L'alimentation (photovoltaïque)

Comment peut-on produire de l'électricité à partir du Soleil ?

La production d’électricité est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à transformer le rayonnement solaire en énergie électrique au moyen de dispositifs semi-conducteurs appelés cellules photovoltaïques. 

• L'éclairement (ou irradiance) est la puissance solaire reçue par unité de surface $\rm (W/m^2)$
• Le rayonnement (ou irradiation) est l'énergie solaire reçue par unité de  surface $\rm (W \cdot h/m^2)$. 

Caractéristiques d’un panneau photovoltaïque

Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont des générateurs de courant continu qui permettent de convertir le rayonnement solaire en énergie électrique. 

Leurs performances sont fonction de l’éclairement reçu et de la température.

Ainsi pour pouvoir comparer les cellules entre elles, on fixe des conditions standardisées pour les mesures. Ce sont les conditions « STC » (Standard Test Conditions) qui sont :

• Éclairement de $\rm 1~000~ W/m^2$
• Température de la cellule de $\rm 25°C$ 

Association de cellule photovoltaïque

Dans les conditions standardisées de test, la puissance maximale d’une cellule photovoltaïque de 100 cm² est de l’ordre de 1 à 2 W. Cette cellule photovoltaïque constitue donc un générateur de très faible puissance, insuffisant pour les applications électriques courantes. 

Les panneaux photovoltaïques sont donc réalisés par association en série et/ou en parallèle de cellules élémentaires.

• Association en série :
  Par association en série les cellules sont traversées par le même courant et la tension résultante correspond à la somme des tensions générées par chaque cellule.
  
• Association en parallèle :
  Par association en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et le courant résultant correspond à la somme des courants générés par chacune des cellules.
  

Caractéristiques électriques d’un panneau photovoltaïque

Sous un éclairement donné, tout panneau photovoltaïque est caractérisé par une courbe $\mathrm I = f\rm (V)$ représentant l'ensemble des configurations électriques que peut prendre le panneau. Trois grandeurs physiques définissent cette courbe :

• Sa tension à vide $\rm V_{C0}$ : valeur de tension générée aux bornes d’un panneau photovoltaïque éclairée et non raccordée.
• Son courant de court-circuit $\rm I_{CC}$ : valeur de courant généré par un panneau photovoltaïque éclairé et en court circuit.
• Son point de puissance crête ou maximale $\rm P_{MAX}$ (MPP : Maximal Power Point) obtenu pour une tension et un courant optimaux $\rm V_{MPP}$ et $\rm I_{MPP}$

Enfin, comme pour tout convertisseur d’énergie, on peut définir le rendement η d’un panneau photovoltaïque qui représente la fraction de l’éclairement qui est réellement convertie en puissance électrique.

Le rendement $\eta$ s'écrit : $\rm \eta= \frac{P_{MAX}}{1~000 \times S}$ avec : $\rm S$ la surface du panneau en $\rm m^2$. 

Différents types de panneau photovoltaïque :

Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisées, les autres types étant encore soit en phase de recherche/développement, soit trop chers et réservés à des usages où leur prix n'est pas un obstacle.

Production électrique : méthodes et formules de calcul

Une surface exposée au soleil reçoit à un instant donné une puissance solaire (ou éclairement) en W/m² (puissance par unité de surface). 

Au bout d'une journée, cette puissance a donc produit une énergie journalière (ou rayonnement solaire intégré) en Wh/m²/jour.

Exemples :

• Lyon :$ 3.9 kWh/m^2/jour$
• Marseille : $5.2 kWh/m^2/jour$

Afin de calculer quelle est la production d’un panneau photovoltaïque pendant une journée d'ensoleillement caractérisée par un facteur d'ensoleillement en Wh/m²/jour, on peut assimiler cette énergie solaire $\rm (E_{SOL})$ au produit d’un éclairement instantanée de 1 000 W/m² par un certain nombre d'heures d’éclairement que l'on appelle nombre d'heures équivalentes $\rm Te$ : 

$\rm E_{SOL} (Wh/m^2) = Te (h) \cdot 1~000 (W/m^2)$

Pour l'énergie électrique produite, on a :

$\rm W_{ELEC} ( Wh) = P_{MAX} ( W) \cdot Te ( h)$ avec $\rm P_{MAX}$, puissance maximale électrique du panneau.