Capteur solaire photovoltaïque

Panneaux recouvrants un toit et comprenant un jardin de toiture à Efteling, Pays-Bas.

Les modules sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides et minces (quelques centimètres d’épaisseur), dont la longueur et la largeur sont généralement d'environ 1 mètre, pour une surface de l’ordre du mètre carré, et une masse d'environ 20 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 modules à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l’élément le plus cher du module, la cellule photovoltaïque.

L'efficacité énergétique de conversion d'un module est plus faible que celle fournie par toutes les cellules qui le constituent, du fait des pertes électriques internes et des surfaces non couvertes. Elle est actuellement de l'ordre de 20 %.

La puissance électrique est générée sous forme de courant continu à tension variable, ce qui implique un chargeur adapté pour un branchement sur une batterie, ou une transformation en courant alternatif par un onduleur s’il s’agit de l’injecter dans un réseau de distribution. La tension délivrée dépend du type des modules, du branchement des cellules et des modules, de la puissance solaire disponible, de la température du module et de la résistance électrique appliquée par le circuit (voir Maximum power point tracker). La tension délivrée par un module est habituellement de l’ordre de 10 à 100 volts.

L’énergie réellement captée par un module dépend de la surface et de la puissance nominale du panneau, de l’ensoleillement (variable selon la latitude, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc.), de la température du module (la production est meilleure en montagne car il y fait plus froid) et de la résistance électrique appliquée par le circuit. En Europe, chaque watt-crête (Wc) installé permet la production d’environ 1 kWh d’énergie sur l’année, le double dans des zones bien ensoleillées et avec un héliostat.

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

• l’écart à la puissance nominale, de l’ordre de −0/+5 % ;
• la variation de puissance avec la température (plus de détails dans la section « Pertes énergétiques possibles ») ;
• la stabilité dans le temps des performances (les fabricants garantissent généralement au moins 80 % de la puissance de départ pendant 20 à 25 ans).

Le prix pour de tels modules était en 2008 d’environ 3–4 €/Wc et il baisse régulièrement[1]. En 2021, le prix de gros (EU spot market crystalline module price) est inférieur à 0,35 €/Wc[2].

Un module 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.

Ce sont les modules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisés (plus de 90 % du marché)[3], suivis de ceux à base de tellurure de cadmium (principalement utilisés dans certaines grandes centrales solaires photovoltaïques), les autres types étant encore, soit en phase de recherche/développement, soit trop chers et réservés à des usages où leur prix n'est pas un obstacle. On distingue, en fonction des techniques utilisées :

le silicium monocristallin

les cellules photovoltaïques sont à base de monocristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe en plastique ou en verre. Elles possèdent un très bon rendement (12 à 20 %) mais leur coût est relativement élevé[4] ;

le silicium polycristallin

les cellules sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont un rendement de l’ordre de 11 à 15 % pour un prix plus accessible[4] ;

le silicium amorphe

les cellules sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présenté en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale. Le rendement est plus faible que ceux des panneaux en silicium cristallin.

le tellurure de cadmium

les cellules sont à base de couches minces de tellurure de cadmium placées sur un support de verre ; ils sont sensiblement moins coûteux à fabriquer que ceux en silicium, mais ont un rendement (10 à 12 %) plus faible que celui du silicium monocristallin, mais plus élevé que ceux en silicium amorphe.

La technique évolue rapidement, le prix du kilowatt-crête (kWc) étant plus important que le rendement du panneau : un rendement deux fois plus faible signifie seulement qu'il faudra équiper deux fois plus de surface pour collecter la même énergie, ce qui n'est gênant que si la surface disponible est limitée par rapport à la puissance nécessaire (sur un satellite, par exemple). Par conséquent, si une nouvelle technique permet de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché, elle aura de bonnes chances de s'imposer. Le rendement reste néanmoins une composante du prix, ne serait-ce qu'à cause des frais de manutention et d'installation, d'autant plus faibles que le module est petit et léger.

L’analyse de 172 installations du programme pionnier en Europe « 1 000 toits allemands » a montré des productions de 0,43 à 0,875 kWh/Wc/an avec une moyenne de 0,68 kWh/Wc/an[5]. Une autre analyse de l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) montre des valeurs typiques variant entre 0,7 kWh/Wc/an en Allemagne et en Hollande, 0,83 kWh/Wc en Suisse avec une dispersion considérable de 0,4 à 0,95 kWh/Wc (Allemagne) et 0,5 à 1,4 kWh/Wc (Suisse)[6].

La puissance produite par un dispositif photovoltaïque peut alors s’exprimer comme le produit de trois facteurs indépendants :

${\displaystyle {\frac {E_{AC}}{P^{*}}}=\left({\frac {G_{deff}}{G^{*}}}\right)\times FO\times PR}$

avec

• ${\displaystyle P*}$ : Puissance nominale produite en conditions STC (W) ;
• ${\displaystyle G_{deff}}$ : Irradiation annuelle effective incidente sur le module (kWh/m2) ;
• ${\displaystyle G*}$ : Irradiance STC (1 000 W/m²) ;
• ${\displaystyle FO}$ : Facteur prenant en compte les pertes par ombrage[7].

À partir de cette expression, il est possible d’estimer une productivité électrique annuelle. Les valeurs qui suivent sont indicatives et approximatives, car ce type de mesure est très sensible aux conditions et conventions adoptées : avec ou sans héliostat, avec ou sans les pertes de l’onduleur, en moyenne sur une région ou sur un lieu-dit particulièrement propice, etc. en kWh/Wc/an[8] ; ici le coefficient de performance PR (Performance Ratio) adopté est de 0,75 et pour une surface inclinée de façon optimale.

• Sud de l’Allemagne : ~0,9
• Espagne : ~1,4
• Îles Canaries : ~2,0
• Île d’Hawaï : ~2,1
• Déserts (Sahara, Moyen-Orient, Australie, etc.) : ~2,3
• Maximum pratique terrestre : ~2,4 (Désert d'Atacama, proche de l’équateur et particulièrement sec)

Toutefois, les valeurs réelles peuvent être bien plus faibles.

Thermographie de modules photovoltaïques combinant un problème de cellule et une ombre portée[9].

Les principales sources de pertes énergétiques sont :

ombrage partiel

l’environnement d’un module photovoltaïque peut inclure des arbres, montagnes, murs, bâtiments, etc. Il peut provoquer des ombrages sur le module ce qui affecte directement l’énergie collectée.

ombrage total (poussière ou saletés)

leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque.(~ 3-6 %)[10]

dispersion de puissance nominale

les modules photovoltaïques issus du processus de fabrication industrielle ne sont pas tous identiques. Les fabricants garantissent des déviations inférieures de 3 % à 10 % autour de la puissance nominale. En pratique, le module solaire photovoltaïque fonctionne en fonction des performances du pire panneau : la puissance nominale est donc généralement inférieure à celle prescrite par le fabricant[11] - [12].

Pertes de connexions

la connexion entre modules de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à puissance légèrement réduite. Elles augmentent avec le nombre de modules en série et en parallèle.(~ 3 %)

Pertes angulaires ou spectrales

les modules photovoltaïques sont spectralement sélectifs, la variation du spectre solaire affecte le courant généré par ceux-ci. Les pertes angulaires augmentent avec l’angle d’incidence des rayons et le degré de saleté de la surface.

Pertes par chutes ohmiques

les chutes ohmiques se caractérisent par les chutes de tensions dues au passage du courant dans un conducteur de matériau et de section donnés. Ces pertes peuvent être minimisées avec un dimensionnement correct de ces paramètres.

Pertes liées à la température

On estime ainsi qu'au-delà de 25 °C, une augmentation de 1 °C aboutit à une baisse de production de 0,45 %[13]. En effet, selon l'explication de Futura Sciences : « Lorsque les photons traversent les cellules photovoltaïques, elles arrachent des électrons aux atomes de silicium créant alors un « trou » dans le matériau semi-conducteur. Un facteur important de l'efficacité d'un panneau solaire est la vitesse à laquelle les électrons se recombinent avec les trous. Or, ce taux de recombinaison est très sensible à la température : plus il fait chaud, plus il est élevé, ce qui diminue le rendement »[13]. La température d’opération des modules dépend de l’irradiation solaire incidente, de la température ambiante, la couleur des matériaux et la vitesse du vent (5 à 14 %).

Pertes à cause du rendement de la conversion CC/CA de l'onduleur

l'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement en fonction de la puissance d’opération.(~ 6 %)[14].

Pertes par suivi du point de puissance maximum

l'onduleur dispose d’un dispositif électronique qui calcule en temps réel le point de fonctionnement de puissance maximum (3 %).

Pertes dues au vieillissement naturel des modules

En moyenne un module en plein-air perd moins de 1 % de sa capacité par an (0,8 %/an en moyenne et 0,5 %/an en valeur médiane)[15].

De manière générale, les modules photovoltaïques n'ont pas besoin d'entretien particulier : constitués d'une surface particulièrement plane et glissante (verre), la pluie, le vent et l'inclinaison suffisent à les conserver suffisamment propres au fil des ans pour ne perdre qu'un minimum de production sur la durée, sauf à se trouver opacifiés par des poussières produites en quantités importantes à proximité (cimenteries, carrière, …). Ainsi après plusieurs mois, le maximum d'opacité est atteint. Les quelques % de production perdue - probablement moins de 5 % - sont donc acceptables. Quand les modules sont insérés dans le bâti, l'architecte peut cependant prévoir les conditions de maintenance dont le nettoyage.

Deux innovations récentes peuvent concourir à l'entretien des grandes installations avec plus de sécurité pour le personnel et en risquant moins d'abîmer les modules :

• des robots nettoyeurs (télécommandés par WiFi)[16]) peuvent nettoyer les panneaux ;
• des drones de surveillance des anomalies, qui permettent d'intervenir plus tôt, et au bon endroit uniquement ; A titre d'exemple, de tels drones sont utilisés en France parmi les nouveaux outils de la télésurveillance nationale centralisée de « EDF ENR Solaire », filiale d'EDF Énergies Nouvelles (ou EDF EN, elle-même filiale d'EDF). Cette entreprise a créé en 2009 un « centre de contrôle des toitures solaires », qui (en 2013) surveille 550 installations, dont 150 propriété de EDF EN, correspondant à une puissance de 55 MW environ[17]. Une caméra infrarouge haute résolution gyro-stabilisée emportée par les drones montrent aux opérateurs distants d’éventuels défauts des circuits[16]. L’autonomie du drone est encore très limitée, et son passage est coûteux (2 000 à 4 000 €/j) mais ces deux défauts sont économiquement compensés par sa maniabilité et sa rapidité d'intervention[16].

Horodateur alimenté par un panneau solaire photovoltaïque.

Les modules solaires 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, etc.), soit parce que le raccordement reviendrait trop cher par rapport à la puissance nécessaire (balises, horodateur, abribus, téléphone mobile, etc.) ; dans ce cas, on utilise des appareils électriques adaptés au courant continu livrés par les modules. De nombreux constructeurs ont également développé des lampadaires solaires fonctionnant à partir de modules photovoltaïques évitant d'avoir à les connecter au réseau électrique, si l'ensoleillement et la capacité des batteries sont adaptés.

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. Plusieurs modules sont intégrés dans une installation solaire associée à une habitation ou dans une centrale solaire photovoltaïque qui peuvent être soit des systèmes autonomes, soit des systèmes photovoltaïques raccordés au réseau électrique.

Ce type d'application n'est rendu rentable que par des subventions massives existant dans certains états, car l'énergie ainsi produite reste généralement beaucoup plus chère que l'électricité nucléaire ou celle produite à partir d'hydrocarbures fossiles : la source solaire est certes gratuite, mais l'investissement requis est très élevé.

Une étude de 2011 a toutefois montré que, dans des conditions favorables, les systèmes solaires photovoltaïques peuvent en volume, produire de l'énergie pour un prix proche de celui des autres sources d'énergies traditionnelles[18].

Une installation photovoltaïque est avant tout une installation électrique obéissant à des normes strictes qui, en France, sont éditées par l'Union technique de l'électricité (UTE)[19]. On citera la norme C15712-1 pour les installations raccordées au réseau et la C15712-2 pour les installations des sites isolés (avec stockage d'énergie par batterie)[20]. Parallèlement, la norme C15-100 reste valable et applicable en particulier sur la partie AC. La particularité d'une installation photovoltaïque réside dans l'existence de courants continu et alternatif, de sources de danger pouvant arriver de plusieurs endroits. À ce titre, une vigilance accrue est conseillée en maintenance ou lors d'un sinistre provoquant l'intervention des services d'urgence.

Émissions de gaz à effet de serre par source d'énergie au cours de leur cycle de vie. L'énergie solaire est l'une des sources d'énergie les moins émettrices.

Une fois fabriquées et déployées, les cellules photovoltaïques assemblées en modules n'émettent pas de dioxyde de carbone (CO₂) ou d’autre gaz à effet de serre. Néanmoins, leur fabrication consomme de l'énergie grise sous forme d'électricité et leur fin de vie produit des déchets.

En 2003, une analyse du cycle de vie concernant le dioxyde de carbone montre que, sur une durée de vie de vingt ans, l'émission de CO₂ par kilowatt-heure électrique produit par un panneau photovoltaïque représente, selon le type considéré, de 7 à 37 % des émissions par kilowatt-heure produites par une centrale thermique classique[37]. En 2004, le département de l'Énergie des États-Unis estime qu'un panneau met quatre ans à produire une quantité d'énergie équivalente à celle consommée pour sa fabrication[38].