L'énergie photovoltaïque est une forme d'énergie renouvelable obtenue à partir du rayonnement solaire et convertie en électricité grâce à l'utilisation de cellules photovoltaïques. Ces cellules, généralement constituées de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, capturent les photons de la lumière du soleil et génèrent du courant électrique.
Le processus de production électrique d'un système photovoltaïque commence par des panneaux solaires , constitués de plusieurs cellules photovoltaïques connectées en série ou en parallèle. Lorsque la lumière du soleil frappe les cellules, les électrons du matériau semi-conducteur sont excités et se déplacent, créant un courant électrique continu.
Ce courant est collecté et envoyé via des fils vers un onduleur, qui convertit le courant continu en courant alternatif , qui est la forme d'électricité utilisée dans les maisons et l'industrie.
Définition de l'énergie photovoltaïque
L'énergie photovoltaïque est une forme d'énergie renouvelable qui convertit la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque. Ce processus se produit dans les cellules photovoltaïques, généralement fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, qui génèrent un courant électrique lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire.
Cette technologie est utilisée dans les systèmes de production décentralisée, tels que les panneaux solaires sur les maisons, et dans les centrales solaires à grande échelle pour alimenter le réseau électrique. Son principal avantage est qu’il profite d’une source d’énergie inépuisable sans générer d’émissions polluantes, ce qui en fait une alternative durable aux combustibles fossiles.
Comment fonctionne l'énergie photovoltaïque ?
L'énergie solaire photovoltaïque fonctionne en convertissant directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque. Ce processus se produit dans les cellules photovoltaïques, généralement constituées de silicium, un matériau semi-conducteur. Lorsque la lumière du soleil frappe ces cellules, les photons transfèrent leur énergie aux électrons du matériau, générant un courant continu.
Destinée aux applications domestiques et industrielles, l'électricité produite est acheminée vers un onduleur, qui convertit le courant continu en courant alternatif, compatible avec le réseau électrique et les appareils électriques.
Selon le système, l’énergie peut être consommée instantanément, stockée dans des batteries ou injectée dans le réseau électrique. Étant une source renouvelable et propre, l’énergie photovoltaïque est une alternative durable aux combustibles fossiles.
Composants d'une installation photovoltaïque
Un système photovoltaïque se compose de plusieurs composants qui fonctionnent ensemble pour convertir le rayonnement solaire en électricité utilisable.
Voici comment fonctionne un système solaire photovoltaïque de base :
Panneaux solaires
Les panneaux solaires, également appelés panneaux photovoltaïques, sont composés de cellules photovoltaïques contenant des matériaux semi-conducteurs, généralement du silicium. Lorsque les photons de la lumière du soleil frappent les cellules, ils excitent les électrons du matériau semi-conducteur et génèrent un courant continu.
Câblage et connexions
Les panneaux solaires sont connectés en série ou en parallèle pour augmenter le courant ou la tension selon les besoins. Des câbles électriques et des connecteurs spéciaux sont utilisés pour interconnecter les panneaux et créer un réseau solaire.
Onduleur de puissance
Le courant électrique généré par les panneaux solaires est du courant continu (CC), mais la plupart des appareils et le réseau électrique utilisent du courant alternatif (CA). C'est pourquoi un onduleur est utilisé pour convertir le courant continu en courant alternatif. L'onduleur contrôle et surveille également les performances du système.
Compteur bidirectionnel et système de connexion au réseau (le cas échéant)
Dans certains systèmes photovoltaïques, notamment ceux connectés au réseau électrique, un compteur bidirectionnel est utilisé pour mesurer la quantité d'électricité produite et la quantité d'électricité consommée. Si le système est connecté au réseau, l’électricité excédentaire produite peut être envoyée au réseau et le compteur enregistre cette production supplémentaire.
Piles (en option)
Certaines installations solaires comprennent des batteries pour stocker l’excédent d’électricité produit pendant la journée et l’utiliser la nuit ou pendant les périodes de faible rayonnement solaire.
Les batteries permettent l’autosuffisance énergétique et l’utilisation de l’électricité produite même lorsque la lumière du soleil n’est pas disponible.
Avantages de l'énergie photovoltaïque
Les systèmes photovoltaïques offrent plusieurs avantages par rapport aux autres sources d’énergie. Voici quelques-uns des principaux avantages de cette technologie :
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Énergie renouvelable et durable : L’énergie photovoltaïque est basée sur le rayonnement solaire, une source d’énergie inépuisable. Contrairement aux combustibles fossiles, dont la quantité est limitée et qui contribuent à l’épuisement des ressources naturelles, l’énergie solaire est une option durable à long terme.
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Zéro émission et respectueux de l’environnement : lors de la production d’électricité à l’aide de panneaux solaires, aucune émission de gaz à effet de serre ni de polluants n’est rejetée dans l’environnement. Cela contribue à réduire l’empreinte carbone et à atténuer le changement climatique. -
Économies à long terme : une fois installé, un système photovoltaïque peut produire de l’électricité gratuite à partir du soleil. Cela permet de réduire, voire d’éliminer, la dépendance au réseau électrique conventionnel et de réduire les coûts énergétiques à long terme.
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Indépendance énergétique : l’installation de panneaux solaires permet aux utilisateurs de produire leur propre électricité. Cela assure l’indépendance énergétique et réduit la vulnérabilité aux pannes de courant potentielles.
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Large applicabilité et évolutivité : les systèmes photovoltaïques peuvent être adaptés à différents besoins et échelles, des installations résidentielles aux projets à grande échelle.
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Faible entretien : les panneaux solaires nécessitent un entretien minimal. En général, il suffit de les nettoyer périodiquement pour garantir que le rayonnement solaire les atteigne efficacement.
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Production décentralisée : Les systèmes photovoltaïques peuvent être installés dans des zones proches du point de consommation, ce qui réduit les pertes de transmission et de distribution d’électricité, optimise l’efficacité et contribue à la stabilité du réseau électrique.
Pays ayant la plus grande production d'énergie photovoltaïque
Le pourcentage d’énergie électrique produite par l’énergie solaire photovoltaïque dans le monde a connu une croissance significative ces dernières années. Selon les données de l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), fin 2020, la capacité installée d’énergie solaire photovoltaïque dans le monde a atteint 773 gigawatts (GW).
Selon le rapport 2021 de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) sur les énergies renouvelables, en 2020, l’énergie solaire photovoltaïque était responsable d’environ 3 % de la production mondiale d’électricité.
Vous trouverez ci-dessous un tableau présentant certains des principaux pays en termes de production d’énergie photovoltaïque en 2022.
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Pays |
Capacité installée d'énergie photovoltaïque (GW) |
Pourcentage de l'énergie solaire par rapport aux autres sources d'énergie |
|
Chine |
252 |
12,7% |
|
USA |
110 |
3,4% |
|
Japon |
67 |
9,7% |
|
Allemagne |
52 |
11,8% |
|
Inde |
45 |
4,2% |
|
Australie |
20 |
7,3% |
|
Corée du Sud |
16 |
2,9% |
|
France |
12 |
2,7% |
|
Italie |
20 |
8,6% |
|
Espagne |
10 |
7,3% |
Efficacité des panneaux photovoltaïques
Actuellement, le meilleur taux de conversion de la lumière du soleil en électricité est d’environ 21,5 %.
Selon la construction, les panneaux photovoltaïques peuvent produire de l’électricité à partir d’une gamme spécifique de fréquences lumineuses. Cependant, il ne peut généralement pas couvrir l’intégralité du spectre solaire. Plus précisément, les cellules photoélectriques ne peuvent pas convertir les ultraviolets , les infrarouges et la lumière faible ou diffusée en électricité.
Une façon d’augmenter l’efficacité des panneaux solaires serait de les éclairer avec une lumière monochromatique ; des rendements bien supérieurs pourraient être obtenus.
Par conséquent, un autre concept de conception consiste à diviser la lumière en différentes longueurs d’onde. Une fois séparés, dirigez-les vers différentes cellules adaptées à ces plages. Une installation de ce type est capable d’augmenter l’efficacité électrique de 50 %.
Exemples d'utilisations et d'applications
Le but des systèmes photovoltaïques est la production d’électricité pouvant être utilisée dans de multiples applications. Voici quelques exemples :
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Production d'énergie électrique à grande échelle. Il existe de grandes centrales électriques connectées directement au réseau électrique qui peuvent générer des centaines de mégawatts. Cependant, ces fermes solaires sont construites à l’aide de concentrateurs solaires et fonctionnent comme une centrale thermique.
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Systèmes intégrés aux toitures et aux bâtiments : Ces systèmes peuvent être destinés à l'autoconsommation d'électricité mais peuvent également être raccordés au réseau public.
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Électrification rurale. Ce type d’application solaire est utilisé dans les villages ruraux où les lignes électriques sont éloignées de la population.
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Éclairage des rues et des routes.
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Systèmes autonomes pour alimenter de petits appareils tels que des calculatrices, des chargeurs mobiles solaires, etc.
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Dans les transports : certains véhicules électriques intègrent des systèmes solaires pour alimenter un moteur électrique et obtenir une puissance motrice.
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Tours de communication et de signalisation qui utilisent des appareils électriques qui ne consomment pas de grandes quantités d'énergie électrique et qui sont difficiles à connecter au réseau de distribution électrique.
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Utilisation dans les vaisseaux spatiaux et les stations spatiales car les sources d'énergie disponibles dans l'espace sont rares.
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Systèmes de pompage d'eau.
Types d'installations photovoltaïques
Les installations photovoltaïques sont divisées en deux grandes catégories selon leur relation avec le réseau électrique :
Systèmes connectés au réseau électrique public
Ces systèmes photovoltaïques sont raccordés au réseau électrique public. Dans cette approche, les panneaux solaires produisent de l’électricité lorsque la lumière du soleil est disponible. Si la production d’électricité dépasse la demande locale du moment, l’excédent est injecté dans le réseau électrique. En échange, le propriétaire du système peut recevoir des crédits ou une compensation pour l'électricité produite, souvent appelée « facturation nette ».
Cette approche est courante dans les zones urbaines et commerciales et peut inclure de grandes centrales photovoltaïques ou des parcs solaires qui produisent de l’électricité à grande échelle.
Systèmes hors réseau
Les systèmes hors réseau sont indépendants du réseau électrique public et sont utilisés pour l’autoconsommation dans des endroits qui n’ont pas accès au réseau électrique ou dans des applications spécifiques. Ces systèmes produisent de l’électricité à partir de l’énergie solaire et la stockent dans des batteries pour une utilisation ultérieure.
Ils sont utilisés dans les maisons isolées, les stations météorologiques éloignées, l’éclairage routier dans les zones rurales ou les endroits éloignés, et dans les situations où il n’est pas possible ou rentable de se connecter au réseau électrique conventionnel.