Comment ça marche l'énergie solaire ?

Paru en janvier 2017

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Olivier SEBART / ADEME

Le soleil est notre grand, et presque unique, pourvoyeur d’énergie sur Terre.  

Bien sûr, le soleil nous chauffe et nous éclaire, mais il est aussi responsable du déplacement des masses d’air (l’énergie éolienne). Il est le moteur du cycle de l’eau, qui actionne les turbines de nos barrages hydro-électriques. Enfin, grâce aux plantes qui utilisent sa lumière pour convertir les éléments minéraux en aliments, l’énergie solaire entre dans toutes les chaînes alimentaires.

L’énergie solaire est l’énergie la plus répandue et la plus répartie dans le monde. En une année, l’humanité entière consomme 10 milliards de Tonnes équivalent pétrole (Tep). Cette quantité représente moins de 3 % de ce que le Soleil nous envoie gratuitement chaque jour.

Cette énergie est renouvelable tant que le soleil brillera, soit encore 4,5 milliards d’années, Et, autre avantage, leur utilisation ne rejette pas de gaz à effet de serre.

Comment peut-on capter cette énergie dans notre quotidien pour nous chauffer ou produire de l’électricité ?

L'énergie solaire pour produire de l'électricité

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Laurent CHEVIET / ADEME

Les modules solaires photovoltaïques pour produire de l'électricité

Pour capter l’énergie lumineuse du soleil et la transformer en électricité, on utilise des modules photovoltaïques. Ces modules solaires, aux reflets bleutés, sont constitués, dans la plupart des cas, d’un assemblage de cellules photovoltaïques en silicium.

Le silicium est fabriqué à partir de la silice (notamment présente dans le sable), une matière abondante sur  Terre. Il faut rendre ce silicium très pur ce qui nécessite un apport important d’énergie. 

Source : Hespul

L’électricité correspond à un déplacement d’électrons. Aussi, pour rendre les électrons plus mobiles, le silicium découpé en fine tranche est « dopé ». La cellule photovoltaïque est en fait composée de deux zones : une zone dans laquelle une partie des atomes de silicium sont remplacés par des atomes de phosphore et une autre zone dans laquelle une partie des atomes de silicium sont remplacés par des atomes de bore.  Il en résulte la création d’un champ électrique à l’interface de ces deux zones. L’atome de phosphore possède un électron de plus que l’atome de silicium sur sa couche périphérique, et l’atome de bore en a un en moins.

Ainsi quand la lumière pénètre le silicium, elle apporte de l’énergie sous forme de photons. Les photons vont communiquer leur énergie aux atomes de silicium, conduisant à la création de charges électriques. Les électrons de la zone dopée au phosphore vont rejoindre les trous de la zone dopée au bore via la connexion extérieure. Ils sont alors collectés par les grilles en métal. Au passage, leur déplacement crée un courant électrique.

Pratiquement, une cellule photovoltaïque en technologie cristalline est donc composée de plusieurs couches actives :

  • une couche « anti-reflet » sur la face avant dont le but est de faciliter au maximum la pénétration d’un maximum de photons
  • une grille conductrice avant « collectrice des électrons »
  • une couche dopée N (généralement grâce aux atomes de bore) avec porteurs de charges libres négatifs (électrons)
  • une couche dopée P (généralement grâce aux atomes de phosphore) avec porteurs de charges positifs (trous)
  • un contact métallique arrière pour collecter les charges positives.

L’électricité photovoltaïque ainsi produite peut ensuite être injectée dans le réseau électrique général pour être utilisée ailleurs, ou stockée dans des batteries pour servir à des moments où il n’y a plus de soleil.

Les modules photovoltaïques sont utilisés depuis longtemps pour fournir de l’électricité en sites isolés : chalet de montagne, bouée en mer, cabine téléphonique. Cependant, sur ces sites qui ne sont pas raccordés au réseau électrique, des batteries de stockage sont nécessaires. Depuis quelques années, ces modules sont de plus en plus installés sur le toit des bâtiments (maisons, immeubles),  Ils peuvent également être installés au sol ou en façades.

Les systèmes photovoltaïques permettent aujourd’hui de produire en France environ 190 GWh (estimation de la production annuelle de 2009), ce qui correspond à la consommation électrique de 85 000 habitants.  Leur progression va être très importante dans les prochaines années.

 

Coup de projecteur sur : les routes solaires

Depuis octobre 2016, la France expérimente la production d'électricité grâce à des dalles photovoltaïque installées sur la route.  Ce revêtement permet d’utiliser la surface de la route pour produire de l’électricité en optimisant l’espace sans gêner la circulation des véhicules. On estime que la production d’électricité liée à 1 km de route solaire peut alimenter l’éclairage publique d’une ville de 5000 habitants.

 

Les centrales solaires : concentrer l’énergie du soleil pour produire de l’électricité

Il existe 2 types de centrales solaires qui permettent de produire de l’électricité :

  • les centrales solaires thermodynamiques : l’énergie du soleil est concentrée à l’extrême grâce à des miroirs et des paraboles. On obtient alors de très fortes températures, permettant la production de vapeur d’eau capable d’actionner des turbines et donc de produire de l’électricité.
  • les centrales solaires photovoltaïques : elles sont composées d'un ensemble de modules solaires photovoltaïques reliés en série ou en parallèle et branchés sur un ou plusieurs onduleur(s). La technique de production d’électricité est donc la même que pour des modules photovoltaïques installés sur un bâtiment.

Il existe plusieurs centrales photovoltaïques au sol en France mais aucune n’utilisant une technique de concentration, car ce système, pour être efficace, doit bénéficier d’un fort ensoleillement direct et est donc peu adapté à la France métropolitaine.

 


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