Le rayonnement solaire utilisé dans le fonctionnement des panneaux solaires représente une ressource énergétique inépuisable et gratuite. Grâce aux avancées technologiques des panneaux photovoltaïques, il est désormais possible d’exploiter pleinement cette source d’énergie, réduisant significativement les coûts énergétiques et renforçant l’autonomie. Mais comment converti-t-on la lumière solaire en électricité sur une installation industrielle ou institutionnelle ? Comprendre le fonctionnement des panneaux solaires est crucial avant d’investir dans cette solution durable à long terme.
Il existe trois principaux types de panneaux solaires : les panneaux thermiques, les panneaux photovoltaïques et les panneaux thermodynamiques, chacun ayant des applications et des technologies distinctes. Cet article se concentrera sur le fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques, qui sont au cœur de la production d’électricité solaire domestique.
I) Qu’est-ce qu’un panneau solaire photovoltaïque ?
a) Définition du panneau solaire photovoltaïque
Un panneau solaire photovoltaïque est un dispositif permettant de convertir le rayonnement solaire en électricité. Composé principalement de cellules en silicium, il est encapsulé sous une couche de verre et maintenu dans un cadre en aluminium pour protection.
Un élément photovoltaïque convertit l’énergie lumineuse des photons en énergie électrique, en générant des volts. Ce processus repose sur des principes physiques bien établis et est relativement simple. Les panneaux photovoltaïques utilisent une source d’énergie quasi-inépuisable : le soleil. On peut les installer sur les toitures, les façades des bâtiments, au sol ou comme ombrières de parking. On peut connecter ces panneaux au réseau électrique public ou les intégrer dans des systèmes autonomes.
Le rendement de conversion d’un panneau solaire est d’environ 20 %. En plein soleil, 5 m² de panneaux produisent 1 kW, soit environ trois panneaux.¹
Qu’est-ce que le rendement d’un panneau solaire ?
Le rendement d’un panneau solaire est le pourcentage d’énergie lumineuse convertie en électricité par rapport à l’énergie reçue. Un rendement élevé signifie une production d’électricité plus efficace, rendant le projet photovoltaïque plus rentable.
b) Composition d’un panneau solaire photovoltaïque
Les panneaux photovoltaïques sont constitués de matériaux fonctionnels comme le silicium et l’argent, qui participent directement à la conversion de l’énergie solaire en électricité. Ils comprennent également des matériaux structurels tels que l’aluminium, le verre et les plastiques pour le module, ainsi que l’acier et le béton pour l’installation. Les matériaux fonctionnels représentent environ 50 % du coût total, mais moins de 5 % de la masse du panneau.¹
Un système de panneaux solaires se compose de plusieurs modules photovoltaïques, chacun étant composé de nombreuses cellules photovoltaïques. Pour que ces panneaux fonctionnent, il est nécessaire de mettre en place un ensemble complet appelé « système photovoltaïque » ou B.O.S. (Balance Of System). Le B.O.S. inclut la fixation, l’abergement, l’onduleur, le compteur et le câblage pour le bon fonctionnement du système photovoltaïque.
Les cellules photovoltaïques, en silicium pour la plupart, ont des dimensions typiques de 150-160 mm de côté, bien que des cellules plus petites ou plus grandes soient également possibles, notamment avec le silicium amorphe. On agence ces cellules en modules protégés par du verre et encadrés d’aluminium, garantissant leur durabilité et efficacité.
La Chine, premier fabricant de panneaux solaires PV
La fabrication d’un panneau photovoltaïque en technologie silicium implique plusieurs étapes, allant de l’extraction de la silice à la production du module final. Ces étapes peuvent être effectuées par différents acteurs. Cependant, la Chine domine largement le marché en assurant plus de 75 % de la production mondiale à chaque étape de la fabrication des panneaux en silicium.²
La production de panneaux solaires en Europe
En 2021, la France produisait 850 MW de panneaux photovoltaïques par an, principalement à partir de cellules importées. Plusieurs projets industriels visent à augmenter cette capacité à 15 GW par an d’ici 2030. En Europe, la capacité de production en 2022 était de 8,28 GW pour les modules, avec des projets ambitieux pour atteindre 30 GW par an d’ici 2025. Actuellement, l’Europe dépend largement des importations, notamment de la Chine, qui domine le marché mondial avec plus de 75 % de la production à chaque étape de fabrication.³
II) Le fonctionnement des panneaux solaires
Un panneau solaire photovoltaïque est conçu pour convertir la lumière du soleil en électricité. Il est constitué de matériaux photosensibles, principalement des semi-conducteurs, qui utilisent les photons du rayonnement solaire pour exciter des électrons, produisant ainsi un courant électrique. Le rendement d’un panneau dépend du rapport énergie produite/énergie reçue, et varie avec la technologie et l’état.
a) La technologie et le rendement d’un panneau solaire
Actuellement, la technologie la plus répandue dans les panneaux photovoltaïques utilise du silicium monocristallin. Les rendements peuvent atteindre 24 % pour les meilleurs modules et environ 20 % pour les panneaux commerciaux standards. Cependant, plusieurs facteurs influencent le rendement, notamment le niveau d’ensoleillement, l’ombrage, la température, l’orientation et l’inclinaison des panneaux.
b) Le principe de l’effet photovoltaïque
Découvert par Antoine Becquerel en 1839, l’effet photovoltaïque repose sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs en contact avec le rayonnement solaire. Les semi-conducteurs, comme le silicium, contiennent des électrons qui, lorsqu’ils sont frappés par des photons solaires, absorbent leur énergie et se mettent en mouvement, créant une tension électrique.
Une cellule photovoltaïque est composée de deux couches de semi-conducteurs dopées différemment. Le dopage consiste à ajouter des impuretés pour créer un excès d’électrons (dopage N) ou un déficit d’électrons (dopage P). La jonction entre ces deux zones crée un champ électrique. Lorsque les photons sont absorbés, ils excitent les électrons, qui sont séparés des « trous » par le champ électrique. Les électrons se déplacent alors à travers un circuit extérieur, produisant un courant électrique.
c) La production et utilisation de l’électricité
Les panneaux envoient un courant continu à l’onduleur, qui le convertit en courant alternatif pour les appareils domestiques. Le foyer peut consommer l’électricité produite ou la réinjecter dans le réseau pour revendre l’excédent.
Les panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie solaire en électricité grâce aux semi-conducteurs, favorisant une production durable et respectueuse de l’environnement.
La durée de vie d’un panneau solaire
Selon l‘IEA, les installations de panneaux photovoltaïques ont une durée de vie estimée à 30 ans, avec une perte d’efficacité de 0,5 % par an. Les fabricants garantissent que la puissance des panneaux restera à 80 % de la valeur nominale pendant 25 à 30 ans, malgré une dégradation variable.
Les nouveaux modes de déploiement du photovoltaïque
Les nouvelles pratiques telles que l’installation de panneaux solaires verticaux sur les façades des bâtiments, l’intégration de systèmes agrivoltaïques sur les terres agricoles, et le déploiement de panneaux photovoltaïques flottants sur des étendues d’eau comme les lacs, visent à diversifier durablement l’utilisation des terres et des ressources, tout en augmentant la capacité de production d’énergie solaire de manière écologiquement et économiquement viable.
En somme, comprendre le fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques est la première étape vers une énergie propre et durable pour votre foyer ou votre entreprise. Prêt à franchir le pas vers l’avenir énergétique ? Contactez-nous dès aujourd’hui pour concrétiser votre projet !
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Sources de l’article :
- ¹ : solairepv.fr
- ² : IEA, Solar PV Global Supply Chains, juillet 2022.
- ³ : L’étude de l’IEA sur les systèmes photovoltaïques en France dans le cadre du programme PVPS (Photovoltaic Power Systems Programme).
/ https://www.ise.fraunhofer.de/en/publications/studies/photovoltaics-report.html