Les panneaux solaires

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Cela fait un moment que je cherchais comment parler des panneaux solaires dans des termes simples afin de rendre compréhensible au plus grand nombre de quoi il s'agissait et comment cela fonctionnait. Grâce à un site français : Le panneau solaire.fr, je pense avoir trouvé comment répondre à la double interrogation.


Il existe 2 types de panneaux solaires. Le plus connu est le panneau solaire photovoltaïque, celui qui transforme le rayonnement solaire en électricité. L’autre, le panneau solaire thermique, est installé afin de produire de l’eau chaude. Il fonctionne par le principe de la serre : des tuyaux noirs remplis d’un fluide spécial circulent dans un châssis de quelques centimètres de hauteur, recouvert d’une vitre. Exposé au soleil, une telle installation permet de chauffer l’eau à de hautes températures.

Les premières expériences concernant l’électricité et la lumière du soleil remontent à 1839 avec le physicien français Henri Becquerel (plus connu pour ses travaux sur la radioactivité), qui découvrit l'effet photovoltaïque, sans pouvoir l'expliquer. Charles Fritts fur le premier à matérialiser le concept, en 1883, mais les rendements étaient très pauvres. En 1941 Russel Ohl créa le premier prototype du panneau solaire photovoltaïque moderne, fabriqué à l’aide de silicium.

Plus rudimentaire que son cousin photovoltaïque, le capteur solaire thermique emprisonne la chaleur du rayonnement en solaire. Un fluide caloporteur (transportant la chaleur) permet de chauffer de l’eau ou de l’air. Les applications sont multiples : principalement production d’eau chaude, mais aussi chauffage de piscines, de locaux, etc.

Panneau solaire.fr

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C’est un panneau sur lequel on dispose des cellules photovoltaïques. Une cellule photovoltaïque est un assemblage de divers composants qui permettent à un semi-conducteur, en l’occurrence le silicium, de transformer le rayonnement solaire en électricité. Les conducteurs en métal, se trouvant en dessous et au-dessous de la couche de silicium, se chargent alors de transmettre le courant pour consommation. On assemble les cellules photovoltaïques sur des panneaux de dimensions diverses, faisant quelques centimètres d’épaisseur tout au plus. Ces panneaux peuvent être placés à différents endroits : fixés à un toit, à une structure au sol, sur une colline, etc.

Les seules contraintes à respecter sont l’exposition au sud, une inclinaison idéale (qui peut se calculer grâce à la formule : latitude du lieu – Arcsinus ( 0,4*Sinus*(N.360/365)), N étant le nombre de jour entre l’équinoxe de printemps et la date du jour) qui est généralement fixée à 45 degrés en France et l’absence de tout obstacle (arbre, pylône, etc.) qui créerait de l’ombre.
Photo Panneau solaire.fr





Images Wikipedia

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Aussi appelé capteur solaire thermique, ce panneau solaire repose sur des principes beaucoup plus simples. Si vous laissez une bassine métallique noire remplie d’eau au soleil, l’eau va chauffer plus vite que si la bassine était blanche. Ajouter au dessus de la bassine un grand morceau de verre et la température montera encore plus vite.

Même si c’est un poil plus compliqué que cela, cet exemple décrit bien le principe d’un panneau solaire thermique. Si vous avez déjà voyagé dans des pays du pourtour méditerranéen, vous avez probablement remarqué les nombreuses citernes postées sur les toits des habitations (voir photo ci-dessous, un toit typique d'un complexe d'appartements à Chypre).

Rien que de mettre une citerne noire sur le toit permet de chauffer l’eau. Couplée à un panneau thermique, on obtient de l’eau à haute température. Ce système est souvent suffisant pour assurer la production d’eau chaude d’un ménage pendant la plus grande partie de l’année.

Pour les mois les plus froids et disposant de plages d’ensoleillement moins larges, un système d’appoint est prévu afin de donner un coup de pouce à Dame Nature. Il s’agit le plus souvent d’une simple résistance.


Photo Panneau solaire.fr .

Si le chauffe-eau thermique est de loin l’application la plus répandue, le principe du panneau solaire thermique peut aussi être utilisé pour le chauffage d’une habitation ou d’une piscine....
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Si certains d’entre-nous peuvent être motivés par leur conscience écologique ou une envie d’indépendance énergétique, la grande majorité des consommateurs ne sera prête à faire le pas que si le panneau solaire est rentable.

Premier critère à prendre en compte, l’ensoleillement de votre région. Eh oui, le coût de production du kilowatt sera complètement différent, suivant que vous habitiez Calais ou Ajaccio. Idem pour un chauffe-eau solaire, dont le rendement dépendra de la générosité du soleil.

Si la question de la rentabilité du chauffe-eau solaire ne se pose même pas dans le sud de la France, une installation photovoltaïque est une autre paire de manche.

Photovoltaïque : Pour une installation complète, avec raccordement au réseau électrique public (afin de revendre l’électricité produite en excédent, il faut compter plus ou moins 20. 000 à 25.000€, permettant de produire 3.000 watts en crête de productivité. L’investissement ne serait pas rentable sans les aides de l’Etat. Heureusement, celles-ci sont bien disponibles. A long terme, il s’agit donc d’un investissement rentable. Les coûts de l’énergie devraient aller crescendo, il est donc fort probable que les économies ne cesseront de grimper au fil des ans.

Coût d’un chauffe-eau solaire (panneau thermique)

Il faut compter environ de 4. 000 à 5.000€ pour une installation avec 4 mètres carré de panneaux. En moyenne, on estime que le coût du système est récupéré au bout de 10 ans pour les régions à faible ensoleillement, plus vite encore plus les régions du sud.

Dans le cadre de la prochaine application de la RT 2012 (voir le sujet), un tel équipement peut être intéressant à intégrer.

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A côté des aides de l’Etat, il existe en France une kyrielle d’aides, proposées par les mairies, les départements ou les régions. C'est quasiment impossible (trop long) de toutes les lister. Le meilleur conseil que l'on puisse vous donner à ce sujet est de contacter votre mairie afin de vous renseigner sur les possibilités spécifiques à votre région. Vous pouvez également interroger le Conseil Régional de votre région. La plupart du temps, ces informations sont reprises sur leurs sites officiels. Cette précision peut-être également valable pour votre mairie, suivant la conception de son site.

S'agissant de l'état, plusieurs dispositions ont été prises pour promouvoir l'installation de panneaux solaires par des particuliers :


Tout d'abord, vous bénéficiez d'une TVA à taux réduit : TVA à 5,5 % sur les panneaux solaires pour toute installation de panneaux solaires pour (ou sur) un bâtiment de plus de
ans. Ce taux est applicable sur le matériel et sur la main d'oeuvre. En principe, pour bénéficier de cette mesure (somme toute avantageuse), l'installation doit être réalisée par une entreprise spécialisée, voire agréée.

A cela s'ajoute un Crédit d’impôt de 50 % pour l’installation de panneaux solaires. Le crédit d’impôt n’est valable que sur l’achat de matériel. Il permet de récupérer, par déduction fiscale, un maximum de 8.000 € pour une personne isolée, 16.000 € pour un couple.

A ces montants, il convient d'ajouter : 400€ par un enfant à charge, 500€ pour le deuxième enfant et 600€ à partir du troisième (pour trois enfants = 1.500€, pour quatre enfants = 2.100€). Le crédit d’impôt n’est valable que pour la résidence principale.

A noter : Ces aides sont valables pour les panneaux solaires photovoltaïques ou thermiques.

Dernièrement le gouvernement a annoncé que ces mesures pourraient être revues à la baisse ou aménagées différemment, donc avant de vous lancer dans le projet d'équipement de panneaux solaires, prenez la précaution de vérifier l'existence ou l'application des mesures ci-dessus.

Le Panneau Solaire.fr
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Puis-je installer moi-même mes panneaux solaires ?


Oui, il est possible d’installer soi-même des panneaux solaires, sauf que vous perdez l’avantage du crédit d’impôt. Il existe cependant des kits faciles à monter afin de générer une production d’appoint, par exemple les générateurs solaires (qui permettent de stocker un peu d’électricité).

Quels sont les avantages d’une installation panneaux solaires ?


Elle est modulable, on peut augmenter sa capacité en ajoutant de la surface supplémentaire. La disponibilité sur site permet de réduire les pertes durant le transport. Le soleil est une source intarissable d’énergie, disponible partout (en quantité inégale cependant). Les panneaux solaires ne demandent quasiment pas d’entretien.


Quels sont les inconvénients des panneaux solaires ?


Le talon d’Achille du panneau solaire reste le stockage de l’électricité excédentaire. La technologie des batteries n’a pas encore relevé ce défi (à savoir : une nouvelle technologie japonaise via des semi-conducteurs performants devrait bientôt voir le jour), c’est pourquoi beaucoup de particuliers se raccordent au réseau public afin de revendre leur électricité excédentaire.


Les panneaus solaires sont-ils rentables

Avec les aides de l’Etat, oui. Toutefois cette affirmation doit être nuancée car l'un des éléments le plus important à prendre en compte : l'ensoleillement de votre région et l'exposition des panneaux solaires (orientation, pente, etc...).


Quelle est la durée de vie d’un panneau photovoltaïque ?

Généralement, il est admis qu’un panneau solaire photovoltaïque a une durée de vie de 20 ans et plus. ----> Je me pose tout de même la question en cas de chute de grêle importante...


Pour chauffer de l’eau, que choisir, capteur solaire ou panneaux photovoltaïques ? (c'est une des questions les plus fréquentes)


Le capteur solaire est beaucoup plus efficace que le panneau photovoltaïque. Si vous envisagez produire votre eau chaude par panneau solaire et désirez aussi avoir de l’électricité pour vos appareils, faites une installation mixte capteurs solaires/panneaux photovoltaïques : c’est la solution la plus économique !


Est-ce que mon panneau solaire produit de l’électricité par temps couvert ?


Oui. A partir du moment où la lumière du jour, même de faible intensité, éclaire le panneau, de l’électricité sera produite. Il faut tout de même préciser que la quantité de watts sera proportionnelle à l’intensité de la lumière. Par exemple, par un ciel très couvert vos panneaux panneaux photovoltaïques ne produiront qu'un dixième de leur puissance de crête.


La puissance de crête, de quoi s’agit-il ?


Il s’agit de la puissance maximale que puisse donner votre installation, c’est-à-dire dans des conditions d’ensoleillement optimales (pas de nuages, à midi...).


Puis-je placer mes panneaux solaires n'importe où sur le toit ?

Pour du photovoltaïque, on évitera de les placer au-dessus de chambres à coucher, à cause du champ électromagnétique créé. Le chauffe-eau solaire est quant à lui sans danger.


Source : Le Panneau Solaire.fr

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Les panneaux 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 à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l’élément le plus cher du panneau, la cellule photovoltaïque.

Leur rendement est un peu plus faible que celui des cellules qui les constituent, du fait des pertes électriques internes et des surfaces non couvertes, mais reste d’environ 10 à 15%. La puissance crête d’un panneau photovoltaïque est de l’ordre de 100 à 200 watts par mètre carré (soit un rendement de 10 à 20%, les fabricants annonçant environ 15 % pour leurs meilleurs panneaux), ce qui donne une puissance crête de 50 à 250 W par panneau, 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.

La tension délivrée dépend du type des panneaux et du branchement des cellules. Elle est de l’ordre de 10 à 100 volts. Outre sa puissance et sa surface, un panneau a trois caractéristiques importantes :

• l’écart à la puissance nominale, de l’ordre de +/- 5%
  
• la variation de puissance avec la température (plus de détails dans le paragraphe "pertes de production")
  
• 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)
  

Le prix pour de tels panneaux est d’environ 4 €/Wc (watt crête) (ce prix baisse régulièrement, la cible étant de 1 €/Wc, prix où l’énergie photovoltaïque devient compétitive avec les ressources fossiles).

L’énergie réellement captée par un module dépend de la surface et de la puissance nominale du panneau 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 et avec un héliostat.

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. La durée de vie d’un tel module est supérieure à 20 ans.

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Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisées, 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 outre, en fonction des techniques utilisées :

• silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
  
• silicium polycristallin : Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
  
• 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.
  

La technologie évolue rapidement, le prix du kWc (kilo-watt crête) 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 permettait de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché, elle aurait de bonnes chances de s'imposer. Le rendement reste néanmoins une composante du prix, ne serait-ce que pour les frais de manutention et d'installation, d'autant plus faible que le module est petit et léger.

Parmi les fabricants les plus importants de modules solaires, on peut citer :
Centrosolar (GER) , Sharp (JPN), Kyocera (JPN), Sunpower (USA), Sanyo (JPN), Cuantum Solar (SPA), Solon (GER)

A savoir : Les premières expériences concernant l’électricité et la lumière du soleil remontent à 1839 avec le physicien français Henri Becquerel (plus connu pour ses travaux sur la radioactivité), qui découvrit l'effet photovoltaïque, sans pouvoir l'expliquer. Charles Fritts fur le premier à matérialiser le concept, en 1883, mais les rendements étaient très pauvres. En 1941 Russel Ohl créa le premier prototype du panneau solaire photovoltaïque moderne, fabriqué à l’aide de silicium.


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L’analyse de 172 installations du programme pionnier en Europe « 1000 toits allemands » a montré des productions de 0,43 kWh/Wc/an à 0,875 kWh/Wc/an avec une moyenne de 0,68 kWh/Wc/an.

Une autre analyse de l’Agence Internationale de l’Energie (IEA) 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 0,4-0,95 kWh/Wc (Allemagne) et 0,5-1,4 kWh/Wc (Suisse).

En outre, des installations avec des caractéristiques similaires installées dans des endroits très proches l’un de l’autre peuvent conduire à des productions très éloignées.

En conclusion, les valeurs moyennes du coefficient de performance PR oscillent entre 0,7 et 0,75. L’analyse de l’Agence Internationale pour l’énergie montre que les PR varient considérablement de 0,25 à 0,9 avec une valeur moyenne de 0,72.

Les kWh/Wc produits par un dispositif photovoltaïque peuvent alors s’exprimer comme le produit de trois facteurs indépendants :


P* : Puissance nominale produite en conditions STC (W).
G_deff : Irradiation annuelle effective incidente sur le module (kWh/m2).
G* : Irradiance STC (1 000 W/m2).
FO : Facteur prenant en compte les pertes par ombrage.
A partir de là, 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 ; ici le coefficient de performance PR (Performance Ratio) adopté est de 0,75 et pour une surface inclinée optimalement.

• Sud de l’Allemagne : ~0,9
  
• Espagne : ~1,4
  
• Îles Canaries : ~2,0
  
• Île d’Hawaii : ~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)
  

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Pertes par 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.

Pertes par ombrage total ( poussière ou saletés ) : leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque.(~3-6%)

Pertes par 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.

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 par température : En général, les modules perdent 0,4 % par degré supérieur à sa température standard (25 °C en conditions standard de mesures STC). La température d’opération des modules dépend de l’irradiation incidente, la température ambiante et la vitesse du vent (5 % à 14 %).

Pertes par rendement DC/AC de l'onduleur : l'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement en fonction de la puissance d’opération.(~6 %)

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 %).



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D'après l'EPIA (Association Européenne de l'Industrie du Photovoltaïque), sous la latitude de Lyon, un panneau solaire restitue en deux ans et demi l'énergie qui a été nécessaire pour sa fabrication.

Cette association a mis en place une organisation qui prépare le recyclage des panneaux en fin de vie : pvcycle.

Les panneaux ayant une durée de vie supérieure à vingt-cinq ans, la plupart des panneaux installés maintenant ne seront pas recyclés avant 2035.

On trouve des temps retours énergétiques entre 1,9 et 4,0 années = restitution d'énergie / énergie dépensée pour sa fabrication. Le ratio dépend principalement de l'ensoleillement (comme on peut s'en douter...) et des divers paramètres cités plus haut...

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