Comment fonctionnent les panneaux solaires

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Les panneaux solaires sont une technologie qui convertit la lumière du soleil en électricité en utilisant des cellules appelées « cellules photovoltaïques », généralement fabriquées en silicium, qui est un matériau semi-conducteur. Lorsque la lumière du soleil frappe ces cellules, la lumière est absorbée et convertie directement en énergie électrique sous forme de courant continu (DC) [1].

Mécanisme de fonctionnement de base :

1. Absorption de la lumière solaire : Les photons de la lumière solaire frappent les cellules photovoltaïques, et leur énergie est transférée aux électrons présents dans le matériau silicium.
2. Libération des électrons : Après l'absorption des photons, les électrons acquièrent suffisamment d'énergie pour se libérer des atomes de silicium et devenir mobiles.
3. Formation d'un courant électrique : Un champ électrique est créé à l'intérieur des cellules solaires, dirigeant le mouvement des électrons dans une direction spécifique, ce qui forme un courant électrique continu.
4. Conversion du courant : Le courant continu produit est envoyé vers l'onduleur (l'inverter), qui le convertit en courant alternatif (AC) adapté à l'utilisation des appareils domestiques ou pour l'injection dans le réseau électrique [2].

L'effet photovoltaïque et le rôle du silicium

L'effet photovoltaïque est le phénomène par lequel des électrons sont émis de la surface d'un matériau lorsqu'il est exposé à une lumière ayant une énergie suffisante. Dans les cellules solaires, cet effet constitue la base du processus de génération d'électricité, où les photons de la lumière solaire libèrent les électrons du silicium [1].

Le rôle du silicium dans la cellule solaire :

• C'est un matériau semi-conducteur qui contrôle le mouvement des charges électriques.
• Lorsqu'il est dopé avec des impuretés précises, il forme deux couches : l'une riche en électrons (charge négative) et l'autre contenant des « trous » de charge positive.
• L'interaction entre ces deux couches crée un champ électrique interne qui pousse les électrons libérés vers la borne négative, générant ainsi un courant électrique.

Types de panneaux solaires

• Monocristallin (Monocrystalline) : Fabriqué à partir d'un seul cristal de silicium pur, il se caractérise par une efficacité élevée (17-22 % ou plus), une couleur sombre, et est plus coûteux en raison d'un processus de fabrication complexe.
• Polycristallin (Polycrystalline) : Fabriqué à partir de plusieurs cristaux assemblés, il est moins efficace (15-17 %), souvent de couleur bleue et moins coûteux.

Fonction de l'onduleur (inverter) et des batteries

L'onduleur convertit le courant continu (DC) produit par les panneaux en courant alternatif (AC) utilisable dans les maisons et les réseaux. Quant aux batteries, elles ne sont pas nécessaires dans les systèmes connectés au réseau (le système le plus courant), où l'excédent est injecté dans le réseau et l'électricité est puisée en cas de besoin. En revanche, dans les systèmes autonomes ou hybrides, les batteries sont essentielles pour stocker l'énergie afin de l'utiliser lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible [1].

Efficacité des panneaux et facteurs influents

L'efficacité des panneaux est le taux de conversion de la lumière solaire en électricité et varie généralement entre 15 % et 22 %. Les facteurs qui réduisent la production des panneaux :

• Températures élevées : Chaque augmentation de la température au-dessus de 25°C réduit l'efficacité d'environ 0,3 % à 0,5 % par degré.
• Accumulation de poussière et de saleté : Cela réduit l'accès à la lumière et diminue la production de 5 % à 25 % selon l'intensité de la pollution.
• Ombrage : Même un ombrage partiel nuit considérablement à la production.
• Angle d'inclinaison des panneaux : Un angle inapproprié réduit la réception de la lumière.
• Conditions météorologiques : Les nuages, le brouillard et la fumée réduisent l'intensité du rayonnement incident.
• Dégradation avec l'âge : Avec une perte d'environ 0,5 % à 1 % d'efficacité par an [1].

Estimation du nombre de panneaux pour une maison moyenne dans un pays ensoleillé

1. Calculez votre consommation quotidienne d'électricité en kilowattheures (kWh).
2. Identifiez le nombre d'heures d'ensoleillement maximal (heures de pointe) dans votre région (généralement 5 à 7 heures dans les zones ensoleillées).
3. Choisissez la puissance d'un seul panneau (par exemple, 400 W).
4. Calculez la production quotidienne du panneau en tenant compte des pertes (généralement 20 %).
5. Calculez le nombre de panneaux = Consommation quotidienne / Production réelle d'un panneau.

Exemple : pour un besoin de 20 kWh par jour, avec 6 heures de soleil au zénith, un panneau de 400 W et des pertes de 20 %, le nombre de panneaux ≈ 11 panneaux [1].

Durée de vie et maintenance

• La durée de vie des panneaux dépasse 20-25 ans avec une faible dégradation, et atteint souvent 30 ans ou plus.
• La maintenance est simple et comprend le nettoyage périodique des panneaux pour éliminer la poussière et les saletés, l'inspection visuelle pour détecter les fissures ou les dommages, et la surveillance des performances pour garantir un fonctionnement efficace.
• Un contrôle électrique de l'onduleur et du câblage est recommandé tous les quelques années par un spécialiste.

Résumé des points clés

• Les panneaux fonctionnent en convertissant la lumière du soleil en courant continu via l'effet photovoltaïque dans les cellules de silicium.
• Les panneaux monocristallins sont plus efficaces et plus chers que les polycristallins.
• L'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif pour l'utilisation domestique.
• Les batteries sont nécessaires uniquement pour les systèmes autonomes ou hybrides.
• Des facteurs tels que la chaleur, la saleté et l'ombrage réduisent l'efficacité.
• Le nombre de panneaux dépend de la consommation, des heures de soleil au zénith et de la puissance du panneau.
• La durée de vie est longue et la maintenance est simple mais nécessaire pour maintenir les performances.

Sources : [1], [2]