Tout le monde connaît les panneaux solaires photovoltaïques, mais savez-vous vraiment comment ils fonctionnent ?
Contrairement à ce que certains pensent, ce n’est pas la chaleur du soleil qui produit de l’énergie, mais bien la lumière de celui-ci. Tout cela est possible grâce à l’effet photovoltaïque.
Mais comment fonctionne cet effet et de quoi est composé un panneau photovoltaïque ? Nous vous répondons dans cet article.
En resumé :
- Un panneau photovoltaïque convertit la lumière du soleil en électricité, grâce à l’effet photovoltaïque.
- Il est composé de cellules en silicium protégées par une couche de verre trempé, un cadre en aluminium et plusieurs films isolants.
- Il existe 3 grandes familles de panneaux : monocristallin, polycristallin et amorphe.
- Il existe aussi plusieurs technologies solaires, comme les panneaux PERC, TOPCon ou encore bifaciaux .
- La durée de vie d’un panneau se situe entre 25 à 30 ans en moyenne.
Qu’est-ce qu’un panneau photovoltaïque ?
Définition et caractéristiques principales
Un panneau solaire est un équipement qui sert à transformer la lumière du soleil en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
Le panneau est composé de cellules photovoltaïques, conçues à base de silicium, un matériau semi-conducteur essentiel dans le bon fonctionnement d’un panneau solaire.
Les panneaux solaires peuvent être placés à différents endroits :
- Sur votre toiture
- Au sol
- Sur la façade de votre maison
- Sur le toit d’un bâtiment secondaire (carport, véranda, pergola, abri de jardin, etc.)
L’option la plus répandue est la pose sur toiture. Ceci s’explique par le fait qu’elle offre généralement une meilleure exposition au soleil et permet un encombrement réduit et discret.
Photovoltaïque, thermique, hybride : quelles différences ?
Il existe trois types de panneaux solaires, qui se distinguent par leur fonctionnement et leur objectif :
- Les panneaux photovoltaïques
- Les panneaux thermiques
- Les panneaux hybrides
Les panneaux photovoltaïques
Comme nous l’avons évoqué précédemment, les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité à partir des rayons du soleil, grâce à l’effet photovoltaïque. Nous avons déjà expliqué en détail leur fonctionnement dans cet article, passons donc directement à la famille suivante de modules solaires.
Les pannneaux thermiques
Les panneaux thermiques captent eux aussi l’énergie contenue dans les rayons du soleil, mais la convertissent en chaleur, pas en électricité. Cette chaleur est ensuite transmise à un liquide caloporteur (« qui transporte de l’énergie »), qui l’amène via des tuyaux jusqu’à soit :
- Un équipement de chauffage et de stockage de l’eau chaude sanitaire. Ce système est appelé Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI).
- Un équipement de chauffage du foyer qui fonctionne grâce à l’eau chaude. Il peut s’agir par exemple de radiateurs à eau ou d’un plancher chauffant.
- Des équipements assurant à la fois la production de chaleur pour le foyer et pour l’eau sanitaire : il s’agit alors d’un Système Solaire Combiné (SSC).
Une fois la chaleur transmise à l’équipement de chauffage, le liquide caloporteur retourne vers le panneau solaire via un circuit fermé de tuyauterie et recommence son cycle.
Les panneaux hybrides
Les panneaux hybrides sont un mix des deux technologies présentées ci-dessus. Ils permettent donc de produire à la fois :
- De l’électricité grâce à la présence de cellules photovoltaïques sur leur face exposée au soleil.
- De la chaleur grâce aux capteurs qui retiennent l’air chaud circulant sous sa face arrière et qui le transmettent aux équipements de production de chauffage ou d’eau chaude sanitaire.
À NOTER
Il existe deux types de modules solaires hybrides :
– Les panneaux hybrides aérovoltaïques, qui produisent de l’électricité et de l’air chaud
– Les panneaux hybrides à eau, qui produisent de l’électricité et de l’eau chaude
Découvrez notre guide pour tout connaître sur les panneaux solaires hybrides.
Comment fonctionne un panneau photovoltaïque ?
L’effet photovoltaïque expliqué simplement
L’effet photovoltaïque, sur lequel est basé le fonctionnement des panneaux du même nom, a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel.
Celui-ci remarque que les photons présents dans la lumière dégagent de l’énergie et qu’ils peuvent produire une tension électrique lorsqu’ils entrent en contact avec un matériau semi-conducteur.
En bref :
- Les photons (des particules présentes dans la lumière du soleil) frappent un matériau semi-conducteur qui est le silicium;
- Ils arrachent à l’atome de silicium un autre type de particule : les électrons ;
- Le mouvement de ces électrons crée un courant électrique continu.
Du rayonnement solaire à l’électricité : les étapes clés
Mais alors, comment fonctionne exactement un panneau solaire photovoltaïque ?
Si ces modules fonctionnent à la lumière du soleil, c’est parce qu’elle contient des photons, des particules élémentaires qui frappent les panneaux solaires.
L’intérieur des panneaux est constitué de cellules photovoltaïques. Celles-ci comportent deux bornes à base de silicium dopé, l’une négativement et l’autre positivement.
Lorsque les photons traversent la vitre du panneau solaire, ils perturbent les électrons présents dans le silicium.
Ceci va alors se mettre en mouvement vers la borne positive, et créer un courant électrique.
Le rôle indispensable de l’onduleur
Les panneaux solaires produisent de l’électricité, mais celle-ci est en courant continu.
Or, pour pouvoir utiliser l’électricité afin d’alimenter le foyer et vos appareils électriques, il faut que celle-ci soit en courant alternatif.
C’est ici qu’intervient l’onduleur. Celui-ci est placé entre vos panneaux et votre tableau électrique. Il se charge de transformer le courant continu en courant alternatif, avant de le renvoyer vers le tableau électrique.
Si l’onduleur central est le modèle le plus répandu, il existe également des micro-onduleurs, qui se connectent à 1, 2 ou 4 panneaux à la fois et qui transforment directement l’électricité produite par ces panneaux.
La composition d’un panneau photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques en silicium
Comme nous venons de l’expliquer, le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque est rendu possible grâce à la présence de silicium, le matériau semi-conducteur qui compose les cellules photovoltaïques du module.
Pour être efficace, le silicium est dopé. L’objectif est de créer deux pôles :
- Une borne N (Negative) en ajoutant du phosphore, ce qui va créer un surplus d’électron.
- Une borne P (Positive) , en ajoutant du bore, ce qui va créer un surplus de protons.
Une zone de jonction P-N est ajoutée, permettant aux électrons déstabilisés de se diriger vers la couche P, afin de créer un courant électrique.
À NOTER
Plus de 95 % des matériaux utilisés dans la fabrication d’un panneau photovoltaïque sont entièrement recyclables. Nous vous disons tout sur le recyclage des panneaux solaires.
Les autres couches : verre, EVA, cadre, backsheet
En plus du silicium, un module solaire photovoltaïque comporte plusieurs couches techniques, conçues pour protéger les cellules, augmenter la durée de vie du panneau ou son efficacité.
Dans la face avant, nous retrouvons :
- Le verre trempé, qui sert de protection ;
- Le premier film EVA, qui scelle les cellules au verre ;
- Les cellules photovoltaïques.
Dans la face arrière, on retrouve :
- Un deuxième film EVA;
- La feuille de dos (backsheet) qui protège les panneaux de l’humidité et isole le circuit électrique ;
- Le cadre en aluminium.
Les différents types de panneaux photovoltaïques
Le photovoltaïque a connu de nombreuses avancées technologiques depuis sa création, au point ou on peut trouver désormais plusieurs types de panneaux photovoltaïques. Si un modèle se distingue, il reste important de connaitre les différences entre les technologies.
Le monocristallin : le standard actuel du marché
Les cellules monocristallines sont composées d’un seul cristal de silicium. Cette composition monobloc lui confère une couleur très homogène presque noire. Ce point permet de les distinguer des panneaux polycristallins, qui sont plutôt bleutés.
Le panneau monocristallin est le module qui présente la plus grande rentabilité, environ 18 à 23%, ce qui en fait le modèle le plus répandu du marché.
Le polycristallin : l’historique en perte de vitesse.
Les panneaux polycristallins sont quant à eux composés de plusieurs cristaux distincts de silicium. Leur aspect est bleuté et peu homogène.
Le rendement des capteurs polycristallins est plus bas que celui des monocristallins, avec une performance qui tourne plutôt autour de 14 à 17%.
Ils présentent par contre l’avantage d’être moins chers. Ce dernier point est toutefois à remettre en perspective à cause de leur rentabilité plus faible, due à un rendement et une puissance bien moins élevés que ceux des modules monocristallins.
L’amorphe et les technologies alternatives
Les panneaux solaires amorphes sont composés d’une seule couche très fine de silicium. Cette caractéristique, qui leur a valu leur appellation de « panneaux solaires à couche mince », leur permet d’être très légers, pliables et faciles à fabriquer.
On utilise ce type de panneau pour les modèles souples ou nomades. Mais le rendement de ces panneaux est plus faible que celui des deux modules présentés plus haut.
Enfin, on retrouve différentes technologies et cellules photovoltaïques depuis quelques années. Comme :
- Les panneaux PERC, où on rajoute une couche passive à l’arrière qui renvoie les photons vers les cellules solaires, augmentent le rendement des panneaux.
- Les panneaux TOPCon, intégrant une couche d’oxyde fine qui filtre les électrons et augmente le rendement des panneaux.
- Les panneaux bi-verres ou bifaciaux , avec une couche arrière en verre transparent, pour augmenter la lumière reçue par le panneau grâce à la réverbération
Les facteurs qui influencent le rendement d’un panneau
Le rendement d’un panneau photovoltaïque ne dépend pas uniquement de sa technologie. Plusieurs facteurs extérieurs entrent en jeu et peuvent faire varier la quantité d’électricité produite par un module.
L’orientation, l’inclinaison et l’exposition
Pour produire un maximum d’électricité, un panneau photovoltaïque doit recevoir le plus de lumière solaire possible tout au long de la journée.
En France, les conditions d’installation idéales sont souvent:
- Une orientation plein sud
- Une inclinaison entre 30 et 35°
À NOTER
Il s’agit de valeurs de référence, mais il est possible de faire varier l’incinération ou encore l’orientation selon la situation géographique.
L’ombrage et la température
Deux facteurs sont souvent sous-estimés lors de l’installation d’un panneau photovoltaïque : l’ombrage et la chaleur.
Un ombrage ,même partiel, peut avoir un fort impact sur la production d’un panneau. Une cellule à l’ombre agit comme un frein sur l’ensemble du circuit électrique. Pour cette raison, il est essentiel de vérifier l’absence d’obstacles (comme une cheminée, un arbre, un bâtiment voisin) avant toute installation.
Ensuite, la température est souvent négligée par les particuliers, et pour cause : peu le savent, mais une chaleur excessive va réduire la production d’électricité. On estime que la plage de fonctionnement idéale d’un panneau solaire se situe entre 20°C et 25°C. Au-delà, les performances de celui-ci baissent.
Durée de vie et entretien
Une longévité de 25 à 30 ans en moyenne
Les panneaux solaires photovoltaïques durent en moyenne entre 25 et 30 ans, et jusqu’à 45 ans pour les meilleurs modèles.
En règle générale, les performances d’un panneau solaire se dégradent d’année en année, c’est pourquoi les producteurs mentionnent également des garanties de performances comme “80% après 25 ans”.
Les panneaux solaires comportent également une garantie produit, qui couvre les défauts de fabrication, généralement sur une durée de 10 à 15 ans.
Quel entretien minimal pour préserver le rendement ?
Bonne nouvelle : les panneaux photovoltaïques ne demandent que très peu d’entretien !
Pour préserver leurs performances dans le temps, nous vous recommandons de :
- Nettoyer les modules à l’eau claire, 1 à 2 fois par an, selon votre environnement.
- Surveiller votre production régulièrement via les applications de monitoring des onduleurs pour repérer toute anomalie.
À NOTER
Il est déconseillé d’utiliser des produits chimiques agressifs qui pourraient abîmer la surface du panneau. Pour en savoir plus, vous pouvez découvrir notre article sur le nettoyage des panneaux solaires.
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