En Franche-Comté, chaque mètre carré du sol reçoit, en moyenne, chaque année une énergie de 1 300 kWh provenant du soleil. A titre de comparaison, cette valeur est de 1 750 kWh/m2/an à Marseille et 1 150 kWh/m2/an à Lille.
L'énergie électrique que l'on pourra récupérer sera, bien sûr, très inférieure à cette valeur, car le rendement des cellules photovoltaïques est médiocre (de 12 à 15%).
En Franche-Comté, avec des panneaux orientés plein sud et avec une inclinaison de 35 à 40°, on obtient une production annuelle de l'ordre de 110 kWh par mètre carré de panneau, ce qui correspond à 1 100 kWh par an et par kWc installé.
Orientation des capteurs :
Pour récupérer le maximum d'énergie, le panneau devra être perpendiculaire aux rayons du soleil. A moins que les panneaux suivent le déplacement du soleil (faire tourner plusieurs dizaines de mètres carrés de capteurs pour suivre le déplacement du soleil est techniquement difficile, donc économiquement très coûteux, pour un gain énergétique modeste, de l'ordre de 30%), cette condition ne sera remplie que pendant une durée assez courte dans la journée.
L'orientation du panneau sera choisie en fonction de ce que l'on souhaite récupérer.
Par exemple :
- si l'on a besoin d'électricité surtout entre 9 et 10h, il faudra orienter les panneaux au sud-est.
- mais en général, on souhaite récupérer le maximum d'énergie ; on choisira l'orientation sud, le soleil étant plus violent vers midi.
- si on se trouve à un endroit où les brouillards matinaux se dissipent lentement, on décalera les panneaux vers le sud-ouest.
L'orientation des panneaux doit donc être étudié au cas par cas.
Inclinaison des panneaux :
Là encore il faut que les panneaux soient perpendiculaires aux rayons lorsque le soleil est au sud. Le choix de l'inclinaison dépendra aussi de ce que l'on attend du système photovoltaïque :
- en site isolé, le besoin d'énergie est crucial en hiver ; on favorisera la production de cette saison. A cette époque, les rayons sont très inclinés (le soleil est "bas"). L'angle formé par l'horizontale et le capteur (son inclinaison ou sa pente) devra être voisin de 55° (la latitude de la Franche-Comté + 10°),
- pour du photovoltaïque relié au réseau, le but est de vendre le maximum d'électricité sur l'année. On favorisera la production estivale qui est, chacun le sait, la plus abondante. Les panneaux seront donc perpendiculaires aux rayons du soleil d'été. La pente des capteurs sera donc voisine de 35° (latitude - 10°).
Remarque : une orientation décalée d'une dizaine de degrés par rapport à la position optimale ne fait pas chuter beaucoup la production. Par contre si le décalage augmente, les pertes deviennent vite importantes. Le choix de l'orientation et de l'inclinaison ne devra pas être fait à la légère !
C'est l'énergie électrique obtenue par conversion de l'énergie lumineuse (provenant en général du soleil). L'appareil qui effectue cette conversion est la cellule photovoltaïque.
CELLULE PHOTOVOLTAIQUE
Encore appelée photopile. C'est une mince couche (deux dixièmes de mm) d'un métal semi-conducteur (souvent le silicium) traitée pour pouvoir convertir la lumière en courant continu.
Elle est en général bleue, mais on peut lui donner n'importe quelle couleur. La couleur bleue est due à la couche anti-reflet déposée à sa surface.
Une cellule éclairée convenablement fournit une tension électrique continue de 0,5V. Cette tension dépend peu de l'éclairement (sauf quand celui-ci est trop faible)
L'intensité, donc la puissance fournie, dépend fortement de l'éclairement et elle est proportionnelle à la surface de la cellule. Elle est de quelques centièmes d'ampère pour une surface très bien ensoleillée de 1 cm2.
La surface d'une cellule est comprise entre quelques mm2 (photopile de montre) et 400 cm2. Il n'y a pas de limite théorique pour cette surface, mais les difficultés techniques, donc les coûts, augmentent avec les dimensions.
Les principaux types de cellule :
1. cellule en silicium amorphe (c'est à dire que le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille de verre). La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".
- avantages :
* elles fonctionnent avec un éclairement faible (par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment),
* elles sont moins chères que les autres.
- inconvénients :
* leur rendement ( 6%) est moins bon que les autres en plein soleil,
* leurs performances diminuent sensiblement avec le temps.
2. cellule en silicium monocristallin (on s'arrange, lors du refroidissement du silicium fondu pour qu'il se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension). On découpe le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.
- avantage :
* bon rendement (17%).
- inconvénients :
* les cellules sont chères,
* fonctionnement très médiocre sous un faible éclairement.
3. cellule en silicium polycristallin (pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux). Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.
- avantages :
* bon rendement (13%), mais cependant moins bon que pour le monocristallin,
* moins cher que le monocristallin.
- inconvénient :
* les mêmes que le monocristallin.
Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix).
4. Il existe d'autres types de cellule, certains étant en cours d'étude. Leur utilisation est pratiquement négligeable actuellement.
PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE
C'est un assemblage de cellules photovoltaïques. Les cellules sont en général montées en série (la borne positive d'une cellule est reliée à la borne négative de la cellule suivante). On obtient ainsi une tension plus élevée (en général 12 ou 24V).
Les panneaux photovoltaïques seront montés eux mêmes en série si on souhaite obtenir une tension supérieure à 12 ou 24V ou en dérivation ( les bornes positives des différents panneaux sont reliés ensemble, les bornes négatives également) si on souhaite obtenir une intensité plus importante.
La puissance maximale que peut fournir un panneau, dans des conditions idéales, est la puissance crête (elle est donnée en watt-crête, dont le symbole est Wc). Les panneaux les plus courants ont une puissance crête de 40 à 180 Wc.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE
Très schématiquement (les puristes chercheront un site scientifique pour une présentation rigoureuse) les "grains" de lumière qu'on appelle photons, en pénétrant très légèrement dans le silicium, déplacent quelques électrons du métal. Le métal semi-conducteur ne permettant le déplacement des électrons que dans un sens, les électrons déplacés par la lumière doivent passer par le circuit extérieur pour revenir à leur place, ce qui engendre un courant.
LES DIFFERENTS BRANCHEMENTS DES PANNEAUX
1- Branchement en série :
Ce type de branchement permet d'obtenir des tensions plus élevées (les tensions des panneaux s'ajoutent) ; l'intensité qui traverse chaque panneau est la même ; elle est égale à l'intensité du panneau le "plus faible".
Dans ce type de branchement, la borne positive d'un panneau est relié à la borne négative du panneau suivant (ou du panneau précédent).
Si la tension entre les bornes d'un panneau est de 12V, on disposera, entre A et B d'une tension de 12 + 12 + 12 + 12 = 48V.
Si les quatre panneaux sont identiques et éclairés de la même façon, ils fournissent la même intensité, par exemple 1 A (un ampère). L'intensité fournie par l'ensemble est également de 1A. La puissance disponible (tension x intensité) est de : 48V x 1A = 48W.
La puissance de l'ensemble est la somme des puissances des quatre capteurs. ( puissance fournie par un capteur : 12V x 1A = 12 W).
Supposons maintenant que l'un des panneaux soit dans l'ombre, il fournira une intensité moindre, par exemple 0,2A. Dans ce cas l'intensité fournie par l'ensemble ne sera plus que de 0,2A (le panneau dans l'ombre ne peut pas être traversé par plus de 0,2A).
La puissance fournie par l'ensemble sera de : 48V x 0,2A = 9,6 W.
De l'ombre qui arrive sur un panneau ou même seulement sur une partie de ce panneau entraîne un effondrement de la puissance fournie.
On aura compris que l'on devra étudier l'environnement des panneaux pour qu'aucune ombre ne vienne s'y balader ! Attention donc aux cheminées, arbres et même poteau électrique.
Remarque : dans ce type de branchement, on peut utiliser des panneaux de tensions différentes (par exemple trois panneaux de 12V et un de 6V ; on disposera alors d'une tension de 42V), mais il faudra choisir des panneaux qui fournissent des intensités égales.
2- Branchement en dérivation :
Ce type de branchement est aussi appelé "montage en parallèle".
Dans ce cas, les bornes positives des différents capteurs sont reliées entre elles, formant la borne positive de l'ensemble ; de même les bornes négatives seront reliées entre elles.
Ce montage n'est possible que si les panneaux ont la même tension (mais ils peuvent fournir des intensités différentes).
La tension entre les bornes de l'ensemble est égale à la tension commune des différents capteurs.
L'intensité fournie par l'ensemble est égale à la somme des intensités fournies par chaque panneau. C'est le montage qui convient quand on a besoin d'une intensité importante.
Entre A et B la tension est de 12V.
L'intensité qui sort de l'ensemble (avec les mêmes hypothèses que pour le montage en série) est :
1A + 1A + 1A + 1A = 4A.
La puissance disponible est donc : 12V x 4A = 48W soit la même puissance que dans le montage en série.
Comme dans le cas précédent, supposons que l'un des capteurs soit mal éclairé et ne fournisse plus que 0,2A. L'intensité fournie par l'ensemble sera : 1A + 1A + 1A + 0,2A = 3,2A.
La puissance disponible est de : 12V x 3,2A = 38,4W.
La perte de puissance est moins pénalisante que dans le montage en série (perte de 20% ici contre 80% pour le montage en série).
3- Montage mixte série - dérivation :
Dans ce cas, on monte en dérivation des ensembles de panneaux montés en série (on peut aussi monter en série des ensembles de panneaux montés en dérivation).
Prenons un exemple simple : on dispose d'un onduleur dont la tension de fonctionnement est de 24V. Il faut donc deux capteurs montés en série pour obtenir cette tension (2 x 12V = 24V). Si on dispose de quatre capteurs, on placera en dérivation deux séries de deux capteurs (voir schéma). Si on dispose de six capteurs on montera trois séries de deux capteurs.
La tension est de 24V entre A et B .
L'intensité fournie par l'ensemble est de 2A (avec les mêmes hypothèses que précédemment).
Pour information, les installations SOLARTIS comprennent soit deux séries de 16 panneaux, soit deux séries de 20 panneaux suivant la tension de service de l'onduleur installé (192V dans le premier cas ; 240V dans le deuxième).
PHOTOVOLTAIQUE EN SITE ISOLE OU RELIE AU RESEAU ?
Photovoltaïque en site isolé :
Lorsqu'une bâtisse est éloignée de plus d'un kilomètre de toute ligne du réseau de distribution électrique, il peut être moins onéreux d'avoir recours à des panneaux photovoltaïques plutôt que de créer une nouvelle ligne.
On peut aussi choisir le site isolé pour être autonome, pour des considérations idéologiques ou pour se prémunir de pannes électriques (comme celle qui a suivi la tempête de 1999).
Un tel choix entraîne des contraintes (et des coûts). Tout d'abord il faudra prévoir un stockage car l'énergie solaire a un gros défaut : elle est disponible quand on a peu de besoins.
L'installation sera donc composée de panneaux photovoltaïques reliés à un régulateur lui même relié à un parc de batteries d'une part et au circuit de consommation d'autre part.
Le régulateur est un dispositif électronique absolument nécessaire ; sans lui, les batteries auraient une durée de vie de quelques semaines.
Son rôle est, d'une part, d'arrêter la charge des batteries lorsque celles-ci sont complètement chargées et, d'autre part, de couper le courant dans le circuit de consommation avant que les batteries ne soient complètement déchargées.
Dimensionnement de l'installation :
La puissance des panneaux et la capacité du parc de batteries devra être évaluée avec soin en fonction des besoins de l'habitation et de ses occupants. L'étude doit être personnalisée, le mode de vie influant notablement sur la gestion de l'énergie.
Le coût des batteries est généralement équivalentà celui des panneaux. L'installation est donc coûteuse. De plus, les batteries ont une durée de vie limitée (comprise entre 8 et 10 ans) ; il faudra prévoir financièrement leur remplacement. De plus, leur recyclage pose des problème en terme de pollution.
L'équipement électrique :
Compte tenu de ce qui précède, il faudra réduire au maximum la consommation électrique. On choisira des lampes fluo (soit tubes fluo, appelés improprement "néon", soit des lampes fluocompactes) ; les appareils électriques seront de classe A ou même A+, on proscrira tout appareil électrique qui produit de la chaleur (radiateur, cuisinière, cafetière …). La production de chaleur devra être assurée par une autre source d'énergie. La machine à laver devra être alimentée en eau chaude (solaire si possible) pour ne pas avoir à chauffer l'eau avec l'électricité.
Dans la mesure du possible, ces appareils devront fonctionner sous une tension continue de 12 ou 24V. Si des appareils fonctionnent en 220V alternatif, ils pourront être alimentés par un onduleur qui transforme la tension continue en tension alternative. Ce choix entraîne une plus grande consommation due au rendement de l'onduleur et à sa consommation de veille.
Pour des utilisations ponctuelles de puissance importante, il sera judicieux de prévoir un groupe électrogène plutôt que de surdimensionner l'installation photovoltaïque.
Schéma d'une installation photovoltaïque en site isolé
Photovoltaïque relié au réseau :
Ce choix évite de stocker l'énergie, donc plus de problème de batteries ! Par contre on ne dispose pas de courant en cas de panne du réseau, même si le soleil brille !
Le principe : quand il y a du soleil, l'installation produit de l'énergie électrique en courant continu. Un onduleur transforme ce courant continu en un courant alternatif totalement identique à celui que produit EDF.
Deux options de raccordement sont possibles : la vente du surplus de la production photovoltaïque ou la vente de la totalité de la production.
- Vente du surplus :
La production photovoltaïque est prioritairement consommée par le propriétaire de l'installation. Si la production est supérieure à la consommation de la maison, le surplus est injecté sur le réseau et un compteur électronique mesure ce surplus (énergie vendue).
Lorsque la production est inférieure à la consommation, c'est le réseau qui fournit le complément à la maison. Un deuxième compteur mesure ce complément (énergie achetée).
EDF enverra régulièrement les factures de consommation (à partir des indications du deuxième compteur), comme à tout un chacun.
Une fois par an, au 1er novembre, le propriétaire de l'installation photovoltaïque relèvera l'indication du premier compteur et facturera à EDF l'énergie qu'il a injecté sur le réseau
Schéma d'une installation photovoltaïque reliée au réseau option vente du surplus
Vente de la totalité de la production photovoltaïque :
Le prix du kWh d'origine photovoltaïque étant plus élevé (environ 15 centimes d'euro tarif 2002) que le kWh vendu par EDF (8 à 9 centimes), il est plus intéressant de vendre la totalité de la production. La modification de l'installation sera plus coûteuse que dans le cas précédent.
Dans cette option, l'installation électrique de la maison est indépendante de l'installation de production.
Au total , le propriétaire de l'installation est "contrôlé" par trois compteurs. Le troisième mesure l'énergie consommée par l'onduleur lorsque l'installation photovoltaïque ne produit pas (par exemple la nuit), de fait cette énergie est vraiment négligeable, la véritable raison de sa présence est de décourager les éventuels fraudeurs.
Schéma d'une installation photovoltaïque reliée au réseau option vente de la totalité
