P RODUCTION D ’ ÉLECTRICITÉ

Les systèmes solaires pour produire de l’électricité peuvent être intégrés aux bâtiments en ayant recours à des systèmes actifs (mécaniques), qui convertissent l’énergie solaire en énergie électrique par l’effet photovoltaïque. L’effet photovoltaïque, soit la conversion de la lumière en électricité, a été découvert par Becquerel en 1839. Il a conduit au développement de l’énergie photovoltaïque pour des applications spatiales vers 1950 et pour des applications terrestres vers 1970 et 1980 (lenergie-solaire.fr). Depuis les années 2000, la production totale de modules photovoltaïques a augmenté de manière très rapide, avec un taux de croissance annuel qui se situe entre 40 et 90% selon les pays (Jäger- Waldau, 2011).

Les systèmes solaires photovoltaïques qui existent sur le marché se distinguent selon trois catégories, soit 1) les cellules en silicium cristallin, 2) les cellules en silicium amorphe (première technologie à couche mince) et 3) les nanotechnologies, dont les systèmes à base de cellules organiques, polymères ou de fullerènes (INES, 2007). Certains d’entre eux, de la famille des polycarbazoles, ont été élaborés par la Chaire de recherche du Canada sur les

41 polymères électroactifs et photoactifs de l’Université Laval (Leclerc, 2011), et d’autres, ont été industrialisés par la compagnie américaine Konarka (figure 46).

Figure 46 - Systèmes solaires photovoltaïques à bases de cellules organiques (Konarka, http://www.konarka.com/)

Les systèmes photovoltaïques les plus courants sont offerts en panneaux de silicium monocristallin, multicristallin et amorphe. Le panneau solaire photovoltaïque de silicium monocristallin est composé d’un seul cristal uniforme et son rendement est de 17 à 22%. Celui de silicium multicristallin est composé de plusieurs cristaux non uniformes et son rendement est de 11 à 17%. Celui de silicium amorphe exploite une surface composée de silicium hydrogéné ayant un rendement moyen entre 4 à 8%. et jusqu'à 13% pour une technologie amorphe de type "P-I-N" (UNI-SOLAR; Munari Probst et al., 2012). Les aspects importants à retenir avec la technologie photovoltaïque sont les suivants :

 la dimension, de l’ordre de 0.2 à 2 m2 _{(dans lequel chaque cellule photovoltaïque} varie entre 10 x 10 cm à 20 x 20 cm), d’une épaisseur d’environ 0.4 à 1 cm et un poids de 9 à 18 kg/m2 (données moyennes pour la technologie de silicium cristallin);

 l’apparence, variée, qui peut être opaque, translucide, avec ou sans encadrement et sous différentes couleurs, motifs et textures;

 l’équipement, qui comprend un câblage assez restreint d’environ 0.8 à 1.5 cm de diamètre;

 le rendement, qui dépend de plusieurs facteurs dont la température des cellules et le type de technologie (figure 47). En effet, la chaleur interne à l’arrière des panneaux

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photovoltaïques réduit son rendement électrique pour chaque degré supérieur à la température d’émission prévue de 25°C (SolarWall®, 2011). La technologie doit donc être intégrée dans un assemblage qui prévient la surchauffe, comme il sera vu dans les systèmes hybrides de la prochaine section. Le rendement dépend aussi des facteurs suivants : réflexion du verre, déviation des tests de conditions standards, neige et saleté, ombrage, tolérance, perte de l’onduleur et perte du câblage et circuit.

Figure 47 - L’effet de la température sur l’efficacité normalisée des systèmes solaires suivants : a) de silicium cristallin à haut rendement, b) de silicium monocristallin, c) de silicium

multicristallin, d) de silicium amorphe, e) de type "Micromorph" tandem, f) composé de tellure de cadmium (CdTe), g)-h) à couche mince composé de cuivre, indium, gallium et sélénium (CIGS) (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Munari Probst et al., 2012)

Les cellules photovoltaïques de silicium génèrent un courant continu quand elles sont exposées au soleil. Ce courant est directement transformé en courant alternatif par un onduleur ou est alternativement stocké dans des batteries. Le courant alternatif est ensuite utilisé dans le bâtiment par les appareils électriques (éclairage artificiel, réfrigérateur, etc.). Un panneau solaire génère typiquement entre 180 et 250 W (Munari Probst et al., 2012). À titre de comparaison, la puissance moyenne de trois ampoules à incandescence varie de 100 à 200W, ou encore, celle d’un ordinateur avec un écran plat varie de 70 à 80 W. Il faut savoir que le courant alternatif peut aussi être transmis à un réseau de distribution, tel Hydro-Québec dans la province de Québec (figure 48), ce qui confère à cette technologie une capacité de production illimitée. Le réseau Hydro-Québec accepte cet apport depuis 2003 et offre en contrepartie des crédits sous forme de kilowattheures (kWh) pouvant ainsi réduire la facture d'électricité durant les périodes où la consommation excède la capacité de

43 production (Hydro-Québec, 2011). L’Ontario, par ailleurs, se démarque non seulement par ses installations de production d’énergie solaire photovoltaïque qui représentent 91% des installations canadiennes, mais également par ses programmes d’énergie solaire que sont le Programme d’offre standard pour l’énergie renouvelable et celui de tarif de rachat garanti (Navigant Consulting Inc, 2012). Ces programmes financent le producteur d’électricité à raison de 0,443 $/kWh à 0,802 $/kWh (où un supplément de 0,004 $/kWh peut être accordé aux groupes communautaires), et ce depuis l’instauration du projet de loi 150 qui s’intitule l’énergie verte et l’économie verte en 2009 (Ontario Power Authority, Ministère de l’agriculture, de l’alimentation et des affaires rurales de l’Ontario, 2012). Des programmes comparables sont mis en œuvre en Colombie-Britannique pour encourager l’exploitation de l’énergie photovoltaïque, soit le programme Mesurage net de BC Hydro (offrant un tarif de rachat de 0,816 $/kWh), Mesurage net de FortisBC et le Programme d’offre permanente (Navigant Consulting Inc, 2012).

Figure 48 - Schéma technique du panneau solaire photovoltaïque pouvant être utilisé de trois façons : 1) directement sur place, 2) envoyé au réseau, 3) stocké dans des batteries (Reproduit et sous réserve de l’auteur : A.E.R Sud, 2011)

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La figure 49 présente la technologie de silicium monocristallin avec un projet du fabricant de technologies solaires Sanyo. Pour marquer son 50e année d’anniversaire, la compagnie a construit une arche solaire, laquelle abrite un musée solaire et un laboratoire. Cette arche est autant particulière puisqu’elle comporte des milliers de cellules solaires récupérées de tous les panneaux solaires rappelés en raison d’un problème de qualité. Cette récupération représente 630 kW de puissance solaire et génère donc plus de 500 000 kWh d’énergie solaire annuellement.

Figure 49 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium monocristallin intégrés au bâtiment (Panasonic, 2012)

D’autre part, la figure 50 présente un projet qui comporte des panneaux solaires photovoltaïques de silicium multicristallin, lesquels sont architecturalement intégrés dans un garde-corps extérieur. Les panneaux remplacent ainsi un élément de construction essentiel du bâtiment, servant à la fois à produire de l’électricité et à assurer la sécurité des usagers de la terrasse. L’exposition des panneaux au grand vent limite leur surchauffe et accroit en conséquence leur efficacité et leur durabilité.

Figure 50 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium multicristallin intégrés au bâtiment (Solarfassade.info)

45 En terminant, la figure 51 présente des panneaux solaires photovoltaïques de silicium amorphe, lesquels sont agencés avec un revêtement et une structure de bois apparente. Une autre particularité de la technologie choisie est qu’elle peut facilement être installée sur des surfaces courbes. Elle aurait pu aussi bien être installée ultérieurement à la construction, sous réserve de planifier à l’avance l’emplacement des conduits mécaniques. Par sa malléabilité, cette technologie convient particulièrement aux surfaces existantes.

Figure 51 - Système solaire photovoltaïque de silicium amorphe intégré au bâtiment (RHEINZINK, 2011)