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Le photovoltaïque c’est quoi ?
Les systèmes photovoltaïques transforment directement la lumière du soleil en électricité, et ce silencieusement et sans pièce mécanique en mouvement. La lumière du soleil se compose de photons contenant une énergie correspondant aux différentes longueurs d’onde du spectre solaire. Quand un photon heurte une cellule photovoltaïque, son énergie peut être transférée à un électron dans le matériau semi-conducteur de la cellule. Les cellules photovoltaïques exploitent les propriétés semi-conductrices de certains matériaux comme le silicium pour produire un courant électrique continu. Si nécessaire, il peut être transformé en courant alternatif selon les caractéristiques des applications électriques à raccorder. Les systèmes photovoltaïques peuvent ainsi alimenter de petits équipements portables (montres, calculatrices, …), des applications en site isolé (habitations éloignées du réseau électrique, équipements de télécommunication, électrification rurale), ou être raccordées au réseau électrique. Source : EF4 On entend parler de kilowatt, de kilowattheure et de kilowatts crête. Pour savoir de quoi on parle, il faut donc préciser. Il détermine la puissance électrique Cela correspond à l’énergie consommée par un appareil d’une puissance d’un kilowatt (1 000 watts) qui a fonctionné pendant une heure (1 kilowatt × 1 heure). C’est la puissance dans des conditions standards, c’est en quelque sorte l’unité de mesure du générateur photovoltaïque. C’est la puissance électrique apparente, c’est-à-dire le produit de la tension (U) par le courant (I) Elle est exprimée en VA (volt-ampère) Source : Stock-Energie Le silicium est le semi-conducteur le plus couramment utilisé pour transformer la lumière du soleil en électricité car il a un très bon rendement. Il existe trois types de cellules en silicium : silicium monocristallin, polycristallin que l’on présente comme des cellules de première génération ou amorphe, dites de seconde génération. Leur rendement varie entre 12 et 19% pour le monocristallin et le polycristallin et il tourne autour des 7% pour l’amorphe. Mais que choisir ? Les cellules en silicium monocritallin offrent un très bon rendement avec une sensibilité accrue aux rayonnements directs mais ont un coût élevé. Les cellules en silicium polycristallin offrent un rendement moins bon que les cellules monocristallines mais ont un coût moins élevé que pour les cellules monocristallines. Elles ont comme les monocristallins une sensibilité accrue aux rayonnements directs mais en revanche ont une forte sensibilité à la température Les couches minces constituent la seconde génération de technologie photovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellure de cadnium (cdTE), entre autres,… Dans le cas de couches minces, la couche de semi-conducteur est directement déposée sur un substrat (ex : verre, plastique,…). La production de ce type de cellules est moins couteuse que celle de 1ère génération puisqu’elles consomment moins de matériaux semi-conducteur et ne nécessite pas de passer par l’étape de transformation en « wafers ». Ces cellules possèdent de nombreux avantages : Mais elles présentent aussi des inconvénients à ne pas négliger : Pour optimiser le rendement de votre installation, vous devez prendre en considération la qualité et les spécificités des panneaux mais aussi des éléments naturels comme l’ensoleillement, l’orientation, l’inclinaison du toit ou encore l’ombrage. Dans le but d’évaluer le potentiel d’électricité solaire d’un projet photovoltaïque, il convient de connaître au mieux les ressources solaires du lieu d’implantation. En ce qui concerne l’ensoleillement annuel moyen en Belgique, il est compris entre 930 et 1000 kWh/m². L’ensoleillement annuel moyen en Belgique est compris entre 930 et 1000 kWh/m2. A lui seul, le soleil pourrait couvrir tous les besoins énergétiques de la planète. L’énergie envoyée par le soleil sur la terre est, en effet, beaucoup plus importante que l’énergie que l’Homme peut consommer. Le rayonnement solaire global correspond à la somme de différents rayonnements : Bien que son intensité soit moins forte, le rayonnement diffus représente généralement une part significative du rayonnement total, parfois même majoritaire, en Belgique elle est de 60% contre 40% dans le Sud de la France. Il est également important dans les zones intertropicales. En Belgique, Si on considère la répartition de l’ensoleillement sur une année, chaque mètre carré de sol reçoit en moyenne une quantité d’énergie solaire de 930 à 1000 kWh/an. Source : La commission européenne L’énergie solaire reçue par une surface de modules photovoltaïques sera plus importante si cette surface est perpendiculaire aux rayons directs du soleil. De façon générale, on choisira toujours une orientation au sud ou proche. En ce qui concerne l’inclinaison des panneaux par rapport à l’horizontale, l’approche se fonde sur la hauteur du soleil dans le ciel. La position du soleil dans le ciel est plus haute en été qu’en hiver. La combinaison parfaite pour un rendement optimum d’une installation est donc une orientation plein sud avec une inclinaison du toit de 35°. Néanmoins, dès que l’on s’éloigne du sud, il est plus intéressant de disposer d’un toit peu incliné. Pour connaitre la production d’électricité de votre installation PV, vous avez un outil facile à utiliser sur ce site :http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php Les modules PV sont très sensibles à l’ombrage, essentiellement à cause des des connections électriques en série entre les cellules et les modules. L’ombrage complet empêche tout rayonnement (direct et indirect) d’atteindre une partie de cellule photovoltaïque (par exemple, une déjection d’oiseau, une branche d’arbre sur le panneau, une couverture). L’ombrage partiel empêche seulement le rayonnement direct d’atteindre une partie de la cellule photovoltaïque (par exemple, une cheminée, un arbre, un nuage). Souvent, les cellules d’un module photovoltaïque sont connectées en série. Ainsi, la cellule la plus faible va déterminer et limiter la puissance des autres cellules. L’ombrage de la moitié d’une cellule ou de la moitié d’une rangée de cellule diminuera la puissance proportionnellement au pourcentage de la surface ombrée d’une cellule, dans ce cas de 50%. L’ombrage total d’une rangée de cellules peut réduire à zéro la puissance du module. Si des obstacles présents autour d’une installation photovoltaïque ne peuvent être évités, comme une cheminée, la conception du système devra permettre d’atténuer les conséquences de ces obstacles sur le rendement. Très fragiles à l’état brut, les matériaux photovoltaïques doivent être protégés des intempéries, ce qui est en général réalisé par un verre transparent et solide qui constitue la partie supérieure d’un « sandwich » étudié pour résister aux agressions de l’environnement pendant plusieurs décennies. La face arrière du module peut être constituée d’un polymère durci spécialement conçu ou d’une deuxième couche de verre autorisant alors une semi-transparence de l’ensemble. Les modules les plus courants aujourd’hui sont des panneaux rectangulaires rigides d’une surface comprise entre 0,5 et 3 m2, de quelques centimètres d’épaisseur et pesant une petite dizaine de kilogrammes. Soumis aux rayonnements du Soleil (ultra-violets, infrarouge…) et aux intempéries, les matériaux des panneaux solaires se dégradent peu à peu. Actuellement, les principaux fabricants garantissent une baisse de puissance maximale de l’ordre de 20 % sur 20 ou 25 ans cependant la plupart des tests réalisés montrent que les modules se dégradent nettement moins que ce que l’on craignait. Comment choisir parmi les panneaux qui vous sont proposés ? Le magazine photon réalise régulièrement un classement qui est cependant constesté par certains fabricants. Il existe enfin des normes de référence. IEC 61730 : qualification de la sûreté de fonctionnement des modules PV, parties 1 et 2 ; exigences pour la construction et les essais, y compris le niveau de protection II Ces normes garantissent l’exactitude des informations techniques reprisent sur les fiches des fabricants. Elles garantissent également la réussite d’une série de tests : variations de température, exposition aux rayons UV, résistante aux efforts mécaniques (transport, montage, efforts éoliens, grêle). Dans le cas de systèmes connectés au réseau, il est impératif de convertir le courant continu produit par le système photovoltaïque en un courant alternatif synchronisé avec le réseau. Pour effectuer cette conversion, on utilise un onduleur. Le rendement typique d’un onduleur est d’environ 95%. Il en existe de différentes puissances et les onduleurs sont conçus spécifiquement pour les applications photovoltaïques. L’onduleur possède également une fonction de découplage du réseau qui empêche d’injecter du courant sur le réseau lorsque celui-ci n’est pas en fonctionnement et une fonction de protection contre les surtensions. On considére que les onduleurs de qualité auront une durée de vie de 20 ans. Les onduleurs offrent aussi à l’utilisateur différentes possibilités simples de surveillance, par exemple à proximité directe via une connexion Bluetooth sans fil, ou bien partout dans le monde sur Internet. En outre, il y a aujourd’hui aussi les options pour gérer votre energie d’une manière intelligente. L’installateur est le plus à même de choisir l’onduleur pour votre installation. Sachez cependant que votre installateur doit utiliser un onduleur repris sur une liste de synergrid, la fédération des gestionnaires de réseaux électricité et gaz en Belgique. Il n’existe pas que les panneaux surimposés sur toiture. Si votre toiture ne peut acceuillir d’installation PV ou si vous préférez une installtion au sol, il existe d’autre options. Avec des panneaux orientables, on peut modifier l’inclinaison tous les mois, mais par facilité, on peut également choisir une inclinaison pour l’été, une autre pour l’hiver. On utilise généralement ce genre de structure pour des applications au sol ou sur des toits plats. Pour ces systèmes à inclinaison variable, il existe un angle d’inclinaison des panneaux par rapport à l’horizontale, qui permet de maximiser la production d’électricité mensuelle Un tracker ou suiveur de soleil porte les panneaux photovoltaïques et suit le soleil tout au long de la journée, ce qui permet d’augmenter la production d’énergie de manière considérable (puisque les panneaux sont toute la journée en position optimale) Les avantages du suiveur solaire sont multiples : – Augmentent la production de jusque 40 % (source De Simone) – Apportent une solution lorsque la toiture est mal orientée Les suiveurs solaires sont étudiés pour résister à des vents soufllant jusque 150 km/h. Il existe en Wallonie une entreprise dont les suiveurs solaires ont acquis une belle réputation : http://www.desimone.be/fr/ L’installation photovoltaïque est incorporée à la toiture du bâtiment, les panneaux solaires, associés à d’autres composants, remplacent les éléments de la toiture (par exemple, les tuiles). L’étanchéité de la toiture est donc assurée par l’association des panneaux solaires et d’un composant isolant / étanche. Il s’agit d’installations « bi-couches ». Ce système est majoritairement répandu en France. Quel sont ses avantages ? Quelles solutions le BIPV offre t’il ? Il n’existe pas que le système d’intégration de panneaux solaires classiques. D’autres solutions existent, plus marginales, en tout cas en Belgique, elles ont un cout souvent nettement supérieures : C’est une technologie qui se développe de plus en plus et qui permet à l’occasion d’une rénovation de votre toit par exemple, de remplacer certaines de vos tuiles classiques par leurs homologues solaires. Moins chères que les panneaux (même si elle reste plus chère proportionnellement à la puissance offerte), elles restent néanmoins un investissement important. Elles conviennent aux toits inclinés et s’intègrent bien dans les toitures traditionnelles. Ce sont des bacs de couverture métallique standards lestés sur lesquels sont fixés les panneaux photovoltaïques. Ils peuvent s’adapter aux toits plats et sont beaucoup utilisés pour les bâtiments industriels ou commerciaux. C’est le système le moins coûteux. Il s’agit d’une membrane qui peut servir à l’isolation et est équipée de cellules photovoltaïques en silicium amorphe souples. Son installation est possible sur tous les types de toiture. en plus de produire de l’électricité, il permet l’entrée de la lumière à l’intérieur, et empêche également l’entrée des rayons UV nocifs ainsi que la radiation infra rouge. Une société wallonne est particulièrement réputée dans le domaine du BIPV, c’est http://www.issol.eu/fr. Parmi les plus belles réalisations d’Issol, on trouve la gare de Perpignan (ci-dessous) ou la tour des finances de Liège. L’intégré au bâti n’est cependant pas sans inconvénients, notamment concernant l’étanchéité et le rendement des panneaux. Concernant l’étanchéité, un certain savoir-faire est indispensable. Il faut donc être vigilant à cet aspect. En ce qui concerne les tuiles solaires, celles-ci sont sensée être dotées des mêmes propriétés étanches que les tuiles traditionnelles. Les problèmes de rendement viennent principalement d’une mauvaise aération des panneaux solaires. En effet, un panneau photovoltaïque perd de sa puissance à mesure que la température augmente. Les panneaux classiques sont ventilés sur leur deux surfaces ce qui n’est évidemment pas le cas en intégré. En ce qui concerne le rendement des panneaux, les bacs aciers photovoltaïques et les membranes PV ont des ratios Watt crête/m² plutôt faibles. Aussi pour obtenir une même puissance, il faudra nettement plus de surface. Cependant, l’évolution rapide de ces technologies pourrait à moyen terme aider à résoudre ces inconvénients. Une augmentation de la température diminue les performances et une diminution les augmente. C’est pour cette raison qu’il faut prévoir une bonne ventilation des modules par l’arrière pour éviter l’augmentation de la température durant les mois les plus ensoleillés et souvent les plus chauds. L’absence de ventilation peut réduire de façon importante la production d’électricité. Il n’est pas rare d’ailleurs de constater que le record de puissance d’un système photovoltaïque soit atteint durant les mois d’hiver, par une belle journée ensoleillée. L’effet peut être encore plus surprenant avec la réflexion du soleil sur un sol enneigé, ce qui accroit encore la production d’électricité. La surface des modules doit être maintenue propre des poussières, déjections d’oiseaux, mousses, etc. Généralement, il n’y a pas besoin de s’en préoccuper car la pluie nettoie suffisamment la surface des modules, (une inclinaison des modules de 15° est suffisante pour obtenir un auto-nettoyage efficace du verre), mais une vérification périodique est conseillée. Une étude réalisée par Hespul avec le soutien de l’ADEME (Agence française de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie) a calculé le temps de retour énergétique (« energy pay-back time ») qui est défini comme le temps en années, nécessaire à un système photovoltaïque pour « rembourser » son contenu initial en énergie. Elle a calculé également le facteur de retour énergétique qui est défini comme le nombre de fois qu’un système photovoltaïque va rembourser son contenu en énergie au cours de sa vie. Les résultats obtenus suite à l’étude de l’impact environnemental d’une installation photovoltaïque ont déterminé :PV
Comment ça marche ?
Les unités de mesure liées au photovoltaïque
Un watt (symbole : W) est la puissance d’un système énergétique dans lequel est transférée uniformément une énergie de 1 joule pendant 1 seconde.
1 W (puissance) = 1 J (énergie) / 1 s (temps)
Le kilowattheure est une unité pratique de mesure d’énergie valant 3,6 mégajoules.
ex: une lampe de 60 W consommera 60 Wh si elle reste allumée pendant une heure. La même lampe de 60 W consommera 60 kWh si elle est allumée pendant 1000 heures.
Cette unité est la puissance électrique maximale qu’une cellule photovoltaïque peut fournir dans des conditions optimales (capteur orienté plein sud à 35° d’inclinaison avec une température constante de 25° et un ensoleillement de 1000W/m²)
En Belgique, un système de 1kWc, exposé plein Sud à 35° d’inclinaison et sans ombrages, produit environ 930 kWh/an. Selon la technologie utilisée, on peut estimer qu’avec une surface de 7.5 m² (1,1kWc) on produit environ 1.000 kWh/an.
La puissance apparente est utilisée pour quantifier la capacité de puissance d’un transformateur.
Dans le cas d’un système photovoltaïque, la puissance apparente correspond à la puissance maximale à la sortie de l’onduleur (en kVA).Mono ou polycristallin ?
Optimalisation des conditions d’utilisation de l’installation photovoltaïque
Le rayonnement solaire
L’irradiation
L’importance de l’orientation
L’ombrage
Les modules photovoltaïques
L’onduleur
Quels sont les différentes structures de panneaux photovoltaïques?
Pour résumer, à quoi faire attention pour optimiser le rendement de votre installation photovoltaïque ?
Aspects environnementaux