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dernière mise à jour le : 24-1-2021

Convertir photons en électrons

Les réactions de fusion au cœur du Soleil fournissent à la Terre 120 000 térawatts par an d’énergie sans cesse : plus d’énergie est reçue en une heure que l’humanité n’en consomme pendant une année ! Grâce au progrès scientifique incessant, les technologies photovoltaïques qui captent cette source inépuisable et abondante de lumière pour la convertir en électricité solaire son désormais accessible par nous tous.

L’Ademe (l’Agence de la transition écologique), l’établissement public français sous la tutelle des ministères chargés de la Recherche et de l’Innovation, de la Transition écologique et solidaire, de l’Enseignement supérieur, constate : « les technologies solaires sont en progrès constants. Avec des équipements de plus en plus fiables et faciles à installer, des dimensions modulables, un fonctionnement sans intervention ou presque, la production d’électricité photovoltaïque est simple à mettre en œuvre ».

Dans cette section du Guide Complet, nous allons vous présenter la science derrière la technologie photovoltaïque. Vous trouverez aussi des explications de la fabrication et provenance du panneau solaire et de son bilan environnemental. Pour finir, les éléments importants d’une installation d’un système photovoltaïque chez soi en 2021 serait expliqué.

Contenu du guide

1. Le module photovoltaïque

i. L’effet photovoltaïque
ii. Fabrication des cellules photovoltaïques
iii. Bilan environnemental du photovoltaïque
iv. Avis sur le panneau solaire Chinois

2. L’autoconsommation individuelle

i. Le réseau de distribution électrique
ii. L’électricité solaire à domicile
iii. Le jour de l’installation
iv. Dimensionnement du système photovoltaïque

1. Le module photovoltaïque

Points à retenir :

  • Saviez-vous que le phénomène photovoltaïque a été découvert par un physicien Français, en 1839. Il permet aux photons des rayons du soleil de transmettre leur énergie aux électrons du silicium, le matériau principal des cellules photovoltaïques.
  • N’oubliez pas que me KiloWatt crête (kWc) est une unité de mesure qui correspond à la puissance maximale fournie sous un ensoleillement standard. Le KiloWatt heure (kWh), lui, est l’unité de production/consommation réelle en une heure d’électricité.
  • Sachez que le panneau solaire compense son bilan carbone de fabrication en seulement 3 à 5 ans. Les cellules solaires ne contiennent pas de terres-rares.
  • Les panneaux photovoltaïques Chinois ne sont pas forcément de mauvaise qualité.

1.i. L’effet photovoltaïque

Les panneaux photovoltaïques sont des capteurs des rayons du soleil contenant des cellules photovoltaïques. Ces cellules convertissent l’énergie présente dans les rayons du soleil (photons) en électricité solaire (électrons). Plusieurs cellules photovoltaïques, assemblées en série et en parallèle, forment un module photovoltaïque : un panneau solaire.

L’effet photovoltaïque désigne le processus de transformation de l’énergie contenu dans la lumière en électricité. L’adjectif ‘photovoltaïque’ trouve ces origines dans la combinaison de deux mots : « photo » (lumière en grecque) et « voltaïque » (de l’unité de mesure : le volt).

Le physicien français Edmond Becquerel découvre en 1839 que les rayons du soleil peuvent se transformer en courant électrique lorsqu’il déplace les électrons captés par des matériaux semi-conducteurs et les transforme en courant continu.

Comment ça marche exactement ? Les cellules photovoltaïques qui se trouvent dans les panneaux solaires sont fabriqué à partir de silicium (du sable). Le silicium est un semi-conducteur, ce qui veut dire que les électrons situés sur les couches externes des atomes de silicium peuvent être séparés de leur noyau quand ils sont exposés aux photons du rayon du soleil . C’est ce transfert d’énergie qui produit une tension électrique continue : un courant.

Les unités de mesures à connaitre dans le domaine photoélectrique :

  • Le watt (W) est l’unité de mesure de la puissance électrique, soit la quantité d’énergie pendant une seconde. Mille watts sont égaux à 1 kilo-watt (kW).
  • Le volt (V) est l’unité de mesure de la tension électrique, soit le déséquilibre de charge, entre deux points d’un circuit. L’ampère est la mesure de l’intensité du courant électrique qui circule dans un conducteur. Le voltampère est une unité de mesure de la puissance électrique apparente. Par exemple, la puissance active (souscrite) d’une maison est de 12 kVA (1 kVA = 1000 VA).
  • Le KiloWatt crête (kWc) est l’unité de mesure utilisée pour le photovoltaïque : un Watt-crête (Wc) correspond à la puissance maximale fournie sous un ensoleillement standard de 1 000 W/m2 à 25°C (1 kWc = 1000 Wc). Cette unité sert à mesurer la puissance et la taille d’une installation. On parle d’un système photovoltaïque de 3kWc, par exemple.
  • Le KiloWatt/heure (kWh) est l’unité réelle de production/consommation en une heure. Par exemple, un système photovoltaïque produit 2500kWh par an.

1.ii. Fabrication des cellules photovoltaïques

D’abord le du matériel. Un panneau photovoltaïque est fait de six composants : des cellules photovoltaïques, du verre armé, un cadre en aluminium, deux couches d’éthylène-acétate de vinyle (EVA), une feuille de support et une boîte de jonction. Voici comment les couches sont superposées :

Les cellules solaires photovoltaïques sont la composante principale d’un module photovoltaïque, celles qui transforment les rayons du soleil en électricité. Elles sont fabriquées à partir de silicium qui se trouve dans le sable. Une petite quantité de bore est ajoutée aux centaines de kilogrammes de fragments de silicium. Le tout est ensuite cuit à plus de 1500 degrés. Cela produit des blocs de silicones qui sont découpés en plaques appelées ‘wafers’, épaisses comme une feuille de papier.

Ces plaques sont ensuite traitées, et du phosphore y est déposé sur sa face avant. Le wafer devient une cellule photovoltaïque. Ce sont les carrés que l’on peut observer sur un panneau solaire. Leur épaisseur est de l’ordre de 0,2 millimètres, et un panneau est souvent composé de 60 cellules.

Pendant l’assemblage, deux couches de résine transparente sont placées sur les deux faces des cellules photovoltaïques, et le tout est chauffé. Cela sert à protéger les cellules des intempéries. Il faut ensuite placer un verre trempé épais d’environ 3mm, fixer les cellules solaires sur des feuilles de fonds et les encadrés dans un cadre en aluminium. Pour finir, une boite de jonction est installée à l’arrière du panneau avec câblage pour la connexion électrique afin de garantir leurs bons fonctionnements ainsi que leur sécurité électrique.

1.iii. Bilan environnemental du photovoltaïque

Comme tout produit, la fabrication et le transport des panneaux solaires nécessitent une certaine consommation d’énergie. Cependant, leur fabrication entraîne une empreinte carbone faible.

Afin de calculer le bilan environnemental, la méthode de référence est l’analyse de cycle de vie (ACV). Le ACV permet de calculer le gaz à effet de serre sur leur durée de vie. Ces études sont conduites par le GIEC à l’international et par l’Ademe, (l’Agence de la transition écologique), l’établissement public français sous la tutelle des ministères chargés de la Recherche et de l’Innovation, de la Transition écologique et solidaire, de l’Enseignement supérieur, en France. L’Ademe confirme :

Il suffit de compter qu’entre 3 et 5 ans pour qu’un panneau solaire compense son bilan carbone de fabrication. Par la suite ils sont purement positifs dans la lutte contre le dérèglement climatique. Le bilan environnemental du solaire est encore plus pertinent que ce que le chiffre révèle. La production d’électricité solaire ne nécessite aucun approvisionnement et n’aboutit à aucun déchet.

Étant donné leur production d’électricité propre, les cellules photovoltaïques ne sont donc pas polluantes. Au contraire, les capteurs solaires photovoltaïques sont une prouesse écologique et une technologie propre digne de ce nom.

De plus, les terres-rares, ces groupes de métaux (utilisés notamment dans des smartphones…) dont l’extraction et le raffinage sont très polluants, ne sont pas utilisé dans le panneau solaire contrairement à certaines idées reçues. L’Ademe constate que « les technologies solaires photovoltaïques actuellement commercialisées n’utilisent pas de terres rares. » Les panneaux solaires font donc beaucoup plus de bien que de mal.

1.iv. Avis sur le panneau solaire Chinois

Il y a beaucoup d’idées reçues concernant les panneaux fabriqués en Chine. Afin de séparer le vrai du faux, nous allons vous parler de la domination du marché Chinois et des panneaux solaires qui y sont produits.
On peut dire que la Chine domine le marché du photovoltaïque, car le pays fabrique 50% des modules photovoltaïques dans le monde. Cependant, les fabricants Chinois se spécialisent surtout dans la fabrication de panneaux photovoltaïques pour centrales solaires à grande échelle, plutôt que dans celles pour particuliers.

Mais d’où cette part de marché ? D’abord, cela fait 20 ans que le gouvernement Chinois investit massivement dans son industrie photovoltaïque. Le secteur emploie des millions de personnes, continue de croître, et permet une indépendance énergétique au niveau national.

Puis, les coûts de fabrication en Chine sont bas, comme c’est le cas pour la plupart des équipements électroniques. La Chine est donc devenue le leader en matière de coûts de fabrication. Du fait de son rôle mondial, il est aussi plus facile pour les entreprises étrangères d’acheter les sous-composants des modules photovoltaïques aux entreprises Chinoises. Certains fabricants non-Chinois produisent donc aussi en Chine.

Cela dit, la domination Chinoise est aussi due à la qualité du panneau solaire. Plusieurs études internationales menées en conditions de laboratoire, montrent que les panneaux solaires Chinois sont de qualité égale, voire supérieur, au reste du marché . En effet, les classements des meilleurs fabricants en matière de qualité montrent que les meilleurs fabricants se trouvent dans les quatre coins du monde.

2. L’autoconsommation individuelle

Points à retenir :

  • Remettez en question l’électricité produite sur le réseau, dont le transport et la distribution sont coûteux.
  • Optez pour l’autoconsommation individuelle avec revente de surplus, simple et rentable. Mais vous pouvez toujours opter pour l’autoconsommation totale avec batterie pour une autonomie 100%.
  • Sachez que la pose d’un système photovoltaïque est une pratique bien connue par les professionnels et ne dure qu’une seule journée.
  • Insistez toujours sur un dimensionnement sur-mesure basé sur le potentiel solaire de votre maison. Celui-ci nécessite un calcul de l’irradiance, au kWh/m².

2.i. Le réseau de distribution électrique

L’électricité est produite majoritairement des grandes centrales industrielles de gaz, hydrauliques, et surtout nucléaires. Pour les intéressés, découvrez la production d’électricité française en temps réel grâce aux efforts numériques du Réseau de Transport d’Electricité (RTE).

Une fois produite, l’électricité est transportée sur de longues distances par le réseau électrique de haute tension ; ce sont les grands pylônes d’acier qui transperce le paysage. Sauf qu’une grande partie de l’énergie électrique est perdu pendant le transport de l’électricité des centres de production aux lieux finaux de consommation.

Le maintien du réseau implique aussi des frais de maintenance. C’est le TURPE, le Tarif d’Utilisation des Réseaux Publics d’Électricité. Le TURPE est le tarif d’acheminement de l’électricité. Le TURPE, qui est régi par la Commission de Régulation de l’Energie (CRE), est en constante augmentation et représenter jusqu’à 40% de la facture électrique.

L’électricité doit être baissé en tension afin d’être acheminés chez vous. Voici où Enedis, le gestionnaire du réseau public de distribution d’électricité, intervient. Le compteur Linky permet de comptabiliser la consommation au niveau du réseau. Enfin les fournisseurs d’énergie et de gaz commercialisent la production d’électricité auprès des producteurs. Ce sont vos factures d’énergie. Résultat : un prix de l’électricité supérieur au coût de production.

2.ii. L’électricité solaire à domicile

Une maison solaire offre une situation bien différente. La production d’électricité est assurée chez vous par votre système photovoltaïque et la lumière du soleil. Il n’y a rien ni à transporter, ni aucun fournisseur. L’électricité solaire est propre, gratuite et indépendante une fois mise en service. C’est l’autosuffisance solaire.

Les rayons du soleil sont transformés en électricité grâce à l’effet photovoltaïque, et un courant continu est produit. Ce courant continu est ensuite transformé en courant alternatif par les onduleurs ou micro-onduleurs, ce qui permet d’alimenter les appareils de votre maison. Il existe trois cas de figure.

La vente en totalité

La vente en totalité, qui implique aucune autoconsommation, a été populaire il y a une dizaine d’années. L’intégralité de la production est injectée dans le réseau et vendue au tarif d’achat. Le tarif d’achat a depuis baissé significativement, de 0,62 €/kWh à 0,10 €/kWh aujourd’hui. Résultat : la vente de totalité n’est pas conseillée pour les particuliers.

L’autoconsommation avec revente de surplus

Aujourd’hui ce cas de figure est le plus rentable. Vous vous libérez d’une grande partie de votre facture d’énergie en autoconsommant. Seul le surplus de production est injecté dans le réseau sur l’instantané. La revente du surplus est automatique. Vous vous servez donc du réseau électrique pour compenser tout manquements. Les habitudes restent les mêmes qu’avant la mise en service.

L’autoconsommation totale : l’autonomie 100%

L’avenir est l’émancipation électrique : la production intégralement consommée. La totalité de la production est consommé sur place sans injecter d’électricité dans le réseau. Mise à part des systèmes photovoltaïques tout petit, ceci nécessite la pose de batteries. Moins rentable due aux surcoûts des batteries, elle permet néanmoins une autonomie totale. Plus de factures d’énergie !

Voici ce que l’Ademe (l’Agence de la transition écologique), l’établissement public français sous la tutelle des ministères chargés de la Recherche et de l’Innovation, de la Transition écologique et solidaire, de l’Enseignement supérieur, en dit sur l’autoconsommation individuelle :

« L’énergie solaire est non polluante, économique, facilement disponible, renouvelable et aisément transformable. Elle répond en outre à des enjeux écologiques plus globaux. Grâce à des équipements robustes et fiables, les modules photovoltaïques, elle vous permet de produire l’électricité dont vous avez besoin ou de la vendre ».

2.iii. Le jour de l’installation

La pose nécessite plusieurs compétences. D’abord électrique, car un système photovoltaïque s’intègre dans l’installation électrique existante. Puis, celle d’un couvreur. L’expertise d’un couvreur est très importante afin d’assurer l’isolation et l’étanchéité du toit solaire. Un professionnel de l’installation est donc nécessaire : l’installateur photovoltaïque.

Une pose nécessite préalablement une validation technique du chantier. Celle-ci implique une vérification de l’installation électrique, de la charpente et de la surface, et de l’accès au toit. Certaines démarches administratives sont elles aussi obligatoires.

Bien que la procédure entière pour installer des panneaux solaires dure plusieurs mois, la pose elle-même des panneaux solaires s’effectue en une seule journée (ou peut être deux jours en fonction de la complexité de la pose).

Voici comment la pose se passe étape par étape :

  • La mise en sécurité du chantier est assurée, et l’échafaudage est installé si nécessaire.
  • L’installateur photovoltaïque détuilent à l’emplacement du panneau solaire en cas d’intégration au bâti, soit uniquement à l’emplacement des crochets en cas de surimposition.
  • Ils posent les abergements (inférieur et latéraux).
  • Ils posent un écran de sous-toiture ou une structure d’étanchéité.
  • Un système de fixation est ensuite posé, composé souvent de rails.
  • Le câblage et la pose des micros-onduleurs.
  • Pose des panneaux photovoltaïques.
  • Pour finir, les panneaux photovoltaïques et micro-onduleurs sont branché à l’installation électrique.

Résultat : un système photovoltaïque qui assure une production d’électricité chez soi ainsi qu’une étanchéité et isolation du toit. Une maison solaire tout simplement.

Voici ce que l’Ademe publie sur ce sujet : « les technologies solaires sont en progrès constants. Avec des équipements de plus en plus fiables et faciles à installer, des dimensions modulables, un fonctionnement sans intervention ou presque, la production d’électricité photovoltaïque est simple à mettre en œuvre ».

2.iv. Dimensionnement du système photovoltaïque

Il est d’abord essentiel d’effectuer une évaluation du productible photovoltaïque chez soi avant tout passage à l’électricité solaire. Un bilan du gisement solaire réel de votre maison est nécessaire pour le dimensionnement.

La précision technique de l’irradiance est obligatoire afin d’éviter une perte de rendement. Ce potentiel solaire c’est la puissance surfacique de votre toiture : l’irradiance en kWh/m². L’irradiance repose sur certaines valeurs clef :

L’emplacement géographique

L’ensoleillement d’un toit est déterminé les saisons, rotations du soleil, mais aussi par le climat de l’emplacement géographique. L’ensoleillement est déterminé par les observatoires météorologiques en termes d’heures d’ensoleillement dans une année. La Provence et la Corse sont parmi les endroits les plus ensoleillés d’Europe.

« Les panneaux fonctionnent seulement pour les maisons ensoleillées du sud » est donc une idée reçue ! Le nord de la France a plus d’heures de soleil que les Royaumes-Unies, qui ont pourtant un parc photovoltaïque plus important que celui de la France.

Notez aussi que la croissance de la filière photovoltaïque en Allemagne, pourtant moins ensoleillé qu’en France, est exponentiel (il y a plus d’installations photovoltaïques en Bavière qu’en France !). Les installations photovoltaïques marchent aussi en Norvège, Suède …

Pendant la journée, même si le soleil n’est pas visible, il y a quand même de la lumière qui alimente vos panneaux solaires (les plantes aussi par photosynthèse). Il est néanmoins vrai que leur efficacité baisse quand le ciel est couvert : ils produisent 25% de leur capacité quand il y a des nuages et 10% quand il pleut.

Les panneaux solaires produisent même en hiver. Le rendement des panneaux solaires baisse car les journées sont plus courtes et moins ensoleillées. Si de la neige couvre votre système photovoltaïque, ils ne produiront pas d’électricité solaire. Ils sont en revanche plus efficaces quand il fait froid.

L’orientation(s) de la surface

L’orientation du panneau solaire est mesurée par rapport à l’azimut : un angle par rapport à une direction de référence. Normalement, le nord est la direction de référence mais dans le domaine photovoltaïque, le sud devient le référent (au moins dans l’hémisphère nord).

Une orientation vers l’est génère une production forte le matin et faible l’après-midi, alors qu’une orientation vers l’ouest génère une production faible le matin et forte l’après-midi. Finalement, une orientation plein nord se traduit en une faible production toute la journée.

Un panneau orienté plein sud a donc un azimut de 0°, ce qui est l’exposition idéale pour maximiser la production annuelle d’un panneau solaire en France !

L’inclinaison(s) de la surface

L’inclinaison de la toiture est mesurée par l’angle entre le panneau et une ligne horizontale. Un panneau posé sur une surface plate a une inclinaison de 0 degré.

Quelle est l’inclinaison idéale ? Cela dépend de la latitude de l’endroit où l’on se trouve ! Vers l’équateur ou le soleil au-dessus de nous a midi, la production d’électricité est maximisée si les panneaux sont posés à plat. Mais au-dessus de l’équateur, le soleil monte moins haut. L’inclinaison idéale en France est donc entre 35 et 45 degrés (ce qui est souvent très proches de l’inclinaison des toitures traditionnelles).

Voici la production d’un panneau solaire selon son exposition, en pourcentages d’écart (perdu) par rapport à la production d’un panneau solaire idéalement exposé.

Par exemple, ce tableau indique qu’un panneau solaire orienté à 20° vers l’est ou vers l’ouest (azimut de 20°) et incliné à 20°, produira 3% de moins qu’un panneau solaire idéalement exposé.

Ombrages éventuels

Comme nous avons vu, un panneau idéalement posé est orienté plein sud - azimut 0° - avec une inclinaison de 35%. Mais des ombrages sur le toit, comme une cheminée, ou d’environnement, tels un arbre ou même une montagne, peuvent nuire au rendement du panneau solaire. Pour une production maximale, il faut le moins d’obstacle possible entre le soleil et les panneaux solaires (c’est logique !).

Il est donc possible que la présence d’obstacles se trouvant au sud, sud-ouest ou sud-est crée de l’ombre. Cela peut réduire la quantité d’électricité solaire que les panneaux solaires peuvent produire.

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L’évaluation de votre potentiel solaire permet de déterminer le dimensionnement optimal de capteurs solaires chez vous par rapport à votre consommation électrique. La découverte de votre potentiel solaire est donc une opportunité de jouir de la lumière inépuisable du soleil.

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