Guide de formation sur le solaire

La ressource solaire

La ressource solaire

 

 

 

 

 

 

 

 

Le développement du photovoltaïque

Le développement du photovoltaïque

Le potentiel du photovoltaïque distribué est époustouflant, mais son développement doit être bien géré afin d'équilibrer les différents intérêts des propriétaires de systèmes photovoltaïques, des autres consommateurs et des sociétés de distribution d'énergie et de services

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Principes et applications de l'énergie solaire

Principes et applications de l'énergie solaire

Commençons donc par les bases. Si vous ne les avez pas vus sur les toits ou dans les champs, vous les avez vus dans les médias. De grands panneaux bleus qui, d'une manière ou d'une autre, produisent silencieusement de l'électricité propre.

 

Mais de quels matériaux sont-ils composés ?

Pourquoi les cellules individuelles ont-elles une forme si particulière ?

Pourquoi occupent-elles une si grande surface ?

Et pourquoi sont-elles bleues ?

 

 panneau installation

Les panneaux solaires, parfois appelés modules solaires, sont constitués de cellules solaires individuelles. Ces cellules convertissent l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique. Celle-ci peut ensuite être soit stockée, soit utilisée directement. Chaque cellule peut produire une puissance de l'ordre de 5 watts, soit à peu près assez pour alimenter un chargeur de smartphone. Pour alimenter davantage (c'est-à-dire la plupart des choses), les cellules doivent être assemblées pour former un panneau solaire. 

Les cellules sont le plus souvent fabriquées à partir de silicium, souvent sous la forme d'un monocristal. Ces cellules en silicium monocristallin sont découpées dans un grand cristal cylindrique de silicium. Ainsi, pour maximiser la taille de la cellule solaire qui peut être découpée dans une tranche ronde comme celle-ci, les bords sont sacrifiés.

Quel est le principe physique qui sous-tend l'énergie solaire ?

Il s'avère qu'il y a plus d'une façon de capter les rayons du soleil. Il existe plusieurs technologies d'énergie solaire différentes, notamment le solaire thermique, le solaire à concentration et le solaire photovoltaïque, ou PV. Les deux premières convertissent l'énergie solaire en énergie thermique, tandis que la seconde convertit l'énergie solaire en énergie électrique.

Le photovoltaïque est le plus courant et celui auquel la plupart des gens pensent lorsqu'ils pensent aux panneaux solaires.

Ces panneaux photovoltaïques sont fabriqués à partir de silicium, comme décrit ci-dessus, les deux types les plus courants étant le silicium monocristallin et polycristallin. Les panneaux solaires polycristallins ne sont généralement pas constitués de cellules individuelles, mais d'un plus grand morceau de silicium. Les autres technologies PV comprennent les cellules PV à couche mince et les cellules photovoltaïques concentrées.

Toutes les technologies photovoltaïques fonctionnent selon le même principe, alors pour que les choses restent gérables, concentrons-nous sur les cellules en silicium et leur fonctionnement.

Comment fonctionnent les panneaux solaires ?

Les panneaux solaires en silicium, et donc les cellules solaires, ont un principe de fonctionnement très basique. La lumière du soleil frappe la cellule et fait en sorte que les électrons s'écartent de leur position autrement stable. Ceux-ci quittent le silicium et se déplacent dans un circuit électrique, alimentant ainsi nos appareils.

 

Les couches de cellules solaires

Les cellules solaires sont composées de plusieurs couches, dont des couches de silicium dopé, des électrodes métalliques, un revêtement anti-reflets et une couche protectrice transparente.

 

couche cellule solaire  Les cellules solaires sont composées de plusieurs couches

Couche protectrice transparente

Cette première couche est généralement constituée de verre ou d'un autre matériau transparent qui permet à la lumière de passer à travers le silicium sous-jacent tout en protégeant les couches de silicium et de métal des dommages causés par l'environnement.

 

Couche anti reflet

Cette couche est assez impressionnante. La couche de silicium elle-même a une réflectivité élevée et ferait en sorte qu'environ 30 % de la lumière qui lui est incidente soit réfléchie. La couche antireflet réduit considérablement la quantité de lumière réfléchie en permettant à la lumière de passer à travers la couche de silicium mais de ne pas s'en échapper à nouveau. Pour ce faire, elle a une épaisseur parfaitement adaptée.

En fait, la lumière se réfléchit à la fois sur le dessus et le dessous de la couche antireflet, mais l'épaisseur de la couche est parfaitement choisie pour que les ondes lumineuses réfléchies par l'une ou l'autre surface s'annulent exactement (c'est ce qu'on appelle l'interférence destructive). Par conséquent, seule la lumière qui est transmise à travers la couche antireflet reste.

Le hic, c'est que cette annulation de la lumière dépend de la longueur d'onde de la lumière. Comme la lumière du soleil est un mélange de plusieurs longueurs d'onde (les couleurs de l'arc-en-ciel), l'antireflet ne peut pas fonctionner parfaitement, mais il peut être optimisé pour certaines longueurs d'onde. Il s'avère que la raison pour laquelle les cellules solaires sont bleues est que la couche antireflet est plus efficace lorsqu'elle réduit la réflexion de la région verte - par le biais du jaune - au rouge du spectre, laissant le bleu être réfléchi légèrement plus que les autres couleurs.

Le silicium

Le silicium de type P et de type N est le lieu où la magie opère. C'est là que la lumière, si importante, divise les électrons et génère un courant. Ceci est obtenu grâce à l'utilisation de deux types de silicium légèrement différents en contact l'un avec l'autre.

L'un a une charge positive (type P) et l'autre une charge négative (type N). Il en résulte une tension entre les deux types de silicium. La lumière (par l'intermédiaire des photons) donne de l'énergie aux électrons de ces deux types de silicium, ce qui leur permet de passer à travers un circuit électrique à l'aide de la tension susmentionnée. Ce point sera expliqué plus clairement ci-dessous !

 

silicium

Cellules solaires au silicium polycristallin.

 

Contacts métalliques

Une fois que les électrons ont été mobilisés dans le silicium, ils doivent être extraits par des conducteurs métalliques. Le contact inférieur est une simple plaque métallique couvrant toute la surface de la cellule solaire. Le contact avant de la cellule solaire est une grille. Cette grille permet de maximiser la quantité de lumière qui atteint le silicium tout en minimisant la longueur que les électrons doivent parcourir à travers le silicium avant d'atteindre le métal.

Si le contact métallique couvrait toute la surface, aucune lumière ne pourrait passer au travers. Si le métal ne courait qu'autour du bord extérieur de la cellule solaire, la plupart des électrons n'atteindraient jamais le contact.

 

Comment les panneaux solaires produisent-ils de l'électricité ?

 

Nous connaissons maintenant les principales parties d'une cellule solaire.Mais que se passe-t-il réellement à l'intérieur du silicium ?

 

Pour répondre à cette question, nous devons tout d'abord comprendre que le silicium n'est pas un matériau hautement conducteur, comme le métal, et qu'il n'est pas non plus très conducteur, comme un isolant tel que le caoutchouc. Au contraire, il se situe quelque part entre les deux.

 

 

Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie que, dans des conditions normales, il a une faible conductivité et passe à une conductivité beaucoup plus élevée dans certaines autres conditions, par exemple sous une tension appliquée. C'est pourquoi il peut être utilisé comme interrupteur dans les circuits intégrés.

 

 tester un panneau 

Afin de tester votre panneau solaire, vous aurez besoin d'un testeur de panneau solaire appelé ampèremètre.

 

 

Pour mesurer le courant de sortie de votre panneau solaire, vous devrez fixer le compteur sur le positif et le négatif.

Pour obtenir une mesure précise, vous devrez vous assurer que votre panneau est en plein soleil lorsque vous le testez.

Le silicium cristallin utilise ses quatre électrons disponibles pour se lier aux quatre atomes de silicium qui l'entourent. Il n'a donc plus d'électrons pour conduire l'électricité. Si nous ajoutons une petite quantité de phosphore, qui a cinq électrons disponibles, au silicium, nous ajoutons effectivement un électron supplémentaire pour chaque atome de phosphore supplémentaire. C'est ce qu'on appelle le dopage. Cette zone du silicium est maintenant dopée négativement et nous l'appelons donc un semi-conducteur de type N.

Nous pouvons faire la même chose avec le bore, qui a un électron de moins que le silicium. Cela élimine un électron de la structure du silicium. L'absence d'électron qui en résulte agit comme une charge positive efficace, que nous appelons un trou. Cette zone du silicium est appelée de type P. Nous pouvons maintenant créer une plaquette de silicium avec le sommet du silicium de type N et le bas du type P.

Nettoyage des panneaux solaires

Plus le panneau solaire est exposé à la lumière, plus il produit d'énergie. La poussière, la saleté, le pollen, les fientes d'oiseaux et autres débris peuvent nuire à l'efficacité du panneau solaire. C'est pourquoi il est important de les nettoyer régulièrement.

 

nettoyage panneau

Lorsque le silicium de type N et de type P est en contact, les électrons supplémentaires du type N s'empressent de se combiner avec les trous du type P, créant une zone sans électrons libres ni trous, appelée couche d'appauvrissement. Comme les atomes de phosphore ont perdu leur cinquième électron, ils ont maintenant une charge positive nette. Et les atomes de bore, qui ont maintenant un électron supplémentaire, ont une charge nette négative. Il en résulte un champ électrique entre les deux zones, ou plus important encore, une tension (la tension est le champ électrique divisé par la charge).

Nous avons donc maintenant un semi-conducteur en silicium avec une tension. Mais tous les électrons de la couche d'appauvrissement sont incapables de se déplacer. Si nous pouvons leur donner l'énergie nécessaire pour se déplacer, la tension leur indiquera un sens de deplacement . 

LES APPLICATIONS DE L'ÉNERGIE SOLAIRE AU SENEGAL

En voyant le potentiel de l'énergie solaire au Senegal, il est envisagé que la plupart des applications de l'énergie solaire qui sont utilisées dans le monde entier sont très pratiques dans le pays.

 Des études menées par la Banque mondiale et certaines agences nationales suggèrent que les systèmes d'alimentation photovoltaïques deviennent compétitifs par rapport aux sources d'énergie conventionnelles pour les applications de petite puissance comme les télécommunications dans les régions éloignées. Si elles sont installées, les installations photovoltaïques d'environ 20 MW produiront en moyenne 32,195 millions de kWh d'énergie par an, avec un facteur d'installation annuel de 35 %. Comme le coût de mise en œuvre de l'option est beaucoup plus élevé que les avantages disponibles, la mise en œuvre de l'option PV n'a pas rencontré un succès considérable au fil des ans. La fabrication et l'assemblage des usines et des équipements permettraient d'améliorer le niveau d'emploi dans le pays et de réduire les coûts de l'énergie solaire.

APPLICATIONS HORS RÉSEAU DE L'ÉNERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE (PV)

Les technologies solaires photovoltaïques peuvent être déployées pour diverses applications hors réseau:

 

Éclairage public solaire

 

eclairage publique solaire

L'éclairage public représente plusieurs MW de la consommation totale d'électricité du pays. Il est prévu que cette charge augmente dans les jours à venir en raison des nouvelles installations en cours de planification et de conception. Toute cette charge peut être transférée à l'énergie solaire. Les systèmes d'éclairage public solaires alimentés par des modules PV solaires peuvent répondre à cette charge. Les autorités de développement du pays étudient les possibilités de ce transfert. Leurs services de planification élaborent actuellement les perspectives de réalisation de toutes les nouvelles installations d'éclairage public par des applications d'énergie solaire.

Éclairage commercial (éclairage de panneaux d'affichage, éclairage de recherche, éclairage de jardin, etc.)

La charge de l'éclairage commercial augmente à mesure que le style de vie des gens change. Le gouvernement et municipaux prévoient de transférer toute cette charge vers l'énergie solaire. Cela donne un potentiel d pour les modules PV solaires dans les jours à venir.

 

Pompage solaire de l'eau

 

pompage

Dans la plupart des zones agricoles arides, le système d'irrigation dépend soit de la pluie, soit des pompes à eau. Cette charge représente Beaucoup dans ce secteur . Actuellement, ces pompes fonctionnent soit via le réseau, soit via des générateurs diesel. Le gouvernement par ses agences prévoit de transférer cette charge vers l'énergie solaire. Des pompes à eau efficaces fonctionnant à l'énergie solaire sont disponibles sur le marché. Les entreprises qui fournissent des pompes peuvent être contactées pour la fourniture de modules PV.

Électrification rurale

Dans le cadre du programme ANER et des programmes similaires pour l'électrification rurale, plus de 8 000 villages vont être électrifiés grâce à des technologies d'énergie renouvelable. Une grande partie de cette électricité sera fournie par des systèmes solaires domestiques alimentés par des modules solaires PV. Si 80 % d'entre eux sont électrifiés par des modules PV solaires d'une capacité de 80 W, cela représente une charge totale d'environ 25 MW dans les jours à venir.

Production d'électricité captive grâce à l'application photovoltaïque solaire 

Le gouvernement a autorisé la production d'énergie captive par le biais des énergies renouvelables. À cet égard, aucune licence ou approbation d'une autorité gouvernementale n'est requise. S'il est jugé économiquement approprié, le module photovoltaïque solaire peut être le meilleur choix à cet effet. On prévoit que si 100 000 ménages optent pour la production d'électricité captive par des modules solaires PV, cela peut représenter un besoin de 30 MW de modules solaires PV dans un avenir proche.

 

APPLICATIONS  PHOTOVOLTAÏQUE SUR LE RÉSEAU 

Tout comme les applications hors réseau, les technologies photovoltaïques solaires ont des perspectives certaines pour diverses applications sur réseau. Quelques-unes d'entre elles sont abordées ci-dessous :

Projets d'énergie commerciale

Une immense surface de terre est stérile dans différentes parties du pays. Les zones qui se trouvent dans la plupart des régions potentielles et où le réseau est également disponible, les technologies photovoltaïques peuvent être déployées pour des projets de production d'électricité sur réseau. Des projets de production d'électricité liés au réseau de différentes capacités peuvent être installés dans différentes parties du pays. Quelques investisseurs ont l'intention de lancer des projets photovoltaïques liés au réseau d'une capacité de 2 à 5 MW. Si un ou deux projets réussis de ce type sont réalisés, de nombreux investisseurs se lanceront dans de tels projets.

Projets de comptage net (pay-as-you-go)

Le gouvernement offre la possibilité d'un comptage net aux ménages et aux entités commerciales et industrielles. Dans le cadre de ce mécanisme, un petit producteur d'électricité établit une installation de production d'électricité dans ses locaux. L'électricité produite par cette installation est vendue au réseau national. Dans le même temps, l'individu agit également en tant qu'utilisateur et achète l'électricité au réseau. À la fin du mois, l'individu est tenu de comptabiliser sa consommation réelle et la production totale d'électricité par son installation. L'individu est tenu de payer ou de se faire payer la différence des montants calculés par les mécanismes susmentionnés. Les petits investisseurs sont attentifs à cette possibilité et seraient heureux de réaliser de tels projets dans un avenir proche. En fait, plus de deux projets sont déjà en cours d'exécution selon ce concept. L'énergie solaire aurait le maximum de perspectives et verrait sa part de marché maximale si ce concept était popularisé. Il est prévu que grâce à ces applications, l'industrie photovoltaïque connaîtrait un besoin annuel de plus de 50 MW.

Solaire thermique - électrique

Les technologies solaires thermiques recueillent l'énergie rayonnante du soleil pour créer une température élevée à la source qui peut être convertie en électricité par le biais d'un certain nombre de cycles de conversion thermodynamique. Bien que le système de production thermique solaire soit une technologie éprouvée aux États-Unis, en Allemagne et en France où de tels systèmes ont fourni de l'électricité aux réseaux sur une base concurrentielle avec les centrales thermiques conventionnelles à combustibles fossiles, aucune centrale solaire n'existe actuellement au Senegal. Ces technologies sont actuellement en phase de développement et de démonstration dans d’autres pays.

Technologies solaires pour les bâtiments

Les systèmes de chauffage actifs fournissent de l'eau chaude pour le chauffage des locaux avec une assistance mécanique, tandis que les systèmes de chauffage et de refroidissement passifs n'utilisent que peu ou pas d'assistance mécanique et dépendent plutôt de la conception du bâtiment pour atteindre des objectifs spécifiques en matière de besoins thermiques. L'application des technologies de construction solaire est jugée élevée au Senegal. Cependant, le pays ne dispose pas de réglementations en matière de construction, qui soutiennent les applications des technologies de construction solaire.

Chauffe-eau solaires

Des entreprises sénégalaises fabriquent ces appareils à des fins commerciales. Cette quantité d'énergie et les émissions correspondantes seront économisées pour chaque chauffe-eau solaire installé. Le coût d'investissement initial pour la fabrication de chauffe-eau solaires sera plus élevé que celui des chauffe-eau au gaz naturel et électriques déjà disponibles sur le marché. Les consommateurs constatent des prix de 10 à 20 % plus élevés lorsqu'ils choisissent un chauffe-eau solaire au lieu d'un chauffe-eau classique. Cependant, en remplaçant les chauffe-eau conventionnels par des systèmes de chauffage solaire de l'eau, une quantité importante de gaz naturel sera économisée chaque année. Le potentiel cumulé de réduction des émissions de GES de l'option du chauffe-eau solaire a été projeté à 4,10 millions de tonnes de CO2 d'ici 2030. Les économies d'émissions découleront de la réduction de la consommation de gaz naturel pour le chauffage de l'eau dans le secteur domestique.

 

<--Sommaire du livre 

Les bases de l'électricité pour le solaire

Les bases de l'électricité pour le solaire

Le courant continu et courant alternatif; La représentation vectorielle du courant alternatif; Les différentes impédances : résistance, inductance, condensateur; La Loi d’Ohm; L'association de résistances en série et en parallèle

 

Courant continu et courant alternatif

Le circuit le plus simple que l’on puisse représenter consiste en une source de tension U (pile, dynamo, …) et un récepteur passif R (lampe, résistance chauffante, … ).

 

charge pile

Une charge électrique s’écoule à travers la section du conducteur. L’intensité de ce courant s’exprime en ampères.

La source de tension fournit l’énergie nécessaire au maintien du courant. Cette tension se mesure en volts.

Si la tension U fournie par la source est constante, un courant constant I s’écoule : c’est un circuit à courant continu.

 

courant continue

Si la tension U fournie par la source varie suivant une loi sinusoïdale, un courant sinusoïdal (lui aussi) s’établit : c’est un circuit à courant alternatif. Alternatif, parce que le courant va traverser le récepteur alternativement dans un sens et puis dans l’autre.

 

sinusoidale

La fréquence du réseau de la senelec est de 50 Hz, contre 60 Hz aux USA.

 

Représentation vectorielle du courant alternatif

La tension alternative s’exprime par la loi :

u(t) = Umax. sin ωt

avec, ω = 2 x π x fréquence = 2 x 3,14 x 50 = 314 [rad/sec]

Suivant le type de récepteur, le courant engendré peut être soit en phase (en synchronisme) avec la tension, soit déphasé en avance ou en retard par rapport à la tension. Autrement dit, lorsque la tension est maximum, le courant ne l’est pas forcément !

 

representation vectorielle du courant alternatif

 

Dans l’exemple ci-dessus le courant est en retard sur la tension d’un angle phi de 60°. C’est l’effet de l’inductance présente dans le circuit.

Pour représenter simplement courant et tension en alternatif, il suffit de représenter son amplitude et sa phase, puisque la fréquence de 50 Hz est constante. C’est exactement l’information donnée par le diagramme vectoriel.

 

 representation vectorielle courant alternatif

Les différentes impédances : résistance, inductance, condensateur

Résistance

Un filament de lampe, le fil chauffant d’un grille-pain ou d’un chauffage électrique d’appoint, … constituent des résistances R pures. Toute l’énergie fournie par la source s’y trouve entièrement convertie en chaleur. On parle de chauffage par Effet Joule.

Une résistance freine, s’oppose au passage du courant. L’importance de ce frein est mesurée en Ohms (Ω).

Dans ce type d’impédance, le courant engendré est toujours en phase avec la tension. De là, la représentation vectorielle reprise ci-dessous :

 resistance

Inductance

Une bobine de fil conducteur constitue une inductance, encore appelée “self” ou “réactance inductive”. On la rencontre dans les moteurs (bobinages), dans les ballasts des tubes fluorescents, … Cette bobine réagit constamment aux variations du courant qui la traverse, suite à un phénomène magnétique. Si cette bobine ( considérée comme une self pure) est soumise à un courant continu, elle n’aura aucun effet sur celui-ci. Si par contre on veut lui faire passer du courant d’intensité variable (c’est le cas dans les circuits alternatifs), elle va réagir en opposant une résistance au passage du courant.

L’importance de ce frein est mesurée par la valeur de l’inductance L, exprimée en Henry.

Ce type d’impédance aura un deuxième effet sur le courant : une bobine retarde le courant par rapport à la tension. On dit qu’elle déphase le courant. Ainsi, une inductance pure verra son courant déphasé de 90° en retard sur la tension.

  Voici la représentation vectorielle de cette propriété :

inductance

  

Condensateur

Un condensateur, encore appelé “capacité” ou “réactance capacitive”, est un réservoir de charges électriques. Si on le soumet à la tension d’un générateur, il va accumuler des charges. Ces charges seront restituées au réseau lorsque la tension d’alimentation diminuera. S’il s’agit d’une tension alternative, le condensateur se charge et se décharge au rythme de la fréquence alternative…

La valeur d’un condensateur C est exprimée en Farad.

Ce type d’impédance aura également un effet de déphasage du courant par rapport à la tension, mais cette fois le courant est déphasé en avance de 90° sur la tension.

Voici la représentation vectorielle de cette propriété :

Voici la représentation vectorielle de cette propriété :

  

 

Loi d’Ohm

La loi d’Ohm, loi de base de tout circuit électrique, est basée sur la logique :

Effet = Cause / Frein

L’effet (le courant) sera d’autant plus important que la cause est élevée (la tension) et que le frein est faible (la résistance).

De là, la relation appliquée aux circuits résistifs :

I = U / R
1 ampère = 1 volt/1 ohm

Et ses sœurs jumelles :

U = R x I
1 volt = 1 ohm x 1 ampère

R = U/I
1 ohm = 1 volt/1 ampère

Exemple : une tension de 220 volts qui alimente une résistance de 10 ohms génère un courant de 22 ampères.

 

Association de résistances en série et en parallèle

Les réseaux sont souvent composés d’association de récepteurs, dont les plus fréquents sont donnés ci-dessous :

Association de résistances en série et en parallèle

  

Lorsque des résistances sont placées en série, leur résistance totale est donnée par la somme de toutes les résistances :

Rtot = R1 + R2 + R3

Lorsque des résistances sont placées en parallèle, leur résistance totale est donnée par la relation :

1 / Rtot = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3

Exemple

Soit 4 lampes de 100 ohms et un générateur de 220 volts.

 

Montage en série

Montage en serie

Chacune ayant une résistance de 100 ohms, elles vont engendrer une résistance totale de 400 ohms, si elles sont placées en série.
Le courant qui va les traverser sera de :

I = U / R = 220 / 400 = 0,55 ampère.

Chacune d’entre-elles sera soumise à une tension de

U = I x R = 0,55 x 100 = 55 volts.

La puissance développée par chaque lampe sera de

P = U x I = 55 x 0,55 = 30,25 watts

 

Montage en parallèle

montage en paralelle

Ces mêmes lampes placées en parallèle engendreront une résistance globale de

Rtot = 1/(1/100 + 1/100 + 1/100 + 1/100) = 25 ohms.

Le courant total délivré par la source sera de :

I = U / R = 220 / 25 = 8,8 ampères.

Chaque lampe sera soumise à une tension de 220 Volts, et sera traversée par un courant de

I = U / R = 220 / 100 = 2,2 ampères.

La puissance développée par chaque lampe sera de :

P = U x I = 220 x 2,2 = 484 watts

<--Sommaire du livre 

Introduction aux énergies renouvelables au Sénégal

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Si elles sont correctement exploitées, les énergies renouvelables représentent une grande opportunité pour améliorer l'accès à l'énergie, actuellement très faible, des communautés rurales.

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Guide de formation sur le solaire

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Ce guide est destiné à être utilisé par les formateurs et à toute  personne qui souhaite développer ses connaissances techniques en photovoltaïque.

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