Cellules solaires

.2 Mélodie lumineuse 7.3 Luxmètre 7.4 Liaison sans fil alimentée par photopiles Alimentations par panneaux solaires 8.1 Éclairage d’un pas de porte avec détection de présence 8.2 Alimentation d’un portail automatique Bibliographie Adresses utiles Index

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83 83 85 87 91 91 96 99 108 115 115 120 123 125 127

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VI

AVANT-PROPOS

L’énergie photovoltaïque désigne la transformation d’une source d’énergie lumineuse en électricité et son utilisation. Elle est à distinguer de l’énergie solaire thermique, qui est une autre technique destinée au chauffage de l’eau par conversion directe de l’énergie solaire en calories à l’aide de capteurs plans. Les cellules solaires et modules photovoltaïques sont des composants de conversion d’énergie qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière. On parle généralement d’énergie solaire photovoltaïque, car le soleil est la source lumineuse la plus intense de notre planète, et la plupart des applications sont en plein air. Mais certains préfèrent l’expression énergie lumière, pour insister sur le fait que toute source de lumière, même artificielle (ampoules, tubes fluorescents…), peut générer de l’électricité à travers une cellule solaire. Le Soleil, source énergétique quasi illimitée, est à l’origine d’un nombre impressionnant d’effets biologiques qui participent directement ou indirectement à la vie animale et végétale : il procure la chaleur, permet la photosynthèse, la vision, conditionne les rythmes biologiques, etc. L’originalité de l’énergie photovoltaïque telle qu’on l’entend ici est de transformer directement la lumière solaire en électricité. Et quand on sait que l’apport énergétique solaire total sur la planète est de plusieurs milliers de fois supérieur à notre consommation globale d’énergie, on comprend tout l’intérêt d’une telle démarche. Cet ouvrage décrit le fonctionnement de l’énergie solaire photovoltaïque et donne les bases de sa mise en œuvre pratique. Renouvelable, cette énergie respecte notre environnement en réduisant les émissions des gaz à effet de serre (elle n’en émet aucun lors de son utilisation). Les prix ne cessent de baisser grâce à l’accroissement des volumes de production car le marché est fortement stimulé par le rachat du courant par les compagnies d’électricité, et il croît de 40 % par an au niveau mondial depuis quelques

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CELLULES SOLAIRES

années. Peu de secteurs économiques peuvent afficher de tels résultats. Pour conclure cette présentation générale, voici quelques détails de terminologie. Cellule solaire et photopile sont des termes équivalents qui désignent généralement des capteurs de petite taille, utilisés soit tels quels, soit en assemblage dans un panneau solaire, ou module photovoltaïque. Ces deux derniers termes, équivalents quand on parle d’énergie solaire électrique, désignent un capteur de plus grande taille et donc de puissance supérieure aux photopiles. Il y a également derrière les mots panneaux et modules, la notion d’emploi en extérieur de produits plus complets, avec un cadre, un câble… qu’il n’y a pas dans une photopile. Quant au mot photogénérateur, il regroupe l’ensemble de ces composants d’énergie lumière en électricité, c’est pourquoi nous l’utiliserons pour les exposés d’ordre général.

Cellule solaire au silicium cristallin (doc. Siemens).

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CHAPITRE

AVANT-PROPOS

© DUNOD – La photocopie non autorisée est un délit.

Panneau solaire au silicium cristallin (doc. Shell Solar).

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CELLULES SOLAIRES

Cellule solaire au silicium amorphe (doc. SOLEMS).

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PREMIÈRE PARTIE

COMMENT ÇA MARCHE ? PRINCIPES ET COMPOSANTS

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RAPPELS D’ÉLECTRICITÉ

Nous rappelons ici les bases d’électricité nécessaires à la compréhension des notions et phénomènes électriques. On trouvera donc dans ce chapitre des définitions, des principes et des unités auxquels il faudra se référer au cours de la lecture des autres chapitres en cas de nécessité.

1.1 GRANDEURS PHYSIQUES ET UNITÉS

Le courant électrique est une circulation de particules chargées, les électrons, présents dans toute matière. Ce flux chargé est porteur d’énergie et nous rappelons ici comment on le caractérise. Pour une meilleure compréhension, nous ferons appel à des analogies avec une circulation d’eau, car toutes proportions gardées, les concepts sont les mêmes.

La différence de potentiel (ou tension électrique)

C’est en électricité la quantité d’énergie mobilisable par les électrons pour aller d’un point A à un point B d’un circuit. La différence de potentiel aux bornes d’un générateur est appelée tension nominale. C’est la tension d’utilisation dans les conditions de fonctionnement normal. La valeur de mesure est le volt (V). La tension électrique se mesure avec un voltmètre. 1 V = 1 000 mV = 1 000 000 µV où mV = millivolts et µV = microvolts. Le symbole d’expression est la lettre U.

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PREMIÈRE PARTIE

COMMENT ÇA MARCHE ? PRINCIPES ET COMPOSANTS

ANALOGIE

Soit un bidon d’eau, dans lequel on a fait un trou à mi-hauteur. La différence de potentiel correspondrait à la hauteur de la chute d’eau (figure 1.1).

Figure 1.1.

Le courant électrique (ou intensité)

C’est en électricité la quantité d’électrons qui circule par unité de temps. Le courant circulant normalement dans un circuit donné est appelé courant nominal. La valeur de mesure est l’ampère (A). L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre. 1 A = 1 000 mA = 1 000 000 µA où mA = milliampères et µA = microampères. Le symbole d’expression est la lettre I.

ANALOGIE

Le courant électrique correspondrait à la quantité d’eau qui s’écoule de l’ouverture par intervalle de temps t (c’est un débit) (figure 1.2).

Figure 1.2.

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CHAPITRE

RAPPELS D’ÉLECTRICITÉ

La résistance (ou résistor)

La résistance mesure la « difficulté » de passage d’un courant. Elle se mesure en ohms (Ω). Pour un conducteur parfait, elle est reliée au courant et à la tension par la relation : U = RI

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ANALOGIE

Dans la comparaison avec la circulation d’eau, une résistance électrique pourrait être représentée par un tuyau étroit, qui limite le débit pouvant circuler dans une canalisation.

La puissance

C’est le produit de la quantité d’électrons (courant) par l’énergie mobilisable par les électrons (tension). La valeur de mesure est le watt (W). Le symbole d’expression est la lettre P.

ANALOGIE

La puissance correspondrait à la force de l’eau qui parcourt la hauteur de la chute avec un certain débit (figure 1.3).

© DUNOD – La photocopie non autorisée est un délit.

Figure 1.3.

La puissance s’exprime par la formule : P = UI (W) = (V)(A) P s’exprime en watts, U en volts et I en ampères.

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PREMIÈRE PARTIE

COMMENT ÇA MARCHE ? PRINCIPES ET COMPOSANTS

Exemple : Une ampoule fonctionnant sous une tension de 12 V et consommant un courant de 0,5 A aura une puissance de : P = UI = 12 × 0,5 = 6 W

Ampères-heures

C’est une quantité d’électricité ou une capacité égale au produit du courant par le temps écoulé : Q = It (C) = (A)(s) ou : (Ah) = (A)(h) Elle s’exprime en coulombs (C), ou plus commodément en ampères-heures (Ah). Elle sert notamment à quantifier la capacité d’une batterie (en Ah).

ANALOGIE

La quantité d’eau qui s’écoule de l’ouverture pendant une durée t,