Principes et applications de l'énergie solaire

Commençons donc par les bases. Si vous ne les avez pas vus sur les toits ou dans les champs, vous les avez vus dans les médias. De grands panneaux bleus qui, d'une manière ou d'une autre, produisent silencieusement de l'électricité propre.

Mais de quels matériaux sont-ils composés ?

Pourquoi les cellules individuelles ont-elles une forme si particulière ?

Pourquoi occupent-elles une si grande surface ?

Et pourquoi sont-elles bleues ?

Les panneaux solaires, parfois appelés modules solaires, sont constitués de cellules solaires individuelles. Ces cellules convertissent l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique. Celle-ci peut ensuite être soit stockée, soit utilisée directement. Chaque cellule peut produire une puissance de l'ordre de 5 watts, soit à peu près assez pour alimenter un chargeur de smartphone. Pour alimenter davantage (c'est-à-dire la plupart des choses), les cellules doivent être assemblées pour former un panneau solaire. 

Les cellules sont le plus souvent fabriquées à partir de silicium, souvent sous la forme d'un monocristal. Ces cellules en silicium monocristallin sont découpées dans un grand cristal cylindrique de silicium. Ainsi, pour maximiser la taille de la cellule solaire qui peut être découpée dans une tranche ronde comme celle-ci, les bords sont sacrifiés.

Quel est le principe physique qui sous-tend l'énergie solaire ?

Il s'avère qu'il y a plus d'une façon de capter les rayons du soleil. Il existe plusieurs technologies d'énergie solaire différentes, notamment le solaire thermique, le solaire à concentration et le solaire photovoltaïque, ou PV. Les deux premières convertissent l'énergie solaire en énergie thermique, tandis que la seconde convertit l'énergie solaire en énergie électrique.

Le photovoltaïque est le plus courant et celui auquel la plupart des gens pensent lorsqu'ils pensent aux panneaux solaires.

Ces panneaux photovoltaïques sont fabriqués à partir de silicium, comme décrit ci-dessus, les deux types les plus courants étant le silicium monocristallin et polycristallin. Les panneaux solaires polycristallins ne sont généralement pas constitués de cellules individuelles, mais d'un plus grand morceau de silicium. Les autres technologies PV comprennent les cellules PV à couche mince et les cellules photovoltaïques concentrées.

Toutes les technologies photovoltaïques fonctionnent selon le même principe, alors pour que les choses restent gérables, concentrons-nous sur les cellules en silicium et leur fonctionnement.

Comment fonctionnent les panneaux solaires ?

Les panneaux solaires en silicium, et donc les cellules solaires, ont un principe de fonctionnement très basique. La lumière du soleil frappe la cellule et fait en sorte que les électrons s'écartent de leur position autrement stable. Ceux-ci quittent le silicium et se déplacent dans un circuit électrique, alimentant ainsi nos appareils.

Les couches de cellules solaires

Les cellules solaires sont composées de plusieurs couches, dont des couches de silicium dopé, des électrodes métalliques, un revêtement anti-reflets et une couche protectrice transparente.

  Les cellules solaires sont composées de plusieurs couches

Couche protectrice transparente

Cette première couche est généralement constituée de verre ou d'un autre matériau transparent qui permet à la lumière de passer à travers le silicium sous-jacent tout en protégeant les couches de silicium et de métal des dommages causés par l'environnement.

Couche anti reflet

Cette couche est assez impressionnante. La couche de silicium elle-même a une réflectivité élevée et ferait en sorte qu'environ 30 % de la lumière qui lui est incidente soit réfléchie. La couche antireflet réduit considérablement la quantité de lumière réfléchie en permettant à la lumière de passer à travers la couche de silicium mais de ne pas s'en échapper à nouveau. Pour ce faire, elle a une épaisseur parfaitement adaptée.

En fait, la lumière se réfléchit à la fois sur le dessus et le dessous de la couche antireflet, mais l'épaisseur de la couche est parfaitement choisie pour que les ondes lumineuses réfléchies par l'une ou l'autre surface s'annulent exactement (c'est ce qu'on appelle l'interférence destructive). Par conséquent, seule la lumière qui est transmise à travers la couche antireflet reste.

Le hic, c'est que cette annulation de la lumière dépend de la longueur d'onde de la lumière. Comme la lumière du soleil est un mélange de plusieurs longueurs d'onde (les couleurs de l'arc-en-ciel), l'antireflet ne peut pas fonctionner parfaitement, mais il peut être optimisé pour certaines longueurs d'onde. Il s'avère que la raison pour laquelle les cellules solaires sont bleues est que la couche antireflet est plus efficace lorsqu'elle réduit la réflexion de la région verte - par le biais du jaune - au rouge du spectre, laissant le bleu être réfléchi légèrement plus que les autres couleurs.

Le silicium

Le silicium de type P et de type N est le lieu où la magie opère. C'est là que la lumière, si importante, divise les électrons et génère un courant. Ceci est obtenu grâce à l'utilisation de deux types de silicium légèrement différents en contact l'un avec l'autre.

L'un a une charge positive (type P) et l'autre une charge négative (type N). Il en résulte une tension entre les deux types de silicium. La lumière (par l'intermédiaire des photons) donne de l'énergie aux électrons de ces deux types de silicium, ce qui leur permet de passer à travers un circuit électrique à l'aide de la tension susmentionnée. Ce point sera expliqué plus clairement ci-dessous !

Cellules solaires au silicium polycristallin.

Contacts métalliques

Une fois que les électrons ont été mobilisés dans le silicium, ils doivent être extraits par des conducteurs métalliques. Le contact inférieur est une simple plaque métallique couvrant toute la surface de la cellule solaire. Le contact avant de la cellule solaire est une grille. Cette grille permet de maximiser la quantité de lumière qui atteint le silicium tout en minimisant la longueur que les électrons doivent parcourir à travers le silicium avant d'atteindre le métal.

Si le contact métallique couvrait toute la surface, aucune lumière ne pourrait passer au travers. Si le métal ne courait qu'autour du bord extérieur de la cellule solaire, la plupart des électrons n'atteindraient jamais le contact.

Comment les panneaux solaires produisent-ils de l'électricité ?

Nous connaissons maintenant les principales parties d'une cellule solaire.Mais que se passe-t-il réellement à l'intérieur du silicium ?

Pour répondre à cette question, nous devons tout d'abord comprendre que le silicium n'est pas un matériau hautement conducteur, comme le métal, et qu'il n'est pas non plus très conducteur, comme un isolant tel que le caoutchouc. Au contraire, il se situe quelque part entre les deux.

Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie que, dans des conditions normales, il a une faible conductivité et passe à une conductivité beaucoup plus élevée dans certaines autres conditions, par exemple sous une tension appliquée. C'est pourquoi il peut être utilisé comme interrupteur dans les circuits intégrés.

Afin de tester votre panneau solaire, vous aurez besoin d'un testeur de panneau solaire appelé ampèremètre.

Pour mesurer le courant de sortie de votre panneau solaire, vous devrez fixer le compteur sur le positif et le négatif.

Pour obtenir une mesure précise, vous devrez vous assurer que votre panneau est en plein soleil lorsque vous le testez.

Le silicium cristallin utilise ses quatre électrons disponibles pour se lier aux quatre atomes de silicium qui l'entourent. Il n'a donc plus d'électrons pour conduire l'électricité. Si nous ajoutons une petite quantité de phosphore, qui a cinq électrons disponibles, au silicium, nous ajoutons effectivement un électron supplémentaire pour chaque atome de phosphore supplémentaire. C'est ce qu'on appelle le dopage. Cette zone du silicium est maintenant dopée négativement et nous l'appelons donc un semi-conducteur de type N.

Nous pouvons faire la même chose avec le bore, qui a un électron de moins que le silicium. Cela élimine un électron de la structure du silicium. L'absence d'électron qui en résulte agit comme une charge positive efficace, que nous appelons un trou. Cette zone du silicium est appelée de type P. Nous pouvons maintenant créer une plaquette de silicium avec le sommet du silicium de type N et le bas du type P.

Nettoyage des panneaux solaires

Plus le panneau solaire est exposé à la lumière, plus il produit d'énergie. La poussière, la saleté, le pollen, les fientes d'oiseaux et autres débris peuvent nuire à l'efficacité du panneau solaire. C'est pourquoi il est important de les nettoyer régulièrement.

Lorsque le silicium de type N et de type P est en contact, les électrons supplémentaires du type N s'empressent de se combiner avec les trous du type P, créant une zone sans électrons libres ni trous, appelée couche d'appauvrissement. Comme les atomes de phosphore ont perdu leur cinquième électron, ils ont maintenant une charge positive nette. Et les atomes de bore, qui ont maintenant un électron supplémentaire, ont une charge nette négative. Il en résulte un champ électrique entre les deux zones, ou plus important encore, une tension (la tension est le champ électrique divisé par la charge).

Nous avons donc maintenant un semi-conducteur en silicium avec une tension. Mais tous les électrons de la couche d'appauvrissement sont incapables de se déplacer. Si nous pouvons leur donner l'énergie nécessaire pour se déplacer, la tension leur indiquera un sens de deplacement . 

LES APPLICATIONS DE L'ÉNERGIE SOLAIRE AU SENEGAL

En voyant le potentiel de l'énergie solaire au Senegal, il est envisagé que la plupart des applications de l'énergie solaire qui sont utilisées dans le monde entier sont très pratiques dans le pays.

 Des études menées par la Banque mondiale et certaines agences nationales suggèrent que les systèmes d'alimentation photovoltaïques deviennent compétitifs par rapport aux sources d'énergie conventionnelles pour les applications de petite puissance comme les télécommunications dans les régions éloignées. Si elles sont installées, les installations photovoltaïques d'environ 20 MW produiront en moyenne 32,195 millions de kWh d'énergie par an, avec un facteur d'installation annuel de 35 %. Comme le coût de mise en œuvre de l'option est beaucoup plus élevé que les avantages disponibles, la mise en œuvre de l'option PV n'a pas rencontré un succès considérable au fil des ans. La fabrication et l'assemblage des usines et des équipements permettraient d'améliorer le niveau d'emploi dans le pays et de réduire les coûts de l'énergie solaire.

APPLICATIONS HORS RÉSEAU DE L'ÉNERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE (PV)

Les technologies solaires photovoltaïques peuvent être déployées pour diverses applications hors réseau:

Éclairage public solaire

L'éclairage public représente plusieurs MW de la consommation totale d'électricité du pays. Il est prévu que cette charge augmente dans les jours à venir en raison des nouvelles installations en cours de planification et de conception. Toute cette charge peut être transférée à l'énergie solaire. Les systèmes d'éclairage public solaires alimentés par des modules PV solaires peuvent répondre à cette charge. Les autorités de développement du pays étudient les possibilités de ce transfert. Leurs services de planification élaborent actuellement les perspectives de réalisation de toutes les nouvelles installations d'éclairage public par des applications d'énergie solaire.

Éclairage commercial (éclairage de panneaux d'affichage, éclairage de recherche, éclairage de jardin, etc.)

La charge de l'éclairage commercial augmente à mesure que le style de vie des gens change. Le gouvernement et municipaux prévoient de transférer toute cette charge vers l'énergie solaire. Cela donne un potentiel d pour les modules PV solaires dans les jours à venir.

Pompage solaire de l'eau

Dans la plupart des zones agricoles arides, le système d'irrigation dépend soit de la pluie, soit des pompes à eau. Cette charge représente Beaucoup dans ce secteur . Actuellement, ces pompes fonctionnent soit via le réseau, soit via des générateurs diesel. Le gouvernement par ses agences prévoit de transférer cette charge vers l'énergie solaire. Des pompes à eau efficaces fonctionnant à l'énergie solaire sont disponibles sur le marché. Les entreprises qui fournissent des pompes peuvent être contactées pour la fourniture de modules PV.

Électrification rurale

Dans le cadre du programme ANER et des programmes similaires pour l'électrification rurale, plus de 8 000 villages vont être électrifiés grâce à des technologies d'énergie renouvelable. Une grande partie de cette électricité sera fournie par des systèmes solaires domestiques alimentés par des modules solaires PV. Si 80 % d'entre eux sont électrifiés par des modules PV solaires d'une capacité de 80 W, cela représente une charge totale d'environ 25 MW dans les jours à venir.

Production d'électricité captive grâce à l'application photovoltaïque solaire 

Le gouvernement a autorisé la production d'énergie captive par le biais des énergies renouvelables. À cet égard, aucune licence ou approbation d'une autorité gouvernementale n'est requise. S'il est jugé économiquement approprié, le module photovoltaïque solaire peut être le meilleur choix à cet effet. On prévoit que si 100 000 ménages optent pour la production d'électricité captive par des modules solaires PV, cela peut représenter un besoin de 30 MW de modules solaires PV dans un avenir proche.

APPLICATIONS  PHOTOVOLTAÏQUE SUR LE RÉSEAU 

Tout comme les applications hors réseau, les technologies photovoltaïques solaires ont des perspectives certaines pour diverses applications sur réseau. Quelques-unes d'entre elles sont abordées ci-dessous :

Projets d'énergie commerciale

Une immense surface de terre est stérile dans différentes parties du pays. Les zones qui se trouvent dans la plupart des régions potentielles et où le réseau est également disponible, les technologies photovoltaïques peuvent être déployées pour des projets de production d'électricité sur réseau. Des projets de production d'électricité liés au réseau de différentes capacités peuvent être installés dans différentes parties du pays. Quelques investisseurs ont l'intention de lancer des projets photovoltaïques liés au réseau d'une capacité de 2 à 5 MW. Si un ou deux projets réussis de ce type sont réalisés, de nombreux investisseurs se lanceront dans de tels projets.

Projets de comptage net (pay-as-you-go)

Le gouvernement offre la possibilité d'un comptage net aux ménages et aux entités commerciales et industrielles. Dans le cadre de ce mécanisme, un petit producteur d'électricité établit une installation de production d'électricité dans ses locaux. L'électricité produite par cette installation est vendue au réseau national. Dans le même temps, l'individu agit également en tant qu'utilisateur et achète l'électricité au réseau. À la fin du mois, l'individu est tenu de comptabiliser sa consommation réelle et la production totale d'électricité par son installation. L'individu est tenu de payer ou de se faire payer la différence des montants calculés par les mécanismes susmentionnés. Les petits investisseurs sont attentifs à cette possibilité et seraient heureux de réaliser de tels projets dans un avenir proche. En fait, plus de deux projets sont déjà en cours d'exécution selon ce concept. L'énergie solaire aurait le maximum de perspectives et verrait sa part de marché maximale si ce concept était popularisé. Il est prévu que grâce à ces applications, l'industrie photovoltaïque connaîtrait un besoin annuel de plus de 50 MW.

Solaire thermique - électrique

Les technologies solaires thermiques recueillent l'énergie rayonnante du soleil pour créer une température élevée à la source qui peut être convertie en électricité par le biais d'un certain nombre de cycles de conversion thermodynamique. Bien que le système de production thermique solaire soit une technologie éprouvée aux États-Unis, en Allemagne et en France où de tels systèmes ont fourni de l'électricité aux réseaux sur une base concurrentielle avec les centrales thermiques conventionnelles à combustibles fossiles, aucune centrale solaire n'existe actuellement au Senegal. Ces technologies sont actuellement en phase de développement et de démonstration dans d’autres pays.

Technologies solaires pour les bâtiments

Les systèmes de chauffage actifs fournissent de l'eau chaude pour le chauffage des locaux avec une assistance mécanique, tandis que les systèmes de chauffage et de refroidissement passifs n'utilisent que peu ou pas d'assistance mécanique et dépendent plutôt de la conception du bâtiment pour atteindre des objectifs spécifiques en matière de besoins thermiques. L'application des technologies de construction solaire est jugée élevée au Senegal. Cependant, le pays ne dispose pas de réglementations en matière de construction, qui soutiennent les applications des technologies de construction solaire.

Chauffe-eau solaires

Des entreprises sénégalaises fabriquent ces appareils à des fins commerciales. Cette quantité d'énergie et les émissions correspondantes seront économisées pour chaque chauffe-eau solaire installé. Le coût d'investissement initial pour la fabrication de chauffe-eau solaires sera plus élevé que celui des chauffe-eau au gaz naturel et électriques déjà disponibles sur le marché. Les consommateurs constatent des prix de 10 à 20 % plus élevés lorsqu'ils choisissent un chauffe-eau solaire au lieu d'un chauffe-eau classique. Cependant, en remplaçant les chauffe-eau conventionnels par des systèmes de chauffage solaire de l'eau, une quantité importante de gaz naturel sera économisée chaque année. Le potentiel cumulé de réduction des émissions de GES de l'option du chauffe-eau solaire a été projeté à 4,10 millions de tonnes de CO2 d'ici 2030. Les économies d'émissions découleront de la réduction de la consommation de gaz naturel pour le chauffage de l'eau dans le secteur domestique.

<--Sommaire du livre