Panneaux Photovoltaïques pour la production d’électricité

[…]La puissance crête d’un panneau photovoltaïque est de l’ordre de 100 à 200 watts par mètre carré […]

L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'énergie récupérée et transformée directement en électricité à partir de la lumière du soleil par des panneaux photovoltaïques. L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel, grand père de  Henri Becquerel qui découvrit en 1896 la radioactivité. L'énergie solaire photovoltaïque résulte de la conversion directe dans un semi-conducteur d'un photon en électron.
Outre les avantages liés à l'absence de maintenance des systèmes photovoltaïques, cette énergie répond parfaitement aux besoins des sites isolés et dont le raccordement au réseau électrique est trop onéreux. L'énergie solaire produite à partir de panneaux  photovoltaïques est également appelée énergie photovoltaïque.

Il faut distinguer :

  • l’énergie électrique solaire produite grâce à des panneaux photovoltaïques

Et

Les  deux types de panneaux utilisent des technologies et des matériaux différents

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique semi-conducteur au sein duquel le phénomène d'absorption des photons libère des électrons chargés négativement et des trous chargés positivement. Ces charges électriques sont séparées par un champ électrique interne et collectées par une grille (à l'avant) et un contact (à l'arrière). La cellule photovoltaïque est un générateur électrique élémentaire.

Système photovoltaïque est une installation complète et opérationnelle pour la production d'énergie photovoltaïque composé de :

  • Un ou plusieurs panneaux photovoltaïques solaires.
  • Un régulateur de charge et décharge permettant une utilisation de la (es) batterie(s) dans des conditions d'exploitation correctes.
  • Une ou plusieurs batteries pour le stockage (sites isolés).
  • Des réceptrices basses consommations.
  • Un onduleur peut également compléter l’ensemble, permettant ainsi d'alimenter certains appareils en 220V.

Les panneaux photovoltaïques sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides minces (quelques centimètres d’épaisseur), dont la longueur et la largeur sont de l’ordre du mètre, pour une surface de l’ordre du m², et une masse de l’ordre de la dizaine de kg. Divers éléments (branchements électriques, fixations, éventuel cadre pour assurer une étanchéité) sont inclus.

Il existe également des modules sous forme de membranes souples et résistantes, ainsi que des panneaux photovoltaïques à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l’élément le plus cher du panneau, la cellule photovoltaïque.

Le rendement d’un panneau photovoltaïque est d’environ 10 à 15% de l’énergie solaire reçue. La puissance crête (puissance maximale pouvant être produite) par un panneau photovoltaïque est de l’ordre de 100 à 200 watts par mètre carré (soit un rendement de 10 à 20% de l’énergie solaire.).

Les fabricants annonçant environ 15 % pour leurs meilleurs panneaux photovoltaïques), ce qui donne une puissance crête de 50 à 250 W par panneau photovoltaïque selon ses caractéristiques, notamment sa taille. Cette puissance est livrée sous forme de courant continu, ce qui est parfait pour un branchement sur une batterie et pour de nombreuses applications, mais implique une transformation en courant alternatif par un onduleur s’il s’agit de l’injecter dans un réseau de distribution d’électricité. La tension délivrée dépend du type des panneaux photovoltaïques et du branchement des cellules. Elle est de l’ordre de 10 à 100 volts.

Outre sa puissance et sa surface, un panneau photovoltaïque a trois caractéristiques importantes :

  • l’écart à la puissance nominale, de l’ordre de +/- 5%
  • la variation de puissance avec la température
  • la stabilité dans le temps des performances (les fabricants garantissent généralement au moins 80% de la puissance de départ au bout de 20 à 25 ans)

L’énergie réellement captée par un panneau photovoltaïque dépend de la surface et de la puissance nominale du panneau photovoltaïque mais aussi de l’ensoleillement, variable selon la latitude, la saison, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc. En Europe, chaque Wc permet la production d’environ 1kWh d’énergie sur l’année, le double dans des zones bien ensoleillées.

Un panneau photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son coût de démantèlement est très faible et ses coûts d’exploitation sont quasi nuls. Étanche, il peut servir de couverture à un toit, sous réserve de bien maîtriser l’écoulement d’eau aux bords avec un montage adapté. La durée de vie d’un panneau photovoltaïque est supérieure à 20 ans.

Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisées pour le panneau photovoltaïque, les autres types de cellules étant encore soit en phase de recherche/développement, soit trop chers :

  • silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
  • silicium poly cristallin : Les capteurs photovoltaïques sont à base de poly cristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible.
  • silicium amorphe: les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale.

Les panneaux photovoltaïques se sont d'abord développés dans des applications très variées non connectées au réseau électrique, soit parce qu'il n'y a aucun réseau disponible (satellites, mer, montagne, désert..), soit parce que le raccordement reviendrait trop cher par rapport à la puissance nécessaire (balises, horodateur, abris-bus, téléphone mobile ...) ; dans ce cas, on utilise des appareils électriques adaptés au courant continu produit par les panneaux photovoltaïques

Pour alimenter en électricité une habitation ou un réseau public de distribution, on intercale un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif adapté aux appareils classiques.

Fabricants de panneaux photovoltaïques

Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60 % du marché mondial. Il s'agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises américaines BP Solar et Astropower, et de l'allemande RWE Schott Solar. Le Japon produit près de la moitié des cellules photovoltaïques du monde, mais c'est en Chine que la grande majorité des panneaux sont assemblés.

Le Japon est lui-même un des plus grands consommateurs de panneaux solaires, mais largement dépassé par l'Allemagne.

Prix du kWh produit par un panneau photovoltaïque :

Le prix du kWh produit par un équipement solaire, actualisé sur la durée de vie de l'équipement, peut s'estimer à partir de trois paramètres :

  • le prix d'achat de l'équipement, en euros par W de puissance crête (Wc)
  • la productivité (en kWh produit par Wc par an), en fonction de l'insolation du lieu
  • la dépréciation annuelle du capital. Pour ce paramètre, on utilisera 10% (correspondant, par exemple, à des frais de fonctionnement et maintenance de 1%, une actualisation financière de 4%, et un amortissement du matériel sur 20 ans soit 5%).

Prix de vente de l’électricité produite par les panneaux photovoltaïques:

En France, l’arrêté du 10 juillet 2006 fixe « les conditions d'achat de l'électricité produite par les installations utilisant l'énergie radiative du soleil ». L’article 2 donne les principales caractéristiques du contrat d’achat  ( voir tarif achat électricité EDF)

  • nombre et type de générateurs 
  • puissances (puissance crête installée et puissance électrique active maximale de fourniture)
  • productibilité moyenne annuelle estimée
  • fourniture moyenne annuelle estimée 
  • tension de livraison


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