Comment fonctionne l'énergie photovoltaïque?

L’irruption des énergies renouvelables a été accompagnée de l’utilisation du soleil, mais savez-vous comment fonctionne l’énergie photovoltaïque et comment elle arrive jusqu’à chez vous?

Le soleil, cette boule incandescente qui occupe notre ciel et autour de laquelle pratiquement toutes les cultures humaines ont tourné, tournent et tourneront (littéralement et figurativement parlant). Une vénération culturelle et religieuse qui, loin d’être bannie par une humanité de moins en moins mystique, est désormais exploitée scientifiquement à travers l’énergie. En effet, cette étoile vieille de 4,6 milliards d’années – à peine adulte comparée à l’âge d’autres étoiles – est vitale pour la vie sur Terre (nous pensons qu’il n’est pas nécessaire d’expliquer pourquoi à ce stade) mais aussi pour la production d’une énergie propre, durable et inépuisable : l’énergie photovoltaïque. Ainsi, en seulement quelques décennies, nous sommes passés de vivre dos au soleil – d’un point de vue énergétique – à connaître une fièvre photovoltaïque où nous commençons à tirer parti du potentiel de notre soleil pour générer de l’électricité. Mais vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionne l’énergie solaire photovoltaïque ? Aujourd’hui, nous allons vous éclairer à ce sujet ; préparez votre crème solaire et c’est parti !

Peut-être est-il d’abord nécessaire de clarifier ce qu’est l’énergie solaire photovoltaïque. Ce type d’énergie est obtenu en convertissant le rayonnement solaire en électricité grâce à ce qu’on appelle l’effet photoélectrique, qui consiste essentiellement en l’émission d’électrons (qui deviendront plus tard de l’électricité) à la suite du rayonnement électromagnétique qui tombe sur un matériau, dans ce cas les cellules photovoltaïques situées à la surface des panneaux photovoltaïques, quelle que soit leur taille ou leur technologie. Ces cellules, à leur tour, possèdent une série de couches de matériaux semi-conducteurs d’électricité, soit du silicium soit d’autres matériaux, recouvertes d’un film vitré qui permet au rayonnement solaire de passer et minimise les pertes d’énergie, bien que l’efficacité maximale soit actuellement de 20 % dans les installations les plus avancées. Ainsi, les rayons du soleil qui restent à l’intérieur sont « piégés » à l’intérieur de la plaque photovoltaïque grâce à la génération d’un champ électrique qui traverse un circuit électrique et est transféré à travers l’installation électrique.

Nous avons déjà nos précieux rayons solaires, dont l’intensité déterminera – dans les limites de capacité de notre installation – la puissance que nous pourrons générer, piégés dans notre circuit électrique grâce à la « magie » de la science. Il est maintenant temps de les transformer en véritable énergie électrique que nous pouvons utiliser.

Lorsque les photons « piégés » libèrent des électrons, ils génèrent de plus en plus d’électricité à travers le circuit de la plaque photovoltaïque, qui ne peut pas tirer parti de tous les électrons générés et les redirige vers le panneau négatif pour qu’ils puissent réintégrer le processus à une étape ultérieure. Ainsi, ce processus cyclique permet la production de ce que nous connaissons sous le nom de courant continu, qui est stocké dans des batteries pour être ensuite converti en courant alternatif (celui que nous consommons à la maison) grâce au travail du second grand protagoniste de notre explication : les onduleurs.

Ces onduleurs sont essentiels, car sans eux, il serait impossible de profiter de l’énergie solaire photovoltaïque. Ainsi, le travail de ces appareils consiste à adapter le courant de l’énergie à celui que l’on trouve dans n’importe quelle prise de maison grâce à la conversion du courant continu en courant alternatif. L’explication de ce besoin de conversion du courant est que le courant continu, comme son nom l’indique, offre un flux régulier qui coule dans une direction unique, tandis que le courant alternatif fonctionne grâce à une puissance et une direction constamment changeantes. Ainsi, les onduleurs changent la direction du courant continu de constant à alternatif, afin que nous puissions en bénéficier pour notre usage domestique, car il est beaucoup plus facile d’adapter la tension spécifique de nos appareils électriques au courant alternatif.

À ce stade, pour poursuivre l’explication, nous devons examiner les types d’installations photovoltaïques qui existent. En gros, nous pouvons les diviser en deux grands groupes :

• Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau
• Systèmes photovoltaïques hors réseau

Voyons les différences de fonctionnement et quels autres éléments entrent en jeu pour garantir leur utilisation.

Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau

Ces types d’installations, qu’il s’agisse d’installations d’autoconsommation (celles que nous installons dans nos foyers privés pour nous fournir de l’énergie « gratuite ») ou d’une centrale électrique (une grande installation qui génère de l’énergie solaire photovoltaïque et la distribue à différents consommateurs), sont interconnectés avec le grand réseau électrique ; permettant au réseau d’être alimenté par les surplus (dans le cas de l’autoconsommation) et la production (dans le cas des centrales électriques).

À ce point, nous devons faire la différence entre les installations domestiques et centrales, principalement en raison du nombre d’éléments qui entrent en jeu pour garantir leur bon fonctionnement. • Dans les installations domestiques, l’énergie électrique, une fois en courant alternatif, passe aux batteries d’où elle est consommée par nos appareils électriques ou stockée en attendant d’être consommée. De plus, l’énergie excédentaire est envoyée à travers le réseau public d’électricité pour être utilisée par les consommateurs. • Dans les centrales photovoltaïques, le processus est beaucoup plus complexe car, une fois l’électricité générée, elle doit être injectée dans le réseau, où elle commence un voyage très intéressant jusqu’à sa consommation.

Ainsi, une fois l’électricité générée passée par l’onduleur, elle doit passer par un élément clé de tout le processus : le centre de transformation et de distribution. Cet appareil élève la tension, augmentant l’efficacité et réduisant les pertes d’énergie, afin qu’elle puisse être transférée au réseau, qui transporte l’électricité jusqu’aux points de consommation.

À mesure que l’électricité approche des points de consommation, elle passe par la sous-station pour réduire sa tension afin qu’elle puisse être utilisée.

Systèmes photovoltaïques hors réseau

Cette seconde classification est la moins courante, mais très présente dans des secteurs comme l’agriculture, ainsi que dans des lieux éloignés ou difficiles d’accès. En gros, il s’agit d’installations qui fonctionnent dans ce que l’on appelle des « îles énergétiques » pour satisfaire la demande énergétique des installations autonomes. Ainsi, ces types d’installations photovoltaïques, qui sont beaucoup plus simples en termes de fonctionnement car elles ne nécessitent pas plus de dispositifs de commutation puisqu’elles ne sont pas connectées au réseau électrique principal, peuvent agir comme générateurs d’électricité pour l’éclairage, pour les systèmes d’irrigation dans les plantations ou comme soutien à d’autres systèmes de génération tels que les groupes électrogènes diesel.

Pour ce faire, et revenant au point où l’énergie a déjà passé à travers le panneau solaire et est stockée en toute sécurité dans notre batterie, ces installations nécessitent un autre élément supplémentaire qui les différencie en termes de fonctionnement : les régulateurs. Cet élément fonctionne essentiellement comme un système de protection de la batterie contre les surcharges électriques ou les utilisations inefficaces ou irresponsables de l’énergie accumulée. Ainsi, les batteries, bien protégées, déversent l’énergie sur le réseau électrique autonome (câblage et installation domestique/agricole/industrielle) et ce dernier en fait usage. C’est aussi simple que cela.

L’énergie photovoltaïque: durable et économique

Jusqu’à récemment, le débat sur les photovoltaïques, comme sur d’autres sources de génération d’énergie renouvelable, était animé. Les nuages qui menaçaient de couvrir le « ciel photovoltaïque » n’étaient rien d’autre que des doutes sur sa viabilité en tant que source d’énergie. Comme toute technologie, le photovoltaïque a payé le prix fort lors de sa phase initiale, mais après plusieurs années à démontrer sa polyvalence, il a réussi à surmonter ces obstacles grâce à sa maturité technologique et à une diminution soutenue des prix d’installation.

Ainsi, il y a seulement deux ans, un jalon dans l’histoire du photovoltaïque a été atteint lorsque l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) a publié son rapport annuel World Energy Outlook 2020, dans lequel elle a affirmé que l’énergie solaire n’est pas seulement compétitive et efficace, mais qu’elle est « l’électricité la moins chère de l’histoire » – c’est dire. La clé de cela réside dans le coût du capital pour les projets solaires, qui permet de produire de l’énergie solaire à un prix inférieur à 20 $ par mégawattheure, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles les organismes de financement favorisent la fourniture de capital pour le développement de nouveaux projets solaires en raison de sa rentabilité élevée.

Aujourd’hui, la capacité de production d’électricité photovoltaïque a franchi la barrière psychologique des 1 000 GW grâce à l’excellente année 2021 au cours de laquelle 168 GW de capacité ont été ajoutés au réseau électrique mondial. Cela est attesté par le rapport Global Market Outlook for Solar Power de SolarPower Europe, qui note également que c’est la neuvième année consécutive où l’industrie photovoltaïque a battu son record annuel d’installation. Une tendance qui devrait se répéter en 2022, lorsque les prévisions indiquent que les installations solaires dépasseront pour la première fois les 200 GW.