Les panneaux photovoltaïques  existent en plusieurs technologies et peuvent être constitués par différentes cellules:

Les cellules monocristallines, avec un rendement les plus élevés (19-24 %) mais un prix plus élevé.

Les cellules polycristallines, avec un faible rendement (14 - 16 %) mais un prix de revient un peu plus bas.

Les cellules au silicium amorphes, avec un rendement faible, (env 5%) mais permet de produire de l’électricité sous faible luminosité, coût faible à moyen.

D’autres cellules de technologies différentes  sont utilisées mais sont minoritaires sur le marché notamment :

Cellules Perowskite: ces cellules font beaucoup parler d’eux pour leur performances, mais leur développement n’en est qu’au stade du prototype, car plusieurs point faibles (dégradation intrinsèque, sensibilité à l’humidité etc… ) limitent encore leur développement à grande échelle.

Cellules au tellurure de cadmium (CdTe) mais problème de pollution au métaux lourds.(En voie de disparition)

Cellules au séléniure de cuivre. (En voie de disparition)

Cellule au  séléniure d'indium (CuIn(Se)) ou  Indium Gallium , CuInGa(Se). Problème d’utilisation de métaux rares et stratégiques.(En voie de disparition)

Cellules à colorant ( Cellules de Graetzel - EPFL Lausanne) qui travaillent sur le principe de la photo synthèse pour produire de l’électricité, rendement encore très faible, durée de vie limitées et prix élevé.

Un panneau photovoltaïque est constitué de cellules photovoltaïques, pour les capteurs à cellules mono-cristallines et multi-cristallines, il s’agit d’une plaque de silicium  très mince et fragile (< 0,5 mm d’épaisseur) qui sont inter connectées entre elles comme des piles. Ces cellules sont laminées ent une plaque de verre et une feuille de polymère blanche ou noir,  vont produire un courant électrique continu lorsqu’elles sont éclairées par de la lumière.

Les panneaux photovoltaïques sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides et minces (quelques centimètres d’épaisseur), pour une surface de l’ordre de 1,6 à 2.3 m2, et une masse de l’ordre de 20 kg.

Divers éléments (branchements électriques, fixations, cadre pour assurer une étanchéité et l’encapsulation) sont inclus dans le panneau. 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.

Dans un panneau, le rendement est un peu plus faible que celui des cellules individuelles qui les constituent, du fait des pertes électriques internes et des surfaces couvertes (bande de contacte).

La puissance crête d’un panneau photovoltaïque se situe donc entre 180 et 220 W/m2 ,soit un rendement max entre 18 et 25 %, (les fabricants annonçant environ 25 % pour leurs meilleurs panneaux), ce qui donne une puissance crête, en 2025, entre 350 et 500 W par panneau, selon ses caractéristiques et sa taille.

Cette puissance est disponible 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 de panneau et du branchement des cellules. Elle est de l’ordre de 12 à 100 volts par panneau.

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

Certains fabricant annoncent plus que 35 ans, voir 50 ans, mais il s’agit toujours d’extrapolations sur des tests fait en labo sur quelques semaines, c’est donc sujet à caution d’autant plus que certains de ces fabricants ont déjà disparu de la circulation…

Un module photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son coût de démantèlement, quoi que faible par rapport à l’énergie atomique, reste encore un point sensible du fait que les filières de recyclages qui se prétende l’être ne permettent pas la réutilisation des composantes en haut de la chaîne de production des panneaux.

En ce qui concerne les coûts d’exploitation, il faut impérativement y inclure le nettoyage des panneaux, le changement des onduleurs (durée de vie pas garantie à 25 ans !), les assurances  bâtiment (ECA pour la Suisse), la surveillance des performances et l’éventuel changement d’un capteur défectueux ou endommagé à cause de mauvaise pratique de montage ou de la grêle

Dans une installation photovoltaïque, pour être parfaitement conséquent, il faut tenir compte des différentes pertes présentes dans ces installations  Notamment :

Pertes de performance

Comme les cellules photovoltaïques sont constituées de semi conducteurs, elles vont vieillir avec le temps avec en moyenne une perte de  rendement d’env 20 %  en 20 ans, ce qui veut dire qu’une installation photovoltaïque de 10 kWp ne produira, après 20 ans, plus que 8 kWp.

Perte 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.

Perte par ombrage total (poussières ou saletés)

Leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque (Perte entre 3-6 %).

Perte dû à la dispersion de puissance nominale des panneaux

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 donnée par le fabricant, (perte entre 5 et 6 %).

Pertes de connexions

La connexion entre modules de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à puissance réduite. Elle augmente avec le nombre de modules en série et en parallèle.(Perte de 3 %).

Pertes angulaires ou spectrales

Les modules photovoltaïques sont spectralement sélectifs (lumière verte et bleu), la variation du spectre solaire affecte le courant produit 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 (résistance parasite)

Les chutes ohmiques se caractérisent par les chutes de tensions dues au passage du courant dans un conducteur de matériaux et de sections 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, la couleur des matériaux et la vitesse du vent (perte entre 5 % et 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 ( Perte de env. 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 (perte de env 3 %).

L’énergie réellement captée par un module dépend de la surface et de la puissance nominale du panneau, mais aussi de son orientation et de son ensoleillement.

Une carte de l’ensoleillement  (www.meteonorm.com) indique quelle énergie le soleil fournit en fonction de la localisation géographique.

Selon le rendement des capteurs, il est alors possible d’évaluer la quantité d’énergie électrique qu’il sera possible de produire.

Comme beaucoup de variables interviennent selon la latitude, la saison, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc. chaque installation, chaque site d’implantation  doit être étudié  spécifiquement.

Une règle de calcul simplifiée, basée sur une évaluation globale et statistique, indique qu’en Europe et en Suisse, chaque kWc de puissance capteur installé permet la production d’un peu moins de 1000 kWh d’énergie électrique sur l’année.

Par exemple, une installation déclarée avec 5 kWc (entre 12 et 15 panneaux) orienté plein sud produira env 5’000 kWh d’électricité par an.

Les entreprises qui vous affirment en produire plus avec leur installation doivent vous donner une garantie de production signée et datée, vous notifier le montant de remboursement si les valeurs ne sont pas atteintes et…. vous certifier qu’ils ne ferons pas faillite dans les années qui suivent.

Production électrique estimée avec le photovoltaïque

Références :

Performances et pertes de production

PV = PhotoVoltaïque

Capteur solaire thermique
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