Comment fonctionne une centrale photovoltaïque ? Avantages et inconvénients

Une centrale photovoltaïque produit de l’électricité en absorbant la lumière du soleil. Les éléments qui la constituent se composent de cellules solaires, d’un cadre métallique, d’une enveloppe en verre et de câbles. Elle est généralement installée sur un toit ou un grand espace extérieur. Les cellules photovoltaïques sont faites de silicium et collectent les électrons de la lumière du soleil pour les convertir en courant électrique. Ces solutions entrent pleinement dans le domaine de la Smart Energy qui vise une optimisation de l’efficacité énergétique.

Panneaux solaires photovoltaïques : principales caractéristiques

Les panneaux solaires photovoltaïques produisent de l’électricité en absorbant la lumière du soleil et en la convertissant en courant électrique. Ils sont sûrs et ne produisent aucun bruit lors de leur fonctionnement. Ils sont composés de feuilles de silicium et ne dégagent ni toxines ni fumées. Les panneaux solaires réagissent à la lumière visible et plus la lumière est forte, plus ils peuvent produire d’énergie.

Le panneau solaire typique se compose d’une couche de cellules de silicium reliées à un cadre métallique et à une enveloppe de verre. L’enveloppe en verre protège les cellules solaires et leur confère une certaine durabilité. Les panneaux solaires photovoltaïques sont généralement placés sur les toits ou sur de grandes surfaces extérieures afin de maximiser leur potentiel de production d’électricité. Les cellules de silicium sont conçues pour absorber la lumière du soleil pendant la journée et la transformer en courant électrique. Ce processus est connu sous le nom d’effet photovoltaïque.

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Dans une cellule photovoltaïque, les photons du soleil libèrent des électrons dans les atomes. Ces électrons circulent ensuite dans un conducteur. Dans une installation solaire, de nombreux panneaux peuvent être reliés entre eux pour produire plus d’électricité. Plus il y a de panneaux, plus la production d’énergie est élevée.

L’onduleur photovoltaïque transforme le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif

Les onduleurs sont des appareils qui transforment le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif (CA). Les onduleurs convertissent le courant continu d’une forme à une autre, et peuvent soit renvoyer l’excédent d’énergie au réseau, soit mélanger l’énergie solaire et l’énergie du réseau.

Les panneaux solaires produisent de l’électricité à partir de la lumière solaire, qui frappe une cellule photovoltaïque. La lumière fait passer les électrons à un niveau d’activité plus élevé, et ces électrons s’échappent du panneau solaire. Un onduleur convertit ce courant en courant alternatif, qui peut être utilisé par les appareils électroménagers et électroniques modernes.

Un onduleur photovoltaïque transforme l’énergie continue des panneaux en courant alternatif à l’aide d’un dispositif de modulation de largeur d’impulsion (MLI) contrôlé par la tension. Ce processus réduit la génération d’harmoniques d’ordre inférieur, qui causent des problèmes aux systèmes électriques et au câblage. Il limite également la production d’harmoniques de haute fréquence en filtrant le courant de sortie.

Les dispositifs à multi-jonctions convertissent une plus grande partie du spectre énergétique de la lumière en électricité

Les dispositifs à multi-jonctions sont des cellules solaires dotées de plus d’une jonction p-n, ce qui leur permet de convertir une plus grande partie du spectre lumineux en électricité. Ils sont généralement constitués de deux ou plusieurs matériaux semi-conducteurs ayant des bandes interdites différenates, et les dispositifs utilisent une cellule supérieure pour capturer les photons à haute énergie, tandis que les cellules inférieures absorbent le reste des photons. En conséquence, les cellules solaires à multi-jonctions ont des rendements plus élevés que les cellules solaires à simple jonction.

Cependant, les dispositifs à multi-jonctions ne sont pas bon marché à produire. Ils nécessitent des techniques de fabrication de semi-conducteurs telles que l’épitaxie en phase vapeur métallo-organique, qui consiste à fabriquer des cellules solaires à multi-jonctions sur des puces de taille centimétrique. Actuellement, il existe trois grandes catégories de cellules photovoltaïques :

  • les cellules classiques en silicium monocristallin,
  • les cellules solaires à multi-jonctions
  • les cellules solaires à couche mince.

Les plaques métalliques conductrices situées sur les côtés d’une centrale photovoltaïque collectent les électrons et les transfèrent à des fils. Pour créer de l’électricité, une centrale solaire photovoltaïque utilise des semi-conducteurs spéciaux, comme le silicium, qui absorbent la lumière. Cette lumière libère les électrons qui se dirigent vers les fils. Les cellules photovoltaïques sont connectées en réseaux et forment des panneaux solaires. Ces matrices peuvent former un réseau ou être fixées à une seule maison.

Les côtés de la centrale photovoltaïque sont généralement constitués de matériaux conducteurs de couleur sombre, appelés absorbeurs. Ces matériaux ont un coefficient d’absorption élevé, qui correspond à la quantité de photons absorbés par unité de distance à travers le matériau. L’accepteur, quant à lui, constitue un trou qui peut accepter un électron libre. Les panneaux latéraux d’une centrale photovoltaïque sont conçus pour pouvoir collecter d’importantes quantités d’électricité.

Une fois qu’une cellule photovoltaïque est construite, la lumière du soleil frappe la cellule solaire. Cet électron libre frappe les plaques métalliques conductrices, qui le transfèrent ensuite aux fils. Comme toute autre source d’électricité, les électrons peuvent circuler dans les fils.

Les systèmes solaires thermiques à concentration (CSP) produisent de la vapeur surchauffée à haute pression

L’énergie solaire thermique à concentration est un type de système qui utilise la lumière solaire concentrée pour produire de l’électricité et de la vapeur à haute pression. Ces systèmes sont plus efficaces dans les endroits où le rayonnement solaire est élevé mais pas trop diffus. Ils doivent également avoir accès à un réseau de transmission à haute tension. Les projets d’énergie solaire à grande échelle dépendent des lignes de transmission à haute tension pour transporter l’électricité des centrales solaires aux utilisateurs finaux. Malheureusement, l’infrastructure de transmission actuelle dans le Sud-Ouest est presque saturée et de nouvelles lignes sont nécessaires de toute urgence.

Les systèmes CSP les plus courants et les plus avancés sont : 

  • les fours cylindro-paraboliques,
  • les systèmes linéaires de Fresnel,
  • les tours électriques.

Ils sont très efficaces et peuvent produire de l’électricité de 10 à 200 MW. Outre la production d’électricité, ces systèmes peuvent aussi fournir de la chaleur pour des applications industrielles telles que :

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le dessalement de l’eau

petrole

la récupération assistée du pétrole

chimie

la production chimique

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le traitement des minéraux

L’énergie solaire peut être un excellent moyen d’optimiser la gestion énergétique des bâtiments industriels.

Avantages et inconvénients d’une centrale photovoltaïque

Une centrale photovoltaïque présente plusieurs avantages et inconvénients. Parmi les inconvénients des panneaux solaires, on peut citer leur dépendance à la lumière du soleil. En effet, l’intensité du soleil varie tout au long de la journée et de l’année. Par conséquent, les panneaux solaires ne peuvent pas produire d’électricité la nuit. Les nuages et la neige peuvent également affecter l’efficacité des panneaux solaires. Dans ce cas, il peut être nécessaire d’ajouter un système de stockage par batterie.

Un autre inconvénient réside dans les conditions d’installation des panneaux solaires. Par exemple, les maisons à toit plat ne sont pas idéales pour les panneaux photovoltaïques, car il est difficile de les faire glisser. En outre, les toits ombragés risquent de ne pas recevoir suffisamment de lumière solaire pour produire de l’énergie. Enfin, les obstructions sur la trajectoire du soleil peuvent empêcher ces panneaux de produire de l’électricité.

centrale photovoltaique smart grids

Cela étant dit, une centrale photovoltaïque peut offrir de nombreux avantages. Nous savons qu’à ce jour, la consommation énergétique mondiale dépend largement des ressources fossiles. Leur collecte et leur utilisation génèrent des gaz à effet de serre et une pollution aérienne importante. Nous savons aussi que ces ressources sont limitées et arrivent bientôt à un seuil critique. Pour faire face à leur épuisement, il faut les utiliser en combinaison avec les énergies renouvelables comme l’énergie solaire. Cette dernière est une ressource gratuite, inépuisable et accessible à tous. Malgré un investissement initial conséquent, une centrale photovoltaïque se rentabilise très bien sur le long terme.

Une centrale photovoltaïque peut bénéficier aussi bien aux entreprises, aux collectivités territoriales, qu’aux agriculteurs. En effet, dans une exploitation agricole, l’agrivoltaique peut par exemple se mêler à l’agriculture en utilisant les panneaux solaires pour protéger les cultures. Les collectivités peuvent quant à elles profiter du rayonnement du soleil en installant une centrale photovoltaïque sur les propriétés qu’elle administre. Enfin, les entreprises peuvent utiliser des panneaux solaires et user de technologies comme l’IoT pour gagner en efficacité énergétique. Vous pourrez retrouver cela dans la définition du smart grid.

Coût de production de l’énergie solaire

Le coût de la production de l’énergie solaire dépend de la taille et de l’efficacité des panneaux. Les meilleurs panneaux sont les monocristallins, qui réfléchissent le plus de lumière et la convertissent en énergie électrique et thermique. Les autres types de panneaux solaires sont polycristallins ou à couche mince. Ce dernier type est moins cher à produire mais moins efficace. Les prix peuvent varier considérablement d’un État à l’autre, en raison des différences de taille des systèmes et des tendances de cotation. Certains États offrent également des incitations pour aider les consommateurs d’énergie solaire à compenser le coût des panneaux solaires.

MONOCRISTALLIN (1)

monocristallin

POLYCRISTALLIN (1)

polycristallins

Les panneaux solaires peuvent être chers, mais la demande initiale de satellites a fait baisser les prix, ce qui a permis à un plus grand nombre de personnes de se les offrir. À mesure que le coût des panneaux solaires a diminué, les panneaux ont été adoptés pour d’autres usages, notamment pour les maisons et les bâtiments industriels ou commerciaux. Ce « cycle vertueux » s’est poursuivi à mesure que la technologie s’améliorait et que les économies d’échelle augmentaient. Finalement, l’énergie solaire est devenue une source d’énergie à usage général, son coût diminuant de 20,2 % pour chaque doublement de la capacité de production d’énergie solaire.

Impact environnemental de l’énergie solaire

Lorsque les panneaux solaires sont utilisés pour produire de l’électricité, ils ne produisent aucune émission et ont un impact minimal sur l’environnement pendant la majeure partie de leur cycle de vie. Toutefois, les panneaux solaires doivent être fabriqués et recyclés avant de pouvoir être réutilisés. Cela implique des processus de fabrication à forte intensité énergétique qui produit un impact environnemental significatif.

L’installation de systèmes d’énergie solaire nécessite également une superficie importante de terrain. Cependant, certaines zones se prêtent mieux à l’installation que d’autres. Que vous installiez des panneaux solaires sur des structures existantes ou que vous les installiez sur de nouvelles structures, la quantité de terrain défriché peut avoir un impact significatif sur les écosystèmes locaux. En outre, la construction de lignes de transmission et de routes peut fragmenter les habitats et perturber la faune locale.

Fiabilité

La fiabilité d’une installation photovoltaïque est un élément clé des systèmes PV. La fiabilité d’une installation photovoltaïque dépend de la façon dont le système est conçu. Les composants sont disposés d’une certaine manière afin de répondre aux niveaux de performance établis. La fiabilité d’une installation PV peut être compromise si un composant ou une installation tombe en panne.

Le rayonnement solaire et les variations saisonnières du climat ont un impact direct sur la fiabilité de l’électricité. Plus le rayonnement solaire est élevé, plus la production d’électricité est fiable. Toutefois, cette relation n’est pas linéaire.

Par exemple, une légère diminution du rayonnement solaire peut entraîner une forte baisse de la quantité d’énergie produite. Inversement, une forte variation du rayonnement solaire pendant l’hiver peut entraîner une augmentation de la fiabilité de l’électricité.

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