvre pour promouvoir l’indépendance énergétique nationale ou territoriale, la création d’emplois de haute technologie et la réduction des émissions de dioxyde de carbone à l’origine du changement climatique. En raison des économies d’échelle, les panneaux solaires deviennent moins coûteux à mesure que les gens utilisent et achètent plus – à mesure que les fabricants augmentent leur production pour répondre à la demande, le coût et le prix devraient baisser dans les années à venir.

Le rendement des cellules solaires varie de 6 % pour les cellules solaires à base de silicium amorphe à 44,0 % pour les cellules photovoltaïques concentrées à jonctions multiples. Le rendement de conversion de l’énergie des cellules solaires pour les systèmes photovoltaïques disponibles dans le commerce est d’environ 14 à 22 %. Le photovoltaïque concentré (CPV) peut réduire les coûts en concentrant jusqu’à 1 000 soleils (à travers une loupe) sur une cellule photovoltaïque de plus petite taille. Cependant, une telle énergie solaire concentrée nécessite des conceptions sophistiquées de dissipateurs de chaleur, sinon la cellule photovoltaïque surchauffe, ce qui réduit son efficacité et sa durée de vie. Pour aggraver encore la conception du refroidissement concentré, le dissipateur thermique doit être passif, sinon la puissance requise pour le refroidissement actif réduirait l’efficacité et l’économie globales.

Le prix des cellules solaires au silicium cristallin est passé de 76,67 $ le watt en 1977 à environ 0,74 $ le watt en 2013. Ceci est considéré comme une preuve à l’appui de la loi de Swanson, une observation similaire à la fameuse loi de Moore qui stipule que les prix des cellules solaires chutent de 20% pour chaque doublement de la capacité de l’industrie.

En 2011, le prix des modules photovoltaïques a baissé de 60% depuis l’été 2008, selon les estimations de Bloomberg New Energy Finance, mettant pour la première fois l’énergie solaire sur un pied d’égalité avec le prix de détail de l’électricité dans plusieurs pays ensoleillés ; un chiffre alternatif et constant de baisse des prix de 75% entre 2007 et 2012 a également été publié, même si l’on ignore si ces chiffres sont spécifiques aux États-Unis ou globalement mondiaux. Le coût uniformisé de l’électricité produite à partir de l’énergie photovoltaïque (LCOE) est compétitif par rapport aux sources d’électricité conventionnelles dans un nombre croissant de régions géographiques, en particulier lorsque la période de production est incluse, car l’électricité a plus de valeur pendant le jour que pendant la nuit. La concurrence a été féroce dans la chaîne d’approvisionnement et d’autres améliorations du coût nivelé de l’énergie solaire se profilent à l’horizon, ce qui constitue une menace croissante pour la domination des sources de production de combustibles fossiles au cours des prochaines années. Au fil du temps, les technologies d’énergie renouvelable deviennent généralement moins chères, tandis que les combustibles fossiles deviennent généralement plus chers :

Moins les coûts de l’énergie solaire sont élevés, plus elle se compare avantageusement à l’énergie conventionnelle, et plus elle devient attrayante pour les services publics et les utilisateurs d’énergie dans le monde entier. L’énergie solaire à l’échelle d’un service public peut maintenant être livrée en Californie à des prix bien inférieurs à 100 $/MWh (0,10 $/kWh) de moins que la plupart des autres génératrices de pointe, même celles fonctionnant au gaz naturel à faible coût. La baisse du coût des modules solaires stimule également la demande sur les marchés de consommation où le coût de l’énergie solaire se compare très favorablement aux tarifs de détail de l’électricité.

En 2011, le coût de l’énergie photovoltaïque est nettement inférieur à celui de l’énergie nucléaire et devrait encore baisser. Le prix de vente moyen des cellules solaires surveillées par le groupe Solarbuzz est passé de 3,50 $ le watt à 2,43 $ le watt au cours de l’année 2011.

Pour les grandes installations, des prix inférieurs à 1,00 $/watt ont été atteints. Un prix de module de 0,60 euro/watt (0,78 $/watt) a été publié en avril 2012 pour une opération à grande échelle de 5 ans.

Fin 2012, le prix du module « best in class » avait chuté à 0,50 $ le watt et devrait tomber à 0,36 $ le watt d’ici 2017.

Dans de nombreux endroits, le photovoltaïque a atteint la parité du réseau, qui est généralement définie comme des coûts de production photovoltaïque égaux ou inférieurs aux prix de détail de l’électricité (bien que souvent encore supérieurs aux prix des centrales électriques au charbon ou au gaz sans leur distribution et autres coûts). Toutefois, dans de nombreux pays, l’accès aux capitaux est encore nécessaire pour développer des projets photovoltaïques. Pour résoudre ce problème, la sécurisation a été proposée et utilisée pour accélérer le développement de projets solaires photovoltaïques. Par exemple, SolarCity a offert, en 2013, le premier titre américain adossé à des actifs dans l’industrie solaire.

L’énergie photovoltaïque est également produite à un moment de la journée qui est proche de la demande de pointe (avant celle-ci) dans les systèmes électriques à forte utilisation de climatisation. Étant donné que l’exploitation à grande échelle de l’énergie photovoltaïque nécessite un soutien sous forme de réserves filantes, son coût marginal de production en milieu de journée est généralement le plus bas, mais non nul, lorsque l’énergie photovoltaïque produit de l’électricité. C’est ce que l’on peut voir à la figure 1 du présent document :. De façon plus générale, il est maintenant évident qu’avec un prix du carbone de 50 $ la tonne, ce qui augmenterait le prix de l’électricité produite à partir du charbon de 5 cents le kWh, le PV solaire sera concurrentiel sur le plan des coûts dans la plupart des endroits. La baisse du prix du photovoltaïque s’est traduite par une croissance rapide des installations, qui ont totalisé environ 23 GW en 2011. Bien qu’une certaine consolidation soit probable en 2012, en raison des coupes effectuées dans les grands marchés que sont l’Allemagne et l’Italie, la forte croissance semble devoir se poursuivre pendant le reste de la décennie. Déjà, selon une estimation, l’investissement total dans les énergies renouvelables pour 2011 a dépassé l’investissement dans la production d’électricité à base de carbone.

Dans le cas de l’autoconsommation, le temps de retour sur investissement est calculé en fonction de la quantité d’électricité non fournie par le réseau. De plus, l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque pour charger les batteries à courant continu, telle qu’elle est utilisée dans les véhicules électriques hybrides rechargeables et les véhicules électriques, permet d’obtenir de meilleurs rendements. Traditionnellement, l’électricité produite en courant continu à partir de l’énergie solaire photovoltaïque doit être convertie en courant alternatif pour les bâtiments, avec une perte moyenne de 10 % pendant la conversion. Une perte d’efficacité supplémentaire se produit lors du retour au courant continu pour les appareils et les véhicules alimentés par batterie, et en utilisant divers taux d’intérêt et les variations des prix de l’énergie ont été calculés pour trouver des valeurs actualisées qui varient de 2 057 $ à 8 213 $ (analyse de 2009).

En Allemagne, par exemple, avec un prix de l’électricité de 0,25 euro/kWh et une isolation de 900 kWh/kWp, un kWp économisera 225 euros par an et avec un coût d’installation de 1700 euro/kWp, le système sera amorti en moins de 7 ans.

Fabrication

Dans l’ensemble, le processus de fabrication de l’énergie solaire photovoltaïque est simple en ce sens qu’il ne nécessite pas l’assemblage de nombreuses pièces complexes ou mobiles. En raison de la nature solide des systèmes PV, leur durée de vie est souvent relativement longue, allant de 10 à 30 ans. Pour augmenter la puissance électrique d’un système photovoltaïque, le fabricant doit simplement ajouter plus de composants photovoltaïques et, de ce fait, les économies d’échelle sont importantes pour les fabricants car les coûts diminuent avec la puissance.

Bien qu’il existe de nombreux types de systèmes PV connus pour leur efficacité, le PV au silicium cristallin représentait environ 90 % de la production mondiale de PV en 2013. La fabrication de systèmes photovoltaïques au silicium comporte plusieurs étapes. Tout d’abord, le polysilicium est traité à partir du quartz extrait jusqu’à ce qu’il soit très pur (qualité semi-conductrice). Celle-ci est fondue lorsque de petites quantités de bore, un élément du groupe III, sont ajoutées pour rendre un semi-conducteur de type p riche en trous d’électrons. Généralement, à l’aide d’un cristal-graine, un lingot de cette solution est cultivé à partir du polycristallin liquide. Le lingot peut également être coulé dans un moule. Les wafers de ce matériau semi-conducteur sont découpés dans le matériau en vrac à l’aide de scies à fil, puis passent par une gravure de surface avant d’être nettoyés. Ensuite, les plaquettes sont placées dans un four de dépôt en phase vapeur de phosphore qui dépose une très mince couche de phosphore, un élément du groupe V, qui crée une surface semi-conductrice de type n. Pour réduire les pertes d’énergie, un revêtement antireflet est ajouté à la surface, ainsi que des contacts électriques. Une fois la cellule terminée, les cellules sont connectées via un circuit électrique en fonction de l’application spécifique et préparées pour l’expédition et l’installation.

Les cellules photovoltaïques au silicium cristallin ne sont qu’un type de PV et, bien qu’elles représentent la majorité des cellules solaires produites actuellement, il existe de nombreuses technologies nouvelles et prometteuses qui ont le potentiel d’être mises à l’échelle pour répondre aux besoins énergétiques futurs. Depuis 2018, la technologie des cellules au silicium cristallin sert de base à plusieurs types de modules PV, notamment monocristallins, polycristallins, mono PERC et bifacial.

Une autre technologie plus récente, le PV à couche mince, est fabriquée en déposant des couches semi-conductrices sur le substrat sous vide. Le substrat est souvent du verre ou de l’acier inoxydable, et ces couches semi-conductrices sont faites de plusieurs types de matériaux, dont le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre-indium (CIS), le diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si). Après avoir été déposées sur le substrat, les couches semi-conductrices sont séparées et reliées par circuit électrique par gravure laser. Les couches minces photovoltaïques représentent aujourd’hui environ 20 % de la production totale de PV en raison de la réduction des besoins en matériaux et du coût de fabrication des modules constitués de couches minces par rapport aux wafers à base de silicium.

Parmi les autres technologies photovoltaïques émergentes, mentionnons le photovoltaïque organique, le photovoltaïque à points quantiques, le photovoltaïque à colorant et le photovoltaïque Perovskite. Les VPO appartiennent à la catégorie de la fabrication en couches minces et fonctionnent généralement dans la plage d’efficacité de 12 %, ce qui est inférieur aux 12 à 21 % habituellement observés dans les PV à base de silicium. Parce que les photovoltaïques organiques exigent une très grande pureté et sont relativement réactifs, ils doivent être encapsulés, ce qui augmente considérablement le coût de fabrication et signifie qu’ils ne sont pas réalisables à grande échelle. Les PV sensibilisés aux colorants ont un rendement similaire à celui des VPO, mais ils sont beaucoup plus faciles à fabriquer. Cependant, ces panneaux photovoltaïques sensibilisés aux colorants présentent des problèmes de stockage car l’électrolyte liquide est toxique et peut potentiellement imprégner les plastiques utilisés dans la cellule. Les cellules solaires à points quantiques sont des DSSC sensibilisées aux points quantiques et sont traitées en solution, ce qui signifie qu’elles sont potentiellement évolutives, mais qu’elles atteignent actuellement un rendement maximal de 12%. Les cellules solaires Perovskite sont un convertisseur d’énergie solaire très efficace et ont d’excellentes propriétés optoélectriques pour des applications photovoltaïques, mais elles sont chères et difficiles à fabriquer.

Applications

Systèmes photovoltaïques

Un système photovoltaïque, ou système solaire photovoltaïque, est un système d’alimentation conçu pour fournir de l’énergie solaire utilisable au moyen du photovoltaïque. Il se compose d’un ensemble de plusieurs composants, y compris des panneaux solaires pour absorber et convertir directement la lumière du soleil en électricité, un onduleur solaire pour changer le courant électrique de DC en AC, ainsi que le montage, le câblage et autres accessoires électriques. Les systèmes photovoltaïques vont des petits systèmes installés sur le toit ou intégrés à un bâtiment d’une capacité de quelques à plusieurs dizaines de kilowatts aux grandes centrales électriques de plusieurs centaines de mégawatts à l’échelle d’un service public. De nos jours, la plupart des systèmes PV sont connectés au réseau, alors que les systèmes autonomes ne représentent qu’une petite partie du marché.

  • Systèmes intégrés de toiture et de bâtiment
Les panneaux photovoltaïques sont souvent associés à des bâtiments : soit intégrés dans ceux-ci, soit montés sur ceux-ci, soit montés à proximité du sol. Les systèmes photovoltaïques installés sur les toits sont le plus souvent installés dans des bâtiments existants, généralement sur la structure de toit existante ou sur les murs existants. Il est également possible d’installer un panneau solaire séparément du bâtiment, mais de le raccorder à l’aide d’un câble pour alimenter le bâtiment. Le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) est de plus en plus souvent intégré au toit ou aux murs des nouveaux bâtiments domestiques et industriels comme source principale ou auxiliaire d’énergie électrique. Les tuiles avec cellules photovoltaïques intégrées sont également parfois utilisées. Dans la mesure où il y a un espace ouvert dans lequel l’air peut circuler, les panneaux solaires installés sur le toit peuvent fournir un effet de refroidissement passif sur les bâtiments pendant la journée et garder la chaleur accumulée dans le bâtiment pendant la nuit. En général, les systèmes de toiture résidentiels ont une petite capacité d’environ 5 à 10 kW, tandis que les systèmes de toiture commerciaux représentent souvent plusieurs centaines de kilowatts. Bien que les systèmes de toit soient beaucoup plus petits que les centrales électriques au sol, ils représentent la majeure partie de la capacité installée dans le monde.
  • Concentrateur photovoltaïque
Le photovoltaïque à concentrateur (CPV) est une technologie photovoltaïque qui, contrairement aux systèmes photovoltaïques à plaques plates classiques, utilise des lentilles et des miroirs courbes pour concentrer la lumière du soleil sur de petites cellules solaires multijonctions (MJ) à haut rendement. De plus, les systèmes CPV utilisent souvent des suiveurs solaires et parfois un système de refroidissement pour augmenter encore leur efficacité. La recherche et le développement en cours améliorent rapidement leur compétitivité dans le segment des services publics et dans les zones à fort ensoleillement.
  • Collecteur solaire hybride thermique photovoltaique
Les capteurs solaires photovoltaïques thermiques hybrides (PVT) sont des systèmes qui convertissent le rayonnement solaire en énergie thermique et électrique. Ces systèmes combinent une cellule solaire photovoltaïque, qui convertit la lumière du soleil en électricité, et un capteur solaire thermique, qui capte l’énergie restante et élimine la chaleur résiduelle du module PV. Le captage de l’électricité et de la chaleur permet à ces appareils d’avoir une plus grande exergie et donc d’être plus efficaces énergétiquement que le solaire photovoltaïque ou le solaire thermique seul.
De nombreuses fermes solaires à échelle utilitaire ont été construites dans le monde entier. En 2015, le Solar Star de 579 mégawatts (MWAC) est la plus grande centrale photovoltaïque du monde, suivie par le Desert Sunlight Solar Farm et le Topaz Solar Farm, tous deux d’une capacité de 550 MWAC, construits par la société américaine First Solar, avec des modules CdTe, une technologie PV à couche mince. Les trois centrales sont situées dans le désert californien. De nombreuses fermes solaires à travers le monde sont intégrées à l’agriculture et certaines utilisent des systèmes de suivi solaire innovants qui suivent le trajet quotidien du soleil dans le ciel pour produire plus d’électricité que les systèmes fixes conventionnels. Il n’y a pas de frais de combustible ni d’émissions pendant l’exploitation des centrales électriques.
Les pays en développement où de nombreux villages sont souvent à plus de cinq kilomètres du réseau électrique ont de plus en plus recours au photovoltaïque. Dans les régions éloignées de l’Inde, un programme d’éclairage rural a fourni un éclairage à DEL alimenté par l’énergie solaire pour remplacer les lampes au kérosène. Les lampes à énergie solaire ont été vendues au prix d’environ quelques mois de kérosène. Cuba s’efforce de fournir de l’énergie solaire dans les zones hors réseau. Parmi les applications plus complexes de l’utilisation de l’énergie solaire hors réseau figurent les imprimantes 3D. Les imprimantes RepRap 3D ont été alimentées à l’énergie solaire grâce à la technologie photovoltaïque, ce qui permet une fabrication distribuée pour un développement durable. Il s’agit de domaines où les coûts et les avantages sociaux sont un excellent argument en faveur de l’énergie solaire, bien que le manque de rentabilité ait relégué ces efforts aux efforts humanitaires. Cependant, en 1995, les projets d’électrification rurale solaire se sont avérés difficiles à soutenir en raison de facteurs économiques défavorables, d’un manque de soutien technique et d’un héritage d’arrière-pensées de transfert technologique nord-sud.
Jusqu’à il y a une dizaine d’années encore, le photovoltaïque était fréquemment utilisé pour alimenter des calculatrices et des appareils novateurs. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et aux écrans à cristaux liquides de faible puissance permettent d’alimenter ces dispositifs pendant plusieurs années entre les changements de piles, ce qui rend l’utilisation du PV moins courante. En revanche, les dispositifs fixes à distance alimentés à l’énergie solaire sont de plus en plus utilisés ces derniers temps dans des endroits où les coûts de connexion élevés rendent l’électricité du réseau prohibitif. Ces applications comprennent les lampes solaires, les pompes à eau, les parcomètres, les téléphones d’urgence, les compacteurs d’ordures, les panneaux de signalisation temporaires, les stations de charge et les postes et signaux de garde à distance.
En mai 2008, la cave Far Niente d’Oakville en Californie a été la première au monde à installer 994 panneaux solaires photovoltaïques sur 130 pontons et à les faire flotter sur l’étang d’irrigation de la cave, ce qui constitue le premier système « floatovoltaïque ». Le système flottant génère une puissance de pointe d’environ 477 kW et, lorsqu’il est combiné à un réseau de cellules situées près de l’étang, il peut compenser entièrement la consommation d’électricité de la vinerie. Le principal avantage d’un système photovoltaïque à flotteur est qu’il évite d’avoir à sacrifier une superficie de terrain précieuse qui pourrait être utilisée à d’autres fins. Dans le cas de la cave Far Niente Winery, le système flottant a permis d’économiser les trois quarts de l’acre qui aurait été nécessaire pour un système terrestre. Ces terres peuvent plutôt être utilisées pour l’agriculture. Un autre avantage d’un système photovoltaïque flottant est que les panneaux sont maintenus à une température inférieure à celle de la terre ferme, ce qui permet une meilleure efficacité de la conversion de l’énergie solaire. Les panneaux flottants réduisent également la quantité d’eau perdue par évaporation et inhibent la croissance des algues.
Le PV a traditionnellement été utilisé pour l’alimentation électrique dans l’espace. Le PV est rarement utilisé comme source d’énergie motrice dans les applications de transport, mais il est de plus en plus utilisé comme source d’énergie auxiliaire dans les bateaux et les voitures. Certains véhicules sont équipés d’un système de climatisation à énergie solaire pour limiter les températures intérieures par temps chaud. Un véhicule solaire autonome aurait une puissance et une utilité limitées, mais un véhicule électrique chargé à l’énergie solaire permet d’utiliser l’énergie solaire pour le transport. Des voitures, des bateaux et des avions fonctionnant à l’énergie solaire ont fait l’objet de démonstrations, les plus pratiques et les plus probables d’entre eux étant les voitures solaires. L’avion solaire suisse Solar Impulse 2 a réalisé le plus long vol solo sans escale de l’histoire et a effectué le premier tour du monde aérien à énergie solaire en 2016.
  • Télécommunications et signalisation
L’énergie solaire photovoltaïque est idéale pour les applications de télécommunication telles que les centraux téléphoniques locaux, la radiodiffusion radio et TV, les micro-ondes et d’autres formes de liaisons de communication électronique. En effet, dans la plupart des applications de télécommunication, les batteries de stockage sont déjà utilisées et le système électrique est essentiellement en courant continu. Dans les terrains vallonnés et montagneux, les signaux de radio et de télévision peuvent ne pas atteindre leur portée lorsqu’ils sont bloqués ou réfléchis par le relief ondulant. A ces endroits, des émetteurs de faible puissance (LPT) sont installés pour recevoir et retransmettre le signal pour la population locale.
Les panneaux solaires des engins spatiaux sont habituellement la seule source d’énergie pour faire fonctionner les capteurs, le chauffage et le refroidissement actifs et les communications. Une batterie stocke cette énergie pour l’utiliser lorsque les panneaux solaires sont à l’ombre. Dans certains cas, l’énergie est également utilisée pour la propulsion des engins spatiaux – propulsion électrique. Les engins spatiaux ont été l’une des premières applications du photovoltaïque, à commencer par les cellules solaires en silicium utilisées sur le satellite Vanguard 1, lancé par les États-Unis en 1958. Depuis lors, l’énergie solaire a été utilisée pour des missions allant de la sonde MESSENGER à Mercure, en passant par la sonde Juno jusqu’à Jupiter dans le système solaire. Le plus grand système d’énergie solaire utilisé dans l’espace est le système électrique de la Station spatiale internationale. Pour augmenter la puissance produite par kilogramme, les panneaux solaires d’engins spatiaux typiques utilisent des cellules solaires rectangulaires à jonctions multiples, rectangulaires, à haut coût, à haut rendement et à faible encombrement, en arséniure de gallium (GaAs) et autres matériaux semi-conducteurs.
Le photovoltaïque peut également être incorporé comme dispositif de conversion d’énergie pour des objets à des températures élevées et avec des émissivités radiatives préférables telles que des chambres de combustion hétérogènes.

Avantages

Les 122 PW de lumière solaire atteignant la surface de la Terre sont abondants, soit près de 10 000 fois plus que l’équivalent de 13 TW d’énergie moyenne consommée par les humains en 2005. Cette abondance donne à penser qu’il ne faudra pas longtemps avant que l’énergie solaire ne devienne la principale source d’énergie du monde. De plus, la production d’électricité solaire a la densité de puissance la plus élevée (moyenne mondiale de 170 W/m2) parmi les énergies renouvelables.

L’énergie solaire est exempte de pollution pendant son utilisation, ce qui lui permet de réduire la pollution lorsqu’elle est substituée à d’autres sources d’énergie. Par exemple, le MIT a estimé que 52 000 personnes meurent prématurément chaque année aux États-Unis de la pollution causée par les centrales électriques alimentées au charbon et que tous ces décès, sauf un, pourraient être évités en utilisant l’énergie PV pour remplacer le charbon. Les déchets finaux de production et les émissions sont gérables à l’aide des contrôles de pollution existants. Des technologies de recyclage en fin de vie sont en cours d’élaboration et des politiques sont élaborées pour encourager le recyclage auprès des producteurs.

Les installations photovoltaïques peuvent fonctionner pendant 100 ans, voire plus, avec peu d’entretien ou d’intervention après leur installation initiale, de sorte qu’après le coût d’investissement initial de la construction de toute centrale solaire, les coûts d’exploitation sont extrêmement faibles par rapport aux technologies énergétiques existantes.

L’électricité solaire raccordée au réseau peut être utilisée localement, ce qui réduit les pertes de transport et de distribution (les pertes de transport aux États-Unis étaient d’environ 7,2 % en 1995).

Par rapport aux sources d’énergie fossiles et nucléaires, très peu d’argent a été investi dans la recherche pour le développement des cellules solaires, de sorte qu’il y a encore beaucoup à améliorer. Néanmoins, les cellules solaires expérimentales à haut rendement ont déjà un rendement de plus de 40% en cas de concentration des cellules photovoltaïques et les rendements augmentent rapidement alors que les coûts de production de masse diminuent rapidement.

Dans certains États des États-Unis, une grande partie de l’investissement dans un système résidentiel peut être perdue si le propriétaire déménage et que l’acheteur accorde moins de valeur au système que le vendeur. La ville de Berkeley a mis au point une méthode de financement innovante pour éliminer cette limitation, en ajoutant une évaluation fiscale qui est transférée avec la maison pour payer les panneaux solaires. Maintenant connu sous le nom de PACE, Property Assessed Clean Energy, 30 États américains ont dupliqué cette solution.

Il est prouvé, du moins en Californie, que la présence d’un système solaire domestique peut en fait augmenter la valeur d’une maison. Selon un article publié en avril 2011 par le Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory intitulé An Analysis of the Effects of Residential Photovoltaic Energy Systems on Home Sales Prices in California :

La recherche a trouvé des preuves solides que les maisons dotées de systèmes PV en Californie se sont vendues plus cher que les maisons comparables qui n’en sont pas dotées. Plus précisément, les estimations des primes PV moyennes varient d’environ 3,9 $ à 6,4 $ par watt installé (c.c.) parmi un grand nombre de spécifications de modèles différents, la plupart des modèles se coalescent à près de 5,5 $/watt. Cette valeur correspond à une prime d’environ 17 000 $ pour un système PV relativement nouveau de 3 100 watts (la taille moyenne des systèmes PV de l’étude).

Limites

  • Pollution et énergie dans la production

Le photovoltaïque est une méthode bien connue pour produire de l’électricité propre et sans émissions. Les systèmes PV sont souvent constitués de modules PV et d’onduleurs (passage du courant continu au courant alternatif). Les modules PV sont principalement composés de cellules PV, ce qui n’a pas de différence fondamentale avec le matériau de fabrication des puces informatiques. Le processus de production des cellules photovoltaïques est énergivore et fait appel à des produits chimiques hautement toxiques et toxiques pour l’environnement. Il existe peu d’usines de fabrication de modules photovoltaïques dans le monde qui produisent des modules photovoltaïques à partir de l’énergie produite à partir du PV. Cette mesure réduit considérablement l’empreinte carbone durant le processus de fabrication. La gestion des produits chimiques utilisés dans le processus de fabrication est soumise aux lois et réglementations locales des usines.

  • Impact sur le réseau électrique

Avec l’augmentation du nombre de systèmes photovoltaïques sur les toits, le flux d’énergie devient bidirectionnel. Lorsqu’il y a plus de production locale que de consommation, l’électricité est exportée vers le réseau. Toutefois, le réseau électrique n’est traditionnellement pas conçu pour assurer le transfert d’énergie dans les deux sens. Par conséquent, certains problèmes techniques peuvent survenir. Par exemple, dans le Queensland, en Australie, plus de 30 % des ménages disposaient d’un système photovoltaïque sur toiture à la fin de 2017. La fameuse courbe du canard californien 2020 apparaît très souvent pour de nombreuses communautés à partir de 2015. Un problème de surtension peut survenir au fur et à mesure que l’électricité provenant de ces ménages PV retourne sur le réseau. Il existe des solutions pour gérer le problème de surtension, telles que la régulation du facteur de puissance de l’onduleur PV, de nouveaux équipements de contrôle de tension et d’énergie au niveau du distributeur d’électricité, la reconduction des fils électriques, la gestion du côté de la demande, etc. Il y a souvent des limites et des coûts liés à ces solutions.

  • Répercussions sur la gestion de la facture d’électricité et l’investissement dans l’énergie

Il n’y a pas de solution miracle dans la gestion de la demande et de la facture d’électricité ou d’énergie, car les clients (sites) ont des situations spécifiques différentes, par exemple des besoins de confort et de commodité différents, des tarifs d’électricité différents ou des modes de consommation différents. Le tarif de l’électricité peut comporter quelques éléments, tels que les frais d’accès et de mesurage quotidiens, les frais d’énergie (basés sur le kWh, le MWh) ou les frais de demande de pointe (p. ex. un prix pour la consommation d’énergie la plus élevée en un mois pour 30 minutes). Le photovoltaïque est une option prometteuse pour réduire la charge énergétique lorsque le prix de l’électricité est raisonnablement élevé et en constante augmentation, comme en Australie et en Allemagne. Toutefois, pour les sites où la demande de pointe est en place, l’énergie PV peut être moins attrayante si la demande de pointe se produit surtout en fin d’après-midi ou en début de soirée, par exemple dans les communautés résidentielles. Dans l’ensemble, l’investissement énergétique est en grande partie une décision économique et il est préférable de prendre des décisions d’investissement fondées sur une évaluation systématique des options en matière d’amélioration opérationnelle, d’efficacité énergétique, de production sur site et de stockage d’énergie.

Laisser votre commentaire

six − 4 =