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RÉSUMÉ
De par l’épuisement programmé des ressources primaires fossiles de la Terre, il est indispensable et urgent que d’autres ressources énergétiques prennent la relève. L’électricité photovoltaïque issue de la conversion directe en énergie électrique de l’énergie du rayonnement solaire, apport extérieur constamment renouvelé, est pour cela en très bonne place. Après une introduction présentant le contexte géophysique et énergétique, cet article expose les caractéristiques du rayonnement solaire dans l’espace et arrivé au sol, le principe physique de la conversion photovoltaïque, et la technologie des matériaux utilisés dans les cellules photovoltaïques.
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Due to the announced depletion of the primary fossil resources of the Earth, it is indispensable and a matter of urgency that replacement energy resources are found. Photovoltaic electricity, derived from the direct conversion into electric energy of solar radiation, a constantly renewed exterior source, is therefore in an excellent position. After an introduction presenting the geophysical and energetic context, this article deals with the characteristics of solar radiation in space and on earth, the physical principle of photovoltaic conversion as well as the technology of materials used in photovoltaic cells.
Auteur(s)
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Stéphan ASTIER : Professeur à l'Institut national polytechnique de Toulouse / École nationale supérieure d'électrotechnique, électronique, informatique, hydraulique, télécommunications de Toulouse (INPT/ENSEEIHT) - Chercheur dans le Groupe Énergie Électrique & Systémique du LAPLACE (Laboratoire plasmas et conversion de l'énergie)
INTRODUCTION
L'électricité d'origine solaire photovoltaïque, même si elle ne représente à ce jour qu'une part négligeable du paysage énergétique global, seulement 0,02 % de l'électricité produite en 2004, est appelée à connaître un important essor qui devrait en faire l'une des sources majeures dans un bouquet énergétique nouveau au milieu du XXIe siècle. Elle a fortement contribué au développement des systèmes spatiaux depuis 50 ans et joue un rôle déterminant dans les télécommunications et les télémesures. Elle connaît maintenant une croissance supérieure à 30 % par an dans les applications terrestres, maintenue et confirmée depuis plusieurs années sous l'effet des mesures volontaristes récentes s'inscrivant dans une démarche de développement durable.
En effet, l'humanité est aujourd'hui en situation de surexploitation des capacités de la Terre [1] et cette situation fait redouter un épuisement prochain des ressources naturelles. Pour y remédier, il est indispensable d'inscrire nos activités dans une logique de recyclage ou d'exploiter des ressources renouvelables. Le secteur actuel de l'énergie représente plus de 50 % de l'empreinte écologique totale et ne satisfait pas du tout ces critères. Les ressources primaires fossiles massivement exploitées depuis deux siècles [D 3 900], sont non renouvelables au rythme de la consommation actuelle et sont sources d'émissions gazeuses à effet de serre (GES) induisant des modifications climatiques potentiellement dommageables [2] [3]. Quant aux ressources fissiles, également épuisables, elles génèrent des déchets bien difficiles à confiner ou à recycler.
Or, parmi toutes les ressources naturelles requises pour nos activités, le seul domaine dans lequel la Terre bénéficie d'un apport extérieur constamment renouvelé est précisément celui de l'énergie grâce au rayonnement reçu de son soleil. Cette énorme quantité d'énergie solaire se décline en autant d'énergies renouvelables (solaire, éolienne, thermique, hydraulique, biochimique, ...), moteurs de l'évolution naturelle des écosystèmes depuis plus de 4 milliards d'années. Dans ce contexte, l'époque est devenue propice à l'exploitation artificielle par l'homme de ces énergies primaires renouvelables [4]. Mais leur valorisation introduit une problématique nouvelle en raison de leur caractère diffus et intermittent incompatible a priori avec une production centralisée à la demande.
C'est particulièrement le cas de l'électricité photovoltaïque issue de la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique, vecteur aux très nombreuses qualités. Si cette filière énergétique récente fait figure de candidat exemplaire en théorie, sa valorisation pratique pose des problèmes très spécifiques, techniques mais aussi contextuels, dont certains ont freiné son développement avant la forte croissance observée actuellement. Son exploitation implique les contextes géophysique et énergétique, les propriétés physiques du rayonnement solaire, les propriétés technologiques des dispositifs de conversion photovoltaïque et finalement celles des systèmes et des applications qui exploitent efficacement cette énergie. Les éléments principaux de cette problématique globale attachée à l'électricité photovoltaïque font l'objet de deux dossiers complémentaires Conversion photovoltaïque : du rayonnement solaire à la cellule[D 3 935] et [D 3 936].
Ce premier dossier traite des contextes géophysique et énergétique et de la conversion photovoltaïque proprement dite depuis les principes physiques jusqu'aux matériaux et technologies utilisés dans les cellules photovoltaïques.
Le deuxième dossier traite de l'exploitation de la conversion photovoltaïque, depuis la mise en œuvre pratique des cellules photovoltaïques pour constituer des générateurs d'énergie électrique jusqu'aux systèmes photovoltaïques. Après une analyse de la problématique de ces systèmes en termes d'architecture et de gestion de l'énergie, plusieurs exemples y sont décrits afin d'illustrer la variété des applications et des fonctionnements.
Le lecteur trouvera par ailleurs des développements différemment ciblés sur le photovoltaïque dans la collection des Éditions techniques de l'Ingénieur, notamment ceux auxquels ce dossier se réfère :
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« Consommation d'énergie et ressources énergétiques » [D 3 900] ;
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« Modules photovoltaïques. Filières technologiques » [D 3 940] ;
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« Graphes de liens causaux pour systèmes à énergie renouvelable » [D 3 970] et [D 3 971].
En outre, ce domaine en pleine expansion fait l'objet d'une abondante documentation, particulièrement sur la toile internet (cf. [Doc. D 3 936]).
VERSIONS
- Version courante de sept. 2021 par Stéphan ASTIER
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Présentation
1. Électricité solaire : contexte et généralités
1.1 Contexte géophysique : la Terre et son Soleil
Le « développement durable » prend acte du fait que la Terre est un monde fini : en conséquence la plupart des ressources massivement exploitées par l'humanité sont épuisables, sauf à les inscrire dans une logique de recyclage, une qualité à laquelle les écosystèmes satisfont naturellement. Au sens thermodynamique, la Terre peut être assimilée à un système fermé, car elle n'échange avec son environnement que des quantités de matière négligeables au regard de sa masse. Mais elle n'est pas isolée car les échanges d'énergie avec son environnement par rayonnement électromagnétique dans un large spectre de longueurs d'ondes sont très importants [4].
D'une part, la Terre située à la distance moyenne de 150 millions de kilomètres du Soleil, intercepte une toute petite fraction de l'énergie de son rayonnement. Cet apport permanent équivaut à une puissance moyenne continue de 175 000 TW et représente une éner-gie annuelle de 1,6 million de TWh, soit environ 10 000 fois notre consommation énergétique [D 3 900]. Si 30 % de cette énergie sont directement réfléchis, et 45 % ré-émis par rayonnement thermique vers l'espace, 25 % sont convertis dans l'atmosphère sous différentes formes (éolienne, hydraulique, ...) dont les écosystèmes tirent profit. La photosynthèse n'en exploite que 0,24 %, soit environ un million de TWh par an. À ce stade, on peut remarquer que la consommation mondiale de l'humanité représentait 15 % du chiffre précédent en 2002 avec 0,15 millions de TWh, une proportion qui n'est donc plus négligeable et appelée à doubler d'ici à 2040 !
D'autre part, la Terre émet par rayonnement thermique vers l'espace presque autant d'énergie qu'elle en reçoit du soleil : la composition actuelle de l'atmosphère terrestre offre un effet de serre naturel qui assure actuellement un équilibre à une température...
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