Produire et vendre de l’électricité ?

Vous êtes très concerné par le montant de votre facture d’électricité, mais aussi par les problèmes énergétiques de notre époque.

Vous avez envie de jouir d’un bon niveau de confort, mais aussi de contribuer à la lutte contre les pollutions. Vous jugez important de participer à l’effort pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Vous pouvez réussir à concilier ces préoccupations écologiques et globales et ces considérations pratiques et individuelles.

À l’heure actuelle, il est possible de produire de l’électricité de façon décentralisée, modulable et non polluante, pour la revendre au réseau.

 

 

La technologie photovoltaïque

Le terme « photovoltaïque » est la réunion du mot grec ancien « photos » (lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui est l’inventeur de la pile électrique en 1800 et qui donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt.

 

L’effet photovoltaïque, fut découvert en 1839 par le Français Alexandre-Edmond Becquerel. Il désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière (les Photons) en électricité.

 

D’abord considéré comme une curiosité de laboratoire, ce phénomène fut étudié par de nombreux scientifiques tels que Heinrich Hertz, ou Philipp Lenard avant de trouver une explication théorique en la personne d’Albert Einstein en 1905. La relation E = hv qui relie le caractère ondulatoire de la lumière (représenté par sa fréquence ν) à son caractère corpusculaire (représenté par le grain d’énergie E) lui vaudra le prix Nobel en 1922. C’est la constante de Planck qui fait le lien entre ces deux mondes (ondulatoire et corpusculaire), le fait que cette constante ne soit pas nulle montre la dualité de la lumière (c’est à la fois une onde et un corpuscule). Einstein venait de mettre en évidence au travers de cette formule l’existence du photon.

 

Effet photoélectrique et théorie du photon

Certains métaux ont la propriété d'émettre des électrons sous l'effet de radiations lumineuses; c'est ce que l'on nomme l'effet photoélectrique. Le mouvement produit par l'arrachement d'électrons peut donc engendrer un courant électrique. Albert Einstein a découvert cet effet qui l'a pourtant conduit à des problèmes d'interprétations théoriques. À cette époque, plusieurs des mystères du comportement de la lumière n'avaient pu être expliqués avec succès. Il donne le nom de "quanta de lumière" à ces portions indivisibles et discontinues de la lumière, que l'on nomme photons en 1920. L'énergie de ces quanta de lumière est proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique et elle possède une valeur spécifique pour une lumière monochromatique. Cette théorie explique parfaitement l'effet photoélectrique. Elle explique aussi que plus la fréquence de la lumière est élevée est plus l’énergie est importante … Ceci explique en partie que toute la lumière reçue par les cellules solaires ne sera pas ‘’transformée en électricité ‘’

 

Les expériences d'Einstein prouvent que dans chaque cas, l'arrachement d'un électron requiert la même quantité d'énergie, mais plus la distance entre la source de lumière et la plaque métallique est grande, moins le nombre d'électrons enlevés est élevé.

 

Einstein en conclut que plus la source est éloignée, plus le nombre moyen de particules dans une unité de volume de l'espace est petit, et plus la probabilité de rencontrer un quantum de lumière en un point donné est faible. Cependant, l'énergie de chaque particule est la même, quelle que soit la distance qui la sépare de la source, et cette énergie ne dépend que de la fréquence de l'oscillation. Einstein venait de prouver les propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires de la lumière.

 

Le fonctionnement d’un système photovoltaïque ne fait appel à aucune pièce en mouvement, le risque de panne ou d’accident est donc quasiment nul et le niveau de fiabilité très élevé.

 

Les caractéristiques physiques des matériaux photovoltaïques ne s’altèrent pas dans le temps, et la baisse de rendement des panneaux, que l’on peut éventuellement observer due essentiellement aux imperfections mineures de fabrication, est très lente et très limitée, ce qui permet aux fabricants d’apporter une garantie de rendement pouvant aller jusqu’à 30 ans.

 

Hormis le coût d’investissement, l’accès à la ressource énergétique primaire est totalement libre et gratuit, puisqu’il s’agit de la lumière du soleil, et comme les besoins d’entretien et de maintenance sont très réduits (ils concernent essentiellement l’électronique de régulation et de connexion), le bilan économique est prévisible avec un haut degré de certitude.

 

L’alternance jour/nuit étant un phénomène universel, même si sa répartition temporelle peut être très différente selon les lieux, le photovoltaïque peut fonctionner en tout point du globe terrestre avec un écart de potentiel annuel allant de 1 à 4 en entre le moins bon et le meilleur site.

 

La quantité d’énergie récupérable en un lieu donné est directement proportionnelle à la surface exposée à la lumière du soleil, ce qui confère au photovoltaïque un caractère intrinsèquement modulaire et flexible : la surface des capteurs va de quelques cm2 pour l’alimentation d’une calculette à plusieurs centaines de milliers de m2 pour les centrales au sol et cette taille peut être modifiée à tout moment par simple ajout (ou retrait) de « tranches », sans même interrompre le fonctionnement de l’installation existante.

 

Gratuité, innocuité, accessibilité, sécurité, fiabilité, modularité, flexibilité : la conjugaison de ces qualités dont le photovoltaïque dispose fait que ses domaines d’application sont extrêmement divers et peuvent répondre à une grande variété de besoins dans toutes sortes de situations, d’autant plus que les différentes technologies de fabrication des modules qui sont aujourd’hui disponibles et qui les seront demain grâce aux nombreux axes recherche de l’industrie permettent d’adapter le système photovoltaïque aux caractéristiques du lieu et à l’utilisation prévue de l’énergie produite.

 

 

 

L’effet photovoltaïque

L’"effet photovoltaïque" est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semi-conducteurs" qui, exposés à la lumière, produisent de l’électricité.

 

Le plus connu d’entre eux est le silicium Il est utilisé dans le photovoltaïque sous trois formes : monocrystallin, polycrystallin et amorphe.

 

Le silicium cristallin est aujourd’hui le plus utilisé par les panneaux produits dans le monde. Cependant il existe de nombreuses autres technologies déjà proposées comme les couches minces ou d’autres en phase de recherche.

 

Le principe de l’effet photovoltaïque est le suivant :

 

1. Les "grains de lumière"- les photons - heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couche mince
2. Ils transfèrent leur énergie aux électrons présents dans la matière qui se mettent alors en mouvement dans une direction particulière.
3. Le courant électrique continu qui se crée est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et acheminé à la cellule suivante
4. Le courant s’additionne en passant d’une cellule à l’autre jusqu’aux bornes de connexion du panneau, et il peut ensuite s’additionner à celui des autres panneaux raccordés en "champs"

L'effet Photovoltaïque

 

Plusieurs cellules photovoltaïques - dites aussi photopiles - forment un module - dit aussi panneau ou capteur-.

Plusieurs modules forment un champ photovoltaïque.

 

 

 

Les différentes composantes de la lumière solaire

La partie du rayonnement solaire exploitée par les systèmes photovoltaïques se limite donc à la lumière, Cette lumière que nous recevons peut être décomposée en trois sources de rayonnements différents dont la proportion varie suivant le lieu et le moment :

 

Le rayonnement direct :

 

C’est généralement le plus puissant. Il provient directement du soleil sans subir d’obstacles sur sa trajectoire (nuage, immeubles...). Il est intense et aveuglant lorsque l’on cherche à regarder le soleil "droit dans les yeux" par temps découvert.

 

Le rayonnement diffus :

 

Il provient des multiples diffractions et/ou réflexions du rayonnement solaire direct par les nuages. C’est à lui que nous devons la "lumière du jour" qui nous permet d’y voir clair même quand le temps est couvert.

 

Le rayonnement dû à l’albédo :

 

Il résulte de la réflexion du rayonnement solaire direct par le sol. Ce phénomène est d’autant plus important que la surface est claire et réfléchissante (neige, étendue d’eau, ...). C’est lui qui peut nous faire attraper des coups de soleil à la montagne ou à la mer sans qu’on les sente venir.

 

Bien que son intensité soit moins forte, le rayonnement diffus représente généralement une part significative du rayonnement total, parfois même majoritaire, 60% par exemple en Allemagne ou à Lille contre 40% dans le Sud de la France. Il est également important dans les zones intertropicales.

 

Les 3 différents types de rayonnement solaire

 

 

Plus le soleil est haut dans le ciel (l’été, midi)	Plus le soleil est bas dans le ciel (l’hiver, début et fin de journée • Plus l’angle d’incidence de ses rayons par rapport à la terre est faible • Plus la distance parcourue de ses rayons est grande • Plus l’intensité du rayonnement est faible
Plus l’angle d’incidence Angle d’incidence L’angle d’incidence est l’angle entre le rayon lumineux qui arrive sur une surface (panneaux pv, par exemple) et la perpendiculaire à cette surface. L’angle d’incidence détermine le rayonnement direct reçu par cette surface. de ses rayons par rapport à la terre est fort (proche de 90°)
Plus la distance parcourue de ses rayons est petite Plus l’intensité du rayonnement est forte

 

Horizon solaire