SOLAIRE

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Fonctionnement des panneaux solaire Photovoltaïques

Aperçu


L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire. L'énergie solaire étant une énergie renouvelable, l'énergie solaire photovoltaïque l'est aussi.
 

La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque, plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.

 

Technologie


Le principe de l'obtention du courant par les cellules photovoltaïques s'appelle l'effet photoélectrique. Ces cellules produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire. Ensuite l'utilisation de ce courant continu diffère d'une installation à l'autre, selon le but de celle-ci. On distingue principalement deux types d'utilisation, celui où l'installation photovoltaïque est connectée à un réseau de distribution d'électricité et celui où elle ne l'est pas(Îlotage).


Les installations photovoltaïques peuvent être connectées à un réseau de distribution. Sur notre réseau de distribution les installations photovoltaïques produisent de l'électricité et l'injectent dans le réseau. Pour ce faire, ces installations sont munies d'onduleurs qui transforment le courant continu en courant alternatif aux caractéristiques du réseau. Elles n'ont pas besoin d'installation de stockage.
 

Les installations non connectées au réseau peuvent directement consommer l'électricité produite. À petite échelle, c'est le cas des calculatrices solaires et autres gadgets. À plus grande échelle, des sites non raccordés au réseau électrique (en montagne, sur des îles ou des voiliers, un satellite...) sont alimentés de la sorte, avec des batteries d'accumulateur pour disposer d'électricité au cours de périodes sans lumière (la nuit notamment).

 

Les différentes technologies de modules photovoltaïques
 

Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaïques :

  • Les modules solaires monocristallins : Ils possèdent un meilleur rendement au m², et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût, plus élevé que celui d'une autre installation de même puissance, contrarie le développement de cette technologie.
  • Les modules solaires polycristallins : Actuellement c'est le meilleur rapport qualité/prix et les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans), et en plus ils peuvent être fabriqués à partir de déchets de l'électronique.
  • Les modules solaires amorphes : Ces modules auront un bon avenir car ils peuvent être souples et ont une meilleure production par faible lumière. Le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin, ce qui nécessite plus de surface pour la même puissance installée. Toutefois, le prix au m² installé est plus faible que pour des panneaux solaires composés de cellules.
  • Les modules solaires en couche mince à base d'absorbeur CdTE
  • Les modules solaires en couche mince à base d'absorbeur CIGS


 

Influence de l'ensoleillement

Même si la constante solaire est de 1367 W/m², les pertes de lumière lors de la traversée de l'atmosphère réduisent l'énergie reçue au sol à environ 1000W/m² au midi vrai : 1 m² de panneaux exposés en plein soleil reçoivent 1 kW (1000 watts). C'est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs, et en laboratoire pour déterminer le rendement d'une cellule ou d'un panneau solaire, c'est une source lumineuse artificielle de 1000W/m² qui est utilisée. Au final, l'énergie qui arrive au sol dépend de la nébulosité, de l'inclinaison du soleil (et de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser) et donc de l'heure de la journée.


Au cours d'une journée, même sans nuage, la production électrique du panneau varie en permanence en fonction de la position du soleil et n'est à son maximum que pendant un bref passage au plein midi. La saison joue aussi, dans le même sens.


Alors que cette question peut être étudiée plus en détail sur certain site, il faut aussi tenir compte de l'albédo du sol, c'est-à-dire de son pouvoir de réflexion de la lumière. Lorsqu'une installation est dans un environnement très réfléchissant (un paysage de neige par exemple), sa production augmente parce qu'elle récupère une petite partie de la lumière réfléchie par la neige alentour. Mais cette variable n'est pas facile à quantifier et se trouve, de fait, incluse dans le nombre d'heures d'équivalent plein soleil.


Avant de s'équiper en panneaux photovoltaïques, il est intéressant de savoir ce qu'on peut en tirer au lieu géographique concerné. L'information se trouve facilement sur internet, par exemple la Communauté Européenne a mis en ligne un logiciel gratuit PV Estimation Utility. Selon cet outil, à Liège on peut obtenir 840kWh/kWc/an, Hamburg 870kWh/kWc/an, Munich 950kWh/kWc/an, Madrid 1400 kWh/kWc/an.

 

Économie

Après avoir été tirée par l’électrification des sites isolés et l'alimentation de matériel mobile, la demande est maintenant motivée par la perspective de manquer d'énergie ou le souci d'éviter l'émission de gaz à effet de serre, et concerne surtout les installations connectées au réseau.


Depuis les alentours de 2007, les installations de panneaux photovoltaïques sont accélérées par un programme national offrant des incitations financières telles que des tarifs de rachats bonifiés de l'électricité produite, prime à l’installation et avantages fiscal.


 Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60 % du marché mondial. Il s'agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera, des entreprises américaines BP Solar et Astropower et de l'allemande RWE Schott Solar. Le Japon produit près de la moitié des cellules photovoltaïques du monde, mais c'est en Chine que la grande majorité des panneaux sont assemblés.


Le Japon est lui-même un des plus grands consommateurs de panneaux solaires, mais largement dépassé par l'Allemagne.

 

Principales entreprises du secteur

  • producteurs de cellules
    • Sharp, Japon. 2e producteur mondial avec 370 MW en 2007.
    • Q cells, Allemagne. 1er producteur mondial avec 389 MW en 2007.
    • mais aussi : Suntech Power, Schott, Isofoton, ErSol, DelSolar, Photowatt, Photovoltec, Sunways, Topray Solar, Nanjing PV-tech, REC, KIS Co, Solland, Solartec Sro, etc.
  • producteurs de panneaux solaires photovoltaïques
    • Sharp, Japon. 1er producteur mondial avec 710 MW en 2007 (produit le silicium, les cellules et les panneaux).
    • Suntech Power (Chine) : 2e mondial avec 330 MW en 2007. Fabrique aussi des cellules.
    • Elysun
    • mais aussi : BP solar,CEEG, Trina Solar, Yingli Solar, Sanyo, Deutshe solar, Kyocera, First Solar, Mitsubishi, Motech, SolarWorld, Shell Solar, Aleo Solar, Solarwatt,Centrosolar, Soleco, Scheuten Solar, Sunpower corp, Solar Fabrik, Tenesol, Evergreen Solar, Honda Soltec, Kaneka, Scancell, Shenzen Topray, Ningbo Solar, E-ton Dynamics, General Electric, Solterra, Shanghai Solar, Sunset, Solon, Solairedirect, etc.

 

Prix du kWh

Le prix du kWh produit par une installation solaire photovoltaïque dépend des coûts fixes liés à l'investissement initial (achat du matériel et travaux), de la quantité de l'énergie solaire reçue par l'installation, du rendement de l'installation et surtout de la durée considérée pour l'amortissement de l'investissement.

 

Éléments de rentabilité d'une installation


Ensemble des éléments techniques, financiers et fiscaux à prendre en compte dans les calculs de rentabilité d'une installation produisant de l'énergie à partir du photovoltaïque :

  • Flux financiers liés à l'investissement : Ce sont le matériel (modules, onduleurs...), le transport et les frais d’installation en année 0.

A partir de ce chiffrage de l'investissement pour une puissance donnée, il est possible de calculer l'énergie annuelle qui sera produite. Cette énergie annuelle est revendue à votre fournisseur d’électricité au tarif indexé en vigueur. Cette production électrique engendre également des certificats verts (garantis pendant 15 ans au prix minimum de 65€/pièce). Le tout combiné donne le chiffre d'affaires annuel généré par votre installation solaire photovoltaïque.

  • Flux financiers liés à l'exploitation : ils reprennent le chiffre d'affaires dès la première année, lorsque votre centrale est raccordée au réseau, auquel il faut déduire les différents flux et charges tels l'exploitation et la maintenance. Les frais de maintenance sont pratiquement inexistants. Le point faible de l’installation étant l’onduleur, qui a une durée de vie est estimée entre 7 et 12 ans, devra plus que certainement est changér au moins une fois pendant la durée de vie de l’installation. Pour éviter une dépense assez onéreuse, il y a possibilité d’étendre sa garantie à 15 ans moyennant un faible surcoût. Pour accélérer l’amortissement de votre installation solaire, la région wallonne a mit en place un système de « certificat vert » lié à la production d’une énergie verte.

C’est un « certificat » délivré par la CWAPE (Commission Wallonne Pour l’Energie) pour une production d’énergie verte. Vous en recevez 7 lorsque vous atteigniez une production de 1000kWh/an. Un certificat vert à une valeur minimale garantie de 65€ et ce pendant 15 ans (date de mise en œuvre de l’installation) Pour plus d’informations sur les certificats vert cliquez ici .

Actuellement il faut environ, suite à la suppression de la prime de la région wallonne, 6 à 7 ans pour rentabiliser l’installation.


Puissance photovoltaïque installée en 2008


Le 11 mai 2009 A l'occasion de la deuxième édition des "Journées européennes du solaire", qui se déroulent les 15 et 16 mai, Enerplan, fait le point sur l'évolution du solaire en France et dans le monde. Cette association professionnelle, qui regroupe l'ensemble de l’offre industrielle et commerciale solaire en France, publie une cascade de chiffres. Selon elle, dans le solaire photovoltaïque, 105 mégawatts ont été installés en France en 2008, dont 75 en Métropole et 30 dans les Dom-Tom. La puissance du parc installé en France atteindrait 175 mégawatts, une multiplication par trois des installations d'une année sur l'autre. Enerplan cite les estimations du Réseau européen des associations nationales de l'industrie photovoltaïque (NNPVA, Network of national PV associations) : 5,7 gigawatts-crête* de modules photovoltaïques auraient été installés dans le monde en 2008, ce qui porte le parc mondial à environ 15 gigawatts-crête. Les prévisions pour 2010 se situent entre 6,5 et 10,5 gigawatts-crête de modules photovoltaïques supplémentaires installés. Selon l'Association européenne de l'industrie photovoltaïque (EPIA), à l’horizon 2040, le photovoltaïque représenterait entre 20 et 28% de la production mondiale d’électricité. Pour la France, la puissance installée photovoltaïque à été multipliée par trois pour la deuxième fois consécutive d'une année sur l'autre, mais l'association souligne un marché à forte inertie avec une file d'attente de demande de raccordement au réseau de 22 000 dossiers d'une puissance inférieure à 36 kW ( 6 MWc en tout) et de 474 dossier supérieurs à 36 kW (pour 450 MWc en tout). A l'horizon 2020 Enerplan estime un marché annuel de 1953 MWc et un parc cumulé de 13 500 MWc, 2,5 fois plus que l'objectif "Grenelle". En que qui concerne le solaire thermique, le marché a quant à lui enregistré une croissance de 23% en 2008 en métropole, avec 313 000 m² d'installations supplémentaires, soit une puissance de 219 mégawatts.Heure. Le parc cumulé fin 2008 totalise pour la métropole et les DOM-COM, 1 877 400 m² installés, soit un équivalent de 1314 mégawatts.heure. La progression du marché européen est estimée à + 60%, avec 4 520 000 m² installés en 2008 (452 hectares). Les marchés leaders comme l’Allemagne sont à nouveau en forte croissance. En matière d'emploi, les perspectives sont de l'ordre de 48 000 emplois mobilisés dans le solaire thermique en 2020 et de 70 000 dans le solaire photovoltaïque. *Wc : Le watt-crête est une unité représentant la puissance électrique maximale délivrée par une installation électrique solaire pour un ensoleillement standard de 1000 watts/m² à 25°C.
                                                                                                                                                   

Écrit par Claire Goujon-Charpy
                                          Par 3a énergies: distributeur solutions photovoltaïque - Publié dans : Informations techniques
 

 

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Fonctionnement des panneaux solaire Thermiques

Aperçu

L’énergie solaire thermique est la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique. Cette transformation peut-être directement utilisée pour différents usages: sanitaire, appoint chauffage, piscine, etc.

Ce type de chauffage permet habituellement de compléter les types de chauffage de l'eau exploitant d'autres sources énergétiques (électricité,énergies fossiles, ...) et dans certaines conditions il permet de les remplacer totalement. L'énergie solaire étant parfaitement renouvelable, ce remplacement permet de limiter efficacement les émissions de gaz à effet de serre ou la production dedéchets nucléaires, raison pour laquelle l'installation de tels dispositifs est fortement encouragée par la région wallonne via certaines primes et aussi par l’état via une déduction fiscale.

 

Le solaire en Belgique

En Belgique, un chauffe-eau solaire permet de réaliser environ deux tiers (66%) d'économie sur les besoins en eau chaude, qu'il s'agisse de maisons individuelles (chauffe-eau solaire individuel ou de structures collectives (chauffe-eau solaire collectif)). C’est ce que l’on appel «le taux de couverture solaire», c'est-à-dire le rapport entre l'énergie fournie par la partie solaire d'une installation et la consommation totale de l'installation.

 

Retour sur investissement

Le temps de retour sur investissement dépend du rendement de l'installation (quantité d'énergie qu'il permet d'économiser) et du coût de l'investissement. En l'absence de primes et autres avantages il faudrait compter une vingtaine d'année. Mais grâce aux différentes primes et au régime fiscale, cette durée tombe vraie entre 8 et 10 ans. Actuellement vous recevrez les subsides suivants:

Région Wallonne (RW): 1500€ (de 2 à 4 m² de surface de capteur)

Province de Liège: 650€, Province de NAMUR: 500€, Province de LUXEMBOURG: 400€, Province de HAINAUT: 620€

Prime communale: Variable suivant les communes.

 

Technologie des panneaux solaires thermiques

Il existe trois types de panneaux solaires thermiques:

  • les capteurs plans non-vitrés: de l'eau circule dans un absorbeur, généralement noir, ouvert à l'air.

  • les capteurs plans vitrés: un fluide caloporteur circule dans un absorbeur, à l'intérieur d'un panneau vitré sur l'une de ses faces et isolé sur les autres.

  • les collecteurs à tubes sous vide: un fluide caloporteur circule dans plusieurs tubes à double parois sous vide, qui leur garantissent une très bonne isolation thermique. Le vide étant le meilleur isolant connu, celui-ci procure un avantage indéniable en hiver ou sous des climats froids. Les tubes ont un revêtement interne permettant de capturer plus de 95% de l'énergie solaire.

 

Constitution

Un chauffe-eau solaire est constitué de plusieurs organes:

  • des panneaux solaires qui captent l'énergie du rayonnement solaire en chauffant un fluide caloporteur(eau ou antigel) dans un circuit primaire. Ce dernier est chargé d'acheminer les calories récupérées jusqu'au circuit secondaire;

  • un réservoir d'eau chaude dans lequel un volume d'eau est chauffé par le liquide caloporteur à travers d'un échangeur thermique, souvent un serpentin en cuivre;

  • un dispositif de chauffage d'appoint peut être intégré au réservoir, sous forme d'une résistance électrique ou de liaison à une chaudière à gaz, au fioul ou au bois. Il est utile lorsque l'énergie solaire ne suffit pas aux besoins.

  • un vase d'expansion sur le circuit primaire, assure la sécurité du matériel, il permet de compenser la dilatationdu fluide due aux variations de température.

  • un circulateur sur le circuit primaire. Cette pompe mue par un moteur électrique va faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit primaire et ainsi transporter les calories des capteurs jusqu’au ballon de stockage.

 

Trois types d'installations

  • La moquette solaire consiste simplement en un tapis de couleur noire posé à plat dans lequel circule l'eau à chauffer, à travers des tuyaux ou rainures.

  • Le système à circulation par thermosiphon est le plus simple; basé sur le principe selon lequel l'eau chaude, du fait de sa moindre densité a tendance à monter naturellement, il impose que le réservoir de stockage soit placé à un niveau supérieur par rapport aux capteurs.

Lorsque les capteurs sont exposés au soleil, il s'établit une circulation naturelle: le fluide caloporteur chaud monte vers le réservoir de stockage, cède ses calories avant de revenir dans le bas du capteur. La circulation se poursuit tant que l'eau contenue dans le capteur est plus chaude que l'eau dans le ballon.

  • Le système à circulation forcée est plus complexe, mais offre un meilleur rendement. Les températures du capteur et du ballon sont prises en compte par une régulation électronique qui commande la pompe de circulation du fluide caloporteur, celui-ci étant mis en circulation lorsque la température du capteur est supérieure à celle du ballon.

Par rapport au système à thermosiphon, le débit plus élevé du fluide caloporteur assure des températures plus basses dans tout le circuit primaire réduisant ainsi les pertes thermiques, améliorant ainsi le rendement.

Cette configuration offre plus de possibilités quant à l'emplacement du ballon, celui ci ne devant plus être nécessairement placé au dessus des capteurs, ce qui permet de s'adapter plus facilement aux contraintes du bâtiment. Le ballon est alors le plus souvent posé à l'emplacement du chauffe-eau électrique ou à côté de la chaudière existante pour faciliter l'appoint.

 

Système d'appoint au chauffage

Le système de chauffage d'appoint est nécessaire pour pouvoir disposer d'eau chaude même pendant les périodes de faible ensoleillement. Il est possible de s'en passer, mais cela conduit à une installation plus importante, principalement d'un réservoir beaucoup plus gros, puisque il doit être capable de fournir de l'eau chaude durant des périodes grises. Un système de chauffage d'appoint, de type chaudière à gaz, fioul ou électrique, est une solution intéressante d'un point de vue économique.

 

Positionnement et orientation du chauffe-eau solaire

Un chauffe-eau solaire est un système technique sensible. L'exposition des panneaux doit être bien étudiée pour maximiser le rendement. L'orientation doit maximiser l'exposition au soleil. Orientés vers le Sud (dans l'hémisphère Nord et inversement), ou du moins entre sud ouest et sud est. L'inclinaison est aussi importante au rendement. Bien que soumis aux contraintes du bâtiment (comme une intégration sur toiture), un placement en façade est optimal techniquement. Il permet l'optimisation de l'inclinaison pour l'hiver et d'éviter ainsi la surchauffe en été. Il faut aussi veiller à minimiser le masquage par des ombres d'objets voisins (bâtiments, arbres, collines). Chaque installation devra être étudiée au cas par cas selon les contraintes locales.