Production de panneau solaire : comment calculer le rendement ?

Le processus de production des panneaux solaires expliqué

Les panneaux solaires photovoltaïques constituent une technologie novatrice de production d’électricité permettant de répondre aux besoins en énergie d’un foyer. Lorsque les rayons lumineux du soleil viennent frapper les cellules photovoltaïques composées d’un matériau semi-conducteur (le plus souvent du silicium), il se forme alors un courant continu. Pour être utilisable, ce courant continu est ensuite transformé en courant alternatif par l’intermédiaire d’un onduleur afin d’alimenter en électricité les principaux appareils domestiques d’un logement (appareils électroménagers, équipements numériques, chauffage, éclairage, etc.).

Pour optimiser le processus de production des panneaux solaires, il convient de bien dimensionner votre installation en déterminant la quantité d’énergie électrique nécessaire à produire pour vos besoins. Celle-ci permet alors de calculer la puissance totale du système à installer et donc le nombre de panneaux.

Comment calculer la production d'un panneau solaire ?

En France, une installation solaire moyenne dispose généralement d'une puissance de 3 kilowatt-crête (kWc), soit environ 8 modules solaires. Ce type de configuration permet de produire entre 2 400 et 4 200 kilowattheures (kWh) par an pour répondre aux besoins électriques du foyer (autoconsommation) et même parfois pour revendre l'excédent produit au réseau public national via l'obligation d'achat. Cela correspond à une production de l’ordre de 800 à 1 400 kWh d’électricité générée par kWc de puissance de l’installation.

Ce chiffre est cependant variable selon le niveau d’irradiation de la zone géographique et la puissance théorique de l’installation avec quatre zones distinctes retenues selon la position sur la carte de France :

• de 800 à 1 000 kWh/kWc produits par an pour les villes du nord-est (Lille, Strasbourg, Paris, etc.) ;
• de 1 000 à 1 100 kWh/kWc par an pour la bande un peu plus au sud partant de la Bretagne à la Haute-Savoie (Brest, Rennes, Tours, Lyon, etc.) ;
• de 1 100 à 1 200 kWh/kWc par an pour une bande comprenant la majeure partie du Sud-Ouest et allant jusqu’au nord de la région Auvergne-Rhône Alpes (Bordeaux, Toulouse, Grenoble, etc) ;
• de 1 200 à 1 400 kWh/kWc par an pour les régions du Sud-Est et de la Corse (Perpignan, Marseille, Nice, Montpellier, Ajaccio, etc.).

Par exemple, pour une ville comme Perpignan, pour une installation classique de 3 kWc, la production potentielle par an est alors de :

1 300 kWh/kWc (potentiel de production annuel dans la zone) x 3 kWc (puissance de l’installation) soit 3 900 kWh pour une installation moyenne.

Production théorique des panneaux solaires selon les zones

Ville	Production théorique annuelle potentielle pour une puissance de 3 kWc	Production théorique annuelle potentielle pour une puissance de 6 kWc	Production théorique annuelle potentielle pour une puissance de 9 kWc
Strasbourg	2 700 kWh	5 400 kWh	8 100 kWh
Rennes	3 150 kWh	6 300 kWh	9 450 kWh
Bordeaux	3 450 kWh	6 900 kWh	10 350 kWh
Perpignan	3 900 kWh	7 800 kWh	11 700 kWh

*Estimation de production à titre indicatif.

La puissance d'un système photovoltaïque reste cependant théorique et correspond à ce que les panneaux peuvent produire dans des conditions idéales. Dans la réalité, le soleil ne fournit pas une irradiation maximale en toutes circonstances, par exemple lorsque la couverture nuageuse est importante, en hiver ou la nuit.

Le niveau de production varie notamment selon plusieurs paramètres tels que le type de panneaux utilisés, l’orientation et l’inclinaison des panneaux, le niveau d’ensoleillement de la région, la surface des panneaux ou encore le nombre de modules installés. 

Température des panneaux photovoltaïques

Les panneaux photovoltaïques fonctionnent de manière optimale tant que leur température n’excède pas 25°. Au-delà, les performances du système tendent à diminuer légèrement, de l’ordre de 0,4 % environ à chaque degré supplémentaire. Les cellules solaires peuvent en effet surchauffer par manque de ventilation et du fait de l'intensité lumineuse, ce qui entraîne mécaniquement une réduction de leur capacité à convertir la lumière du soleil en électricité.

La technologie utilisée

Différentes technologies sont utilisées sur le marché du photovoltaïque, chacune d'entre elles impactant différemment les performances globales du système.

Le silicium cristallin

La technologie la plus couramment utilisée est celle des modules photovoltaïques fabriqués à partir de silicium cristallin. Ces cellules sont fabriquées à partir de plaquettes de silicium pur qui sont ensuite découpées en fines tranches appelées wafers. Le silicium cristallin peut être classé en deux catégories principales :

• les panneaux monocristallins qui sont fabriqués à partir d'un seul cristal de silicium pur. Ils offrent généralement le rendement le plus élevé (ils parviennent à convertir de 16 à 24 % de l’énergie solaire reçue en énergie électrique) car ils disposent d'une structure moléculaire plus homogène, permettant une très bonne captation de la lumière solaire ;
• les panneaux polycristallins qui utilisent pour leur part plusieurs fragments de cristaux de silicium qui sont fondus ensemble pour former un seul bloc par définition plus hétérogène en termes de forme et de couleur (on parle de patchwork). Même si leur rendement est légèrement inférieur à celui des panneaux monocristallins (de 14 à 18 %), ils restent cependant efficaces pour répondre aux besoins en électricité d'un foyer et sont plus abordables en termes de coût de production

Les panneaux amorphes

Il existe également une autre technologie de silicium cristallin appelée le silicium amorphe. Les panneaux solaires en silicium amorphe sont produits en déposant une fine couche de silicium sur un support (généralement du verre). De moins en moins répandus, ils procurent un rendement bien moins élevé que les panneaux monocristallins ou polycristallins (de 5 à 7 %), mais présentent l'avantage d'un coût de production moindre ainsi que d'une légèreté et d'une flexibilité appréciable dans des configurations de toiture particulières.

Les technologies d’avenir

De nouvelles technologies émergentes commencent à faire leur apparition, à l’image des couches minces qui utilisent des matériaux tels que le tellurure de cadmium, l'arséniure de gallium ou encore la pérovskite pour produire des panneaux solaires plus légers et flexibles, mais aussi plus efficaces.

Orientation et inclinaison : facteurs clés

L'orientation fait référence à la direction vers laquelle les panneaux sont installés, tandis que l'inclinaison se réfère à l'angle d'inclinaison par rapport à l'horizon.

En France, et plus généralement dans l'hémisphère nord, la meilleure option pour maximiser le rendement des panneaux solaires est de les orienter plein sud. Cette orientation permet aux panneaux de recevoir un ensoleillement maximal tout au long de la journée. Les orientations sud-est, sud-ouest et dans une moindre mesure est et ouest sont également envisageables en fonction de la configuration de l'habitation. Une orientation inadéquate peut en revanche entraîner une perte significative de production d'énergie. C'est le cas de l'orientation nord qui est à prohiber absolument.

En ce qui concerne l'inclinaison, elle doit là encore être ajustée en fonction de votre emplacement géographique grâce notamment à la technique de la surimposition des panneaux permettant un réglage de la fixation sur le support parallèle à la toiture. En France, l'inclinaison idéale est comprise entre 30 et 35° afin que les rayons solaires viennent frapper les panneaux de façon perpendiculaire la majeure partie de la journée. Cette inclinaison idéale varie cependant en fonction des saisons et de la hauteur du soleil (60° en hiver lorsque le soleil est bas, 20° en été lorsqu’il est très haut).

Maximiser la production d'énergie de vos panneaux solaires

Pour augmenter l'efficacité énergétique de vos panneaux solaires, il existe plusieurs conseils simples que vous pouvez mettre en pratique.

Conseils pour augmenter l'efficacité énergétique

En premier lieu, assurez-vous que vos panneaux sont correctement installés, à l'abri de l'ombre portée des immeubles ou des arbres et avec l'orientation et l'inclinaison la plus adéquate possible par rapport au soleil. Une mauvaise orientation ou inclinaison peuvent en effet réduire considérablement la production d'énergie.

Choisissez également des équipements de bonne qualité pour optimiser la conversion de l'énergie captée en courant continu (onduleur, micro-onduleurs, câbles).

Veillez par ailleurs à maintenir vos panneaux solaires propres et exempts de saleté ou de débris susceptibles de nuire à leur performance. Entretenez également la végétation environnante car des branches non taillées ou des haies trop touffues peuvent entraîner l'apparition de zones d'ombre particulièrement nuisibles à la productivité du système.

Pour maximiser l'utilisation faite de votre production solaire, vous avez également tout intérêt à investir dans une batterie solaire. Il existe en effet une certaine inadéquation entre les niveaux de production solaire du système (avec un pic entre 12 h et 15 h lorsque le soleil est au zénith) et les besoins en électricité du foyer (qui concernent surtout le matin avant le travail et le soir après le travail). L'acquisition d'une batterie solaire permet de conserver ce surplus de production d'énergie pour le réutiliser intégralement lorsque les occupants de la maison en ont le plus besoin.

Si vous en avez la possibilité, investissez dans des systèmes d'inclinaison automatique qui suivent le mouvement du soleil tout au long de la journée (tracker solaire) pour optimiser constamment leur exposition aux rayons solaires. Cette technologie avancée permet d'augmenter le rendement global du système de l'ordre de 5 à 15 % mais elle a un coût relativement élevé (5 000 à 15 000 €). Il en est de même pour les panneaux bifaciaux qui disposent d’une deuxième face capable de capter le rayonnement solaire projeté au niveau du sol en plus du rayonnement traditionnel sur les panneaux.

Enfin, pour limiter les surchauffes qui sont nuisibles au rendement des panneaux, il est conseillé d’installer ses panneaux en surimposition, c’est-à-dire sur un support monté en parallèle à la toiture, afin de laisser une fine lame d’air circuler, permettant ainsi de rafraîchir les modules.

Pratiques d'entretien recommandées

S’il n’est pas toujours facile d’augmenter la production de son système photovoltaïque, des bonnes pratiques d’entretien permettent cependant a minima de conserver un niveau de rendement optimal et de minimiser l’érosion naturelle de la production :

• nettoyer régulièrement la surface de vos panneaux, en particulier lorsqu’il n’a pas plu depuis longtemps et que la poussière a commencé à s’accumuler ;
• surveillez l'état des câbles et des connecteurs électriques qui relient les panneaux au système électrique afin de repérer tout câble potentiellement endommagé ou oxydé ;
• en période hivernale, veillez à retirer la neige ou le gel dont la stagnation peut l’imiter la surface de contact avec les rayons lumineux ;
• en automne, pensez à retirer les feuilles mortes qui tombent régulièrement sur vos panneaux et peuvent là encore limiter la bonne réflexion des rayons lumineux ;
• d’une manière générale, vérifiez régulièrement la présence éventuelle de nouvelles zones d’ombrage particulièrement nuisibles à la productivité du système. Le cas échéant, pensez à taillez vos arbres et arbustes pour éviter les ombres portées.

Est-ce que la production des panneaux solaires reste constante au fil des années ?

Les panneaux solaires perdent progressivement en efficacité au fil du temps. Plusieurs raisons peuvent expliquer ce phénomène, la première d'entre elles étant l'opacification progressive du verre qui recouvre les cellules photovoltaïques.

Lorsque le verre qui couvre les panneaux solaires s'abîme, il a tendance à devenir plus opaque, ce qui réduit donc sa transparence. Les rayons lumineux passent donc plus difficilement à travers le verre, ce qui réduit la production d'énergie des cellules photovoltaïques situées derrière la vitre.

Le manque d’entretien des panneaux provoquant un encrassement ou encore l’usure de l’onduleur peuvent également impacter à la baisse les performances des panneaux. Ainsi, une installation photovoltaïque perd en moyenne entre 0,3 et 1 % de son rendement chaque année. En règle générale, les fabricants garantissent cependant un fonctionnement optimal à hauteur de 80 % de leur capacité initiale après 25 ans.

Les défis de la production de panneaux solaires

L'industrie photovoltaïque est aujourd'hui confrontée à un certain nombre de défis à relever afin d'améliorer toujours plus le rendement du solaire et de contribuer par la même occasion à une transition écologique à grande échelle.

En premier lieu, la disponibilité des matériaux nécessaires à la fabrication des panneaux n'est pas toujours assurée. Certains composants tels que les matériaux semi-conducteurs de haute qualité (silicium notamment) peuvent être coûteux et difficiles à obtenir en quantité suffisante, ce qui peut être problématique dans une perspective de démocratisation de l'énergie solaire pour les particuliers.

La production de panneaux solaires fait également face à un défi d'efficacité énergétique. Malgré les progrès réalisés ces dernières années, le rendement des panneaux solaires reste encore relativement faible par rapport au potentiel théorique de conversion de l'énergie solaire en électricité.

De nombreux efforts sont donc déployés pour améliorer constamment l'efficacité des cellules photovoltaïques et ainsi augmenter la production d'électricité à partir du même nombre de panneaux. Il convient également de mentionner le défi posé par la compétitivité économique des énergies renouvelables par rapport aux sources d'énergie traditionnelles telles que le charbon ou le gaz naturel.

Même si les coûts associés à la production solaire ont considérablement diminué ces dernières années, ils restent encore relativement élevés par rapport aux sources d'énergie conventionnelles. La réduction des coûts de production et de vente est donc une condition essentielle pour continuer à démocratiser le photovoltaïque.

Enfin, l'industrie du photovoltaïque doit également chercher des moyens efficaces et abordables pour stocker l'énergie solaire produite. Actuellement, la plupart des systèmes solaires sont connectés au réseau électrique et la production excédentaire est injectée sur le réseau public.

Durabilité et recyclage : enjeux environnementaux

Un autre défi majeur du photovoltaïque concerne la durabilité et le recyclage des panneaux solaires en fin de vie. Si la durée de vie en bon état de fonctionnement des panneaux tend à s'accroître (parfois jusqu'à 40 ans désormais), les premiers modèles de panneaux étaient bien moins durables et de nombreux panneaux en circulation devront donc être recyclés intelligemment dans les prochaines années.

Ce recyclage de plus en plus organisé permet une réutilisation de bon nombre de matériaux pour la production de nouveaux panneaux afin de réduire toujours plus l’impact environnemental de la filière sur l’ensemble du cycle de vie des panneaux. Le silicium, le verre, les câbles ou encore les métaux servant à la conduction (cuivre, argent) peuvent ainsi tous être réutilisés pour la conception de nouveaux modules, ce qui contribue à économiser les ressources naturelles et à améliorer la durabilité de cette industrie.