Un panneau solaire ou capteur solaire est un dispositif qui a pour but de récupérer une partie du rayonnement solaire auquel il est exposé pour produire de l’énergie.
On distingue deux types de capteurs solaires de nos jours :
Dans les deux cas, les panneaux se présentent sous formes de plaques ayant des dimensions (longueur et largeur) de l’ordre de quelques mètres. Cependant ces panneaux (surtout dans le cas du photovoltaïque) peuvent être disposés en série et donc recouvrir une surface plus ou moins importante, celle-ci étant proportionnelle à l’énergie créée.
Analysons donc ces deux dispositifs qui diffèrent énormément bien que communément désignés par la même appellation.
Le panneau solaire thermique ou capteur solaire thermique est un dispositif qui utilise directement la chaleur fournie par les rayonnements solaires pour la transmettre à l’habitat.
Il existe deux types de capteurs solaires thermiques à ce jour : les capteurs dit " à eau " qui utilisent un liquide comme fluide caloporteur tel que l’eau ou un antigel, et les panneaux solaires à air qui utilisent l’air comme caloporteur (généralement pour le chauffage, c’est une alternative de la pompe à chaleur à air).
Dans le cas des capteurs solaires thermiques à eau, le fluide caloporteur (généralement de l’eau mélangée à un antigel) circule dans un réseau de tubes munis d’ailettes dispersées sur la surface du panneau. Ces ailettes qui forment ce que l’on appelle l’absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur a l’eau qui circule dans les tubes. Ainsi le fluide caloporteur capte la chaleur apportée par le rayonnement solaire. Pour augmenter le rendement le dispositif est placé dans une boîte vitrée isolante afin de créer un effet de serre et donc augmenter la température d’échauffement du fluide caloporteur dans le réseau de tuyaux.
D’autres innovations ont permis d’augmenter le rendement des panneaux solaires thermiques à eau :
Les panneaux solaires thermiques à eau permettent de capter l’énergie solaire dans la journée.
Le plus souvent les capteurs sont partie intégrante d’un système de réchauffement de l’eau contenue dans un ballon d’une contenance de l’ordre de la centaine de litre. Les tuyaux compris dans les panneaux solaires se prolongent et traversent celui-ci , agissant comme une résistance électrique en chauffant l’eau qui les entoure. Cependant il est nécessaire d’ajouter un appoint (un chauffe eau) en parallèle a ce système, capable de pallier aux insuffisances dans les cas où les panneaux ne fourniraient pas la chaleur suffisante (temps nuageux par exemple).
Le système de chauffe-eau solaire dispose d’autres composants ayant chacun leur importance :
L’ensoleillement de la France est très varié du nord au sud. Cependant toute la France est largement assez ensoleillée pour subvenir à des besoins d’eau chaude bien que les régions plus exposées du sud soient favorisées (notamment pour éviter l’utilisation d’un appoint).
On observe 4 zones principales d’ensoleillement en France du nord au sud de la moins ensoleillée (zone 1) à la plus ensoleillée (zone 4).
;)
Le dispositif doit simplement être adapté à la situation.
| Nombre d’occupants | 1 ou 2 | 3 ou 4 | 5 ou 6 | 7 ou 8 |
| Capacité du ballon sans appoint (en L) | 100 à 150 | 150 à 250 | 250 à 300 | 350 à 500 |
| Capacité du ballon avec appoint (en L) | 100 à 250 | 250 à 400 | 400 à 550 | 550 à 650 |
| Zones climatiques : | Surface des capteurs en m²: | |||
| Zone 1 | 2 à 3 | 3 à 5,5 | 4 à 7 | 5 à 7 |
| Zone 2 | 2 à 3 | 2,5 à 4,5 | 3,5 à 6,5 | 4,5 à 7 |
| Zone 3 | 2 à 2,5 | 2 à 4 | 3 à 5,5 | 3,5 à 7 |
| Zone 4 | 2 à 2,5 | 2 à 3,5 | 2,5 à 4,5 | 3,5 à 6 |
Dans le cas des capteurs solaires thermiques à air (qui sont beaucoup plus rares) c’est l’air qui sert de fluide caloporteur et qui circule donc dans les tuyaux et s’échauffe à son passage dans le panneau solaire au contact des absorbeurs. L’air chauffé de cette manière est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des céréales et autres productions.
Les capteurs solaires à air sont donc utilisés pour le chauffage solaire (contrairement au capteurs à eau qui sont utilisés pour fournir l’habitat en eau chaude sanitaire).
L’utilisation de capteurs solaires à air se décline en trois technologies différentes :
Le choix d'un chauffage solaire par air nécessite une adaptation de l'architecture du domicile. Un système de chauffage solaire passif peut ne comporter qu'une grande verrière que l'on occulte par un rideau extérieur lorsque le besoin de chauffage ne se fait pas sentir ou en l'absence de rayonnement solaire pendant la période froide.
Le système de captage peut être une grande surface vitrée placée devant un mur sombre qui emmagasinera la chaleur ou encore un panneau dans lequel circule l'air qui traversera un réservoir empli de galets.
Un plancher solaire est constitué d'une dalle chauffée par un réseau de tuyaux noyés dans le sol. La forte épaisseur de cette dalle lui donne une grande inertie thermique permettant de stocker les calories captées par les panneaux solaires placés à l'extérieur du local et orientés plein sud, dans l'hémisphère nord. L'énergie solaire est transportée par un fluide caloporteur antigel qui circule dans les panneaux et dans le plancher.
Le plancher solaire direct (PSD) est une solution dont la rentabilité est sans doute inférieure à celle d'un chauffe-eau solaire mais qui permet de réaliser des économies de chauffage suffisantes pour amortir l'installation avant qu'elle ne nécessite une opération de maintenance lourde.
Le plancher solaire direct peut donc s’appliquer aussi bien à un système de panneau solaire thermique à air qu’à eau (eau + antigel en fait).
La chaleur captée par les panneaux solaires est dirigée vers une machine à absorption. Cette solution est efficace et silencieuse, elle est plus écologique qu'une climatisation classique (réduction des émissions de CO2). La technique reste marginale et se trouve encore en phase de développement, seule une cinquantaine d'installations existent en Europe.
Les avantages fiscaux accordés par l'État en matière d'installation solaire sont nombreux :
Les capteurs solaires thermiques présentent beaucoup d’avantages pour un habitat en quête de confort à coût réduit et écologique :
Cependant les panneaux solaires thermiques à eau peuvent présenter des inconvénients :
Les panneaux solaires photovoltaïques ou modules solaires photovoltaïques sont des panneaux constitués d’un ensemble de cellules photovoltaïques reliées électriquement.
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère une tension électrique continue à ses bornes, et dont nous étudierons la conception et le fonctionnement dans ce paragraphe.
Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque repose sur le principe de transmission d’énergie des photons émis par le soleil à un matériau semi-conducteur (un semi-conducteur est un matériau solide ou liquide qui conduit l'électricité à température ambiante, mais moins aisément qu'un métal conducteur).
Dans un matériau photovoltaïque, une partie du flux lumineux absorbé doit donc être restituée sous forme d'énergie électrique. Il faut donc au départ que le matériau ait la capacité d'absorber la lumière visible, puisque ce que l'on cherche à convertir, c'est la lumière du soleil.
Le matériau de nos jours utilisé pour la conception des cellules photovoltaïques est le silicium (le silicium est l’élément le plus répandu sur terre après l’oxygène, environ 40% des minéraux courants en contiennent.).
La conduction du silicium augmente avec l’intensité de lumière auquel il est exposé. Cet accroissement est dû à une « augmentation du nombre d’électrons de conduction » c’est à dire qui permettent la circulation du courant électrique au seins du matériau.
En effet dans un semi-conducteur pur comme le silicium, les électrons périphériques d’un atome sont mis en commun avec les atomes voisins afin de créer des liaisons covalentes qui assurent la cohésion du cristal.
Or ces électrons ne sont normalement pas libres et ne peuvent transporter le courant électrique. Cependant lorsque l’on expose ces électrons périphériques à la lumière, ces liaisons covalentes sont rompues et certains électrons deviennent mobiles.
Ce phénomène est dû à une transmission d’énergie cinétique des photons qui viennent frapper la cellule photovoltaïque à ces électrons de valence (électrons périphériques). En quelque sorte, les photons « arrachent » les électrons de valence les rendant ainsi mobiles et permettant la circulation du courant électrique.
Cependant il faut libérer une lumière beaucoup plus puissante que celle reçue par un panneau solaire pour que ce phénomène se produise. Afin de faciliter la circulation des charges les concepteurs ont eu l’idée de doper le semi-conducteur silicium.
La technique du dopage d’un semi-conducteur consiste à lui ajouter des impuretés c’est à dire des éléments ayant un nombre d’électrons de valence différent. Le silicium, lui, dispose de 4 électrons de valence, 14 électrons en tout disposés sur les trois couches (K)2 (L)8 (M)4.
Voici un schéma illustrant le dopage de silicium par du phosphore et de l’aluminium :
Lorsque les semi-conducteurs de types P et N sont mis en contact ils forment une diode ; la zone de contact étant appelée jonction N-P.
(Une diode est un dispositif de résistance élevée permettant le passage du courant électrique dans un seul sens).
Une cellule photovoltaïque est donc composée de deux couches de matériaux semi-conducteurs (silicium) dopés de type P (manque d’électrons) et de type N (excès d’électrons) dont la jonction P-N permet la circulation des électrons excédentaires de la couche N vers la couche P.
Ainsi lorsque les photons frappent la couche supérieure (dopée N), ils transmettent leur énergie aux électrons en excès et les libèrent plus facilement que dans du silicium non dopé. Ces électrons libres vont se loger dans les « lacunes » de la couche dopée P.
Le déplacement des électrons, dû à la transmission d’énergie des photons, est synonyme de production d’électricité.
C’est donc sur ce principe de transmission de charges entre semi-conducteurs de types N et P que repose le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque et donc d’un panneau entier.
Un module photovoltaïque est composé de plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles pour fournir une puissance suffisante. Une cellule photovoltaïque seule permet de créer une tension de l’ordre de 0,5 V.
Le cœur du panneau est donc composé des deux couches de silicium dopé N et P, ces composants sont sous forme de très fines plaques de façon à ce qu’il en résulte un contact étroit. Le tout doit être incorporé dans un boîtier fermé comportant des électrodes permettant de relier le panneau solaire au système photovoltaïque (appellation qui englobe le système entier mis en place dans le domicile pour capter l’énergie solaire et produire de l’électricité).
On peut recouvrir le dessous de la cellule avec un métal très bon conducteur qui doit aussi ne pas subir des phénomènes de corrosion ; mais si on recouvrait le dessus, on bloquerait les photons. La solution trouvée est de placer une grille métallique sur le dessus de la cellule.
Aussi, le silicium est très réflecteur, on place donc un revêtement anti-réflexion sur le dessus de la cellule. Son rôle est de capter le maximum de rayonnement. Une couche de verre protège la cellule. L'épaisseur totale de la cellule est de l'ordre du millimètre. Les couvertures de protection sont indispensables, la cellule photovoltaïque étant très fragile.
La puissance électrique fournie au récepteur dépend de l'intensité de l'ensoleillement. Elle est donc nulle la nuit et à son maximum quand le soleil est au zénith.
Les modules photovoltaïques se distinguent en fonction des 3 technologies de silicium utilisables :
Une cellule fournit une tension d'environ 0,5 ou 0,6 V, ce qui est suffisant pour alimenter une calculatrice ou une montre mais pas assez pour charger des batteries de 12V. Les cellules sont donc connectées en série afin d'obtenir une tension supérieure aux batteries (environ 17 V) et aussi pour obtenir la puissance désirée. On peut avoir des petits panneaux fournissant une puissance de 5W jusqu'à des panneaux fournissant une puissance de plus de 200W.
Le système photovoltaïque désigne l’ensemble de l’installation permettant à l’habitat de se fournir en électricité écologiquement grâce à des modules photovoltaïques.
Le système photovoltaïque de base est donc constitué de plusieurs éléments :
Dans cette configuration, tout ou une partie de l'énergie produite est réinjectée sur le réseau, Le tarif de rachat incite d'ailleurs à revendre la totalité de la production annuelle. Un tel système est dépourvu de batteries, sa maintenance est quasi-nulle.
Le retour sur investissement est inférieur à 20 ans dans quasiment toutes les configurations, et sur l'ensemble du territoire. Dans Les Régions fortement ensoleillées et/ou bénéficiant d'aides Régionales complémentaires, ce retour sur investissement peut être inférieur à 15 ans.
Le prix d'achat d'un système semi autonome est légèrement inférieur à celui d'un système en réinjection. Le coût global annuel d'un système semi autonome est toutefois plus élevé, car ne bénéficiant pas du tarif de rachat. Un tel système apporte une fonction supplémentaire d'autonomie de plusieurs jours et protège les applications sensibles (informatique, etc.) contre les micro-coupures. L'énergie produite est effectivement consommée localement et vient donc en déduction des consommations facturées. De fait, une installation semi autonome rendra moins sensible aux augmentations futures de tarifs EDF. Les procédures administratives sont grandement simplifiées par rapport à un système de réinjection réseau.
Voici un schéma qui retranscrit le cycle de production d’un panneau solaire photovoltaïque :
La production de cellules photovoltaïques n’est pas réellement propre car elle nécessite beaucoup d’énergie et il faut environ 5 ans à une cellule pour qu’elle produise l’énergie qui a servit à la construire.
Mais si les usines venaient a être alimentées elles–mêmes uniquement par l’énergie solaire, on pourrait parler d’énergie totalement propre et bel et bien renouvelable.
Les huit plus grandes entreprises fabricant des panneaux solaires sont : Sharp, Kyocera, BP Solar, Astropower, RWE Schott Solar, Siemens, Sanyo et Solarex.Ces entreprises sont pour la majorité Allemande ou Japonaise car se sont dans ces pays que l'énergie photovoltaïque est la plus développée.