Comment fonctionne un système photovoltaïque ? Comment produit-il de l’électricité en utilisant uniquement l’énergie du soleil ? Aujourd’hui, tout le monde sait ce qu’est un panneau solaire. Mais expliquer son fonctionnement est certainement beaucoup plus délicat !
Dans cet article, nous allons voir comment fonctionne un système photovoltaïque et comment il produit de l’électricité en exploitant l’énergie du soleil. Nous allons voir quels sont ses principaux composants et quels facteurs peuvent affecter ses performances. Prêt à commencer ? C’est parti !
Fonctionnement des systèmes photovoltaïques
Les panneaux photovoltaïques, composés de plusieurs cellules photovoltaïques, transforment l’énergie des photons en électricité. Le processus qui crée cette énergie s’appelle l’effet photovoltaïque, c’est-à-dire le mécanisme qui, à partir de la lumière du soleil, induit la stimulation des électrons dans le silicium dont chaque cellule solaire est composée.
Pour simplifier à l’extrême le fonctionnement du panneau photovoltaïque : lorsqu’un photon frappe la surface de la cellule photovoltaïque, son énergie est transférée aux électrons de la cellule en silicium. Ces électrons sont « excités » et commencent à circuler dans le circuit, produisant un courant électrique. Un panneau solaire produit de l’énergie en courant continu (CC).
C’est ensuite à l’onduleur de le convertir en courant alternatif afin de le transporter et de l’utiliser dans les réseaux de distribution. À savoir que les maisons et les bâtiments industriels sont conçus pour utiliser le courant alternatif. C’est pourquoi un onduleur est indispensable dans un système photovoltaïque.
Les composants d’un système photovoltaïque
Comme beaucoup le savent, chaque système photovoltaïque est composé d’au moins deux éléments de base :
- Les modules photovoltaïques, qui sont composés de cellules photovoltaïques qui transforment la lumière du soleil en électricité.
- Un ou plusieurs onduleurs, dispositifs qui convertissent le courant continu en courant alternatif. Les onduleurs modernes intègrent des systèmes électroniques pour la gestion « intelligente » de l’énergie et l’optimisation de la conversion. Ils peuvent également intégrer des systèmes de stockage temporaire de l’électricité : batteries AGM, batteries au lithium ou autres.
Outre ces principaux composants, on trouve aussi des tableaux de distribution, des câbles solaires, des structures de support, des unités de contrôle, etc.
Facteurs affectant le rendement photovoltaïque
Tout le monde ne sait pas que le rendement de conversion de chaque système photovoltaïque n’est pas de 100 %. C’est-à-dire que les panneaux, les cellules solaires, qui sont frappés par les rayons du soleil, ne convertissent pas toute l’énergie qu’ils reçoivent en électricité. Ils ne parviennent à en convertir qu’une partie : c’est l’efficacité de la conversion. Les meilleurs modules ont un rendement de conversion d’environ 20-22 %. Cela signifie que seul un cinquième de l’énergie solaire qui frappe le panneau est effectivement converti en électricité. Certains modules en cours d’expérience parviennent à atteindre des rendements de conversion supérieurs à 30 %, mais les coûts de production sont encore trop élevés.
En plus de ce facteur, de nombreux autres déterminent l’efficacité réelle de chaque système. Il s’agit à la fois de pertes dues à des facteurs environnementaux et des inefficacités dues à diverses pertes électriques (câbles, appareils, transport, etc.). En général, les facteurs qui déterminent le rendement d’un système photovoltaïque sont les suivants :
La température
Le rendement des modules photovoltaïques varie en fonction de la température de fonctionnement : plus la température de fonctionnement est élevée, moins les panneaux sont efficaces. La surchauffe des cellules a un impact négatif sur l’efficacité des modules et sur les performances de l’ensemble du système.
La saleté
Les matériaux qui peuvent s’accumuler à la surface des panneaux (terre, sable, pollution, fientes d’oiseaux, feuilles, résines, etc.) ont un impact négatif sur la réception complète de la lumière solaire et nuisent aux performances du système. À long terme, ils peuvent également compromettre le rendement économique attendu du plan d’investissement. Les pertes de rendement dues à ce type d’inefficacité peuvent être très variables et dépendent fortement des conditions environnementales et de la fréquence de nettoyage des panneaux. Le nettoyage n’est, dans ce cas, pas seulement un besoin esthétique, mais un besoin fonctionnel.
L’ombre
L’ombre peut être transitoire (apparaître à certains moments de la journée) et peut résulter de la présence environnante d’arbres, de bâtiments ou même de cheminées. On parle ici d’inefficacités calculables. En revanche, les autres ombres passagères causées par les nuages et l’environnement environnant présentent un degré élevé de variabilité. Cependant, il existe des technologies qui permettent de minimiser l’impact de l’ombrage sur les performances du système photovoltaïque.
Câblage et connecteurs
L’utilisation de câbles et de connecteurs entraîne aussi de petites pertes de rendement. Il s’agit, dans ce cas, de pertes électriques qui n’ont qu’un effet mineur sur le rendement global du système.
Irrégularité
Qu’est-ce que le terme irrégularité signifie lorsque l’on parle de panneaux solaires ? Cela signifie que tous les panneaux de la même marque, de la même puissance et du même modèle ne produisent pas de manière parfaitement uniforme. Entre des panneaux similaires, soumis aux mêmes conditions de fonctionnement, il y a toujours d’infimes variations de rendement.
Il s’agit d’infimes variations qui confèrent aux panneaux des caractéristiques électriques légèrement différentes. Ce décalage peut également être l’un des facteurs à prendre en compte lors de l’estimation des pertes d’efficacité d’un système. Il est très rarement supérieur à 3 %.
Efficacité de l’onduleur
Le processus de conversion du courant continu en courant alternatif au moyen d’un onduleur a normalement un rendement d’environ 96-97 %. Les onduleurs ont généralement un rendement de conversion optimal lorsque la puissance continue d’entrée est élevée, mais toujours inférieure à la puissance nominale déclarée.
Le vieillissement
Les cellules photovoltaïques, dont la durée de vie est de 20 à 25 ans, ne produisent pas de manière uniforme tout au long de leur durée de vie : on estime que leur rendement diminue de 0,5 % par an. À la fin de sa vie, un système photovoltaïque peut donc avoir un rendement inférieur d’environ 10 à 12 % à celui qu’il avait au début. Ce phénomène est dû à la dégradation des matériaux et des composants et doit être pris en compte dès le départ dans le plan d’amortissement de l’installation. C’est par ailleurs un point qui est souvent négligé, et à tort puisque 10 à 15 % de rendement en moins est énorme.
