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1. Définition Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (

1. Définition Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (l'effet photovoltaïque découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839) ou la technologie associée. L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire au moyen d’une cellule photovoltaïque. Schématiquement, un photon de lumière incidente permet sous certaines circonstances de mettre en mouvement un électron, produisant ainsi un courant électrique. 3 Panneaux solaires La cellule photovoltaïque ou encore photopile est l’élément constitutif des modules photovoltaïques. Un panneau photovoltaïque est constitué de plusieurs cellules en série ou en parallèle afin d’obtenir une tension souhaitée. I.3.1 Types de panneaux solaires Un panneau solaire est destiné à récupérer une partie du rayonnement solaire pour le convertir en énergie. Ces panneaux solaires peuvent être classés sous deux catégories distinctes : les panneaux photovoltaïques et les panneaux thermiques. La différence est fondamentale, alors que les premiers transforment le rayonnement solaire en chaleur, les seconds la convertissent en électricité. Chaque modèle a des caractéristiques spécifiques et un impact qui diffère. Lorsque l’on s’intéresse à leur rendement, on peut constater l’existence de fortes disparités selon les technologies utilisées. I.3.1.1 Panneaux solaires photovoltaïques Le panneau solaire photovoltaïque est le capteur solaire qui convertit les rayons solaires en électricité. Grâce aux technologies de ses cellules, le panneau PV capte les photons contenus dans le rayonnement solaire pour produire du courant. Il est formé par un matériau semi-conducteur avec des cellules photovoltaïques en jonction PN : une couche positive et une autre négative. Lorsque le photon du rayon solaire arrache un électron à l’atome, une charge positive (un trou) va se former pour produire au final un courant continu. C’est ce courant continu qui sera transformé en courant alternatif par l’onduleur qui fait, bien entendu, partie de l’installation. Ce courant alternatif sera par la suite utilisé par votre installation domestique. Le panneau photovoltaïque est le type de panneau le plus utilisé actuellement grâce à son éﬃcacité et à son prix largement plus accessible que celui du panneau hybride. Il est également très facile à installer. Pour avoir une éﬃcacité optimale, il faut observer une pente comprise entre 30 et 35°, idéalement sur un toit orienté Sud. Le panneau solaire photovoltaïque I.3.1.1.1 Fonctionne un panneau solaire photovoltaïque Les cellules photovoltaïques sont des composants électroniques capables de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire, et ceci grâce à l’effet photovoltaïque. Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, ce phénomène est basé sur le comportement des matériaux semi-conducteurs lorsqu’ils reçoivent un rayonnement solaire. En effet, lorsque les photons de la lumière du soleil rentrent en contact avec ces matériaux particuliers, ils transmettent leur énergie aux électrons des semi- conducteurs qui génèrent alors une tension électrique. Le matériau semi-conducteur le plus massivement employé à l’heure actuelle par les fabricants de modules photovoltaïques demeure le silicium. Schéma d’une installation photovoltaïque connectée au réseau I.3.1.2 Panneaux solaires thermiques Le panneau solaire thermique est un dispositif qui transforme l’énergie solaire en énergie calorifique. Il est utilisé pour avoir de l’eau chaude sanitaire, mais aussi pour alimenter le système de chauffage. Sachez que contrairement au panneau photovoltaïque, il ne permet pas d’obtenir de l’électricité. Dans un premier temps, le panneau va capter et absorber le rayonnement solaire et la chaleur pour réchauffer un fluide caloporteur. Ensuite, ce liquide, de l’eau glycolée la plupart du temps, va circuler et réchauffer l’eau dans un ballon de stockage qui est généralement équipé d’un appoint. En ce qui concerne son installation, le panneau solaire thermique doit être orienté Sud et présenter une inclinaison de 45◦. Panneau solaire thermique I.3.1.2.1 Fonctionne un panneau solaire thermique Des capteurs de rayons solaires composent le panneau solaire thermique. Les plaques sur lesquelles elles sont disposées sont fixées sur les toits. Un échangeur thermique se charge de transmettre la chaleur captée au sein d’un réseau d’eau sanitaire ou de chauffage. Ce principe est le même pour tout panneau solaire thermique. Cependant, selon le type de capteur utilisé, le fonctionnement peut varier. À ce titre, on distingue plusieurs sortes de capteurs : • Les capteurs plans vitrés : Une plaque en métal noir qui absorbe les rayons solaires compose ces capteurs. Elle est en contact avec un des tubes qui renferment le fluide caloporteur. Un isolant se charge de garder la chaleur dans les tubes, tandis que du verre en acier trempé veille à la protection de l’installation. De plus, ce vitrage assure l’effet de serre nécessaire pour produire encore plus de chaleur. • Les capteurs plans non vitrés : Leur mode de fonctionnement est similaire à celui des modèles suscités. Néanmoins, ils n’ont pas une grande résistance à cause de l’absence de protection par une vitre. Ces capteurs sont sollicités surtout pour le chauffage d’une piscine. • Les capteurs tubaires sous vide : Ils sont constitués de tubes en verre disposés côte à côte. L’absorption de la chaleur est effectuée via une plaque en métal noir. Ces capteurs sont conçus sous vide afin de minimiser la déperdition de chaleur. Ils sont largement plébiscités dans les régions aux conditions climatiques extrêmes. Pour éviter le gel du fluide caloporteur ou sa surchauffe, il est nécessaire d’investir dans des fluides antigel ou dans un système auto-vidangeable. • Les capteurs monobloc Ces modèles sont dotés d’un ballon de stockage qui est fixé également sur le toit. Le seul désavantage de ce capteur réside dans le fait que le ballon est en contact direct avec l’air extérieur. Cela entraine plus facilement une perte de chaleur. Schéma d’une fonction un panneau thermique I.4.1 Composants d’un système PV I.4.1.1 Générateur photovoltaïque Le générateur photovoltaïque est l’unité de production d’énergie électrique sous forme de courant continu. Le composant élémentaire de cette unité qui convertit l’énergie solaire en l’énergie électrique est la cellule photovoltaïque. Schéma générateur photovoltaïque I.4.1.2 Onduleurs Un onduleur est un dispositif permettant de transformer en alternatif une énergie électrique de type continue, Utilisation des onduleurs : Ils sont utilisés en électrotechnique pour : • Soit fournir des tensions ou courants alternatifs de fréquence et amplitudes variables. • Soit fournir une ou des tensions alternatives de fréquence et d’amplitude fixes. On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant, en fonction de la source d’entrée continue : source de tension ou source de courant. La technologie des onduleurs de tension est la plus maîtrisée et est présente dans la plupart des systèmes industriels, dans toutes les gammes de puissance (quelques Watts à plusieurs MW). I.4.1.3 Module PV Un module est un ensemble de cellules connectées ensemble côte à côte. Les modules peuvent être en série ou parallèles, selon la tension et le courant désirés. Comme chaque cellule individuelle ne produit qu’une petite quantité d’électricité, il faut joindre de grandes quantités de cellules pour obtenir des quantités significatives d’électricité. Comme vous pouvez l’imaginer, ces modules peuvent devenir très grands et sont limités par la taille du toit dédié à leur usage. Les modules raccordés entre eux s’appellent alors des panneaux. Un câblage connecte les cellules individuelles pour former ces panneaux. Les panneaux sont alors connectés ensemble à un point central. Le courant reste identique tandis que la tension est multipliée par le nombre de cellules en série. Un module PV « classique » contient 36 ou 72 cellules. Mais ce nombre de cellules peut varier selon les modules servant aux applications spécifiques. On peut trouver des modules de 40, 54, 60 ou même 92 cellules en série. Caractéristiques du module photovoltaïque I.4.1.4 Champ PV C’est un regroupement de modules solaires photovoltaïques raccordés entre-eux et destiné à produire de l’électricité, soit à titre autonome (panneaux solaires sur les toits des habitations par exemple), soit dans le cadre d’un raccordement à un réseau public de distribution d’électricité. Figure I.9 : Champ photovoltaïque I.4.1.5 Concentrateurs et multiplexeurs Un concentrateur ou un multiplexeur est le point de câblage central pour les cellules et les modules. Il représente la puissance de sortie totale de l’intégralité du panneau solaire. Bien que la puissance de sortie de chaque cellule soit réduite, lorsque plusieurs modules sont connectés, on obtient un courant de plusieurs ampères. Le comptage et le conditionnement de l’électricité peuvent également avoir lieu dans le 20 Chapitre I. Système photovoltaïque concentrateur. Le concentrateur est alors connecté à un stockage électrique ou à un onduleur. Le stockage peut consister en un grand nombre de batteries. I.4.1.6 Cellule PV Une cellule est une petite partie d’un système PV. Une cellule consiste en un matériau semi-conducteur, une structure de support et un matériau transparent qui permet au soleil de toucher le matériau semi-conducteur. La cellule doit être physiquement résistante, car elle est exposée aux intempéries. Le matériau transparent qui recouvre la cellule doit également être résistant aux taches et encrassements. Chaque cellule individuelle produit seulement quelques watts d’électricité uploads/s3/ expose-gharnaout.pdf