Compte tenu de la situation énergétique mondiale, les énergies renouvelables sont au cœur de l’actualité et sont indispensables au développement durable de notre société : la diminution des rejets de gaz à effets de serre, la réduction des dépenses énergétiques, mais aussi le besoin d’autonomie en énergie sont les trois facteurs principaux qui favorisent l’utilisation de l’énergie solaire.

Le principe de l’énergie solaire photovoltaïque n’est pourtant pas une nouveauté ! Sa découverte, par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel, date de 1839.

Ce phénomène s’explique par une transformation de la lumière en électricité par un capteur semi conducteur. (Le terme « photovoltaïque » provient du grec « photo » = lumière et « volta » = électricité)

1) Histoire, utilisations et évolutions.

2) Description et fonctionnement d'un capteur photovoltaïque.

3) L'énergie solaire dans le monde.

4) Importance et avantages de l'énergie solaire photovoltaïque.

5) La France est-elle un pays ensoleillée?

1) Histoire, utilisations et évolutions

Les premières applications pratiques de l’énergie solaire photovoltaïque remontent au milieu du 20e siècle. Les satellites ont été les premiers appareils à fonctionnant à l’énergie solaire. Effectivement, les organismes de recherche spatiale se sont tournés vers l’utilisation de panneaux photovoltaïques afin d’assurer le besoin en électricité et en autonomie des satellites.

Puis vers 1970, des petits appareils électroniques comme les calculatrices ou les montres, arrivent sur le marché avec une particularité : une cellule photovoltaïque qui remplace les piles. Les fabricants Japonais créent ainsi les premiers « objets solaires » pratiques à faible consommation.

Les recherches sur les capteurs photovoltaïques s’intensifient dès lors dans les pays européens (France, Allemagne, Royaume Uni) mais également aux Etats Unis et au Japon. A cette époque, l’énergie solaire photovoltaïque n’est pas encore au centre des convoitises mais certains l’annoncent déjà comme solution énergétique durable.

Par la suite et jusqu’à aujourd’hui, beaucoup d’applications utilisent l’énergie solaire photovoltaique pour répondre à deux besoins :

-Alimenter des appareils éloignés des réseaux de distribution et les rendre autonomes: chalets d’altitude, bouées en mer, alimentation de relais de télévision…

-Alimenter des appareils qui consomment peu d’électricité pour remplacer les piles.

En même temps, une forte demande émerge des pays en développement qui voient en cette énergie, une solution pour les populations rurales qui n’ont pas l’accès à l’électricité.

De nombreux villages africains sont aujourd’hui équipés de panneaux solaires photovoltaiques qui leur permettent d’utiliser un système d’éclairage ou d’irrigation, d’avoir la télé, la radio…

Les amateurs de voyages, de camping, de randonnées ou de nautisme, s’équipent maintenant de panneaux solaires « modernes ». Il existe aujourd’hui des capteurs photovoltaiques souples, fins, légèrs et étanches qui apportent un véritable confort. Charger un téléphone portable, un GPS, un appareil photo ou même un ordinateur n’est plus un problème pendant les déplacements.

A l’heure actuelle, les capteurs solaires se miniaturisent et sont de plus en plus performants. C’est pourquoi les objets fonctionnant à l’énergie solaire sont de plus en plus nombreux. On connait déjà les lampes solaires de jardin, mais il existe une multitude d’autres objets pour la maison :

-Décorations lumineuses pour le jardin, mobiles solaires….

-Pompes à eau, cascades et fontaines….

-Eclairages pratiques : lampes de vélo, détecteur de mouvement, éclairage de serrure…

-Radios, ventilateurs, présentoirs tournants, alarme de fenêtre, ouverture de portail…

-Jeux et jouets

Depuis quelques années, il est possible de produire sa propre électricité et de la revendre à EDF. Cette solution s’est rapidement développée puisqu’elle est économiquement très intéressante sur le long terme.

Les grandes surfaces de toiture sont devenues des emplacements prisés pour la mise en place de « centrales » solaires photovoltaiques raccordées au réseau.

Beaucoup d’habitants sont désormais producteurs d’électricité privés. Ils ont fait le choix de produire une énergie propre, fiable, durable, et respectueuse de l’environnement.

L’énergie solaire photovoltaique se démocratise et arrive dans les foyers ! Elle est aujourd’hui à la portée de tous ! 

2) Description et fonctionnement d'un capteur photovoltaïque.

Un capteur photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière génère une tension électrique. Cet effet est appelé l'effet photovoltaïque (du grec photo=lumière et volta=électricité).

Les cellules photovoltaïques sont pour la majorité constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si) qui se présentent sous la forme de fines plaques en contact étroit (appelée jonction PN).

Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques (une positive et une négative) et le tout est protégé par plusieurs matériaux dont une plaque de verre en surface.

 Lorsque les rayons lumineux (photons) heurtent la surface de ce matériau, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière (silice). Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique qui est recueilli par les électrodes métalliques très fines.

Il existe 3 types de cellules en silicium :

Monocristallines :

Ces cellules ont des rendements compris entre 13 et 17% (ce qui signifie qu’elles transforment 13 à 17 %  de l’énergie lumineuse reçue en énergie électrique). Bien que leur fabrication demande beaucoup d’énergie et de temps, elles donnent les rendements les plus élevés parmi tous les types de cellules.

Elles sont fabriquées par la fusion de silicium de grande pureté. A partir de ces monocristaux, des lingots de silicium (cylindriques) sont formés puis sciés en tranches de 200 à 300 µm (= 0,2 à 0,3 mm) d’épaisseur. Ces tranches argentées et brillantes sur lesquelles sont déposés les électrodes sont ensuite traitées pour éviter les reflets.

Polycristallines :

Le rendement de ces cellules varie entre 11 et 15%. Le coût de fabrication est très légèrement inférieur à celui des cellules monocristallines.

Pour leur fabrication, le silicium brut est fortement chauffé puis refroidi de façon contrôlée dans un moule. Lors de la solidification des lingots (rectangulaires), les cristaux s’orientent de façon irrégulière. La surface d’une tranche a par conséquent une apparence brillante et présente des nombreux cristaux. Les tranches ont une épaisseur d’environ  300 µm (= 0,3 mm)

Les différences entre le monocristallin et le polycristallin sont très faibles c’est pourquoi le choix de l’un par rapport à l’autre reste souvent une question d’esthétisme.

Amorphes :

Ces cellules non structurées (ne se présentant pas sous forme cristalline) sont très largement utilisées dans les calculatrices et les montres. Elle ont un rendement  de 6 à 8%, deux fois plus faible que les cellules cristallines. Le matériau semi conducteur est considérablement plus fin ( 0,5 à 2 µm). On a donc besoin de beaucoup moins de matière première pour les fabriquer. Le procédé de fabrication consiste à vaporiser le silicium.

A la grande différence avec les cellules cristallines, les cellules amorphes captent le rayonnement solaire diffus ce qui leur permet de produire de l’électricité même par temps couvert. Par contre elles nécessitent d’être installées sur des surfaces deux fois plus grandes pour produire la même puissance que des cellules cristallines.

NB : Il existe également des capteurs photovoltaiques sans silicium qui sont souvent composés de Cuivre, Sélénium, Indium, Gallenium (CIGS) Tellurium, Cadmium, Souffre (CdS, CdTe). Ces capteurs « nouvelle génération » ont l’avantage d’être souples, de capter le rayonnement diffus et d’être moins coûteux à la production.

3) L'énergie solaire dans le monde.

Produire une électricité d’origine renouvelable et plus particulièrement de l’énergie photovoltaïque est un pari économique, industriel et environnemental que la France doit relever.

L’Allemagne et le Japon sont partis en tête de la course solaire suivi des USA et présente aujourd’hui une avance considérable dans le domaine du photovoltaïque.

Pour résumer en quelques chiffres le marché mondial :

Puissance cumulée (source 2004)

Japon :          1100 MWc

Allemagne :    760 MWc

USA :                300 MWc

France:               20 MWc……

Depuis 4 ans, tout accélère rapidement et de nouveaux acteurs prennent place sur ce marché. C’est bien évidemment le cas de la Chine mais aussi de l’Espagne, de l’Italie et de la France. Ces pays ont instauré des directives positives en faveur du photovoltaïque : des subventions régionales pour les particuliers et professionnels, des réductions d’impôts avantageuses et un tarif de rachat de l’électricité produite élevé.

Ainsi, la puissance installée rien qu’en 2007 est :

Dans le monde :  2800 MWc 

En Europe :           1540 MWc

En Allemagne :    1100 MWc

En Espagne :          340 MWc

En Italie :                    50 MWc

En France :                12 MWc

Si on compare les puissances cumulées le classement fin 2007 est le suivant :

1 : Allemagne  3846 MWc

2 : Japon          1200 MWc

3 : USA                750 MWc

4 : Espagne       515 MWc

5 : Italie               100 MWc

6 : Pays-Bas        55 MWc

7 : France             46 MWc

En trois ans, l’Allemagne a multiplié ses installations par 5, les USA par 2,5 et la France par 2.

En Espagne et en Italie, c’est plus de la moitié des installations qui ont été effectué en 1 an.

La croissance du marché solaire photovoltaïque est fulgurante en Europe mais il ne faut pas oublier que l’énergie est un enjeu mondial.

 La France doit répondre aux objectifs fixés par la commission européenne. Elle se doit d’atteindre une production de 20 % d’énergies renouvelables d’ici 2020.

« Espérons qu’un jour la maison à faible consommation énergétique (voir même à énergie positive) sera incontournable et que les panneaux solaires qui couvriront les toits ensoleillés seront devenus aussi banal que l’ardoise ou la tuile !!!

4) Importance et avantages de l'énergie solaire photovoltaïque.

Le soleil fournit en permanence 10 000 fois la consommation mondiale en énergie.

L’espérance de vie du soleil est évaluée à plusieurs milliards d’années : c’est une énergie plus que durable !

Le soleil produit beaucoup plus d’énergie que nous pouvons en consommer. Pour couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité avec le solaire photovoltaique, 145 000 Km2 de panneaux solaires seraient suffisants. (En d’autres termes, un carré de 380 Km de côté soit l’équivalent de 1,5% de la surface du continent européen serait suffisant !).

Comparée aux autres sources d’énergie renouvelable, l’énergie solaire photovoltaique présente une série d’avantages considérables :

-Le rayonnment solaire permanent arrivant à la surface de la terre a une puissance de 1000 W/m2. (Ce qui est nettement supérieur au 0,063 W/m2 avec la géothermie)

-Les zones ensoleillées sur la planète correspondent en majeure partie aux régions de peuplement humain. Ainsi, l’exploitation et l’utilisation de cette énergie peut se faire au même endroit. L’énergie n’est que très peu transportée.

-Les installations solaires sont de vraies sources écologiques car elles produisent au cours de leur vie (25 ans et +) beaucoup plus d’énergie que ce qui a été nécessaire à leur fabrication.Le bilan énergétique est positif : La dépense énergétique de fabrication est amortie en 2 à 4 ans d’utilisation.

-C’est une énergie propre : elle n’entraine aucun risque pour l’environnement. Zéro rejet de polluant et préservation des espèces  vivantes environnantes.

-Le solaire photovoltaique est une affaire sûre et sans risques : l’investissement et le rendement sont prévisibles à long terme.

-Le matériel photovoltaique est robuste (durée de vie supérieur à 25 ans), peu de pannes, très peu de maintenance nécessaire.

-L’effet photovoltaique  ne comporte aucune partie en mouvements. Il n’y a donc pas d’usure due aux frottements.

-Production d’électricité réalisée sans combustion et à une température pas trop élevée. Il n’y a donc pas d’usure thermique des composants (pas comme les chaudières)

-Des tests ont prouvés la stabilité des matériaux contre les intempéries, le rayonnement UV et variations de T°.

-Les modules photovoltaiques sont recyclables :Les composants comme les cellules de silicium, les faces en verre et les cadres en aluminium sont récupérés, réutilisés ou recyclés par différents des procédés.

-Avec une installation photovoltaique, chacun peut réduire ses émissions de CO2 et améliorer son écobilan personnel.

- Le solaire photovoltaique permet de dévelloper une conscience nouvelle dans l‘utilisation quotidienne de l’énergie. Souvent le choix d’un système photovoltaique amène à remettre en question les appareils électroménagers et les habitudes de consommation excessives de courant.

-La mise en place d’une installation photovoltaique donne de la valeur à un bâtiment.

5) La France, un pays ensoleillé ?

Les étés pluvieux et les mois d’hiver sombres sont des impressions subjectives, contredites par les statistiques qui livrent des résultats clairs : le soleil est en France une énergie considérable et constante sur laquelle on peut compter, y compris dans le nord du pays.

Les endroits les plus ensoleillés sont certes situés autour de l’équateur où l’on atteint des valeurs d’ensoleillement de 2200 KWh /m2/an. Ici, en France, c’est 900 à 1200 KWh/an qui brillent sur chaque m². (ce qui correspond à une énergie produite par 100 litres de fioul)

Une surface de modules photovoltaïques d’environ 30 m2 peut ainsi couvrir la consommation électrique d’un foyer moyen. Cette surface est facilement disponible sur les toits, les façades et les voies de communication.