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En un jour, le soleil envoie plus d’énergie vers la Terre que l’humanité ne pourrait en consommer en un an. Un système photovoltaïque transforme cette énergie gratuite en électricité solaire. Celle-ci peut être consommée dans votre propre maison ou injectée dans le réseau électrique public. Protect Planet vous explique le fonctionnement d’un système d’énergie solaire.
Comment l’électricité solaire est-elle produite ?
La réponse la plus simple à cette question se situe dans la structure des panneaux solaires. En effet, ceux-ci utilisent un principe qu’Albert Einstein avait déjà identifié il y a plus de 100 ans : lorsque la lumière frappe une surface métallique, des électrons s’en détachent.
Pour que les porteurs de charge se déplacent de manière orientée à travers les cellules des modules solaires, celles-ci sont dotées d’un excédent de porteurs de charge positifs et négatifs (dopage). Alors qu’il y a trop d’électrons sur la face dopée, il en manque sur la face dopée de la cellule. Si des électrons voisins glissent dans ces trous, ils peuvent théoriquement se déplacer. C’est exactement ce qui se passe lorsque les experts relient les couches négatives et positives. Les rayons lumineux incidents libèrent des électrons et les font migrer vers le pôle opposé en suivant la tension électrique. Si des couches de contact spéciales détournent les électrons libres, ceux-ci circulent dans un conducteur et le courant peut être capté.
Les panneaux solaires en silicium peuvent être fabriqués de différentes manières.
Chaque type a un impact sur le rendement des cellules photovoltaïques. Le tableau suivant vous en donne un aperçu.
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Type de panneaux solaires
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Fabrication et montage
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Rendement
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Cellules monocristallines
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Fabriqué à partir de monocristaux purs. Ces brins, d'une épaisseur d'environ 30 cm, sont façonnés en forme de carré et découpés en tranches très fines (wafers). Les cellules photovoltaïques monocristallines se reconnaissent à leur couleur bleu foncé à noir. Leur fabrication nécessite beaucoup d'énergie.
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14 à 18%
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Cellules polycristallines
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Les cellules photovoltaïques polycristallines peuvent être fabriquées à partir de blocs de plusieurs cristaux de silicium. Ceux-ci sont transformés en barres carrées, dont on peut ensuite découper de fines tranches. Les panneaux solaires à cellules polycristallines sont reconnaissables à leur structure cristalline typique. Alors que la fabrication consomme moins d'énergie, les cellules atteignent des rendements plus faibles.
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12 à 16%
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Cellules à couches minces pour l'énergie solaire photovoltaïque
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Les cellules à couches minces sont constituées d'une fine couche de semi-conducteurs qui est déposée par évaporation sur un matériau de support (verre, plastique, feuille métallique) lors de la fabrication. Il en résulte des cellules solaires légères et flexibles de formes très diverses. Leur fabrication est moins coûteuse, mais leur rendement est moins bon. Autre inconvénient : la performance des cellules diminue plus rapidement que pour les autres types.
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6 à 8%
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Si vous produisez vous-même de l’électricité solaire, vous obtenez tout d’abord du courant continu. Il n’est toutefois pas possible de le consommer chez soi. Il n’est pas non plus possible de l’injecter dans le réseau public. C’est pourquoi un onduleur transforme le courant continu obtenu en courant alternatif.
Si l’électricité autoproduite alimente le réseau public, les propriétaires reçoivent une rémunération réglementée par l’État. Un compteur d’électricité est nécessaire pour calculer correctement la production d’énergie. On utilise des compteurs bidirectionnels qui mesurent le flux d’électricité entrant et sortant de la maison. Les propriétaires peuvent également installer deux compteurs individuels. L’un mesure l’électricité achetée sur le réseau public, l’autre enregistre la quantité d’électricité solaire qu’un ménage y injecte.
Lorsqu’il s’agit de planifier une installation photovoltaïque, les consommateurs visent généralement un rendement élevé. Celui-ci doit couvrir les besoins de leur propre maison ou assurer un amortissement rapide en cas de rachat de l’électricité. L’un des critères les plus importants en matière d’électricité solaire est la puissance par surface rapportée à un mètre carré. Les fabricants l’expriment en watts ou en kilowatts-crête (électricité solaire en kWp). Cette puissance, dite nominale, est basée sur des mesures normalisées effectuées en laboratoire.
En France, les conditions sont favorables, il est possible d’obtenir un rendement annuel d’électricité solaire de 850 à 1.250 kilowatt-heures par kilowatt-crête. Si les propriétaires souhaitent couvrir une consommation d’électricité de 4.000 kilowatt-heures, ils ont besoin d’une surface de modules de 30 à 40 mètres carrés, du moins en théorie. En effet, contrairement aux besoins de la maison, l’offre d’électricité solaire varie au cours de la journée et de l’année. Alors que les propriétaires de maison produisent un surplus en été, l’électricité solaire ne suffit souvent pas à couvrir les besoins actuels en hiver.
Le rendement annuel possible de l’électricité solaire dépend de nombreux facteurs d’influence. Le tableau suivant en donne un aperçu :
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Influence sur le rendement annuel de l'électricité solaire
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Description
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Rayonnement global
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Le rayonnement global annuel indique la quantité d'énergie qui atteint une surface horizontale au cours d'une année. La valeur dépend de l'emplacement et varie entre environ 1.250 kWh/a dans le sud et environ 850 kWh/a dans le nord de la France.
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Orientation des panneaux solaires
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L'orientation des toits a un impact sur la production d'énergie solaire, en fonction de l'ensoleillement de la journée. Alors que les valeurs optimales sont obtenues avec une orientation sud, les résultats sont inférieurs d'environ 20 % pour les toits orientés vers l'est ou l'ouest. Les systèmes photovoltaïques orientés vers le nord sont encore moins performants.
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Inclinaison des panneaux solaires
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Les panneaux solaires produisent beaucoup d'électricité lorsqu'ils sont placés à un angle optimal par rapport aux rayons du soleil qui les frappent. Les meilleurs résultats sont obtenus avec une inclinaison de 30 à 40 degrés.
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Ombrage
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Les panneaux solaires produisent de grandes quantités d'électricité lorsqu'ils sont exposés à une grande quantité de lumière. Les maisons, les arbres ou les montagnes qui projettent des ombres sur le toit sont donc un obstacle.
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Pollution
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Si les panneaux solaires sont recouverts d'une épaisse couche de saleté, la lumière du soleil atteint moins les cellules et le rendement diminue. Un nettoyage régulier permet de remédier à cette situation. La fréquence de ce nettoyage dépend de l'environnement de l'installation photovoltaïque.
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Alors que le soleil reste longtemps au-dessus de la maison en été, les journées sont courtes et maussades en hiver. Ces conditions influencent également le rendement de l’électricité solaire au cours de l’année. Ainsi, d’octobre à mars, les installations photovoltaïques ne gagnent qu’à peine 30 % du rendement annuel. Pendant le semestre d’été, elles en produisent environ 70%.
Voici un exemple :
La répartition annuelle de l’électricité solaire montre que : Si vous souhaitez devenir indépendant, vous devez planifier votre installation de manière à ce qu’elle puisse produire suffisamment d’électricité, surtout durant l’hiver.
L’électricité solaire existe aussi sans rayonnement solaire direct. Ainsi, par temps couvert, les modules peuvent produire en énergie électrique environ 0,5 fois la puissance nominale indiquée. Lors d’une journée d’hiver maussade et courte, cela représente donc environ 500 Wh (wattheures) ou 0,5 kWh par kWp.
Concernant, l’électricité solaire la nuit. Même si la pleine lune éclaire nos rues, cela ne suffit pas pour produire de l’électricité à partir des cellules photovoltaïques. Si les propriétaires ont besoin de beaucoup d’électricité solaire la nuit, ils peuvent couvrir leurs besoins avec un accumulateur. Celui-ci se charge pendant la journée et fournit ensuite l’énergie électrique en différé aux consommateurs du bâtiment.
En raison de la baisse des taux de rémunération et de la hausse des prix de l’énergie, de plus en plus de propriétaires souhaitent utiliser l’énergie solaire pour leur propre usage. Ils couvrent ainsi leur propre consommation et deviennent moins dépendants de la hausse des prix.
La quantité d’électricité solaire que les propriétaires peuvent utiliser eux-mêmes dépend de la configuration de l’installation, de leurs habitudes et des appareils ménagers. En général, on peut distinguer deux indicateurs : le taux d’autoconsommation et le taux d’autosuffisance.
Le tableau suivant explique ce qui les différencie.
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Quelle quantité d'électricité solaire puis-je produire moi-même ?
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Explication
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Taux d'autoconsommation
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Le taux d'autoconsommation compare le rendement solaire à la quantité d'électricité solaire que les propriétaires utilisent eux-mêmes. Si une installation produit 3.000 kWh par an et que les propriétaires n'en consomment que 500 kWh, le taux d'autoconsommation est de 16%.
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Niveau d'autosuffisance du foyer
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Le degré d'autosuffisance compare la consommation totale d'électricité du ménage à la quantité d'électricité solaire qui la couvre. Si la consommation est de 3 000 kWh et que les propriétaires couvrent 1 000 kWh de cette consommation avec de l'électricité solaire, le degré d'autosuffisance est d'environ 33%.
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Pour que les consommateurs puissent utiliser l’énergie autoproduite dans leur propre maison, les systèmes d’énergies solaires l’injectent d’abord dans le réseau domestique. Ici, l’électricité solaire couvre la charge de base. Cela signifie que tous les appareils connectés en permanence au réseau tirent leur électricité du soleil. Si la demande diminue, le surplus d’électricité solaire est envoyé dans le réseau public. Des compteurs électriques spéciaux mesurent cela et permettent un décompte précis de la rémunération. Si l’électricité solaire n’est pas suffisante pour la consommation propre, l’énergie électrique est fournie par le réseau de distribution. Celle-ci est également mesurée par des compteurs afin de permettre une facturation correcte des coûts.
Comme l’électricité solaire est surtout disponible en abondance pendant la journée, les propriétaires devraient utiliser en priorité leurs appareils électriques à ce moment-là afin d’atteindre un taux d’autoconsommation élevé. Cela concerne entre autres les machines à laver ou les lave-vaisselle qui peuvent être mis en marche de manière programmée.
Si vous souhaitez consommer directement l’électricité solaire sans batterie ou stockage, vous atteignez généralement un taux d’autoconsommation d’environ 20 %. Avec une part de 80%, une grande partie de l’électricité est encore injectée dans le réseau public.
Le résultat est un peu meilleur avec l’utilisation de poêles à accumulation. Du moins lorsque ceux-ci peuvent être chargés pendant la journée. Comme le rendement d’une installation photovoltaïque est relativement faible en hiver, les ballons de nuit ont toujours besoin de l’énergie du réseau, en plus de l’énergie solaire. Celle-ci est coûteuse et peut entraîner des frais de chauffage élevés.
En théorie, cela fonctionne. Cependant, en raison des fluctuations quotidiennes et saisonnières de l’offre solaire, cela nécessiterait d’énormes installations solaires. Les coûts d’acquisition seraient énormes et la rentabilité diminue. Les résultats sont plus avantageux si l’on dispose d’accumulateurs d’électricité suffisamment grands. Ceux-ci stockent le surplus d’électricité solaire jusqu’à ce que les besoins de la maison augmentent.
Si les consommateurs visent un taux d’autoconsommation élevé, ils doivent stocker l’énergie solaire. Cela est possible grâce à des accumulateurs qui absorbent l’énergie excédentaire pendant la journée, la stockent et la restituent en différé. Comme les installations ne stockent généralement l’énergie électrique que temporairement pendant la nuit, les experts parlent également de stockage à court terme. On distingue principalement les accumulateurs au plomb et les accumulateurs au lithium-ion. Le tableau suivant en donne un aperçu.
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Stockage de l'énergie solaire
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Les batteries au plomb
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Stockage au lithium-ion
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Description
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Les batteries de stockage sont utilisées, entre autres, comme batteries de démarrage dans les voitures. Ils sont utilisés depuis longtemps et ont fait leurs preuves. En raison de leur densité énergétique plus faible, elles sont grandes et lourdes.
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Les batteries de stockage sont utilisés dans les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables. Ils sont petits et peuvent stocker plus d'énergie par rapport à leur masse que les accumulateurs au plomb.
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Cycles de recharge
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environ 3.000 cycles
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environ 7.000 cycles
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Cycles de décharge
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environ 80%
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jusqu'à 100%
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En comparaison, les différents types de stockage d’énergie solaire sont primordiale dans le choix du stockage. Bien que les accumulateurs au lithium soient un peu plus chers, ils ont une durée de vie deux fois supérieure à celle des accumulateurs au plomb. Les consommateurs doivent les remplacer et en acheter de nouveaux plus souvent. La comparaison du coût par kilowattheure d’énergie stockée permet de se faire une idée plus précise. L’équation suivante permet de calculer ce ratio :
Si les consommateurs souhaitent se chauffer à l’électricité solaire, ils doivent disposer d’installations de grande taille ou d’un stockage à long terme de l’énergie électrique. C’est la seule façon de combler l’écart entre la diminution de l’offre et l’augmentation de la demande en hiver.
L’intérêt d’utiliser le photovoltaïque pour le chauffage dépend de nombreux facteurs. Nous recommandons une consultation individuelle, sur la base de laquelle un expert peut établir une offre fiable d’électricité solaire. Les prix permettent de se prononcer sur la rentabilité.
Le tableau ci-dessous présente quelques possibilités :
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Utiliser l'énergie solaire pour le chauffage :
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Fonctionnement
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L'énergie solaire, l'électrolyseur et la pile à combustible
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L'électricité solaire excédentaire peut être utilisée pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau par électrolyse. L'hydrogène est ensuite stocké et utilisé en hiver pour produire de l'électricité et de la chaleur via une pile à combustible.
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Énergie solaire et pompe à chaleur
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Une pompe à chaleur permet d'utiliser la chaleur gratuite de l'air avec l'électricité solaire pour le chauffage. Contrairement à un chauffage purement électrique, les pompes à chaleur n'utilisent qu'un tiers environ de l'énergie électrique, ce qui rend cette combinaison particulièrement intéressante.
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Énergie solaire et chauffage électrique
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Un chauffage électrique transforme l'énergie solaire en énergie thermique. Il peut s'agir d'un chauffage à accumulation ou d'un chauffage à infrarouge. Ces derniers chauffent la pièce par rayonnement, ce qui réduit la consommation d'électricité. Néanmoins, si vous souhaitez vous chauffer uniquement avec un chauffage électrique et de l'électricité solaire, vous devez disposer d'installations de grande taille.
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Énergie solaire pour le chauffage d'appoint
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Si le système de chauffage central dispose d'un réservoir de stockage, les propriétaires peuvent utiliser l'énergie solaire pour soutenir le chauffage. L'électricité solaire excédentaire passe par un thermoplongeur électrique. Celui-ci réchauffe le ballon, qui peut conserver l'énergie thermique pendant une période prolongée.
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Énergie solaire pour l'eau chaude
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Si les consommateurs souhaitent utiliser l'électricité solaire pour produire de l'eau chaude, ils peuvent l'utiliser les chauffe-eau instantanés ou les petits réservoirs. Ils peuvent également utiliser l'énergie solaire et un thermoplongeur pour chauffer un ballon d'eau chaude. Cette solution est avantageuse en été, car l'énergie solaire est alors disponible en surplus.
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