Électricité photovoltaïque, panneaux solaires… le jargon pour les nuls

Je me suis toujours intéressé au photovoltaïque, aux énergies renouvelables et aux panneaux solaires mais je n’avais jamais dépassé le stade de « C’est de l’énergie gratuite qui vient du soleil ».

Aujourd’hui, j’ai décidé d’aborder le sujet plus sérieusement. Je partage donc mes notes avec vous, en espérant qu’elles seront utile à quelqu’un ! Si vous avez des questions, n’hésitez pas à les poser en commentaire et j’essayerai d’y répondre.

L’électricité pour les nuls : les bases

Les unités utiles en électricité

• L’intensité I s’exprime en Ampère (A)
• La tension U s’exprime en Volt (V)
• La puissance P s’exprime en Watt (W)

On a toujours la relation P=U x I, c’est la définition même de ces unités.

L’intensité

L’intensité électrique est un déplacement d’électrons. L’intensité est la quantité d’électricité qui traverse le matériau conducteur par seconde, c’est un peu l’équivalent du débit d’écoulement d’un liquide dans un tuyau (là on pourrait avoir 1 litre par seconde, 1 ampère correspond à 6,24 x 10^18 électrons par seconde).

La tension

La tension entre deux points désigne la différence de potentiel électrique. On peut imaginer la différence entre deux altitudes : en haut d’un immeuble et au sol par exemple. C’est cette différence qui met en mouvement les électrons. Le courant circule lorsqu’il y a différence entre de potentiel, c’est à dire lorsqu’il y a de la tension.

La puissance

La puissance est le produit de l’intensité et de la tension. Elle est consommée par les appareils et produite par les générateurs.

Les ordres de grandeur de puissances :

• 1 W : petite lampe de poche
• 5W : chargeur de téléphone portable
• 50-100 W : ordinateur portable
• 1kW : appareil électroménager
• 1 MW : moteur de TGV
• 1 GW : centrale électrique

La consommation électrique s’exprime en watt.heures (W.h), ou plutôt en kW.h (mille W.h).

Utiliser un ordinateur portable qui consomme 60W pendant 8 heures par jour consomme 480 W.h, soit 0,48kWh.

On a différents types de consommation : des appareils qui consomme très peu mais reste branchés toute la journée (un radio-réveil), des appareils qui consomment beaucoup mais qui ont une utilisation ponctuelle (fer à repasser, pyrolyse du four électrique…). Au final, tout ceci est affaire de kW.h : les factures d’électricité sont calculées sur la base du nombre de kWh consommés.

Plusieurs unités coexistent, on peut aussi retenir que 1 Watt.heure = 3600 Joules. Ce n’est pas réellement utile en électricité « domestique », c’est plutôt une mesure scientifique, mais au cas où…

La résistance

On aura peut-être aussi besoin de la résistance R, qui s’exprime en Ohm.

On a : U = R x I

Le stockage de l’énergie dans les batteries (accumulateurs)

Le stockage de l’électricité est un sujet aussi important que la production. On trouve de plus en plus de générateurs solaires vendus sous forme de panneaux + batterie.

Les batteries fonctionnent en deux modes : accumulateur (la charge) ou générateur (la décharge). Dans les deux cas une batterie se caractérise par :

• sa tension, exprimée en volts
• sa capacité, exprimée en ampères.heure.

La tension est un critère de choix contraint : elle dépend des appareils qu’elle devra alimenter. On choisit surtout une batterie pour sa capacité. Une batterie de smartphone peut avoir une capacité de 5000mA.h par exemple. Cela signifie qu’elle peut délivrer 5000mA pendant une heure… ou 2500mA pendant 2 heures… ou 500mA pendant 10 heures, etc.

Mais distribuer des ampères est une chose, encore faut-il savoir à quelle intensité ! C’est pourquoi on doit s’intéresser à la puissance !

L’énergie contenue dans une batterie

L’énergie contenue dans une batterie est le produit de la tension par la capacité : si une batterie de 5 Volts a une capacité de 5 Ampères.heure, elle contient 25 watts.heure.

Elle pourra par exemple alimenter un appareil consommant 25 watts pendant une heure, ou 2,5 watts pendant 10 heures… en théorie !

Les cycles des batteries

Car les batteries ont un nombre de cycles de charge/recharge défini. On parle de durabilité. Lorsque ce nombre de cycle est atteint, elles ne peuvent plus se charger.

Pour éviter de « consommer » un cycle, une astuce consiste à essayer de ne consommer que 10 à 20 % de leur capacité. Avec on vise 20% sur notre batterie de 720 Wh, on ne doit consommer que 144 Wh… Pas idéal. Ou cela incite à acheter une batterie surdimensionnée par rapport à nos besoins.

Le poids des batteries

On quitte un peu le domaine purement électrique pour des aspects plus logistiques. Plus les batteries sont puissantes, plus elles sont lourdes. Lorsque le poids à une importance (aviation, camping-car…), on calcule l’énergie massique, aussi appelée densité énergétique. Notée D, c’est l’énergie par kilogramme de batterie, elle s’exprime donc en W.h/kg.

Le régulateur de charge

Pour charger et décharger la batterie sans nuire à sa durée de vie, la tension doit être constante.

Ce n’est pas évident avec une installation photovoltaïque car la charge est loin d’être constante : elle dépend des nuages et de la position du soleil. Même sur une journée sans nuage, la terre tourne et le soleil aussi.

Un régulateur vous permet par exemple de charger une batterie 12 V avec un panneau 24 V fonctionnant à 75%. Il est en quelque sorte le traducteur de différents voltages et différentes puissances.

Il existe deux types de régulateurs solaires.

Les régulateurs solaires PWM (Pulse Wide Management)

Ils possèdent un bon rendement et permettent d’optimiser la charge de la batterie. Ce sont les plus répandus et ceux qui présentent le meilleur rapport prix/performance.

Les régulateurs solaires MPPT (Maximum Power point Tracking)

Ces régulateurs plus récents exploitent au maximum l’énergie fournie par les panneaux solaires en faisant varier leurs tension en fonction de la luminosité. Grâce à cela, ils peuvent être jusqu’à 35% plus performants que les régulateurs PWM… mais cela se ressent au niveau du prix.

Le critère principal de choix d’un régulateur est celui de la puissance des panneaux solaires.

Les régulateur de charge ont une capacité (10, 20, 30 ampères) et peuvent basculer sur une tension de 12 V ou 24 V.

Le convertisseur de tension

Le convertisseur de tension transforme le courant continu stocké dans l’accumulateur en courant alternatif pour alimenter les appareils qui fonctionnent en courant alternatif, pour la plupart à 220 V.

L’onduleur : central ou micro-onduleur

L’onduleur transforme le courant continu produit par les panneaux en courant alternatif utilisable par les appareils, sans passer par une batterie. C’est utile si vous faites de l’auto-consommation : si vos panneaux alimentent un chauffe-eau par exemple. Il existe deux types d’onduleurs :

L’onduleur classique

C’est un boîtier de la taille (de la taille d’un carton d’archives de dossiers) qui se branche en série : on parle aussi d’onduleur de chaîne. Les modules solaires sont connectés bout à bout, en série, puis à l’onduleur. Le principal inconvénient de ce montage est que la production solaire dépend de l’ensemble de la chaîne : si un panneau ne fonctionne plus parce qu’il n’est pas éclairé ou parce qu’il dysfonctionne, c’est toute la production qui est affectée.

Le coût de ces installations est faible mais doit être réservé aux petites installations et aux endroits où il y a peu d’aléas climatiques.

Le micro-onduleur

Les micro-onduleurs se positionnent à proximité des panneaux : chacun gère un ou deux panneaux. Puisqu’ils fonctionnent de façon indépendante, la défaillance d’un panneau n’entraîne pas la perte de production de l’ensemble de l’installation. Cette solution est plus onéreuse, et recommandée pour les installations dont l’ensoleillement est hétérogène (présence d’arbres par exemple).

Attention toutefois : puisqu’il y a multitude d’onduleurs, il y a aussi davantage de maintenance à prévoir s’il y a des aléas climatiques ou des fortes chaleurs. Car les micro-onduleurs sont à l’extérieur, tandis qu’un onduleur classique est au sec à l’intérieur…

Les câbles

Ils se définissent en fonction de l’intensité qui les traverse (exprimée en ampères) : c’est la largeur de la route. Par exemple, sur un réseau 12 Volts, une ampoule qui consomme 48 watts sera traversée par une intensité de 4 (48/12) ampères.

Plus la section du câble est importante, moins il chauffe (pour des câbles de même nature bien sûr) : l’échauffement, lié à la résistance du câble, est une dépense d’énergie. Les câbles solaires sont spécifiquement faits pour relier panneaux et batterie.

Le dimensionnement d’une installation

Si vous cherchez à équiper votre péniche ou votre camping-car en panneaux solaires, vous allez devoir dimensionner votre installation. Et pour cela, il faudra connaître votre consommation. Mais attention : il ne faudra pas uniquement connaître la consommation totale de vos appareils. Vous devrez aussi déterminer l’intensité maximale, c’est elle qui déterminera si vous pouvez utiliser tous les appareils en même temps ou pas.

Le voltage (la tension) ne dépend pas de vos choix d’appareils mais du circuit sur lequel fonctionne l’appareil. Dans un camping car, il y a deux réseaux :

• Le réseau 12 V : basse tension
• Le circuit 220V, qui alimente le réseau 12 V et les appareils 220 V : haute tension

Panneaux solaires et photovoltaïques : le vocabulaire

Maintenant que les bases de l’électricité sont posées, intéressons-nous au photovoltaïque et aux panneaux solaires.

Si l’on souhaite un jour produire son électricité, le vocabulaire à connaître est le suivant :

• Irradiance solaire : c’est la quantité d’énergie solaire en un lieu donné. En été, autour de midi s’il n’y a aucun nuage, l’irradiance est maximale, autour de 1500 W/m². Elle peut tomber à 500, voire à 300 W/m² si le ciel est couvert.
• Watt-crête (Wc): C’est l’unité de mesure dans laquelle s’exprime la puissance maximale fournie par le panneau sous une irradiance de 1000 W/m2, dans de bonnes conditions d’orientation et de température. 1 kWc correspond à 1000 kWh/an
• Panneau / Cellule photovoltaïque: la cellule est le composant individuel du panneau.
• Rendement d’une cellule photovoltaïque: c’est l’efficacité de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Dans les conditions optimales, le rendement d’un panneau avoisinera 15 à 20%. Le reste part en chaleur.
• Monocristallin/polycristallin : ce sont deux types de panneaux. Les monocristallins ont un rendement légèrement meilleur que les polycristallins, mais aussi plus chers. Cela se traduit par une puissance supérieure, mais aussi par une surface à poser plus faible. En outre, ils peuvent être jugés plus esthétiques (totalement noirs). Le surcoût en vaut-il la peine ? Le débat divise.
• Panneau photovoltaïque ou panneau solaire ? Le panneau photovoltaïque produit de l’électricité. Le panneau solaire thermique conduit la chaleur pour chauffer le ballon d’un chauffe-eau solaire, et fournir de l’eau chaude sanitaire (douche, vaisselle…) et du chauffage. Les deux utilisent l’énergie solaire mais ce ne sont pas les mêmes panneaux !

Les ordres de grandeur des panneaux photovoltaïques utiles aux particuliers

NB : Toutes les grandeurs sont « environ ».

Panneaux photovoltaïques

• Ensoleillement : plus de 1500 kWh/m² sur la côte d’Azur, 1000kWh/m² en Normandie ou dans le Nord.
• Rendement moyen d’un panneau solaire : 15% à 20%
• Puissance installée : 3 à 9 kWc (kilowatt crête)
• Prix d’une installation (panneaux + installation) sur un toit de maison : 12 k€ pour 6Wc, 18 k€ pour 9 kWc
• Tarif de rachat par EDF : de 0,11 € / kWh à 0,25 €/kWh selon les cas (taille de l’installation…)
• Durée de vie garantie d’un panneau : 25 ans. Cette garantie assure que la production dans 25 ans sera au moins égale à 83% de sa production initiale.

Consommations électriques

• En France, une famille de 3 personnes chauffée à l’électricité consomme en moyenne 10 000 kWh / an
• Prix du kW.h chez EDF ou chez ses concurrents: 0,15€/kWh TTC

Estimer le temps de charge

Temps de charge = capacité de la batterie (en mAh) / Tension (V) / Puissance de la batterie (W)

Quelques produits photovoltaïques

Lampe de jardin, chargeur de téléphone, kit solaire pour d’un camping-car : vous pouvez maintenant tenter de déchiffrer les caractéristiques techniques qui autrefois vous semblaient obscures 🙂