Rendement | Dr. Goulu

Comment on mesure le rendement des cellules solaires

Sun, 09 May 2010 00:00:00 +0000

De retour d’une conférence sur les énergies renouvelables, Laurent m’a posé cette question simple en apparence, à laquelle j’ai d’abord répondu naïvement : on mesure la puissance électrique fournie par une cellule photovoltaïque (PV) éclairée par une puissance lumineuse donnée; le rapport des deux, c’est le rendement*:

évolution du rendement de différents types de cellules PV (mise à jour le 26.5.2015)Cliquer pour la dernière version en haute résolution

Mais après étude, c’est nettement plus compliqué. Les valeurs de rendement publiées par les constructeurs sont mesurées en laboratoire en “conditions de test standard” (STC en anglais):

La mesure se fait en maintenant les cellules à 25°C. Le rendement des cellules diminuant de 0.1% à 0.5% par °C, le rendement effectif en plein soleil estival lorsque les cellules atteignent 60°C est nettement inférieur au rendement affiché par les fabricants. A noter que les ont un rendement qui augmente avec la température.
éclairement de 1000W/m², soit environ le maximum sous nos latitudes. Plutôt que d’utiliser le vrai soleil, capricieux et qui chaufferait les cellules, on éclaire les cellules par un flash de étalonné par un . Une lampe de 1000W de puissance électrique permet de tester une cellule “standard” de 156x156 mm.

spectre “ ”, correspondant à celui de la lumière solaire après avoir traversé 1.5 épaisseur de l’atmosphère, soit lorsque le Soleil est à 48.2° du zénith. Le rayonnement du Soleil correspond grosso-modo à celui du à 5800°K, mais l’atmosphère filtre certaines longueur d’ondes. Le graphique ci-dessous montre bien l’effet de l’ozone sur les UV, ainsi que celui des gaz à effet de serre dans l’infrarouge : eau, H2O, monoxyde de dihydrogène et un tout petit peu de CO2. Mais ne digressons pas. En laboratoire, on utilise des filtres placés devant la lampe au xénon pour obtenir un véritable simulateur de Soleil.

Les conditions standard de test ne se rencontrent donc jamais dans la réalité, puisqu’il n’existe nulle part sur la planète où on obtient 1000 W/m² lorsque le Soleil est à 48.2° du zénith, à fortiori lorsqu’il ne fait que 0°C, froid nécessaire pour que la température des panneaux ne soit que de 25°C.En réalité, les performances varient beaucoup en fonction des conditions et selon le type de cellules.

De plus, il semblerait que les fabricants de cellules sélectionnent leur plus beau silicium pour les tests, ou publient les meilleurs résultats obtenus, car les productions d’installations réelles sont systématiquement inférieures de quelques pourcents aux valeurs .

En fin de compte, l’information la plus fiable sur le rendement réel provient de bases de données telles que , qui répertorient les données et résultats fournis directement par les propriétaires d’installations solaires.

Note ajoutée le 26.5.2015 : ou plutôt l’ si on veut être précis

Sources :

, NIST
Standard Test Method for Electrical Performance of Photovoltaic Cells Using Reference Cells Under Simulated Sunlight
Calculateur d’énergie solaire de la CE

Combien de Rendement

Wed, 04 Nov 2009 00:00:00 +0000

Votre banquier et les écolos environnementalistes vous le répètent à l’envi : il faut maximiser le rendement. Le moteur pétaradant de votre voiture du millénaire passé a un rendement inférieur à 30% à cause de , alors que le moteur électrique de votre véhicule du futur est 3x meilleur : 90% de l’énergie électrique qu’on lui donne sert à faire avancer la voiture. Y’a pas photo.

Sauf que.

Nuage de monoxyde de dihydrogène… Photo : Koert Michiels sur flickr

D’abord, pour calculer un rendement, il faut tenir compte de toutes les “sorties utiles” du système, pas seulement de la plus évidente. Les 70% de “perte” d’un moteur à essence sont de la chaleur gratuite qui réchauffe votre habitacle l’hiver et surtout qui tient vos vitres dégivrées. Avec son super rendement de 90%, la (100'000 Euros…) ne permet pas de rouler en hiver! La version 2 promise l’année prochaine sacrifiera environ 3 kW de précieuse puissance électrique pour remplacer doudoune et grattoir… Le même argument s’applique aux ampoules à basse consommation : , et certainement pas du CO2.

Ensuite, il ne faut pas oublier des éléments de la chaine : un moteur électrique a un rendement mécanique de 90%, mais la bonne batterie qui l’accompagne dans une voiture ne restitue que 90% de l’énergie de la charge. Rendement des deux : 81%. Et si on produit l’électricité avec une centrale nucléaire d’un rendement de 30%, le rendement global tombe à 24%. Finalement, les pistons ne sont pas si ridicules que ça…

Mais vous pensiez peut-être produire de l’électricité absolument propre avec ces toutes nouvelles ? Pour les voitures, c’est une . Mais surtout la Terre tourne et l’éclairement maximal n’a lieu qu’au solstice d’été à midi. Sur un an, la lumière moyenne à nos latitudes n’est que 20% de ce maximum. Rendement total du photovoltaïque : 20% de 35.8% = 7%… Idem pour l’éolien : la plafonne le rendement de l’hélice à 60%, mais à un , la puissance moyenne du vent n’est que le quart de la puissance max exploitable. Rendement total de l’éolien : 15%.

Les centrales nucléaires ont effectivement un rendement maximal limité à 30% par le (plus 70% de chaleur qui pourrait être utilisée en hiver), mais elles fonctionnent 90% du temps.

On pourrait rétorquer que, comme seuls environ 5% des atomes du combustible fissionnent, le rendement électricité produite / énergie potentielle du combustible est un lamentable 1.5% à tout casser. Mais même comme ça, l’électricité nucléaire est 2 à 10 fois meilleure marché que les énergies renouvelables.

Mais surtout, l’énergie nucléaire possède une marge de progression du rendement énorme, que n’ont pas les autres sources d’énergie. En principe, on pourrait tirer jusqu’à 20 fois plus d’énergie de chaque kg d’Uranium qu’actuellement. Ou en produire 20 fois plus longtemps, en produisant 20 fois moins de ces “déchets” radioactifs gorgés d’énergie potentielle. Voilà pourquoi le nucléaire est loin d’avoir dit son dernier mot.

Potentiel hydroélectrique

Sat, 06 Sep 2008 00:00:00 +0000

En Suisse, les barrages alpins construits au milieu du siècle passé produisent 60% de l’électricité. En France, ce n’est “que” 14%, mais c’était plus de 50% dans les années 1950. L’opinion générale est que le potentiel hydroélectrique a été utilisé, donc qu’il faut désormais tabler sur les “nouvelles énergies renouvelables” que sont le solaire et l’éolien, ce qui sous-entend que l’hydraulique en est une vieille, dépassée. Est-ce juste ?

Selon un rapport récent du MINEFI

\[2\]

, la France n’exploite que 70 TWh de son potentiel de 98TWh et pourrait produire 23TWh de plus simplement en développant ses installations existantes, en encore 5TWh avec de mini turbines qui produisent de l’électricité plus chère (mais on pourquoi pas ceux à eau ? ) Pour quelques milliards, EDF pourrait donc accroitre de 5% la part d’hydroélectricité, qui offre donc un potentiel supérieur à l’éolien (2% environ) à un cout moindre.

Le barrage d’Emosson, à la frontière franco-suisse. Il appartient en partie à EDF et en partie au CFF, les chemins de fers suisses, et sert de base à la future installation de turbinage-pompage "Nant de Drance"

Une énergie modulable

De plus, l’hydroélectricité a deux avantage décisifs sur toutes les sources d’énergie électrique disponibles actuellement :

on peut mettre en service en 3 minutes chrono une turbine électrique au moment où la consommation d’énergie augmente (elle varie typiquement de 30% en fonction des heures de la journée). Il faut 11h pour une centrale thermique et 40h pour une tranche nucléaire \[1\]. La production solaire suit par chance grosso-modo la variation de la demande, quand il y a du soleil (ce qui fait qu’il est aberrant de vouloir produire de l’hydrogène par électrolyse avec du courant solaire). Et les éoliennes, elles marchent quand ça souffle…
c’est actuellement le seul moyen de stocker de grosses quantités d’énergie. Quand les centrales nucléaires et thermiques produisent trop d’électricité, ce qui arrive toutes les nuits, la seule chose que l’on puisse faire aujourd’hui est de pomper de l’eau dans les barrages pour la turbiner le lendemain. Le rendement énergétique d’un cycle est très bon, proche de 80% pour des installations récentes, et le rendement économique est fantastique : le kWh acheté 4 centimes la nuit peut parfois être revendu plus d’un franc 12 heures plus tard ! Un placement à 2500% par jour, en liquide, ça vous dirait ?

L’hydroélectricité n’est dont pas une alternative parmi d’autres : c’est un élément indispensable pour un approvisionnement en électricité optimisé, et son potentiel n’est pas épuisé, loin s’en faut.

Une énergie concentrée + un rendement élevé

L’eau de pluie est collectée naturellement dans les bassins versants et concentrée dans des cours d’eau que l’on peut exploiter de deux façons :

en altitude, on la capte à l’aide de barrages dans des conduites forcées et on l’injecter sous haute pression après une chute de l’ordre de 1000m sur une , une antique turbine conçue en 1879 (oui, plus d’un siècle)
sur les fleuves, de petits barrages font tomber des masses d’eau de quelques mètres sur des , inventées aussi au XIXème siècle.

Voici les caractéristiques de ces antiquités comparées à une éolienne et à des cellule photovoltaïques du 21ème siècle, pour ne pas dire du futur (il m’arrive de douter légèrement du progrès, pas vous ? ) :

	Pelton	Francis	Eolienne	Photovoltaïque
diamètre	1-3m	1-10m	80m	144m (16'000 m2)
rendement	90%	80 - 95%	max 59% ( )	10-40%
puissance	60-400 MW	1 - 100 MW	2 MW	2 MW

Ces chiffres montrent qu’un tout petit potentiel hydroélectrique est équivalent à un énorme potentiel éolien ou solaire grâce à l’effet d’entonnoir naturel décrit plus haut, et à la densité de l’eau.

Conclusion:

L’hydroélectricité produit 90% de l’énergie renouvelable de la planète et reste une technologie très compétitive et efficace. Construire des barrages est un travail de titan, avec des retombées humaines et écologiques non négligeables comme on l’a vu d’ aux , mais il n’existe pas d’autre moyen de produire de l’électricité de façon aussi propre, flexible et efficace.

Le potentiel de cette source d’énergie est très important dans de nombreux pays en développement, notamment en Afrique, où il peut fournir de l’électricité à un prix très bas comparé au solaire qu’on voudrait leur fourguer sous prétexte que là bas il y a du soleil.

Dans les pays industrialisés, les sites facilement exploitables ont été exploités pendant près de 50 ans. Maintenant, avec les techniques modernes, les barrages peuvent être agrandis, l’eau captée dans des bassins secondaires, et le stockage par turbinage-pompage permet maintenant de rentabiliser des investissements qui ne se justifiaient pas il y a quelques années.

Avant de subventionner les énergies diluées que sont l’éolien et le solaire, nous devons exploiter au mieux toute l’eau disponible, la seule source d’énergie à la fois propre, flexible et bon marché.

Sources:

“ ”, Actu-Environnement.com - 17/01/2007
. Mars 2006
un site très complet sur l’électricité, et la production et consommation en Suisse en particulier.