La chaîne énergétique d’une installation solaire désigne l’ensemble des étapes menant à la conversion de la lumière en électricité.
Ceci implique différents équipements : pas uniquement les panneaux solaires, mais aussi des raccordements, l’onduleur, les régulateurs ou solutions de stockage s’il y en a, jusqu’à l’utilisation de l’électricité.
Comprendre cette chaîne énergétique et ces étapes est essentiel afin d’optimiser au maximum le rendement de selon installation et le rôle de chaque composant.
Qu’est-ce qu’une chaîne énergétique photovoltaïque ?
Définition de la chaîne énergétique
Pour transformer le rayonnement du soleil en électricité, une série de conversions a lieu. Pour définir ce processus, on utilise le terme de chaîne énergétique.
Lorsque le rayonnement solaire frappe des panneaux solaires photovoltaïques, une série de réactions a lieu :
- La captation de la lumière par les panneaux via les cellules photovoltaïques
- La conversion en électricité
- Le transport de cette électricité à un onduleur qui se charge de convertir le courant
- Le stockage dans une batterie solaire (optionnelle)
- Et enfin l’utilisation de l’énergie par le foyer
Voici un schéma afin de visualiser au mieux les étapes de la chaîne énergétique dans son ensemble :
Distinction avec les autres systèmes solaires
Il existe deux types de systèmes solaires qui convertissent le rayonnement du soleil en énergie :
- Les panneaux solaires photovoltaïques qui produisent de l’électricité
- Les panneaux solaires thermiques qui produisent de l’eau chaude
Les panneaux thermiques fonctionnent différemment des panneaux photovoltaïques. Ceux-ci captent le rayonnement solaire afin de faire chauffer des capteurs thermiques, contenant un fluide dit “caloporteur”. Après avoir emmagasiné la chaleur du soleil, ce fluide se dirige vers un ballon d’eau.
Le principe de transfert de chaleur permet alors au fluide de libérer sa chaleur et faire chauffer l’eau contenue dans le ballon. Il est ensuite renvoyé dans les capteurs thermiques, et le cycle recommence.
Pour les propriétaires intéressés par la production solaire d’eau chaude et d’électricité, il existe des panneaux solaires dits hybrides, qui combinent les deux systèmes en un module.
Les étapes de la chaîne énergétique d’un panneau photovoltaïque
Voyons en détail les différentes étapes de la chaîne énergétique.
Capture de l’énergie solaire
Les panneaux solaires fonctionnent grâce au rayonnement du soleil. Celui-ci, contrairement à la lumière artificielle, est chargé en photons, des particules élémentaires. La production d’énergie a lieu à partir du moment où le photon frappe la surface du panneau, ou plus précisément la surface d’une cellule solaire.
Conversion de l’énergie lumineuse en électricité
Les panneaux solaires fonctionnent comme une pile : ils possèdent deux pôles de silicium dopés : l’un négativement et l’autre positivement. Lorsque les photons de la lumière du soleil frappent les panneaux, ceux-ci arrachent des électrons de la couche négative, qui sont naturellement attirés par le pôle positif. Le transfert de ces électrons d’une borne à l’autre crée alors de l’électricité, qui est envoyée à l’onduleur.
Transformation du courant continu en courant alternatif
Lorsque les panneaux solaires produisent de l’électricité, le flux circule alors en courant continu. Or, le réseau électrique ainsi que les habitations utilisent le courant alternatif. C’est à ce moment que l’onduleur entre en jeu. Celui-ci va transformer le courant continu en courant alternatif, et permettre d’adapter la tension, la puissance et la fréquence du courant aux normes françaises.
Distribution et utilisation de l’électricité
Après être passé par l’onduleur, l’électricité peut :
- Être directement autoconsommée par le foyer via les appareils électriques
- Être injectée dans le réseau électrique si vous avez souscrit à une option d’achat
- Être stockée dans des batteries solaires, si vous souhaitez la réutiliser plus tard
Les composants clés de la chaîne énergétique
Les cellules photovoltaïques
Le premier élément nécessaire à la conversion de la lumière en électricité est la cellule photovoltaïque. Celle-ci est l’élément clé qui compose les panneaux solaires. Une cellule photovoltaïque est conçue en silicium, qui peut être monocristallin ou polycristallin. C’est au cœur de celle-ci qu’a lieu l’effet photovoltaïque qui transforme la lumière en électricité. La puissance et le taux de performance d’une cellule varient selon sa technologie et son rendement.
Le module photovoltaïque (panneau solaire)
Le module photovoltaïque désigne le panneau solaire. Il s’agit d’un ensemble de cellules photovoltaïques assemblés par des points de jonction. Ceux-ci sont ensuite protégés par une plaque de verre trempée par le dessus afin de protéger le panneau des intempéries. Dans le cas des panneaux bi-verre, l’arrière est également renforcé par une seconde plaque de verre.
La durée de vie d’un panneau solaire varie, allant de 30 à 50 ans pour les modèles les plus performants.
L’onduleur – le convertisseur indispensable
L’onduleur est en quelque sorte le pont entre votre installation et le réseau de la maison. Il transforme le courant continu en courant alternatif afin de permettre à l’électricité d’alimenter les appareils du foyer.
Il existe différents modèles d’onduleurs :
- L’onduleur à chaîne (le modèle central classique)
- Le micro-onduleur
- L’onduleur hybride
Selon son type et sa puissance, l’onduleur coûte entre 800 et 2 000 euros et affiche une durée de vie de 10 à 15 ans.
Les batteries de stockage (optionnel)
Les batteries permettent de stocker l’énergie en surplus produite pour l’utiliser plus tard, notamment le soir. Elles augmentent l’autonomie énergétique du foyer et réduisent ainsi la dépendance au réseau. Plusieurs technologies de batteries solaires existent, mais les batteries au lithium, de type lithium-ion ou LiFePO4 sont reconnues comme offrant les meilleures performances de stockage et de restitution d’électricité.
Les pertes énergétiques dans la chaîne
L’énergie thermique dissipée
En plus des pertes d’énergie prévisibles dues au transport de l’énergie ou encore à l’onduleur, des déperditions ponctuelles ou occasionnelles peuvent se produire.
Les panneaux, exposés au soleil, chauffent et peuvent même surchauffer. Or, ceux-ci affichent une température de fonctionnement idéale de 25 degrés, au-dessus de laquelle l’efficacité et les performances d’une cellule photovoltaïque baissent.
Les panneaux solaires hybrides sont un moyen ingénieux de lutter contre cette surchauffe des panneaux, tout en utilisant cette chaleur afin de chauffer de l’eau.
Optimisation du rendement global
Des facteurs externes influencent également le rendement global de l’installation.
Les conditions climatiques sont parmi les plus importantes. En cas de ciel brumeux, nuageux ou encore en cas de pluie, le rayonnement solaire se réduit, ce qui entraîne une baisse de la production électrique des panneaux.
Un bon entretien est également important puisqu’en nettoyant la surface des panneaux régulièrement (une à deux fois par an) vous évitez l’accumulation de poussière et autres résidus qui peuvent, à terme, mener à une baisse de rendement importante des panneaux.
Enfin, l’orientation joue un grand rôle dans le rendement et l’efficacité de l’installation. Les panneaux solaires orientés plein sud (en France métropolitaine) bénéficient de la meilleure orientation afin de profiter au maximum du rayonnement solaire.
Schématiser la chaîne énergétique d’un panneau photovoltaïque
Comment réaliser un schéma énergétique
Il n’existe pas de règle fixe afin de réaliser un schéma énergétique pour une installation photovoltaïque.
Pour ce faire, on utilise différents symboles :
- Des rectangles et des cercles
- Des flèches
- Des codes couleurs
- Des indications (de type CC/CA)
Voici par exemple un schéma type que nous avons réalisé :
La lumière du soleil est représentée par des flèches jaunes. Celles-ci pointent vers les panneaux solaires, représentés par plusieurs petits rectangles, mais il est possible d’utiliser un grand rectangle unique.
Une flèche horizontale représente le courant électrique. Celle-ci part des panneaux vers un rectangle avec une inscription “CC/CA” pour courant continu et courant alternatif. Ce rectangle désigne donc clairement l’onduleur. Dans le cas où des batteries sont installées, une quatrième flèche peut partir de l’onduleur vers un rectangle désignant la batterie de stockage.
Enfin, il est possible de représenter une flèche partant de l’onduleur vers le réseau de la maison.
À NOTER
Dans le cas où vous souhaitez indiquer des pertes d’énergie possibles, celles-ci sont représentées sous la forme de courtes flèches pointant vers le haut ou vers le bas.
Les différentes formes d’énergie impliquées
Dans une installation photovoltaïque, plusieurs formes d’énergie interviennent tout au long de la chaîne.
D’abord, on retrouve l’énergie lumineuse, produite par le rayonnement solaire. Ce sont les photons eux-mêmes qui déclenchent la production électrique lorsqu’ils frappent la surface du panneau.
Cette énergie est ensuite convertie en énergie électrique. Elle circule d’abord en courant continu (CC) depuis les panneaux, avant d’être transformée en courant alternatif (CA) par l’onduleur pour alimenter le foyer ou être injectée sur le réseau.
Enfin, une petite partie de l’énergie solaire est perdue sous forme d’énergie thermique. La montée en température du panneau entraîne des déperditions naturelles, ce qui explique pourquoi les panneaux produisent légèrement moins lorsqu’ils chauffent trop.
Les avantages de la chaîne énergétique photovoltaïque
Production d’énergie renouvelable
L’énergie solaire permet de produire et de consommer une énergie qui ne produit pas de gaz à effet de serre. Celle-ci contribue ainsi à la transition énergétique des foyers, mais également des entreprises qui souhaitent verdir leur image.
Économies et rentabilité
L’installation photovoltaïque affiche une rentabilité d’environ 300% de l’investissement initial. En moyenne, il faut entre 8 et 12 ans pour rentabiliser un système photovoltaïque. Une fois le retour sur investissement réalisé, toute l’énergie produite et consommée est gratuite.
Sachant que des panneaux solaires possèdent une durée de vie comprise entre 30 et 40 ans, cela équivaut à environ 23 ans d’énergie gratuite.
Faible maintenance
L’autre avantage des panneaux solaires est le faible entretien nécessaire. Seul un nettoyage annuel ou biannuel est nécessaire afin d’éviter une baisse de rendement.
Les batteries au lithium ne nécessitent qu’un dépoussiérage annuel, alors que celles au plomb demandent le remplissage des électrolytes.
Cas particuliers et configurations avancées
Les panneaux solaires hybrides
Les panneaux hybrides combinent deux technologies, thermiques et photovoltaïques, en un seul module : ils produisent de l’électricité et de la chaleur.
L’idée est simple : récupérer la chaleur habituellement dissipée par les panneaux classiques pour l’utiliser, par exemple, pour chauffer l’eau sanitaire.
Ces panneaux hybrides ont également un autre avantage : en utilisant la chaleur produite par les panneaux, le système thermique évite la surchauffe, et augmente ainsi le rendement global du panneau.
Les systèmes autonomes (off-grid)
Le terme off-grid désigne un système fermé. Ces installations fonctionnent entièrement sans raccordement au réseau électrique. Toute l’énergie produite est donc destinée à être consommée directement ou stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure.
Ces systèmes nécessitent un dimensionnement très précis, puisqu’il faut couvrir les besoins du foyer même en l’absence de soleil (nuits, mais aussi journées couvertes et périodes hivernales…).
Les installations en autoconsommation avec revente du surplus
Ce type d’installation permet de consommer l’électricité produite par les panneaux et d’injecter automatiquement le surplus non utilisé sur le réseau.
L’objectif est simple : maximiser l’autoconsommation pour réduire sa facture, tout en profitant de revenus complémentaires grâce à la revente.
Les installations en autoconsommation sont éligibles à EDF OA (obligation d’achat) qui pratique un prix d’achat trimestriel fixe.
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