Efficacité des panneaux solaires

Efficacité des panneaux solaires

L’efficacité des panneaux solaires fait référence à la quantité d’énergie solaire qui atteint la surface d’une cellule ou d’un panneau photovoltaïque (PV) et qui est directement convertie en électricité utilisable dans des conditions de test standard. L’efficacité de conversion des panneaux photovoltaïques domestiques a considérablement augmenté ces dernières décennies.

Étant donné que toute l’énergie solaire qui atteint un panneau solaire n’est pas convertie en électricité, une grande partie étant perdue, l’efficacité de conversion d’une cellule ou d’un panneau solaire est un paramètre clé. Plus le panneau solaire est efficace, plus il produira d’électricité, le rendant ainsi plus compétitif face à d’autres sources de génération d’énergie.

L’énergie solaire peut être exploitée principalement de deux manières : d’abord, par les photovoltaïques (PV), qui sont des semi-conducteurs générant de l’électricité directement à partir de la lumière du soleil. Ensuite, les technologies solaires thermiques utilisent la lumière du soleil pour générer de la chaleur plutôt que de convertir la lumière directement en électricité. La chaleur captée peut ensuite être utilisée pour chauffer l’eau à des fins domestiques, réchauffer des bâtiments et des espaces de travail, ou pour chauffer des fluides afin d’entraîner des turbines génératrices d’électricité.

En général, les panneaux solaires thermiques sont plus efficaces en termes d’espace que les panneaux photovoltaïques pour collecter la chaleur des rayons du soleil. De plus, la technologie requise pour capter et chauffer l’eau est beaucoup moins complexe que pour les photovoltaïques, ce qui rend les panneaux solaires thermiques une solution idéale pour le chauffage de l’eau.

L’efficacité d’un panneau photovoltaïque indique sa performance à convertir la lumière du soleil en électricité. Mais qu’est-ce que cela signifie, quelle est l’efficacité des panneaux solaires et comment calculer l’efficacité des panneaux solaires ?

Types de cellules photovoltaïques et leur impact sur l’efficacité

Il existe principalement trois types de cellules photovoltaïques disponibles aujourd’hui pour construire des panneaux solaires : Monocristallines, Polycristallines et Couche mince (également appelée Amorphe). Chaque type de cellule PV a ses propres avantages, inconvénients et configurations.

Les différents types de cellules photovoltaïques

• Cellules monocristallines : elles sont formées d’un seul mais solide semi-conducteur en silicium cristallin, d’où leur nom “mono”. Les cellules monocristallines offrent plus d’espace pour le passage des électrons, résultant en un panneau solaire plus petit et plus efficace. Leur inconvénient est qu’elles tendent à être plus coûteuses que d’autres types de panneaux.
• Cellules polycristallines : elles sont construites à partir de nombreux éclats individuels de silicium semi-conducteur fondus ensemble et refroidis très lentement sous des conditions contrôlées, résultant en des régions cristallines séparées par de grands intervalles. Bien qu’elles ne soient pas aussi efficaces que les cellules monocristallines en raison de ces espaces, les cellules et panneaux polycristallins sont moins coûteux à fabriquer.
• Cellules couche mince : ce sont des technologies de deuxième génération, non cristallines, en silicium amorphe (a-Si) et en tellurure de cadmium (CdTe), produites en déposant de très fines couches de matériaux semi-conducteurs sur un substrat flexible ou rigide à moindre coût. Cela les rend idéales pour des applications à petite échelle ou portables. Cependant, leurs inconvénients incluent une efficacité des panneaux solaires plus faible et un taux de dégradation plus élevé dans le temps.

Ainsi, il n’est pas facile de dire quel type de cellule photovoltaïque est le meilleur ou le pire, ou le plus efficace. Elles sont simplement différentes et conçues pour différentes applications et budgets, environ 90 % des panneaux photovoltaïques installés étant en silicium cristallin.

Comment calculer l’efficacité des panneaux solaires

L’efficacité de conversion photovoltaïque, qui peut être déterminée à partir des courbes caractéristiques courant contre tension (I-V) d’une cellule photovoltaïque (ou panneau) illuminée, est un facteur important pour identifier sa qualité, sa performance et son efficacité dans des conditions environnementales variées. La nécessité de comparaisons précises de performance entre différentes cellules (ou panneaux) photovoltaïques a donné lieu à des mesures d’efficacité effectuées sous des conditions de test solaire standard (CTS).

L’efficacité des panneaux solaires (η) est un paramètre couramment utilisé pour comparer les performances d’une cellule PV par rapport à une autre, ou d’un panneau solaire à un autre. L’efficacité de conversion, exprimée en pourcentage (%), dépend principalement de l’intensité de la lumière solaire incident qui frappe sa surface et de la température de la cellule solaire. L’efficacité d’une cellule PV est définie comme suit :

Formule de l’efficacité des panneaux solaires

Où l’efficacité, η (éta) est l’efficacité du panneau solaire, P_MAX est la puissance électrique maximale, divisée par la somme de la surface du panneau (A) en m², et l’intensité d’irradiance (E) mesurée en watts par mètre carré (W/m²). Notez que P_MAX est la puissance de sortie maximale du cellule ou panneau PV à “soleil plein” avec une irradiance de 1000 W/m².

Exemple d’efficacité photovoltaïque

Un panneau de 2 m² de cellules solaires a une puissance de sortie maximale de 400 watts. Quelle serait sa valeur d’efficacité de conversion ?

Ainsi, le panneau de 2 m² a une efficacité de conversion de 20 %. C’est-à-dire que 20 % de la lumière du soleil frappant le panneau est convertie en énergie électrique, tandis que les 80 % restants sont perdus.

Considérons maintenant l’étiquette du panneau solaire ci-dessous d’un panneau solaire monocristallin Sunket de 600W comme un autre exemple.

Les panneaux Sunket SKT-600-M12 indiquent que sa taille dimensionnelle est de 2172 mm par 1303 mm. Ainsi, la taille réelle du panneau en silicium semi-conducteur qui reçoit la lumière du soleil est : 2,172 m par 1,303 m = 2,83 m².

Nous pouvons donc calculer l’efficacité du panneau solaire de ce module photovoltaïque en silicium cristallin de 600 watts comme étant :

Le panneau PV de 600W a donc une valeur d’efficacité calculée de 21,2 %, ce qui est le même que la valeur citée par le fabricant de 21,2 % donnée sur sa fiche technique officielle en ligne.

Nous pouvons également utiliser la formule d’efficacité des panneaux solaires pour calculer la puissance de sortie attendue du panneau de 600 watts à différents niveaux d’irradiance solaire.

Par exemple, si l’irradiance totale tombant sur le panneau Sunket précédent est mesurée à 667 W/m², quelle sera la puissance de sortie des panneaux monocristallins Sunket à ce niveau d’irradiance ?

Puissance de sortie du panneau de 600W en lumière réduite

Nous pouvons donc constater que la puissance de sortie d’un panneau solaire tient compte de son efficacité. C’est-à-dire que la taille en m² des panneaux que vous installez sur votre toit est déterminée par leur efficacité, un panneau avec une efficacité réduite sera physiquement plus grand qu’un panneau de la même puissance nominale mais avec une efficacité plus élevée. Étant donné que leur efficacité de conversion électrique est fixée entre 15 % et 20 %.

Alternativement, si deux panneaux solaires ont la même taille physique en m², le panneau avec la valeur d’efficacité inférieure aura une puissance de sortie nominale plus faible. Si un panneau solaire photovoltaïque pouvait convertir toute l’énergie lumineuse à 100 % d’efficacité, alors la puissance de sortie du panneau serait la même que la puissance disponible. En réalité, cela n’est pas possible en raison de plusieurs facteurs. Mais qu’est-ce qui influence l’efficacité d’un panneau solaire ?

Facteurs influençant l’efficacité des panneaux solaires

L’efficacité des panneaux solaires photovoltaïques peut être affectée par de nombreux facteurs de différentes manières. Certains de ces facteurs peuvent être évités, tels qu’un meilleur positionnement, une réduction de l’ombrage, etc. Tandis que d’autres sont intrinsèques à l’installation elle-même, comme la zone environnante ainsi que le spectre et l’intensité de la lumière solaire incidente et la température ambiante des cellules et du panneau photovoltaïques.

Les principaux facteurs qui impactent l’efficacité des panneaux solaires et leur capacité à convertir la lumière du soleil en électricité utilisable dépendent de plusieurs éléments comprenant :

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  Qualité des matériaux – Le type et la qualité du matériau semi-conducteur en silicium utilisé dans la fabrication des cellules photovoltaïques jouent un rôle significatif dans leur efficacité. Les cellules photovoltaïques sont fabriquées avec différents types de matériaux en silicium, tels que le silicium monocristallin, polycristallin, et les couches minces. Du silicium de pureté plus élevée permet un meilleur mouvement des électrons, entraînant des rendements photovoltaïques plus élevés.
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  Température de la cellule PV – La température de la cellule PV est l’un des facteurs les plus importants qui responsable de la baisse d’efficacité et de performance des cellules PV. Les panneaux solaires photovoltaïques ont généralement une meilleure performance à des températures plus basses, car ils préfèrent un ciel clair et froid, ce qui les rend moins efficaces à des températures plus élevées. Une chaleur excessive augmente la résistance dans le matériau semi-conducteur en silicium, réduisant la sortie d’énergie. La puissance crête d’un panneau donnée sur sa plaque signalétique est déterminée à une température CTS de 25°C.
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  Intensité et spectre de la lumière – L’intensité et le spectre de la lumière jouent un rôle significatif dans la détermination de l’efficacité des panneaux solaires. Plus l’intensité de la lumière solaire est élevée, plus il y a de photons disponibles pour être absorbés par les cellules PV, c’est-à-dire que plus d’énergie peut être convertie en électricité, entraînant une puissance de sortie plus élevée. Étant donné que la lumière solaire est composée d’un large éventail de longueurs d’onde à travers le spectre électromagnétique, y compris la lumière visible, infrarouge (IR) et ultraviolette (UV). La capacité des cellules PV à absorber et à convertir la lumière en électricité dépend de l’écart de bande du matériau utilisé. L’irradiation solaire maximale sur une surface de PV est définie à 1000 W/m² à une masse d’air de 1,5.
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  Orientation et angle du panneau – L’angle d’incidence à laquelle le soleil frappe le panneau influence l’efficacité. Les panneaux photovoltaïques doivent être positionnés pour recevoir un maximum de lumière solaire, car une orientation et une inclinaison optimales peuvent maximiser l’exposition à la lumière solaire et ainsi améliorer l’efficacité lorsque le soleil est directement au-dessus. L’angle optimal dépend de la localisation géographique et de la période de l’année. Des systèmes de suivi qui suivent le soleil peuvent améliorer l’efficacité en s’assurant que les panneaux sont toujours positionnés pour une absorption optimale de la lumière.
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  Qualité des composants – L’agencement des cellules photovoltaïques à l’intérieur d’un panneau (ou module) et la manière dont elles sont interconnectées influencent l’efficacité. Des agencements plus compacts réduisent les pertes d’énergie. La qualité et l’état des composants utilisés, y compris les panneaux photovoltaïques, l’inverseur (qui convertit le courant continu des panneaux en courant alternatif pour une utilisation dans les maisons) et d’autres matériels, influencent l’efficacité globale du système. Des composants de haute qualité tendent à être plus efficaces sur le plan électrique et durables.
• 
  Âge du panneau – Avec le temps, les panneaux solaires photovoltaïques se dégradent, réduisant leur efficacité. Les panneaux PV sont censés fonctionner pendant 20 à 30 ans, mais au fil du temps, l’efficacité de conversion peut se dégrader d’environ 0,5 % à 1 % par an en raison de l’exposition quotidienne aux éléments et à l’usure normale, à mesure qu’ils chauffent et se refroidissent quotidiennement.

Par conséquent, l’efficacité des panneaux solaires dépend d’une variété de facteurs, résultant d’une combinaison de l’intensité lumineuse d’irradiance, de la température ambiante, de l’angle d’élévation du soleil et des conditions météorologiques locales. L’ombrage causé par des arbres, des bâtiments ou d’autres obstacles à proximité peut réduire considérablement l’efficacité des panneaux solaires, tout comme la poussière, la saleté et les débris sur la surface des panneaux qui peuvent bloquer la lumière du soleil et réduire leur puissance de sortie.

En général, l’efficacité relative d’un panneau solaire photovoltaïque, surtout en termes de génération de sa puissance de crête, peut dépendre de nombreux facteurs, surtout de ce à quoi le panneau est connecté. La performance réelle par rapport à la performance nominale du fabricant peut être très différente, car les fabricants souhaitent vendre des panneaux PV et des systèmes en fonction du prix par watt d’énergie produite, et non de leur efficacité photovoltaïque.

Résumé de l’efficacité des panneaux solaires

En résumé, nous avons vu ici que l’efficacité de conversion d’un panneau solaire fait référence au pourcentage de lumière du soleil qu’un panneau solaire peut convertir en énergie électrique utilisable. En termes simples, il mesure l’efficacité avec laquelle le panneau transforme l’énergie du soleil en électricité.

Lorsque la lumière du soleil (composée de photons) frappe une cellule photovoltaïque (ou un panneau), la cellule PV absorbe l’énergie des photons. Cette énergie excite les électrons dans la cellule, créant un courant électrique. L’efficacité du panneau solaire indique combien de la lumière totale qui frappe le panneau est convertie en puissance électrique lorsqu’il est connecté à un circuit électrique externe. Ainsi, collecter l’énergie solaire plus efficacement peut augmenter l’efficacité.

L’efficacité de conversion, η (éta) est généralement calculée en utilisant la formule précédente. Donc, si un panneau solaire reçoit 1 000 watts de lumière du soleil par mètre carré et produit 200 watts d’électricité, son efficacité serait de 20 %. Cela signifie que 80 % de l’énergie qui atteint le panneau n’est pas utilisée. À noter qu’aucun panneau solaire n’est 100 % efficace.

La liste suivante indique les pourcentages d’efficacité typiques pour chacun des trois types différents de panneaux solaires photovoltaïques actuellement disponibles :

• Monocristallin : généralement les plus efficaces, avec des taux de conversion variant entre 18 % et 22 %.
• Polycristallin : légèrement moins efficaces, avec des rendements entre 15 % et 18 %.
• Couche mince (Amorphe) : les moins efficaces, avec des taux entre 10 % et 12 %, mais plus légers et plus flexibles.

De toute évidence, les panneaux monocristallins avec une efficacité moyenne entre 18 % et 24 % sont les plus adaptés. En général, il ne faut pas se contenter de moins de 20 %, surtout en considérant que plus l’efficacité est élevée, moins il sera nécessaire d’installer de panneaux pour produire une certaine quantité d’énergie solaire gratuite.

L’importance d’une haute efficacité

Les panneaux solaires à haute efficacité génèrent plus d’électricité à partir de la même surface, ce qui peut réduire le nombre de panneaux nécessaires pour répondre à vos besoins énergétiques. Cela est particulièrement important pour les installations sur toit ou dans des zones où l’espace est limité.

Les panneaux photovoltaïques d’une efficacité supérieure ont tendance à mieux performer dans des conditions de faible luminosité (comme les jours nuageux) par rapport aux panneaux moins efficaces. Ainsi, une efficacité plus élevée peut produire une plus grande puissance à partir de la même quantité de lumière solaire. C’est-à-dire, plus d’efficacité = plus d’électricité.

Pour en savoir plus sur la manière dont l’efficacité des panneaux solaires mesure l’efficacité de conversion d’un panneau solaire photovoltaïque particulier de l’énergie solaire en électricité, ou obtenir plus d’informations sur les différents types de panneaux photovoltaïques disponibles. Ensuite, trouvez votre panneau solaire photovoltaïque idéal directement sur Amazon et comprenez comment vous pouvez utiliser les notes d’efficacité des panneaux solaires à votre avantage pour alimenter votre maison.