Capteur solaire photovoltaïque

Module solaire photovoltaïque

Module PV vu de près

Un capteur solaire photovoltaïque est un module photovoltaïque qui fonctionne comme un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, qui sert de module de base pour les installations photovoltaïques et notamment les centrales solaires photovoltaïques.

Modules solaires photovoltaïques sur Cariñena, Espagne.

Toute connexion des panneaux solaires au réseau électrique nécessite un onduleur et un compteur séparé en cas de revente.

Caractéristiques

Les modules sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides et minces (quelques centimètres d’épaisseur), dont la longueur et la largeur sont de l’ordre du mètre, pour une surface de l’ordre du mètre carré, et une masse de l’ordre de 20 kilogrammes. 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 module à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l’élément le plus cher du module, 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 ; le rendement (par mètre carré) du module complet est plus faible d’environ 10 à 15 % que celui de chaque cellule. 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 modules et du branchement des cellules. Elle est de l’ordre de 10 à 100 volts.

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 le paragraphe « pertes de production ») ;
• 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 est d’environ 2 €/Wc et ce prix baisse régulièrement, la cible étant de 1 €/Wc, prix où l’énergie photovoltaïque devient compétitive avec les ressources fossiles^[1]).

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, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc. En Europe, chaque Wc permet la production d’environ 1 kWh 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 est d'environ vingt à trente ans.

Procédés techniques

Ce sont les modules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisés, suivis de ceux à base de tellurure de cadmium (principalement utilisés dans les 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 cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe en plastique ou en verre.
• 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 un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
• 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 kWc (kilowatt 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 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.

La technique du silicium monocristallin autorise la production d'électricité même par faible ensoleillement, par temps nuageux ou couvert.

Production

L’analyse de 172 installations du programme pionnier en Europe « 1 000 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^[2]. 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 0,4-0,95 kWh/Wc (Allemagne) et 0,5-1,4 kWh/Wc (Suisse)^[3]. 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 différentes.

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).

 : 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^[4].

À 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^[5] ; 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’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)

Toutefois, les valeurs réelles peuvent être bien plus faibles.

Pertes

Thermographie de modules photovoltaïques combinant un problème de cellule et une ombre portée^[6].

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 %)^[7]

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^[8],[9].

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 en moyenne 0,4 % de production par degré supérieur à la température standard (25 °C en conditions standard de mesures STC). 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 rendement DC/AC de l'onduleur 

l'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement en fonction de la puissance d’opération.(~ 6 %)^[10]

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 %).

Entretien

Les modules photovoltaïques doivent être entretenus en étant périodiquement nettoyés. Quand les modules sont insérés dans le bâti, l'architecte doit 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)^[11]) 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 ^[12]. Une caméra infrarouge haute résolution gyro-stabilisée emportée par les drones montrent aux opérateurs distants d’éventuels défauts des circuits^[11]. L’autonomie du drone est encore très limitée, et son passage est coûteux (2.000 et 4,000 €/jour) mais ces deux défauts sont économiquement compensés par sa maniabilité et sa rapidité d'intervention^[11].

Applications

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…), 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 livrés par les modules. De nombreux constructeurs ont également développé des lampadaires solaires fonctionnant à partir de modules 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. 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 récente (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 les autres sources d'énergies traditionnelles^[13].

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)^[14]. On citera la norme C15712-1 pour les installations raccordées au réseau et la C15712-2 en cours de rédaction pour les installations des sites isolés (avec stockage d'énergie par batterie)^[15]. Parallèlement, la norme C15-100 reste valable et applicable en particulier sur la partie AC. La particularité d'une installation PV 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.

Économie

Fabricants

Parmi les fabricants les plus importants de modules solaires, on peut citer en 2011 : Centrosolar, Solon-Microsol et Q-Cells (Allemagne), Sharp, Kyocera et Sanyo (Japon), Sunpower (France), Quantum Solar (Philippines), First Solar (États-Unis) et de nombreux fabricants chinois, notamment : Suntech Power, JA Solar, Trina Solar et Upsolar.

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 anglo-américaines BP Solar et Astropower, et du groupe italien Kerself SpA. 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. On peut aussi citer Photowatt, firme française qui était présente à Bourgoin-Jallieu (Isère) avec plus de 400 salariés, mais qui a déposé le bilan en novembre 2011, ainsi que deux filiales de Total, Sunpower et Tenesol, qui ont deux usines de fabrication de panneaux solaires en France.

Le Japon est lui-même un des plus grands consommateurs de panneaux solaires, mais largement dépassé par l'Allemagne^[1].

Coût du kWh

Le coût 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 coût 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 %).

On obtient alors une formule assez simple, puisqu'une installation qui aurait coûté 1 € par Wc et produisant 1 kWh par an et par Wc aurait alors un coût de base de 0,1 € par kWh^[16], le prix du kWh étant ensuite proportionnel au prix d'achat (c.a.d., le triple si l'installation a coûté 3 € par Wc) et inversement proportionnelle à la productivité (par exemple, la moitié si l'installation produit 2 kWh par Wc et par an, le double si elle ne produit que 0,5 kWh par Wc et par an).

Ainsi, en Belgique où on peut tabler sur une installation à 4 € par Wc (installation domestique) et une productivité de 0,9 kWh par Wc (Cf. supra), le kWh photovoltaïque revient à 0,1 x 4 / 0,9 = 0,44 €. La même installation dans les meilleures conditions possibles (dans le désert d'Atacama) produirait un kWh à 0,17 €.

Prix de vente de l’électricité en France

En France, l’arrêté du 4 mars 2011 fixe « les conditions d'achat de l'électricité produite par les installations utilisant l'énergie radiative du soleil »^[17]. Le tarif (en centimes €/kWh hors TVA) est calculé à partir de plusieurs variables. L’article 2 donne les principales caractéristiques du contrat d’achat :

• nombre et type de générateurs ;
• intégration ou pas au bâti ;
• puissances (puissance crête installée et puissance électrique active maximale de fourniture)
• production moyenne annuelle estimée ;
• tension de livraison.

Suite à l’arrêté du 4 mars 2011, les prix d'achats sont en France réévalués chaque trimestre par la Commission de régulation de l'énergie (CRE) en fonction de la puissance installée le trimestre précédent. À titre d'exemple, le prix d’achat du kWh photovoltaïque pour les particuliers (puissance inférieure à 9 kWc) qui était de 58 c€/kWh à la fin 2010, a baissé progressivement jusqu'à atteindre 37 c€ au deuxième trimestre 2012^[18] puis 34,15 c€ au quatrième trimestre 2012^[19], 29,1 c€ au 4^e trimestre 2013^[20] et 25,8 c€ au 3^e trimestre 2015^[21].

Comparaison du coût de l'électricité photovoltaïque avec celui d'autres énergies

Bilan énergétique (de la fabrication au recyclage)

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

Une directive européenne de 2012 impose maintenant que les DEEE (déchets d’équipements électriques et électroniques) soient recyclés lorsqu'ils sont démantelés. Les onduleurs sont concernés depuis 2005 et une modification de la directive a ajouté (le 13 août 2012) les modules photovoltaïques à la liste des produits électroniques à recycler en fin de vie^[22]. Elle sera traduite en France avec un peu de retard, par un décret^[23] ; ce décret s'appliquera en deux étapes et impose une collecte gratuite, encourage le réemploi et fixe des exigences pour l'exportation d'EEE usagés.

Plusieurs organisations préparent en France le recyclage des panneaux en fin de vie, dont :

• le CERES^[24], une association fondée en 2011 et basée à Paris. En septembre 2013, le CERES a stoppé son activité de recyclage mais PV Cycle s'est engagé à reprendre les obligations que le CERES a ainsi abandonné^[25] ;
• PV Cycle^[26], une association créée à Bruxelles en 2007.

Les panneaux ont une durée pouvant dépasser vingt-cinq ans. Le temps de retour énergétique est difficile a évaluer puisqu'il dépend du taux d'ensoleillement, de l'inclinaison du toit et de son orientation mais aussi du contrat signé avec son fournisseur.

Ressources employées et recyclage

Les panneaux solaires photovoltaïques contiennent plusieurs métaux rares, dont le recyclage devrait être largement développé :

• l'argent (Ag) : dans les capteurs de technologie silicium cristallin ;
• l'indium (In) : dans les technologies silicium amorphe, CIS, CIGS ;
• le gallium (Ga) : dans les technologies CIGS, cellules à haut rendement ;
• le germanium (Ge) : dans les technologies silicium amorphe, cellules à haut rendement^[27].

Dans l'Union européenne, depuis le 13 août 2012, tout panneau solaire photovoltaïque en fin de vie est juridiquement considéré comme un DEEE et doit être géré comme tel^[28]. Avant de traduire cette obligation dans le droit français, l’État français a ouvert une consultation publique relative à plusieurs textes sur les D3E (dont panneaux photovoltaïques)^[28],[29].

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Cellule photovoltaïque
• Panneau solaire
• Panneau photovoltaïque à concentration
• Sphère de Dyson

Liens externes

• Cours photovoltaïque par GuidEnR, source d'informations techniques sur l'énergie photovoltaïque
• Fiche technique sur le solaire photovoltaïque par l'association EDEN [PDF]
• Site collectant les données de productions d'un grand nombre d'installations pour suivre l'évolution de leur production d’électricité au fil des ans
• Article photovoltaïque sur Ékopédia
• (en) International Energy Agency Photovoltaic Power System Programme - Groupe photovoltaïque de l'agence internationale de l'énergie

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