Un module solaire photovoltaïque (ou panneau solaire photovoltaïque) est un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques * reliées entre elles électriquement, qui sert de module de base pour les installations photovoltaïque et notamment les Centrales solaires photovoltaïques *.
Caractéristiques
Les panneaux sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides minces (quelques centimètres d'épaisseur), dont la longueur et la largeur sont de l'ordre du mètre, pour une surface de l'ordre du m², et une masse de l'ordre de la dizaine de kg. Divers éléments (branchements électrique, fixations, éventuellement cadre pour assurer une étanchéité) sont inclus.
Il existe également des modules sous forme de membranes souples et résistantes, ainsi que des panneaux à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l'élément le plus cher du panneau (la cellule photovoltaïque).
Leur rendement est un peu moindre que celui des cellules qui les constituent, du fait des pertes électrique internes et des surfaces non couvertes, mais reste d'environ 10 à 15%. La puissance "crête" d'un panneau photovoltaïque est de l'ordre de 100 à 200 watts par mètre carré, ce qui donne une puissance crète de 130 à 250 W par panneau, selon sa taille et ses autres caractéristiques. Cette puissance est livrée sous forme de courant continu, ce qui est parfait pour un branchement sur une batterie et pour de nombreuses applications, mais implique une transformation en courant alternatif par un onduleur * s'il s'agit de l'injecter dans un réseau de distribution. La tension dépend du type des panneaux et du branchement des cellules, elle est de l'ordre de 10 à 100 volts.
Outre sa puissance et sa surface, un panneau a trois caractéristiques importantes
l'écart à la puissance nominale, de l'ordre de +/- 5%
la variation de puissance avec la température (le rendement baisse quand les cellules chauffent)
la stabilité dans le temps des performances (les fabricants garantissent généralement au moins 80% de la puissance de départ au bout de 20 à 25 ans)
Enfin le prix : comptez environ 5 ¤/Wc (ce prix baisse régulièrement, la cible étant de 1$/W, prix où l'energie photovoltaïque devient compétitive avec les ressources fossiles)
L'énergie réellement captée par un module dépend, de la surface et de la puissance nominale du panneau mais aussi de l'ensoleillement, variable selon la latitude, la saison, l'heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc. En Europe, chaque W permet la production d'environ 1kWh d'énergie sur l'année, le double dans des zones bien ensoleillées et avec un héliostat *.
Un module photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son coût de démantèlement est très faible et ses coûts d'exploitation sont quasi nuls. Etanche, il peut servir de couverture à un toit, sous réserve de bien maitriser l'écoulement d'eau aux bords avec un montage adapté. La durée de vie d'un tel module est supérieure à 20 ans.
Technologie
Ce sont les cellules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisée, les autres types étant encore soit en phase de recherche/développement, soit trop chère et réservées à des usages où leur prix n'est pas un obstacle. On distingue en outre, en fonction des technologies utilisées :
silicium monocristallin * : les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
silicium polycristallin *: Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
silicium amorphe * : les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale.
La technologie évolue rapidement, le prix du kWc (kilo-watt crête) étant beaucoup plus important que le rendement du panneau : un rendement deux fois plus faible signifie seulement qu'il faudra équiper deux fois plus de surface pour collecter la même énergie, ce qui n'est génant que si la surface disponible est limitée par rapport à la puissance nécessaire (sur un satellite, par exemple...). Par conséquent, si une nouvelle technologie permettait de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché, elle aurait de bonnes chances de s'imposer. Le rendement reste néanmoins une composante du prix, ne serait-ce que pour les frais de manutention et d'installation, d'autant plus faible que le module est petit et léger.
Applications
horodateur alimenté par un panneau solaire photovoltaïqueLes modules solaires photovoltaïques se sont d'abord développés dans des applications très variées non connectées au réseau électrique, soit parce qu'il n'y a aucun réseau disponible (satellites, mer, montagne, désert..), soit parce que le raccordement reviendrait trop cher par rapport à la puissance nécessaire (balises, horodateur, abris-bus, ...) ; dans ce cas, on utilise des appareils électriques adaptés au courant continu livrés par les modules.
Pour alimenter en électricité une habitation ou un réseau public de distribution, on intercale un onduleur qui transforme le courant continu en courant alternatif adapté aux appareils classiques. Plusieurs modules sont intégrés dans une centrale solaire photovoltaïque qui peut être soit un système photovoltaïque autonome soit un système photovoltaïque raccordé au réseau. Ce type d'application n'est rendue possible que par des subventions massives existant dans certains états, car l'énergie ainsi produite reste encore environ 10 fois plus chère que l'électricité nucléaire ou à partir d'hydrocarbures fossiles : la source solaire est certes gratuite, mais l'investissement requis est très élevé.
Économie
Les cinq plus grandes firmes fabriquant des cellules photovoltaïques se partagent 60 % du marché mondial. Il s'agit des sociétés japonaises Sharp et Kyocera *, des entreprises américaines BP Solar * et Astropower *, et de l'allemande RWE Schott Solar *. Le Japon produit près de la moitié des cellules photovoltaïques du monde, mais c'est en Chine que la grande majorité des panneaux sont assemblés.
Le Japon est lui-même le plus grand consommateur de panneaux solaires
Prix du kWh
L'énergie électrique la plus chère est celle des piles, et l'électricité photovoltaïque est la moins chère : c'est la raison pour laquelle les modules sont si répandus dans les calculettes, montres, gadgets, etc.
En revanche, le gros de la production électrique est assuré par des centrales thermiques classiques (à charbon, à fioul, à gaz, ou nucléaire), qui restent largement moins chères (le minimum, atteint par le gaz et le nucléaire, étant proche de 0,03 ¤ par kWh, hors taxes, à la production) .
Le prix du kWh produit par un équipement solaire, actualisé sur la durée de vie de l'équipement, peut s'estimer à partir de trois paramètres :
le prix d'achat de l'équipement, en euro par W de puissance crête *(Wc)
la productivité (en kWh produit par Wc par an), en fonction de l'insolation du lieu ;
la dépréciation annuelle du capital. Pour ce paramètre, on utilisera 10% (correspondant, par exemple, à des frais de fonctionnement et maintenance de 1%, une actualisation financière de 4%, et un amortissement du matériel sur 20 ans soit 5%).
On obtient alors une formule assez simple, puisque le prix du kWh est proportionnel au prix d'achat et inversement proportionnelle à la productivité, avec un prix de base de 0,1 ¤ par kWh pour une installation qui aurait couté 1 ¤ par Wc produisant 1 kWh par an et par Wc.
Ainsi, en Belgique où on peut tabler sur une installation à 6 ¤ par Wc (installation domestique) et une productivité de 0,9 kWh par Wc, le kWh photovoltaïque revient à 0,1 x 6 / 0,9 = 0,67 ¤. En Italie ou en Espagne, pour le même prix, mais grâce à une productivité double (1,8), le prix est moitié moindre, mais encore fort cher (0,33 ¤). Enfin, la même installation dans le désert d'Atacama produirait un kWh à 0,25 ¤.
Productivité électrique annuelle (approximative) en kWh/Wc/an :
Sud de l'Allemagne: ~0,9 à 1,1
Italie, Espagne : ~1,8
Îles Canaries: ~2,0
Île d'Hawaii: ~2,1
Déserts (Sahara, Moyen-Orient, Australie...) : ~2,3
Maximum pratique terrestre : ~2,4 (Désert d'Atacama *, particulièrement sec et proche de l'équateur)
Prix des équipements (hors taxes) :
Modules polycristallins (fabrication): ~2.000 $ / kWc
Modules polycristallins (du grossiste au détaillant): de 3.490 $ à 5.100 $ / kWc (8 m²/kWc)
Installation: de 600 $ à 2.000 $ / kWc (en autoconstruction de 100 $ à 400 $/ kWc)
Onduleur pour injection réseau : ~400 $/kWc
La cible de 1 $ par Wc (au niveau des cellules) correspond à un prix de 0,1 $ par kWh, qu'il faut rapporter au prix actuel du kWh à la consommation par les sources classiques (nucléaire, charbon, gaz) : environ 0,15 $ en France (un des moins cher, voire le moins cher du monde), 0,25 $ au Japon, etc. Le prix cible est donc celui qui rend la solaire photovoltaïque compétitif et même susceptible de rendre inutile les sources fossiles et nucléaires, voire les réseaux de distribution classique, sous réserve de disposer des surfaces nécessaires pour le déployer.
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