Les panneaux solaires sont des technologies en constante évolution, qui visent à améliorer leur rendement, leur durabilité et leur esthétique. Ils représentent une solution d’avenir pour répondre aux enjeux énergétiques et écologiques du monde actuel. Ce sont des dispositifs qui permettent de profiter de l’énergie renouvelable du soleil pour produire de l’électricité ou de la chaleur. Ils ont de nombreux avantages, comme la réduction de la facture énergétique, la diminution de la dépendance aux énergies fossiles et la protection de l’environnement.
Vous avez différents types de panneaux solaires, selon le mode de conversion de l’énergie solaire : photovoltaïque, thermique ou hybride. Chaque type de panneau a ses propres caractéristiques, ses avantages et ses inconvénients. Le choix du type de panneau dépend des besoins et des contraintes de chaque situation. Profitez d’une explication détaillée sur le processus de conversion de l’énergie solaire !
Les panneaux solaires photovoltaïques
Les panneaux solaires photovoltaïques sont répandus sur le marché. Ils permettent de produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil, grâce à l’effet photovoltaïque. L’effet photovoltaïque est un phénomène qui se produit au niveau des cellules photovoltaïques, qui sont les éléments de base d’un panneau solaire.
Les cellules photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques sont composées de matériaux semi-conducteurs, du silicium en général. Le silicium est un élément chimique qui possède quatre électrons sur sa couche externe. Pour former un cristal, il partage ses électrons avec quatre autres atomes de silicium, créant ainsi des liaisons covalentes. Ces liaisons sont stables et ne permettent pas la circulation du courant électrique.
Pour rendre le silicium conducteur, on ajoute des impuretés, des atomes d’autres éléments qui vont modifier sa structure électronique. On parle de dopage à présent. Nous connaissons deux types de dopage : le dopage positif (ou P) et le dopage négatif (ou N). Le dopage positif consiste à introduire des atomes qui possèdent trois électrons sur leur couche externe, comme le bore. Ces atomes vont se lier avec quatre atomes de silicium.
Il va manquer un électron pour compléter la liaison. On dit qu’il y a une lacune, ou un trou, qui représente une charge positive. Le dopage négatif consiste à introduire des atomes qui possèdent cinq électrons sur leur couche externe, comme le phosphore. Ces atomes vont se lier avec quatre atomes de silicium et il va rester un électron libre qui ne participe pas à la liaison. On dit qu’il y a un électron en excès, qui représente une charge négative.
Une cellule photovoltaïque est constituée d’une fine couche de silicium dopé positivement (P). Elle est superposée à une couche plus épaisse de silicium dopé négativement (N). À la jonction entre les deux couches, il se crée un champ électrique qui sépare les charges positives et négatives.
La conversion de la lumière en électricité
Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule photovoltaïque, elle apporte de l’énergie aux atomes de silicium. Certains photons, les particules élémentaires de la lumière, ont de l’énergie pour arracher des électrons aux atomes. Ces électrons libérés vont être attirés par le champ électrique vers la couche N, tandis que les trous vont être attirés vers la couche P.On obtient ainsi un courant électrique continu qui circule entre les deux couches du silicium.
Ce courant est collecté par des contacts métalliques situés sur le dessus et le dessous de la cellule. Il est utilisé pour alimenter des appareils électriques ou pour être stocké dans des batteries. Pour augmenter la puissance électrique produite, on relie plusieurs cellules photovoltaïques entre elles, formant un module. Plusieurs modules sont assemblés pour former un panneau solaire photovoltaïque.
L’onduleur
Le courant électrique produit par les panneaux solaires photovoltaïques est un courant continu (DC), il a une tension et une intensité constantes. Le réseau électrique auquel nous sommes raccordés est un courant alternatif (AC). On dit qu’il a une tension et une intensité qui varient de façon périodique. Pour pouvoir injecter l’électricité solaire dans le réseau ou la consommer de manière directe, on la convertit en courant alternatif.
C’est le rôle de l’onduleur, un appareil qui transforme le courant continu en courant alternatif compatible avec le réseau. L’onduleur est installé à proximité des panneaux solaires, dans un endroit sec et ventilé. Il peut être centralisé et traite tout le courant produit par les panneaux. Il peut être décentralisé, il y a un petit onduleur pour chaque module ou chaque panneau.
Les panneaux solaires thermiques
Les panneaux solaires thermiques produisent de la chaleur à partir de l’énergie solaire. Ils sont utilisés pour le chauffage de l’eau sanitaire ou le chauffage des locaux.
Le capteur solaire thermique
Le capteur solaire thermique est l’élément principal d’un panneau solaire thermique. Il est composé d’une plaque métallique noir, appelée absorbeur, qui capte la chaleur du soleil. L’absorbeur est recouvert d’un vitrage transparent, qui laisse passer la lumière, mais empêche la chaleur de s’échapper. Le tout est enfermé dans un cadre isolant, qui protège le capteur des intempéries.
À l’arrière de l’absorbeur, il y a un réseau de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur. Ce fluide peut être de l’eau, de l’air ou un mélange d’eau et d’antigel. Il va transporter la chaleur captée par l’absorbeur vers un réservoir ou un échangeur de chaleur.
Le circuit hydraulique
Le circuit hydraulique est le système qui permet de transférer la chaleur du capteur solaire vers le point d’utilisation. Il est composé de tuyaux, de pompes, de vannes et de régulateurs. Le fluide caloporteur circule dans le circuit hydraulique grâce à une pompe qui le fait avancer. Il passe par le capteur solaire, où il se réchauffe, puis par un échangeur de chaleur, où il cède sa chaleur à un autre fluide. Ce fluide peut être de l’eau sanitaire ou de l’eau de chauffage.
L’échangeur de chaleur est intégré ou séparé au réservoir d’eau chaude. Dans le second cas, nous avons besoin d’un deuxième circuit hydraulique pour transporter l’eau chaude vers le réservoir ou les radiateurs. Le circuit hydraulique est équipé d’un régulateur qui contrôle la température du fluide caloporteur et la vitesse de la pompe. Il permet d’optimiser le rendement du système et d’éviter les surchauffes ou les gelées.
Les panneaux solaires hybrides
Les panneaux solaires hybrides permettent de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur à partir de l’énergie solaire. Ils combinent les avantages des panneaux photovoltaïques et des panneaux thermiques, tout en occupant moins d’espace. Vous pouvez trouver deux types de panneaux solaires hybrides : les panneaux hybrides hydrauliques et les panneaux hybrides aérovoltaïques.
Les panneaux hybrides hydrauliques
Les panneaux hybrides hydrauliques sont des panneaux photovoltaïques auxquels on ajoute un système de refroidissement par eau. L’eau circule dans des tubes situés à l’arrière des cellules photovoltaïques et absorbe la chaleur dégagée par celles-ci. Ce système permet d’améliorer le rendement électrique des cellules photovoltaïques, car elles fonctionnent mieux lorsqu’elles sont à basse température.
Il permet de récupérer la chaleur pour produire de l’eau chaude sanitaire ou du chauffage. Les panneaux hybrides hydrauliques nécessitent un circuit hydraulique similaire à celui des panneaux thermiques.
Les panneaux hybrides aérovoltaïques
Les panneaux hybrides aérovoltaïques sont des panneaux photovoltaïques auxquels on ajoute un système de ventilation qui récupère l’air chaud situé à l’arrière des cellules. Cet air chaud est utilisé pour chauffer le logement ou pour le rafraîchir en été. L’air ambiant est aspiré par une bouche d’entrée située sur le toit ou sur la façade. Il passe sous les panneaux photovoltaïques, où il se réchauffe grâce à la chaleur dégagée par les cellules.
Il est alors dirigé vers un échangeur thermique, qui transfère la chaleur à un réseau de gaines distribuant l’air chaud dans les pièces du logement. L’air chaud est stocké dans un ballon thermique, qui permet de restituer la chaleur en cas de besoin. En été, le système fonctionne en mode inversé, en évacuant l’air chaud vers l’extérieur pour rafraîchir le logement. Les panneaux hybrides aérovoltaïques présentent plusieurs avantages :
- Amélioration du rendement électrique des panneaux photovoltaïques, en évitant la surchauffe des cellules ;
- Production de la chaleur gratuite, qui peut être utilisée pour le chauffage ou le rafraîchissement du logement ;
- Renouvellement de l’air intérieur, en assurant une ventilation mécanique contrôlée (VMC) ;
- Moins de consommation d’énergie et moins d’émission de gaz à effet de serre.
Les panneaux hybrides aérovoltaïques nécessitent un système de ventilation adapté, avec une centrale de traitement d’air, des gaines, des bouches et des filtres. Ils sont plus chers que les panneaux photovoltaïques classiques, mais ils peuvent bénéficier de certaines aides financières. Le tableau suivant compare les différents types de panneaux solaires :
| Type de panneau | Production électrique | Production thermique | Rendement | Prix |
| Photovoltaïque | oui | non | 15 à 20 % | 200 à 300 €/m² |
| Thermique | non | oui | 50 à 80 % | 400 à 600 €/m² |
| Hybride hydraulique | oui | oui | 30 à 40 % | 500 à 800 €/m² |
| Hybride aérovoltaïque | oui | oui | 40 à 60 % | 600 à 1000 €/m² |