Panneau solaire

Capteurs solaires (thermiques à gauche) et panneaux solaires (photovoltaïques, à droite).

Panneaux photovoltaïques, ile de Hjelm. Noter la position verticale (sud) et les protections anti-oiseaux.

Un pannеau solaire est un dispositif destiné à récupérer le rayonnement solaire pour le convertir en énergie électrique ou en énergie thermique utilisable par l'homme.

Présentation

On distingue trois types de panneaux solaires (le troisième étant plus récent) :

• les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, collecteurs solaires ou simplement capteurs solaires, qui piègent la chaleur du rayonnement solaire et la transfèrent à un fluide caloporteur ;
• les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques ou simplement panneaux solaires, qui convertissent le rayonnement solaire en électricité. Le solaire photovoltaïque est communément appelé PV ;
• les panneaux photovoltaïques thermiques qui produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur.

Dans les trois cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

Les panneaux solaires thermiques sont actuellement beaucoup plus efficaces et rentables que les modules photovoltaïques grâce à un prix beaucoup moins élevé et un rendement (sur l'installation totale) avoisinant les 50 % (voir capteur solaire thermique), même si l'énergie qu'ils permettent de récupérer est obtenue sous une forme de moindre valeur (eau chaude à température sanitaire au lieu d'électricité). Les capteurs thermiques sont tout aussi rentables sous des latitudes élevées (nord de la France, Belgique, Canada,....) que dans les zones ensoleillées. À l'inverse, les panneaux solaires (photovoltaïques) ne sont actuellement rentables qu'en l'absence de réseau électrique, à moins qu'une subvention sous une forme ou une autre ne vienne compenser les surcoûts. À titre de comparaison, seulement 10 à 20 % du rayonnement solaire est transformée en un vecteur d'énergie exploitable (électricité).

Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il faut savoir que l'énergie émise par le soleil et reçue par la terre en environ une heure devrait permettre, si elle était récupérée en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an. En théorie, un carré de panneaux solaires de 344 km de côté (120 000 km²) pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 et 17 % (en 2007 en Europe) soit 160 kWh/an/m² (ou 160 GWh/an/km²) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006; 16 000 TWh en 2004). Dans le cas de l'Europe des 27 (3 000 TWh), une surface de 137 km de côté (19 000 km²) suffirait, tandis que dans le cas de la France (500 TWh), il faudrait qu'elle ait 56 km de côté (3 100 km²).

D'une manière générale, on considère que la totalité de la surface des toitures existantes, correctement exposées et couvertes de panneaux, pourrait suffire à satisfaire la totalité des besoins mondiaux en électricité^{[réf. nécessaire]}. En effet, l'Île-de-France à elle seule, fait 12 011 km² dont 20 % d'espaces construits, soit 2 400 km² ou 75 % de la surface nécessaire pour couvrir les besoins de la France.

Les panneaux solaires peuvent être inclinés jusqu'à 60 degrés pour permettre à la neige de glisser. De plus, la surface chaude du capteur solaire suffira à faire fondre les amoncellements qui pourraient rester accrochés au panneau.

Les capteurs solaires (panneaux solaires thermiques)

Article détaillé : Capteur solaire thermique.

chauffe-eau solaire.

Il existe deux grands types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et les systèmes aérothermiques (capteurs à air et systèmes pariétodynamiques plus ou moins passifs).

• Dans les capteurs thermiques « à eau », l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur, (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes en circuit fermé. Pour obtenir un meilleur rendement, les tubes peuvent être "sous-vide" c'est-à-dire que la surface des tubes est double et qu'entre ces deux couches est fait le vide. Ceci permet d'obtenir un effet de serre. Les panneaux solaires thermiques peuvent également se résumer à une simple surface vitrée sous laquelle circule le liquide caloporteur dans un circuit fermé. Ce système représente la première technologie de capteurs, la moins performante actuellement. L'absorbeur est alors placé à l'intérieur du tube ou sous la plaque vitrée, il est chauffé par le rayonnement solaire et transmet la chaleur au liquide caloporteur qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus rentable pour l'utilisation de l'énergie solaire. Les systèmes solaires combinés (SSC) commencent à se développer. Ils ont pour objectif de produire de l'eau chaude sanitaire et de l'eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs.

• Dans les capteurs thermiques « à air », de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs ou dans une zone d'effet de serre. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats, généralement pour le chauffage et parfois pour des usages industriels ou agricoles (séchage des produits).

En France le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, des Régions, de certains Départements et de certains regroupements communaux. L’État a mis en place un crédit d’impôt développement durable qui concerne plusieurs systèmes. Ces taux sont réévalués tous les ans. Concernant les panneaux solaires thermiques, un chauffe-eau solaire bénéficie d’un taux de 32 % en 2012.

Panneaux solaires photovoltaïques

Panneau solaire à Marla dans le cirque de Mafate, à la Réunion.

Article détaillé : module solaire photovoltaïque.

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle.

Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers, dans ce dernier cas la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. En dehors de centrales solaires, les installations fixes se font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments, soit en intégration de toiture, soit en surimposition. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimale pour la production d'électricité, mais comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense une production plus faible.

Différentes technologies photovoltaïques existent:

• le silicium cristallin (monocristallin et polycristallin) ;
• le silicium amorphe ;
• le cuivre/indium/sélénium ;
• le cuivre/indium/gallium/sélénium.

Production mondiale

La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine, Taiwan, l'Allemagne, le Japon et les États Unis. Il s'agit majoritairement d'assemblage (encapsulation / électronique de contrôle / mise en place du cadre / boîtier de protection /...) car en 2010 environ 50 % de la production mondiale de cellules photovoltaïques vient de Chine et 80 % d'Asie. Aujourd'hui les grandes marques internationales font produire leurs modules en Asie et parfois réalisent une étape de transformation sur le produit, alors que d'autres grandes entreprises sous-traitent simplement leur production.Les puissances emergentes n'utilisent que les systeme 2.0

Aspects environnementaux

Comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique.

Cette fabrication (plus transport, pose, etc.) nécessite en outre de l'énergie. Mesurée en nombre d'années de production par le panneau, en 2004, le Département américain de l'énergie estimait cette durée à 4 ans maximum. Les fabricants cherchent à minimiser les coûts et les besoins en matériau (silicium notamment), ce qui a incidemment pour effet de réduire la consommation d'énergie sur le cycle de vie du panneau, réduisant la durée de remboursement de l'énergie investie. Pourtant la fabrication des panneaux solaires peut utiliser les déchets industriels de silicium ce qui sur le long terme est un gain intéressant au niveau de l'écologie.

Du point de vue du bilan en dioxyde de carbone, sur un cycle de vie de vingt ans, l'émission de CO₂ par kWh électrique produit par un panneau photovoltaïque représente selon le type considéré de 7 à 37 % des émissions par kWh produit par une centrale thermique classique.

Recyclage

La majorité des composants d'un module solaire peuvent être traités. Grâce aux innovations technologiques de ces dernières années, jusqu'à 95 % de certains matériaux semi-conducteurs, le verre ainsi que de grandes quantités de métaux ferreux et non ferreux utilisés dans les modules photovoltaïques, peuvent être récupérés. Certaines entreprises privées et des organismes sans but lucratif, tels que PV CYCLE dans l'Union européenne, mettent en place des systèmes de collecte et de recyclage pour les panneaux photovoltaïques en fin de vie.

Deux des solutions de recyclage les plus courantes sont les suivantes:

• Les modules à base de silicium: les châssis en aluminium et les boîtes de jonction sont démontés manuellement au début du processus. Le module est ensuite broyé dans un broyeur et les différentes fractions résultant de ce processus sont des métaux ferreux et non ferreux, du verre et du plastique avec un quota moyen de recyclage proche de 80 % (poids d’entrée). Par exemple, le verre provenant des panneaux photovoltaïques est mixé avec du verre standard pour être réintroduit dans le secteur de la fibre de verre ou de l’isolation. Ce processus peut être effectué par les recycleurs de verre plat étant donné que la morphologie et la composition d'un module PV est semblable à celui du verre plat utilisé dans l'industrie du bâtiment et de l'automobile.

• Les panneaux photovoltaïques sans silicium : des technologies propres au recyclage des panneaux photovoltaïques sans silicium existent; certaines utilisent un bain chimique pour délaminer et séparer les différents composants des panneaux photovoltaïques. Pour les panneaux en tellurure de cadmium, le processus de recyclage commence par l’écrasement du panneau, aboutissant à une séparation ultérieure des différentes fractions. Ce processus de recyclage est destiné à récupérer jusqu’à 90 % du verre et 95 % des matériaux semi-conducteurs. Pendant les dernières années plusieurs installations de recyclage ont été créées par des entreprises privées.

Depuis 2010, une conférence réunit chaque année des fabricants, des recycleurs et des chercheurs qui s’unissent pour examiner ensemble l’avenir du recyclage des panneaux photovoltaïques.

Annexes

Articles connexes

• Capteur solaire thermique
• Cellule photovoltaïque
• Centrale solaire photovoltaïque
• Chauffage solaire
• Énergie renouvelable
• Module solaire photovoltaïque
• Panneau solaire aérothermique
• Photovoltaïque raccordé au réseau