LA TRANSFORMATION DE L’ENERGIE

Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme…

Il y’a plusieurs façons de transformer l’énergie lumineuse en énergie utilisable, par exemple en électricité ou en énergie calorifique.

Le principe de transformation en énergie électrique fonctionne de la manière suivante : L’énergie lumineuse se propage sous forme de photons. Les rayons contenant ces photons atteignent la cellule photovoltaïque et transfèrent leur énergie aux électrons. Les électrons qui accumulent suffisamment d’énergie passent de la bande de valence à la bande de conduction. Les électrons de cette bande deviennent alors disponibles pour la conduction du courant électrique. En résumé, l’énergie contenue dans les photons est transférée aux électrons.

A préciser qu’il ne s’agit pas là d’un phénomène thermique.

Une des transformations les plus répandues est effectuée avec des cellules solaires ou panneaux photovoltaïques.

Les panneaux photovoltaïques sont composés de cellules photovoltaïques appelées également photopiles.

La matière première de la composition d’une photopile est dans 80% des cas le silicium, un semi-conducteur, qui est le deuxième élément le plus abondant sur notre planète après l’oxygène, mais qu’on ne trouve pas à l’état pur. On peut en outre utiliser n’importe quel semi-conducteur.

Nous savons que toute matière est faite d’atomes et d’électrons, charges électriques négatives élémentaires gravitant autour de l’atome, et qu’un courant électrique est un débit d’électrons.

Dans un isolant électrique, les électrons sont liés aux atomes et ne peuvent pas se déplacer, mais dans un conducteur électrique, un fil de cuivre par exemple, les électrons sont totalement libres de circuler et permettent le passage d’un courant.

Dans un semi-conducteur, la situation est intermédiaire, les électrons contenus dans la matière ne peuvent circuler que si on leur apporte une énergie pour les libérer de leurs atomes. Quand une lumière pénètre dans un semi-conducteur, ses photons apportent une énergie permettant aux électrons de se libérer et de se déplacer dans la matière, ce qui crée un courant électrique.

En résumé, une photopile est une tranche de silicium que l’on prend en sandwich entre deux électrodes métalliques + et – pour collecter le courant produit.

Les cellules au silicium cristallin ou poly-cristallin

Le silicium peut se trouver à l’état massif, il est dit dans ce cas cristallin ou poly-cristallin du fait de sa structure ordonnée. Il est généralement produit sous forme de barreaux purifiés, de section ronde ou carrée, puis découpés en tranche d’environ 0.2 mm d’épaisseur. ( 2 )

Un traitement de " dopage " peut alors lui être pratiqué :

Dopage de type positif sur la face exposée a la lumière. Il est obtenu par adjonction d’atomes de bore contenant moins d’électrons que le silicium. ( 3 )

Dopage de type négatif sur la face arrière avec des atomes de phosphore contenant plus d’électrons que le silicium. ( 5 )

On obtient alors une jonction possédant un champ électrique interne pour entraîner vers le circuit extérieur les charges électriques libérées sous illumination. C’est grâce à ce champ interne qu’apparaît une tension entre les deux faces du silicium. ( 4 )

Le dessus et le dessous de la plaquette doivent alors être recouverts de contacts métalliques pour collecter l’électricité générée. ( 1 et 6 )

Représentation d’une cellule au silicium cristallin ou poly-cristallin

Notre cellule est alors opérationnelle, mais de très faible tension et donc peu utilisable sous cette forme.

On place alors plusieurs de ces cellules élémentaires sur des supports ( généralement en verre ) et on les relie entre elles par des fils conducteurs. Puis on joint les supports entre eux à l’aide d’une résine d’assemblage. Cette opération est appelée encapsulage. Elle est nécessaire pour les panneaux à base de silicium cristallin ou poly-cristallin, car elle les protège contre les intempéries et constitue également un renfort mécanique.

Cette opération n’est pas forcement nécessaire pour les cellules à base de silicium amorphe car leur usage peut être également intérieur.

Les cellules au silicium amorphe

On trouve également le silicium dans une forme amorphe, c’est-à-dire avec une structure atomique désordonnée.

Sous cette forme, le silicium est produit directement sur une plaque de verre à partir du gaz silane ( SiH4 ).

Les plaques de verre sont placées dans une enceinte chauffée où l’on fait le vide, puis le silane est injecté et décomposé par une décharge radiofréquence, le silicium libéré se dépose alors sur les plaques. La présence d’hydrogène est également nécessaire pour la qualité du matériau.

La production de ces cellules nécessite également un dopage positif et négatif du silicium. De la phosphine pour le positif et du diborane pour le négatif.

Pour les électrodes, on applique une couche mince et transparente d’oxyde d’étain pour l’électrode positive et un dépôt métallique sur le silicium.

Représentation d’une cellule au silicium amorphe

La mise en série de ces cellules est réalisée au cours de la fabrication des couches par un découpage au laser des différentes couches, permettant ainsi de mettre en contact l’électrode positive d’une cellule avec l’électrode négative de la suivante.

Une cellule individuelle d'un système photovoltaïque ne produit qu'une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un panneau. Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant. La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées en série pour des applications en 12 V. Le courant de sortie, et donc la puissance, seront proportionnels à la surface du module.

L'interconnexion de panneaux entre eux - en série ou en parallèle - pour obtenir une puissance encore plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la structure rigide pour poser les modules, le câblage, la batterie en cas de stockage et son régulateur de charge, et l'onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif.

Le système photovoltaïque est alors l'ensemble du générateur photovoltaïque et des équipements de consommation.

Les photopiles ne produisent de l’énergie que si elles sont exposées à la lumière et le courant produit dépend de la valeur de l’éclairement, or les appareils électriques doivent pouvoir fonctionner à la lumière et dans l’obscurité, il est donc nécessaire d'installer des batteries afin stocker une partie de l’énergie produite pour la restituer durant les périodes nocturnes et celles de faible ensoleillement. Les accumulateurs sont un moyen de stocker l’énergie électrique sous forme chimique.

D'une part, on chargera les accumulateurs (passage des électrons d’un générateur vers les accumulateurs). D’autre part, on utilisera l’énergie stockée pour alimenter un récepteur, mais ces deux événements peuvent être simultanés.

En pratique l’énergie de fonctionnement est tirée sur la batterie dès l’instant où le courant d’utilisation instantané est supérieur au courant issu du panneau solaire.

On peut faire une analogie avec l’eau de pluie, si l’on souhaite consommer de l'eau durant la période de sécheresse, il est utile de la stocker dans un réservoir.

Les batteries sont indispensables aux installations autonomes, mais optionnelles pour les installations connectées au réseau.

Elles sont ainsi nommées car l’électrolyte est liquide et doit être renouvelée (comme dans une batterie de voiture).

C'est le type le plus ancien et le plus utilisé. Un élément plomb-acide se compose de deux électrodes de plomb baignant dans l’acide sulfurique dilué.

Attention : Les batteries de voitures peuvent délivrer plusieurs centaines d'ampères pendant quelques secondes, ce qui est très bien pour faire démarrer un véhicule à moteur, mais elles ne sont pas du tout adaptées aux exigences d'une installation photovoltaïque. Elles ne supportent pas d'être profondément déchargées ou utilisées de façon prolongée - cela réduit très fortement leur durée de vie (d'où le problème des phares restés allumés).

L’utilisation de batteries qui supportent des cycles de décharge profonds, de préférence les batteries spécialement conçues pour les applications solaires est plus appropriée. Elles sont en vente partout où l'on trouve les panneaux photovoltaïques. Sinon, on peut utiliser les batteries conçues pour les besoins électriques sur des bateaux ou sur des caravanes, qui sont, elles, nettement plus faciles à trouver.

Les batteries au plomb étanche

De technologie électrolyte gélifié ou à recombinaison de gaz, ils ont les mêmes caractéristiques que les batteries au plomb ouvert mais sont étanches. Ils peuvent fonctionner dans toutes les positions et ne nécessitent absolument aucun entretien (pas d’eau à rajouter).

Le problème de ces batteries est qu’elles ont des capacités inférieures aux batteries au plomb ouvert.

Les accumulateurs cadium-nickel

Ils sont constitués d’une électrode cadium et d’une électrode nickel plongées dans un électrolyte alcalin.

Ils peuvent subir des décharges profondes avec moins de risques de dégâts que d’autres batteries, mais un de leurs inconvénients majeurs est une fuite permanente, que l’on pourrait appeler autodécharge, que la photopile doit combler.

Leurs principaux avantages sont leur disponibilité en petite capacité et leur bon rapport capacité/volume.

Les accumulateurs nickel-hydrures

Ils sont assez comparables aux cadmium-nickel et ont été développés afin d'éliminer le Cadmium pour les raisons de nocivité que l'on connaît (des pays comme l’Allemagne commencent à l'interdire). Ils pourraient être amenés à les remplacer, d’autant plus que leurs capacités sont supérieures à dimensions et poids comparables, mais la technologie est trop jeune pour que l'on puisse se prononcer sur leur fiabilité dans le cadre du photovoltaïque.

Les accumulateurs au lithium

Ils sont constitués du couple lithium-vanadium (tension nominale 3 V), sont dérivés des piles lithium utilisées dans les ordinateurs notamment pour la sauvegarde des mémoires. De technologie récente et réservés pour le moment aux très faibles capacités (< 100 mAh), ces accus supportent mal les cycles charge-décharge et présentent aujourd'hui plus d'inconvénients que d' avantages pour le photovoltaïque. Il faut laisser progresser les constructeurs avant de se prononcer.

Montage série ou parallèle

On peut connecter en série / parallèle des batteries solaires exactement identiques et de même âge. Pour la mise en parallèle, il faut veiller à l'équilibrage des courants par un câblage symétrique. Pour chaque chaîne de batterie, il faut monter un fusible en série dans le câblage. Il est toujours avantageux de sur-dimensionner une batterie au départ, la mise en parallèle de batteries d'âges différents étant fortement déconseillée, la batterie la plus âgée faisant vieillir prématurément la nouvelle. Il est également meilleur d'utiliser une grande batterie plutôt que deux petites totalisant la même capacité.

Il faut toujours prévoir une bonne ventilation des batteries pour éviter l'accumulation de gaz explosif. De même un bac étanche supplémentaire est une bonne protection en cas de fuite d'acide qui attaque toutes les matières organiques. Les batteries étanches sont utiles pour les applications portables.

Prix

Le choix d'une technologie sera fonction de l'utilisation et non d'un coût minimal de stockage. Pour un système peu utilisé comme un chalet de week-end avec 50 à 100 cycles partiels par an, on choisira la batterie la moins chère parce qu'il serait impossible de rentabiliser une batterie tubulaire. Par contre pour une utilisation quotidienne, le choix du tubulaire ou d'une technologie intermédiaire s'impose.

Le régulateur de charge est un petit appareil qui se place entre la batterie et les panneaux solaires pour éviter que la batterie ne soit endommagée par un courant trop fort ou inversement qu'elle ne se décharge trop. Son rôle principal est de réduire le courant lorsque la batterie est presque entièrement chargée. Lorsqu'une batterie se rapproche d'un état de charge complète, de petites bulles commencent à se former sur les électrodes positives. A partir de ce moment, il vaut mieux réduire le courant de charge non seulement pour éviter des dégâts mais aussi afin de mieux atteindre l'état de charge complète. Un courant trop élevé peut même provoquer une déformation des électrodes à l'intérieur ce qui pourrait créer un court-circuit. Parfois ces appareils sont dotés d'indicateurs de charge ou d'un limiteur de décharge pour couper la batterie dès que le niveau de tension descend en dessous d'un niveau déterminé, le plus souvent aux alentours de 11.5 V. Le courant peut être ré-enclenché à partir d'une tension déterminée (par exemple 12.5 V).

L'électricité produite par les panneaux photovoltaïques est du courant continu, tout comme le courant des piles et des batteries, ce qui veut dire que le flux d'électrons va toujours dans le même sens.

L'électricité de secteur est du courant alternatif, ce qui veut dire que le flux d'électrons change de direction 50 fois par seconde (en Europe). On a choisi le courant alternatif pour le réseau de distribution car on peut plus facilement transporter l'électricité sur de longues distances .

Il existe des appareils, les "onduleurs," qui convertissent un courant continu de 12 ou 24 volts en courant alternatif d’une tension de 220 V, ce qui permet d'y brancher tous les appareils qui fonctionnent sur le secteur. Jusqu'à très récemment, les onduleurs étaient relativement peu efficaces et parfois peu fiables.

La situation a évolué énormément depuis, et le rendement moyen d'un onduleur est de 93% maintenant.

D'abord, un grand nombre d'appareils fonctionnent en courant continu, et doivent convertir le secteur en courant continu basse tension. Un très grand nombre d'entre eux marchent sur 12 V ce qui permet de les alimenter directement depuis les panneaux solaires sans transformateurs. Deux cas typiques - les répondeurs automatiques et les lampes halogènes. La plupart des appareils qui marchent en courant continu avec une tension entre 9 et 15 volts pourront fonctionner sans problème sur 12 volts

Le courant continu est préférable dans la mesure oû vous faites économie d'un maillon dans une chaîne de composants, et votre installation reste plus simple et à la fois moins chère. Il existe un grand nombre d'appareils qui peuvent fonctionner soit en courant continu soit en courant alternatif; s'ils ne sont pas plus chers, ils peuvent alors être une alternative efficace et permettre d’économiser sur le prix d’un onduleur. Il est relativement facile de trouver des télévisions, des ventilateurs etc. qui marchent en courant continu, souvent vendus pour le marché des caravanes. Autrefois, on utilisait souvent des stéréos d'automobile haut de gamme dans les installations autonomes, mais il existe maintenant un choix de stéréos avec prise 12 V.

Pour d'autres catégories d'appareils, il faut décider s'il vaut mieux dépenser bien plus pour un produit qui fonctionne sur 12 V (et qui peut être difficile à trouver), ou utiliser un onduleur. La question se pose surtout pour l'éclairage. On peut recommander l'utilisation d'un onduleur afin de bénéficier de la qualité de la lumière et de la gamme de choix des compactes fluorescentes, mais ceci au prix de la simplicité des petites installations.

Le choix peut se porter sur un onduleur qui consomme un minimum et qui s'arrête automatiquement quand on ne s'en sert pas, qui permettrait de faire des économies d’énergie.

Certains appareils sont un peu allergiques à la forme de sinus produite par les onduleurs. Les imprimantes à laser, par exemple, ne font pas bon ménage avec les onduleurs, mais comme ce sont des appareils extrêmement gourmands, on les évitera de toute façon.

Certains appareils ont besoin de beaucoup de courant pour se mettre en marche, surtout s'ils contiennent un moteur. Une machine à laver, par exemple, peut avoir besoin de jusqu'à 8 fois sa puissance nominale pour démarrer. Votre onduleur doit avoir la capacité nécessaire pendant de courtes périodes.