Le fonctionnement de l’énergie solaire

Opérationnalité de l’énergie solaire

On peut utiliser deux sortes de matériels pour absorber (capter) et transformer ensuite la chaleur et les rayons du soleil. Il s’agit des panneaux photovoltaïques et des panneaux solaires thermiques. Le fonctionnement de l’énergie solaire diffère d’un type de panneaux solaires à l’autre.

Vous devez nécessairement recourir à l’installation de panneaux solaires thermiques si votre objectif est d’obtenir de l’eau chaude. En effet, ces panneaux absorbent l’énergie du soleil, puis convertissent cette énergie en chaleur. En effet, l’énergie solaire chauffe un liquide transféré dans un module noir, puis ce dernier est transformé en chaleur. Or, c’est précisément celle-ci qui permet à son tour de réchauffer l’eau que contient le ballon de votre logement.

Les panneaux solaires photovoltaïques pour leur part, sont utilisés pour produire de l’électricité. On appelle cela, l’effet photovoltaïque (ou effet PV). Il s’agit d’un phénomène physique qui se produit lorsque les photons de lumière solaire frappent les cellules solaires, ces dernières contenant des semi-conducteurs (le plus souvent du silicium) qui capturent les photons. Ces photons excitent les électrons des semi-conducteurs et les libèrent de leurs couches électroniques. Les électrons libérés créent alors un courant électrique qui peut être utilisé pour produire de l’électricité.

L’effet Photovoltaïque

Ce phénomène a été découvert pour la première fois en 1839 par un français, Alexandre Edmond Becquerel, mais c’est seulement dans les années 50 qu’on a commencé à l’utiliser pour produire de l’énergie électrique. Depuis, l’effet photovoltaïque est devenu un moyen important de produire de l’énergie propre et renouvelable.

L’exploitation des panneaux solaires photovoltaïques est associée à la combinaison d’un onduleur ou d’un micro-onduleur. Ces derniers se chargent de moduler l’électricité produite avant de la transformer en courant alternatif capable d’alimenter votre réseau.

Enfin, l’installation solaire est généralement complétée par un compteur EDF ou autre qui vous permet de mesurer la quantité de courant qui alimente votre réseau électrique.

Schéma photon électricité

La cellule photovoltaïque permet de transformer les photons en électricité. Mais comment les cellules qui composent vos panneaux solaires arrivent-elle à créer de l’électricité à partir du soleil ? Afin de répondre efficacement à cette interrogation, voici un dessin de coupe de l’une de ces cellules :

En regardant l’image, on peut se rendre compte notamment qu’une cellule photovoltaïque est constituée d’une double couche de silicium : l’une est chargée positivement, tandis que l’autre est chargée négativement. Pour ce qui est de la lumière du soleil, elle est composée de plusieurs photons.

Lorsqu’il traverse la cellule photovoltaïque, le photon perse un trou dans la couche supérieure de cette cellule, celle-là même qui est négative. Cette action crée une tension électrique avec l’autre couche dite inférieure et qui est chargée positivement. Les photons sont ensuite récupérés par des contacts électriques qui se trouvent à la surface des cellules. Et c’est ainsi que l’électricité est créée sous forme de courant continu.

Schémas d’installation d’un panneau solaire

La compréhension du fonctionnement d’une installation photovoltaïque peut s’avérer très complexe. Alors, puisqu’un schéma vaut toujours mieux qu’un long discours, nous vous proposons de découvrir dans cette partie le fonctionnement des panneaux solaires.

Du fonctionnement des cellules photovoltaïques, jusqu’à l’opérationnalité du système d’autoconsommation, en passant par les montages des panneaux…ces dessins vous permettront de découvrir le solaire et ses subtilités sous un angle bien moins complexe.

Les outils indispensables à l’énergie solaire

Un système de panneaux solaires est constitué de nombreux modules photovoltaïques. Chaque module à son tour, comporte une multitude de cellules photovoltaïques dont vous maîtrisez déjà le mode opératoire grâce au premier dessin illustré ci-dessus.

La mise en place de tout un système photovoltaïque est un préalable pour faire fonctionner les panneaux solaires. C’est ce que l’on appelle techniquement «Balance Of System » ou le B.O.S. Parmi les éléments de base de ce concept, vous avez par exemple le câblage, le régulateur de charge et le système de fixation. Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous, c’est l’association de tous ces éléments qui permet à une installation photovoltaïque de fonctionner.

Schéma de la cellule solaire au système solaire:

L’onduleur fait partie des éléments du B.O.S qui jouent un rôle déterminant. C’est lui en effet qui transforme le courant continu produit par vos panneaux solaires en courant alternatif. Et comme vous le savez, la consommation domestique est possible uniquement grâce au courant alternatif. Le courant généré est transporté vers le panneau de distribution principal, c’est-à-dire celui sur lequel tous vos appareils électriques sont branchés. Comme le montre le schéma, le « Balance Of System » intègre également les éléments suivants :

Liste des éléments à prévoir pour votre installation solaire :

• Des câbles de connexion et de protection qui permettent non seulement de relier les panneaux solaires entre eux, mais aussi tous les autres composants,
• Un système de fixation des panneaux dont la robustesse et la technologie permettent de supporter le poids de votre installation et les intempéries climatiques. Chaque panneau solaire a un poids d’au moins 20 kilogrammes,
• Un régulateur de charge dont le rôle est de contrôler le courant produit par les panneaux solaires. Vous pouvez l’intégrer au micro-onduleur ou à l’onduleur,
• Un panneau de distribution,
• Plusieurs disjoncteurs à haute immunité le plus souvent,
• Un système de supervision qui contrôle le bon fonctionnement de votre installation dans l’ensemble,
• Un compteur de production qui permet de suivre le niveau de production de votre installation.

Cette liste des outils à prévoir pour votre installation est assez complète. Dans bien des cas, un professionnel vous aidera à déterminer l’installation qui répond le plus à vos besoins. Du choix des panneaux et des autres équipements jusqu’à la pose, il vous accompagne de bout en bout. Cette option vous permet en outre d’avoir la garantie que votre installation se fera avec les meilleurs équipements qui existent et que vous obtiendrez un système performant, élaboré, durable et de haute technologie, le tout à un prix raisonnable.

Sur le marché, vous retrouverez différents modèles de modules photovoltaïques. Chacun d’entre eux est doté d’avantages et d’inconvénients, que ce soit sur les plans techniques et financiers. Il est donc important de prendre le temps de se pencher sur leurs caractéristiques respectives.

Les modules photovoltaïques

Cellule photovoltaïque en silicium monocristallin

Il s’agit ici d’un groupe où on retrouve en général des cellules photovoltaïques qui sont de couleur bleue. Elles sont constituées d’une plaque de silicium fondu qui a été solidifié et, pendant le refroidissement, a été assemblée pour donner un grand cristal. Ce cristal a par la suite été découpé en fines lamelles, pour donner des cellules. C’est un système très apprécié, car avec un bon ensoleillement, il donne un rendement très satisfaisant. Il est également doté d’une bonne longévité, même s’il reste très onéreux.

Cellule en silicium polycristallin

Pendant le processus de refroidissement du silicium, il y a également d’autres cristaux qui se forment. Ils sont eux aussi de couleur bleue, mais elle n’est pas uniforme. Avec un bon ensoleillement, le rendement obtenu est optimal. La durée de vie des cellules est importante, et le coût d’installation est véritablement acceptable. Pour ces raisons, ces cellules sont considérées comme ayant le meilleur rapport qualité/prix du marché en ce moment.

Cellule en couche mince CIS

Dans ce groupe, on retrouve des cellules photovoltaïques qui sont constituées à partir de matériaux plus répandus, et donc faciles à trouver, à l’inverse au silicium. Ils ont un rendement satisfaisant, mais nécessitent tout de même des surfaces beaucoup plus importantes pour un rendu similaire.

Des systèmes non commercialisés

Il existe également des cellules qui sont fabriquées à partir de plusieurs couches différentes. Elles sont dites « multi-jonction ». Elles ont effectivement un rendement inégalable, mais sont utilisées uniquement pour les besoins de l’industrie spatiale. On peut aussi évoquer la cellule silicium amorphe, qui elle dispose d’une couche très mince. Elle est surtout utilisée dans la fabrication des objets du quotidien comme les montres, les calculettes, ou encore d’autres appareils qui utilisent l’énergie solaire.

Il faut nécessairement plusieurs modules connectés les uns aux autres pour assurer le fonctionnement de vos panneaux solaires dans un système photovoltaïque. En pratique, on peut assembler les modules soit en parallèle, soit en série. Il existe une grande différence entre ces deux solutions. Vous devez opter pour l’une ou l’autre des options en tenant compte de vos besoins.

Branchement des modules photovoltaïques et énergie solaire

Assemblage en série

Le montage des modules photovoltaïques en série permet d’additionner les voltages, sans pour autant modifier l’ampérage. Ce type de branchement doit en principe s’effectuer entre les modules qui ont un même ampérage. Lorsque ce n’est pas le cas, vous devez aligner l’ensemble sur le plus faible ampérage. Le schéma suivant illustre parfaitement un branchement des panneaux solaires en série :

Pour brancher les modules en série, vous devez connecter les bornes positives d’un module aux bornes négatives d’un autre module.

Montage en parallèle

Contrairement à ce qui se fait dans un montage en série, pour le branchement en parallèle des modules, le voltage ne change pas : il demeure identique tandis que cette fois-ci, c’est l’ampérage qui s’additionne. C’est donc un résultat inverse que l’on obtient. Comme vous pouvez le voir sur le dessin qui suit, le montage dans ce cas se fait en temps normal entre des modules qui ont le même voltage pour éviter un éventuel court-circuit ou une surtension. Étant donné qu’elles sont additionnées, il n’y aura aucun problème à ce que les intensités (ampérage) soient différentes. C’est ce type de montage qui vous conviendra si vous recherchez la puissance ou une forte intensité.

Pour réaliser un montage en parallèle, vous devez connecter les pôles positifs entre eux. Faites-en de même pour les pôles négatifs.

L’autoconsommation de l’énergie solaire : 2 schémas possibles

Voici deux illustrations pour comprendre le fonctionnement des systèmes solaires en autoconsommation

Il y a deux options qui s’offrent à vous si vous décidez de consommer l’électricité que vous produisez :

• L’autoconsommation avec système de stockage de l’électricité
• L’autoconsommation avec vente du surplus produit

Voici quelques dessins qui vous permettront de comprendre comment ces deux systèmes fonctionnent :

L’autoconsommation avec vente du surplus produit

Si vous optez pour l’autoconsommation avec la vente de l’électricité produite en plus, l’électricité produite par vos panneaux solaires au cours de la journée permettra d’abord d’alimenter les appareils électriques de votre habitation. Si cette production dépasse le seuil de votre consommation journalière, alors le surplus d’électricité sera redirigé vers le réseau comme l’illustre le schéma pour ensuite être vendu directement à votre fournisseur d’énergie électrique, en l’occurrence EDF OA.

Sachez notamment que le prix de vente de cet excédent est couvert par une garantie qui s’étend sur 20 ans.

Comme vous le voyez sur l’image, la répartition de la charge électrique est assurée par l’onduleur. Au cas où la production de votre installation solaire s’avère insuffisante pour alimenter vos appareils, l’énergie (ou l’électricité) qui manque est directement puisée sur le réseau de votre opérateur. Inversement, quand votre production est supérieure à ce que vous consommez, cet excédent est automatiquement redirigé sur le réseau de ce dernier. Il s’agit là de l’autoconsommation photovoltaïque dite intelligente.

L’ensemble de votre installation est donc reliée à 2 compteurs : un compteur pour votre production et l’autre pour la consommation. Toutefois, il est également possible d’utiliser un seul compteur bidirectionnel qui se chargera de compter à la fois votre production et votre consommation. Pour faciliter la lecture de l’électricité que vous consommez et vendez, ainsi que celle de l’électricité que vous achetez directement au fournisseur, vous pouvez utiliser une application qui vous permet de contrôler ces différentes données en temps réel. Il vous suffit simplement de quelques clics sur votre PC ou votre téléphone pour tout savoir (et dans les moindres détails) sur l’état de votre production et de votre consommation.

L’autoconsommation avec système de stockage de l’électricité

Sachez que c’est bien possible de produire et de consommer votre propre électricité, et ce, même quand le soleil n’est pas aussi fort qu’habituellement. Pour cela, vous devez simplement opter pour un système solaire avec batterie intégrée. Ce système se charge de stocker l’excédent de l’électricité non consommée par les appareils de la maison pendant les heures où le soleil brille au plus fort, et une fois que vos panneaux ne produisent plus assez d’électricité (ou plus du tout) pour satisfaire vos besoins et ceux du réseau local, la batterie prendra simplement le relais comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous.

Le principal avantage du système d’autoconsommation avec stockage d’électricité tient au fait que l’utilisateur n’a pas besoin du réseau électrique pour assurer le fonctionnement de ses équipements. Même durant les heures où son système ne produit pas ou plus d’électricité, c’est celle générée par les panneaux solaires et stockée dans la batterie qui servira à alimenter l’ensemble de la maison. Cette option peut s’avérer avantageuse dans le cas d’un immeuble non connecté au réseau électrique. En effet, même après une coupure, la batterie continuera à vous alimenter.