Caractérisation de panneaux solaires photovoltaïques en conditions réelles d’implantation

La montée en puissance de certains pays en voie de développement, plus particulièrement l’Asie et l’Amérique du sud, ainsi que l’augmentation de la population mondiale et l’accroissement du revenu moyen par habitant mènent à une hausse constante en besoins énergétiques .

Les combustibles fossiles conservent aujourd’hui une position dominante dans la satisfaction de la demande énergétique, ce qui pose des problèmes environnementaux. En effet, ces sources d’énergie présentent des inconvénients majeurs: sont épuisables et contribuent grandement au réchauffement climatique.

Le secteur énergétique, responsable des deux tiers des émissions mondiales de gaz à effet de serre, va devenir déterminant pour atteindre les objectifs de lutte contre le changement climatique. Ainsi, diverses initiatives visant à limiter la hausse des émissions de CO2 liée au secteur énergétique, sont mises en place tels que le plan d’action sur le climat aux États-Unis, le plan de réduction de la part du charbon dans le mixte énergétique domestique, les objectifs énergétiques et climatiques fixés par l’Europe pour l’horizon 2030 et les discussions au Japon pour un nouveau plan énergétique. Les orientations envisagées pour limiter l’augmentation de ces émissions, sans affecter la croissance économique, sont la stimulation de l’efficacité énergétique, la limitation de la construction et de l’utilisation des centrales à charbon les moins efficaces, la réduction des émissions de méthane dans les secteurs gazier et pétrolier en amont, et une réforme des subventions aux combustibles fossiles. Cette série de mesures viendrait porter main-forte aux développements des énergies renouvelables. En s’appuyant sur ces mesures, l’Agence Internationale de l’Energie (IEA, International Energy Agency) propose des scénarii sur l’avenir énergétique et son impact sur l’économie ou le climat. Dans leur scénario central [2], les énergies renouvelables tiennent une place particulièrement importante, et notamment le solaire photovoltaïque .

Dans ce scénario, les énergies renouvelables participent pour près de la moitié à l’augmentation de la production électrique mondiale jusqu’en 2035 et les sources intermittentes, à savoir le solaire photovoltaïque et l’éolien, comptent pour 45% de la croissance des énergies renouvelables.

Avec environ 38.4 GW de capacité PV installée en 2013 dans le monde   pour atteindre une capacité totale PV de 138.9 GW , comme indiqué dans le rapport 2014 de l’EPIA (European Photovoltaic Industry Association) [3], le PV continue de croître rapidement. Mais qui est responsable de l’évolution du PV ? Quelle est la situation actuelle ? Quel est son avenir dans le monde, en Europe et en France ?

Électricité PV dans le monde

Le marché du PV a progressé ces dernières années à très grand rythme comme nous pouvons le constater sur la Fig.1.5 et cela malgré les difficultés économiques auxquelles le marché a dû faire face. Le PV est en passe de devenir une source majeure d’électricité dans le monde.

Ce fort développement du PV s’explique, d’une part grâce aux mesures gouvernementales énoncées précédemment, et d’autre part, grâce à la baisse impressionnante du prix des modules PV qui a chuté de plus de 40% entre 2010 et 2012 . Celui-ci atteint, aujourd’hui, environ 80 c€ du watt crête. Cette diminution impressionnante est principalement due aux avancés en recherche et aussi à la surcapacité de fabrication des modules, surtout en Chine. Si les prix des modules ont été divisé par 5 au cours des 6 dernières années, le prix de l’installation d’un système PV a été divisé par 3 dans plusieurs marché [4].

Cette baisse du prix des modules rend le PV aujourd’hui concurrentiel (voire même avantageux) visà-vis des autres sources d’électricité dans des pays où le réseau n’est pas encore bien développé et/ou ayant un taux d’ensoleillement annuel élevé, ce qui était inimaginable il y a encore quelques années.

L’Europe reste le leader mondial en terme de puissance totale cumulée, avec 81.5 GW au total fin 2013. Ceci représente environ 59% de la capacité mondiale totale installée mais l’Asie fait pencher le marché en sa faveur ces dernières années. On voit sur la Fig. 4 que la Chine a installée plus de 11.8 GW en 2013, un record jamais égalé jusqu’à présent, et la croissance continue extrêmement rapidement. Viennent ensuite l’Europe avec 10.9 GW et le Japon, avec 9.8 GW.

Le marché du PV a tendance à perdre de la vitesse en Europe (voir même à stagner). Cela est dû aux difficultés économiques rencontrées ces dernières années et à une diminution de l’aide gouvernementale dans de nombreux pays membres.

L’ENSTO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) est une association européenne des gestionnaires de réseaux de transport d’électricité ayant pour but de promouvoir les aspects importants des politiques électriques tels que la sécurité, le développement des énergies renouvelables et le marché de l’électricité. D’après leur rapport de 2013 [5], la consommation annuelle globale européenne est en légère baisse de 0.6% entre Juin 2012 et Juin 2013. Cette tendance orientée à la baisse s’explique par les effets conjoints de la crise et des mesures d’efficacité énergétique.

La production d’électricité à partir de sources d’énergies renouvelables, hors hydraulique, augmente en Europe pour atteindre en Juin 2013 une part dans la consommation annuelle d’électricité de 11.8%.  hors hydraulique, en Europe. La production éolienne couvre entre un cinquième et un tiers de la consommation en Espagne, au Portugal et au Danemark, et couvre de l’ordre de 8% de la consommation en Allemagne. La production photovoltaïque couvre de l’ordre de 5% de la consommation en Allemagne, Espagne, Italie et Grèce.

Table des matières

Chapitre 1 : Introduction
1) Contexte énergétique
A) Électricité PV dans le monde
B) Électricité PV en Europe
C) Électricité PV en France
2) Contexte de l’étude
A) Domaines d’application du PV
B) Axes d’études dans le PV terrestre sans concentration
C) Intérêts et objectifs de la thèse
Chapitre 2 : Rayonnement solaire terrestre
1) Trajectoire apparente du soleil dans l’espace local et rayonnement extraterrestre
A) Les systèmes de coordonnées
B) Calcul des grandeurs utiles (mesure des paramètres au LGEP (48°,42N 2°10E))
C) Le rayonnement extraterrestre
2) Le rayonnement à la surface de la terre
A) Le rayonnement électromagnétique du soleil
B) Les rayonnements direct, diffus et global (choix d’un modèle de calcul du diffus)
C) Étude des principaux facteurs de variation du spectre solaire
3) La métrologie du rayonnement terrestre
A) L’instrumentation au sol
B) Les relevés satellites
C) Accès aux relevés atmosphériques
D) Les modèles d’extrapolation de paramètres atmosphériques
E) Les normes pour l’application et l’exploitation des données météorologiques pour le PV
4) Conclusion
Chapitre 3 : La cellule photovoltaïque
1) Le principe de la conversion photovoltaïque
A) L’absorption de la lumière dans le matériau
B) Le transfert de l’énergie des photons aux charges électriques
C) La collecte des charges
D) La diffusion et les recombinaisons des porteurs
2) Les caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque
A) La courbe courant-tension
B) La réponse spectrale (mesure de réponse spectrale pour le silicium cristallin et amorphe)
3) La modélisation électrique d’une cellule PV (comparaison modèles/mesures)
4) Les technologies de cellules PV
A) Les cellules photovoltaïques au silicium cristallin
B) Les cellules photovoltaïques en couches minces
C) Les cellules photovoltaïques de troisième génération
5) Conclusion
Conclusion générale

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