Comprendre la chaîne énergétique d'un panneau solaire

L’énergie solaire est l’une des options les plus prometteuses pour soutenir la transition énergétique, notamment grâce à sa disponibilité et son faible impact environnemental. Selon les données du Ministère de la Transition énergétique (publication StatInfo), au 30 juin 2024, la puissance installée du parc photovoltaïque en France a atteint 22,2 GW. Au cours du premier semestre 2024, 2,1 GW supplémentaires ont été raccordés, contre 1,4 GW sur la même période en 2023. La production d’électricité solaire s’est élevée à 12,1 TWh sur les six premiers mois de 2024, marquant une hausse de 8 % par rapport à 2023. Ce montant représente 5 % de la production électrique française sur cette période.

Le fonctionnement des panneaux solaires, de la capture de la lumière du soleil à la distribution de l'électricité produite, est un élément clé de cette transition énergétique. Découvrons comment la chaîne énergétique solaire convertit l’énergie solaire en électricité.

Qu'est-ce qu'une chaîne énergétique ?

La chaîne énergétique d’un dispositif correspond à l’ensemble des étapes de conversion d’énergie qui se déroulent au sein de ce système. Ce concept englobe plusieurs types de transformations énergétiques, comme la conversion de l’énergie thermique (par exemple, un feu de bois) ou la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique. Par extension, ce terme désigne également le diagramme sur lequel on présente la chaîne de conversion de l’énergie.

Les systèmes de panneaux photovoltaïques suivent plusieurs étapes clés :

1. Les panneaux solaires captent l’énergie lumineuse du soleil.
2. Cette énergie est transformée en électricité grâce aux cellules photovoltaïques.
3. L’électricité produite est ensuite transportée via des lignes électriques.
4. Enfin, elle peut être utilisée pour alimenter des appareils domestiques ou industriels, ou être stockée pour un usage ultérieur.

En physique-chimie, on étudie également d’autres chaînes de conversion énergétique, impliquant des processus chimiques, physiques, mécaniques ou hybrides, comme le fonctionnement des panneaux solaires ou des moteurs thermiques. Il est important de différencier les panneaux photovoltaïques des panneaux thermiques, qui convertissent la chaleur solaire en énergie thermique.

Les étapes de la chaîne énergétique d'un panneau solaire

Capture de l'énergie solaire

Les modules photovoltaïques, souvent appelés panneaux solaires, sont principalement composés de cellules en silicium reliées entre elles et protégées par une plaque de verre. Leur rendement, c’est-à-dire leur capacité à convertir l’énergie lumineuse en électricité, atteint environ 20 %. Ce sont ces modules qui transforment la lumière du soleil en courant continu.

Lorsqu’un rayon solaire frappe les cellules, il excite les électrons du silicium, provoquant un déplacement de ces derniers et générant ainsi un flux électrique. Ce processus est appelé l'effet photovoltaïque.

Conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique

Les cellules photovoltaïques sont assemblées en modules pour constituer un panneau solaire. Chaque cellule génère une petite quantité d'électricité sous forme de courant continu. La puissance électrique produite est proportionnelle à la luminosité reçue et dépend du rendement de chaque cellule.

Pour accroître la tension et la puissance globale, plusieurs cellules sont reliées entre elles en série et en parallèle.

Transformation du courant continu en courant alternatif

L’électricité produite par les cellules photovoltaïques des panneaux est sous forme de courant continu. Cependant, la plupart des appareils électriques fonctionnent avec du courant alternatif.

Pour que cette électricité soit utilisable, des convertisseurs de courant continu en courant alternatif sont nécessaires. C’est précisément le rôle de l’onduleur.

Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance qui convertit l'énergie électrique continue en tensions et courants alternatifs. Il est généralement installé dans un local technique proche de la centrale solaire ou peut être intégré sous forme de micro-onduleur directement sur le panneau solaire.

Distribution de l'électricité

Une fois convertie en courant alternatif, l'électricité peut être utilisée directement pour alimenter des appareils électriques ou être injectée dans le réseau électrique. Dans le cas d'une installation autoconsommation, l'énergie produite peut soit être consommée instantanément, soit être stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure. 

Les surplus d'énergie peuvent également être revendus au réseau, permettant ainsi une optimisation du rendement et de la consommation d’énergie.

Les composants clés dans la chaîne énergétique d'un panneau solaire

Rayonnement solaire (énergie primaire)

La chaîne énergétique commence par le rayonnement solaire, qui constitue la source d'énergie primaire. Ce rayonnement est émis par le soleil sous forme de photons. Les panneaux solaires captent cette énergie lumineuse, qui est ensuite transformée en électricité. Sans cette étape initiale, il n’y a pas d’énergie à exploiter.

Les cellules photovoltaïques

Lorsque les photons du rayonnement solaire frappent la surface des cellules, ils transfèrent leur énergie aux électrons du silicium. Ce phénomène, appelé effet photovoltaïque, provoque le déplacement des électrons, créant ainsi un courant électrique continu (DC). Cette étape est cruciale car elle transforme l'énergie solaire en une forme d'énergie utilisable par des systèmes électriques.

L'onduleur (conversion DC / AC)

L'électricité produite par les cellules photovoltaïques est sous forme de courant continu (DC), mais la majorité des appareils électriques ainsi que le réseau électrique fonctionnent avec du courant alternatif (AC). C’est ici que l’onduleur entre en jeu. Cet appareil convertit le courant continu généré par le panneau solaire en courant alternatif, afin que l’énergie puisse être utilisée efficacement à l’échelle domestique ou être réinjectée dans le réseau électrique. Cette conversion est essentielle pour adapter l’électricité solaire aux besoins des consommateurs.

Les batteries (stockage d'énergie, optionnel)

Dans certaines installations, notamment celles qui ne sont pas connectées au réseau électrique, des batteries sont intégrées pour stocker l'excédent d'énergie produit. Cette option est particulièrement utile pour assurer une alimentation électrique continue lorsque le rayonnement solaire est insuffisant, comme pendant la nuit ou par mauvais temps. Les batteries stockent l’électricité sous forme de courant continu (DC), et l’énergie peut être restituée en fonction des besoins. Elles permettent ainsi de maximiser l’autonomie énergétique d’un système solaire.

Les avantages de la chaîne énergétique des panneaux solaires

Énergie renouvelable et propre

L'un des avantages les plus significatifs de la chaîne énergétique des panneaux solaires est qu'elle repose sur une source d'énergie inépuisable et renouvelable : le soleil. Contrairement aux énergies fossiles, l’énergie solaire ne produit ni émissions de gaz à effet de serre, ni pollution de l'air ou de l'eau, contribuant ainsi à la lutte contre le changement climatique. En réduisant la dépendance aux combustibles fossiles, cette chaîne énergétique participe à la transition vers des sources d’énergie plus durables et respectueuses de l'environnement.

Faibles coûts d’exploitation et d’entretien

Une fois installés, les panneaux solaires nécessitent très peu d'entretien. Il n’y a pas de pièces mobiles, ce qui limite l'usure et réduit les besoins en maintenance. De plus, la durée de vie des panneaux solaires est souvent longue, en moyenne 20 à 30 ans, ce qui en fait un investissement à long terme avec des coûts d’exploitation très faibles.

Facilité d’installation et modularité

Les panneaux solaires sont relativement simples à installer et peuvent être adaptés à diverses configurations de bâtiments ou de terrains. Ils sont modulaires, ce qui signifie que les installations peuvent être agrandies progressivement en fonction des besoins énergétiques ou des capacités financières de l’utilisateur. Cela offre une flexibilité d’adaptation pour différents types d’utilisateurs et différents types de terrains, puisque les panneaux solaires peuvent être installable sur des sols pollués, terrain cultivé, centrale flottante, sur des toitures, et même sur des petites surfaces !