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tout sur les panneaux solaires


25 Février 2007 Consulté 9097 fois
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             Les panneaux solaires photovoltaïques

 

 

I- le fonctionnement d'un panneau solaire et sa composition

   A-les bases du solaire photovoltaïques

   B- fonctionnement d'un panneau solaire

   C- composition d'un panneau solaire

 

II- Stockage de l'énergie

 

III- Les différentes installations photovoltaïques

  A- installations en site isolé

B-    installations photovoltaïques raccordées au réseau

 

IV- Consommation d'énergie en France

A-    La consommation d'énergie en France

B-  La production d'électricité photovoltaïque

 

V- Coût d'une installation photovoltaïque

A-    Coût d'une installation photovoltaïque

B-  Rentabilité du photovoltaïques

C-    Améliorations du photovoltaïques

 

VI- Le marché du photovoltaïque

 

 

 

 

 

 

 

 

Aujourd'hui nous nous trouvons devant un problème grave: l'épuisement des ressources naturelles et donc l'épuisement des énergies sur terre.

 Ces ressources naturelles sont soit renouvelables soit au contraire non renouvelables.

 

·        Une ressource naturelle est considérée comme non renouvelable si elle ne se régénère pas dans des délais qui lui permette d'être exploitée continuellement. Par exemple, bien que les combustibles fossiles soient continuellement en formation, le taux de transformation de la matière organique est tellement long (millions d'années) que cette ressource est considérée non renouvelable.

 

·        Les ressources renouvelables sont des ressources naturelles susceptibles de fournir une disponibilité de services infinie, convenablement gérées. Elles comprennent la terre (cultivable en particulier), l'eau, l'air, l'ensemble des ressources biologiques, végétales et animales. L'énergie solaire, bien que non renouvelable à l'échelle cosmologique, est considérée comme renouvelable au faible terme de l'histoire de l'humanité.

 

      La  production énergétique mondiale provient à 80 % des combustibles fossiles. Au rythme actuel d'exploitation,  la situation des réserves de pétrole et de gaz naturel est extrêmement préoccupante; quant au charbon, les réserves sont immenses dans l'ensemble du monde mais les problèmes de pollution et les difficultés d'exploitation limitent son utilisation à très grande échelle.

 

      Il faudrait donc utiliser les énergies renouvelables. Il existe une énergie propre, silencieuse et renouvelable qui pourrait résoudre notre problème: le soleil utilisé via les panneaux solaires (photovoltaïques).

 Est-ce que, si chaque bâtiment (hors industries) étaient fournit en électricité venant de panneaux solaires, il y aurait une grande économie d'énergies?  Et surtout, d'un point de vue économique l'installation de panneaux solaires chez sois est-elle rentable?

 

      C'est pour répondre à cela que nous avons poser la problématique suivante :

 Face à l'épuisement des énergies, les panneaux photovoltaïques sont-ils assez rentables pour assurer notre avenir énergétique?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I/ Le fonctionnement d'un panneaux solaires photovoltaïques et sa composition

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A-Les bases du solaires photovoltaïques

 

 

 

1-Qu'est ce que la lumière ?

 La lumière est une forme d'énergie produite par la matière.La matière est formée d'électrons gravitant autour d'un noyau.Noyau et électrons ont une propriété particulière:ils sont électriquement chargés.Les charges électriques qu'ils portent sont opposés.Ainsi, le noyau atomique possède une charge que l'on dit « positive » et les électrons une charge opposée dite « négative ». Or, dans le monde des particules atomiques, les contraires s'attirent ; conséquemment noyau et électrons sont liés au sein de l'atome. Les électrons ne peuvent en aucun cas se retrouver n'importe où autour du noyau et ce, malgré la force d'attraction qu'ils subissent de sa part ; seules certaines « orbites » spécifiques (les scientifiques disent « orbitales ») situées à des distances précises leur sont permises.

Si un électron ne peut occuper n'importe quelle position autour du noyau, il peut cependant modifier la distance qui l'en sépare en changeant d'orbitale. Pour ce faire, son contenu en énergie doit être altéré de façon à le faire correspondre exactement à celui de l'orbitale qu'il va occuper. Pour passer d'une orbitale éloignée à une orbitale plus rapprochée, par exemple, l'électron doit se défaire d'une partie de son énergie. L'énergie libérée aura une composante électrique, mais aussi, comme tout corps chargé négativement, une composante magnétique. C'est sous la forme de petits « paquets d'énergie », appelés photons, que l'électron se débarrasse de son surplus d'énergie.

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Un photon est une particule d'énergie qui n'a pas de masse et qui se déplace très rapidement. Fait étrange d'ailleurs, un photon en mouvement a la particularité d'interagir avec la matière comme le fait une onde, c'est-à-dire comme une vague à la surface de l'eau. Puisque l'onde a à la fois une composante électrique et une composante magnétique, on parle « d'onde électromagnétique ». 

Photon et onde électromagnétique sont donc en quelque sorte synonymes. En langage courant, ils portent le même nom : celui de lumière. En effet, un photon n'est rien de moins qu'une « particule de lumière » et une onde électromagnétique, une « onde lumineuse ».Chaque photon porte une quantité d'énergie liée à sa longueur d'onde.

Longueur d'ondes: C'est une mesure en mètre qui permet de classer les différents types d'ondes. Alors que la fréquence indique le nombre d'oscillations par seconde de l'onde,la longueur d'onde indique la distance entre deux sommets de même oscillations. Les deux sont liées :plus la fréquence est élevée plus petite est la longueur d'onde puisque l'oscillation se ressere. La perception oculaire de l'homme s'étend du bleu (380nm) au rouge (780nm) :

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On appelle spectre ou répartition spectrale d'une source de lumière l'ensemble des couleurs ou des longueurs d'ondes qui la caractérisent.

 


Le soleil est une très grande source de lumière ,la température à la surface du soleil est de 5500°C.La distance terre soleil est de 150 000 000 km .La lumière à une vitesse de  299 792 458 m/s ,elle met donc 8 minutes pour parcourir la distance terre-soleil.

La constante solaire exprime la quantité d'énergie solaire (en fait une puissance d'éclairage) que recevrait un m² de la surface terrestre exposée perpendiculairement aux rayons du soleil si l'atmosphère terrestre  n'existait pas.

Elle est égale à 1,367 kW/m² (soit 1367 W/m²).

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L'ensoleillement des différentes parties de la terre :

 

 

                           2- La conversion de la lumière en électricité

Pour remplacer ce support d'espace, veuillez télécharger une image (C:/DOCUME~1/ANAS~1/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image006.png) sur le serveur et l'insérer dans le document.    C'est Alexandre Edmond Becquerel qui découvrit le principe de la conversion de la lumière en électricité en 1839. Elle se produit dans des matériaux semi-conducteurs.Dans ces matériaux,les électrons peuvent circuler seulement si on leur apporte une énergie qui leur permet de quitter leur atomes.Quand la lumière pénètre dans un semi-conducteur,ses photons apportent une énergie permettant aux électrons de se libérer et de se déplacer dans la matière.Or un courant électrique est un déplacement d'énergie,il y a donc du courant électrique sous exposition à la lumière.Un semi-conducteur est un solide cristallin dont les propriétés de conduction électrique sont déterminées par deux bandes d'énergies particulières : d'une part, la bande de valence, qui correspond aux électrons impliqués dans les liaisons covalentes ; d'autre part, la bande de conduction, comprenant les électrons dans un état excité, qui peuvent se déplacer dans le cristal. Ces deux bandes sont séparées par un gap, une bande interdite que les électrons ne peuvent franchir que grâce à une excitation extérieure (par exemple, l'absorption d'un photon). La bande interdite correspond à une barrière d'énergie, dont l'ordre de grandeur est l'électron-volt. Les électrons présents dans la bande de conduction permettent la conduction du courant. La conduction du courant peut être considérée de façon tout à fait équivalente en terme de trous d'électrons se déplaçant dans la bande de valence. La densité d'électrons (concentration par unité de volume) est notée n, celle des trous p. Dans un semi-conducteur intrinsèque, ou pur, il n'y a aucun atome dopant. Tous les électrons présents dans la bande de conduction proviennent donc de la bande de valence. Il y a donc autant d'électrons que de trous : n = p = ni ; ni est la concentration intrinsèque. Tout dopage sert à modifier cet équilibre entre les électrons et les trous, pour favoriser la conduction électrique par l'un des deux types de porteurs. On a toujours la loi d'action de masse:

 

Le semi-conducteur le plus utilisé est le silicium (Si). Malheureusement, on n'obtient pas plus de 100 g de silicium en partant d'1 kg de silice.

 

 a) photogénérateurs au silicium monocristallin

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme. Le silicium monocristallin est produit sous forme de barreaux purifiés, de section ronde ou carrée, qui sont ensuite découpées en plaquettes d'environ 0,2 nm d'épaisseur.

Avantages :

·        un très bon rendement (environ 17,2%)

Inconvénients :                                                                                                        

·        coûts élevés

·        rendement faible sous un faible éclairement.

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Une cellule monocristalline

 


b) photogénérateurs au silicium polycristallin

 

 

Il est dit polycristallin du fait de sa structure ordonée .Il est produit sous forme de barreaux purifiés,de section ronde ou carrée(comme pour le silicium monocristallin)

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu mais pas uniforme, on distingue des motifs crées par les différents cristaux

La cellule en silicium cristallin est assez fragile et nécessite donc systématiquement une encapsulation, au moins pour le renfort mécanique.Dans un polycristallin, les monocristaux sont séparés les uns aux autres par des zones perturbées.

Avantages :

·        bon rendement(13%)

·        moins cher que le silicium monocristallin mais il a moins bon rendement que ce

dernier.

 

Inconvénients :

·        rendement faible sous un faible éclairement.

 

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique(meilleur rapport qualité/prix)

 

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Une cellule polycristalline

c) photogénérateurs au silicium amorphe

 

Le silicium amorphe à une structure atomique désordonnée c'est-à-dire non cristallisé ou vitreuse.La cellule est gris très foncé,c'est la cellule des calculatrices et des montres dites solaire.

 

Avantages :

·        moins cher que les autres cellules.

·        fonctionne très bien avec un éclairement faible.

 

Inconvénients :

·        rendement faible en plein soleil.(hum jsui pas sur)(environ de 6%)

·        performance qui diminue avec le temps.

 

d) cellule de tandem

 

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines

 

 

Avantages :

·        sensibilité élevé sur une large plage de longueur d'onde.

·        bon rendement

 

                  

La conductibilité du matériau peut être augmentée, diminuée et contrôlée en ajoutant au silicium une quantité très faible de matière appelée « impureté ». Plusieurs éléments peuvent remplir la fonction d'impureté. Ils varient selon les deux types de dopage existants.Dans le dopage de type N, le but est de « créer » des électrons libres pour améliorer la conductivité. Pour cela, il faut ajouter des atomes dits pentavalents, c'est-à-dire ayant 5 électrons sur leur dernière couche. . Le tableau ci-dessous montre les types d'atomes utilisés.

 

Nom

Symbole

Electrons de valence

Arsenic

As

5

Phosphore

P

5

Bismuth

Bi

5

Antimoine

Sb

5

Comme nous pouvons le remarquer, chaque atome décrit ci-dessus possède cinq atomes sur sa dernière couche. Lorsque l'un de ces atomes est incorporé au silicium, il utilise quatre électrons pour former des liens covalents. Il reste alors un électron, qui devient électron de conduction. L'atome qui a perdu cet électron est appelé atome donneur. Plus le nombre d'impureté est élevé, plus les électrons de conduction seront nombreux. En d'autres termes, plus la quantité d'impureté incorporée au silicium est grande, plus celui-ci sera conducteur. Le dopage de type N vise donc à créer un nombre excessif d'électrons de conduction.
Le dopage de type P ,es atomes utilisés sont dits trivalents, c'est-à-dire qu'ils ont trois électrons sur leur dernière couche. Dans le dopage P, le but est de créer un grand nombre de trous, comme nous allons le voir ici. Les matières utilisées dans le dopage P sont décrites dans le tableau ci-dessous.

Nom

Symbole

Electrons de valence

Aluminium

Al

3

Gallium

Ga

3

Bore

B

3

Lorsque les atomes de ces matières sont incorporés au silicium, les trois électrons sont utilisés pour former des liaisons covalentes. Comme nous l'avons vu précédemment, quatre électrons sont nécessaires. Il subsiste donc un espace vide, donc un trou. Le nombre de trou dans la structure est contrôlé par la quantité d'impureté ajoutée au silicium. Si on prend  un bloc de silicium dont le premier côté est dopé selon le type P, et le second côté selon le type N, à part égales. Il se forme donc une frontière entre la partie P et la partie N :c'est une jonction(voir shéma).C'est grâce a ce champ interne qu'apparaît une tension (en volts)entre les deux faces de silicium.

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Il subsiste bien entendu des électrons dans la partie P et des trous dans la partie N, mais ils sont très minoritaires et simplement générés par la chaleur. la charge des deux parties est neutre. Il y a donc autant de protons que d'électrons. Les électrons se propagent à présent à travers la frontière, vers le côté P. Comme la charge était neutre avant ce phénomène, il résulte des charges positives dans la partie N, car il y a moins d'électrons. Du côté P, il en résulte des charges négatives, à cause de l'arrivée des électrons. La zone dans laquelle ces charges sont présentes est appelée « région d'appauvrissement » et est illustrée ci-dessous.

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Région d'appauvrissement

Cette diffusion s'arrête lorsque la somme des charges négatives empêche les électrons de passer la jonction. Ce phénomène est désigné sous le nom de « barrière de potentiel ». Pour passer cette barrière, les électrons ont besoin d'un apport extérieur d'énergie. On fournit cette énergie par une source de tension. La tension nécessaire pour passer la barrière de potentiel est de 0,7V pour le silicium et 0,3V pour le germanium.

 Les diodes, très couramment utilisées en électronique, sont en réalité de simples jonctions PN telles que nous l'avons vu. Ces diodes se présentent comme l'illustre l'image ci-dessous.

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B- fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques

 

Pour remplacer ce support d'espace, veuillez télécharger une image (C:/DOCUME~1/ANAS~1/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image015.gif) sur le serveur et l'insérer dans le document.Les modules photovoltaïques intégrés en toiture transforment directement le rayonnement solaire en électricité(voir précédemment) . L'onduleur convertit l'électricité produite par des modules en courant compatible avec le réseau de distribution d'électricité. Le compteur d'électricité solaire comptabilise l'énergie produite. Enfin selon notre choix l'énergie produite est :

 -soit vendue totalement au réseau le plus élevé.

-soit utilisée pour nos propres besoins électriques, l'excédent d'énergie étant ensuite revendu au réseau.

 

 

 

 

Voici différents exemples d'installations photovoltaïques :

             

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Église solaire en Allemagne                                                Parking couvert en Californie

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Four solaire en France dans les Pyrénées                           Four solaire en Israël

 

C- composition des panneaux solaires

 

L'illustration suivante décrit en elle-même toutes les étapes nécessaires à la fabrication d'un panneau solaire :

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La production de cellules photovoltaïques demande beaucoup d'énergie et n'est donc pas totalement propre. Il faut environ cinq ans pour qu'une cellule photovoltaïque produise l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.

 

II- le stockage de l'énergie

Si ce système venait à être mis en place massivement, il faudrait stocker l'énergie produite pour la consommation nocturne principalement. Cependant l'électricité se stocke très mal. Il existe deux moyens de stocker l'électricité produite par un panneau solaire : les piles à combustible et les batteries au plomb.

 

1-Comment fonctionne une pile à combustible à l'hydrogène ?

Le fonctionnement d'une pile à combustible est très propre puisqu'elle ne consomme que des gaz et ne produit que de l'eau.

Pile à combustible : Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.

La pile à combustible transforme l'énergie chimique en énergie électrique.
Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges.
Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène.
A chaque réaction, les piles à combustible produisent de l'eau et libèrent deux électrons.

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2-Quel est le rendement d'une pile à combustible ?

Electrolyse L'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.

Les piles à combustible coûtent très cher à cause de la platine qu'elles contiennent.
La production d'hydrogène est assurée par électrolyse avec l'électricité obtenue avec le panneau solaire.
Cependant il y a beaucoup de pertes d'énergie durant cette réaction.
En tenant compte de l'énergie nécessaire à leur fabrication, de leur fonctionnement et de leur durée de vie, le rendement des piles à combustibles n'est que de 30 %, il ne faudrait donc plus 1 % mais plutôt 3 % du territoire couvert de panneaux solaires si on utilise des piles à combustibles pour stocker l'énergie produite dans des installations autonomes. Cela paraît donc impossible puisque seuls 2 % du territoire français sont construits.

 

3-Comment fonctionne une batterie au plomb ?

La batterie au plomb est capable de stocker l'électricité puis de la redistribuer. Elle est constituée d'accumulateurs de 2V montés en série. Pendant la charge et la décharge, la constitution chimique des électrodes varient.

Electrodes : Certains appareils électriques comme les piles électriques ou les accumulateurs électriques comportent en interne deux lames ou blocs conducteurs reliés à chacune des deux bornes de branchement de l'appareil. Ces éléments conducteurs sont appelés électrodes.

Pendant la décharge il y a production de sulfate de plomb et libération d'électrons.
Pendant la charge il se passe la réaction inverse.

La batterie à un rôle de « réservoir » d'électrons, cependant, ce réservoir a une taille limitée, une batterie ne peut pas assurer la consommation d'électricité dans toute une habitation. Ils faudrait mettre quelques tonnes de batteries dans chaque habitation pour que le système fonctionne.

 

4-Quel est le rendement d'une batterie au plomb ?

Le rendement d'une batterie au plomb qui a une durée de vie de 5 à 20 ans est de 70 %. Il faudrait donc couvrir 1,5 % du territoire pour compenser l'utilisation de batteries pour stocker l'énergie. Cela reviendrait à couvrir les ¾ des toitures françaises, ce qui pourrait être possible. Mais c'est sans compter le coût de fabrication du panneau qui représente 5 ans de production d'électricité par le panneau solaire, soit 25 % de son temps de fonctionnement (environ 20 ans).

 

 

 

 

5-Quelle serait la surface réelle à recouvrir de panneaux solaires pour faire fonctionner un ensemble d'installations autonomes ?

En stockant l'électricité avec une pile à combustible :

S= (production d'électricité stockage)*100/ fabrication des panneaux solaires (25 % du temps d'utilisation)

S=3*100 /(100 –25)

S=300/75

S=4%

 
En stockant l'électricité avec une batterie à plomb :

S= (production d'électricité stockage)*100/ fabrication des panneaux solaires (25 % du temps d'utilisation)

S=1.5*100/(100 –25)

S=150/75

S=2%

 

 

i faudrait donc couvrir entre 2 et 4 % du territoire en panneaux solaires pour que les installations autonomes puissent fournir l'électricité nécessaire à toute la population française.
Mais cela est matériellement impossible, cependant, on pourrait tirer plus du solaire.

 

6-Quelle solution envisager ?

On vient de voir que le gros problème est le stockage. Il suffirait donc de trouver un moyen de s'en passer pour pouvoir faire une installation fonctionnelle car les installations autonomes ne sont pas rentables. Pour cela, il suffit de relier son installation au réseau électrique car les améliorations des moyens de stockage sont très lentes (  voir partie II).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III - Les installations photovoltaïques

 

A- Installation en site isolé

 

 

1- Centrale photovoltaïque pour un village isolé

 

Capacité du système : Plus de 10 kWc

Utilisations : Eclairages publics et individuels, TV, machines à laver, réfrigérateurs, etc.

 

Avantages :

·        La capacité de charge au niveau de la centrale est variable, ce qui permet une distribution d'électricité plus flexible.

·        Un fonctionnement et un contrôle de l'installation photovoltaïque centralisés.

·        Un système de gestion et de maintenance peut être facilement mis en place.

 

 

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2- Installation photovoltaïque pour des ensembles de bâtiments

 

Capacité du système : 5-10 kWc

Utilisations : Eclairages, équipements de télécommunication, équipements médicaux, TV, etc.

 

Avantages :

·        Une production d'électricité fiable et pérenne

·        Permet de donner la priorité aux équipements électriques indispensables des bâtiments publics : appareils médicaux, armoires pharmaceutiques, systèmes de pompage et de purification de l'eau…

·        Contribue à l'amélioration des conditions de vie de certaines populations

 

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3- Installation photovoltaïque individuelle (maison individuelles)

 

Capacité du système : Moins de 5 kWc

Utilisations : Eclairages, petit électroménager, TV, radio, etc…

 

Avantages :

·        L'installation est simple.

·        Idéal pour les habitations isolées

·        Utilisation précise de toute l'énergie produite

 

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B- Installations photovoltaïques raccordées au réseau

 

Toute personne installant des modules photovoltaïques sur ses bâtiments devient producteur d'électricité. Le raccordement au réseau d'électricité public lui permet d'injecter tout ou partie de sa production mais aussi d'être alimentée par le réseau lorsque sa production est nulle (la nuit) ou insuffisante.
L'électricité injectée sur le réseau est revendue à des tarifs fixés dans un cadre réglementaire par les pouvoirs publics.

 

Un double compteur électrique permet de mesurer l'électricité consommée et l'électricité injectée sur le réseau.

 

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  IV- Consommation d'énergie en France

 

 

 

A- La consommation d'énergie en France

 

 

En 2004, la consommation d'énergie totale en France a atteint un chiffre record de 276 millions de tonnes de pétrole. Ce chiffre, se divise en différents secteurs d'énergies.
Les français ont consommé 13 millions de tonnes de pétrole pour le charbon soit 4,8% de la consommation totale. Il faut ajouter à cela également 13 Mtep pour les énergies renouvelables (4.8%) et encore 40 Mtep pour la consommation en gaz naturels (14.4%).
De plus le pétrole prend une part importante dans la consommation totale des français avec environ 93 Mtep par an soit 33.7%.
Mais c'est la consommation en électricité primaire qui est la plus importante en France avec 117 millions de tonnes de pétrole soit tout de même 42.4 % de la consommation française.
On peut donc déduire que de nos jours, l'électricité est très importante dans le quotidien des français et paraît comme une énergie montante alors que d'autres comme le charbon ou le pétrole sont en perpétuel recul.
Enfin, les énergies renouvelables comme l'énergie photovoltaïque sont de plus en plus utilisées mais restent difficilement exploitables.

 

 

 

 

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Cette consommation d'énergie (276Mtep) se répartit en plusieurs secteurs majeurs.
Ainsi, le secteur agricole ne consomme que 3 Mtep en 2004 (1.1%), derrière le secteur sidérurgique avec une consommation de 6 Mtep (2.2%).
L'industrie consomme quand à elle 32 Mtep soit 11,6% alors que le transport prend 51 Mtep (18.5%).
De plus, les usages non énergétiques profitent de 16 Mtep avec 5.8% des parts alors que la branche de l'énergie profite de 99 Mtep pour ses besoins (35.9%).
Enfin le résidentiel et le tertiaire regroupés pèsent lourd avec une consommation de 70 Mtep (25.3%). La consommation de cette dernière branche tend a augmenter progressivement à cause de la progression du tertiaire dans la société actuelle.

 

Cependant, d'ici une cinquantaine d'année, la population devant atteindre 9 milliards d'habitants la consommation dans des pays comme la France devrait encore augmenter.
En 2020, la consommation d'énergie en France pourrait augmenter de 30 % par rapport à 2000 si rien n'est fait.

Protocole de kyōto : Le protocole de Kyōto est un traité international proposant un calendrier de réduction des émissions de gaz à effet de serre, qui sont considérés comme la cause principale du réchauffement climatique des cinquante dernières années.

L'augmentation pourrait être limitée à 20 % en donnant une priorité au nucléaire.
Enfin, la consommation pourrait rester stable si la France respecte le protocole de Kyoto et utilise plus efficacement l'énergie produite.

Même si la consommation augmente, les sources principales d'énergie restent les mêmes : pétrole et électricité primaire (nucléaire par exemple).

Cependant, les énergies renouvelables tentent d'être plus utilisées afin de ralentir l'épuisement des stocks des autres sources d'énergies.

 

B- La production d'énergie photovoltaïque

On sait que de nos jours l'énergie solaire reçue sur la Terre est 15 000 fois supérieure à la quantité d'énergie consommée dans le monde. Ainsi, capter 0,01% de cette énergie pourrait théoriquement permettre de stopper net la production de toutes les autres énergies (pétrole, gaz, charbon,…).

Aujourd'hui, la production en énergie photovoltaïque semble relativement faible en France. En effet elle ne dépasse pas les 2,32 Ktep (27 GWh). Cette production semble et reste encore anecdotique. De plus, 1/3 de cette production est raccordée au réseau. Les 2/3 restants ne le sont pas.

Watt-crête : Le watt-crête (Wc) mesure la puissance théorique maximale qu'un module ou qu'une installation peut produire dans des conditions standard d'ensoleillement

La production mondiale des panneaux solaires est passée de 5 Mégawatts-crête en 1982 à 60 MWc en 1992. Ce qui montre que les panneaux solaires sont de plus en plus utilisés.

 

 

V- Coût d'une installation photovoltaïque

 

 

B- rentabilité du photovoltaïques

 

1-Quel est le prix d'un kWh sur le réseau EDF ?

Pour le moment, en France, le kWh est acheté 0,1058 € à EDF en heures pleines et 0,0645 € en heures creuses.

En France, l'électricité ne coûte pas très cher, ce qui ralentit l'utilisation des panneaux solaires.
Mais le prix de l'électricité obtenue à partir d'énergies fossiles va augmenter.

Les systèmes non reliés au réseau ne sont rentables qu'à partir d'un éloignement de 2 à 3 km au vu du prix peu important de l'électricité en France.

2-A combien revient le kWh en utilisant des panneaux solaires ?

Les premières installations reliées au réseau (programme Phébus) étaient équipées d'un compteur unique qui tournait à l'envers quand on produisait de l'énergie. A présent, il y a deux compteurs distincts. L'un compte la consommation, l'autre la production. Cette configuration est importante car le kWh produit avec l'installation photovoltaïque est vendu plus cher que le kWh acheté au réseau. Le kWh photovoltaïque est vendu 0,1375 €. Ce tarif est établit dans le but de soutenir cette source d'énergie. La particulier est assimilé à un petit producteur d'électricité.

3-Quels sont les avantages économiques d'une installation reliée au réseau ?

Bien que le kWh produit par le solaire coûte 4 fois plus cher que celui produit à partir d'énergie nucléaire ou d'énergies fossiles, le solaire présente de nombreux avantages et après une chute de prix pourrait devenir très compétitif.

Le principal avantage d'une installation reliée au réseau est le fait qu'il n'y a pas de problème de stockage, ce qui évite d'acheter des batteries qui coûtent très cher.
Ensuite, les panneaux solaires ne demandent aucun frais d'entretien. On paye juste l'investissement initial.
De plus, les panneaux solaires permettent de faire des économies d'énergie en distribuant l'énergie sur le réseau.
Enfin, les subventions pour les installations photovoltaïques sont conséquentes. Des crédits sont mis en place pour compenser le pris actuel important de l'investissement.

Un politique volontariste de l'Etat comme en Allemagne pourrait permettre aux panneaux solaires de s'implanter plus massivement en France.

 

 

 

4) Les installations reliées au réseau sont-elles rentables ?

En sachant qu'une famille de 4 personnes consomme 2500 kWh/an et qu'un système de 1kWc (10 m²) produit 1000 kWh/an en moyenne, il faut une installation de 25 m² pour subvenir aux besoins électriques de la famille.

Le coût d'une installation de 25 m² est le suivant :
Prix du Wc X Wc nécessaires dans l'installation
5 € X 2500 = 12500

Sur ces 12500 €, le particulier ne paiera qu'environ 20 % soit :
12500 X 0,2 = 2500 €

L'investissement dans une toiture de 25 m² de panneaux solaires coûte donc au particulier 2500 €.

On peut dire qu'en moyenne 30 % de l'énergie produite est utilisée au moment de la production et que les 70 % restants sont redistribués au réseau et réutilisés à un autre moment.

Ainsi, le particulier consomme au moment de la production 750 kWh/an.
Cette électricité ne lui est pas facturée puisque c'est lui qui la produit.

A chaque fois que le particulier donne 1 kWh au réseau et qu'il l'utilise ultérieurement, il économise :
Prix d'un kWh produit – prix d'un kWh acheté
0,14 - 0,06 = 8 centimes d'euro

Il distribue 70 % au réseau de l'électricité qu'il produit, soit 1750 kWh/an et il la réutilise.
Il économise ainsi :
1750 X 0,08 = 140 € par an

Ainsi, il faudra :
2500 / 140 = 17
Soit 17 ans pour que l'investissement dans une installation photovoltaïque soit rentabilisé dans une région favorisant cette source d'énergie, notamment grâce aux subventions.

La durée de vie d'un panneau solaire approchant aujourd'hui de 30 ans, le particulier fera un bénéfice de 140 € par an pendant 13 ans, soit 1820 €.

Si cette famille fait des économies d'énergie (lampes fluo-compactes, appareils consommant peu etc…), l'investissement sera rentabilisé encore plus rapidement.

Nous remarquons ainsi que les panneaux solaires sont rentables, mais après une longue période. L'achat d'une installation photovoltaïque est donc bel et bien un investissement pour l'avenir.

 

 

 

C- améliorations du photovoltaïque


 1) Les "Sliver Cells"

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 Une entreprise Australienne, Origin Energy, vient de lancer la production de "sliver cells", ou cellules en "copeaux", qui sont des minis cellules photovoltaïques de 50µm d'épaisseur, 1mm de large et 10 cm de long. On peut les assembler de façon compacte les unes collées à côté des autres, ou même espacées afin d'utiliser leurs faces arrière pour récupérer l'énergie lumineuse.

Leur faible épaisseur permet de les plier, et leur nouveau mode de production utilise beaucoup moins de silicium (qui est l'élément de base - onéreux - des cellules photovoltaïques) - jusqu'à huit fois moins selon les concepteurs, ce qui pourrait bientôt faire baisser les prix des cellules solaires.

2) Cellules sphériques :

Pour remplacer ce support d'espace, veuillez télécharger une image (C:/DOCUME~1/ANAS~1/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image034.gif) sur le serveur et l'insérer dans le document.Pour remplacer ce support d'espace, veuillez télécharger une image (C:/DOCUME~1/ANAS~1/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image035.jpg) sur le serveur et l'insérer dans le document.  Pour pouvoir mettre des cellules photovoltaïques partout, il faudrait qu'elles soient pliables, que l'on puisse leur donner la forme des surfaces sur lesquelles on veut les poser; eh bien maintenant c'est possible, grâce aux cellules sphériques. Il s'agit de "tapis" de minuscules billes (1mm de diamètre) de silicium utilisé comme capteurs photovoltaïques.

L'avantage est que ces billes peuvent recevoir la lumière depuis n'importe quel angle, et que l'on peut les plier, pour par exemple les incorporer sur des vêtements qui rechargeraient vos appareils nomades.

Deux entreprises, une Canadienne (Speral Solar) et une Japonaise (Kyosemi) développent des cellules sphériques, avec 2 technologies différentes; la Japonaise utilise une tour de 14 mètres de haut (sous vide) dans laquelle des gouttes de silicium fondu tombent et prennent une forme sphérique en état de microgravité, et le support sur lequel elles sont placées peut être transparent. Cependant, la firme canadienne est plus proche de la commercialisation de son produit.


3) Un ruban de silicium :

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Solarforce, une entreprise Française, à mis au point un procédé pour économiser le silicium, (dont on perd habituellement 30 à 50% lors de la découpe avec une scie), en utilisant un ruban de carbone qui passe dans du silicium fondu. Par adhérence, un film de silicium se dépose. Il va durcir et il suffit ensuite de brûler le carbone et on se retrouve avec 2 fines plaques de silicium prêtent à être découpées au laser pour en faire des cellules photovoltaïques.

 

4) Augmenter la surface utile :

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Pour obtenir un meilleur rendement, les fabricants de cellules photovoltaïques essaient d'augmenter la surface utile  d'absorption de la lumière, car sur la surface des capteurs on pose généralement les contacts électriques qui vont servir au flux des électrons.

BP, par exemple, réduit la taille de ces contacts en gravant une tranchée au laser avant de poser les contacts, ce qui permet de diviser leur taille par 8. La méthode est plus radicale chez Sunpower Corp. (voir photo ci-contre) qui met les contacts au dos des cellules, et ce grâce à un procédé breveté

 5) Des cellules solaires copient l'oeil des papillons de nuit:

 

Une collaboration entre les sociétés Innos et Philips, et l'Université de Southampton vise à reproduire la structure des yeux des papillons nocturnes afin d'améliorer l'efficacité des cellules solaires.

La jeune pousse Innos, issue de l'Université de Southampton, a utilisé les équipements du site de Philips à Eindhoven (Pays-Bas), à la suite de l'incendie de l'unité de microfabrication de l'Université de Southampton. La compagnie a réussi à fabriquer des motifs à échelle nanométrique sur la surface d'une cellule solaire à base de silicium. Ces motifs sont fondés sur la structure des matrices nanostructurées observées sur la cornée de certains papillons de nuit. Ces structures empêchent la réflexion de la lumière, d'une part afin d'augmenter la quantité de lumière collectée par l'oeil et d'autre part d'être afin plus difficilement détectables par les prédateurs. Les cellules solaires actuelles ont tendance à réfléchir la lumière quand le soleil est bas dans le ciel, ce qui réduit leur efficacité de collecte ; cependant, avec cette technologie, il est possible de diminuer cette réflexion et d'augmenter la collecte de lumière solaire d'environ 10%.

Les nanostructures optiques développées ont une précision d'une dizaine de nanomètres, et les configurer à cette échelle nécessite des technologies avancées. La technique utilisée est l'écriture directe par faisceau d'électrons : ce faisceau est utilisé pour faire durcir des sections particulières d'une couche de polymère, la réserve, appliquée sur le silicium vierge. Une fois que la réserve non traitée est enlevée, le silicium exposé peut être gravé pour former le motif souhaité.

L'équipe Nanoscale Systems Integration de l'Université de Southampton, dirigée par le Dr Bagnall, étudie maintenant les propriétés de cette surface particulière. La prochaine étape va être l'analyse de ses caractéristiques pour diminuer au maximum la réflexion de la lumière incidente. En particulier l'indice de réfraction du matériau devrait avoir un effet important qui doit être pris en compte.

 

 

V- le stockage de l'énergie

Si ce système venait à être mis en place massivement, il faudrait stocker l'énergie produite pour la consommation nocturne principalement. Cependant l'électricité se stocke très mal. Il existe deux moyens de stocker l'électricité produite par un panneau solaire : les piles à combustible et les batteries au plomb.

 

1-Comment fonctionne une pile à combustible à l'hydrogène ?

Le fonctionnement d'une pile à combustible est très propre puisqu'elle ne consomme que des gaz et ne produit que de l'eau.

Pile à combustible : Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.

La pile à combustible transforme l'énergie chimique en énergie électrique.
Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges.
Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène.
A chaque réaction, les piles à combustible produisent de l'eau et libèrent deux électrons.

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 2-Quel est le rendement d'une pile à combustible ?

Electrolyse L'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.

Les piles à combustible coûtent très cher à cause de la platine qu'elles contiennent.
La production d'hydrogène est assurée par électrolyse avec l'électricité obtenue avec le panneau solaire.
Cependant il y a beaucoup de pertes d'énergie durant cette réaction.
En tenant compte de l'énergie nécessaire à leur fabrication, de leur fonctionnement et de leur durée de vie, le rendement des piles à combustibles n'est que de 30 %, il ne faudrait donc plus 1 % mais plutôt 3 % du territoire couvert de panneaux solaires si on utilise des piles à combustibles pour stocker l'énergie produite dans des installations autonomes. Cela paraît donc impossible puisque seuls 2 % du territoire français sont construits.

 

3-Comment fonctionne une batterie au plomb ?

La batterie au plomb est capable de stocker l'électricité puis de la redistribuer. Elle est constituée d'accumulateurs de 2V montés en série. Pendant la charge et la décharge, la constitution chimique des électrodes varient.

Electrodes : Certains appareils électriques comme les piles électriques ou les accumulateurs électriques comportent en interne deux lames ou blocs conducteurs reliés à chacune des deux bornes de branchement de l'appareil. Ces éléments conducteurs sont appelés électrodes.

Pendant la décharge il y a production de sulfate de plomb et libération d'électrons.
Pendant la charge il se passe la réaction inverse.

La batterie à un rôle de « réservoir » d'électrons, cependant, ce réservoir a une taille limitée, une batterie ne peut pas assurer la consommation d'électricité dans toute une habitation. Ils faudrait mettre quelques tonnes de batteries dans chaque

4 commentaires

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C'est super , merci beaucoup , je fais mon dossier de TPE sur les panneaux solaires photovoltaïque et thermique !
Ceci m'est très utile !

20/20 ^^

Le 20 Mars 2007, par mariond62, Elève 1ère S

C'est super , merci beaucoup , je fais mon dossier de TPE sur les panneaux solaires photovoltaïque et thermique !
Ceci m'est très utile !

20/20 ^^

Le 20 Mars 2007, par mariond62, Elève 1ère S

est ce que tu a des turcs sur la pollution de l'air ????

Le 29 Mars 2007, par dadalol, Elève

dsl mais cela n'entre pas dans mon tpe!
par contre pour les autres prenez tout ce que vous voulez...

Le 29 Mars 2007, par chaseressedu23, Elève




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