Article

1 - ÉLECTRICITÉ SOLAIRE : CONTEXTE ET GÉNÉRALITÉS

2 - LE SOLEIL ET LA TERRE : SITUATION THERMODYNAMIQUE, ÉNERGIES RENOUVELABLES

3 - DU RAYONNEMENT SOLAIRE À LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE

4 - DE LA CELLULE AU GÉNÉRATEUR PHOTOVOLTAÏQUE : MODULARITÉ

5 - CONCLUSION : SYNTHÈSE ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : D3935 v2

Électricité photovoltaïque et transition énergétique - Du rayonnement solaire au générateur PV

Auteur(s) : Stéphan ASTIER

Date de publication : 10 sept. 2021

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Présentation

RÉSUMÉ

L’électricité solaire photovoltaïque, par ses propriétés spécifiques, s’impose comme une composante privilégiée d’une transition énergétique engagée : refonder notre secteur énergétique sur les énergies renouvelables d’origine solaire, seule source d’énergie à basse entropie extérieure à la Terre. Exploitant le rayonnement solaire, cette électricité permet d’alimenter les grands réseaux électriques, aussi bien que les microréseaux et les sites isolés. Et associée au stockage, batteries ou hydrogène, elle participe aux besoins des systèmes autonomes et mobiles. Cet article en deux parties présente les principales propriétés physiques de l’électricité photovoltaïque, en les reliant à ce contexte sociotechnique complexe dans lequel l’ingénieur doit élaborer des solutions optimales pour la conception et/ou l’opération des systèmes photovoltaïques dans toute leur diversité.

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ABSTRACT

Photovoltaic electricity and energy transition: From sunlight to PV generator

Photovoltaic solar electricity, by virtue of its specific properties, is an essential contributor in an oncoming energy transition: re-founding our energy system on renewable energies of solar origin, the only low-entropy energy source outside the Earth. Using solar radiation, this electricity is used to supply large power grids, as well as micro-grids and remote sites. And associated with storage, batteries or hydrogen, it contributes to supply autonomous and mobile systems. This two parts article presents the main physical properties of photovoltaic electricity, relating them to this complex socio-technical context in which the engineer must develop optimal solutions for the design and / or operation of photovoltaic systems in all their diversity.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Le constat scientifique que notre développement moderne perturbe profondément plusieurs équilibres planétaires, particulièrement la biodiversité et le climat, marque profondément le contexte mondial actuel et indique la nécessité d’une transition vers un modèle de développement plus soutenable. Le secteur de l’énergie, fondamental dans toute forme de développement, contribue fortement à ces dérèglements planétaires. Confrontée à l’urgence climatique qui fait maintenant consensus depuis l’Accord de Paris adopté en décembre 2015, l’humanité attend beaucoup d’une « transition énergétique » qui réponde efficacement à ces enjeux.

Dans ce contexte, l’électricité solaire photovoltaïque est une filière technologique privilégiée dans la concrétisation engagée d’une utopie déjà ancienne : refonder, à l’instar des chaînes alimentaires de la vie sur la Terre, l’approvisionnement énergétique des sociétés humaines sur la seule source d’énergie à basse entropie extérieure à la Terre : le Soleil. Dans cette situation thermo-dynamique remarquable, plusieurs sources d’énergies renouvelables d’origine solaire à très fort potentiel sont convoquées : rayonnement solaire, éolien sur terre et en mer, hydraulique, biomasse, etc. L’électricité photovoltaïque permet d’exploiter directement le plus important de ces potentiels énergétiques, le rayonnement solaire et, en termes de nouvelles capacités installées, a pris la tête de ce mouvement. Elle peut alimenter les grands réseaux électriques publics aussi bien que des microréseaux ou des sites isolés. Son association au stockage électrochimique, batteries ou hydrogène vert et power-to-gas, eux aussi objets d’importants programmes mondiaux, permet de remédier aux intermittences journalières et aux variations saisonnières d’ensoleillement, comme de participer indirectement aux besoins des systèmes autonomes et mobiles. Mais, comme toute technologie, elle n’est pas exempte d’impacts environnementaux : densifier l’énergie apportée par le rayonnement solaire demande de larges surfaces de capteurs et la mobilisation de ressources minérales importantes, épuisables si elles ne sont pas recyclées. L’objectif de cet article est de présenter ces éléments et les propriétés physiques de l’électricité photovoltaïque de façon unifiée en les situant précisément dans le contexte sociotechnique de transition évoqué ci-dessus, visant à donner à l’ingénieur un ensemble d’éléments scientifiques et techniques lui permettant d’élaborer les solutions pertinentes pour la conception et/ou l’opération des systèmes photovoltaïques dans toute leur diversité.

Dans ce document, une analyse de la transition énergétique est posée en premier lieu, incluant la situation thermodynamique du système Soleil-Terre ; elle sert de cadre auquel relier explicitement telle ou telle propriété physique spécifique au photovoltaïque présentée par la suite. Puis les propriétés du rayonnement solaire et les principes de sa conversion photovoltaïque sont décrits ainsi que les dispositifs technologiques qui permettent sa mise en œuvre, de la cellule photovoltaïque élémentaire au générateur multicellulaire et modulaire. Cette modularité combinée à celle de l’électronique de puissance qui conditionne l’électricité photovoltaïque, conduit à une grande variété de structures, d’abord pour les générateurs, ensuite pour les systèmes, de puissances de quelques watts à plusieurs mégawatts, installés en zones aussi bien urbaines et industrielles denses que rurales et isolées. Dans un second article [D 3 936], une typologie générique unifie cette diversité de systèmes photo-voltaïques. On y traite ensuite de la conception des systèmes photovoltaïques. Celle-ci inclut l’évaluation de l’insolation sur site dont la prise en compte est indispensable pour opérer le dimensionnement des générateurs photo-voltaïques. Elle inclut également les impacts environnementaux de ces systèmes précisément promus pour réduire notre empreinte écologique. Enfin, quelques exemples de systèmes photovoltaïques types sont choisis pour en illustrer quelques particularités, particulièrement l’association au vecteur hydrogène-énergie.

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KEYWORDS

photovoltaic   |   systems   |   electicity   |   solar

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3935


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BECQUEREL (E.) -   Mémoires sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires.  -  Compte rendu académie des sciences, p. 561-566, 1er avril 1839 https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2968p/f561.item.zoom

  • (2) - EINSTEIN (A.) -   On a heuristic point of view about the creation and conversion of light.  -  Annalen der Physik, 17, p. 132-148 (1905) https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/100

  • (3) - CHAPIN (M.), FULLER (C.S.), PEARSON (G.L.) -   A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power.  -  Journal of Applied Physics, 25, p. 676 (1954) Published Online : 14 May 2004D https://doi.org/10.1063/1.1721711

  • (4) - LAUGIER (A.), ROGER (J.A.) -   Les photopiles solaires, du matériau au dispositive, du dispositive aux applications  -  . Technique et documentation (1981), Incluant BAYE (E.M.) Groupe Physique de Solide Énergie Solaire, CNRS Valbonne (1980).

  • (5) - MIT -   The future of solar energy  -  (2015) http://energy.mit.edu/research/future-solar-energy/

  • ...

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