Les panneaux solaires : comment ça marche ?
Brève histoire des panneaux solaires
L’effet photovoltaïque est la propriété de certains matériaux à convertir la lumière du soleil en électricité. Il a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel lors de l’observation du comportement électrique des électrons dans un milieu liquide. Il a fallu toutefois attendre 1883 pour que cette découverte soit utilisée pour fabriquer une cellule photovoltaïque, l’unité de base d’un panneau solaire. Son rendement cependant était extrêmement faible, de l’ordre de 1 %.
Le premier véritable panneau solaire n’a vu le jour qu’en 1953, dans les laboratoires Bell aux États-Unis. En silicium, il avait la surface de 2 cm² et un rendement de 6 %, puis de 9 % en 1958. Mais à l’époque, les panneaux solaires étaient encore trop couteux pour être utilisés au quotidien, et tout d’abord le photovoltaïque s’est développé dans l’espace, en équipant les satellites qui avaient besoin d’une énergie durable.
Ce n’est qu’en 1980 que l’Université de Delaware sur la cote est des États-Unis a construit la première maison avec des panneaux solaires. Néanmoins, la véritable industrialisation du photovoltaïque n’a commencé que presque deux décennies plus tard, à la fin des années 90, après la signature des accords de Kyoto sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre et la limitation de la consommation des énergies fossiles. Le solaire photovoltaïque ayant été identifié comme une des technologies les plus prometteuses, des incitations financières ont même été mises en place, d’abord au Japon et en Allemagne, puis, progressivement, dans la plupart des pays développés.
Aujourd’hui, l’usage domestique des panneaux solaires continue à se répandre, et les recherches vont bon train pour les rendre de plus en plus efficaces et rentables. L’augmentation du coût des énergies fossiles et la prise de conscience liée à l’épuisement des ressources naturelles y sont bien sûr pour quelque chose.
Principe de fonctionnement des panneaux solaires
Voyons maintenant le principe de fonctionnement des panneaux solaires. Il est relativement simple à assimiler et mérite d’être compris si vous souhaitez investir dans ce genre de dispositif.
Alors, comment fonctionne le panneau solaire ? Il utilise la lumière du soleil pour la convertir en énergie électrique ou en chaleur. Dans le premier cas, on parle des panneaux solaires photovoltaïques. Ce type de panneaux solaires est plus répandu, plus simple à mettre en œuvre et plus économique dans la durée. Dans le deuxième cas, il s’agit des panneaux solaires thermiques, et nous allons en reparler en détail un peu plus tard pour d’abord nous concentrer sur le premier type.
Les panneaux solaires photovoltaïques sont composés de cellules photovoltaïques fabriquées dans un matériau semi-conducteur, la plupart du temps du silicium. Lorsque les photons de la lumière du soleil rentrent en contact avec ces cellules, ils transmettent leur énergie aux électrons qui génèrent alors un courant électrique continu. Grâce à un onduleur central ou plusieurs micro-onduleurs, ce courant continu est ensuite transformé en courant alternatif, identique à celui du réseau de distribution et adapté pour nos usages domestiques (chauffage, éclairage, cuisson, etc).
Types de panneaux solaires
Différence entre les technologies photovoltaïque et thermique
Les panneaux solaires thermiques (ou capteurs solaires) ont un fonctionnement radicalement différent. Contrairement aux panneaux photovoltaïques, ils ne produisent pas d'électricité, mais se servent des rayons du soleil pour produire de la chaleur. Leur surface capte l'énergie solaire et transmet ses calories au fluide caloporteur, souvent composé d’eau et d’antigel. Réchauffé, ce mélange est envoyé vers le réservoir de stockage où il transfère la chaleur à l'eau sanitaire.
Le plus souvent, les panneaux solaires thermiques font partie d'un système de production d'eau chaude sanitaire, appelé chauffe-eau solaire individuel ou CESI. Généralement, il est utilisé en appoint d'un système traditionnel (cumulus électrique).
Les panneaux solaires thermiques peuvent également servir à produire de l'eau chaude pour les appareils de chauffage central (radiateurs à eau, plancher chauffant hydraulique). Ce système est appelé système solaire combiné (SSC). Nécessitant l'installation d'une solution de chauffage d'appoint (pompe à chaleur air-eau, chaudière bois), il est plus cher à installer et plus rare que les chauffe-eaux solaires.
Notez aussi que les panneaux solaires peuvent aussi combiner la fonction thermique et la fonction photovoltaïque. Ces panneaux solaires sont appelés panneaux hybrides.
Différentes générations de cellules photovoltaïques
Pour fabriquer les cellules photovoltaïques, plusieurs technologies peuvent être utilisées.
Les cellules de première génération sont faites de silicium monocristallin ou polycristallin. Les cellules monocristallines sont découpées à partir de gros monocristaux qui ont été soigneusement cultivés dans des conditions spéciales. De couleur noire, elles ont une efficacité élevée, mais coûtent cher puisque le processus de croissance de gros monocristaux est difficile et énergivore. Si l’on cherche une solution plus abordable, on peut opter pour les cellules polycristallines. Composées de plusieurs cristaux, elles sont plus faciles à fabriquer, même si leurs performances sont moindres et leur couleur bleue est moins esthétique.
Les cellules de deuxième génération sont appelées cellules solaires à couches minces (thin film ou amorphes). Constituées de très fines couches d’un matériau photosensible, déposé sur un support en verre, en plastique flexible ou en acier inoxydable, ces cellules permettent de réduire considérablement les coûts de production car elles consomment moins de semi-conducteurs. Parmi les matériaux utilisés, on peut citer le tellurure de cadmium (CdTe), le sulfure de cuivre indium gallium (CIGS) et d'autres composés organiques. Tous ont la particularité de ne pas posséder de structure cristalline ordonnée, d’où le mot amorphe. Les panneaux amorphes séduisent par leur faible prix et leur légèreté, mais leur durée de vie est limitée et leur rendement réduit rapidement avec le temps.
Avantages et inconvénients des panneaux solaires
Quel que soit le type de panneau solaire utilisé, cette énergie présente de multiples avantages.
Premièrement, il s’agit d’une énergie gratuite et inépuisable. Les seules dépenses concernent l’investissement de départ : l’achat du matériel et les frais d’installation. Une fois le système installé, vous n’avez plus rien à payer à part la maintenance et pouvez revendre votre électricité ou bien la consommer vous-même. L’autoconsommation vous permet de gagner en indépendance énergétique, et elle peut être totale ou partielle. D’ailleurs, le plus souvent les particuliers n’arrivent à autoconsommer que 30%-50% de leur production, mais heureusement le surplus peut être injecté au réseau contre une rémunération grâce à l’obligation d’achat EDF (OA EDF) à 10 centimes d'€ le kWh.
Toutefois, pour faire un maximum d’économies, il faut que ce surplus soit minimal. En effet, plus vous consommez votre propre électricité photovoltaïque, plus votre facture d’énergie baisse. Pour augmenter le taux d’autoconsommation, vous pouvez en outre vous équiper de batteries solaires permettant de stocker l’énergie pendant la journée, lorsque le soleil est à son apogée, et de l’utiliser au moment nécessaire.
En plus, contrairement à certaines idées reçues, les panneaux solaires ont une bonne durée de vie : 30 à 40 ans en moyenne. En même temps, le retour sur investissement se fait au bout de 10 à 15 ans, voire plus rapidement si l’on tient compte du fait que les prix de l’électricité vont inévitablement augmenter dans les années à venir.
Le deuxième grand avantage des panneaux solaires est leur aspect écologique. L’énergie solaire est une énergie verte, elle ne provoque pas d’émission de dioxyde de carbone (CO2), ainsi que d’autres gaz à effet de serre. En vous équipant de ce genre d’installation, vous réduisez considérablement votre empreinte environnementale.
Mais, pour fabriquer des panneaux solaires, il est nécessaire d’utiliser des matières premières et de l’énergie. En plus, la majorité de ces panneaux sont produits en Chine et doivent être acheminés jusqu’à leur lieu de vente, ce qui augmente forcément le bilan carbone du produit. Toutefois, il faut admettre que les panneaux solaires sont constitués à 90 % de silicium, une matière première extraite du sable ou du quartz, des éléments présents en abondance sur Terre. Ils ne contiennent pas de terres rares dont l’extraction et le raffinage sont extrêmement polluants et peuvent être recyclés en fin de vie à hauteur de 94%.
Autre point faible des panneaux solaires est leur dépendance de l'ensoleillement. Certes, les panneaux photovoltaïques fonctionnent en toute saison, tant qu’ils reçoivent de la lumière, mais ils produisent moins d’électricité en cas de pluie ou de ciel nuageux. La canicule peut aussi avoir des effets néfastes sur le fonctionnement de l’installation solaire et diminuer sa production, puisque les fortes chaleurs perturbent le processus de conversion de la lumière en énergie.
Installation et maintenance des panneaux solaires
Comment installer ses panneaux solaires ?
L’installation des panneaux solaires est une opération délicate qui joue un rôle crucial pour garantir les meilleures performances et une bonne durée de vie à votre équipement.
Tout d'abord, vous devez trouver un bon artisan pour le montage de vos panneaux solaires. Nous vous conseillons d’opter pour un installateur photovoltaïque certifié RGE (Reconnu Garant de l’Environnement), surtout si vous souhaitez bénéficier des aides de l’État.
Ensuite, il convient de réaliser une étude de faisabilité. En effet, vos panneaux solaires doivent être adaptés à vos besoins et votre habitation. Pour le bon dimensionnement de votre système, il faut estimer votre consommation énergétique annuelle, calculer la surface dont vous disposez pour installer les panneaux, tout en tenant compte du taux d’ensoleillement de votre région, de l’inclinaison et de l’orientation de votre toiture. Notez que l’idéal est d’installer vos panneaux sur un toit orienté vers le sud et incliné à 30°. Et n’oubliez pas non plus de prendre en considération les zones d’ombre provenant d’un arbre ou d’un immeuble voisin, car elles sont susceptibles d’impacter la production de l’électricité. Tous ces facteurs permettront de calculer le nombre optimal de panneaux pour votre toit et la rentabilité de votre installation.
Il est aussi nécessaire d’obtenir une autorisation d’urbanisme, comme pour la plupart des travaux et des aménagements. Sachez que dans certaines communes, l’installation des panneaux solaires peut être interdite (abords d’un moment historique, sites patrimoniaux remarquables, etc).
Ensuite, il faut faire une demande de raccordement, en précisant le type d’installation souhaité (autoconsommation avec vente de surplus ou vente totale) et la puissance électrique maximale souhaitée. A votre dossier, vous devez aussi joindre l’autorisation d’urbanisme, ainsi que le plan de masse de l’implantation de vos futurs panneaux.
Enfin, une fois toutes les démarches administratives réalisées, la pose des panneaux solaires peut commencer. Le professionnel installe d’abord les panneaux sur votre toit selon le plan de calepinage préalablement réalisé, ensuite pose le ou les onduleurs solaires et branche les panneaux à l’installation électrique du logement. Généralement, toute l’opération ne prend que quelques jours.
La dernière étape de l’installation est le raccordement au réseau. Il n’est pas nécessaire en cas d’autoconsommation totale, mais si vous avez opté pour l’autoconsommation avec vente du surplus ou la vente totale de votre production, le raccordement vous permettra d’injecter votre électricité dans le réseau public.
Comment entretenir ses panneaux solaires ?
Pour tous les types de panneaux solaires, la maintenance et l’entretien régulier sont un gage de longévité et de bon rendement. Il faut notamment les laver au moins deux fois par an avec de l’eau tiède et un chiffon afin de les débarrasser des traces de pollution (particules fines dans les zones urbaines, pollens et poussières dans les zones agricoles, sel et sable en bord de mer, etc). Pour accéder plus facilement à vos panneaux, vous pouvez aussi utiliser un balai à manche télescopique ou bien faire appel à un professionnel, si votre toit est trop haut.
Si vous avez choisi les panneaux solaires photovoltaïques, n’hésitez pas non plus à vérifier régulièrement l’état général de vos modules, surtout après les intempéries (tempête, grêle). Si vous apercevez des fissures ou d’autres traces, il faut demander une intervention d’un spécialiste pour éviter que cela ne perturbe le flux d’énergie du panneau et ne réduise le rendement énergétique de votre installation.
L’onduleur central mérite également toute votre attention. Il faut notamment le dépoussiérer régulièrement au niveau des entrées d’air (ventilateurs). Quant aux micro-onduleurs, ils nécessitent moins d’entretien, étant protégés par les modules photovoltaïques.
Si votre logement est équipé d’un système solaire thermique, vous devez en outre surveiller la pression sur le manomètre et vérifier régulièrement qu’il n’y ait pas de fuite au niveau des tubes contenant le fluide caloporteur. Il faut aussi garder un œil sur l’état des connexions électriques et le fonctionnement des différents éléments, comme la soupape de sécurité et le réservoir d’eau chaude.
Aspects économiques de l’installation des panneaux solaires
Le prix d’une installation solaire dépend de plusieurs éléments, comme son type, sa surface, le rendement et la qualité des panneaux, la méthode de pose choisie et l’accessibilité de la toiture.
On estime qu’en moyenne, pour une installation d’une puissance totale de 3 kilowatt-crête (kWc), il faut débourser aujourd’hui entre 9000 € et 12 000 € TTC. Mais certaines options peuvent faire augmenter considérablement ce prix. Par exemple, si vous choisissez de remplacer l’onduleur central par les micro-onduleurs, il faudra prévoir 1 000 à 1 500 € de plus.
Si vous comptez vous équiper d’un chauffe-eau solaire, il vous coûtera entre 5000 et 9000 €, et pour un système solaire combiné, il faudra débourser entre 14 000 et 18 000 € TTC.
Heureusement, il existe des aides et des subventions qui permettent d’alléger cette facture. Parmi eux, la prime à l’autoconsommation photovoltaïque qui varie en fonction de la puissance de votre installation. Son montant atteint 510 € / kWc pour les installations de moins de 3 kWc, 380 € / kWc pour les installations entre 3 et 9 kWc et 210 € / kWc pour les installations entre 9 et 36 kWc. Donc, si vous possédez une installation de 3 kWc, vous aurez en théorie droit à une prime à l’autoconsommation de 1 530 € : 3 kWc x 510 € / kWc.
En installant des panneaux photovoltaïques, vous avez aussi droit à une TVA à taux réduit de 10 %, au système d’obligation d’achat qui vous permet de vendre votre électricité à un prix fixé par la loi, ainsi que parfois aux aides locales.
Notez que malgré leur efficacité, les panneaux photovoltaïques ne sont pas éligibles aux aides à la rénovation énergétique, comme les CEE ou les aides de l’Anah. Toutefois, si vous optez pour un système de chauffage solaire à l’aide d’une installation solaire thermique, il est possible de bénéficier de la prime de transition énergétique MaPrimeRénov’.
Pensez également à la rentabilité sur le long terme de votre installation. Comme nous avons déjà mentionné, une installation solaire peut être amortie au bout de 10 à 15 ans. Au-delà, vous pouvez profiter du retour sur votre investissement.
Perspectives d'avenir pour l’énergie solaire
Le secteur de l’énergie solaire est particulièrement dynamique et innovant. Les fabricants essayent de concevoir des solutions de plus en plus performantes et écologiques pour répondre aux enjeux actuels.
L’une des innovations les plus prometteuses dans ce domaine est le développement des cellules multi-jonctions qui peuvent convertir la lumière en électricité avec une plus grande efficacité et cela, même si la lumière ne frappe pas directement la cellule.
On attend également beaucoup des panneaux solaires en pérovskite, matériau efficace et bon marché, ainsi que des panneaux ultra-fins, qui peuvent se coller sur tout type de surface.
En plus, des améliorations sont attendues dans la conception et la construction de panneaux solaires. De nouveaux matériaux et techniques de fabrication doivent les rendre plus durables et capables de résister à des conditions météorologiques extrêmes pour que l’énergie solaire soit plus fiable et augmente sa viabilité globale, ce qui est d’autant plus important vu que sa présence dans le réseau énergétique mondial devrait encore croître fortement au cours des années à venir.
Le potentiel de l’énergie solaire est en effet presque illimité. Les panneaux devenant toujours plus efficaces et moins chers, cette énergie nous donne la possibilité de transformer complètement la façon dont nous alimentons nos maisons, nos véhicules et nos entreprises. Elle nous offre les moyens de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre et d’augmenter notre sécurité énergétique, en assurant plus de flexibilité et en permettant d’envisager un système de production d’énergie décentralisé.
À l’heure des dérèglements environnementaux et climatiques, les panneaux solaires représentent un moyen simple et efficace de produire de l’électricité et de la chaleur, tout en limitant son empreinte carbone. Leur place dans le paysage énergétique mondial va devenir de plus en plus importante. Si vous cherchez à investir dans l’avenir, n’hésitez pas à considérer l'énergie solaire comme une option viable pour votre domicile ou votre entreprise.
