Un panneau solaire transforme la lumière en électricité sans aucune pièce mobile. Les rayons du soleil frappent une fine tranche de semi-conducteur, arrachent des électrons, et ces électrons sont poussés le long de fils sous forme de courant électrique. Le reste d'une installation solaire, de l'onduleur à la batterie, sert à convertir ce courant brut en une électricité que votre logement peut utiliser.
Ce guide s'adresse à toute personne curieuse de savoir comment fonctionne l'énergie solaire, ou qui envisage de s'équiper pour une maison, une école ou une petite entreprise. Vous y découvrirez les bases scientifiques, le rôle de chaque élément d'une installation, les différences entre systèmes raccordés au réseau, autonomes et avec batterie, ce qui fait varier la production, et comment estimer celle-ci avec un calcul simple.
L'effet photovoltaïque
Le terme « photovoltaïque » (PV) associe les mots « lumière » et « tension électrique ». D'après le Département américain de l'Énergie, une cellule solaire contient un semi-conducteur qui absorbe la lumière du soleil et transmet cette énergie à des électrons, lesquels circulent alors sous forme de courant électrique. Des contacts métalliques, ces fines lignes en forme de grille visibles sur une cellule, collectent le courant. Tous les matériaux n'en sont pas capables, et cette faculté de convertir la lumière en électricité s'appelle l'effet photovoltaïque.
Le silicium est le matériau le plus courant pour les cellules solaires. On le retrouve dans la grande majorité des panneaux vendus dans le monde. Le Département de l'Énergie indique que le silicium monocristallin représentait 96 % des livraisons mondiales de panneaux solaires en 2022, le reste étant surtout du tellurure de cadmium, un matériau en couches minces. Les cellules en silicium offrent un bon rendement, un faible coût et une longue durée de vie.
À l'intérieur d'une cellule en silicium, deux couches sont traitées différemment : l'une dispose d'électrons en surplus, l'autre de places libres pour les accueillir. À la jonction entre les deux, un champ électrique intégré pousse les électrons libérés dans une seule direction. C'est cette poussée à sens unique qui transforme des électrons libérés en un courant régulier plutôt qu'en un mouvement désordonné.
De la cellule à l'installation
Une cellule seule ne produit qu'un peu d'électricité. Les fabricants relient donc de nombreuses cellules pour former un module, c'est-à-dire le panneau que vous voyez sur un toit. Plusieurs modules câblés ensemble constituent un champ photovoltaïque. Une installation domestique complète comprend les éléments principaux suivants :
- Les panneaux (le champ). Ils produisent de l'électricité en courant continu lorsqu'ils reçoivent la lumière.
- La fixation et le câblage. Des structures maintiennent les panneaux selon le bon angle, et des câbles acheminent le courant, avec des interrupteurs de sécurité et des fusibles.
- L'onduleur. Il transforme le courant continu en courant alternatif.
- Le compteur électrique et le tableau de distribution. Ils relient l'installation au réseau électrique de votre logement et, le plus souvent, au réseau public.
- La batterie (facultative). Elle stocke de l'énergie pour plus tard.
Le rôle de l'onduleur
Les panneaux produisent du courant continu, qui circule toujours dans le même sens. Les logements et le réseau fonctionnent en courant alternatif, dont le sens s'inverse de nombreuses fois par seconde. L'onduleur fait le lien entre les deux. Le Département de l'Énergie explique qu'il commute très rapidement le courant continu d'entrée dans un sens puis dans l'autre, puis donne à la sortie la forme d'une onde régulière et propre que le réseau peut accepter.
De nombreux onduleurs domestiques surveillent aussi le réseau. Ils restent connectés lors de petites perturbations et se déconnectent si un problème dure ou s'il est inhabituellement important. Certaines installations utilisent un seul gros onduleur pour tout le champ. D'autres placent un petit micro-onduleur sur chaque panneau, ce qui peut aider lorsque certains panneaux sont à l'ombre.
Raccordé au réseau, autonome, avec batterie : les différents systèmes
| Type de système | Fonctionnement | Atouts | Limites |
|---|---|---|---|
| Raccordé au réseau (sans batterie) | Relié au réseau public. Le solaire alimente d'abord votre logement, et le réseau comble le manque éventuel | Coût le plus bas, simplicité, aucun stockage à entretenir | S'arrête normalement lors d'une coupure du réseau, par sécurité ; aucune production la nuit |
| Raccordé au réseau avec batterie | Stocke l'excédent d'énergie solaire pour la soirée ou les coupures | Meilleure valorisation de votre propre production ; secours possible si le système est conçu pour cela | Coût plus élevé ; durée de vie limitée de la batterie |
| Autonome (hors réseau) | Non relié au réseau ; panneaux, batterie et onduleur alimentent tout | Fonctionne là où il n'existe pas de réseau | Exige une grande batterie et un dimensionnement soigné ; souvent un groupe électrogène de secours |
La possibilité de revendre l'électricité excédentaire au réseau, et à quel prix, varie selon les pays et même selon les fournisseurs. Les règles de raccordement, de comptage et de rémunération de l'énergie injectée changent souvent : renseignez-vous auprès de votre gestionnaire de réseau local ou du régulateur de l'énergie avant d'acheter.
Le Département de l'Énergie précise que les systèmes associant solaire et batterie stockent l'énergie pour un usage ultérieur, l'onduleur gérant les échanges entre l'installation solaire et la batterie. Des onduleurs avancés peuvent permettre à ces systèmes de fonctionner sans le soutien du réseau lors d'une panne, à condition d'être conçus pour cela. Demandez à tout installateur si le système qu'on vous propose peut réellement fournir une alimentation de secours, car beaucoup ne le font pas par défaut.
Ce qui fait varier la production
La puissance indiquée sur un panneau est mesurée en laboratoire. Les toits réels sont différents. Voici les facteurs qui comptent le plus :
- L'ensoleillement disponible. Les régions proches de l'équateur et moins nuageuses reçoivent davantage d'énergie sur l'année. Les saisons comptent aussi : l'hiver est beaucoup moins productif aux latitudes élevées.
- L'orientation. Les panneaux sont généralement tournés vers l'équateur : plein sud dans l'hémisphère nord et plein nord dans l'hémisphère sud. Près de l'équateur, une pose à plat ou en configuration est-ouest peut aussi bien fonctionner.
- L'inclinaison. Une inclinaison proche de votre latitude est un point de départ courant, même si, en pratique, c'est souvent l'angle du toit qui décide.
- L'ombre. Même une ombre partielle portée par un arbre, une cheminée ou un bâtiment voisin peut réduire la production davantage que sa taille ne le laisse penser, surtout lorsque les panneaux sont câblés en série.
- La température. Les panneaux perdent un peu de rendement en chauffant. Une journée ensoleillée, fraîche et venteuse peut être meilleure qu'une journée très chaude et sans vent.
- La saleté et la poussière. Poussière, pollen, fientes d'oiseaux et neige diminuent la production. La pluie en élimine une partie, et dans les régions poussiéreuses un nettoyage occasionnel est utile.
- Les pertes du système. Le câblage, l'onduleur et les différences entre panneaux gaspillent chacun un peu d'énergie.
- Le rendement des panneaux. C'est la part de la lumière du soleil qu'un panneau convertit en électricité. Le Département de l'Énergie situe les modules commerciaux en silicium courants autour de 20 % à 22 %. Un panneau plus performant produit davantage par mètre carré, ce qui compte lorsque la surface de toit est limitée.
- L'âge. Les panneaux perdent lentement en production. Le Département de l'Énergie indique que les modules en silicium sont censés durer 25 ans ou plus en produisant encore plus de 80 % de leur puissance d'origine.
Un exemple chiffré : estimer la production quotidienne
Les chiffres ci-dessous sont hypothétiques. La production réelle varie selon le site et la saison.
Supposons une installation d'une puissance nominale de 4 kilowatts (kW), notée kWc pour « kilowatt-crête ». Supposons que votre région reçoive en moyenne l'équivalent de 4 heures d'ensoleillement à pleine puissance par jour, ce que l'on appelle souvent les heures d'ensoleillement maximal. Retenons des pertes de 20 % pour l'ensemble du système : celui-ci fournit donc 80 % du chiffre idéal.
- Énergie quotidienne idéale : 4 kW multipliés par 4 heures donnent 16 kilowattheures (kWh).
- Déduction des pertes : 16 multiplié par 0,8 donne 12,8 kWh par jour.
- Estimation annuelle : 12,8 multiplié par 365 donne environ 4 670 kWh par an.
Comparez ce résultat à votre propre consommation d'électricité. Si votre foyer consomme 3 500 kWh par an, l'installation pourrait couvrir votre total annuel sur le papier, mais pas aux bons moments : une grande partie de l'énergie arrive à midi, alors que beaucoup de foyers consomment davantage le soir. Ce décalage est la principale raison pour laquelle on envisage une batterie ou le déplacement de certains appareils vers la journée. Pour replacer cela dans l'ensemble de votre consommation d'énergie, consultez notre guide sur l'empreinte carbone de votre foyer.
La production solaire dépend aussi des nuages et de la météo, ce qui explique en partie pourquoi des prévisions fiables comptent pour les gestionnaires de réseau. Notre article sur la façon dont sont faites les prévisions météo en présente les bases.
Choisir et vérifier une installation
Avant de signer un contrat, demandez :
- Une estimation écrite de la production annuelle, avec les hypothèses sur lesquelles elle repose
- Les marques, la durée des garanties et qui s'occupe des demandes de garantie
- Si l'installation peut fournir une alimentation de secours en cas de coupure
- Le type d'onduleur et sa durée de vie prévue, car les onduleurs doivent souvent être remplacés avant les panneaux
- La preuve des qualifications d'installateur exigées dans votre pays
- Tous les coûts, y compris les autorisations, le raccordement au réseau et l'entretien éventuel
Demandez plusieurs devis et comparez la production estimée par unité de puissance installée, en plus du prix.
Erreurs fréquentes
- Choisir uniquement selon la puissance des panneaux. L'orientation du toit, l'ombre et les pertes peuvent compter davantage.
- Négliger l'ombre. Vérifiez la présence d'arbres, de cheminées et de futures constructions.
- Attendre une alimentation de secours complète d'une installation simple raccordée au réseau. La plupart s'arrêtent lors d'une coupure, sauf conception différente.
- Surdimensionner pour revendre. Si l'électricité injectée est peu rémunérée chez vous, dimensionnez l'installation selon votre propre consommation.
- Ignorer les règles locales. Autorisations, raccordement et dispositifs de rémunération varient selon les régions.
- Oublier l'entretien. Surveillez la production pour repérer un onduleur en panne ou des panneaux encrassés.
Questions fréquentes
Les panneaux solaires fonctionnent-ils par temps nuageux ?
Oui, mais avec une production nettement plus faible. Les panneaux captent encore la lumière diffuse, même si un ciel très couvert peut réduire sensiblement la production par rapport à une journée dégagée.
Combien de temps durent les panneaux solaires ?
On estime que de nombreux panneaux en silicium durent 25 ans ou plus en produisant encore plus de 80 % de leur puissance d'origine. Les onduleurs ont généralement une durée de vie plus courte : prévoyez donc leur remplacement au cours de la vie de l'installation.
Les panneaux fonctionnent-ils dans les climats froids ?
Oui. Le froid ne leur nuit pas, et les panneaux sont souvent un peu plus efficaces lorsqu'ils sont frais. Les facteurs limitants sont la durée du jour en hiver et la neige qui les recouvre.
Les panneaux solaires sont-ils recyclables ?
De nombreux composants, comme le verre, les cadres en aluminium et certains métaux, peuvent être recyclés, mais les filières et les règles de recyclage varient selon les pays. Renseignez-vous auprès de l'installateur ou du fabricant sur la reprise ou le recyclage.
Prochaines étapes
- Relevez votre consommation annuelle d'électricité sur vos factures et notez à quels moments de la journée vous consommez le plus.
- Examinez votre toit ou votre terrain : orientation, inclinaison, ombre. Trouvez aussi le nombre d'heures d'ensoleillement maximal habituelles de votre région sur une carte solaire nationale ou régionale.
- Demandez plusieurs devis écrits et comparez la production annuelle estimée, les garanties et la capacité de secours.
- Renseignez-vous auprès de votre gestionnaire de réseau local ou du régulateur sur les règles de raccordement et de revente de l'électricité excédentaire.
