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Quel est le Fonctionnement d’un Panneau Solaire ?

Quel est leur fonctionnement, quelles sont les aides mises en place par le gouvernement, quel est leur rendement ?
Je vous explique tout dans ce guide.

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Introduction

L’énergie du soleil est gratuite, librement accessible et pleine de potentiel. De nombreux plans d’aide ont été mis en place par l’Etat à destination des foyers français qui entreprennent des travaux de rénovation thermique. Le panneau solaire fait partie de ces sources d’énergies renouvelables intervenant dans la transition énergétique.

Quels sont les différents types de panneaux solaires ?

Un panneau solaire convertit l’énergie du soleil en électricité ou en chaleur. Il existe de ce fait deux types de panneaux solaires, à savoir photovoltaïque et thermique.

Panneau solaire photovoltaïque

Les cellules d’un panneau solaire photovoltaïque sont touchées par les rayons du soleil et ses photons. Ces derniers suivent alors un déplacement à l’origine d’un courant électrique continu, qui se change en courant alternatif sous l’action des onduleurs présents sous les panneaux.

Concrètement, les cellules sont conçues à partir de silicium, un matériau semi-conducteur qui capte l’énergie des rayons du soleil pour la transmettre à ses électrons. Ces derniers commencent alors à se déplacer, et leur mouvement génère le courant électrique continu mentionné plus haut. La quantité d’électricité produite par les cellules est alors additionnée par l’ensemble du dispositif.

Silicium dans son état brut.

Les onduleurs présents sous les panneaux se chargent alors de transformer le courant continu en courant alternatif, afin que l’électricité puisse être utilisée pour alimenter les différents équipements du logement.
La puissance crête d’un panneau solaire, exprimée en watt-crête (Wc) ou en kilowatt-crête (kWc) est la puissance maximale pouvant être générée par le système lorsqu’il est exposé aux meilleures conditions d’ensoleillement.

Panneau solaire thermique

Le fonctionnement d’un panneau solaire thermique diffère complètement des modèles photovoltaïques, car il ne convertit pas l’énergie du soleil en électricité, mais se sert de sa chaleur.
Tout comme le modèle photovoltaïque, le panneau thermique dispose de capteurs disposés sur une plaque, généralement installée sur le toit du logement concerné. La chaleur est récupérée par ces capteurs, pour être transmise à un liquide caloporteur.
Ce liquide caloporteur se décline sous diverses formes différentes en fonction des modèles de panneaux et de capteurs :

· Capteur à air : le verre de capteurs aérosolaires permet de faire passer la majeure partie du rayonnement, absorbant les rayons infrarouges sources de chaleur sans les laisser ressortir. Par effet de serre et d’accumulation, l’air ambiant de l’habitation monte en température. Il est recommandé de recourir à des matériaux sombres pour améliorer le coefficient d’absorption de la chaleur, tels que l’aluminium fin et noirci, ou l’ardoise. Cette solution ne peut toutefois être le chauffage principal du logement concerné.

· Capteurs plans vitrés : aussi appelés capteurs héliothermiques, ces systèmes disposent d’un coffre rigide et vitré au sein duquel est installé un serpentin de métal sombre, l’absorbeur. Le rayonnement chauffe le liquide caloporteur qui est transporté jusqu’au niveau d’un chauffe-eau afin d’assurer l’approvisionnement du foyer en eau chaude sanitaire (ECS). 

· Capteurs plans non vitrés : moins répandus que le précédent modèle, ces capteurs sont composés d’un absorbeur dépourvu de caisse et de vitrage, facilitant leur fabrication et réduisant leur coût. De ce fait, il s’agit d’une solution beaucoup plus dépendant de la température de l’air ambiant. Si en période estivale, ses performances sont optimales, il n’en est pas de même en période hivernale où le capteur est plus sensible au vent froid.

· Capteurs à tubes sous vide : ce modèle se compose d’une série de tubes transparents servant à isoler l’absorbeur à l’aide de couches de vide faisant office d’isolant thermique. Afin de diminuer le coefficient de déperdition, il est possible d’envisager le remplissage à l’aide de gaz inerte ou de xénon. 

Globalement, il faut distinguer deux usages principaux des panneaux solaires thermiques, à savoir ceux permettant de faire fonctionner un chauffage solaire, ou système solaire combiné (SSC), ainsi que ceux qui permettent de faire marcher un chauffe-eau solaire individuel, ou CESI :

· SSC : le système solaire combiné est un chauffe-eau connecté à divers circuits, qui gère non seulement la production d’eau chaude sanitaire, mais également le chauffage du logement en alimentant les parquets chauffants ou les radiateurs à eau. Pour installer ce dispositif au sein d’une habitation, il faut que celle-ci dispose d’un espace intérieur suffisant, car le ballon d’eau chaude dispose d’un volume généralement compris entre 500 et 1000 litres.

· CESI : contrairement au SSC, le chauffe-eau solaire individuel ne produit que l’ECS d’un domicile. Il se compose de système de panneau solaire thermique et d’un ballon de stockage pour l’eau chaude.

Quels sont les avantages et inconvénients de cette source d’énergie renouvelable ?

Comme toute source énergétique, le panneau solaire présente son lot de points forts, mais également des limites qu’il convient de mentionner.

Les atouts et points faibles du panneau solaire photovoltaïque

Le solaire est une énergie naturelle, accessible sans avoir besoin de souscrire auprès d’un fournisseur quelconque, et s’accompagne d’une multitude d’avantages parmi les suivants :

· Il s’agit d’une ressource énergétique propre et non polluante, qui ne dégage pas le moindre gaz à effet de serre. On considère que pour un foyer de quatre personnes, c’est la production de l’équivalent d’une tonne de CO2 qui est évitée.

· Le soleil est en libre accès pour tous, il ne s’agit pas d’une source d’énergie épuisable. Quelle que soit votre situation géographique, vous êtes en mesure d’y recourir. Le fait d’être situé au nord ou au sud de la France n’a qu’un impact minime sur les performances réelles du dispositif.

· Générer de l’électricité par ce biais est entièrement silencieux, puisqu’aucun moteur n’entre en action. Il s’agit de la seule conversion des rayons du soleil en électricité.

· Comme il n’y a aucun risque de rupture, il s’agit d’une ressource particulièrement fiable. Elle peut contribuer à faire gagner l’Hexagone en indépendance à l’égard des pays producteurs d’énergie polluante, de gaz ou de pétrole.

· Le silicium, l’aluminium et le verre sont des matériaux particulièrement résistants, qui peuvent faire face aux conditions climatiques et météorologiques de l’hiver et des régions les plus exposées à des températures peu élevées.

· Le prix de revente du panneau photovoltaïque est intéressant auprès de l’EDF, plus cher que son coût d’achat.

· Le prix de l’électricité augmente régulièrement, de ce fait avoir la possibilité de se retrouver en situation d’autoconsommation est une perspective d’économies réalisées sur le moyen long terme.

· Il s’agit d’un dispositif facile à installer, et de manière rapide. Il n’est par ailleurs plus nécessaire d’intégrer les panneaux solaires au bâti du logement, ce qui permet de les installer par-dessus la toiture. En d’autres termes, des travaux moins complexes.

· Comme aucune combustion n’entre en ligne de compte, l’usure des différents éléments de chaque panneau solaire est amoindrie en comparaison d’un dispositif impliquant de brûler du carburant.

· Avec la transition digitale et l’essor connu par les dispositifs intelligents, il est possible de bénéficier d’un certain nombre d’avancées techniques et d’applications intelligentes allant dans le sens de l’autoconsommation.

· Il est possible d’installer un panneau solaire partout, y compris en milieu urbain. Aucun domicile n’est donc exclu. 

Les points forts et les limites du modèle thermique

Tout comme le modèle photovoltaïque, le panneau solaire thermique offre lui aussi des atouts et des points faibles. Dans un premier temps, il s’agit d’une solution relativement avantageuse, pour les raisons suivantes :

  • Grâce au solaire thermique, il est possible d’assurer les besoins en eau chaude sanitaire d’un foyer, ainsi qu’en matière de chauffage central (de l’ordre de 50 à 80%). Il est donc possible de réaliser des économies intéressantes en réduisant la part d’énergie produite par des énergies fossiles et nécessitant la souscription d’un contrat auprès d’un fournisseur énergétique.
  • En ce qui concerne l’entretien et la maintenance d’un panneau solaire thermique, les coûts sont relativement peu élevés.
  • Le recours aux capteurs est possible sur l’ensemble des toitures, sans exception. Ils sont en mesure de s’intégrer de manière optimale sur les tuiles et les ardoises, tout en s’harmonisant de manière esthétique.
  • Il est possible de réguler la production de chaleur de l’installation en lui associant un système intelligent, s’adaptant aux besoins du foyer et aux limites fixées par l’utilisateur.
  • Ce type de dispositif correspond, tout comme les modèles photovoltaïques, aux normes mises en place de réglementation thermique. Il est ici question de la RT 2012 et de la RT 2020 qui vient la remplacer.

 

A l’opposé, quelques inconvénients doivent bien sûr être mentionnés, car aucun panneau solaire n’est parfait :

 

  • Le soleil étant une source d’énergie intermittente, ce type de dispositif ne peut servir de solution permanente et principale. Il importe d’y adjoindre une autre ressource, car il s’agit surtout d’une solution de chauffage d’appoint.
  • Dans le même ordre d’idée, il s’agit d’une énergie diffuse qui ne peut satisfaire des besoins importants comme ceux des grands ensembles d’appartements. Cela s’explique par le fait que la puissance des unités de surface est limitée.
  • Tout comme les panneaux photovoltaïques, le modèle thermique est composé de matériaux toxiques tels que le cuivre et le chrome.
  • Il est bien souvent nécessaire d’assurer le stockage de la chaleur au sein des ballons d’eau chaude ou des planchers chauffants.
  • Les panneaux thermiques ne peuvent pas produire d’électricité. Ils ne sont utilisés que pour fournir de l’ECS au domicile concerné. Il s’agit là d’un point faible par rapport aux modèles photovoltaïques, qui quant à eux sont en mesure d’alimenter un système de chauffage électrique.
  • L’esthétique du domicile peut être remise en question en raison de la couleur sombre de l’installation.

Quelles sont les différences entre autoconsommation et revente partielle d’électricité ?

Grâce à un dispositif photovoltaïque, les rayons du soleil produisent de l’électricité pour le domicile tout au long de la journée. L’ensemble des équipements du domicile peuvent donc être alimentés : ballon d’eau chaude, système de chauffage central électrique, appareils audiovisuels, électroménagers, éclairage.
En produisant sa propre énergie de manière gratuite grâce aux rayons du soleil, le foyer est en mesure de réduire la quantité d’énergie consommée. La facture énergétique adressée par le fournisseur est donc allégée. On parle alors de situation d’autoconsommation.

Grâce à l’autoconsommation, il est possible de réaliser jusqu’à 50% d’économies sur la facture d’électricité d’un foyer, soit près de la moitié. Comme un panneau solaire produit même en l’absence des occupants des lieux, ces derniers ont la possibilité de ne pas consommer l’énergie produite.
En situation optimale, un panneau photovoltaïque peut donc générer un surplus d’énergie électrique, qu’il est possible de traiter de deux manières différentes : vendre ou stocker.

En effet, le surplus d’électricité peut être vendu à l’EDF OA (Obligation d’Achat), l’organisme agréé par l’État afin de le racheter auprès des producteurs, qu’ils soient particuliers ou professionnels. Cette mesure existe depuis l’an 2000.
Le prix de rachat varie régulièrement, mais il est compté au kilowattheure (kWh). Comme évoqué plus haut, un contrat de rachat est fixé pour une période de 20 ans. En vendant son énergie, l’utilisateur participe à la propagation de l’énergie verte à l’échelle locale car ce surplus est réinjecté dans le réseau électrique du quartier. De ce fait, il valorise l’électricité qu’il ne consomme pas lui-même.

Par ailleurs, il est possible de doter l’installation d’une batterie qui permet ainsi de stocker le surplus au lieu de le revendre. En cas de charge complète, la revente s’effectue tout de même dans les circonstances évoquées précédemment. Néanmoins, si tel n’est pas le cas, l’utilisateur est en mesure de consommer l’électricité qu’il aura stockée, et ce même lorsque son dispositif n’est pas en mesure de fonctionner (de nuit notamment).
Le recours à une batterie de stockage permet d’améliorer l’autoconsommation d’un domicile, et les économies supplémentaires réalisables sont de l’ordre de 10%.

Quel est le prix et le rendement d’un panneau solaire ?

Au sein de ce tableau, vous trouverez le coût de l’installation de différents types de panneaux solaires :
Type et usage du panneau solaireCoût de l'installation
Photovoltaïque destiné à la reventeEntre 9 000 et 12 000 €
Photovoltaïque en autoconsommationEnviron 10 000 €
CESIEntre 4 000 et 10 000 €
CSCEnviron 17 000 €
Plancher solaireEnviron 3 400 €
Il faut généralement compter 60% du montant total pour le coût des équipements eux-mêmes, 25% pour l’installation et 15% pour l’onduleur dans le cas d’une installation photovoltaïque.

A propos du rendement de ce type d’installations

Le panneau solaire constitue-t-il une solution rentable ? Si oui, dans quelle mesure ? Voici quelques éléments de réponse.

S’agit-il d’une ressource rentable ?

En raison du gain en termes d’autonomie et des économies réalisées sur les factures énergétiques, le rendement d’un panneau solaire photovoltaïque ou thermique est avéré. Plus de 70% des Français expriment la volonté d’installer des panneaux solaires sur leur logement pour améliorer leur consommation.
L’installation d’un panneau solaire est en effet très simple, ce qui contribue à séduire les foyers français. Mais la raison première est bien sûr la quête des économies et du rendement énergétique.

Quelle est la rentabilité du solaire ?

En fonction du matériau utilisé dans la fabrication des cellules, le rendement est différent. On estime ainsi qu’avec le silicium monocristallin, on peut espérer un rendement de 14,5% (facteur de puissance 0,145), contre un rendement de 11,5% (facteur de puissance 0,115) avec du silicium polycristallin et de 6% (facteur de puissance 0,060) avec du silicium amorphe.
Pour calculer la puissance d’un panneau solaire au sein d’un domicile en kilowatt crête, il faut multiplier le nombre de m² composant la surface des panneaux par le facteur de puissance du matériau utilisé. A titre d’exemple, un panneau de 10 m² en silicium monocristallin générera une puissance de 10 x 0,145, soit 1,45 kWc.
Si toutes les régions de l’Hexagone peuvent profiter de l’énergie solaire, l’ensoleillement peut toutefois modifier légèrement le rendement d’un panneau solaire. Le tableau suivant répertorie ces différences d’efficacité énergétique annuelles :

Zone de FranceRayonnement global journalier
Nord-EstEntre 800 et 1 000 kWh / kWc
Centre-OuestEnviron 1 000 kWh / kWc
Sud-OuestEntre 1 100 et 1 200 kWh / kWc
SudEntre 1 200 et 1 400 kWh / kWc
En reprenant l’exemple précédent, si le logement concerné se situait dans le sud de la France, la production de l’installation pourrait atteindre jusqu’à 1 400 kWh / kWc x 1,45 = 2 030 kWh par an.
Mais l’orientation et l’inclinaison du dispositif entrent également en ligne de compte et sont à la source de facteurs de puissance, comme expliqué au sein de ce tableau :
 Inclinaison 0°Inclinaison 30°Inclinaison 60°Inclinaison 90°
Orientation Est0,930,900,780,55
Orientation Sud-Est0,930,960,880,66
Orientation Sud0,9310,910,68
Orientation Sud-Ouest0,930,960,880,66
Orientation Ouest0,930,900,780,55

De ce fait, pour un panneau solaire photovoltaïque en capteur de silicium monocristallin d’une surface de 10 m² installé dans le sud de la France, dont l’inclinaison est de 60° et l’orientation plein sud, la production annuelle d’électricité sera de : 2030 kWh x 0,91 = 1 847,3 kWh par an.
En ce qui concerne les panneaux solaires thermiques, le rendement est variable selon le type de capteurs utilisés, mais il est généralement de l’ordre de 80%.

Quelles sont les aides de l’État pour ces travaux de rénovation énergétique ?

Les aides proposées par l’État afin de procéder à l’installation des différents modèles de panneau solaire sont répertoriées sur le site economie.gouv.fr :

· Prime à l’autoconsommation : une prime variable et dégressive selon la puissance du dispositif, répartie sur les cinq premières années de fonctionnement. Ainsi :

o Pour une puissance inférieure ou égale à 3 kWc : 390 euros / kWc
o Entre 3 et 9 kWc : 290 euros / kWc
o Entre 9 et 36 kWc : 190 euros / kWc
o Entre 36 et 100 kWc : 90 euros / kWc

· Vente du surplus : les tarifs d’achat de surplus sont fixés à 10 centimes d’euros au kWh pour une puissance inférieure ou égale à 9 kWc et à 6 centimes d’euros pour une puissance comprise entre 9 et 100 kWc.

· TVA réduite : les installations en autoconsommation ou en revente de surplus peuvent profiter d’une TVA à 10% lorsque le panneau solaire présente une puissance inférieure ou égale à 3 kWc.

· Exonération d’impôt sur le revenu : il faut pour cela que la puissance du dispositif soit inférieure à 3 kWc, qu’elle ne soit pas dédiée à une activité professionnelle et qu’elle soit raccordée à au moins deux points du réseau public.
Pour bénéficier des aides financières mises en place par l’Etat, il est nécessaire de faire appel à un professionnel RGE (Reconnu Garant de l’Environnement).

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