Le générateur photovoltaïque
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Voir aussi : essais d'un générateur photovoltaïque - La cellule photovoltaïque -

Contrairement au terme de "panneau solaire" souvent utilisé, l'appellation "générateur photovoltaïque" désigne bien ce dispositif qui permet de produire de l'électricité à partir de la lumière. L'utilisation du photovoltaïque va de la simple calculette dite "solaire" (alors qu'elle fonctionne aussi bien à la lumière d'une lampe de bureau) jusqu'à la centrale de plusieurs MW. Le développement de la production d'électricité photovoltaïque se développe beaucoup au niveau domestique en particulier dans les pays où les problèmes environnementaux sont pris au sérieux (Japon, Allemagne, Suisse...) et dans les pays en voie de développement.

Principe

Un panneau ou module est formé de cellules photovoltaïques mises en série pour obtenir la tension désirée. Chaque cellule produit un courant continu dont la puissance dépend de la surface de la cellule et la tension à vide est d'environ 0,5 à 0,6 volts. Le courant continu produit peut être transformé en courant alternatif (plus ou moins sinusoïdal) à l'aide d'un onduleur pour une utilisation domestique. Comme la production d'électricité est directement liée à l'intensité de la lumière solaire on utilise la plupart du temps une batterie d'accumulateurs qui sera chargée pendant la journée et servira de tampon.
Les cellules sont la plupart du temps fabriquées à partir de silicium, matériau très courant dans la nature (On rencontre aussi le tellurure de cadmium en couche mince). On utilise du silicum monocristallin (cher mais rendement plus élevé), du silicum polycristallin (le plus répandu, voir photo ci-contre) ou du silicium amorphe (moins cher mais le moins performant).
La robustesse des panneaux photovoltaïques et l'absence de pièces en mouvement fait que la durée de vie est très grande (>20 ans). Le prix du watt à fortement baissé depuis 10 ans pour différentes raisons : développement de la production, utilisation de silicium polycristallin ou amorphe...


Utilisation

Les applications de ce genre de générateur sont nombreuses surtout dans les sites isolés (chalets de montagne, petits relais de télécommunication, stations de mesures, signalisation routière...) ou pour des résidences mobiles (bateaux de plaisance, caravanes...). Les applications typiques pour les radioamateurs sont les relais, balises et trafic en portable. F1EJK, qui m'a prêté le panneau ci-dessous, l'emporte pour recharger ses batteries quand il trafique en portable sur les sommets alpins ; il le fixe sur son sac à dos pendant la marche ou le pose contre un rocher quand il s'arrête pour trafiquer. La puissance instantanée (quelques watts) est trop faible pour alimenter l'émetteur dans les pointes de modulation mais elle suffit à recharger la batterie dans les périodes d'écoute ou d'arrêt de la station.
Le grand soleil du midi n'est pas nécessaire pour commencer à charger une batterie mais le temps de charge sera d'autant plus court que le rayonnement solaire reçu par m² sera plus grand.
En fixe il faudra tenir compte de l'évacuation de la neige et du refroidissement des cellules, le rendement diminuant avec la température. Une inclinaison égale à la latitude du lieu est un compromis. L'orientation optimale est généralement le plein sud.

Un exemple de matériel

La photo ci-contre représente un petit panneau de 10 watts crête de fabriqué aux USA par la société Solarex sous la référence MSX10L. Ses dimensions sont de 0,44 m par 0,27 m pour une épaisseur de 3 mm environ. Les 36 cellules (4 rangées de 9) ont une dimension individuelle de 56 par 37 mm ce qui fait une surface totale de silicium de 0,074 m². Elles sont collées sur une plaque de tissu de verre polyester et sont protégées par un film très résistant. L'ensemble forme une plaque très robuste et rigide qui peut être trimballé n'importe où par n'importe quel temps.
4 trous de diamètre 4 mm munis de silent-blocs en caoutchouc permettent de fixer le panneau. La masse du panneau seul est de 0,73kg
La sortie (protégée par une diode) s'effectue par un câble de deux fils d'une longueur de 3m.
Les 36 cellules sont toutes en série ce qui fait une tension à vide un peu supérieure à 20 volts.

Performances

La puissance crête (exprimée en Wc) annoncée par les fabricants n'est qu'un point de comparaison. Elle est basée sur un rayonnement solaire de 1000 W/m² et se situe aux alentours de 100 W/m². La puissance utile maximale est en pratique un peu plus faible, et chute en cas de mauvaises conditions. En outre, comme le capteur est généralement fixe, il n'est que quelques dizaines de minutes par jour orienté de manière optimale vers le soleil. Pour un capteur fixe l'orientation optimale est plein sud avec une inclinaison de l'ordre de 30° à 40° par rapport à l'horizontale. Le panneau photovoltaïque capte non seulement le rayonnement direct du soleil mais aussi le rayonnement diffus en provenance du reste du ciel. Il importe que le capteur soit bien dégagé des arbres et constructions environnants. C'est pourquoi il est généralement placé en hauteur.
Le rendement du générateur diminue avec la température, entre 25 et 65°C la tension (et la puissance) peut baisser de 10 à 15%.
La perte de puissance est notable quand le capteur est placé derrière un vitrage.

Courbe Intensité/Tension

Pour un éclairement donné (1000W/m² en standard) on mesure la tension U (en volts) au bornes du générateur et l'intensité I (en ampères) traversant le circuit lorsque l'on fait varier la résistance de la charge.
La puissance fournie P est le produit de U par I, qui est représentée graphiquement sur la figure ci-contre par la surface du rectangle [i,c,u,o]. On devine que si le point c correspond à un courant de 100mA, la surface du rectangle sera 3 à 4 fois plus faible que tel qu'il est placé sur la figure.
Les valeurs ayant servi pour tracer le graphe ci-contre ont été relevées le 18/12/2002 : voir Essais d'un générateur photovoltaïque.
On voit l'intérêt d'adapter la valeur de la charge au fonctionnement du générateur.