Panneaux solaires

Systèmes photovoltaïques

Nous sommes un peu plus de 7.3 milliards sur cette planète à utiliser de l’énergie pour vivre. Toutefois, le fait de vivre et consommer a un certain coût vu qu’il a un impact négatif sur la vie de la terre, donc, l’alternative serait de se tourner vers l’énergie verte. En effet, dans un environnement où le réchauffement climatique fait rage, il est important de se tourner vers une énergie verte comme le soleil, source inépuisable d’énergie qui présente de nombreux avantages.

Il faut savoir que les matières comme le pétrole, le gaz et le charbon sont utilisés depuis de nombreuses années pour produire de l’énergie, mais ces derniers ont des effets très néfastes sur l’environnement. Alors, en utilisant le soleil pour produire de l’énergie, non seulement nous préserverons l’environnement, mais en plus, nous utiliserons une énergie gratuite.

Pour tirer profit au maximum du soleil, des systèmes ont été mis en place pour absorber les rayons du soleil afin de les transformer en électricité : les systèmes photovoltaïques. Les systèmes photovoltaïques se divisent en famille à savoir le système autonome et le système raccordé au réseau. D’une part, le système autonome ou encore le système isolé, est un système qui permet d’être alimenté en énergie sans avoir à être connecté à un réseau électrique. Ce système permet d’électrifier les zones isolées n’ayant aucun raccordement électrique (les îles, les résidences en montagne, etc.). De manière générale, une batterie de stockage est nécessaire pour accumuler le courant, mais aussi d’un contrôleur de charge pour assurer la pérennité de votre batterie. D’autre part, le système raccordé au réseau est un système directement combiné au réseau électrique à travers un onduleur. Il s’agit d’un système très simple à utiliser parce que le réseau électrique se chargera d’équilibrer la consommation et la production de courant.

Quoi qu’il en soit, que ce soit pour un système isolé ou pour un système raccordé au réseau, il est nécessaire d’utiliser un panneau solaire, pour absorber les rayons du soleil..

La Constitution et capacité des systèmes photovoltaïques

Un système photovoltaïque est composé de plusieurs éléments qui sont raccordés entre elles pour permettre l’alimentation d’un équipement électrique. Tous les systèmes ne sont bien évidemment pas identiques, certains éléments peuvent varier de l’un à l’autre, cela est fonction de l’objectif final que l’on veut atteindre et des contraintes spécifiques à chaque installation. Néanmoins il existe tout de même certains éléments communs à tous les systèmes. De fait il est possible de définir ce que pourrait être appelé une composition standard.

De manière générale un système photovoltaïque va donc être composé de :

  • Module photovoltaïque (association de cellule photovoltaïque regrouper en panneau) : c’est l’élément principal, il se charge de convertir le rayonnement solaire en énergie électrique.
  • Système de régulation : il s’agit d’un dispositif qui régule qui la production électrique du module photovoltaïque.
  • Parc de batterie : il permet de stocker l’énergie électrique qui est produite par le module solaire
  • Onduleur : il permet de convertir l’électricité produite par le module solaire afin de l’adapter à la consommation des appareils standard

Voilà donc les quatre grandes parties que l’on peut retrouver dans un système photovoltaïque. Techniquement, le seul élément indispensable est le panneau solaire. Tous les autres peuvent être optionnels même si pour une optimisation de l’installation ils sont souvent nécessaires. A tout cela, il faut ajouter la connectique, les câbles et autres éléments de fixation.

Nous allons donc essayer de focaliser notre attention sur l’élément central qu’est le panneau solaire.

1.  Le panneau solaire, élément fondamental

Le panneau solaire n’est rien d’autre qu’un assemblage de cellules solaires ou cellules photovoltaïques. La cellule photovoltaïque est l’élément de base qui permet de convertir le rayonnement solaire en énergie électrique.  Il utilise pour cela le principe de l’effet photovoltaïque qui a été mis en évidence par Antoine et Edmond Becquerel en 1839. Beaucoup d’autres scientifiques ont par la suite apporté leur contribution pour que nous en arrivions à la cellule photovoltaïque d’aujourd’hui.

 La technologie la plus utilisée aujourd’hui est celle à base de semi-conducteur. Le plus usité est le silicium. Lorsqu’un grain d’énergie ou encore photon possédant une énergie suffisante frappe la surface du matériau photovoltaïque, un électron est arraché à l’atome du semi-conducteur il se crée alors une paire d’électrons trou dont chaque élément est de charge opposée. Normalement, cette énergie est dissipée dès que l’électron retrouve un autre trou avec lequel il se combine.

Dans le cas qui nous intéresse, cette recombinaison est empêchée à l’intérieur du matériau. On oblige les trous et les électrons à se diriger chacun vers une face opposée. Il apparaît donc une différence de potentiel entre les deux faces du matériau et c’est ainsi qu’une tension est créée, exactement comme dans le cas d’une pile. On note donc que le courant produit par ce type de cellule est un courant continu.

Les modules que l’on utilise ont une tension nominale supérieure à 12 V, le courant est continu  mais variable, il dépend de l’ensoleillement, de la température et des caractéristiques de fabrication. 
Les modules peuvent être connectés en parallèle pour augmenter le courant, et en série pour augmenter la tension (24V, 48V, etc.).

Les cellules photovoltaïques sont des jonctions PN, faites en associant un semi-conducteur de type N avec un semi-conducteur de type P, comme le silicium dopé phosphore et le silicium dopé bore.

Pour extraire sélectivement les trous et les électrons, on utilise le champ électrique. Les électrons arrachés vont s’accumuler dans la région N (qui se charge négativement) et les trous vont s’accumuler dans la région P (qui se charge positivement).

Le déplacement des charges créées le courant électrique qui est recueilli par des fils conducteurs très fins connectés d’une cellule à l’autre. Le courant s’additionne donc d’une cellule à l’autre jusqu’aux bornes du panneau solaire.

Trois grands types de panneau solaire existent en fonction du type de silicium qu’ils comprennent. Chaque type de panneau a la capacité d’absorber un spectre électromagnétique bien précis (un peu comme notre œil ne peut distinguer tous les spectres de la lumière : certaines longueurs d’onde sont captées, d’autres pas).

Le panneau solaire en silicium amorphe est composé de cellule photovoltaïque fabriquée sous vide à partir de plusieurs gaz. La couleur de la cellule est gris foncé, c’est celle que l’on retrouve par exemple sur les calculatrices solaires. Ces cellules ont l’avantage de fonctionner avec un éclairement faible, elles sont peu coûteuses et sont facilement intégrées sur des supports souples ou rigides. Malheureusement,  elles n’ont pas un bon rendement (de l’ordre de 7%) en plein soleil (le spectre de rayon électromagnétique absorbé n’est pas large). De ce fait, il est nécessaire de couvrir des surfaces très importantes dès que l’on veut produire des puissances plus élevées.

Le panneau solaire en silicium monocristallin est composé de cellule photovoltaïque qui est obtenu à partir de silicium fondu qui en se refroidissant, forme un seul cristal de grande dimension. Le cristal ainsi obtenu est découpé en fines lamelles pour obtenir les cellules individuelles. Les cellules sont d’une belle couleur bleu uniforme. Le rendement de ce panneau en silicium monocristallin est plus élevé que pour ceux en silicium amorphe (de l’ordre de 16%). Mais ce rendement se dégrade très vite dès que l’ensoleillement faibli et pourtant, il ne faut pas que celui-ci soit non plus trop élevé car trop de chaleur est nocive pour leur durée de vie. De plus, leur coût production est plus élevé.

Le panneau solaire en silicium poly cristallin est composé de cellule photovoltaïque et le silicium dans ce cas est refroidi dans une lingotière. Il se forme donc plusieurs cristaux différents. Cela a un impact sur l’aspect qui bien qu’étant bleuté, n’est pas uniforme. On observe plusieurs motifs créés par les différents cristaux. Le rendement de ces cellules est un peu moins élevé que celui des panneaux monocristallins (de l’ordre de 10%). La forme des cellules permet d’en disposer à foison sur un panneau. Le coût de production est moins élevé.

Nous voyons de ce qui précède que chaque technologie présente des avantages particuliers, ce qui indique bien souvent l’utilisation qu’il est possible  d’en faire.

2.  Les cellules photovoltaïques

Généralement dans le cadre des panneaux solaires, on choisit entre le poly cristallin et le monocristallin. Le silicium amorphe est plus indiqué pour des appareils mobiles pas trop gourmands en énergie. Mais sur le marché, il existe aussi d’autres techniques pour former des cellules photovoltaïques.

La cellule photovoltaïque tandem est constituée d’un empilement de deux cellules simples en vue d’en augmenter le rendement. L’association des deux types mono et poly permettent de toucher un spectre électromagnétique encore plus grand. Le rendement est donc meilleur mais ces cellules sont très onéreuses. La cellule photovoltaïque multifonction est composée de plusieurs couches minces en utilisant la technique de l’épitaxie par jet moléculaire. C’est une technique assez onéreuse.

Les cellules photovoltaïques cigs ne sont pas à base de silicium. Les semi-conducteurs utilisés sont plutôt le cuivre, le gallium, l’indium, le sélénium. Ce sont des métaux qui ne sont pas courants.

Les cellules à pérovskites ne sont pas encore sur le marché par contre. Le développement est encore en cours dans plusieurs laboratoires de par le monde, notamment en ce qui concerne l’uniformité et la stabilité des structures dit pérovskites.

De façon générale la technologie dans le domaine des cellules photovoltaïques est en cours de perfectionnement. Ces recherches visent à augmenter entre autres les facteurs, les rendements qui pour l’heure, ne sont pas vraiment fameux, ainsi que les coûts de production. L’évolution dans ces deux domaines principaux permettra d’en faire une véritable alternative à notre modèle énergétique actuel bien trop dépendant des énergies fossiles.

3.  Les autres éléments constitutifs du système photovoltaïque.

Le système de régulation : le régulateur solaire est au centre du système et on peut l’apparenter au cerveau du corps humain. Dans sa gestion du flux énergétique, il assure 3 fonctions principales. D’une part, la  protection du parc de batterie contre une surcharge tout en garantissant une charge rapide et optimale. D’autre part il limite la décharge profonde des batteries en déconnectant celle-ci de l’utilisation en fonction de l'état de charge. Enfin, il possède un certain nombre d’indicateurs lumineux (LED, lampes, etc.) et d’appareils de mesure avec affichage (ampère mètre, voltmètre, compteur d’énergie, etc.) permettant le monitoring du système. On en trouve de qualité et de puissance très variable. C’est un équipement qu’il faut dimensionner avec soin en tenant compte du fonctionnement et des évolutions futures de l’installation.

Le parc de batteries :le soleil n’étant présent que dans la journée il est donc impératif de pouvoir stocker l’énergie produite afin de pouvoir l’utiliser même de nuit. On peut en trouver de 3 types : un plomb ouvert, batterie au gel, batterie à recombinaison solaire.

Les batteries solaires sont conçues spécialement pour supporter des décharges profondes et pour durer longtemps. Le couplage des batteries permet d’augmenter les caractéristiques du parc. Le couplage série permet d’augmenter la tension et le couplage parallèle, la capacité. Cette capacité s’exprime en Ampère/heure. La capacité est la quantité d’énergie que la batterie peut stocker et elle peut s’exprimer aussi en watt-heure (Wh). Par exemple, un cumul d’énergie de 10A pendant 10 h donnera un cumul de 100Ah. Les autres caractéristiques à prendre en compte sont : Le cyclage (nombre de cycle charge/ décharge supportée). Il dépend de la profondeur de décharge et du coefficient de recharge journalier. Il est souvent de l’ordre de 3000 cycles (une durée de vie de l’ordre de 8 à 10 ans). Aussi, le taux d’autodécharge (aptitude à conserver la charge si la batterie n’est pas utilisée) ne doit pas être supérieur à 3% par mois.

L’onduleur :il n’est indispensable que si les équipements à utiliser ne peuvent fonctionner qu’en courant continu. Mais cela est le cas de la plupart des  équipements électriques domestiques qui sont conçus pour fonctionner avec le courant des réseaux classique de distribution, donc du courant alternatif.Il occasionne pourtant une source de perte supplémentaire due à la convention de l’énergie et affaiblit le rendement général du système.

Installationdusystème photovoltaïque

Le système est photovoltaïque est comparable à une mini centrale électrique. De manière générale, ce système est utilisé pour la consommation électrique privée. Alors, pour installer un système photovoltaïque dans une propriété, il est fortement conseillé de faire appel à des professionnels qui sauront vous offrir des prestations dignes de ce nom. Alors, on installe l’ensemble de ses panneaux solaires sur le toit ou plutôt sur une façade afin de permettre une bonne absorption des rayons de soleil. Très souvent, on recommande en moyenne de réserver 30 m2 pour les besoins d’un foyer de 3 personnes. Quoi qu’il en soit, les experts que vous contacterez sauront parfaitement vous conseiller en fonction de l’utilisation que vous devez en faire.

Maintenance du système photovoltaïque

Un système photovoltaïque est sensé durer plus de 20 ans mais leur maintenance se fait très simplement. Toutefois, la fréquence du nettoyage dépendra fortement de la qualité de l’environnement (pollution environnante, saisons, etc.). Quoi qu’il en soit, il est conseillé une maintenance annuelle sur des éléments bien précis.

1.  La fréquence de nettoyage des modules

De prime abord, l’inspection de ces modules est très importante, surtout lorsqu’il faut déceler certaines anomalies comme des modules cassés, une défaillance de la surface des cellules des panneaux, des déchets, les fixations des modules sur le toit, la prolifération de la végétation (mousse, et autres). Dans un autre temps, il faudra prendre en compte l’inclinaison de vos panneaux solaires pour pouvoir les nettoyer convenablement. De manière générale, lorsque vos panneaux sont inclinés à 15°, vous pourrez compter sur les pluies pour nettoyer vos panneaux de temps à autre. Dans un tel cas, un nettoyage annuel ne sera pas forcément nécessaire, mais seulement vous constatez que la surface est sale.
Concernant les surfaces moins inclinées, vous pourrez prévoir votre nettoyage dans une fréquence de 2 ou 4 ans, selon la pollution environnante.

Pour les panneaux solaires installés sur plusieurs niveaux, vous allez devoir nettoyer les panneaux du haut un peu plus fréquemment que celles du bas vu qu’elles sont les premières exposées.

Par ailleurs, si vous résidez dans un lieu fréquenté par les oiseaux, à proximité des voies ferrées ou d’usines, le nettoyage devra se faire quasiment tous les ans.

Quoi qu’il en soit, la fréquence de nettoyage est fixée selon le degré de salissure des panneaux. Laissez une période d’observation sur les deux premières années pour faire une bonne estimation.

2.      Déneiger les modules

L’hiver est une saison particulière qu’il faudra prendre en compte lors du nettoyage des panneaux solaires.Alors de manière générale, pendant le nettoyage vous devez faire attention aux risques de chutes si jamais vos panneaux sont installés sur le toit. De plus, vous devez faire attention au moment du nettoyage, à ne pas rayer les modules car ça pourrait entraîner un dysfonctionnement. Par contre, vous n’aurez aucune inquiétude à vous faire concernant de potentielles pertes d’énergie vue que pendant l’hiver, le soleil  monte moins haut dans le ciel.

Les fortes précipitations de neige peuvent aussi être très dangereuses pour votre installation, car le surpoids pourra fragiliser les fixations des modules. Néanmoins, pour limiter les risques, il est recommandé d’utiliser des panneaux solaires sans cadre afin de limiter l’accumulation de la neige sur les rebords. Aussi, l’autre solution est que vous pourrez, dès le moment de l’installation, incliner vos panneaux sur près de 30° afin de faciliter le glissement de la neige.

3.  Nettoyage des onduleurs

En moyenne, un onduleur fonctionne de 8 ou 12 ans avant une potentielle panne, néanmoins, si vous entretenez correctement l’onduleur, vous éviterez des baisses ou des pertes d’énergie avant qu’il n’arrive à la fin de sa vie. Alors, pour assurer le bon fonctionnement de votre onduleur, il est vivement recommandé de le dépoussiérer et de le vérifier chaque année. De manière générale, vous allez :

  • Faire une vérification des composants de l’onduleur
  • Vérifier et nettoyer les entrées d’air et les dissipateurs pour améliorer le refroidissement
  • Vérifier les systèmes de ventilation pour s’assurer que l’endroit où vous avez déposé votre onduleur est propre. De ce fait, vous comprenez que si votre local est poussiéreux, vous allez devoir nettoyer très régulièrement votre onduleur.

4.  Vérification des boîtiers

Dans une installation solaire, le boîtier est très utile lorsqu’il s’agit de connecter les réseaux en parallèle et, il mérite aussi une attention particulière. En effet, ce boîtier favorise les différentes connexions car elles sont parfaitement sécurisées mais aussi, vous diminuez fortement les pertes en énergie. Alors, pour la vérification de votre boitier, vous devez prendre en compte :

  • Les isolants car ils peuvent subir les attaques de rongeurs
  • La solidité des diverses connexions
  • L’état des para foudres
  • Les fusibles
  • Faire des tests des connexions électriques
  • Les protections AC et le découplage de l’onduleur
  • Les protections DC
  • La continuité des liaisons
  • Les dispositifs d’arrêt en urgence
  • Etc.

5.  Faire attention à la signalétique

Les signaux sur votre installation solaire doivent faire preuve aussi d’une attention particulière pour faire la maintenance de votre système. Alors, de manière générale, vous allez devoir souvent relever vos productions annuelles (en relevant l’index sur le compteur chaque mois). Par la suite, il faudra aussi vérifier le fonctionnement des panneaux. De manière générale, il est conseillé de consigner chacune de vos interventions dans un cahier afin d’avoir l’historique de toutes vos actions. De cette manière, vous saurez anticiper certaines actions.

Un système photovoltaïque, combien ça coûte ?

Le prix d’une installation d’un système photovoltaïque prend en compte surtout les modules et onduleurs. Néanmoins, le coût peut varier considérablement en fonction de l’architecture de votre maison, mais aussi, du type de structure que vous souhaitez avoir (fixe ou mobile). De plus, le coût prend en compte le type de système photovoltaïque (autonome ou raccordé à un réseau).

De manière générale, on peut considérer que le prix d’un système photovoltaïque raccordé peut varier entre 1.5 et 3 euros par Watt, mais, il sera pris en compte aussi la taille du système. Concrètement, il faudra prévoir environ 12.000 € par exemple, pour un système solaire de 5 kWc.

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