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electriciteUn système photovoltaïque (PV) est constitué d'un ou plusieurs modules photovoltaïques (PV), la composante de base des systèmes PV. Un module PV est constitué d'environ 40 cellules solaires photovoltaïques. Ces cellules convertissent la lumière en électricité. Les modules PV sont connectés en série ou en parallèle et on les appelle le champ photovoltaïque. Parce les champs PV sont construits avec des modules PV de 50 ou 100 watts chacun, les systèmes photovoltaïques sont extrêmement modulaires, ce qui permet un transport facile, une installation rapide et une flexibilité d'expansion si les besoins en électricité augmentent.

Pour être en mesure d'utiliser l'électricité produite, plusieurs éléments doivent être ajoutés au système. Les systèmes PV utilisés pour les applications autonomes (également appelées applications hors réseau) peuvent également comprendre un système de contrôle, un système de stockage (une batterie, par exemple), des câbles et une charge (par exemple les lumières, la radio, la télévision). Les systèmes PV pour les applications raccordées au réseau ont besoin d'un convertisseur pour convertir le courant continu (DC) généré par les modules PV en courant alternatif (AC).

 

La cellule photovoltaïque convertit la lumière en électricité

electricite2La cellule photovoltaïque est le composant chargé de convertir la lumière en électricité. Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule photovoltaïque, une partie des particules de lumière (les photons), qui contiennent de l'énergie, est absorbée par la cellule. Par l'absorption d'un photon un électron (négatif) est libéré du nuage électronique d'un atome de silicium et il reste une lacune positive. L'électron libre et la lacune positive sont neutres lorsque couplés. Donc, afin d'être en mesure de produire de l'électricité, l'électron et la lacune doivent être séparés. Par conséquent une cellule photovoltaïque est constituée d'une couche de jonction artificielle, aussi appelée la couche PN. A ce point, les électrons libérés ne peuvent plus retourner dans les trous chargés positivement. En effet, lorsque les contacts électriques à l'avant et à l'arrière sont reliés par un circuit externe, les électrons libérés ne peuvent que retourner dans les trous chargés positivement en passant à travers ce circuit, ce qui génère du courant.

Comme le montre l'image ci-dessus, une cellule photovoltaïque est composée de plusieurs couches. La couche supérieure, constituée de cellules de silicium polycristallin, apparaît bleue en raison d'un revêtement anti-reflet qui est utilisé pour optimiser l'absorption de la lumière par la cellule. Tant la couche supérieure que la couche inférieure sont munies de contacts électriques afin de permettre aux électrons libres de passer à travers le circuit extérieur de la couche chargée négativement vers la couche chargée positivement, ce qui génère du courant.

La partie de silicium, qui constitue la cellule photovoltaïque, comporte également une couche négative (couche N) et une couche positive (couche P), lesquelles sont chimiquement polluées: la couche supérieure est constituée d'éléments dont les atomes ont un électron de plus que le silicium alors que la couche inférieure est constituée d'éléments dont les atomes ont un électron de moins que le silicium.

L'effet photovoltaïque se poursuivra aussi longtemps que la lumière frappera la cellule photovoltaïque: à chaque fois, les photons vont créer de nouvelles paires électrons / lacunes. Cela implique qu'aucun matériau n'est gaspillé. C'est un processus renouvelable.

La puissance électrique qui peut être extraite d'une cellule photovoltaïque est proportionnelle à sa superficie et à l'intensité de la lumière du soleil qui frappe cette superficie. Elle est mesurée en watts (W).

 

La ressource solaire

Le rayonnement solaire fournit une énorme quantité d'énergie à la terre. Le montant total de l'énergie qui est irradiée par le soleil à la surface de la terre est égal à environ 10 000 fois la consommation annuelle mondiale d'énergie. En moyenne, 1 700 kWh par mètre carré sont irradiés chaque année.

La lumière du soleil qui atteint la surface de la terre se compose principalement de deux éléments: la lumière directe et la lumière indirecte ou diffuse (la lumière qui a été dispersée par les particules de poussière et d'eau dans l'atmosphère). Les cellules photovoltaïques utilisent non seulement la composante directe de la lumière mais produisent également de l'électricité quand le ciel est couvert. Donc, il est faux de penser que les systèmes PV fonctionnent uniquement dans la lumière directe du soleil et ne conviennent de ce fait pas à une utilisation dans les climats tempérés. En effet, les systèmes photovoltaïques peuvent utiliser la radiation solaire diffuse ainsi que la lumière directe du soleil. Afin de déterminer le potentiel de production d'électricité photovoltaïque pour un site particulier, il est donc important d'évaluer la moyenne totale d'énergie solaire reçue au cours de l'année, plutôt que de se référer au rayonnement instantané.

Avec des cellules photovoltaïques, ce rayonnement peut être utilisé pour produire de l'électricité. Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule photovoltaïque, du courant continu (DC) est généré. En mettant une charge électrique à travers la cellule, ce courant peut être recueilli. Cependant, on ne peut pas convertir toute la lumière en électricité . En effet, les cellules photovoltaïques utilisent principalement la lumière visible. Une grande partie de l'énergie du soleil est constituée de rayonnements IR, de chaleur ou de rayonnements UV, ce qui explique que les rendements de conversion théoriques soient aussi faibles que 20 à 30%. Des insuffisances pratiques sous forme d'impuretés peuvent réduire encore davantage les performances d'une cellule photovoltaïque.

La quantité d'électricité utile générée par un module PV est directement liée à l'intensité de l'énergie lumineuse qui s'inscrit sur la zone de conversion. Donc plus la ressource solaire disponible est importante, plus le potentiel de production d'électricité est élevé. Les tropiques, par exemple, offrent une ressource meilleure pour la production d'électricité et supérieure à celle disponible dans les hautes latitudes. De même, un système PV ne génère pas d'électricité la nuit et il est important que les modules ne soient pas à l'ombre. Si l'électricité est requise en dehors des heures du jour ou si des périodes prolongées de mauvais temps sont prévues, un système de stockage est alors essentiel.

Afin de capter autant d'énergie solaire que possible, la cellule photovoltaïque doit être orientée vers le soleil. Si les cellules photovoltaïques ont une position fixe, leur orientation par rapport au sud (hémisphère nord) et leur angle d'inclinaison par rapport au plan horizontal doivent être optimisés.

L'angle optimal d'inclinaison se situe dans une fourchette d'environ 15 degrés de la latitude du site. Par exemple, pour les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau en Europe occidentale, l'angle optimal d'inclinaison est d'environ 35 degrés. Pour les régions plus proches de l'équateur, cette inclinaison sera plus petite et pour les régions situées près des pôles, elle sera plus grande. Notez qu'une déviation de l'angle d'inclinaison de 30 degrés par rapport à l'angle optimal mènera à une perte de moins de 10% du rendement maximum.

Les modules PV sont en fait plus efficaces à basse température. Donc, afin de s'assurer qu'ils ne surchauffent pas, il est essentiel qu'ils soient installés de manière à permettre à l'air de se déplacer librement autour d'eux. C'est une considération particulièrement importante dans des endroits qui sont soumis à des températures extrêmement chaudes à midi. Les conditions idéales de production PV sont froides, lumineuses et bien ensoleillées

 
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