Photovoltaïque

Le photovoltaïque (PV) est un terme qui couvre la conversion de la lumière en électricité à l’aide de matériaux semi-conducteurs à effet photovoltaïque, phénomène étudié en physique, en photochimie et en électrochimie.

Un système photovoltaïque typique utilise des panneaux solaires, chacun comprenant un certain nombre de cellules solaires, qui génèrent de l’énergie électrique. Les installations photovoltaïques peuvent être montées au sol, montées sur le toit ou fixées au mur. La monture peut être fixe ou utiliser un suiveur solaire pour suivre le soleil dans le ciel.

Le PV solaire présente des avantages spécifiques en tant que source d’énergie: une fois installé, son fonctionnement ne génère aucune pollution et aucune émission de gaz à effet de serre, il montre une évolutivité simple en termes de besoins énergétiques et le silicium est largement disponible dans la croûte terrestre.

Les systèmes photovoltaïques présentent l’inconvénient majeur que la puissance de sortie fonctionne mieux avec la lumière directe du soleil, de sorte qu’environ 10 à 25% sont perdus si un système de suivi n’est pas utilisé. La poussière, les nuages ​​et autres obstacles dans l’atmosphère diminuent également la puissance. Un autre problème important est la concentration de la production dans les heures correspondant à l’insolation principale, qui ne correspond généralement pas aux pics de demande des cycles d’activité humaine. À moins que les schémas de consommation et les réseaux électriques actuels ne s’adaptent à ce scénario, l’électricité doit encore être stockée pour une utilisation ultérieure ou par d’autres sources d’énergie, généralement des hydrocarbures.

Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis longtemps dans des applications spécialisées et les systèmes PV autonomes et connectés au réseau sont utilisés depuis les années 1990. Ils ont d’abord été produits en série en 2000, lorsque les environnementalistes allemands et l’organisation Eurosolar ont obtenu un financement gouvernemental pour un programme de dix mille toits.

Les progrès technologiques et l’ampleur de la fabrication ont en tout cas réduit les coûts, augmenté la fiabilité et augmenté l’efficacité des installations photovoltaïques. La facturation nette et les incitations financières, telles que les tarifs préférentiels de rachat pour l’électricité produite par l’énergie solaire, ont soutenu les installations photovoltaïques dans de nombreux pays. Plus de 100 pays utilisent maintenant le photovoltaïque.

Après les puissances hydroélectriques et éoliennes, le PV est la troisième source d’énergie renouvelable en termes de capacité mondiale. À la fin de 2016, la capacité PV installée dans le monde entier était passée à plus de 300 gigawatts (GW), couvrant environ deux pour cent de la demande mondiale d’électricité. La Chine, suivie du Japon et des États-Unis, est le marché à la croissance la plus rapide, tandis que l’Allemagne reste le premier producteur mondial, le solaire photovoltaïque fournissant 7% de la consommation annuelle d’électricité domestique. Avec la technologie actuelle (à partir de 2013), le photovoltaïque récupère l’énergie nécessaire pour les fabriquer en 1,5 ans en Europe du Sud et 2,5 ans en Europe du Nord.

Renouvelabilité
Selon le type de cellule photovoltaïque considérée, le caractère renouvelable de cette énergie est en partie discutable, car la fabrication de panneaux photovoltaïques nécessite une énergie dont l’origine est actuellement essentiellement non renouvelable. En effet, les pays qui produisent presque tous les panneaux photovoltaïques installés dans le monde (Chine, États-Unis, Japon, Inde) ont tous des bilans énergétiques massivement dominés par les énergies non renouvelables; Par exemple, la Chine, qui produit 80% des panneaux installés en Europe 3, tire 86% de son énergie de sources non renouvelables.

Cependant, le taux de retour d’énergie des systèmes photovoltaïques s’est amélioré grâce aux avancées technologiques successives. Selon les technologies, un système photovoltaïque produit entre 20 et 40 fois plus d’énergie tout au long de son fonctionnement (équivalent primaire) que ce qui a été utilisé pour le fabriquer 5.

Bases Techniques
Pour la conversion d’énergie, l’effet photoélectrique des cellules solaires est utilisé, qui sont connectés à des modules dits solaires. L’électricité produite peut être utilisée directement, stockée dans des accumulateurs ou introduite dans des réseaux électriques. Avant d ‘être alimenté en courant alternatif, les réseaux générés sont convertis en courant continu d’ un onduleur. Le système des modules solaires et des autres composants (onduleur, ligne électrique) est appelé système photovoltaïque ou générateur solaire.

Sortie nominale et rendement
La puissance nominale des systèmes photovoltaïques est souvent indiquée dans la notation W p (Watt Peak) ou kW p et se réfère à la performance dans des conditions d’essai correspondant approximativement au rayonnement solaire maximal en Allemagne. Les conditions de test permettent de standardiser et de comparer différents modules solaires. Les valeurs électriques des composants sont données dans des fiches techniques. Il est mesuré à une température de module de 25 ° C, une irradiance de 1000 W / m² et une masse d’air (abrégée AM) de 1,5. Ces conditions de test standard (généralement abrégées STC, conditions de test standard) ont été définies comme normes internationales. Si ces conditions ne peuvent pas être satisfaites lors des essais, la puissance nominale doit être déterminée par calcul à partir des conditions de test données.

A titre de comparaison: L’intensité du rayonnement solaire dans l’espace proche de la Terre (constante solaire) est en moyenne de 1367 W / m². (Au sol, environ 75% de cette énergie arrive par temps clair.)

Outre le pic de production, le rendement annuel, c’est-à-dire la quantité d’énergie électrique produite, est déterminant pour le dimensionnement et l’amortissement d’un système photovoltaïque. L’énergie des rayonnements varie selon les conditions quotidiennes, saisonnières et météorologiques. En Allemagne, par exemple, une centrale solaire en Allemagne peut avoir jusqu’à dix fois le rendement en décembre par rapport à décembre. Les données de mise à jour quotidiennes mises à jour avec une résolution temporelle élevée sont librement accessibles pour les années à partir de 2011 sur Internet.

Le rendement annuel est mesuré en wattheures (Wh) ou en kilowattheures (kWh). L’emplacement et l’orientation des modules ainsi que l’ombrage ont une influence significative sur le rendement, avec des inclinaisons de toit de 30 à 40 ° et une orientation vers le sud offrant le rendement le plus élevé en Europe centrale. A la hauteur maximale du soleil (soleil de midi) orientée, devrait être en Allemagne à une installation fixe (sans suivi) l’inclinaison optimale vers le sud du pays d’environ 32 °, soit au nord environ 37 degrés. En pratique, un angle d’inclinaison légèrement supérieur est recommandé, car deux fois par jour (le matin et l’après-midi) et deux fois par an (en mai et juillet), le système est aligné de manière optimale. Dans les systèmes à espace ouvert, de tels alignements sont donc généralement choisis. Bien que l’altitude solaire moyenne répartie sur l’année et la pente théorique optimale puissent être calculées exactement pour chaque latitude, le rayonnement réel se situe le long d’un seul latéral en raison de facteurs différents, principalement dépendant du terrain (ombrage ou conditions météorologiques locales spéciales). Étant donné que l’efficacité dépendante de la plante en ce qui concerne l’angle d’incidence est différente, l’orientation optimale doit être déterminée pour chaque site et chaque site. Dans ces investigations énergétiques, le rayonnement global basé sur la localisation est déterminé, ce qui inclut, outre le rayonnement solaire direct, le rayonnement diffus incident sur la diffusion (par exemple les nuages) ou la réflexion (par exemple, les murs ou le sol à proximité).

Le rendement spécifique est défini en wattheures par puissance nominale installée (Wh / W p ou kWh / kW p) par période et permet une comparaison facile des systèmes de tailles différentes. En Allemagne, avec un système installé en permanence par alignement constant de 1 kWc par module, on peut s’attendre à un rendement annuel d’environ 1 000 kWh, les valeurs fluctuant entre environ 900 kWh dans le nord de l’Allemagne et 1 150 kWh dans le sud de l’Allemagne.

Systèmes de montage pour toitures

Toit avec système photovoltaïque pour l’électricité et capteurs solaires pour la production d’eau chaude
Les systèmes de montage distinguent les systèmes de toit et les systèmes intégrés. Dans un système de toit pour toits en pente, le système photovoltaïque est monté sur le toit au moyen d’un cadre de montage. Ce type d’installation est choisi le plus souvent car il est plus facile à mettre en œuvre pour les toits existants.

Dans un système intégré au toit, un système photovoltaïque est intégré dans le revêtement du toit et reprend ses fonctions telles que l’étanchéité du toit et la protection contre les intempéries. L’avantage visuel de ces systèmes réside dans l’aspect esthétique et la sauvegarde d’une couverture de toit, de sorte que les coûts d’assemblage plus élevés peuvent souvent être compensés.

L’installation sur le toit convient aux toits en tuiles et aux toits en tôle, aux toits en ardoise ou aux tôles ondulées. Si la pente du toit est trop faible, des crochets spéciaux peuvent compenser dans une certaine mesure. L’installation d’un système sur le toit est généralement plus simple et moins coûteuse qu’un système intégré au toit. Un système sur le toit assure également une ventilation adéquate des modules solaires. Les matériaux de fixation doivent être résistants aux intempéries.

Le système intégré au toit convient aux rénovations de toiture et aux nouveaux bâtiments, mais n’est pas possible sur tous les toits. Les toits en tuiles ne permettent pas le montage dans le toit, les toits en tôle ou les toits en bitume. La forme du toit est également déterminante. L’installation sur le toit ne convient que pour les toits en pente suffisamment grands avec une orientation favorable à la piste solaire. En général, les systèmes intégrés au toit nécessitent des angles d’inclinaison plus importants que les systèmes montés sur le toit afin de permettre un drainage suffisant de l’eau de pluie. Les systèmes intégrés au toit forment avec la toiture restante une surface fermée et sont donc attrayants d’un point de vue esthétique. De plus, un système intégré au toit offre une stabilité mécanique supérieure contre les charges dues à la neige et au vent. Cependant, le refroidissement des modules est moins efficace que le système rooftop, ce qui réduit la puissance et le rendement. Une température supérieure de 1 ° C réduit la puissance du module d’env. 0,5%.

Efficacité
L’efficacité électrique (également appelée efficacité de conversion) contribue à la sélection d’un système photovoltaïque. Cependant, les panneaux solaires les plus efficaces sont généralement les plus chers et peuvent ne pas être disponibles dans le commerce. Par conséquent, la sélection dépend également de la rentabilité et d’autres facteurs.

L’efficacité électrique d’une cellule PV est une propriété physique qui représente la puissance électrique qu’une cellule peut produire pour une insolation donnée. L’expression de base de l’efficacité maximale d’une cellule photovoltaïque est donnée par le rapport entre la puissance de sortie et l’énergie solaire incidente (surface des temps de flux de rayonnement).

L’efficacité est mesurée dans des conditions de laboratoire idéales et représente l’efficacité maximale réalisable du matériau photovoltaïque. L’efficacité réelle est influencée par la tension de sortie, le courant, la température de jonction, l’intensité lumineuse et le spectre.

Le type de cellule solaire le plus efficace à ce jour est une cellule solaire à concentrateur à jonctions multiples avec un rendement de 46,0% produit par Fraunhofer ISE en décembre 2014. Les rendements les plus élevés sans concentration incluent un matériau de Sharp à 35,8% – technologie de fabrication à jonction en 2009 et Boeing Spectrolab (40,7% utilisant également une conception à trois couches). La société américaine SunPower produit des cellules qui ont un rendement de 21,5%, bien au-dessus de la moyenne du marché (12-18%).

Fabrication
Dans l’ensemble, le processus de fabrication de l’énergie solaire photovoltaïque est simple, car il ne nécessite pas l’aboutissement de nombreuses pièces complexes ou en mouvement. En raison de la nature solide des systèmes PV, ils ont souvent une durée de vie relativement longue, de 10 à 30 ans. Pour augmenter la production électrique d’un système photovoltaïque, le fabricant doit simplement ajouter davantage de composants photovoltaïques et, en raison de ces économies d’échelle, il est important pour les fabricants que les coûts diminuent avec une production croissante.

Bien qu’il existe de nombreux types de systèmes PV connus pour être efficaces, le silicium cristallin PV a représenté environ 90% de la production mondiale de PV en 2013. La fabrication de systèmes PV au silicium comporte plusieurs étapes. Tout d’abord, le silicium polycristallin est traité à partir de quartz extrait jusqu’à ce qu’il soit très pur (qualité semi-conductrice). Ceci est fondu lorsque de petites quantités de bore, un élément du groupe III, sont ajoutées pour former un semi-conducteur de type p riche en trous d’électrons. En utilisant typiquement un germe cristallin, un lingot de cette solution est développé à partir du polycristallin liquide. Le lingot peut également être coulé dans un moule. Les plaquettes de ce matériau semi-conducteur sont découpées dans le matériau en vrac à l’aide de scies à fil, puis passent à la surface avant d’être nettoyées. Ensuite, les plaquettes sont placées dans un four de dépôt de vapeur de phosphore qui dépose une très fine couche de phosphore, un élément du groupe V, qui crée une surface semi-conductrice de type n. Pour réduire les pertes d’énergie, un revêtement antireflet est ajouté à la surface, ainsi que des contacts électriques. Après avoir terminé la cellule, les cellules sont connectées via un circuit électrique en fonction de l’application spécifique et préparées pour l’expédition et l’installation.

Les cellules photovoltaïques en silicium cristallin ne sont qu’un type de PV, et bien qu’elles représentent la majorité des cellules solaires produites actuellement, de nombreuses technologies nouvelles et prometteuses pourraient être développées pour répondre aux besoins énergétiques futurs.

Une autre technologie plus récente, le PV en couche mince, est fabriquée en déposant des couches semi-conductrices sur le substrat sous vide. Le substrat est souvent en verre ou en acier inoxydable, et ces couches semi-conductrices sont composées de nombreux types de matériaux, notamment le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre et d’indium (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si). ). Après avoir été déposées sur le substrat, les couches semi-conductrices sont séparées et reliées par un circuit électrique par gravure laser. Le photovoltaïque à couche mince représente désormais environ 20% de la production totale de panneaux photovoltaïques en raison de la réduction des besoins en matériaux et du coût de fabrication des modules constitués de couches minces par rapport aux plaquettes à base de silicium.

Parmi les autres technologies PV émergentes figurent le photovoltaïque organique, à colorant, à point quantique et à pérovskite. Les VPO entrent dans la catégorie des couches minces de fabrication et fonctionnent généralement autour de la plage d’efficacité de 12%, ce qui est inférieur aux 12 à 21% généralement observés pour les systèmes photovoltaïques à base de silicium. Étant donné que les systèmes photovoltaïques organiques nécessitent une très grande pureté et sont relativement réactifs, ils doivent être encapsulés, ce qui augmente considérablement les coûts de fabrication, ce qui signifie qu’ils ne sont pas réalisables à grande échelle. Les PV sensibles aux colorants ont une efficacité similaire à celle des VPO, mais leur fabrication est beaucoup plus facile. Cependant, ces systèmes photovoltaïques sensibilisés aux colorants présentent des problèmes de stockage car l’électrolyte liquide est toxique et peut potentiellement pénétrer les plastiques utilisés dans la cellule. Les cellules solaires à points quantiques sont des DSSC sensibilisés par points quantiques et sont traitées en solution, ce qui signifie qu’elles sont potentiellement évolutives, mais qu’elles atteignent actuellement un pic d’efficacité de 12%. Les cellules solaires Perovskite constituent un convertisseur d’énergie solaire très efficace et possèdent d’excellentes propriétés optoélectriques à des fins photovoltaïques, mais elles sont coûteuses et difficiles à fabriquer.

Applications

Systèmes photovoltaïques
Un système photovoltaïque, ou système solaire photovoltaïque, est un système d’énergie conçu pour fournir de l’énergie solaire utilisable au moyen de systèmes photovoltaïques. Il consiste en un agencement de plusieurs composants, dont des panneaux solaires pour absorber et convertir directement la lumière solaire en électricité, un onduleur solaire pour transformer le courant électrique en courant continu en courant alternatif, ainsi que des accessoires de montage, de câblage et autres accessoires électriques. Les systèmes photovoltaïques vont de petits systèmes montés sur le toit ou intégrés au bâtiment avec des capacités allant de quelques dizaines de kilowatts à de grandes centrales électriques de centaines de mégawatts. De nos jours, la plupart des systèmes photovoltaïques sont connectés au réseau, tandis que les systèmes autonomes ne représentent qu’une petite partie du marché.

Systèmes intégrés de toit et de construction
Les panneaux photovoltaïques sont souvent associés aux bâtiments: soit intégrés à ceux-ci, montés sur ceux-ci ou montés à proximité sur le sol. Les systèmes photovoltaïques installés sur les toits sont le plus souvent installés dans des bâtiments existants, généralement montés sur le toit existant ou sur les murs existants. Alternativement, une matrice peut être située séparément du bâtiment mais connectée par câble pour alimenter le bâtiment. Les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) sont de plus en plus intégrés au toit ou aux murs de nouveaux bâtiments domestiques et industriels en tant que source principale ou auxiliaire d’électricité. Des tuiles avec cellules photovoltaïques intégrées sont parfois également utilisées. À condition qu’il y ait un vide dans lequel l’air peut circuler, les panneaux solaires montés sur le toit peuvent fournir un effet de refroidissement passif sur les bâtiments pendant la journée et garder la chaleur accumulée la nuit. En règle générale, les systèmes de toit résidentiels ont une petite capacité d’environ 5 à 10 kW, alors que les systèmes de toit commerciaux s’élèvent souvent à plusieurs centaines de kilowatts. Bien que les systèmes de toit soient beaucoup plus petits que les centrales électriques installées au sol, ils représentent la majeure partie de la capacité mondiale installée.

Photovoltaïque à concentrateur
Le photovoltaïque à concentrateur (CPV) est une technologie photovoltaïque qui, contrairement aux systèmes PV conventionnels à plaques plates, utilise des lentilles et des miroirs incurvés pour concentrer la lumière solaire sur des cellules solaires à jonctions multiples (MJ) petites mais très efficaces. En outre, les systèmes CPV utilisent souvent des suiveurs solaires et parfois un système de refroidissement pour accroître leur efficacité. La recherche et le développement en cours améliorent rapidement leur compétitivité dans le segment des services publics et dans les zones à fort ensoleillement.

Capteur solaire photovoltaïque thermique hybride
Les capteurs solaires photovoltaïques hybrides (PVT) sont des systèmes qui convertissent le rayonnement solaire en énergie thermique et électrique. Ces systèmes associent une cellule photovoltaïque solaire, qui convertit la lumière solaire en électricité, avec un capteur solaire thermique, qui capture l’énergie restante et élimine la chaleur perdue du module PV. La capture à la fois de l’électricité et de la chaleur permet à ces appareils d’avoir une exergie plus élevée et donc d’être plus efficaces sur le plan énergétique que le solaire photovoltaïque ou le solaire thermique seul.

Centrales
De nombreuses fermes solaires à échelle industrielle ont été construites dans le monde entier. En 2015, la Solar Star de 579 mégawatts (MWAC) est la plus grande centrale photovoltaïque au monde, suivie par la ferme solaire Desert Sunlight et la ferme solaire Topaz, toutes deux d’une capacité de 550 MWAC, construites par la société américaine First Solar. en utilisant des modules CdTe, une technologie photovoltaïque à couche mince. Les trois centrales sont situées dans le désert californien. De nombreuses fermes solaires à travers le monde sont intégrées à l’agriculture et certaines utilisent des systèmes de suivi solaire innovants qui suivent la trajectoire quotidienne du soleil dans le ciel pour générer plus d’électricité que les systèmes fixes classiques. Il n’y a pas de coûts de carburant ou d’émissions pendant le fonctionnement des centrales.

Électrification rurale
Les pays en développement où de nombreux villages se trouvent souvent à plus de cinq kilomètres du réseau électrique utilisent de plus en plus le photovoltaïque. Dans les régions éloignées de l’Inde, un programme d’éclairage rural a fourni un éclairage LED à énergie solaire pour remplacer les lampes à pétrole. Les lampes à énergie solaire ont été vendues à peu près au prix de quelques mois d’approvisionnement en kérosène. Cuba s’emploie à fournir de l’énergie solaire aux zones hors réseau. Les applications plus complexes de l’utilisation de l’énergie solaire hors réseau incluent les imprimantes 3D. Les imprimantes 3D RepRap ont été alimentées à l’énergie solaire avec la technologie photovoltaïque, ce qui permet la fabrication distribuée pour un développement durable. Ce sont des domaines où les coûts et les avantages sociaux constituent un excellent exemple d’utilisation de l’énergie solaire, même si le manque de rentabilité a relégué ces efforts au service de l’aide humanitaire. Cependant, en 1995, les projets d’électrification rurale solaire se sont révélés difficiles à soutenir en raison de facteurs économiques défavorables, du manque de soutien technique et des séquelles de transfert de technologie nord-sud.

Systèmes autonomes
Jusqu’à il y a une dizaine d’années, le PV était fréquemment utilisé pour alimenter les calculatrices et les appareils de fantaisie. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et aux affichages à cristaux liquides à faible consommation permettent d’alimenter ces appareils pendant plusieurs années entre les changements de piles, ce qui rend l’utilisation du PV moins courante. En revanche, les dispositifs fixes distants alimentés par l’énergie solaire ont été de plus en plus utilisés récemment dans des endroits où des coûts de connexion importants rendent le réseau trop onéreux. Ces applications comprennent des lampes solaires, des pompes à eau, des parcomètres, des téléphones d’urgence, des compacteurs de déchets, des panneaux de signalisation temporaires, des bornes de recharge et des postes de garde et des signaux à distance.

Système flottant
En mai 2008, le Far Niente Winery d’Oakville, en Californie, a lancé le premier système «flottant» au monde en installant 994 panneaux solaires photovoltaïques sur 130 pontons et en les faisant flotter sur le bassin d’irrigation de la cave. Le système flottant génère environ 477 kW de puissance de pointe et, lorsqu’il est combiné à un ensemble de cellules adjacentes à l’étang, il peut compenser entièrement la consommation d’électricité de la cave. Le principal avantage d’un système photovoltaïque réside dans le fait qu’il évite de devoir sacrifier une superficie de terrain pouvant être utilisée à d’autres fins. Dans le cas de la vinerie Far Niente, le système flottant a permis d’économiser trois quarts d’acre, ce qui aurait été nécessaire pour un système terrestre. Cette superficie peut être utilisée pour l’agriculture. Un autre avantage d’un système photovoltaïque est que les panneaux sont maintenus à une température inférieure à ce qu’ils seraient sur terre, ce qui se traduit par une plus grande efficacité de la conversion de l’énergie solaire. Les panneaux flottants réduisent également la quantité d’eau perdue par évaporation et inhibent la croissance des algues.

En transport
Le PV a traditionnellement été utilisé pour l’énergie électrique dans l’espace. Le PV est rarement utilisé pour fournir de l’énergie motrice dans les applications de transport, mais il est de plus en plus utilisé pour fournir de l’énergie auxiliaire dans les bateaux et les voitures. Certaines automobiles sont équipées de la climatisation à énergie solaire pour limiter les températures intérieures lors des journées chaudes. Un véhicule solaire autonome aurait une puissance et une utilité limitées, mais un véhicule électrique à charge solaire permet d’utiliser l’énergie solaire pour le transport. Des voitures, des bateaux et des avions à énergie solaire ont été démontrés, les plus pratiques et les plus probables étant les voitures solaires. L’avion solaire suisse Solar Impulse 2 a réalisé le plus long vol solo sans escale de l’histoire et prévoit d’effectuer la première circumnavigation aérienne solaire du globe en 2015.

Télécommunication et signalisation
L’énergie solaire photovoltaïque est idéale pour les applications de télécommunication telles que le central téléphonique local, la radiodiffusion et la télévision, les micro-ondes et d’autres formes de liaisons de communication électroniques. En effet, dans la plupart des applications de télécommunication, les batteries de stockage sont déjà utilisées et le système électrique est essentiellement DC. Sur les terrains accidentés et montagneux, les signaux radio et TV ne peuvent pas atteindre car ils sont bloqués ou réfléchis à cause du terrain vallonné. À ces endroits, des émetteurs de faible puissance (LPT) sont installés pour recevoir et retransmettre le signal pour la population locale.

Applications de l’engin spatial
Les panneaux solaires sur les engins spatiaux sont généralement la seule source d’énergie pour faire fonctionner les capteurs, le chauffage et le refroidissement actifs et les communications. Une batterie stocke cette énergie pour l’utiliser lorsque les panneaux solaires sont dans l’ombre. Dans certains cas, l’électricité est également utilisée pour la propulsion d’engins spatiaux – la propulsion électrique. Les engins spatiaux ont été l’une des premières applications du photovoltaïque, à commencer par les cellules solaires au silicium utilisées sur le satellite Vanguard 1 lancé par les États-Unis en 1958. Depuis, l’énergie solaire a été utilisée dans des missions allant de MESSENGER à Mercury. loin dans le système solaire comme la sonde Juno à Jupiter. Le plus grand système d’énergie solaire utilisé dans l’espace est le système électrique de la station spatiale internationale. Pour augmenter la puissance générée par kilogramme, les panneaux solaires types des engins spatiaux utilisent des cellules solaires multi-jonctions rectangulaires à haute efficacité, à coût élevé et à faible encombrement, constituées d’arséniure de gallium (GaAs) et d’autres matériaux semi-conducteurs.

Systèmes d’alimentation spécialisés
Le photovoltaïque peut également être incorporé en tant que dispositif de conversion d’énergie pour des objets à des températures élevées et avec des émissivités radiatives préférables telles que des chambres de combustion hétérogènes.

Avantages
Les 122 PW de la lumière solaire atteignant la surface de la Terre sont nombreux – presque 10 000 fois plus que les 13 TW équivalant à la puissance moyenne consommée en 2005 par les humains. Cette abondance donne à penser que l’énergie solaire deviendra rapidement la principale source d’énergie mondiale. En outre, la production d’électricité solaire présente la plus forte densité de puissance (moyenne mondiale de 170 W / m2) parmi les énergies renouvelables.

L’énergie solaire est exempte de pollution pendant son utilisation, ce qui lui permet de réduire la pollution lorsqu’elle se substitue à d’autres sources d’énergie. Par exemple, le MIT a estimé que 52 000 personnes meurent prématurément aux États-Unis à cause de la pollution des centrales électriques au charbon et que tous les décès sauf un pourraient être évités si le PV était remplacé par du charbon. Les déchets de production et les émissions sont gérables en utilisant les contrôles de pollution existants. Les technologies de recyclage en fin de vie sont en cours d’élaboration et des politiques sont en cours pour encourager le recyclage auprès des producteurs.

Les installations photovoltaïques peuvent fonctionner pendant 100 ans, voire plus, après peu de maintenance ou d’intervention après leur installation initiale. Ainsi, après le coût initial de la construction d’une centrale solaire, les coûts d’exploitation sont extrêmement faibles par rapport aux technologies existantes.

L’électricité solaire connectée au réseau peut être utilisée localement, réduisant ainsi les pertes de transmission / distribution (les pertes de transmission aux États-Unis étaient d’environ 7,2% en 1995).

Comparativement aux sources d’énergie fossiles et nucléaires, très peu de fonds de recherche ont été investis dans la mise au point de cellules solaires. Il y a donc de nombreuses possibilités d’amélioration. Néanmoins, les cellules solaires à haut rendement expérimentales ont déjà des rendements supérieurs à 40% en cas de concentration de cellules photovoltaïques et les rendements augmentent rapidement tandis que les coûts de production de masse diminuent rapidement.

Dans certains États des États-Unis, une grande partie de l’investissement dans un système monté à domicile peut être perdue si le propriétaire déménage et que l’acheteur accorde moins de valeur au système que le vendeur. La ville de Berkeley a mis au point une méthode de financement innovante pour supprimer cette limitation, en ajoutant une évaluation fiscale transférée à la maison pour payer les panneaux solaires. Désormais appelée PACE, Property Assessed Clean Energy, 30 États américains ont dupliqué cette solution.

Il existe des preuves, du moins en Californie, que la présence d’un système solaire monté à domicile peut réellement augmenter la valeur d’une maison. Selon un article publié en avril 2011 par le laboratoire national Ernest Orlando Lawrence Berkeley intitulé Une analyse des effets des systèmes d’énergie photovoltaïques résidentiels sur les prix de vente des maisons en Californie:

La recherche montre des preuves solides que les maisons équipées de systèmes photovoltaïques en Californie se sont vendues à un prix plus élevé que les maisons comparables sans systèmes PV. Plus précisément, les estimations des primes PV moyennes vont d’environ 3,9 à 6,4 dollars par watt installé (DC) parmi un grand nombre de spécifications de modèles différents, la plupart des modèles coalisant près de 5,5 dollars / watt. Cette valeur correspond à une prime d’environ 17 000 dollars pour un système PV de 3 100 watts relativement nouveau (la taille moyenne des systèmes PV dans l’étude).
Limites

Pollution et énergie en production
Le PV est une méthode bien connue de production d’électricité propre et sans émission. Les systèmes photovoltaïques sont souvent constitués de modules PV et d’onduleurs (changeant de courant continu en courant alternatif). Les modules photovoltaïques sont principalement constitués de cellules photovoltaïques, ce qui n’a aucune différence fondamentale avec le matériau utilisé pour la fabrication des puces informatiques. Le processus de production de cellules photovoltaïques (puces informatiques) consomme beaucoup d’énergie et implique des produits chimiques toxiques hautement toxiques et environnementaux. Il existe peu d’usines de fabrication photovoltaïques dans le monde produisant des modules photovoltaïques à base d’énergie produite à partir de PV. Cette mesure réduit considérablement l’empreinte carbone au cours du processus de fabrication. La gestion des produits chimiques utilisés dans le processus de fabrication est soumise aux lois et réglementations locales des usines.

Impact sur le réseau électrique
Avec les niveaux croissants de systèmes photovoltaïques sur toit, le flux d’énergie devient bidirectionnel. Lorsqu’il y a plus de production locale que de consommation, l’électricité est exportée vers le réseau. Cependant, le réseau électrique n’est traditionnellement pas conçu pour gérer le transfert d’énergie bidirectionnel. Par conséquent, certains problèmes techniques peuvent survenir. Par exemple, dans le Queensland, en Australie, à la fin de 2017, plus de 30% des ménages possédaient un système photovoltaïque sur le toit. La célèbre courbe californienne du canard 2020 apparaît très souvent pour de nombreuses communautés à partir de 2015. Un problème de surtension peut survenir à mesure que l’électricité circule de ces ménages photovoltaïques vers le réseau. Il existe des solutions pour gérer le problème de surtension, comme la régulation du facteur de puissance des onduleurs PV, de nouveaux équipements de contrôle de la tension et de l’énergie au niveau du distributeur électrique, les conducteurs électriques, la gestion de la demande, etc. ces solutions.

Implication dans la gestion de la facture d’électricité et l’investissement énergétique
Il n’y a pas de solution miracle dans la gestion de la demande en électricité ou en énergie, car les clients (sites) ont des situations spécifiques différentes, par exemple différents besoins de confort / commodité, différents tarifs d’électricité ou différents modes d’utilisation. Le tarif de l’électricité peut comporter quelques éléments, tels que l’accès journalier et les frais de comptage, la charge énergétique (en kWh, MWh) ou la demande de pointe (par exemple, la consommation d’énergie la plus élevée sur un mois). La PV est une option prometteuse pour réduire la charge énergétique lorsque le prix de l’électricité est raisonnablement élevé et en augmentation constante, comme en Australie et en Allemagne. Toutefois, pour les sites où la demande de pointe est en vigueur, le PV peut être moins attrayant si la demande de pointe survient surtout en fin d’après-midi ou en début de soirée, par exemple dans les communautés résidentielles. Globalement, l’investissement énergétique est en grande partie une décision économique et il est préférable de prendre des décisions d’investissement en procédant à une évaluation systématique des options en matière d’amélioration opérationnelle, d’efficacité énergétique, de production sur site et de stockage d’énergie.