Principe

Cette page aborde la théorie des panneaux solaires, les points suivants sont développés :

Principe de fonctionnement :

Un panneau solaire fonctionne par un effet photovoltaïque c’est à dire par la création d’une force électromotrice liée à l’absorption d’énergie lumineuse dans un solide.
Ce phénomène a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel et a été développé grâce aux technologies spatiales.

La cellule photovoltaïque la plus répandue est constituée de deux couches de silicium, une d’entre elles dispose d’un excédent d’électrons (couche N) et l’autre a une carence en électrons (couche P). Il y a production d’énergie électrique lorsque l’énergie apportée par les photons est absorbée par la couche en excédent d’électrons, ce qui provoque le transport d’électrons vers l’autre couche.

cellule photovoltaïque

Un panneau est un assemblage en série de ces micro-cellules permettant d’obtenir une tension de 12 Volts.
La puissance d’un panneau solaire est fonction de sa surface, c’est à dire du nombre de cellules photovoltaïques, mais également de la fréquence de percussion de l’onde lumineuse (environ 600 tétraHertz pour un plein ensoleillement).

 

Construction

En fonction des matériaux utilisés et de la technique de construction les panneaux solaires ont des rendements différents.
Les familles les plus courantes des panneaux :

  • monocristallins : c’est la technologie la plus performante en terme de rendement car ils sont fabriqués à partir de tranches de cristal pur.
  • polycristallins : dans ce cas les cristaux sont reconstitués à partir de chutes de cristaux. Leur rendement est un plus faible, les meilleurs disposent d’un rendement de 15%.
  • amorphes : ici ce ne sont pas des cristaux mais des atomes organisés en couche homogène. Le rendement est beaucoup plus faible, de l’ordre de 6%.

Concernant le coût, plus le rendement est élevé plus le coût l’est aussi, ceci s’explique par les difficultés de mise en oeuvre de la fabrication.

La technologie que l’on trouve le plus couramment est celle du panneau polycristallin, ceci s’explique par les écarts de prix importants entre le mono et le poly pour une différence de rendement négligeable. Il faut aussi noter que la technologie de construction n’est pas une garantie de rendement dans la mesure ou bien d’autres critères rentrent en compte (qualité de la couche protectrice recouvrant les cellules photovoltaïques…).

Performances :

Les puissances annoncées par les constructeurs sont calculées par convention sur la base d’un niveau d’ensoleillement sur une surface plane horizontale de 1000 W/m². Dans les faits la puissance utile est fonction du niveau d’ensoleillement et de l’orientation et de l’inclinaison.
Toutefois les performances maximales ne peuvent être atteintes que dans des conditions optimales d’ensoleillement, d’orientation et de température.
La difficulté concerne l’orientation car la position du soleil par rapport à la terre évolue selon l’époque de l’année. En été le soleil est perpendiculaire au 23ème parallèle alors qu’au début du printemps il est perpendiculaire à l’équateur.
Dans notre hémisphère on oriente généralement le panneau vers le sud. Idéalement il faudrait aussi le faire tourner de l’est à l’ouest en suivant le soleil au cours de la journée.
Dans le tableau ci dessous vous trouverez des valeurs moyennes en fonction de la saison :

Saison Angle dans le nord de la France Angle dans le sud de la France
Hiver 70° 60°
Printemps 50° 40°
Eté 40° 30°
Automne 65° 55°

Influence de la charge :

Pour un ensoleillement, une température donnés et en fonction de la charge de sortie, un panneau solaire délivrera une certaine valeur de tension. La puissance générée sera fonction de la charge en sortie de panneau. Si aucune charge n’est appliquée le courant sera nul et la puissance sera nulle.
Rappel : P = U x I
Certains systèmes de régulation font varier dynamiquement la charge en sortie de panneau solaire pour optimiser la puissance fournie par celui ci. Ces régulateurs permettent de gagner 15 à 30% de rendement. Cette technologie est appelée MPPT (Maximum Power Point Tracking).

 

Influence de la température :

La tension d’un panneau solaire est également dépendante de la température. La puissance de référence est donnée pour 25°C. Pour chaque degré perdu environ 0,3% de puissance est perdue. Si la température augmente, cette puissance augmente de 0,3% par degré.

 

Utilisation de l’énergie générée

Deux utilisations sont envisageables :

  • le stockage dans une batterie.
  • l’utilisation directe.

Utilisation en stockage

Pour éviter toute opération manuelle, il est judicieux d’utiliser l’énergie produite pour recharger les batteries.
Dans ce cas il faut retenir que si un panneau est connecté en direct à la batterie (sans régulateur), celui ci ne doit pas fournir plus de 1/60e de la capacité afin d’éviter toute détérioration.
Dans le cas d’un panneau plus puissant il est nécessaire d’ajouter un régulateur pour limiter la tension en fin de charge.

 

Utilisation en direct

Un panneau solaire peut être utilisé en direct sur un appareil comme une résistance de dissipation ou un chauffe eau.
Dans ce cas il est important de vérifier que les intensités maximales pouvant être atteintes par le panneau ne dépassent pas les limites admissibles de l’appareil.
Des appareils électriques classiques tels que des réfrigérateur ne pourront pas être alimentés sans l’intermédiaire de batterie. En effet, la puissance fournie par les panneaux solaires sera soit trop faible pour faire fonctionner l’appareil, soit trop importante ce qui pourra le détériorer.

 

Utilisation mixte (stockage et directe).

L’utilisation optimale consiste à utiliser le panneau solaire pour une utilisation directe quand la batterie n’a pas besoin d’énergie et pour recharger la batterie si celle ci est déchargée. Il existe des dispositifs permettant d’orienter la tension de sortie en fonction du besoin (voir régulation).
Ce type de mécanisme permet par exemple d’alimenter un appareil (typiquement un chauffe eau) lorsque les batteries sont complètement chargées. On évite ainsi de perdre l’énergie en excédent.