Composition et installation des panneaux solaires

Arthur Cougnet

Ingénieur
29/6/2022

Fonctionnement d'un panneau solaire

Qu’est-ce qu’un panneau solaire ?

Un panneau solaire aussi appelé panneau photovoltaïque est un dispositif qui mesure en moyenne généralement 1m70 sur 1m, et qui convertit une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. On distingue deux types de panneaux photovoltaïques. D’un côté les panneaux mono- et polycristallins, qui représente 90% du marché actuel, et de l’autre les panneaux à couche mince.

Panneaux monocristallins et polycristallins

Ces panneaux sont constitués de 60 à 120 cellules photovoltaïques, fabriquées à l’aide d’un matériau semi-conducteur : le silicium. C’est l’élément chimique le plus abondant sur terre après l’oxygène, on le trouve dans la croute terrestre, sous forme de sable ou de quartz. Le quartz, deuxième minéral le plus abondant sur terre.

Comment fabrique-t-on un panneau solaire monocristallin ou polycristallin ?

On commence par mélanger du sable ou du quartz avec du bois, et on porte ce mélange à très haute température afin d’obtenir du silicium. Mais à ce stade le silicium n’est pas encore prêt à entrer dans la fabrication d’un panneau. Il faut encore le purifier chimiquement, le cuire à nouveau pour former des lingots, couper ces lingots en tranches plus fines qu’un cheveu, doper le silicium avec du Bore et du Phosphore et imprimer un circuit électrique sur la cellule. On obtient ainsi des cellules photovoltaïques d’une couleur bleu foncé unies pour les cellules monocristallines et des cellules ayant l’aspect d’une mosaïque pour les cellules polycristallines

Panneaux à couches minces

Ce type de panneaux regroupe lui-même plusieurs technologies. On va donc s’intéresser à la technologie CIGS qui est l’une des plus des répandues. Alors tout d’abord que signifie cette acronyme, CIGS signifie Cuivre Indium Galium Sélénium. Soit les éléments qui composent principalement ce type de panneaux. Que retenir de ce deuxième type panneaux ? Simplement qu’il devait révolutionner les énergies solaires en réduisant les couts de production. Mais les prix de fabrication des panneaux silicium ont tellement chuté que la technologie CIGS a perdu tout son intérêt.

Comment les panneaux photovoltaïques convertissent-ils les rayons du soleil en électricité ?

Enfaite, cette conversion est rendue possible grâce au silicium quoi compose les cellules. Comme toute la matière qui nous entoure, le silicium est constitué d’atomes et la particularité du silicium est que les électrons qui gravitent autour de ces atomes s’agitent dans tous les sens lorsqu’ils sont exposés aux rayons du soleil, ce qui génère une tension électrique.

Mais ceci n’est pas suffisant pour créer de l’électricité. Il faut forcer la circulation des électrons dans une sens bien précis. On va donc créer un surplus d’électrons sur la couche supérieure de la cellule en la dopant avec des atomes de phosphore qui possède plus d’électrons que le silicium. Sur la couche inférieure de la cellule, on place des atomes de bore qui ont un déficit d’électrons.

Grace à cela, quand la lumière arrive sur les panneaux solaires, les électrons circulent de la couche supérieure à la couche inférieur de la cellule, ce qui créer un courant électrique.

Concrètement, la plupart des panneaux monocristallins ont un rendement entre 18 et 24%. Bien sûr, plus vos panneaux sont exposés aux rayons du soleil, plus ils produiront de l’électricité. Par conséquent, par temps nuageux ou enneigé, vos panneaux continueront de produire mais en moindre quantité que durant un beau jour d’été.

Cependant les panneaux solaires ne produisent pas du tout d’électricité pendant la nuit. Si vous le souhaitez, vous pouvez installer des batteries aux lithium qui stockeront l’électricité produite durant la journée pour vous la refournir pendant la nuit.

Maintenant, on va voir tous les éléments dont vous avez besoin pour votre installations solaire. Nous venons de la voir, les panneaux solaires génèrent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Mais pour être tout à fait précis, ils produisent un courant continu, or votre maison et le réseau électrique utilisent du courant alternatif.


Alors comment faire ?

Il suffit d’ajouter un onduleur photovoltaïque qui convertit le courant continu en courant alternatif. Les panneaux solaires sont connectés à un ou plusieurs onduleurs puis à votre compteur électrique. Pour qu’un panneau solaire produise le plus d’électricité, il faut que celui-ci soit placé de manière optimale pour recevoir autant de lumière que possible. Avant de dimensionner une installation photovoltaïque, il faut prendre en compte différents facteurs. Il est nécessaire de prendre en compte la surface disponible pour déterminer la puissance maximale de l’installation à venir. L’orientation et l’inclinaison sont aussi à considérer pour maximiser la production d’électricité durant l’année.

Emplacement des panneaux solaires

La toiture est l’emplacement le plus répandu pour les installations privées et professionnels.
Il est possible d’intégrer les panneaux à la toiture ou de les placer sur la toiture.

Le premier choix consiste à remplacer une partie du revêtement de toiture par les panneaux.

Le principe du deuxième choix est d’installer les panneaux au-dessus de la toiture à l’aide d’un support. Les panneaux solaires peuvent aussi être placés en façade.
Cette technique est moins répandue en raison de son rendement de production qui est moindre que les installations sur toiture (30% de production en moins pour un même ensoleillement). De plus, les panneaux placés sur les façades seront susceptibles d’être plus influencés par les éléments extérieurs (arbres, voisinage) et leur ombrage.

Les bâtiments ne pouvant pas jouir d’une installation sur le toit ont la possibilité de poser leurs panneaux solaires au sol. Ce système est très facile à réaliser et peut être orientée de manière optimale. Cependant, il faut disposer d’un terrain large.

Empreinte écologique d’un panneau photovoltaïque

Le bilan carbone des panneaux photovoltaïques est assez controversé.

Dans un premier temps, les panneaux photovoltaïques ont suscité un engouement massif et bénéficié d’un accueil positif. Mais au fil du temps, les louanges ont laissé leur place aux critiques quant à la méthode de production des panneaux solaires.

Les bienfaits des panneaux solaires sont-ils annulés par un bilan carbone désastreux ?

On considère que l’empreinte carbone est la quantité de gaz à effet de serre (GES) induit par la demande finale intérieure d’un pays (selon INSEE). C’est-à-dire qu’un calcul est effectué en prenant en compte les émissions de GES provenant des foyers belges, de la production intérieure des biens de la Belgique et de la production de biens importés des autres pays.

Pour réaliser un bilan carbone, il faut comptabiliser l’ensemble du cycle de vie des produits et services proposés par une entité ainsi que d’autres postes d’émission comme l’énergie, le logement, le transport, l’alimentation et l’utilisation de produits ou services. La technologie du panneau photovoltaïque part d’une bonne intention. Cependant, à cause de son bilan carbone plutôt médiocre et de ses matériaux de construction, cette technologie est très controversée.
Greenpeace pointe, notamment, le très mauvais bilan carbone des installations photovoltaïques sur le plan social et environnemental de l’extraction des matériaux pour fabriquer les panneaux.

Pour pouvoir établir le bilan carbone d’un panneau photovoltaïque, nous devons les catégoriser en trois types.
Nous pouvons distinguer la première génération de panneaux solaires qui est très énergivore lors de sa fabrication et lors de l’extraction de ses matériaux. Cette première génération de panneaux a pour conséquent un très mauvais bilan carbone. Cependant, ce n’est pas pour autant que la fabrication de ceux-ci nécessite des terres rares. Les terres rares désignent 17 métaux : le scandium, l'yttrium, et les quinze lanthanides. Ces matières minérales aux propriétés exceptionnelles sont utilisées dans la fabrication de produits de haute technologie.
Avec le boom du numérique et des nouvelles technologies vertes, aujourd'hui, à l'échelle de l'économie mondiale, les terres rares sont considérées comme des métaux stratégiques. Problème : extraction et le traitement des terres rares polluent et produisent des déchets toxiques. De nos jours, la recherche et le développement de la technologie des panneaux solaires explorent des propositions pour remplacer cette première génération.

Ensuite, nous avons les panneaux solaires de seconde génération. Ceux-ci ont déjà un meilleur bilan carbone que la première génération, mais pas encore idéal. La confection de cette génération de produits nécessite encore des métaux rares, mais en petite quantité.

Finalement, nous avons la troisième génération de panneaux qui est toujours en recherche et développement. Toutefois, cette dernière génération vise un meilleur bilan carbone, un respect des terres d’extraction, et une meilleure responsabilité sociale. La législation européenne au niveau du recyclage des panneaux solaires est extrêmement réglementée. Une directive a été publié en 2002 et renforcé en 2012 stipulant que les entreprises qui commercialisent des panneaux solaires sont en charges du coût et de la gestion de leur recyclage. De ce fait, les entreprises améliorent leurs activités de production et d’exploitation sur plusieurs aspects :

Si l’on veut être plus précis sur les répercussions qu’a un panneau solaire sur son environnement, notamment en prenant en compte son transport, son installation, etc. On peut allonger la période d’amortissement d’un panneau solaire à une quinzaine d’années. C’est la moitié de la durée de vie d’un panneau solaire. Par conséquent, nous pouvons considérer que le bilan carbone d’un panneau solaire est désormais positif.

Au fil du temps, le secteur photovoltaïque a réussi à inverser la tendance sur ses émissions de gaz à effets de serre.
L’objectif du bilan carbone : décomposer l'activité des particuliers, des entreprises, des collectivités et des administrations en termes d'émissions directes et indirectes de gaz à effet de serre (GES). Ces émissions recouvrent 6 gaz principaux : méthane, protoxyde d’azote, hydrofluorocarbure, hexafluorure de soufre et bien évidemment dioxyde de carbone ou CO2, qui a donné son nom à l’outil.

Comparaison solaire/centrale thermique/nucléaire

Plusieurs méthodes de production d’électricité existent pour pouvoir nous fournir tout ce dont nous avons besoin.

Les installations les plus répandues sont les centrales thermiques, qui sont les moins chères à produire. Ces dernières fonctionnent en brulant des énergies fossiles (charbon, pétroles, ou gaz naturel) ou de la biomasse (déchets ménagers ou végétaux). La centrale à charbon produit 40 pourcents de l’électricité mondial à ce jour. Cependant, c’est aussi la manière de produire de l’électricité avec le bilan carbone le plus mauvais. Celles-ci émettent le plus de CO2 par kWh produit, ce qui représente 73 pourcents des émissions liées à notre consommation d’électricité.

En ce qui concerne les centrales nucléaires, celles-ci ne consomment pas de CO2 en production. Ce qui rend son bilan carbone très avantageux, faisant état de 6 grammes de CO2/kWh. Cependant, le nucléaire actuel produit des déchets nucléaires. Mais des solutions existent comme le stockage sous la terre en dessous de couches d'argile, la transmutation pour les déchets très radioactifs (catégories C) et aussi le recyclage notamment dans les nouvelles centrales nucléaires.

Parmi les modes de production existants d’électricité, les parcs solaires photovoltaïques, qui ne produisent aucune émission de CO2 lorsqu’ils génèrent de l’électricité, ont un bilan carbone qui en fait l’un des modes de production les moins polluants. De plus les panneaux solaires, contrairement aux autres modes de production d’électricité, produisent plus d’énergie qu’ils n’en consomment à leur fabrication : le temps de retour énergétique d’un panneau photovoltaïque est entre 1,5 et 2,5 ans en Europe. Comme énoncé précédemment, les panneaux solaires font état d’un bilan carbone de 23g de CO2/kWh en Belgique.