TPE : L'énergie Solaire

I) Les panneaux solaires photovoltaïques

Le panneau solaire photovoltaïque est un dispositif qui transforme l'énergie de la lumière en électricité.

a) L'effet photoélectrique

L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmont BECQUEREL. Cette technologie s'est développée par la suite par la nécessité d'approvisionner en électricité solaire les satellites.

On ne peut pas expliquer l'effet photovoltaïque sans évoquer l'effet photoélectrique.

L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'émission d'électron par un matériau souvent métallique soumis à l'action de la lumière.

L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecte les électrons du matériau.
L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecte les électrons du matériau.

On peut ainsi distinguer tout d'abord l'émission photoélectrique : les électrons sont éjectés du matériau. Lorsque ce phénomène a lieu, l'énergie des photons présente dans la lumière va, soit se transmettre aux électrons qui s'extraient du matériau, soit se transmettre en énergie cinétique.

On note également que l'effet photovoltaïque se traduit par l'augmentation de la conductivité du matériau. Nous allons donc nous interresser plus en details à se phénomène afin d'expliquer le fonctionnement des panneaux photovoltaïques.


b) Principe du fonctionnement du panneau solaire

Le panneau solaire a pour principe de convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique grâce à des cellules photovoltaïques. Ces cellules, constituées de matériaux semi-conducteurs, peuvent libérer leurs électrons sous l'action de la lumière. Ainsi le photon d'énergie suffisante va créer un trou par arrachement de l'électron. Dans un cas habituel, l'électron va localiser un « trou » pour s'y replacer. Ce qui a pour effet de dissiper l'énergie créée.

Dans notre cas, le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau. Ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces (comme dans une pile). La libération des électrons des matériaux constituants les cellules sous l'action des photons permet ainsi la production d'un courant électrique.

Schéma de l'effet photoélectrique
Schéma de l'effet photoélectrique

Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonction PN électriquement neutre, entre deux couches dopées respectivement P et N obligeant le électrons arraché à passer par le fil conducteur pour accéder à couche possédant moins d'électrons :

Schéma de l'effet photoélectrique vu avec électrons
Schéma de l'effet photoélectrique détaillé

Sur le site de "C'est pas sorcier", l'effet photovoltaïque nous est résumé en vidéo.

Lien de téléchargement ou de visionage de la vidéo

On remarquera qu'aujourd'hui le silicium est la matière la plus utilisée et représente près de 90% du marché. Cependant il existe d'autres semi-conducteurs comme le séléniure de cuivre et d'indium (CuIn(Se)2) , ou encore le tellurure de cadmium (CdTe)


c) Coûts/Rendement/Limites

Il existe trois types de cellules photovoltaïques :

Les cellules monocristallines : elles sont constituées d'un cristal à deux couches, le plus souvent du silicium. Elles ont un rendement entre 15 et 22 % mais elles sont chères à fabriquer.

Les cellules poly-cristallines : elles sont constituées de plusieurs cristaux, ce qui diminue leur prix de fabrication. Cependant leur rendement n'est que de 10 à 13 %.

Les cellules amorphes : elles ont un rendement très faible (5 à 10 %) mais leur prix est très bas.

Il faut ainsi compter, environ 1000 euros, pour 1m² de panneau solaire en comptant le coup du panneau solaire ainsi que celle de sa pose.

On peut noter par ailleurs que l'on peut recevoir des subventions de l'agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) de l'ordre de 60%.

A travers une expérience de physique, nous avons voulu montrer que le rendement du panneau solaire photovoltaïque dépend d'un facteur : l'inclinaison.

Matériel :

Materiel de l'expérience

Schéma :

Schema de l'expérience sur la cellule photovoltaïque

Expérience :

Nous avons pour cela disposé une lampe devant laquelle nous y avons placé une cellule photovoltaïque située à 15 cm (distance fixe entre les différentes manipulations). Cette dernière est reliée à un voltmètre. Ainsi nous avons fait varier l'angle d'inclinaison de la cellule et relever les différentes valeurs. Les angles sont de 90°,60°,45° et 30°.

Schema de l'expérience sur la cellule photovoltaïque
Schema de l'expérience sur la cellule photovoltaïque
Schema de l'expérience sur la cellule photovoltaïque
Schema de l'expérience sur la cellule photovoltaïque

On peut ainsi constater à travers cette expérience que la valeur maximale est atteinte pour un angle d'inclinaison de 90° avec dans notre cas 0,487V. De plus on remarque que plus l'angle d'inclinaison tend vers 0°, moins la valeur de même que le rendement sont élevés.

Par conséquent, l'inclinaison de la cellule photovoltaïque par rapport au rayon lumineux constitue un critère non négligeable à l'optimisation du rendement.


Et donc, avec ce critère ajouté à d'autres, on peut calculer selon http://www.tpepanneauxsolaires.fr/rentabilite.html, pour une moyenne pour 1m² de 100kWh par an :


Cependant, on peut en cerner des limites dûes, soit au rendement faible de l'ordre de 10%( énergie reçue du soleil et l'énergie électrique convertie obtenue) , soit des cellules photovoltaïques (monocristalline) qui ont un rendement de 15% à 22% mais dont le prix est très élevé. On ajoute à cela que le silicium doit être purifié afin de produire du courant à partir de photons ce qui est coûteux. Ainsi pour un kilogramme de silicium on n'obtient pas plus de 100 grammes de silice.

En termes de perspective, l'objectif des recherches dans le domaine photovoltaïque serait d'obtenir un rendement de l'ordre de 50% que l'on considère comme le « graal » pour les chercheurs.

On remarquera qu’aujourd’hui le silicium est la matière la plus utilisée et représente près de 90% du marché. Cependant il existe d’autres semi-conducteurs comme le séléniure de cuivre et d'indium (CuIn(Se)2, ou encore le tellurure de cadmium (CdTe)


d) D'autres types de panneaux : thermiques et thermodynamique

Il existe également d'autres types de panneaux solaires tels que les panneaux solaires thermiques et thermodynamiques.

Le premier panneau, a pour principe de capter la chaleur provenant du soleil pour la transmettre à un « fluide caloporteur » qui peut être un gaz ou liquide. Il va ainsi servir de Chauffe-eau.

Chauffe eau solaire au sol
Chauffe eau solaire au sol

Panneau solaire à tubes sous vides(dont le rendement est supérieur aux autres types de panneau solaire thermique du fait de sa meilleure isolation à l'air)

Panneau solaire à tubes sous vides
Panneau solaire à tubes sous vides

Pour cela, les rayons du soleil vont venir frapper une plaque de verre transparente, sous laquelle une plaque noire va absorber les rayons et donc la chaleur. Cette chaleur va ainsi chauffer un plaque métallique qui, par conduction va chauffer un conduit d'eau et va donc être utilisé par l'Homme. On peut ainsi voir un schéma de son fonctionnement:

Schéma du fonctionnement d'un panneau solaire thermique
Fonctionnement d'un panneau solaire thermique

Il existe également le panneau solaire thermodynamique. Pour créer de l'électricité, le rayonnement solaire va se concentrer à l'aide de miroirs pour ainsi actionner les turbines générant de l'électricité par la chaleur transmise. On note que cette méthode nécessite une grande surface ce qui constitue un inconvénient . Mais l'intérêt des panneaux solaires thermodynamique réside dans leur capacité a délivrer de l'électricité en grande quantité

Panneaux solaires thermodynamiques
Panneaux solaires thermodynamiques

Les différents espaces où cette méthode est utilisée sont :