Convertisseurs photovoltaïques

Hormis les énergies nucléaire et géothermique, le soleil est à l’origine de la quasi-totalité des sources d’énergies utilisées par l’humanité pour ses besoins alimentaires, domestiques et industriels : biomasse, vent, hydraulique, combustibles fossiles. Le Soleil fournit ainsi chaque jour à la Terre, par son rayonnement, l’équivalent de plusieurs milliers de fois la consommation énergétique totale de l’humanité pour ses activités d’aujourd’hui.

À titre d’exemple, pour donner un ordre de grandeur des énergies mises en jeu, une toiture de 100 m² située dans le sud de la France (durée moyenne d’ensoleillement 8 h/j), orientée perpendiculairement à l’inclinaison moyenne des rayons, reçoit par jour un flux énergétique d’une puissance de 70 kW, soit l’équivalent d’une énergie électrique de 560 kWh ou l’équivalent d’une énergie thermique d’environ 480 000 kcal, ce qui représente 50 L de fuel.

On imagine que même un capteur dont le rendement est de 10 % peut récupérer une énergie importante, le problème principal étant le coût de 1 m ² de capteur.

L’hélioélectricité traite de la transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique.

Mais, malgré les espoirs initiaux suscités par les nombreux avantages potentiels de cette nouvelle source d’énergie électrique, celle-ci ne s’est pas imposée en dehors du domaine spatial, en raison d’obstacles techniques et surtout économiques. En effet, malgré des progrès significatifs, le coût du kilowattheure produit reste le plus souvent beaucoup plus élevé qu’avec les technologies lourdes classiques. Ainsi, en 1996 l’ensemble des installations photovoltaïques mondiales représente seulement » 100 MW installés, que l’on peut comparer aux 1 300 MW d’une seule tranche de centrale nucléaire.

En fait, l’énergie solaire est par nature une énergie répartie, ce qui constitue un handicap car sa densité, en moyenne de quelques kilowattheures par mètre carré est faible, mais aussi un atout que l’on peut mettre à profit dès que les distances rendent exorbitants l’installation et l’entretien d’un réseau de distribution d’énergie électrique à partir d’une unité de production centralisée. L’énergie solaire devient alors compétitive sur le long terme et la technologie photovoltaïque est aujourd’hui suffisamment mûre et maîtrisée pour prendre un véritable essor dans le domaine des applications de puissance sur sites isolés, car tel apparaît son créneau privilégié. Sont alors concernés les zones d’accès difficile des pays industrialisés et, bien plus encore, les pays en développement qui représentent un immense marché potentiel, car plus de deux milliards d’habitants du tiers-monde sont encore privés d’électricité.

Dans cet article consacré aux convertisseurs photovoltaïques, nous avons donc choisi, pour les raisons évoquées précédemment, de nous intéresser aux installations photovoltaïques isolées d’un réseau classique de distribution. Son objectif est de fournir les éléments de base à considérer par le concepteur et l’utilisateur de ce type de système électrique et énergétique.

Après quelques rappels sur le potentiel solaire à la surface de la terre, nous présentons les principes de l’effet photovoltaïque et de sa mise en œuvre technologique élémentaire dans la cellule photovoltaïque à semi-conducteur. Puis nous développons les éléments à considérer pour mettre en place un système photovoltaïque de puissance, isolé du réseau général de distribution d’électricité.