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Capteur solaire photovoltaïque d'une maison ancienne du Jura en Franche-Comté.

Capteur solaire thermique à gauche et capteur solaire photovoltaïque à droite.

Un panneau solaire est un dispositif technologique énergétique à base de capteurs solaires thermiques ou photovoltaïques et destiné à convertir le rayonnement solaire en énergie thermique ou électrique.

Présentation

Historique

Un panneau solaire fonctionne grâce à une réaction photo voltaïque. L'effet photovoltaïque fut découvert par Alexandre Edmond . Le premier brevet pour une cellule solaire fut déposé par William Coblentz en 1913.

C'est en 1916 que Robert Millikan construisis la première cellule solaire fonctionnel.

Il faudra attendre 1954 pour que le premier panneau solaire soit construit par les laboratoires Bell

En 1960 la nasa utilise des panneaux solaires photovoltaiques pour des satelites .

C'est en 1973 que les premiers panneaux solaires sont installé sur le toit d'une maison.

Types

On distingue trois types de panneaux solaires :

• les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, collecteurs solaires ou simplement capteurs solaires, qui piègent la chaleur du rayonnement solaire et la transfèrent à un fluide caloporteur ;

• les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques ou simplement panneaux solaires, qui convertissent le rayonnement solaire en électricité. Le solaire photovoltaïque est communément appelé PV.

• les panneaux photovoltaïques hybrides qui combinent les deux technologies précédentes et produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur tout en améliorant le rendement des panneaux solaires photovoltaïques en évitant la surchauffe des modules. La combinaison de ces deux technologies peut être considérée comme de la cogénération.

Dans les trois cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

Rentabilité et rendement

Les capteurs thermiques

sont rentables dans les régions très ensoleillées même sous des latitudes élevées (nord de la France, Belgique, Canada, etc.).

Les panneaux solaires photovoltaïques

sont plus rentables dans les régions très ensoleillées ou lorsque l’État subventionne ce type d'installation. Ceci explique l'engouement des pays du sud de l’Europe (Italie, Portugal, etc.), à la fois grands consommateurs et grands producteurs potentiels, pour l'installation de grande centrales. Le rendement des panneaux solaires photovoltaïques : est défini comme la part du rayonnement solaire transformée en électricité. Il varie de 6 à 8 % pour les panneaux en silicium amorphe, à 46 % pour la technologie actuellement la plus performante. La moyenne se situe actuellement à 14,5 %.

• Exemples de centrales solaires
• 
  Centrale solaire Thémis d'EDF, Pyrénées-Orientales
• 
  Nellis Solar Power Plant, 72 000 panneaux de 14 MW au Nevada, États-Unis.
• 
  Toiture photovoltaïque de 1 MW à Hanovre, Allemagne
• 
  Champs photovoltaïque en Oregon, États-Unis
• 
  Locaux d’élevage en Basse-Saxe, Allemagne
• 
  Centrale électrique solaire, Maroc
• 
  Parc de centrales photovoltaïques de la Colle des Mées, Alpes-de-Haute-Provence
• 
  Tracker solaire / Héliostat
• 
  Panneaux solaires à Hjelm au Danemark, en position verticale sud et avec protections anti-oiseaux au sommet.
• 
  Maison écologique du site Biosphère de l'Île Sainte-Hélène, Québec
• 
  Refuge de montagne du parc national d'Aigüestortes et lac Saint-Maurice dans les Pyrénées catalanes

Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il faut savoir que l'énergie émise par le soleil et reçue par la terre en environ une heure devrait permettre, si elle était récupérée en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an. En théorie, un carré de panneaux solaires de 344 km de côté (120 000 km²) pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 et 17 % (en 2007 en Europe) soit 160 kWh/an/m² (ou 160 GWh/an/km²) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006; 16 000 TWh en 2004). Dans le cas de l'Europe des 27 (3 000 TWh), une surface de 137 km de côté (19 000 km²) suffirait, tandis que dans le cas de la France (500 TWh), il faudrait qu'elle ait 56 km de côté (3 100 km²).

• 
  Voiture solaire Mercedes-Benz Alpha Real 1985, musée Mercedes-Benz de Stuttgart
• 
  Voiture solaire BMW Lovos 2009, musée BMW de Munich.
• 
  Voiture solaire, World Solar Challenge, Texas Motor Speedway 2009
• 
  Bateau solaire Plastiki, Californie
• 
  Bateau solaire PlanetSolar à Miami, Floride
• 
  Avion solaire NASA PathfinderNASA Pathfinder
• 
  Projet de centrale solaire orbitale, NASA
• 
  Dirigeable de haute altitude, Lockheed Martin, 2006
• 
  Télescope spatial Hubble, 1990
• 
  Station spatiale internationale, 2011
• 
  Mission Mars Pathfinder, 1997
• 
  Avion solaire Suisse Solar Impulse, Payerne, 2014

D'une manière générale, on considère que la totalité de la surface des toitures existantes, correctement exposées et couvertes de panneaux, pourrait suffire à satisfaire la totalité des besoins mondiaux en électricité^{[réf. nécessaire]}. En effet, l'Île-de-France à elle seule a une superficie de 12 011 km² dont 20 % d'espaces construits, soit 2 400 km² ou 75 % de la surface nécessaire pour couvrir les besoins de la France.

Les panneaux solaires peuvent être inclinés jusqu'à 60 degrés pour permettre à la neige de glisser. De plus, la surface chaude du capteur solaire suffira à faire fondre les amoncellements qui pourraient rester accrochés au panneau.

Angle d'incidence du soleil

Calcul de l'angle d'incidence

À partir de l'équation du temps, du jour de l'année et de la latitude de l'endroit où se trouve le capteur, il est possible de calculer l'élévation et l'azimuth du soleil, à l'aide de la trigonométrie sphérique. Une fois l'élévation et l'azimuth connus, toujours grâce à la trigonométrie sphérique, il est possible de calculer l'angle d'incidence du soleil sur le capteur plan.

Soient $a$ et $a_{C}$ l'azimuth du soleil et du capteur, et $h$ et $h_{C}$ l'élévation du soleil et du capteur.

Il vient $\cos(i)=\sin(h)\cdot \sin(h_{C})+\cos(a-a_{C})\cdot \cos(h)\cdot \cos(h_{C})$ où $i$ est l'angle d'incidence.

Les panneaux solaires thermiques

Chauffe-eau solaire.

Il existe deux grands types de panneaux solaires thermiques : les "capteurs à eau" et les systèmes aérothermiques ("capteurs à air" et systèmes pariétodynamiques plus ou moins passifs) :

capteurs thermiques « à eau »

l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur, (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes en circuit fermé. Pour obtenir un meilleur rendement, les tubes peuvent être "sous-vide" c'est-à-dire que la surface des tubes est double et qu'entre ces deux couches est fait le vide. Ceci permet d'obtenir un effet de serre. Les panneaux solaires thermiques peuvent également se résumer à une simple surface vitrée sous laquelle circule le liquide caloporteur dans un circuit fermé. Ce système représente la première technologie de capteurs, la moins performante actuellement. L'absorbeur est alors placé à l'intérieur du tube ou sous la plaque vitrée, il est chauffé par le rayonnement solaire et transmet la chaleur au liquide caloporteur qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus rentable pour l'utilisation de l'énergie solaire. Les systèmes solaires combinés (SSC) commencent à se développer. Ils ont pour objectif de produire de l'eau chaude sanitaire et de l'eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs.

capteurs thermiques « à air »

de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs ou dans une zone d'effet de serre. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats, généralement pour le chauffage et parfois pour des usages industriels ou agricoles (séchage des produits).

En France le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (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'État, des Régions, de certains Départements et de certains regroupements communaux. L’État a mis en place un crédit d’impôt développement durable qui concerne plusieurs systèmes. Ces taux sont réévalués tous les ans. Concernant les panneaux solaires thermiques, un chauffe-eau solaire bénéficie d’un taux de 15 % en 2014.

Panneaux solaires photovoltaïques

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

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

Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers, dans ce dernier cas la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. En dehors de centrales solaires, les installations fixes se font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments, soit en intégration de toiture, soit en surimposition. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimale pour la production d'électricité, en France la position fixe optimale étant une inclinaison de 30° par rapport à l'horizontale, mais comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense au moins partiellement une production plus faible.

Différentes technologies photovoltaïques existent :

• le silicium polycristallin (pc-Si) représentant environ 57,0 % du marché mondial ;
• le silicium monocristallin (sc-Si) représentant environ 30,9 % du marché mondial ;
• le tellurure de cadmium (CdTe) représentant environ 5,5 % du marché mondial ;
• le silicium amorphe (a-Si) représentant environ 3,4 % du marché mondial ;
• le CIS (cuivre, indium, sélénium), CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium), le CIGSS (cuivre, indium, gallium, disélénide, disulphide) et l'arséniure de gallium (Ga-As) représentant moins de 5 % du marché mondial.

Production mondiale

La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine, Taiwan, l'Allemagne, le Japon et les États-Unis. Il s'agit majoritairement d'assemblage (encapsulation, électronique de contrôle, mise en place du cadre, boîtier de protection...) car en 2010 environ 50 % de la production mondiale de cellules photovoltaïques vient de Chine et 80 % d'Asie. Aujourd'hui les grandes marques internationales font produire leurs modules en Asie et parfois réalisent une étape de transformation sur le produit, alors que d'autres grandes entreprises sous-traitent simplement leur production.

Aspects environnementaux

Comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique.

La fabrication (plus l'assemblage, le transport et la pose) nécessitent en outre de l'énergie. En 2004, le Département américain de l'énergie estimait que le panneau mettait quatre ans à produire une quantité d'énergie équivalente. Les fabricants cherchent à minimiser les coûts et les besoins en matériau (silicium notamment), ce qui a incidemment pour effet de réduire la consommation d'énergie sur le cycle de vie du panneau, réduisant la durée de remboursement de l'énergie investie. Pourtant la fabrication des panneaux solaires peut s’accommoder de déchets industriels de silicium ce qui sur le long terme serait un gain intéressant au niveau de l'écologie.

Du point de vue du bilan en dioxyde de carbone, sur un cycle de vie de vingt ans, l'émission de CO₂ par kWh électrique produit par un panneau photovoltaïque représente selon le type considéré de 7 à 37 % des émissions par kWh produit par une centrale thermique classique.

Recyclage

La plupart des composants d'un module solaire (jusqu'à 95 % de certains matériaux semi-conducteurs), tout le verre et de grandes quantités de métaux ferreux et non ferreux peuvent être récupérés et recyclés. Certaines entreprises privées et des organismes sans but lucratif, tels que PV CYCLEPV CYCLE dans l'Union européenne, mettent en place des systèmes de collecte et de recyclage pour les panneaux photovoltaïques en fin de vie. Depuis 2010, une conférence réunit chaque année des fabricants, des recycleurs et des chercheurs qui s'unissent pour examiner ensemble l'avenir du recyclage des panneaux photovoltaïques.

En France depuis la fin août 2014, dans le cadre de la responsabilité élargie des producteurs (fabricants, importateurs et/ou revendeurs), ces derniers sont tenus de reprendre en plus des produits électroménagers classiques (DEEE), les panneaux photovoltaïques usagés (gratuitement et sans obligation d'achat). Ces entreprises ont obligation de financer et collecter le traitement de ces nouveaux déchets, sans période de transition, ce qui se traduira par une éco-participation sur chaque nouveau capteur photovoltaïque vendu. En 2010-2014, plusieurs enquêtes et l'Union européenne ont estimé que les deux tiers des déchets de cette nature n'arrivent jamais aux centres de retraitement agréés mais finissent en décharge ou à l'étranger. Les nouveaux objectifs de taux de collecte sont à partir de 2016, 45 % du poids de matériel vendu dans les trois ans précédents doivent être collectés (ce taux sera porté à 65 % en 2019). Ce texte est aussi plus restrictif quant aux envois de DEEE vers l'étranger.

Deux des solutions de recyclage les plus courantes sont les suivantes :

Les modules à base de silicium

Les châssis en aluminium et les boîtes de jonction sont démontés manuellement au début du processus. Le module est ensuite broyé dans un broyeur et les différentes fractions résultant de ce processus sont des métaux ferreux et non ferreux, du verre et du plastique avec un quota moyen de recyclage proche de 80 % (poids d'entrée). Par exemple, le verre provenant des panneaux photovoltaïques est mixé avec du verre standard pour être réintroduit dans le secteur de la fibre de verre ou de l'isolation. Ce processus peut être effectué par les recycleurs de verre plat étant donné que la morphologie et la composition d'un module PV est semblable à celui du verre plat utilisé dans l'industrie du bâtiment et de l'automobile.

Les panneaux photovoltaïques sans silicium

Des technologies propres au recyclage des panneaux photovoltaïques sans silicium existent ; certaines utilisent un bain chimique pour délaminer et séparer les différents composants des panneaux photovoltaïques. Pour les panneaux en tellurure de cadmium, le processus de recyclage commence par l’écrasement du panneau, aboutissant à une séparation ultérieure des différentes fractions. Ce processus de recyclage est destiné à récupérer jusqu'à 90 % du verre et 95 % des matériaux semi-conducteurs. Pendant les dernières années, plusieurs installations de recyclage ont été créées par des entreprises privées.

Les batteries doivent aussi être recyclées : si beaucoup d'installations photovoltaïques sont connectées au réseau EDF, certaines travaillent en autonomie. L'énergie produite le jour est stockée dans des batteries spéciales (qui se déchargent plus progressivement et supportent mieux les décharges fréquentes peu profondes, avec un régulateur installé entre la batterie et le module) et parfois dans des batteries proches de celle des voitures. Une batterie a une durée de vie de 4 à 5 ans (7 à 15 ans pour certains modèles récents) et contient des métaux et produits précieux et, ou, toxiques (plomb et acide communément). Donc pour un panneau photovoltaïque pouvant durer 25 ans, il faudra recycler 2 à 6 fois les batteries (si leur durée de vie n'augmente pas).

Enjeux géopolitiques

La Chine s'est imposée comme le premier fabricant mondial de panneaux solaires photovoltaïques, assurant en 2013 70 % de la production mondiale. Face à cette concurrence, l'Europe risque de perdre quelque 30 000 emplois, ce qui l'a poussé à appliquer un droit anti-dumping de 11,8 % au mois de juin 2013 puis de 47,6 % deux mois plus tard sur les panneaux importés de Chine. L’Europe accuse notamment la Chine de trop subventionner les entreprises produisant des panneaux solaires, ce qui lui permet de vendre en Europe des panneaux solaires à un prix inférieur à leur coût de production.

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Capteur solaire thermique
• Cellule photovoltaïque
• Centrale solaire photovoltaïque
• Chauffage solaire
• Énergie renouvelable
• Capteur solaire photovoltaïque
• Vitrage photovoltaïque
• Panneau solaire aérothermique
• Photovoltaïque raccordé au réseau
• Architecture écologique

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