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Comment fonctionne un panneau solaire ? Explication complète et technique
Un panneau solaire photovoltaïque transforme directement la lumière du soleil en électricité.
Contrairement à ce que l’on pourrait penser, il ne fonctionne pas grâce à la chaleur, mais principalement grâce à la lumière.
C’est ce principe qui permet à un panneau photovoltaïque de produire de l’électricité en Guadeloupe toute l’année, y compris lorsque le ciel est légèrement voilé ou lorsqu’il pleut.
Mais que se passe-t-il réellement à l’intérieur d’un panneau solaire ?
Comment la lumière devient-elle de l’électricité ?
Et comment cette énergie est-elle ensuite utilisée pour alimenter une maison, une entreprise ou charger des batteries ?
Qu’est-ce qu’un panneau solaire photovoltaïque ?
Un panneau solaire photovoltaïque est composé de plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles.
Ces cellules sont généralement fabriquées à partir de silicium, un matériau semi-conducteur.
Le rôle de la cellule photovoltaïque est de transformer l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Un panneau moderne peut contenir plusieurs dizaines de cellules assemblées afin de produire une tension et une puissance utilisables.
L’ensemble est ensuite protégé par :
une plaque de verre ;
des couches d’encapsulation ;
une structure rigide ;
un cadre en aluminium sur de nombreux modèles ;
une boîte de jonction située à l’arrière.
Le panneau est conçu pour résister aux conditions extérieures pendant de nombreuses années.
Le principe de base : l’effet photovoltaïque
Le fonctionnement d’un panneau solaire repose sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque.
Lorsque la lumière du soleil atteint la cellule, elle apporte de l’énergie sous forme de particules appelées photons.
Ces photons frappent les atomes présents dans le matériau semi-conducteur.
Cette énergie peut alors libérer certains électrons.
Les électrons commencent à se déplacer.
Et c’est précisément ce déplacement d’électrons qui permet de créer un courant électrique.
Pourquoi utilise-t-on du silicium ?
Le silicium est très utilisé dans les panneaux photovoltaïques car il possède des propriétés électroniques particulièrement intéressantes.
À l’état naturel, il ne produirait pas suffisamment d’électricité pour être utilisé efficacement dans une cellule solaire.
Il est donc modifié afin de créer deux zones présentant des propriétés différentes.
On parle généralement de :
couche de type N ;
couche de type P.
Ces deux couches sont mises en contact.
À leur jonction se forme une zone capable de créer un champ électrique interne.
Ce champ joue un rôle fondamental dans le fonctionnement du panneau.
Comment un photon crée-t-il réellement du courant électrique ?
Lorsqu’un photon possède suffisamment d’énergie, il peut libérer un électron dans la cellule.
Mais libérer un électron ne suffit pas.
Il faut également forcer cet électron à se déplacer dans une direction précise.
C’est là qu’intervient le champ électrique présent dans la cellule photovoltaïque.
Ce champ sépare les charges électriques et les oriente.
Lorsque le panneau est relié à un circuit extérieur, les électrons peuvent circuler dans ce circuit.
Ce déplacement produit alors un courant continu.
Un panneau solaire produit du courant continu
C’est une notion très importante.
Les panneaux photovoltaïques produisent du courant continu, généralement appelé courant DC.
Or les appareils électriques d’une habitation fonctionnent principalement avec du courant alternatif, appelé AC.
Il faut donc transformer l’électricité produite par les panneaux.
C’est le rôle de l’onduleur.
À quoi sert l’onduleur solaire ?
L’onduleur reçoit le courant continu produit par les panneaux photovoltaïques.
Il le transforme ensuite en courant alternatif compatible avec l’installation électrique du bâtiment.
C’est l’un des éléments centraux d’une installation solaire.
Sans onduleur, l’énergie produite par les panneaux ne peut pas être utilisée directement par la majorité des appareils d’une maison.
L’onduleur assure également plusieurs fonctions importantes :
conversion DC vers AC ;
contrôle de la tension ;
suivi du point de puissance maximale ;
surveillance de la production ;
sécurité ;
communication avec d’autres équipements.
Qu’est-ce que le MPPT ?
Le terme MPPT signifie Maximum Power Point Tracking.
On peut traduire cela par recherche du point de puissance maximale.
Un panneau photovoltaïque ne produit pas toujours exactement la même tension et le même courant.
Ces paramètres varient en fonction :
de l’ensoleillement ;
de la température ;
des ombrages ;
de la configuration électrique.
Le régulateur MPPT ou l’onduleur adapte en permanence son fonctionnement afin d’extraire le maximum de puissance disponible à un instant donné.
C’est donc une fonction particulièrement importante pour optimiser le rendement d’une installation.
Pourquoi la tension d’un panneau solaire varie-t-elle ?
Chaque panneau possède plusieurs caractéristiques électriques.
On trouve notamment :
tension à vide ;
tension au point de puissance maximale ;
courant de court-circuit ;
courant au point de puissance maximale ;
puissance nominale.
Ces valeurs sont généralement indiquées sur l’étiquette technique du panneau.
La tension et le courant peuvent varier avec la température et l’ensoleillement.
C’est pourquoi le dimensionnement d’une installation solaire doit être réalisé avec précision.
Comment plusieurs panneaux sont-ils raccordés ensemble ?
Dans une installation photovoltaïque, les panneaux peuvent être reliés de différentes manières.
Montage en série
Lorsque les panneaux sont branchés en série, leurs tensions s’additionnent.
Le courant reste globalement celui du panneau le plus faible de la chaîne.
Cette configuration est très utilisée pour créer des chaînes photovoltaïques appelées strings.
Montage en parallèle
Lorsque plusieurs branches sont raccordées en parallèle, les intensités s’additionnent.
La tension reste similaire.
Le choix de la configuration dépend de l’onduleur, du régulateur et de la puissance totale de l’installation.
Qu’est-ce qu’un string photovoltaïque ?
Un string est un ensemble de panneaux solaires raccordés en série.
Par exemple, plusieurs panneaux peuvent être associés pour obtenir une tension compatible avec l’entrée MPPT d’un onduleur.
La conception d’un string doit respecter plusieurs limites :
tension maximale ;
courant maximal ;
plage MPPT ;
caractéristiques du panneau ;
température minimale.
Un mauvais dimensionnement peut empêcher l’onduleur de fonctionner correctement ou entraîner un dépassement de ses limites électriques.
Pourquoi un panneau solaire produit-il moins lorsqu’il fait très chaud ?
C’est un point qui surprend souvent.
Les panneaux solaires aiment la lumière, mais ils n’aiment pas particulièrement la chaleur excessive.
Lorsque la température des cellules augmente, leur tension diminue.
Résultat : le rendement baisse légèrement.
Cela signifie qu’un panneau peut parfois produire davantage lors d’une journée très lumineuse mais relativement fraîche que lors d’une journée extrêmement chaude.
En Guadeloupe, la ventilation sous les panneaux et leur mode de pose ont donc une importance particulière.
Est-ce qu’un panneau solaire fonctionne quand il pleut ?
Oui.
Un panneau photovoltaïque peut continuer à produire de l’électricité lorsqu’il pleut.
Il a besoin de lumière, pas forcément d’un soleil parfaitement visible.
En revanche, la production est généralement plus faible lorsque la luminosité diminue.
Un ciel très couvert réduit donc la puissance disponible.
Cette variation doit être prise en compte lorsqu’on dimensionne une installation avec batteries ou un site isolé.
Est-ce qu’un panneau solaire fonctionne la nuit ?
Non.
La nuit, le panneau ne reçoit plus suffisamment de lumière pour produire de l’électricité utilisable.
C’est pourquoi une installation autonome utilise souvent des batteries.
Pendant la journée :
les panneaux produisent de l’électricité.
Une partie est consommée immédiatement.
Le surplus peut charger les batteries.
Pendant la nuit :
les panneaux ne produisent plus.
Les batteries fournissent alors l’énergie nécessaire.
Comment fonctionne une installation solaire avec batterie ?
Une installation avec stockage ajoute plusieurs éléments au système.
On retrouve généralement :
panneaux photovoltaïques ;
régulateur ou onduleur hybride ;
batteries ;
système de gestion de batterie ;
protections ;
onduleur ;
supervision.
Les panneaux produisent l’énergie.
Le régulateur contrôle la charge des batteries.
Les batteries stockent l’énergie.
L’onduleur fournit ensuite l’électricité nécessaire aux appareils.
À quoi sert le BMS d’une batterie lithium ?
Le BMS est le Battery Management System.
Il s’agit du système électronique qui surveille et protège la batterie.
Il contrôle notamment :
la tension des cellules ;
la température ;
la charge ;
la décharge ;
les courants ;
certaines anomalies.
Sur une installation moderne, le BMS peut également communiquer avec l’onduleur.
Cette communication permet d’optimiser l’utilisation de la batterie et d’améliorer sa sécurité.
Comment l’électricité solaire alimente-t-elle une maison ?
Prenons un exemple simple.
Vos panneaux produisent 4 000 W.
Votre maison consomme actuellement 1 500 W.
L’installation peut alors utiliser 1 500 W directement pour alimenter les appareils.
Les 2 500 W restants peuvent, selon la configuration :
charger une batterie ;
être injectés vers le réseau lorsque cela est autorisé ;
être limités par l’installation.
Si les panneaux ne produisent plus que 500 W alors que la maison consomme 1 500 W, la différence peut provenir :
des batteries ;
du réseau électrique ;
d’une autre source d’énergie.
Qu’est-ce que l’autoconsommation solaire ?
L’autoconsommation consiste à utiliser directement l’électricité produite par ses propres panneaux photovoltaïques.
Plus vous consommez l’énergie au moment où elle est produite, plus le taux d’autoconsommation peut être élevé.
Par exemple, il peut être intéressant de faire fonctionner en journée :
climatisation ;
machine à laver ;
lave-vaisselle ;
pompe de piscine ;
recharge d’un véhicule électrique.
Qu’est-ce que l’autonomie énergétique ?
L’autonomie représente la part de vos besoins électriques couverte par votre propre installation.
Une installation avec batteries peut augmenter considérablement l’autonomie.
Mais viser 100 % d’autonomie nécessite souvent une installation plus importante.
Il faut disposer de suffisamment :
de panneaux ;
de capacité de stockage ;
de puissance d’onduleur.
Le dimensionnement est donc essentiel.
Pourquoi les ombres sont-elles importantes ?
Une ombre sur un panneau peut réduire sa production.
Le problème peut même influencer plusieurs panneaux lorsque ceux-ci sont raccordés dans le même string.
C’est pourquoi une étude doit prendre en compte :
arbres ;
murs ;
poteaux ;
antennes ;
bâtiments voisins ;
relief.
La production solaire ne dépend donc pas uniquement du nombre de panneaux installés.
À quoi servent les diodes bypass ?
Les panneaux photovoltaïques sont généralement équipés de diodes bypass.
Ces composants permettent de limiter certaines pertes lorsqu’une partie du panneau est ombragée.
Ils permettent également d’éviter que certaines cellules subissent des contraintes excessives.
Les diodes bypass jouent donc un rôle important dans le fonctionnement d’un panneau solaire moderne.
Pourquoi faut-il des protections électriques ?
Une installation photovoltaïque doit être protégée comme toute installation électrique.
Selon sa configuration, elle peut comporter :
disjoncteurs ;
fusibles ;
sectionneurs ;
protections différentielles ;
protections contre les surtensions ;
mise à la terre ;
coffrets AC ;
coffrets DC.
Les tensions en courant continu peuvent être importantes.
La conception et les protections doivent donc être adaptées.
À quoi sert la mise à la terre ?
La mise à la terre participe à la sécurité de l’installation.
Les éléments métalliques concernés doivent être intégrés correctement au système de protection électrique.
La qualité de la terre du bâtiment doit également être prise en compte.
Une installation photovoltaïque performante doit aussi être une installation électriquement sûre.
Quelle est la puissance d’un panneau solaire ?
Les panneaux modernes destinés aux maisons affichent généralement une puissance de plusieurs centaines de watts-crête.
La puissance annoncée correspond à une mesure effectuée dans des conditions normalisées.
Dans la réalité, la puissance instantanée dépend :
de la luminosité ;
de la température ;
de l’orientation ;
de l’inclinaison ;
des ombrages ;
des pertes électriques.
C’est pourquoi une installation de 5 kWc ne produit pas continuellement 5 kW.
Que signifie kWc ?
kWc signifie kilowatt-crête.
C’est une unité utilisée pour exprimer la puissance maximale théorique d’une installation photovoltaïque dans des conditions de référence.
Par exemple :
10 panneaux de 500 Wc représentent :
5 000 Wc,
soit :
5 kWc.
Cette valeur permet de comparer les installations.
Quelle différence entre puissance et énergie ?
C’est une distinction fondamentale.
La puissance s’exprime en watts ou kilowatts.
L’énergie s’exprime en kilowattheures.
Un système produisant 3 kW pendant 2 heures génère théoriquement :
6 kWh.
La puissance décrit donc ce que le système produit à un instant donné.
L’énergie décrit la quantité totale produite pendant une période.
Pourquoi surveiller la production solaire ?
Les installations modernes permettent de suivre la production depuis une application ou une interface web.
On peut notamment surveiller :
puissance instantanée ;
production quotidienne ;
consommation ;
niveau des batteries ;
énergie provenant du réseau ;
historique.
Cette supervision permet aussi de détecter plus facilement une anomalie.
Pourquoi un panneau solaire peut-il produire moins avec le temps ?
La production peut diminuer pour plusieurs raisons :
salissure ;
ombrage nouveau ;
connecteur défectueux ;
problème de string ;
panne d’onduleur ;
défaut de régulateur ;
vieillissement ;
problème de batterie ;
mauvais paramétrage.
Une baisse de production inhabituelle mérite donc un diagnostic.
Quelle est la durée de vie d’un panneau solaire ?
Un panneau photovoltaïque est conçu pour fonctionner pendant plusieurs décennies.
Sa puissance peut diminuer progressivement au fil du temps.
La durée de vie réelle de l’installation dépend toutefois également de tous les autres composants :
onduleur ;
batteries ;
protections ;
câbles ;
connecteurs ;
système de fixation.
Une installation solaire doit donc être considérée comme un système complet.
En Guadeloupe, la fixation est aussi importante que l’électricité
Le fonctionnement électrique n’est qu’une partie du problème.
En Guadeloupe, une installation doit également tenir compte du climat tropical et du risque cyclonique.
Les panneaux doivent être correctement fixés à la structure.
Le système de rails, de fixations et la disposition des panneaux doivent être adaptés au bâtiment.
Une installation qui produit parfaitement mais qui n’est pas correctement fixée n’est pas une installation fiable.
Comment fonctionne finalement une installation photovoltaïque complète ?
On peut résumer le fonctionnement en plusieurs étapes.
Le soleil envoie des photons vers le panneau.
Les photons libèrent des électrons dans les cellules.
Le champ électrique de la cellule dirige ces électrons.
Le panneau produit du courant continu.
L’onduleur transforme ce courant en courant alternatif.
L’électricité est utilisée par le bâtiment.
Le surplus peut être stocké dans une batterie ou géré selon la configuration.
Le système de supervision contrôle l’ensemble.
Vous souhaitez passer de la théorie à une installation solaire réelle ?
Comprendre comment fonctionne un panneau solaire est relativement simple.
Concevoir une installation fiable demande en revanche de prendre en compte beaucoup plus de paramètres :
puissance des panneaux ;
consommation du bâtiment ;
orientation ;
ombrage ;
onduleur ;
batteries ;
protections électriques ;
câblage ;
mise à la terre ;
fixation ;
résistance aux conditions climatiques.
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