Panneau solaire

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Intégration en toiture de panneaux solaires thermiques (à gauche) et photovoltaïques (à droite)

Un panneau solaire ou capteur solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie du rayonnement solaire pour le convertir en énergie solaire utilisable par l'homme. ^[1]

On distingue essentiellement deux types de panneaux solaires :

les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui convertissent la lumière en chaleur,
les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques, qui convertissent la lumière en électricité.

Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, avec une longueur et une largeur de quelques mètres. Ils sont dimensionnés pour faciliter leur installation et leur prix est fixé de sorte qu'ils trouvent des applications domestique ou industrielles.

Les panneaux solaires thermiques sont actuellement plus viables économiquement que les modules photovoltaïques. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

L'intérêt d'utiliser des panneaux solaires apparaît vite lorsqu'on sait qu'un champ photovoltaïque de 329 kms de coté, soit seulement 1,125 % de la superficie de l'Europe, pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 - 17 % ( en 2007 ) soit 160 kWh/m2/an et les besoins mondiaux à 17300 TWh.

En Belgique par exemple, l'énergie reçue par une surface au sol est de 1000^[2] kWh/an/m², dont 750 kWh reçus entre le 15 avril et le 15 octobre.

En Suisse, chaque m² de panneau solaire fournit environ 160 kWh par année^[1] ( chiffre 2007 ) .

On considère, en moyenne, que pour un particulier en France, la pose de 30 m² de panneaux sur sa toiture permet de produire autant que sa consommation annuelle d’énergie. ^[3]

[modifier] Panneaux solaires thermiques

chauffe-eau solaire

Voir l’article Capteur solaire thermique.

Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et ceux à air.

Dans les capteurs thermiques « à eau », l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur à circuit fermé , (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes munis d'ailettes. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en eau chaude sont modérés, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. Les ailettes, qui forment ce qu'on appelle l'absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur à l'eau qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour le chauffage et/ou pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS). C' est actuellement la solution la plus raisonnablement rentable en terme de solaire, d'autant qu'un tel matériel est amorti en moins de 5 ans en moyenne pour un foyer et qui en plus est défiscalisé à plusieurs échelles de l'État.

Dans les capteurs thermiques « à air », c'est de l'air qui circule et qui s'échauffe au contact des absorbeurs. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des productions.

En France le "Plan Soleil", lancé en 2000 par l'ADEME pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'Etat, les Régions, certains Départements et certains regroupements communaux [2].

[modifier] Panneaux solaires photovoltaïques

Panneau solaire à Marla dans le cirque de Mafate, à la Réunion.

Voir l’article module solaire photovoltaïque.

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série ou en parallèle.

Il existe différents types de panneaux solaires photovoltaïques :

[modifier] Les panneaux en silicium mono ou polycristallins

1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance d'environ 100 à 200 W.

Aux latitudes tempérées, l'énergie captée pour une année est de l'ordre de 100 kWh pour un mètre carré. Il n'en reste pas moins que le photovoltaïque est très cher et que son amortissement se fait en une quinzaine d'années.

Le matériau de base destiné à fabriquer les cellules constitutives des panneaux solaires photovoltaïques est le silicium. Les sources de silicium utilisées pour fabriquer les cellules des panneaux solaires photovoltaïques étaient jusqu'ici exclusivement les fabricants de silicium de l'industrie électronique. Ce silicium électronique est pur à 99,999999%, pureté demandée par ladite industrie électronique. Depuis peu, une autre source de silicium est utilisée : le silicium métallurgique pur à 98%. Ce type de silicium ainsi dénommé par son usage dans l'industrie métallurgique, présente les avantages d'être moins cher que le précédent et de dépenser moins d'énergie pour sa fabrication. Cette nouvelle source de matière va permettre à terme de faire baisser les prix des cellules et panneaux sans en altérer la technicité.

En 2006, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de capacité de production de silicium. Une forte croissance de la demande a entraîné un déséquilibre du marché. Cette demande 2 fois supérieure à l'offre a créé une pénurie de silicium. Les capacités de production de silicium sont en augmentation rapide dans le monde, mais malgré tout, on s'attend pour 2007 et peut être encore 2008 à ce que la pénurie perdure. Sans cette difficulté d'approvisionnement, le développement du solaire photovoltaïque aurait été spectaculaire, mais personne parmi les acteurs de la filière n'avait prévu cet engouement qui a pour origine l'augmentation des prix des énergies fossiles.

Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques carrées de 200 microns d'épaisseur qui sont appelées « wafers ». Les wafers sont alors « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacteurs électriques qui vont permettre de récupérer l'électricité produite dans le silicium. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques. L'assemblage d'un groupe de cellules relièes entre elles à l'intérieur d'un cadre étanche aux intempéries forme un panneau solaire monocristallin .

Les panneaux solaires polycristallins ou multicristallins , sont fabriqués avec une couche de silicium plus fine . Pour économiser de la matière première , on dépose une mince couche de silicium , composée d'une myriade de petits cristaux . Mais , si le coût est plus bas le rendement aussi et pour l'instant cette technique ne présente pas un avantage vraiment déterminant .

Les panneaux au silicium amorphe utilisent la technique de couches encore plus minces . Mais leur fabrication sous vide et leur bas rendement n'en font pas une alternative intéressante .

Dans l'état actuel des choses, un panneau photovoltaïque monocristallin au silicium électronique doit fonctionner 2 ans pour « rembourser » l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (voir Wikipédia sur les cellules photovoltaïques). Avec les progrès techniques en cours cette période est en diminution. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix.

Jusqu'à maintenant, chaque fois que la production de panneaux a doublé, les prix de revient ont diminué de 20 %. Pour les nouvelles installations de chaque année, l'Allemagne, le leader mondial en surface installée, diminue le prix de rachat du kWh photovoltaïque pour suivre la baisse des prix de revient de ces nouvelles installations ; les tarifs contractuels des installations des années précédentes restant par ailleurs inchangés. Les aides au développement de cette filiaire par un prix de rachat « aidé » par l'état, diminuent donc année après année par m² installé ; ce qui permet, à budget constant, de subventionner chaque année une surface installée toujours plus grande.

Parmi les améliorations en cours de la technique photovoltaïque, on trouve l'ajout en surface d'un film anti reflet qui permet de diminuer le renvoi de rayons lumineux vers l'atmosphère et donc d'absorber une plus grande partie du flux lumineux.

[modifier] Les panneaux solaires à concentration

Une autre innovation : à ce jour, la société Spectrolab détient le record du monde du meilleur rendement de conversion jamais mesuré sur une cellule photovoltaïque avec 40,7% (annonce en décembre 2006, homologation devant un organisme d'état américain en janvier 2007). Cette valeur a été mesurée sur une cellule dite « multi-jonction », qui consiste en un empillement de plusieurs cellules photovoltaiques convertissant différentes parties du spectre solaire (la cellule du haut convertit les photons les plus énergétiques, celle du milieu convertit les photons moyennement énergétiques, tandis que la cellule du bas convertit les grandes longueurs d'ondes, correspondant aux photons les moins énergétiques). Cette technologie permet d'optimiser l'absorption du flux solaire par la cellule, et ainsi d'accroître son rendement de conversion de manière significative.

Ces cellules sont constituées de Gallium, d'Arséniure de gallium et de Germanium. Le procédé de fabrication multicouche employé ici reprend tout simplement la technique de fabrication des circuits intégrés et des microprocesseurs maîtrisée et optimisée depuis longtemps par ailleurs.

À cause de son prix de revient élevé, ce type de cellule va être commercialisé dans des panneaux solaires à concentration. Ainsi la quantité de cellules sera diminuée à l'extrème puisque la concentration solaire sera de l'ordre de 500. Communément on dit que cette cellule fonctionnera à « 500 soleils ». De même la quantité d'énergie nécessaire au processus de fabrication va fortement baisser puisque la quantité de cellule sera diminuée du même facteur que la concentration solaire. Le prix de revient de ces panneaux, d'après les annonces qui ont été faites fin 2006, devrait s'orienter à la baisse également.

L'Europe qui développe le projet « full spectrum » en collaboration avec le CEA a pour sa part obtenu un rendement de 35,2% en décembre 2006 avec une technique qui a aussi pour objectif d'exploiter une plus large bande du spectre de la lumière.

Toutefois, il ne faut pas confondre ces résultats et annonces records avec les possibilités offertes par une production industrielle de masse qui se situe plutôt au niveau des 30% de rendement avec ces systèmes à concentration annoncés à la commercialisation pour 2007 - 2008 aux États-Unis et en Allemagne.

La société Allemande Solar Tec AG ( voir lien ) a également mis au point un système à concentration . Elle annonce qu' 1 décimètre carré de cellules à concentration remplace 12 m² de cellules traditionnelles , que le rendement est de 30 % et le prix en baisse de 1/3 .

[modifier] La production en couches minces

La production en ruban est une innovation de « Evergreen Solar » une start up du Massachusetts née en 1994, cotée au Nasdaq et qui a produit 30 MW de cellules solaires avec cette technique en 2006. Un film traverse un bain de silicium fondu et se charge sur chacune de ses deux faces d'une couche de silicium. En refroidissant se forment deux rubans de silicium d'une épaisseur inférieure à 150 microns. Il suffit ensuite de casser ces rubans à distance régulière pour former des carrés de silicium (wafers). Ce procédé présente des avantages : dès maintenant l'épaisseur des cellules est descendue en dessous de 150 microns et plus besoin de scier les « lingots » d'où l'économie de l'épaisseur des « traits de scie » . On a ainsi une diminution de la quantité de silicium nécessaire par suppression des pertes de sciage et par une épaisseur plus faible des wafers. Pour ces deux raisons la quantité de silicium utilisée est moindre et le temps de production d'électricité par le panneau pour effectuer le « remboursement » de l'énergie nécessaire à sa fabrication est alors descendu à 18 mois. (source : Evergreen Solar)

Une autre technique permet de se passer du silicium : une couche métallique mince de 5 microns déposée sur du verre ordinaire ou sur un support souple convertit la lumière en électricité avec un rendement légèrement inférieur à celui du silicium. Plusieurs variantes existent : le CIS ( Cuivre Indium Sélénium ), le DSCIG ( DiSéléniure de Cuivre Indium Gallium ), le DSSC ( à base de dioxyde de titane ) . De nombreux investissements sont en cours ( 2006 et 2007 ) aux États-Unis ( NanoSolar ) et en Allemagne ( où les journalistes n'hésitent pas à parler d'ambiance de ruée vers l'or ).

La production de panneaux CIS à commencé début 2007. Avec cette technique le matériau semi conducteur réactif à la lumière diminue spectaculairement en épaisseur puisqu'il passe de 200 microns à 5 microns. Quand le procédé industriel de dépôt d'une couche aussi mince aura été amélioré par l'expérience et l'apprentissage, on prévoit que le prix de revient des panneaux solaires photovoltaiques pourra baisser d'un facteur 3 ou 4. Dors et déjà ( mars 2007 ) le prix de revient du kWc posé est en baisse de 30 à 40 % par rapport à la technique des panneaux au silicium et le prix de revient du kWh est estimé à 15 cts dans la centrale solaire de Brandis ( voir lien pour cette centrale ), alors que le prix au compteur est de 19 cts en Allemagne .

Les prix de fabrication de ces panneaux CIS à la sortie usine étant appelés à fortement baisser dans les quelques années qui viennent , il semble bien que cette nouvelle technique soit destinée à bousculer l'ordre établi . En effet les particuliers Allemands bénéficiant par ailleurs de subventions pourront produire avec leurs installations de toîture de l'électricité à un prix inférieur à celui de leur compteur . Les éléments permettant un décollage spectaculaire du solaire photovoltaique semblent bien réunis en Allemagne .

En France , d'une part les prix des installations solaires sont beaucoup plus élevés qu'en Allemagne et d'autre part le prix du kWh au compteur est nettement plus bas , les conditions d'un véritable démarrage de la filaire sont donc moins favorables .

Parmi les recherches en cours : une équipe internationale de chercheurs dirigée par Junko Yano et Vittal Yachandra du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie est parvenue à détailler la molécule qui permet la photolyse de l'eau lors de la photosynthèse. L’espoir est de pouvoir la synthétiser, ce qui permettrait de maîtriser la production d’hydrogène par le soleil. Dans ce cas, on pourrait envisager des installations solaires en toîture de deux types :

des panneaux photovoltaiques produisant de l'électricité ;
des panneaux solaires produisant de l'hydrogène qui pourrait ensuite fournir de l'électricité quand le soleil est absent.

Une telle installation de solaire hybride devrait nous approcher de l'autonomie énergétique individuelle par le solaire si ces recherches aboutissent.

D'autres recherches sur les cellules en couches minces CIS ( Cuivre Indium Sulfure cette fois ) , tentent un assemblage multicouches pour augmenter les rendements .

[modifier] Notes

↑ La norme ISO 9488 Énergie solaire - Vocabulaire, qui a été reprise par le Comité européen de normalisation sous la désignation EN ISO 9488, déconseille l'usage du terme « panneau solaire » pour les applications thermiques, afin d'éviter toute confusion avec les applications photovoltaïques. Ici, le terme officiel agréé est « capteur solaire ». Éviter la locution « capteur solaire thermique » qui relève du pléonasme, car le terme de « capteur » ne s'applique pas au photovoltaïque. Il faut également bannir la locution « collecteur solaire », qui est un anglicisme ou un germanisme, afin d'éviter la confusion avec le collecteur, tube qui, dans de nombreux capteurs solaires, collecte le fluide chauffé à la sortie des ailettes de l'absorbeur montées hydrauliquement en parallèle.
↑ http://energie.wallonie.be/xml/doc-IDD-9278-.html
↑ http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=17038