Module solaire photovoltaïque

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 photovoltaïque et surtout les centrales solaires photovoltaïques.

Caractéristiques

Les panneaux sont le plus souvent 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 électrique, fixations, éventuel cadre pour assurer une étanchéité) sont inclus.

Il existe aussi des modules sous forme de membranes souples et résistantes, mais aussi des panneaux à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l'élément le plus cher du panneau (la cellule photovoltaïque).

Leur rendement est légèrement plus faible que celui des cellules qui les forment, du fait des pertes électrique internes et des surfaces non couvertes, mais reste d'environ 10 à 15%. 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 à peu près 15 % pour leurs meilleurs panneaux), ce qui donne une puissance crête de 50 à 250 W par panneau, selon ses caractéristiques, surtout 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 le plus souvent au moins 80% de la puissance de départ au bout de 20 à 25 ans)

Le prix pour de tels panneaux est d'environ 5 €/Wc (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 également 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 particulièrement faible et ses coûts d'exploitation sont quasi nuls. Étanche, il peut servir de couverture à un toit, sous réserve de bien maitriser l'écoulement d'eau aux bords avec un montage adapté. La durée de vie d'un tel module est supérieure à 20 ans.

Technologie

Ce sont les cellules à base de silicium qui sont aujourd'hui les plus utilisées, les autres types étant toujours soit en phase de recherche/développement, soit trop chers et réservés à des usages où leur prix n'est pas un obstacle. On peut distinguer en outre, suivant les technologies utilisées :

• silicium monocristallin : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
• silicium polycristallin : Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement légèrement plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
• silicium amorphe : les panneaux «étalés» sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes souples donnant la possibilité une idéale intégration architecturale.

La technologie évolue rapidement, le prix du kWc (kilo-watt crête) étant bien plus important que le rendement du panneau : un rendement deux fois plus faible veut dire uniquement 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 comparé à la puissance indispensable (sur un satellite, par exemple... ). Donc, si une nouvelle technologie permettait de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché, elle aurait de bonnes chances de s'imposer. Le rendement reste néanmoins une composante du prix, ne serait-ce que pour les frais de manutention et d'installation, d'autant plus faible que le module est petit et léger.

Production et pertes

Les principales sources de pertes énergétiques sont :

• Pertes par ombrage : 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 "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 semblables. Les fabricants garantissent des déviations inférieures de 3% à 10% autour de la puissance nominale.
• Pertes de connexions : La connexion entre modules de puissance un peu différentes occasionne un fonctionnement à puissance un peu 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 définissent 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 : Généralement, les modules perdent 0, 4 % par degré supérieur à sa température standard (25ºC 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% a 14%)
• Pertes par rendement DC/AC de l'onduleur : L'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement selon la puissance d'opération. (∼6%) ^[4]
• Pertes par suivi du point de puissance maximum : L'onduleur dispose d'un système électronique qui calcule en temps réel le point de fonctionnement de puissance maximum. (3%)

Lors de l'analyse de 172 installations du programme pionnier en Europe "1000 toits allemands", des productions de 0.43 kWh/Wc/an à 0.875 kWh/Wc/an avec une moyenne de 0.68 kWh/Wc/an. ^[5] Une autre analyse de l'Agence Mondiale 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 énorme de 0, 4-0, 95 kWh/Wc (Allemagne) et 0, 5-1, 4 kWh/Wc (Suisse). ^[6]. En outre, des installations avec des caractéristiques identiques installées dans des lieux particulièrement proches l'un de l'autre peuvent conduire à des productions particulièrement éloignées.

En conclusion, les valeurs moyennes du cœfficient de performance PR oscillent entre 0, 7 et 0, 75. L'analyse de l'Agence Mondiale pour l'énergie montre que les PR fluctuent énormément de 0, 25 à 0, 9 avec une valeur moyenne de 0, 72.

Les Kwh/Wc produits par un système photovoltaïque peuvent alors s'exprimer comme le produit de trois facteurs indépendants :

E_AC / P ^* = (G_deff / G ^*) * FO * PR

P* : Puissance nominale produite en conditions STC (W).

G_deff : Irradiation annuelle effective incidente sur le module (kWh/m2).

G* : Irradiance STC (1000 W/m2).

FO : Facteur prenant en compte les pertes par ombrage. ^[7]

A partir de là, il est envisageable d'estimer une productivité électrique annuelle. Les valeurs qui suivent sont indicatives et approximatives, car ce type de mesure est particulièrement 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 spécifiquement propice, etc. en kWh/Wc/an^[8] ; ici le cœfficient 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... )  : ∼2, 3
• Maximum pratique terrestre : ∼2, 4 (Désert d'Atacama, proche de l'équateur et spécifiquement sec)

Cependant, les valeurs réelles peuvent être énormément plus faibles.

Applications

Les modules solaires photovoltaïques se sont en premier lieu développés dans des applications particulièrement 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 comparé à la puissance indispensable (balises, horodateur, abris-bus, ... )  ; 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 dispositif photovoltaïque autonome soit un dispositif photovoltaïque raccordé au réseau. Ce type d'application n'est rendue envisageable que par des subventions massives existant dans certains états, car l'énergie ainsi produite reste toujours à peu près 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 particulièrement élevé.

Économie

Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60 % du marché mondial. Il s'agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises américaines BP Solar et Astropower, et de l'allemande RWE Schott Solar. 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 grand consommateur de panneaux solaires, mais beaucoup dépassé par l'Allemagne ^[2].

Prix des équipements (hors taxes)

• Modules polycristallins (fabrication)  : ∼2.000 / kWc
• Modules polycristallins (du grossiste au détaillant)  : de 3.490 à 5.100 / kWc (8 m²/kWc)
• Installation : de 600 à 2.000 / kWc (en autoconstruction de 100 à 400 / kWc)
• Onduleur pour injection réseau : ∼400 /kWc

La cible de 1 par Wc (au niveau des cellules) correspond à un prix de 0, 1 par kWh, qu'il faut rapporter au prix actuel du kWh à la consommation par les sources classiques (nucléaire, charbon, gaz, ... )  : à peu près 0, 06 CAN au Québec, (un des moins cher, ou alors le moins cher du monde grâce à leur production hydroélectrique), 0, 15 en France, 0, 25 au Japon, etc. Le prix cible est par conséquent celui qui rend la solaire photovoltaïque compétitif et même susceptible de rendre inutile les sources fossiles et nucléaires, ou alors les réseaux de distribution classique, sous réserve de disposer des surfaces nécessaires pour le déployer.

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), selon 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 couté 1 € par Wc et produisant 1 kWh par an et par Wc aurait alors un coût de base de 0, 1 € par kWh^[9], le prix du kWh étant ensuite proportionnel au prix d'achat (e. g., le triple si l'installation a couté 3 € par Wc) et vice versa proportionnelle à la productivité (e. g., 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 6 € par Wc (installation domestique) et une productivité de 0, 9 kWh par Wc (Cf. supra), le kWh photovoltaïque revient à 0, 1 x 6 / 0, 9 = 0, 67 €. La même installation dans les meilleurs conditions envisageables (dans le désert d'Atacama) produirait un kWh à 0, 25 €.

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

L'électricité photovoltaïque est moins chère que celle des piles (qui est la plus chère de l'ensemble des électricités)  : c'est pourquoi les modules sont si répandus dans les calculettes, montres, gadgets, etc. Elle est aussi compétitive pour des petits équipements autonomes (horodateur, balises marines... ).

Pour les autres utilisations courantes, par contre, elle est aujourd'hui bien plus chère, de 2 à 10 fois, que l'électricité aujourd'hui produite à partir d'énergie fossile (environ 3 centimes par kWh à la production), d'énergie éolienne, et même d'électricité solaire thermodynamique.

Notes et références

1. ↑ puissance sous un ensoleillement de 1000 W/m², une température normalisée de 25ºC et une distribution spectrale AM1, 5 (conditions STC).
2. ↑ ^{a  b}  le rapport "Trends in photovoltaic applications" d'août 2008[pdf] et une présentation (résumé) de ce rapport[pdf]
3. ↑ Solar Energy Material Solar Cells (2001). Ruiz JM., Martin N.
4. ↑ Sistemas Fotovoltaicos (2005). Abella MA.
5. ↑ Performance of 172 grid connected PV plants in Northern Germany (Decker B, Jahn U 1994)
6. ↑ Analysis of Photovoltaic Systems. Rapport IEA-PVPS T2-01 :2000 - Disponible sur : [1]
7. ↑ Radiación solar y dispositivos fotovoltaicos (2006) E. Lorenzo.
8. ↑ voir par exemple [2] qui donne ce genre de résultat en tout point voulu
9. ↑ la formule correspondante est usuelle, on la trouve surtout 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 fluctue plus si on prend X plus grand)
10. ↑ bilan

Liens externes

• Association EDEN - fiche technique sur le solaire photovoltaïque
• site collectant les données de productions de la plupart d'installation pour suivre l'évolution de leur production d'électricité au fil des ans
• (en) iea-pvps. org groupe photovoltaïque de l'agence mondiale de l'énergie, et surtout le rapport "Trends in photovoltaic applications" d'août 2008[pdf] et une présentation (résumé) de ce rapport[pdf]

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