Les dossiers techniques

Bonjour.
Je vais tenter de donner des informations sur les différents panneaux solaires, leur fonctionnement et leurs conditions d'utilisation.


L'effet photovoltaïque ne date pas d'hier, il a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel.

Il existe 3 sortes de panneaux photovoltaïques.

- Les panneaux solaires amorphes


Les cellules amorphes ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n'est que 8 à 10%. Cette technologie permet d'utiliser des couches très minces de silicium. On peut donc appliquer de très fines couches de silicium amorphe sur des vitres, du plastique souple ou du métal, en le vaporisant sous vide. C'est le silicium amorphe qu'on trouve le plus souvent dans les petits appareils comme les calculatrices et les montres, mais aussi et c'est nouveau, sur les grandes surfaces utilisées pour la couverture des toits.
Leur maniabilité et leurs performances dans des conditions d'ensoleillement défavorables constituent de grands avantages. Les panneaux amorphes ne comptent qu'environ 10 % de part de marché, mais cela devrait augmenter, à mesure que leurs performances se rapprocheront des panneaux cristallins.

Les plus: le prix modique, la production par faible luminosité, flexibilité.
Les moins: faibles performances, rendement bas.





- Les panneaux solaires polycristallins
Les cellules polycristallines sont fabriqués à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vues de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalités différentes). Elles ont un rendement de 11 à 13%, mais leur coût de fabrication est moins élevé que les cellules monocristallines.
On les reconnait facilement grâce à leur aspect de reflets de couleur bleue dans des tons et des reflets différents.

Les plus: Un coût moyen, performance et rendement supérieur au panneau amorphes.
Les moins: Rendement et performance inférieure au panneau monocristallin.





- Les panneaux solaires monocristallins
Comme son nom l'indique, la cellule est composée d'un monocristal : l'orientation exactement identique de la structure des cristaux dans une direction permet d'atteindre ce taux de rendement élevé. Mais cela rends long et difficile l'usinage  de ces cellules et il faut une grande quantité d'énergie pour obtenir du cristal pur d'où le prix élevé.
Les panneaux solaires monocristallins sont les premiers à avoir été commercialisés dès les années 1960-1970. Les panneaux solaires monocristallins sont les plus chers mais aussi les plus performants du marché, avec un rendement jusqu'à 17,5 % de plus, et même jusqu'à 25 % en laboratoire et une durée de vie pouvant atteindre 30 ans.

Les plus: Un bon rendement et des bonnes performances.
Les moins: le prix.





Le panneau monocristallin, qui possède le meilleur rendement, est préféré lorsque la surface est limitée ce qui est le cas des camping car.

Les normes de mesures de performances.
Pour comparer les performances panneaux solaires photovoltaïques de différentes fabrications et marques, il a été décidé de choisir des conditions communes, un standard de mesure. En fait il y a même deux standards: je dirais les conditions  d'essais de laboratoire(STC) et un standard se rapprochant des conditions réelles d'utilisations(NOCT). Le standard (STC) a un ensoleillement de 1000W/m2 (1 soleil) selon la répartition spectrale AM1.5, et une température de cellule de 25°c.
Comme les cellules photovoltaïques d’un panneau solaire mises au soleil fonctionnent à une température plus élevée que la température ambiante, il a été aussi décidé de choisir comme conditions normales (NOCT) un ensoleillement de 800W/m2, une température ambiante de 20°c et une vitesse de vent de 1m/s.

C'est une des raisons pour lesquelles ont a pas souvent la puissance annoncée dans la réalité.

Comment ça marche ?
Ces panneaux sont tout simplement un assemblage de cellules photovoltaïques, chacune d'elles délivrant une tension de 0.5V à 0.6V. Elles sont donc assemblées en série puis les séries en parallèle pour créer des modules photovoltaïques.
cellule_photovoltaque
Outre la lumière et la chaleur, le soleil envoi des Photons. Ceux ci, en pénétrant très légèrement dans le silicium, déplacent quelques électrons du métal.
Dans le cas du silicium, seuls les photons de longueur d’onde inférieure à 1,1 µm peuvent être utilement absorbés, les autres ne donnent lieu qu’à une élévation de la température.
Le métal semi-conducteur ne permettant le déplacement des électrons que dans un sens, les électrons déplacés par la lumière doivent passer par le circuit extérieur pour revenir à leur place, ce qui produit un courant.
C'est un peu le jeu des chaises musicales pour électrons. L'électron qui perd sa place doit d'abord courir autour de la table pour revenir s'asseoir.
Tous ces électrons qui courent, ça produit le courant et plus il y a de "table" autour desquelles courir, plus on produit d'énergie.

- En fonction de la latitude de l'endroit les rayons de soleil arrivent sur terre avec plus ou moins d'inclinaison et cela donne donc plus ou moins d'énergie instantané lorsque le soleil brille (et c'est pas partout pareil au vu de la carte d'ensoleillement moyen annuel.)

carte_ensoleillement
Il y a les vernis du sud et les "autres" Laughing

inclinaison_lumire

Sur le diagramme de gauche, les rendements en fonction de l'orientation et de l'inclinaison du panneau.

Sur le diagramme de droite, il y a deux taux d'irradiation du panneau( "force de luminosité en gros"), 100mW par cm2 et 50mW par cm2. On voit bien que pour la courbe à 50mW par cm2(celle du bas), même si la tension diminue peu, les Ampères disponibles chutent de moitié

La réduction de la production d'un panneau solaire à cause de son inclinaison est égal au sinus de l'angle d'inclinaison. Comme nos panneaux sont le plus souvent à plat , tout dépend de la position du soleil.

 

Angle entre la direction du soleil et le panneau = 25° (début de matinée ou fin de journée). sinus de 25° = 0.42. Rendement = 42%

Angle entre la direction du soleil et le panneau = 60° (milieu de matinée ou d'après midi) sinus de  60° = 0,86 . Rendement = 86 %.

 

Angle entre la direction du soleil et le panneau = 90°(soleil au zenith) sinus de 90° = 1.  Rendement = 100 %.

Le rendement dont je parle au dessus est uniquement dû à l'orientation du panneau solaire par rapport au soleil et non pas aux qualités intrinsèques du produit.

Rassurez vous, toutes les autres pertes se rajoutent la dessusCool.

Pour les pertes, vous allez voir plus bas.

Un panneau solaire c'est bien, mais il faut en connaître les limites trop souvent ignorées  par bon nombre d'utilisateurs.

Un panneau est plus un générateur d'Ampères qu'un générateur de tension. La majorité des panneaux solaires sont conçus pour produire, en théorie, un courant ayant une tension nominale de 12 Volts. En réalité la plupart de ces panneaux peuvent produire un courant dont la tension varie entre 16 Volts et 36 Volts. On voit encore ici que le Panneau solaire est bien un générateur d'Ampères.



Les conditions de fonctionnements et incidences sur la production.


On viens d'en voir le principe juste au dessus, c'est la lumière qui fait produire le courant aux panneaux solaires.
Les Kwh/Wc produits par un dispositif photovoltaïque peuvent alors s’exprimer comme le produit de trois facteurs indépendants :

formule_rendement_solaire

P* : La puissance nominale produite en conditions STC (en Watts).
Caractéristiques données par constructeur
Gdeff : La lumière solaire reçue annuellement par le module (En kWh/m2).
On l'appelle aussi Irradiation annuelle.
G* : Luminosité solaire(Irradiance) STC (1000 W/m2).
FO : Facteur prenant en compte les pertes par ombrage.

Si je résume et simplifie, plus un panneau reçois de lumière et plus celle ci est intense, plus il y de production d'énergie.


Les Pertes

- Les pertes par température : En général, les modules perdent 0,4 % par degré supérieur à sa température standard (25ºC en conditions standard de mesures STC). La température de fonctionnement des modules dépend de l’l'exposition au soleil, la température ambiante et la vitesse du vent (5 % à 14 %).

temperature_tension



On voit que la courbe verte (0°C)est plus élevée en tension que la courbe rouge (75°C).
- Les pertes par poussière ou saletés: leur dépôt provoque une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque.(~3-6%)
- Les pertes par ombrage: l’environnement d’un module photovoltaïque peut avoir des arbres, montagnes, murs, bâtiments, etc. Il peut provoquer des ombres sur le module ce diminue directement l’énergie collectée.

- Les pertes dues à la tension imposée par la batterie

Prenons par exemple les Caractéristiques électriques typiques d'un panneau BP solar 24V de 165W.

Puissance maxi (Pmax) : 165W
Tension à Pmax : 35.2 V
Courant à Pmax : 4.7 A
Courant de court circuit : 5.1 A
NOCT (air 20°C ; ensoleillement 0.8 kW/m² ; vent 1 m/s)

Le panneau produit 165 Watts sous une tension et un courant bien précis en conditions NOCT.

Voyons la courbe de puisance type d'un panneau:

courbe_puissance

Icc= Courant de court circuit, 5.1 A pour l'exemple concret de ci dessus.

Voc= Tension  circuit ouvert (quant rien n'est branché au panneau donc pas de courant qui circule)

Ipmax= Intensité à puissance maximale, 4.7A

Vpmax= Tension à puissance maximale, 35.2V

Pmax= Puissance max, 4.7(A)x35,2(V)=165,44Watts, on arrondis à 165W.

La courbe rouge montre l'évolution de la puissance disponible en fonction de la tension à laquelle fonctionne le panneau.

La courbe bleue montre l'évolution de l'intensité en fonction de la tension d'utilisation du panneau.

On voit donc en haut que l'intensité reste à Icc sauf en rejoignant le point de jonction Ipmax/Vpmax où ça diminue de plus en plus vite. Donc en gros, si le panneau fonctionne en dessous de Vpmax(35.2V), on a comme intensité disponible Icc(5.1A)

Tout ça pour en arriver à la vraie démonstration:

Si on branche ce panneau à une batterie déchargée à  23V, sachant que l'intensité disponible est de 5.1A(vu juste au dessus), on a donc une puissance qui est: 23(V) x 5.1(A) = 117,3W réels et encore en condition d'irradiation et d'inclinaison correspondant à la norme de mesure NOCT( pas souvent réel)

117W par rapport à la puissance indiquée de 165W, on a une perte de 28,9%

CQFD.

On compense bien cette perte avec un bon régulateur utilisant la technologie MPPT(Maximum Power Point Tracking) en français: recherche du point de puissance maximum.

Voir l'article sur les régulateurs dans cette même rubrique.

Info technico-écolo.

Bilan énergétique (de la fabrication au recyclage)

D'après l'EPIA (Association Européenne de l'industrie du Photovoltaïque), sous la latitude de Lyon, un panneaux solaire restitue en deux ans et demi l'énergie qui a été nécessaire pour sa fabrication. Les panneaux ayant une durée de vie supérieure à vingt-cinq ans, la plupart des panneaux installés maintenant ne seront pas recyclés avant 2035.

Suivant les types de panneaux et leur procédé de fabrication, il faut entre 1,9 et 4,0 années pour produire une énergie équivalente à celle qu’a nécessité leur production.

Conclusion.
Les panneaux monocristalins sont les plus chers mais ont le meilleur rapport surface performance.
Nous n'avons pas souvent en réalité les conditions dans lesquelles se font les mesures de performances qui servent aux fabricants de panneaux pour indiquer leur puissance. Donc ne vous attendez pas avoir en réel la puissance indiquée de vos panneaux.
Pensez à nettoyer régulièrement vos panneaux pour avoir la meilleure production possible.
Le mieux est d'avoir un système pour incliner ses panneaux. Malheureusement, souvent le prix de ces équipements rend plus rentable l'ajout pur et simple d'un ou deux panneaux pour égaler le rapport prix/productivité de ces systèmes.
Vu les pertes liées à l'augmentation de la température des cellules du panneau, laisser un passage pour l'air au dessous afin de faciliter l'aération et donc le refroidissement.