Comment est produite l’électricité avec les panneaux photovoltaïques

Depuis plusieurs années Energiris facilite la réalisation d’installations photovoltaïques afin de contribuer à une transition énergétique vers une production plus décarbonée. Mais savez-vous comment fonctionne ce type d’installation ? Comment peut-on « transformer le soleil en électricité » ?

Nous allons tout vous expliquer, de façon simplifiée, dans cet article de vulgarisation.

De quoi est constitué une installation photovoltaïque ?

Nous allons prendre le cas d’une habitation, cas familier pour nos coopérateurs, mais les composants principaux restent identiques dans tous types d’installations.

Afin de transformer la lumière du soleil en électricité qui sera utilisable dans le bâtiment et/ou renvoyé vers le réseau de distribution électrique, deux éléments principaux sont nécessaires :

• Les panneaux photovoltaïques, généralement installé sur le toit d’un bâtiment (mais d’autres types de pose existent), sont constitués de cellules photovoltaïques qui transforment l’énergie contenue dans la lumière[1] pour produire du courant continue.
• Un onduleur qui transforme le courant continue en courant alternatif, utilisable par les appareils électriques au sein du bâtiment (comme le frigo, la télévision, une lampe…)

Finalement, l’ensemble est raccordé au réseau de distribution électrique, via un ou deux compteurs[2] électriques du gestionnaire de réseau, afin d’y injecter l’électricité produite mais non auto-consommée ou de prélever l’électricité nécessaire à votre consommation si les panneaux ne permettent pas de produire suffisamment (de nuit, en journée pluvieuse…)

A ces éléments, il est possible d’adjoindre :

• un système de suivi (monitoring) qui analyse et/ou optimise les performances de l’installation tout en réalisant un suivi depuis vos téléphones, tablettes et ordinateur
• un système de stockage d’énergie à batteries, permettant de stocker l’électricité produite pour la restituer lorsqu’il y a un besoin de consommation. L’ajout d’une batterie nécessitera l’ajout d’un régulateur qui a pour rôle de contrôler la charge et la décharge des batteries et optimiser leur durée de vie.

Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Comme évoqué ci-avant, les panneaux photovoltaïques sont constitués de cellules qui transforment l’énergie contenue dans la lumière[3] pour produire du courant continue.

Une cellule photovoltaïque est un dispositif semi-conducteur en cristaux de silicium. Elle se compose d’une couche de type « P » avec des électrons « manquants » (appelés trous) et d’une couche de type « N » avec des électrons libres en excès. Lorsque les deux types de matériaux sont collés l’un à l’autre et exposés à la lumière du soleil (directe ou indirecte), des électrons sont « éjectés ». C’est ce qu’on appelle l’effet photoélectrique. Un déséquilibre de charge existe entre les deux couches semi-conductrices.  Si les deux faces de la cellule sont reliées à une charge ou des fils, les électrons peuvent circuler à travers les fils jusqu’à l’autre côté de la cellule, produisant ainsi un courant électrique, créé par l’échange d’électrons.

La tension produite par une seule cellule solaire est d’environ 0,6 V. Un panneau photovoltaïque est constitué de plusieurs cellules en série pour produire une tension plus élevée.

Constitution d’un panneau solaire

Nous venons de le voir, un panneau est constitué d’une série de cellules photovoltaique connectées en série afin de produire une tension plus élevée. Mais ces cellules ne sont pas « juste posée sur le toit ». Elles sont assemblées sur un cadre rigide pour en faire un module utilisable.

Le panneau sera constitué :

• d’un châssis en aluminium, armature rigide qui vient accueillir la structure en sandwich
• un verre trempé, orienté vers le soleil et permettant de laisser passer ses rayons tout en assurant une protection des cellules très fragiles. C’est cette face qui est orientée vers le soleil.
• Juste en dessous du verre on retrouve les cellules photovoltaïques, raccordées entre elles par des plaques ou des fils conducteurs. Les cellules sont encapsulées dans une résine transparente. Cette résine vise à garantir l’étanchéité et ainsi protéger les cellules contre l’humidité et les risques d’oxydations et le développement de moisissures qui pourraient altérer le fonctionnement des panneaux et réduire leur rendement.
• Finalement, on retrouve une plaque arrière en polymère qui protège la partie arrière et acceuil un boitier permettant les connexions.

Influence de la latitude et des saisons

En plein soleil, un mètre carré situé la surface de la Terre à l’équateur reçoit jusqu’à 1000 W d’énergie par jour, sans nuage. Mais toutes les latitudes ne reçoivent pas la même quantité d’énergie solaire. À une latitude de 50° [4], la puissance est d’environ 610 W par m².

Selon que l’on s’éloigne de l’équateur, une installation photovoltaïque aura besoin de plus de panneaux pour produire une quantité donnée d’énergie. Ainsi, on aura un panneau plus petit à l’équateur que sur un toit bruxellois.

Le calcul de la surface de panneaux solaires nécessaire pour alimenter un bâtiment doit donc tenir compte de la latitude à laquelle l’installation photovoltaïque sera utilisé.

Les saisons ont également une incidence sur l’énergie solaire à la surface de la Terre. Dans l’hémisphère nord, une cellule photovoltaïque produira plus d’énergie durant les mois de juin à août que durant les mois de décembre et de janvier.

Cela est dû à toute une série de facteurs tel que :

• les jours sont plus courts, en hiver et plus long en été ;
• le soleil est plus oblique durant les mois d’hiver ;
• les mois d’hiver sont plus propices à la couverture nuageuse.
• Dans les endroits où il neige, une installation fixe aura une production réduite lorsque les panneaux sont recouverts de neige.

Ceci ne rend bien sûr pas les installations photovoltaïques inutilisables sous nos latitudes mais cela aura une influence sur le nombre de panneaux solaires nécessaires pour une puissance donnée.

Problématique des zones d’ombres

L’un des ennemis des installations photovoltaïques sont les ombres qui réduisent la production d’électricité puisque les cellules cellules photovoltaïques ont besoin de la lumière pour générer de l’énergie.  Les ombres peuvent être partielles ou totales. Si un panneau est partiellement ombragé, cela peut entraîner une baisse de la production d’énergie solaire de l’ensemble du système. Si un panneau est complètement ombragé, il ne produira pas d’énergie solaire du tout.

Pour pallier à ce problème, on peut faire appel à différentes solutions techniques, comme par exemple :

• En installant des Micro-onduleur, ceux-ci permettent de gérer indépendamment les modules photovoltaïques et de limiter ou réduire les pertes de puissances d’un module dû l’ombre ou une défaillance technique.
• Les optimiseurs, installés sur les panneaux photovoltaïques permettent de suivre leur production en temps réel et optimiser leur production par la recherche du point de puissance maximal (MPPT)
• L’utilisation de panneaux solaires équipés de diodes by-pass. Ces diodes veillent à ce que l’électricité produite par les cellules qui sont toujours exposées au soleil continue à circuler dans le panneau, même si certaines des cellules photovoltaïques montées en série du panneau sont à l’ombre.
  

  

Principe de fonctionnement de l’onduleur

Comme évoqué en début d’article, l’onduleur transforme le courant continu provenant des panneaux photovoltaïques en courant alternatif utilisable par les appareils électriques au sein du bâtiment. C’est un dispositif d’électronique de puissance constituée le plus souvent d’interrupteurs électroniques tels que les IGBT, transistors de puissance ou thyristors. Ces interrupteurs sont commandés électroniquement afin de moduler la source pour obtenir un signal alternatif de fréquence désirée. Ce signal est ensuite filtré électroniquement pour obtenir une signal électrique sinusoïdale utilisable par les appareils électriques ou injecté sur le réseau de distribution électrique

Les onduleurs sont des composants critiques et nécessaires pour les installations photovoltaïques puisque ces derniers produisent naturellement du courant continu en capturant l’énergie du soleil grâce à des cellules photovoltaïques, comme expliqué ci-avant, alors que la plupart des appareils électriques fonctionnent avec du courant alternatif. D’où la nécessité d’un onduleur pour effectuer cette conversion. Ils ont également des fonctionnalités avancées telles que la surveillance, le contrôle de puissance et la protection contre les surtensions.

A noter que les onduleurs doivent se synchroniser avec le réseau (même fréquence, même phase) avant que l’installation photovoltaïque ne puisse fournir son alimentation en courant alternatif.

Dimensionner installation photovoltaïque ?

Le dimensionnement d’une installation photovoltaïque dépend de plusieurs facteurs tels que la consommation d’électricité, la surface disponible, l’orientation et l’inclinaison du système, le type de panneau utilisé, le raccordement électrique, etc. Il est important de bien dimensionner l’installation pour garantir une performance optimale.

Il existe plusieurs méthodes pour dimensionner une installation photovoltaïque. L’une des méthodes consiste à calculer la puissance crête des panneaux solaires. La puissance crête est la puissance électrique maximale que fournit un panneau solaire dans des conditions standards. Le rendement de la plupart des panneaux solaires se situe entre 15 % et 18 %. Pour calculer la capacité maximale, il faut prendre en compte la surface des panneaux solaires, le coefficient de rendement et l’ensoleillement. Voici deux formules qui permettent de calculer la puissance des panneaux solaires d’une installation :

• Surface (en m²) x coefficient de rendement (0.85) x 1 000 W/m² = Puissance crête (Wc)
• Énergie (kWh) x coefficient de rendement (0.85) / Ensoleillement (Heures) = Puissance crête (Wc)

Il est important de comprendre que la puissance d’un panneau solaire s’exprime en watts crête (Wc) ou en kilowatt crête (kWc). 1 kWc correspond à 1 000 Wc. Plus le nombre de kWc (la puissance des panneaux solaires) est élevé, plus l’installation est performante.

Une autre méthode consiste à dimensionner l’installation en fonction de la consommation d’électricité. Pour connaître la puissance crête nécessaire pour couvrir une production donnée, on peut utiliser la formule suivante :

• Puissance-crête à installer = Consommation / (production spécifique du site x facteur de correction) [kWh/an / (kWh/kWc x %) = kWc]

Le prestataire technique qui réalisera l’installation sera le plus à même de dimensionner correctement votre installation.

Références

1. Institut Royal Météorologique, Rayonnement solaire global journalier, moyenne annuelle, https://www.meteo.be/fr/climat/climat-de-la-belgique/atlas-climatique/cartes-climatiques/rayonnement-solaire/rayonnement-solaire-global/annuel
2. Khan Academy, Effet Photoélectrique, https://fr.khanacademy.org/science/physique-a-l-ecole/x6e8a541a302cdab5:physique-a-l-ecole-6e-annee-secondaire-2h/x6e8a541a302cdab5:physique-a-l-ecole-6e-2h-mecanique-quantique-l-atome-et-le-photon/a/photoelectric-effect
3. Energie + , Ensoleillement, https://energieplus-lesite.be/theories/climat8/ensoleillement-d8/
4. Kolantla, D., Mikkili, S., Pendem, S.R. and Desai, A.A. (2020), Critical review on various inverter topologies for PV system architectures. IET Renew. Power Gener., 14: 3418-3438. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2020.0317
5. Vieira, Romênia & Araújo, Fábio & Dhimish, Mahmoud & Guerra, Maria Izabel. (2020). A Comprehensive Review on Bypass Diode Application on Photovoltaic Modules. Energies. 13. 2472. http://dx.doi.org/10.3390/en13102472
6. Inverters: principle of operation and parameters | EME 812: Utility Solar Power and Concentration (psu.edu) : https://www.e-education.psu.edu/eme812/node/711
7. Hernández-Callejo, L., Gallardo-Saavedra, S., & Alonso‐Gómez, V. (2019). A review of Photovoltaic Systems : design, operation and maintenance. Solar Energy, 188, 426‑440. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.06.017

Notes de bas de pages

[1] Les systèmes photovoltaïques n’utilisent pas la chaleur du soleil. Cette dernière est utilisée par les systèmes solaires thermiques notamment pour la production d’eau chaude sanitaire.

[2] Compteur double flux ou adjonction d’un compteur de production dit « compteur vert ».

[3] Les systèmes photovoltaïques n’utilisent pas la chaleur du soleil. Cette dernière est utilisée par les systèmes solaires thermiques notamment pour la production d’eau chaude sanitaire.

[4] La Belgique s’étend en latitude sur 2 degrés, 51°30′ au point le plus au nord (Meerle) et 49°30′ au point le plus au sud (Torgny).