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Énergie solaire

1. Capteurs solaires thermiques

Souvent qualifiés de chauffe-eau solaires, ils captent la chaleur du soleil via des absorbeurs thermiques, souvent placés sur les toits, qui chauffent un fluide caloporteur. Ce dernier transfère ensuite la chaleur à de l’eau stockée dans un réservoir isolé pour des usages sanitaires et pour le chauffage. Il en existe plusieurs types : non vitrés pour l’eau des piscines, à plans vitrés avec échangeur de chaleur, à tubes en verre sous vide pour les climats froids ou nuageux, à concentration qui utilisent des miroirs ou des lentilles pour un maximum d’efficacité ou enfin les capteurs solaires à air qui utilisent l’énergie solaire pour chauffer directement l’air. Ces systèmes sont le plus souvent autonomes, durables, et nécessitent peu d’entretien. Ils sont dotés d’une performance fiable sur de nombreuses années, ce qui en fait des atouts essentiels pour la transition énergétique.

2. Centrale électrique solaire à concentration

Comme une centrale électrique à gaz ou à charbon, une centrale solaire à concentration alimente une turbine à vapeur pour produire de l’électricité – mais en utilisant la lumière du soleil. Les technologies éprouvées sont notamment les capteurs de forme parabolique, les centrales à tour et les systèmes linéaires de Fresnel. Suivant le principe des miroirs ardents, elles permettent de chauffer l’eau jusqu’à des températures élevées.
Ces technologies répondent à l’intermittence à court terme. La génération d’électricité peut en effet être prolongée plusieurs heures après la disparition des rayonnements solaires, le fluide chauffé possédant une inertie thermique. Des systèmes de stockage dynamique de la chaleur peuvent aussi être intégrés aux installations. Autre avantage, il est possible de faire de la cogénération, c’est-à-dire d’utiliser la chaleur produite pour d’autres usages. Ces installations nécessitent toutefois beaucoup d’entretien et d’eau, notamment pour le lavage des miroirs, et ne sont rentables que dans les parties du monde baignées de soleil, comme dans les déserts.

3. Photovoltaïque

Lorsque les photons de la lumière solaire frappent des cellules solaires, celles-ci libèrent des électrons qui, captés, créent un courant électrique continu. Le courant électrique produit peut être consommé localement par un appareil (un satellite, par exemple), souvent couplé à un système de batterie. Les installations photovoltaïques peuvent également injecter l’électricité produite dans le réseau via un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif.

Cellules photovoltaïques

1. Silicium cristallin

Les cellules photovoltaïques en silicium sont aujourd’hui les plus couramment utilisées dans l’industrie des panneaux solaires, en raison de leur efficacité et de leur coût relativement bas. Elles représentaient 98 % de la production en 2023. Le silicium est un matériau semi-conducteur abondant, élaboré à base de sable. On distingue les cellules monocristallines (20 à 25 % de rendement), fabriquées à partir d’un seul bloc cristallin de silicium, des cellules polycristallines, constituées de multiples cristaux. Ces dernières étaient utilisées dans les installations à grande échelle, car, malgré un moindre rendement (18 à 21 %), elles étaient moins chères à produire. Les récentes innovations dans la production des cellules monocristallines, la durabilité et l’efficacité de celles-ci ont toutefois conduit à abandonner presque totalement la fabrication des cellules polycristallines.

2. Couches minces

Contrairement aux cellules photovoltaïques en silicium cristallin, qui utilisent des tranches épaisses de silicium (sciées dans un bloc), les couches minces sont fabriquées en déposant des couches très fines (quelques micromètres) sur des substrats flexibles ou rigides. Cette technologie offre plusieurs avantages, dont une flexibilité accrue et un poids réduit, de manière à être intégrée dans diverses applications – y compris les toits peu résistants et les dispositifs électroniques portables. Les principaux types de couches minces incluent le tellurure de cadmium (CdTe), l’alliage de cuivre, indium-gallium et sélénium (CIGS), et le silicium amorphe (a-Si).

3. Cellules photovoltaïques organiques et Cellules solaires à pigments photosensibles

Les cellules photovoltaïques organiques (OPV) utilisent des matériaux semi-conducteurs organiques, tels des polymères ou des petites molécules, pour convertir la lumière solaire en électricité. Elles sont légères, flexibles, parfois transparentes, et peuvent être fabriquées à bas coût grâce aux techniques d’impression à grande échelle – ce qui les rend particulièrement adaptées à des applications où la flexibilité et le faible coût sont cruciaux : textiles intelligents, fenêtres photovoltaïques et dispositifs électroniques portables. Les OPV et les DSSC présentent actuellement des rendements de conversion inférieurs à ceux des technologies photovoltaïques établies, généralement autour de 10 à 15 %, mais prometteurs en lumière indirecte. Des recherches intensives sont en cours pour améliorer leur efficacité et leur stabilité en raison de la dégradation des matériaux organiques.

4. Cellules multi-jonction

Les cellules multi-jonction utilisent plusieurs jonctions empilées les unes sur les autres : un matériau de type p, dopé avec des impuretés qui ajoutent des trous porteurs de charge positive, et un matériau de type n, dopé avec des impuretés qui ajoutent des électrons porteurs de charge négative. Chaque jonction est optimisée pour une bande de longueur d’onde différente de manière à absorber une partie spécifique du spectre solaire, ce qui permet de maximiser l’absorption de la lumière et d’améliorer l’efficacité globale. Les cellules multi-jonction sont souvent utilisées dans des applications spatiales ou des systèmes photovoltaïques à concentrateur (lentilles ou miroirs). Leur rendement peut atteindre plus de 40 %, ce qui en fait une technologie photovoltaïque parmi les plus efficaces, alors même que les recherches se poursuivent.

5. Cellules tandem

Les cellules tandem sont un type spécifique de cellules multi-jonction. Elles combinent deux matériaux semi-conducteurs aux fenêtres d’absorption différentes, de manière à capturer une plus large gamme du spectre solaire. En superposant ces matériaux, chaque couche absorbe une partie de la lumière, ce qui augmente l’efficacité globale de la cellule. Par exemple, une cellule tandem peut associer une couche de silicium cristallin à une couche de pérovskite (semi-conducteur combinant matériaux organique et inorganique). Le rendement obtenu est supérieur à 30 %.

Systèmes photovoltaïques

1. Systèmes pico photovoltaïques

Avec un panneau photovoltaïque de quelques watts seulement, des services essentiels peuvent être fournis tels que l’éclairage, la recharge de téléphones ou l’alimentation d’une radio, d’un petit ordinateur. Ces systèmes sont principalement utilisés pour une électrification de base, hors réseau, en particulier dans les pays en voie de développement. Des versions extensibles de systèmes pico PV sont disponibles sur le marché, de manière à pouvoir intégrer des charges supplémentaires au kit de départ.

2. VIPV

Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre dans le secteur de la mobilité, l’intégration de cellules solaires dans la carrosserie des véhicules (VIPV), ou l’installation de modules sur la carrosserie, a fait l’objet d’avancées technologiques significatives pour répondre à la fois aux attentes esthétiques et aux exigences techniques telles que la légèreté et la résistance à la charge.

3. BAPV et BIPV

Les BAPV (Building-Applied Photovoltaics, photovoltaïques appliqués au bâtiment) sont des systèmes photovoltaïques ajoutés à un bâtiment existant, tandis que les BIPV (Building-Integrated Photovoltaics, photovoltaïques intégrés au bâtiment) remplacent des matériaux de construction conventionnels en tant qu’éléments de toi ture ou de façade, à la fois modules photovoltaïques et matériaux de construction. Ils se présentent sous différentes formes, couleurs et tailles, et souvent dans une composition en sandwich de verre. Ils rem placent généralement les solutions d’enveloppe de bâtiments.

4. Photovoltaïque intégré aux infrastructures (IIPV)

Ce système consiste à intégrer des panneaux photovoltaïques
dans des infrastructures telles que des
barrières anti-bruit, des murs de barrage, des routes,
etc. De nouvelles applications sont régulièrement démontrées.
L’Office fédéral des transports suisse a autorisé
l’installation de panneaux solaires entre les rails de
son chemin de fer. Un premier essai devrait avoir lieu
à Buttes (canton de Neuchâtel).

5. Agrivoltaïsme

Le photovoltaïque agricole associe les productions agricoles et énergétiques sur un même site. Il peut être statique, ajouté aux pâturages ou aux cultures, ou dynamique, pour faciliter la production agricole. Le partage de la lumière permet un rendement plus élevé, en fonction du climat et de la variété des cultures, et peut même être vertueux dans certains cas, quand l’eau qui s’évapore des cultures réduit la température des modules photovoltaïques. Combinés aux pâturages, l’ombre qu’ils apportent peut par ailleurs améliorer la qualité de l’herbe, et de vie des animaux. Les enjeux politiques sont importants car les électrons semblent plus rentables que l’agriculture.

6. Photovoltaïques flottants

Les systèmes photovoltaïques flottants profitent souvent des connexions au réseau existantes, à proximité d’un barrage hydroélectrique par exemple. Leur développement dans des zones aquatiques artificielles peut être une réponse à la pénurie de terres dans les lieux à forte densité de population. Ils présentent également d’autres avantages : des taux d’évaporation réduits sous des climats secs et un meilleur refroidissement des modules sous des climats chauds. Ils ont également été installés en mer.

7. Fermes solaires

Les systèmes photovoltaïques centralisés fonctionnent comme des centrales électriques : ils fournissent de l’électricité en gros. Généralement installées au sol, les fermes solaires suscitent de nombreuses controverses car elles entrent en compétition avec l’agriculture ou l’industrie tout en se heurtant à la conservation d’espaces et de paysages naturels.

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