Article

1 - SYSTÈMES PHOTOVOLTAÏQUES : STRUCTURES ET TYPOLOGIE

2 - DIMENSIONNEMENT ÉNERGÉTIQUE DES SYSTÈMES PV

3 - ÉCOCONCEPTION DES SYSTÈMES PHOTOVOLTAÏQUES

4 - SYSTÈMES PHOTOVOLTAÏQUES : EXEMPLES TYPES

5 - ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE ET HYDROGÈNE : VECTEURS ÉNERGÉTIQUES COMPLÉMEN-TAIRES POUR LA TRANSITION

6 - CONCLUSION : SYNTHÈSE ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : D3936 v2

Électricité photovoltaïque et transition énergétique - Systèmes PV et applications

Auteur(s) : Stéphan ASTIER

Date de publication : 10 sept. 2021

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Sommaire

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 production d’électricité permet d’alimenter les grands réseaux électriques, aussi bien que les micro-réseaux et les sites isolés. Associée au stockage par 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 conversion: from the cell to systems

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 generation is used to supply large power grids, as well as micro-grids and remote sites. Associated with storage means, using 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 fondé sur la consommation d’énergies fossiles perturbe profondément plusieurs équilibres planétaires, particulièrement la biodiversité et le climat, indique la nécessité d’une transition vers un modèle de développement plus soutenable. 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 » annoncée. Dans ce contexte, la concrétisation d’une utopie déjà ancienne peut apporter une réponse durable à ces enjeux : 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.

Les technologies actuelles permettent de mettre à profit cette situation thermodynamique remarquable et 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 exploite directement le plus important de tous ces potentiels énergétiques : le rayonnement solaire. Elle a maintenant logiquement pris la tête de ce mouvement en termes de nouvelles capacités installées. Elle peut alimenter en électricité les grands réseaux électriques publics aussi bien que des micro-réseaux 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, ou d’alimenter indirectement des systèmes autonomes ou mobiles. Cette très riche versatilité et ses qualités lui confèrent un énorme potentiel applicatif extrêmement varié. Mais, comme toute technologie, elle n’est pas exempte d’impacts sur notre environnement : afin de « densifier » l’énergie diffuse du rayonnement solaire, elle demande de larges surfaces de capteurs et nécessite la mobilisation de ressources minérales importantes, elles-mêmes épuisables si elles ne sont pas recyclées.

Dans cette série de deux articles, 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 photo-voltaïque sont décrits ainsi que les dispositifs technologiques qui permettent sa mise en œuvre, de la cellule photovoltaïque élémentaire au générateur multi-cellulaire 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 cette deuxième partie, nous détaillons cette diversité de systèmes photovoltaïques et proposons une typologie générique qui l’unifie. On y traite ensuite de l’écoconception 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 photovoltaïques. Elle inclut également les impacts environnementaux de ces systèmes précisément promus pour réduire notre empreinte écologique. Enfin, quelques exemples de systèmes photo-voltaïques 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-d3936


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Agence Internationale de l’Énergie -   Rapport spécial Énergie et changement climatique  -  (2015) https://www.actu-environnement.com/ media/pdf/news-24754-rapport-aie.pdf

  • (2) - ROBOAM (X.) et al -   In : Conception systémique pour la conversion d’énergie électrique 1 – ASTIER (S.) et al. Chapitre 1 Introduction à la démarche systémique de conception,  -  Hermès Sciences, Lavoisier (2012).

  • (3) - ASHOK KUMAR (L.), ALBERT ALEXANDER (S.), RAJENDRAN (M.) -   Power Electronic Converters for Solar Photovoltaic Systems,  -  Elsevier (2020).

  • (4) - YONGHENG YANG (K.), KIM FREDE BLAABJERG (A.), SANGWONGWANICH (A.) -   Advances in Grid-Connected Photovoltaic Power Conversion Systems,  -  Elsevier (2018).

  • (5) - OPIYO (N.) -   Power Electronics for PV-Based Communal Grids.  -  February 2016 in SciRes. http://www.scirp.org/journal/sgrehttp://dx.doi.org/10.4236/sgre.2016.7200

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