Module solaire photovoltaïque

Module solaire photovoltaïque
Module PV vu de près

Un module solaire photovoltaïque (ou panneau solaire photovoltaïque) est un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, qui sert de module de base pour les installations photovoltaïques et notamment les centrales solaires photovoltaïques.

Sommaire

Caractéristiques

Les panneaux sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides minces (quelques centimètres d’épaisseur), dont la longueur et la largeur sont de l’ordre du mètre, pour une surface de l’ordre du m², et une masse de l’ordre de la dizaine de kg. Divers éléments (branchements électriques, fixations, éventuel cadre pour assurer une étanchéité) sont inclus.

Il existe également des modules sous forme de membranes souples et résistantes, ainsi que des panneaux à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l’élément le plus cher du panneau, la cellule photovoltaïque.

Leur rendement est un peu plus faible que celui des cellules qui les constituent, du fait des pertes électriques internes et des surfaces non couvertes ; le rendement (par m2) du panneau complet est plus faible d’environ 10 à 15% que celui de chaque cellule. La puissance crête[1] d’un panneau photovoltaïque est de l’ordre de 100 à 200 watts par mètre carré (soit un rendement de 10 à 20%, les fabricants annonçant environ 15 % pour leurs meilleurs panneaux), ce qui donne une puissance crête de 50 à 250 W par panneau, selon ses caractéristiques, notamment sa taille. Cette puissance est livrée sous forme de courant continu, ce qui est parfait pour un branchement sur une batterie et pour de nombreuses applications, mais implique une transformation en courant alternatif par un onduleur s’il s’agit de l’injecter dans un réseau de distribution. La tension délivrée dépend du type des panneaux et du branchement des cellules. Elle est de l’ordre de 10 à 100 volts.

Outre sa puissance et sa surface, un panneau a trois caractéristiques importantes :

  • l’écart à la puissance nominale, de l’ordre de +/- 5%
  • la variation de puissance avec la température (plus de détails dans le paragraphe "pertes de production")
  • la stabilité dans le temps des performances (les fabricants garantissent généralement au moins 80% de la puissance de départ au bout de 20 à 25 ans)

Le prix pour de tels panneaux est d’environ 4 €/Wc (watt crête) (ce prix baisse régulièrement, la cible étant de 1 €/Wc, prix où l’énergie photovoltaïque devient compétitive avec les ressources fossiles[2])

L’énergie réellement captée par un module dépend de la surface et de la puissance nominale du panneau mais aussi de l’ensoleillement, variable selon la latitude, la saison, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc. En Europe, chaque Wc permet la production d’environ 1kWh d’énergie sur l’année, le double dans des zones bien ensoleillées et avec un héliostat.

Un module photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son coût de démantèlement est très faible et ses coûts d’exploitation sont quasi nuls. Étanche, il peut servir de couverture à un toit, sous réserve de bien maîtriser l’écoulement d’eau aux bords avec un montage adapté. La durée de vie d’un tel module est supérieure à 20 ans.

Technologie

Article détaillé : Cellule photovoltaïque.

Ce sont les modules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisés, suivis de ceux à base de tellurure de cadmium (principalement utilisés dans les centrales solaires photovoltaïques, les autres types étant encore, soit en phase de recherche/développement, soit trop chers et réservés à des usages où leur prix n'est pas un obstacle. On distingue, en fonction des techniques utilisées :

  • le silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe en plastique ou en verre.
  • le silicium polycristallin : les capteurs sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
  • le silicium amorphe : les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présenté en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale. Le rendement est plus faible que ceux des panneaux en silicium cristallin.
  • le tellurure de cadmium : les capteurs sont à base de couches minces de tellurure de cadmium placées sur un support de verre ; ils sont sensiblement moins coûteux à fabriquer que ceux en silicium, mais ont un rendement (10% à 11%) un peu plus faible que celui du silicium monocristallin, mais plus élevé que ceux en silicium amorphe.

La technologie évolue rapidement, le prix du kWc (kilo-watt crête) étant plus important que le rendement du panneau : un rendement deux fois plus faible signifie seulement qu'il faudra équiper deux fois plus de surface pour collecter la même énergie, ce qui n'est gênant que si la surface disponible est limitée par rapport à la puissance nécessaire (sur un satellite, par exemple...). Par conséquent, si une nouvelle technique permet de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché, elle aura de bonnes chances de s'imposer. Le rendement reste néanmoins une composante du prix, ne serait-ce que à cause des frais de manutention et d'installation, d'autant plus faible que le module est petit et léger.

Parmi les fabricants les plus importants de modules solaires, on peut citer :

Centrosolar (GER), Sharp (JPN), Kyocera (JPN), Sunpower (États-Unis), Sanyo (JPN), Quantum Solar (SPA), Solon (GER), First Solar (États-Unis]] et de nombreux fabricants chinois.

Production et pertes

Les principales sources de pertes énergétiques sont :

  • Pertes par ombrage partiel : l’environnement d’un module photovoltaïque peut inclure des arbres, montagnes, murs, bâtiments, etc. Il peut provoquer des ombrages sur le module ce qui affecte directement l’énergie collectée.
  • Pertes par ombrage total ( poussière ou saletés ) : leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque.(~3-6%)[3]
  • Pertes par dispersion de puissance nominale : les modules photovoltaïques issus du processus de fabrication industrielle ne sont pas tous identiques. Les fabricants garantissent des déviations inférieures de 3% à 10% autour de la puissance nominale. En pratique, le module solaire photovoltaïque fonctionne en fonction des performances du pire panneau : la puissance nominale est donc généralement inférieure à celle prescrite par le fabricant[4],[5].
  • Pertes de connexions : La connexion entre modules de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à puissance légèrement réduite. Elles augmentent avec le nombre de modules en série et en parallèle.(~3%)
  • Pertes angulaires ou spectrales : Les modules photovoltaïques sont spectralement sélectifs, la variation du spectre solaire affecte le courant généré par ceux-ci. Les pertes angulaires augmentent avec l’angle d’incidence des rayons et le degré de saleté de la surface.
  • Pertes par chutes ohmiques  : Les chutes ohmiques se caractérisent par les chutes de tensions dues au passage du courant dans un conducteur de matériau et de section donnés. Ces pertes peuvent être minimisées avec un dimensionnement correct de ces paramètres.
  • Pertes par température : En général, les modules perdent 0,4 % par degré supérieur à sa température standard (25 °C en conditions standard de mesures STC). La température d’opération des modules dépend de l’irradiation incidente, la température ambiante et la vitesse du vent (5 % à 14 %).
  • Pertes par rendement DC/AC de l'onduleur : l'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement en fonction de la puissance d’opération.(~6 %)[6]
  • Pertes par suivi du point de puissance maximum : l'onduleur dispose d’un dispositif électronique qui calcule en temps réel le point de fonctionnement de puissance maximum (3 %).

L’analyse de 172 installations du programme pionnier en Europe « 1000 toits allemands » a montré des productions de 0,43 kWh/Wc/an à 0,875 kWh/Wc/an avec une moyenne de 0,68 kWh/Wc/an[7]. Une autre analyse de l’Agence Internationale de l’Energie (IEA) montre des valeurs typiques variant entre 0,7 kWh/Wc/an en Allemagne et en Hollande, 0,83 kWh/Wc en Suisse avec une dispersion considérable de 0,4-0,95 kWh/Wc (Allemagne) et 0,5-1,4 kWh/Wc (Suisse)[8]. En outre, des installations avec des caractéristiques similaires installées dans des endroits très proches l’un de l’autre peuvent conduire à des productions très éloignées.

En conclusion, les valeurs moyennes du coefficient de performance PR oscillent entre 0,7 et 0,75. L’analyse de l’Agence Internationale pour l’énergie montre que les PR varient considérablement de 0,25 à 0,9 avec une valeur moyenne de 0,72.

Les kWh/Wc produits par un dispositif photovoltaïque peuvent alors s’exprimer comme le produit de trois facteurs indépendants :

\frac{E_{AC}}{P^*}=\left(\frac{G_{deff}}{G^*}\right) \times FO \times PR

P* : Puissance nominale produite en conditions STC (W).
Gdeff : Irradiation annuelle effective incidente sur le module (kWh/m2).
G* : Irradiance STC (1 000 W/m2).
FO : Facteur prenant en compte les pertes par ombrage[9].

À partir de là, il est possible d’estimer une productivité électrique annuelle. Les valeurs qui suivent sont indicatives et approximatives, car ce type de mesure est très sensible aux conditions et conventions adoptées : avec ou sans héliostat, avec ou sans les pertes de l’onduleur, en moyenne sur une région ou sur un lieu-dit particulièrement propice, etc. en kWh/Wc/an[10] ; ici le coefficient de performance PR (Performance Ratio) adopté est de 0,75 et pour une surface inclinée optimalement.

  • Sud de l’Allemagne : ~0,9
  • Espagne : ~1,4
  • Îles Canaries : ~2,0
  • Île d’Hawaii : ~2,1
  • Déserts (Sahara, Moyen-Orient, Australie, etc.) : ~2,3
  • Maximum pratique terrestre : ~2,4 (Désert d'Atacama, proche de l’équateur et particulièrement sec)

Toutefois, les valeurs réelles peuvent être bien plus faibles.

Applications

Horodateur alimenté par un panneau solaire photovoltaïque

Les modules solaires photovoltaïques se sont d'abord développés dans des applications très variées non connectées au réseau électrique, soit parce qu'il n'y a aucun réseau disponible (satellites, mer, montagne, désert..), soit parce que le raccordement reviendrait trop cher par rapport à la puissance nécessaire (balises, horodateur, abris-bus, téléphone mobile ...) ; dans ce cas, on utilise des appareils électriques adaptés au courant continu livrés par les modules.

Pour alimenter en électricité une habitation ou un réseau public de distribution, on intercale un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif adapté aux appareils classiques. Plusieurs modules sont intégrés dans une centrale solaire photovoltaïque qui peut être soit un système photovoltaïque autonome soit un système photovoltaïque raccordé au réseau. Ce type d'application n'est rendue possible que par des subventions massives existant dans certains états, car l'énergie ainsi produite reste encore environ 10 fois plus chère que l'électricité nucléaire ou à partir d'hydrocarbures fossiles : la source solaire est certes gratuite, mais l'investissement requis est très élevé.

Économie

Les six plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60 % du marché mondial. Il s'agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises anglo-américaines BP Solar et Astropower, de l'allemande RWE Schott Solar et du groupe italien Kerself SpA. Le Japon produit près de la moitié des cellules photovoltaïques du monde, mais c'est en Chine que la grande majorité des panneaux sont assemblés.

Le Japon est lui-même un des plus grands consommateurs de panneaux solaires, mais largement dépassé par l'Allemagne[2].

Prix hors taxes des équipements d'une installation photovoltaïque

Les chiffres évoqués ci-dessous se réfèrent à l'année 2010.

  • Modules polycristallins (fabrication) : ~ 1,2 €/Wc
  • Modules polycristallins (du grossiste au détaillant) : ~ 2 €/Wc (140 Wc/m²)
  • Système d'intégration (du grossiste au détaillant) : ~ 0,55 €/Wc
  • Onduleur pour injection réseau : ~ 0,5 €/Wc
  • Coffrets électriques CC et CA : ~ 0,12 €/Wc
  • Câbles électriques : ~ 0,075 €/Wc
  • Main d'œuvre (pose des modules + onduleurs + coffrets) : ~ 0,55 €/Wc
  • Installation photovoltaïque clé en main : de 4 €/Wc à 6 €/Wc

Prix du kWh

Le prix du kWh produit par un équipement solaire, actualisé sur la durée de vie de l'équipement, peut s'estimer à partir de trois paramètres :

  • le prix d'achat de l'équipement, en euros par W de puissance crête (Wc)
  • la productivité (en kWh produit par Wc par an), en fonction de l'insolation du lieu
  • la dépréciation annuelle du capital. Pour ce paramètre, on utilisera 10% (correspondant, par exemple, à des frais de fonctionnement et maintenance de 1%, une actualisation financière de 4%, et un amortissement du matériel sur 20 ans soit 5%).

On obtient alors une formule assez simple, puisque une installation qui aurait coûté 1 € par Wc et produisant 1 kWh par an et par Wc aurait alors un coût de base de 0,1 € par kWh[11], le prix du kWh étant ensuite proportionnel au prix d'achat (c.a.d., le triple si l'installation a coûté 3 € par Wc) et inversement proportionnelle à la productivité (par exemple, la moitié si l'installation produit 2 kWh par Wc et par an, le double si elle ne produit que 0,5 kWh par Wc et par an).

Ainsi, en Belgique où on peut tabler sur une installation à 4 € par Wc (installation domestique) et une productivité de 0,9 kWh par Wc (Cf. supra), le kWh photovoltaïque revient à 0,1 x 4 / 0,9 = 0,44 €. La même installation dans les meilleures conditions possibles (dans le désert d'Atacama) produirait un kWh à 0,17 €.

Prix de vente de l’électricité

En France, l’arrêté du 10 mars 2011 fixe jusqu'au 30 juin 2011 « les conditions d'achat de l'électricité produite par les installations utilisant l'énergie radiative du soleil » [12]. Le tarif (en centimes €/kWh hors TVA) est calculé à partir d’autres variables. L’article 2 donne les principales caractéristiques du contrat d’achat :

  • nombre et type de générateurs ;
  • puissances (puissance crête installée et puissance électrique active maximale de fourniture)
  • productibilité moyenne annuelle estimée  ;
  • fourniture moyenne annuelle estimée ;
  • tension de livraison.

Comparaison du prix de l'électricité photovoltaïque avec le prix d'autres énergies

Bilan énergétique (de la fabrication au recyclage)

D'après l'EPIA (Association Européenne de l'Industrie du Photovoltaïque), sous la latitude de Lyon, un panneau solaire restitue en deux ans et demi l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.

Les régulations européennes imposent maintenant que les panneaux soient recyclés lorsqu'ils sont démantelés. Il existe plusieurs organisations qui préparent le recyclage des panneaux en fin de vie telles que le CERES ou encore pvcycle.

Les panneaux ayant une durée de vie supérieure à vingt-cinq ans, la plupart des panneaux installés maintenant ne seront pas recyclés avant 2035.

On trouve des temps retours énergétiques entre 1,9 et 4,0 années[13]

Notes et références

  1. puissance sous un ensoleillement de 1000 W/m², une température normalisée de 25 °C et une distribution spectrale AM 1,5 (conditions STC).
  2. a et b [PDF] le rapport Trends in photovoltaic applications, août 2008 et [PDF] une présentation (résumé) de ce rapport
  3. Solar Energy Material Solar Cells (2001). Ruiz JM.,Martin N.
  4. Quesada et al.(2011) Experimental results and simulation with TRNSYS of a 7.2 kWp grid-connected photovoltaic system. Applied Energy n°88 - ScienceDirect.com
  5. Lorenzo(2002) La electricidad que producen los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Era Solar, Nº107 - Disponible sur www.fotovoltaica.com
  6. Sistemas Fotovoltaicos (2005). Abella MA.
  7. Performance of 172 grid connected PV plants in Northern Germany (Decker B, Jahn U 1994)
  8. Analysis of Photovoltaic Systems. Rapport IEA-PVPS T2-01:2000 - Disponible sur : IEA-PVPS Task 2
  9. Radiación solar y dispositivos fotovoltaicos (2006) E.Lorenzo.
  10. Voir par exemple PVGIS qui donne ce genre de résultat en tout point voulu.
  11. la formule correspondante est usuelle, on la trouve notamment dans les tableurs sous le nom VPM (10%;X;1; ; ), X étant un nombre de période "grand" (X = 100 par exemple, soit un siècle ; le résultat ne varie plus si on prend X plus grand)
  12. Tarif d'achat
  13. D'autres info sur ce site :bilan sur outilssolaires.com.

Voir aussi

Liens internes

Liens externes


Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Module solaire photovoltaïque de Wikipédia en français (auteurs)

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