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Panneaux photovoltaïques 14/15

1. Introduction générale :De nos jours, l'homme a à sa disposition sur la Terre de nombreuses sources d'énergie. Les

plus utilisées sont les énergies dites fossiles (charbon, pétrole, gaz) car non renouvelables et

issues d'un long processus de transformation de la matière organique, parce qu'elles sont

faciles à exploiter, et rentables. Cependant, pour différentes raisons, il s'avère que ces énergies

ne peuvent plus être utilisées. Tout d'abord, les réserves d'énergie fossiles commencent à

s'amoindrir. Ensuite, en raison de la très forte demande en provenance des pays en voie de

développement comme la Chine et l'Inde pour ne pas les citer, les prix de ces énergies ne

cessent d'augmenter, les rendant inabordables pour certaines personnes. Et puis, lors de leur

utilisation, ces énergies émettent une grande quantité de gaz à effet de serre (dioxyde de

carbone, notamment) qui participent fortement au réchauffement planétaire, qui devient un

problème grandissant pour la Terre et les êtres vivants. De nombreuses énergies non

polluantes, ou renouvelables, ou abondantes partout à la surface du globe pourraient pourtant

être utilisées par l'homme. Entre autres, on distingue l'énergie éolienne, l'énergie nucléaire,

l'énergie hydroélectrique et l'énergie solaire. Mais l'énergie éolienne n'est pas assez rentable,

au sens qu’elle ne permet pas de produire beaucoup d'énergie par unité de surface. L'énergie

nucléaire, même si elle a un fort rendement, produit des déchets très polluants et peu

dégradables. De plus elle fait peur en raison des graves accidents qui peuvent se produire

(catastrophe de Tchernobyl), et en raison du risque de prolifération nucléaire. L'énergie

hydroélectrique a un bon rendement mais, un fort impact écologique et humain, n'est pas

disponible partout, et la plupart des espaces qui lui sont propices sont déjà saturés de barrages.

L'énergie solaire, elle est disponible partout à la surface du globe, en quantité égale dans

l'année, et a un bon rendement grâce à la technologie actuelle. Elle est de plus facile à

exploiter. Elle semble être l'énergie la plus prometteuse pour l'avenir. C'est pour cela que nous

avons décidé de l'étudier plus en détail. Mais comment exploiter au mieux cette énergie? Et

quels sont les enjeux liés à son utilisation?

2. Introduction :

.L’énergie solaire :

Définition :L’énergie solaire est l’énergie électromagnétique transmise par le soleil et qui est générée par

la fusion nucléaire. Elle est à l’origine de toute forme de vie terrestre et représente environ

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420 trillions de kilowattheures (kWh). L’énergie solaire est plusieurs milliers de fois plus

importante que toutes les énergies cumulées utilisées par le monde entier. Le rayonnement

lumineux et la chaleur du soleil sont utilisés par les humains depuis l’Antiquité, ce qui a

abouti à une série de technologies qui n’ont cessé de se développer. Le rayonnement solaire,

ainsi que les ressources à énergie solaire secondaires telles que l’énergie éolienne et

marémotrice, l’énergie hydroélectrique et la biomasse, représentent la plupart de l’énergie

renouvelable disponible sur Terre. Seule une minuscule part de l’énergie solaire disponible est

utilisée. La production d’électricité à énergie solaire repose sur des moteurs thermiques et sur

l’effet photovoltaïque. Les utilisations de l’énergie solaire n’ont de limites que celles du génie

humain. Pour ne citer que quelques‐unes de ses applications : le chauffage et la climatisation

de locaux à travers une architecture solaire, la création d’eau potable via la distillation et la

désinfection, la domestication de la lumière du jour, l’eau chaude solaire, la cuisson solaire et

la production de chaleur haute température à des fins industrielles. Pour collecter l’énergie

solaire, le moyen le plus courant est d’utiliser des panneaux solaires. Les technologies solaires

sont largement caractérisées comme étant soit solaires passives, soit solaires actives selon la

façon dont elles capturent, transforment et distribuent l’énergie solaire. Les techniques

solaires actives incluent l’utilisation de panneaux photovoltaïques et de capteurs solaires pour

exploiter l’énergie. Les techniques solaires passives incluent le fait d’orienter un bâtiment

vers le soleil, de choisir des matériaux présentant une masse thermique ou des propriétés de

dispersion de la lumière favorables, et de concevoir des locaux qui laissent circuler l’air

naturellement.

Utilisation :La plus grande partie de l’utilisation de l’énergie solaire est consacrée au réchauffement de la

Terre, ce qui rend possibles les formes connues d’existence biologique à proximité de la

surface, suivie par la photosynthèse des plantes. La plupart des organismes, y compris les

humains, dépendent soit directement (en tant qu’herbivores), soit indirectement (en tant que

carnivores) de l’énergie solaire. Le combustible et les matériaux de construction en découlent

également. Par ailleurs, l’énergie solaire est responsable des différences de pression d’air dans

l’atmosphère, qui sont à l’origine du vent. Enfin, le cycle hydrique de la Terre est entraîné par

l’énergie solaire. Outre ces « effets » naturels, il existe de plus en plus d’applications

techniques, en particulier dans le domaine de l’approvisionnement énergétique. En s’appuyant

sur la technologie solaire, l’énergie solaire peut être profitable de plusieurs façons :

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ƒ. Les cellules solaires produisent de l’électricité à courant continu

(photovoltaïque) .ƒ Les panneaux solaires génèrent de la chaleur (thermo solaire)

.ƒ Les centrales héliothermiques génèrent de l’électricité à partir de la chaleur et de la vapeur

.Les plantes et les déchets végétaux peuvent être traités pour produire des liquides

exploitables (par ex., éthanol, huile de colza) ou des gaz (comme du biogaz) .ƒ

Les centrales éoliennes et hydroélectriques génèrent de l’électricité (voir l’article sur l’énergie

éolienne et l’énergie hydraulique) ƒ. Les

cuisinières solaires ou les fours solaires permettent de réchauffer les aliments ou de stériliser

les équipements médicaux

.le phénomène photovoltaïque :

Définition :Le phénomène photovoltaïque est la transformation directe de la lumière en électricité à

l’échelle atomique. Certains matériaux se caractérisent par une propriété connue sous le nom

d’effet photoélectrique qui leur fait absorber les photons de la lumière et libérer des électrons.

Lorsque ces électrons libres sont capturés, il en résulte un courant électrique qui peut être

utilisé comme de l’électricité.

Historique :L’effet photoélectrique a d’abord été observé par un physicien français, Edmond Becquerel,

en 1839, qui a découvert que des matériaux spécifiques produisaient de petites quantités de

courant électrique lorsqu’ils étaient exposés à la lumière. En 1905, Albert Einstein a décrit la

nature de la lumière et l’effet photoélectrique sur lequel s’appuie la technologie

photovoltaïque, ce qui lui a valu plus tard de remporter un Prix Nobel de physique. Le tout

premier module photovoltaïque a été fabriqué par les Laboratoires Bell en 1954. Il a été

présenté comme une batterie solaire et était surtout une simple curiosité car il était trop cher

pour que son utilisation se généralise. Dans les années 60, l’industrie spatiale a commencé à

faire la première utilisation sérieuse de la technologie pour fournir de l’électricité à bord des

engins spatiaux. Par le biais des programmes spatiaux, la technologie a évolué, sa fiabilité a

été établie et son coût a commencé à baisser. Durant la crissent er gétique des années 70, la

technologie photovoltaïque s’est imposée comme source d’électricité pour des applications

non spatiales.

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.Les panneaux photovoltaïques :

Définition :

Dispositif transformant l’énergie de la lumière en électricité. Il utilise l’effet photoélectrique, par lequel un photon incident (la lumière, donc) peut arracher un électron à un atome.

Description :Un panneau photovoltaïque est constitué d’une série de cellules photovoltaïques, formées

d’un matériau semi-conducteur en deux couches, l’une dopée positivement (p) et l’autre

négativement (N). C’est une jonction. Lorsqu’un électron est arraché, il se forme a la place

un trou se comportent comme une charge positive. L’électron et le trou s’échappent d’une part

et d’autre de cette jonction PN (les électrons vers N et les trous vers P) , créant une différence

de potentielle (ce que l’on mesure on voie) Une cellule photovoltaïque produit donc ainsi du

courant électrique continu.

Les différents semi-conducteurs :Il existe différents types de cellules et de procédés de fabrication. Le semi-conducteur le plus

utilisé est le silicium. La performance se mesure d’abord par le rendement : pourcentage de

l’énergie lumineuse effectivement transformée en électricité. Dans les panneaux vendus dans

le commerce, on trouve, du moins cher au plus

cher : .Le silicium amorphe (rendement 6 à 8 %) ;

.Le silicium poly cristallin (12 %) ;

.le silicium poly cristallin (15 %).

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.Les cellules photovoltaïques :

Figure 1.cellule photovoltaïque

Principe de fonctionnement d’une cellule :

.Les matériaux semi-conducteurs :

Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité est intermédiaire entre celle

des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de valence du silicium permettent

de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont

utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique.

Figure 2.molècule de silicium

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.Les semi-conducteurs intrinsèques :

Les électrons situés sur la couche la plus éloignée du noyau, qui participent aux liaisons

covalentes peuvent, sous l’effet de l’agitation thermique, devenir porteur de charge. Le

diagramme énergétique est constitué de deux bandes (conduction et valence) séparé par une

bande interdite. Pour franchir cette bande l’électron doit acquérir de l’énergie (thermique,

photon, …) Mais le nombre d’électrons libres dans un semi-conducteur intrinsèque reste très

faible. Ici le nombre de trou et d’électron est égal.

Figure 3.Le diagramme énergétique

.Les semi-conducteurs extrinsèques :

Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce

procédé est appelé dopage.

Figure 4.Dopage de type N

On remplace un atome de silicium par un atome pentavalent. Quatre d’entre eux assurent les

liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième resté disponible va être excité vers

la bande de 3conduction très facilement par l’agitation thermique. D’où le nombre d’électron

libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou est très inférieur au nombre

d’électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif).

De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les

liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se

déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant.Ici le nombre de trous est

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très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque, on obtient donc un cristal

dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore.

Figure 5.Dopage de type P

Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N.Lors de cet

assemblage les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone de jonction

où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition.

Figure 6.La jonction PN

Il ne reste donc plus que les ions dans cette zone qui vont créent un champ électrique interne

au niveau de la jonction et qui empêche les charges libres restantes dans chaque zone de

traverser la jonction pour se recombiner.

Figure 7.La jonction PN

.L’effet photovoltaïque :

Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les photons constituant la lumière «

attaquent » les atomes exposés au rayonnement. Les électrons des couches électroniques

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supérieures, appelés aussi électrons de valence ont tendance à être arracher. Dans les cellules

PV, une partie des électrons ne revient pas à son état initial et les électrons « arrachés » créent

une tension électrique continue et faible.

Figure 8.L’effet photovoltaïque

. Association de cellules :

Lorsque l’on associe en série des cellules leur tension s’ajoute, lorsque l’on associe en

parallèle des cellules leur courant s’ajoute. Il faut savoir que lorsque l’une des cellules est

affectée d’une gêne (ombre..) , tout le fonctionnement est perturbé. La tension générée par

une cellule est limitée à la valeur du gap de son matériau On associe les cellules afin de

pouvoir délivrer des tensions de 12V, 24 V, 48V.

Les types de cellules : • Les cellules monocristallines :

La première génération de photopiles ; Un taux de rendement excellent (12-16%) (23% en

Laboratoire) ; Une méthode de fabrication laborieuse et difficile, donc très chère ; Il faut une

grande quantité d’énergie pour obtenir du cristal pur. ;

• Les cellules poly-cristallines

Coût de production moins élevé ; Procédé nécessitant moins d ‘énergie ; Rendement 11-13%

(18% en Labo) ;

• Les cellules amorphes : (cellules de calculatrices par exemple)

Coût de production bien plus bas ; Rendement plus bas : 8-10% (13% en labo) ; Durée de vie

plus faible ;C’est le silicium amorphe que l’on trouve le plus souvent dans les produits de

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consommation comme les calculatrices, les montres etc.… Toutefois, ils réagissent mieux à

des températures élevée sou à une lumière diffuse. De plus, les cellules mono et poly-

cristallines sont les types de cellules les plus répandues sur le marché du photovoltaïque

(environ 60% de la production).

• Les cellules nanocristallines

Une des dernières générations de photopiles ; Fonctionnent selon un principe qui différencie

les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques ;Rendement

global de 10,4 %, confirmé par des mesures au laboratoire ;Procédé et coût de production

encore plus bas.

Performances :Le rendement d’une cellule PV est le rapport entre l’énergie électrique aux bornes de la

cellule et l’énergie incidente (en %). Il dépend essentiellement de la puissance maximale du

panneau solaire, de l’intensité de l’ensoleillement, du nombre d’heures d’exposition, de

l’angle d’incidence des rayons sur le panneau et de la température. La température extérieure

influence le rendement du panneau d’environ 15% ; plus il fait froid et mieux on pourra

produire. Le paramètre qui joue le plus est l’angle d’incidence des rayons lumineux : ils

doivent arriver perpendiculairement au panneau.

Figure 9. Etude de l’ensoleillement et choix du meilleur angle d’inclinaison

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.Processus de fabrication des systèmes photovoltaïques :Etant donné que le fonctionnement d’un capteur photovoltaïque ne génère pas de nuisance

particulière, les impacts environnementaux se situent nécessairement en amont de la chaîne,

au moment de la fabrication, et en fin de vie lors du démontage. Il est donc utile de connaître

les techniques de fabrication afin de bien identifier d’où proviennent et comment sont utilisés

les différents flux de matières et d’énergie mis en jeu. Cette partie déroule les étapes de

fabrication d’un processus standard, c’est-à-dire le plus établi, chaque industriel développant

bien entendu ses propres variantes.

Figure 10.Enchaînement des étapes de fabrication d’un module photovoltaïque au silicium cristallin

Comme on le voit sur la figure 10, un certain nombre d’étapes est nécessaire pour passer du

quartz au module photovoltaïque fini. Le raffinage du silicium se fait en deux phases : tout

d’abord l’extraction du silicium du minerai de quartz, puis la purification de ce silicium par

diverses techniques. Une fois purifié, il sera mis sous forme de plaques et rendu actif par une

succession de traitements spécifiques. Les cellules photovoltaïques seront alors assemblées et

montées dans des modules.

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.Applications du PV :

Dans les bâtiments :Les champs photovoltaïques sont souvent associés aux bâtiments : soit directement intégrés

de dans, soit montés dessus ou encore montés au sol à proximité. Les champs sont le plus

souvent installés dans des bâtiments existants, généralement montés sur une structure de toit

existante ou sur les murs existants. Les champs peuvent également être situés à l’écart du

bâtiment, mais ils sont reliés par câble à son alimentation. En 2010, plus des quatre

cinquièmes des 9000 MW de panneaux PV solaires exploités en Allemagne provenaient des

toits.

Figure 11.Panneaux solaires photovoltaïques sur le toit d’une maison

Photovoltaïque intégré aux bâtiments (PVIB) :

Les panneaux photovoltaïques intégrés aux bâtiments (PVIB) sont de plus en plus introduits

dans de nouveaux bâtiments à usage domestique et industriel comme source principale ou

auxiliaire d’alimentation électrique. En général, les champs sont intégrés dans les toits ou les

murs des bâtiments. Les tuiles à cellules PV intégrées sont également courantes. La tour CIS à

Manchester, en Angleterre, a été recouverte de panneaux PV pour un coût de 5,5 millions de

livres sterling. Elle a commencé à alimenter la National Grid en électricité en novembre

2005.La puissance de sortie des systèmes photovoltaïques prévus pour être installés dans les

bâtiments est généralement décrite en unités kilowatt ‐crête (kWp).

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Figure 12.Photovoltaïque intégré aux bâtiments (PVIB)

Figure 13.installation photovoltaïque

Dans les transports :Le PV est traditionnellement utilisé pour l’alimentation électrique dans l’espace. Il est

rarement exploité pour fournir de l’énergie motrice dans les transports, mais est de plus en

plus utilisé pour fournir une puissance auxiliaire aux bateaux et voitures. Un véhicule solaire

autonome aurait une puissance limitée et une faible utilité, mais un véhicule chargé à l’énergie

solaire permettrait d’utiliser l’énergie solaire pour le transport. Les voitures à énergie solaire

ont fait leurs preuves.

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Figure 14.bateau solaire

Figure 15.La propulsion du catamaran

Jusqu’à il y a dix ans, le PV était fréquemment utilisé pour alimenter les calculatrices et les

nouveaux appareils. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et les écrans LCD basse

consommation permettent d’alimenter ces appareils pendant plusieurs années entre les

changements de batteries, ce qui a rendu le recours au PV moins courant. Par contre, les

dispositifs fixes à distance fonctionnant à l’énergie solaire sont, depuis peu, de plus en plus

utilisés dans les lieux où les coûts de raccordement élevés rendent l’électricité du réseau

excessivement chère. De telles applications incluent les pompes à eau, les parcmètres, les

téléphones de secours, les compacteurs de déchets, la signalisation routière temporaire, et les

bornes et la signalisation à distance.

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Figure 16.Dispositifs autonomes

Figure 17.fonctionnement du calculatrice solaire

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Satellites à énergie solaire :Des études de conception de satellites de collecte de grande taille à énergie solaire ont été

menées pendant des décennies. L’idée a tout d’abord été suggérée par Peter Glaser, puis par

Arthur D. Little Inc ; la NASA a réalisé une longue série d’études de faisabilité techniques et

économiques dans les années 70, et l’idée a suscité un regain d’intérêt au cours des premières

années du 21ème siècle. D’un point de vue économique et pratique, le problème majeur pour

ces satellites semble être le coût de lancement. Les autres considérations incluent le

développement de techniques de montage dans l’espace, mais elles semblent être un obstacle

moins important que le coût substantiel. Ce dernier se trouvera diminué par le moindre coût

des cellules photovoltaïques ou par leur meilleur rendement.

Figure 18.Satellites à énergie solaire

Figure 19.un satellite pour surveiller les gaz à effet de serre

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3. conclusion :Certes l'énergie solaire est une énergie propre mais cela présente des limites.

Ainsi, les panneaux solaires sont une solution pour les endroits isolés, non raccordés au réseau

électrique et pour rendre des installations autonomes. L'énergie solaire peut également

s'avérer très avantageuse dans le cas d'installations chez des particuliers.

Cependant, les panneaux solaires ne sont actuellement pas rentables pour une production à

grande échelle, à cause de nombreuses limites et des autres sources d'énergie plus

avantageuses telles que le nucléaire.

Les panneaux solaires sont donc parfaits pour compléter les besoins énergétiques mais toute

l'énergie ne peut être produite entièrement par leur utilisation.

L'idéal serait donc une mixité des énergies où le solaire serait utilisé au maximum de son

potentiel ainsi que les autres énergies renouvelables.

L'énergie solaire est toutefois une solution d'avenir qui vaut le coup d'être plus exploitée,

d'autant plus que de nombreuses améliorations sont encore possibles.

4. conclusion générale :

L’énergie solaire est une des 5 énergies renouvelables qui permet d’obtenir essentiellement de

la chaleur et de l’électricité. Nous avons vu qu’à l’aide des nouvelles technologies, les

panneaux solaires photovoltaïques ou thermiques, on peut obtenir de la chaleur grâce aux

réactions transformant la lumière en chaleur ainsi que de l’électricité. De plus, nous avons

remarqué que l’on peut se chauffer dans une maison sans appareils mais seulement avec la

lumière du soleil. En effet, selon la position de la maison et certains espaces vitrées on peut

tirer de la chaleur grâce au rayon de soleil. L’énergie solaire peut contribuer au remplacement

des énergies fossiles puisqu’elle présente des intérêts positifs aux niveaux écologiste et social.

Cependant une question se pose : le soleil peut – il répondre à la demande mondiale ? Si oui,

est ce que la population suivrait – elle ?

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