Comment fonctionnent les panneaux solaires ? Explication du principe de conversion

Si vous souhaitez installer un système d’autoconsommation, c’est important de comprendre le fonctionnement des panneaux solaires avant de vous lancer dans un projet solaire. De savoir comment les rayons du soleil sont transformés en électricité pendant la journée et ensuite utilisés par les principaux appareils domestiques. Regardons de plus près ce processus afin de vous informer le plus complètement possible.

Panneaux photovoltaïques : comment ça fonctionne ?

Un dispositif photovoltaïque, selon la définition la plus simple du terme, est capable de convertir des volts de photons ou énergie lumineuse (énergie rayonnante), en énergie électrique. Cette action est obtenue en tirant parti de certaines lois physiques et suit des règles de fonctionnement relativement simples.

Rappelez-vous que l’installation de panneaux solaires, qui sont vendus et installés en kits, ne se limite pas aux panneaux. Il contient un certain nombre de composants avec différentes tâches telles que :

• Un module de cellule solaire (panneau) qui convertit l’énergie lumineuse du soleil en courant continu.
• Le système de montage ou système d’intégration en toiture permet de fixer solidement les panneaux à la charpente, assurant ainsi une stabilité pendant de nombreuses années.
• Les éléments de bordure assurent une liaison harmonieuse et étanche entre le matériau de couverture et les panneaux.
• Un onduleur solaire (ou micro-onduleur) qui capte le courant continu produit par les panneaux et le convertit en courant alternatif, compatible avec le réseau électrique domestique.
• Un compteur de production connecté au système qui indique au propriétaire la quantité d’électricité produite en kilowattheures (kWh).
• Divers composants de câble.

Principe de fonctionnement

Chaque panneau solaire est composé d’une série de cellules solaires de différentes dimensions. Selon le fabricant et la technologie, les largeurs et longueurs typiques des cellules sont d’environ 150 à 160 mm. Toutefois, le silicium amorphe est également exceptionnellement personnalisable et flexible, permettant des tailles de cellules de 12 à 300 mm à des tensions de 1,5 à 24 V.

Découvert par Antoine Becquerel en 1839, l’effet photovoltaïque s’appuie sur les propriétés passionnantes de certains matériaux dits « semi-conducteurs » lorsqu’ils se joignent avec le rayonnement solaire. Ces semi-conducteurs contiennent des électrons qui, lorsqu’ils sont excités par un photon du soleil, absorbent une partie de son énergie et commencent à se déplacer rapidement, créant une tension.

Le silicium est actuellement le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans la conception de modules photovoltaïques. Il est obtenu à partir du traitement du sable. Le courant continu généré par le module est transféré à l’onduleur solaire, où il est converti en courant alternatif. Ces derniers peuvent être utilisés librement par les habitants de la maison ou réinjectés et vendus via le réseau électrique public.

La conception des panneaux photovoltaïques pour qu’ils fonctionnent

La fabrication des panneaux photovoltaïques se base sur des processus industriels définis et délicats. La méthode diffère légèrement selon le type de panneau (monocristallin ou polycristallin).

Pour construire un module solaire, il faut d’abord un lingot de silicium. Ce dernier est obtenu en extrayant ce matériau semi-conducteur d’un matériau sableux, puis en l’agglomérant en grande quantité, en le portant à très haute température et en le mélangeant avec du bore (un élément chimique).

Une fois le matériau refroidi, il est découpé en lingots puis en tranches de silicium. Ces plaquettes sont ensuite traitées au phosphore à très haute température. Cette étape est essentielle pour que le silicium obtienne l’effet photovoltaïque. Les panneaux sont conditionnés sous forme de panneaux solaires avec des cadres et des protections supplémentaires (généralement des plaques de blindage).

Les différents types de panneaux photovoltaïques

Il existe deux principaux types de panneaux solaires, selon le procédé de fabrication :

Les panneaux solaires monocristallins plus efficaces contiennent des cellules solaires constituées chacune d’un seul cristal de silicium. Des procédures de purification sont nécessaires pour isoler et obtenir des monocristaux, ce qui rend la conception plus complexe et plus coûteuse.

Les panneaux solaires polycristallins, ceux-ci sont souvent fabriqués à partir de déchets de silicium générés lors de la fabrication de panneaux monocristallins. En revanche, le prix est également plus bas.

Panneaux solaires thermiques : comment ça fonctionne ?

Les modules solaires thermiques ne produisent pas d’électricité (contrairement aux modules photovoltaïques), ils produisent de la chaleur. Les capteurs solaires installés sur le toit d’un bâtiment ou au sol utilisent le rayonnement solaire pour chauffer un fluide caloporteur. Une fois chauffé, ce liquide circule vers l’échangeur thermique du chauffe-eau solaire pour être chauffé. De même, si le rayonnement solaire est insuffisant et que la température dans le ballon de stockage est trop basse, la chaleur doit être générée via un système de secours (circuit indépendant).Deux types de panneaux thermiques peuvent être distingués : les chauffe-eau solaires et les systèmes solaires thermiques combinés.

Fonctionnement d’un chauffe-eau solaire

Les chauffe-eau solaires sont conçus dans le seul but de produire de l’eau chaude sanitaire. Il se compose d’un capteur solaire, d’un réservoir de stockage d’eau et de tuyaux qui relient le capteur et le réservoir et permettent le transfert de chaleur par un fluide caloporteur. On a différents types de capteurs solaires. Comme capteur (Ademe) :

• Sous vide : le plus efficace, mais coûteux et fragile ;
• Plans vitrés : produisent généralement une eau entre 50 et 90°C. C’est le plus connu ;
• Non émaillé : produit de l’eau jusqu’à environ 30°C. Moins efficace, mais plus rentable.

Il existe deux modèles de réservoirs de stockage : les réservoirs verticaux (les plus courants et les plus efficaces) et les réservoirs horizontaux.

Fonctionnement d’un système solaire thermique combiné

Un système solaire combiné utilise l’énergie solaire pour fournir à la fois le chauffage des locaux et l’eau chaude. On a trois types de systèmes d’énergie solaire combinés :

• Système de stockage hydraulique : la chaleur générée est stockée dans un réservoir de stockage d’eau tampon à l’intérieur du réservoir de stockage. Ce stockage alimente à la fois le réseau de chaleur et le dispositif de transfert de chaleur (chauffage au sol, chauffage mural ou radiateurs).
• Système direct : le fluide caloporteur circule directement à travers le radiateur, réduisant ainsi les pertes de chaleur.
• Système mixte : c’est une combinaison des deux systèmes (système de stockage hydraulique et Système direct).

Panneau solaire hybride : comment ça fonctionne ?

Ces modules hybrides combinent à la fois un système solaire photovoltaïque et un système thermique, leur permettant de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur. Les cellules solaires convertissent l’énergie du soleil en électricité, tandis que les capteurs utilisent des fluides caloporteurs pour collecter la chaleur solaire. Cette chaleur est ensuite transportée vers un réservoir de stockage où elle est utilisée pour chauffer l’eau. Ce système hybride se décline en deux modèles :

• Panneaux solaires hybrides à air (aérovoltaïques) : La plupart de ces panneaux sont employés dans le cadre de rénovations énergétiques. L’arrière de ces panneaux est ventilé pour recueillir l’air chaud. Cet air chaud peut être utilisé pour chauffer votre maison ou alimenter un stockage thermodynamique afin de produire de l’eau chaude.

• Panneaux solaires hybrides à eau : Le principe est le même, mais ce système utilise de l’eau au lieu de l’air pour chauffer l’eau. Pour le chauffage, vous devez disposer de radiateurs à eau (en fonte) ou d’envisager leur installation.

Panneaux solaires : comment fonctionne la vente de surplus ?

Les panneaux photovoltaïques installés dans les bâtiments résidentiels peuvent faire l’objet de deux principaux types de consommation : l’autoconsommation (partielle) de l’électricité produite ou sa revente complète. Leur fonctionnalité diffère au niveau du compteur.

Autoconsommation partielle de l’électricité solaire

Avec un système solaire en autoconsommation, vous pouvez :

• Utiliser tout ou partie de l’énergie solaire générée pour alimenter des appareils ou recharger des véhicules électriques ;
• Le surplus d’électricité sera revendu au travers de l’Obligation d’Achat EDF (OA EDF) à 10 centimes d’euro le kWh.

Cette méthode d’installation suppose que le panneau solaire soit connecté au compteur électrique domestique et au réseau électrique de l’habitation. Le pic de production de panneaux solaires et le pic de consommation de la plupart des ménages ne se produisent pas en même temps, ce qui rend difficile la consommation soi-même de toute l’électricité. Un bon taux d’autoconsommation est généralement de 30 à 50 %.

Revente complète de la production d’énergie solaire

Si vous décidez de revendre intégralement l’énergie solaire produite, votre système disposera de son propre compteur installé, indépendant de celui de votre logement. L’Engagement d’Achat EDF (EDF OA) est valable 20 ans à compter de la date d’installation du panneau et peut être payé à hauteur de :

• 23,49 cents par kWh pour les systèmes d’une puissance de 3 kWc ou moins ;
• 19,96 cents par kWh pour les systèmes dont la puissance est supérieure à 3 kWp et inférieure ou égale à 9 kWp ;
• 14,30 cents par kWh pour les systèmes dont la puissance est supérieure à 9 kWc et inférieure ou égale à 36 kWc ;
• 12,43 cents par kWh pour les systèmes dont la puissance est supérieure à 36 kWc et inférieure ou égale à 100 kWc.

Ces tarifs d’achat sont valables en 2023. Sous réserve de changement trimestriel.

Malgré un processus de fabrication particulièrement complexe, les principes de base sur lesquels fonctionnent les modules solaires (photovoltaïques, thermiques ou hybrides) sont simples et offrent de nombreux avantages. De plus, les progrès technologiques continus peuvent améliorer les performances et la durée de vie des modules, ce qui augmente également la rentabilité du projet.