Un panneau solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie de l'énergie du rayonnement solaire pour la convertir en une forme d'énergie utilisable par l'homme .
On distingue donc deux types de panneaux solaires :
- les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui convertissent la lumière en chaleur récupérée et utilisée sous forme d'eau chaude ;
- les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques, qui convertissent la lumière en électricité . Le solaire photovoltaïque est communément appelé PV .
Dans les deux 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 plus rentables économiquement que les modules photovoltaïques grâce à un rendement élevé avoisinant les 80% (voir capteur solaire thermique), cependant, l'énergie récupérée est pour l'instant utilisée essentiellement pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire .L'intérêt d'utiliser des panneaux solaires photovoltaïques apparaît vite lorsqu'on sait qu'une surface de 344 km de côté, pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15-17 % (en 2007 en Europe) soit 160 kWh/an/m² ou 160 GWh/an/km²[2] avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006).
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 les besoins.Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il suffit de savoir que la totalité de l'énergie solaire reçue sur la terre en un peu moins d'une heure permettrait, si elle était récupérable en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an.
Panneaux solaires thermiques:
Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et les capteurs à air .
- Dans les capteurs thermiques « à eau », l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur à circuit fermé, (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes munis d'ailettes. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en eau chaude sont modérés, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. Les ailettes, qui forment ce qu'on appelle l'absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur à l'eau ou 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 en terme de 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 », c'est de l'air qui circule et qui s'échauffe au contact des absorbeurs. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des productions.
En France le "Plan Soleil", lancé en 2000 par l'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.
Panneaux solaires photovoltaïques :
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. La plupart des installations fixes se font actuellement plutôt sur les toîts des logements ou des bâtiments, soit en intégration de toîture, soit en surimposition. En ville, on commence à poser des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimum 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.
Influence de l'ensoleillement:
Sur terre, l'énergie solaire moyenne en pleine exposition reçue par m² de panneaux exposés en plein soleil est de 1 kW, alors que dans l'espace la constante solaire est de 1,367 kW/m². Malgré son nom la constante solaire n'est pas vraiment constante puisque l'activité solaire n'est pas elle-même constante. Les pertes occasionnées lors de la traversée de l'atmosphère par la lumière est telle que l'énergie qui arrive au sol sur terre est plus faible et de l'ordre moyen de 1 kW/m² au midi vrai . C'est cette valeur qui est communément retenue pour les calculs. En laboratoire pour déterminer le rendement d'une cellule ou d'un panneau solaire, une source d'énergie solaire artificielle de 1 kW / m² est également utilisée. Au final, l'énergie qui arrive au sol dépend de l'inclinaison du soleil donc de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser et de sa nébulosité.Alors que cette question peut être étudiée plus en détail sur le site de l'institut de l'énergie solaire ( INES ), le nombre d'heures d'équivalent plein soleil concerne plus particulièrement le producteur d'électricité photovoltaïque. En effet, un panneau solaire n'est qu'exceptionnellement exactement face au soleil puisque la terre tourne sans arrêt et que l'inclinaison du soleil par rapport au panneau évolue en permanence. Au cours d'une journée sans nuage la production électrique du panneau varie également en permanence en fonction de la position du soleil et n'est jamais à son maximum sauf au bref passage du plein midi. La production en fin de journée est donc une somme de productions partielles. Par temps couvert, donc en l'absence de soleil, la luminosité ambiante, alors que le soleil est caché, permet quand même une toute petite production électrique, et ces petites productions additionnées finissent par faire des kWh. En fin d'année à partir du total de la production électrique on obtient le nombre d'heures d'équivalent plein soleil de l'année qui n'a rien à voir avec le nombre d'heures d'ensoleillement au sens météo. Le nombre d'heures d'ensoleillement vu par les services météo ou les climatologues n'est pas de la même nature. Soit il y a du soleil soit il n'y en a pas. La carte de l'ensoleillement peut être consultée ici. On constate que Rouen est située sur la ligne des 1750 heures d'ensoleillement par an, alors que le nombre d'heures d'équivalent plein soleil y est proche de 1.100 heures .Il faudrait aussi tenir compte de l'albedo du sol, c'est-à-dire de son pouvoir de réflexion de la lumière . Lorsqu'une installation est environnée de neige par exemple, donc d'un environnement très réflexif, la production d'une installation 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, inclue 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 qui nous concerne. Pour cela, la Communauté Européenne a mis en ligne un logiciel gratuit qui permet à tout citoyen de l'Union où qu'il se trouve dans la Communauté de connaître la production d'électricité annuelle en kWh dont il bénéficiera. Après quelques essais pour se familiariser avec ce logiciel, on découvre qu'à Liège on peut obtenir 840 kWh/kWc/an, Hambourg 870, Colmar 940, Rouen 950, Munich 950, Arcachon 1100, Chamonix 1110, La Rochelle 1140, Agen 1150, Perpignan 1290, Eraklion Crête 1310, Madrid 1400, Cannes 1465, Séville 1470, Malte 1480, Faro Portugal 1550.
Influence de l'évolution récente des rendements:
En 1995, les rendements des panneaux monocristallins étaient d'environ 10%, en 2000 d'environ 12% et actuellement (2007) suivant les fabricants, de 15 à 17%. En 12 ans, la croissance des rendements a donc été de près de 60%.Pour calculer une production électrique annuelle estimée, il suffit de multiplier le nombre d'heures d'équivalent plein soleil par le rendement des panneaux. Ainsi pour Rouen avec 1.100 h et des panneaux d'un rendement de 15 %, on arrive à 1 kW/m² x 1.100 h/an x 0,15 = 165 kWh/m²/an . Cette production s'entend à la sortie des panneaux, donc ne tient pas compte des pertes dans les fils et lors de la conversion en électricité alternative par l'onduleur. En tenant compte de ces pertes (lignes, connexions, onduleur ; soit 14 % environ) on arrive à 142 kWh/m²/an (165 x 0,86) . Certains onduleurs récents ont un rendement qui permet d'obtenir un résultat meilleur que celui là.On peut aussi dire qu'avec un rendement de 15 %, la puissance fournie par un panneau d'1 m² est de 1 kW x 0,15 = 150 W. Ce qui donne une puissance de 150 Wc (watt crète) sortie panneau.Il vaut mieux faire le calcul soi même plutôt que se fier à ceux qui ont été faits à une autre époque et repris ici où là sans que le détail des éléments pris en compte soit précisé ou tout simplement pour vérifier les dires d'un installateur . La rapidité de l'évolution récente des rendements rend très vite obsolète des calculs effectués il y a quelques années seulement. Comme il est prévisible que cette tendance va continuer dans les années qui viennent, faire son propre calcul semble donc une attitude à conserver. Pour s'informer sur l'évolution à venir et programmée des performances des différentes technologies, on peut consulter la feuille de route de l'industrie japonaise des cellules photovoltaïques.Toutefois on peut aussi calculer directement à partir du kWc : à Rouen, 1 kWc produit approximativement 950 kWh par an (1kW x 1.100 h x le rendement de l'installation 0,86). Ce dernier calcul est indépendant de la surface des panneaux ainsi que du rendement de ces pannneaux, données déjà prises en compte pour arriver au kWc. Le kWc ou kilowatt crête encore nommé kWp ou kilowatt peak est la puissance maximum fournie par une installation exposée au mieux (en théorie 1 kW/m²) et ne représente qu'un cas particulier, l'exposition solaire étant variable. L'appellation kWc ou kWp employée dans l'industrie photovoltaÏque est quelquefois considérée comme une appellation abusive parce que la puissance électrique s'exprime habituellement en kW.Pour arriver à une puissance de 1 kWc avec des panneaux d'un rendement de 15 %, il faut: 1.000 W / 150 W = 6,66 m² de panneaux (ou encore présenté autrement: 150 W par m² x 6,66 m² = 1.000 W pour les 6,66 m²). Plus le rendement des panneaux augmente, plus la surface nécessaire pour obtenir une puissance d'1 kWc diminue.Pour estimer la surface de panneaux souhaitable, l'étude des habitudes de consommation au cas par cas est nécessaire. Tout dépend également du résultat final que l'on veut obtenir. On peut vouloir ne produire qu'une partie de sa consommation ou aller jusqu'à compenser la totalité. On peut même vouloir dépasser sa consommation et devenir revendeur net.