Introduction

 

Les cellules solaires photovoltaïques sont des semi-conducteurs capables de convertir directement la lumière en électricité. Cette conversion est appelée effet photovoltaïque.

 

L’utilisation des cellules solaires débute dans les années 40 dans le domaine spatiale. Les recherches d’après guerre ont permis d’améliorer leur performance et leur taille mais il faudra attendre les crises énergétiques des années soixante dix pour que les gouvernements et les industriels investissent dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.

 

Les modules photovoltaïques modernes, composés de cellules interconnectés, ont largement prouvé leur efficacité et leur haute fiabilité. Leur champ d’application ne cesse de s’élargir, du pompage à l’éclairage, en passant par toutes les applications électroniques.

 

Panorama des techniques

 

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 à celles des semi-conducteurs.

 

La cellule photovoltaïque ne produit qu’une très faible puissance électrique de l’ordre de 1 à 3 W avec une tension de moins d’un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module photovoltaïque. Les connexions en série de plusieurs cellules augmente la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroit le courant en conservant la tension. La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristalin, connectées en série pour des applications en 12 V. Le courant de sortie, et donc la puissance, sera proportionnelle à la surface du module.

 

L’interconnexion de modules entre eux (en série ou en parallèle) pour obtenir une puissance encore plus grande, definit la notion de champ votovoltaïque. 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 comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale. A savoir la structure régide pour poser les modules, le câblage, 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 l’ensemble du générateur photovoltaïque et des équipements de consommation (charge).

 

Générateur photovoltaïque

 

Quelle que soit la filière de fabrication du photovoltaïque (silicium cristalin, couches minces, couches minces polycristaline,…), la cellule solaire finie est mesurée à l’aide d’un appareil simulant le spectre solaire. Les paramètres importants (voir encadré ci-dessous) caractérisant une cellule solaire photovoltaïque sont alors déterminés. Les cellules mesurées sont classées suivant leur courant Icc et leur rendement (h). Celles d’une même classe seront soudées entre elles (en série ou en parallèle) pour former le module photovoltaïque. Les paramètres caractérisant le module sont les mêmes que ceux de la cellule individuelle mais le similateur utilisé diffère par le fait que son rayonnement est uniforme sur une large surface.

 

 

 

 

 

 

 

Le rendement du module est le rendement d’une cellule diminué par les pertes dues aux connexions des cellules entre elles, à la transparence des matériaux d’encapsulation, et éventuellement à la chute de tension dans la diode « anti-retour » lorsqu’il faut protéger la batterie d’une éventuelle décharge nocturne.

 

hmodule = hcellule x hconnexion x hencapsulation x hdiode

 

A titre d’exemple, le rendement d’un module composé de cellules au silicium polycristalin d’un rendement de 10 % vaut approximativement :

 

hmodule = 0,1 x 0,99 x 0,97 x 0,96 = 9,23 %

 

Le rendement global défini comme le rapport de l'énergie électrique produite et de l'énergie lumineuse incidente, pouvant atteindre 30 % en laboratoire, varie en pratique de 10 à 15 % selon le type de cellule. Sa limite théorique est liée au principe même de génération du photocourant puisque seuls y participent les photons absorbés d'énergie hV supérieure ou égale à la largeur de la bande interdite.

 

On peut cependant l'optimiser en réalisant des cellules à jonctions multiples dont le rendement peut atteindre 37%, en superposant des couches de semi-conducteurs différents, dont la largeur de bande interdite est de plus en plus petite à mesure que l'on pénètre dans le matériau. Ainsi les photons de faible énergie traversent les premières couches mais finissent par être absorbés (par une couche de faible largeur de bande interdite).

 

D'autre part, la position de la zone de champ dans la cellule (profondeur de la jonction) va déterminer le domaine de longueur d'onde dans lequel la cellule sera la plus performante car ce sont les paires électron-trou générées près de la zone de champ qui auront la plus grande probabilité d'être collectées. Ainsi plus la jonction est proche de la surface, plus la cellule est efficace pour convertir les faibles  longueurs d'onde.

 

Afin d'utiliser au mieux le rayonnement solaire, on augmente artificiellement la surface de captation par l'opération de texturisation qui consiste en une attaque chimique de la surface du silicium. Cette attaque est sélective en ce qui concerne les plans cristallographiques du matériau et conduit alors à la création de pyramides de quelques microns de hauteur, permettant le piégeage optique de la lumière ( ce traitement ne peut être appliqué qu'à des substrats monocristallins). Associée au dépôt d'une  couche anti-reflet (qui donne sa couleur bleue à la cellule) cette texturisation permet de réduire le coefficient de réflexivité de surface à quelques % pour toutes les longueurs d'onde considérées.

 

Outre le rendement, d'autres aspects technologiques doivent être améliorés. Les recherches portent essentiellement sur les procédés de fabrication des cellules actuellement trop gourmandes en énergie et nécessitant l'emploi de produits chimiques polluants,  ce qui limite pour l'instant l'intérêt écologique de la production photovoltaïque d'électricité, cependant non négligeable puisqu'elle ne conduit pas à l'émission de gaz à effet de serre.

 

Equipements et installation

 

Les performances des systèmes photovoltaïques dépendent des caractéristiques du site (ensoleillement, température ambiante, obstacles géographiques, empoussièrement, …), du rendement des modules mais aussi des caractéristiques des autres équipements utilisés (régulateur, onduleur, batterie, …). C’est pourqu’oi nous allons décrire les différents composants d’un système photovoltaïque et donner quelques consignes pour l’installation.

 

Modules

 

Le module photovoltaïque est un ensemble de cellules interconnectées entre elles pour obtenir le courant et la tension souhaités.

 

Le module standard commercialisé, connectant 36 cellules cristalines en série pour des applications en 12 V, a généralement une tension à vide supérieure à 20 V et le point optimale de fonctionnement est au voisinage de 16 V à 25 °C. Mais la température du module sous rayonnement est souvent supérieure à 40 °C, et les performances des cellules sont réduites. On compte en général par cellule une baisse de 2 mV/°C, soit 72 mV/°C pour les modules de 36 cellules. La tension du module tombe alors au alentours de 14 V ce qui est idéal pour la charge d’une batterie.

 

La durée de vie des modules cristalins commercialisés est de l’ordre d’une quinzaine d’années. L’objectif à long terme est d’obtenir une durée de vie de trente ans.

 

L’installation des modules peut se faire sur un toit si son orientation et son inclinaison sont bonnes, où à même le sol pour peu que l’endroit soit bien dégagé. On les place habituellement avec la pente vers l’équateur (sud dans l’hémisphère nord). L’inclinaison des panneaux n’est pas critique, on la prend en général égale à la latitude avec une tolérence de ± 15 °.

 

L’interconnexion des modules entre eux se fait celon les mêmes principes que les connexions des cellules formant un module. On monte d’abord les chaînes de modules en série pour atteindre la tension finale souhaitée ensuite ces chaînes sont connectées en parallèle pour augmenter le courant. Dans la mise en série, il est important de regrouper des modules de même courant de sortie pour éviter le «mismach », sinon le courant final de la chaïne est réduit au courant le plus faible d’un des modules. Le champ de module est dimensionné pour fonctionner le plus prêt possible de la puissance optimale de sortie.

 

Batterie

 

La batterie est souvent intégrée au générateur photovoltaïque. Elle permet le stockage de l’électricité solaire pour les systèmes isolés et sert de conditionneur de puissance. En effet, le courant des modules varie avec l’ensoleillement. La batterie accepte cette charge variable et réstitue le courant dont la charge électrique a besoin avec une tension relativement stable. C’est la tension de la batterie qui fixera la tension du module. La batterie peut permettre également de réstituer la nuit le courant accumulé durant la journée.

 

Cependant la batterie réduit l’efficacité du système photovoltaïque car son rendement énergétique est faible. Son prix est élevé et sa durée de vie peut atteindre 10 à 15 ans si elle est construite de manière adéquate et entretenue régulièrement.

 

La capacité nominale (C ) d’une batterie doit s’exprimer en Ampère-heure (A-h) au régime de C/10, c’est-à-dire la capacité pour un temps de décharge de 10 heures. Ainsi une batterie de 100 A-h fournira idéalement un courant de 10 A pendant 10 heures. Cependant, la capacité réellement disponible est en générale inférieure à 80 % de la capacité nominale. Elle doit être adaptée à la consommation journalière et assurrer une autonomie de plusieurs jours.

 

Régulateur

 

La plupart des batteries doivent être protégées des surcharges et des décharges excessives qui peuvent causer une perte d’électrolyte et endommager les plaques. C’est le rôle du régulateur qui maintient la tension de sortie entre deux seuils et permet ainsi une plus longue durée de vie du système photovoltaïque. Le régulateur est caractérisé par un courant maximum de charge (panneaux solaires), un courant maximum de décharge (équipements consommateurs) et par la tension nominale. Son fonfionnement est le suivant :

 

• Si la batterie est chargée au maximum (13,8 V pour une tension nominale de 12 V), le régulateur met les modules hors circuit afin de ne pas altérer la batterie. Lorsque la tension retombe en dessous du seuil, le panneau solaire se mettra automatiquement à recharger la batterie.
• Si la batterie se décharge trop profondemment, le régulateur interrompt la consommation à 11,4 V pour éviter une sulfatation des plaques en dessous de 11,0 V. La consommation sera réenclenchée lorsque la recharge de la batterie atteint environ 12,6 V, pour ne pas démarrer avec une batterie trop peu chargée.

 

Pour la connexion du système : lors de l’installation du générateur photovoltaïque, il est impératif de connecter d’abord la batterie aux bornes du régulateur prévues à cet effet, en respectant bien les polarités. Ensuite, la connexion des panneaux solaires et enfin les appareils de consommation. Le démontage suit la séquence inverse : appareils, modules puis la batterie.

 

Onduleur

 

L’onduleur est un dispositif électronique permettant de convertir le courant continu (et la tension) en courant alternatif avec la fréquence souhaitée. Suivant la qualité et le prix des onduleurs, le signal généré est une onde carrée, trapézoïdale ou sinusoïdale. Le dimensionnement d’un onduleur se base sur la somme des puissances maximales de chaque équipement à connecter au courant alternatif. La puissance apparente de l’onduleur s’exprime en volt-ampères (VA) et sera supérieure à cette somme pour tenir compte des éventuels courants de pointe élevés (moteurs de frigo, pompe, TV, …) et de facteur de puissance des appareils. Il est important de connaître les rendements de l’onduleur à différents niveaux de consommation (100%, 50%, 10%, …), et les pertes à vide d’un onduleur. Un bon onduleur aura un rendement élevé (supérieur à 90%) pour une large plage de puissance (de 10 à 100% de la puissance maximum), car il est rare que l’ensemble des appareils soit utilisé simultanément. Le rendement de l’onduleur sera meilleur que la tension continue à l’entrée est élevée. Les pertes à vide correspondent à la puissance dissipée par l’électronique de l’onduleur lorsqu’aucune puissance n’est consommée. Si l’onduleur est en attente pendant plusieurs heures par jour, l’auto-consommation à la batterie est loin d’être négligeable et doit être considérée dans le dimensionnement du générateur photovoltaïque.  

 

Applications

Pour terminer, examinons, à travers les différents types d'applications, les avantages et les inconvénients de la filière photovoltaïque.

Le principal inconvénient est lié à l'intermittence de l'ensoleillement. Ainsi l'alimentation des équipements urbains tels que horodateurs, lampadaires, ou l'utilisation par des particuliers non reliés au réseau, nécessitent le stockage de l'électricité, dans des batteries électrochimiques le plus souvent, ce qui pose des problèmes de poids, d'encombrement et de coût.

On pallie à cet inconvénient en reliant le générateur au réseau : ainsi lorsque la production est supérieure à la consommation , le surplus est injecté dans le réseau; inversement, quand la production est insuffisante, le réseau fournit l'appoint nécessaire.

Grâce à leur fiabilité et leur autonomie, les systèmes photovoltaïques offrent une réponse particulièrement bien adaptée aux applications en site isolés.

D'autre part, dans les applications professionnelles destinées par exemple à l'alimentation de réémetteurs télé en région montagneuse ou de dispositifs de sécurité routière, ils évitent le prolongement souvent coûteux d'une ligne électrique.

Par ailleurs, plus qu'une alternative technologique, l'énergie solaire photovoltaïque constitue bien souvent la seule possibilité d'électrification pour les 2 milliards de personnes non encore raccordées au réseau. Ils permettent alors d'éviter l'installation de groupes électrogènes qui posent des problèmes de fiabilité et d'approvisionnement en carburant.

Un inconvénient majeur de la filière photovoltaïque reste néanmoins le coût encore important des installations. Or, c'est bien le prix du kilowattheure qui sera le facteur prépondérant pour la plupart des applications terrestres; ce coût pouvant être diminué par l'effet des grandes séries. Dans des conditions d'éclairement normalisées, un watt photo-voltaïque coûte actuellement entre trois et quatre dollars.

De fait, à l'heure actuelle, c'est probablement dans le secteur spatial, où le problème du coût est secondaire, que le photovoltaïque est le plus adapté à la problématique et le plus compétitif d'autant que le rapport poids/rendement a été amélioré grâce à la réalisation de cellules ultra-minces et à l'utilisation de nouveaux matériaux.

En conclusion, on peut dire que la filière photovoltaïque d'utilisation de l'énergie solaire entre dans sa phase de maturité. Les chercheurs visent à améliorer le rendement des cellules photovoltaïque et à abaisser leur coût de production afin d'étendre leurs applications au delà des spécificités liées à l'isolement des sites et au domaine spatial, et de les rendre compétitives par rapport aux sources traditionnelles d'énergie.