L'effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839. Il est produit par absorption de photons dans un matériau semi-conducteur qui génère une tension électrique.

Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire, qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. De nombreuses calculatrices de poche utilisent l'énergie photovoltaïque.

L'énergie solaire photovoltaïque est une forme d'énergie renouvelable permettant de produire de l'électricité par transformation d'une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque.

Sous l'action du soleil, la cellule photovoltaïque crée une tension continue d'environ 0.6V.

Un courant peut alors circuler si une charge est associée (radio) au générateur ; ici, la cellule photovoltaïque est le générateur de courant continu.

Une cellule photovoltaïque fonctionne grâce à l'onde électromagnétique émise par le soleil. Une partie sera réfléchie, une autre perdue sous forme de chaleur et enfin une autre sera transformée sous forme d'énergie électrique.

Le gisement solaire

Le potentiel de l'énergie solaire est immense. Nous sommes absolument incapables de consommer toute l'énergie que le soleil nous donne généreusement. Sur le schéma suivant, le cercle rouge représente la consommation mondiale actuelle.

A côté de celà, toutes les énergies potentielles via une source d'énergie renouvelable sont représentées.

Nous pouvons constater que si nous installons une éolienne à chaque emplacement possible ou si nous construisons tous les barrages hydrauliquesà chaque réserve d'eau possible partout dans le monde, nous pourrions subvenir à tous nos besoins énergétiques actuels (mais peut-être pas ceux de demain).

Cependant, si nous installons à chaque m² disponible un panneau solaire photovoltaïque, notre capacité de production d'énergie électrique serait gigantesque.

Bien entendu, la meilleure solution n'est pas de produire plus parce que nos besoins augmentent, mais plutôt de réduire nos dépenses énergétiques inutiles, et ainsi réduire la surface des panneaux solaires à installer. Seulement la moitié de la superficie de la France suffirait à couvrir les besoins mondiaux en électricité avec les performances des panneaux actuels.

La Terre tourne autour du Soleil

1^er petit rappel élementaire pour comprendre l'influence liée à l'inclinaison des panneaux solaires par rapport à l'horizontale, sur le rendement global de votre installation photovoltaïque :

La Terre tourne autour du Soleil en décrivant une ellipse de faible exentricité (période : 365,25 jours) d'où le 26 Février tous les 4 ans pour remettre à zéro le décalage accumulé d'un quart de jour par an.

Déclinaison solaire δ : angle entre la direction Terre-Soleil et le plan équatorial.

A retenir : la déclinaison solaire est de 23,27°.

Voici une animation qui vous permettre de bien visualiser : http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Soleil/Mouvement/Declinaison.html.

2^ème petit rappel :

Le nord magnétique ne correspond pas au nord géométrique !

Il existe deux Nord. Le premier est magnétique (c'est l'axe de symétrie cylindrique du champ magnétique), le deuxièlme est géographique (l'axe de rotation de la Terre). Ils ne se trouvent pas au même endroit, le pôle nord magnétique de l'hémisphère nord est situé à 1900 Km du pôle nord géographique.

La différence d'angle que l'on peut observer sur la boussole entre ces deux Nord est appelée déclinaison magnétique. Cette différence varie avec le temps.

Il semblerait que le Nord magnétique a été, il y a 780 000 ans, au Sud géographique. Et ce ne serait pas la première fois. En effet, on a constaté que notre bouclier magnétique s'était réduit depuis ces 2000 dernières années et arriverait au stade de basculement (dans un peu plus d'un siècle). Lorsque ce basculement sera terminé, la couche reprendra de l'épaisseur et une boussole n'indiquera plus le Nord, mais le Sud. Il suffira alors de colorer l'autre extrémité de l'aiguille pour qu'elle indique à nouveau le Nord.

A quoi servent toutes ces données sur le photovoltaïque ?

Pour nous, bureau d'études, installateurs, ou autres techniciens du photovoltaïque, nous devons connaître tous les paramètres pour déterminer la faisabilité du projet mais surtout pour l'implémentation des modules.

Quelque soit votre position dans le monde comme en France, l'inclinaison optimal des panneaux ne sera pas tout à fait identique. Par exemple, au siège social d'EPSOL, nous nous trouvons sur le 45° parallèle de la Terre. L'inclinaison optimal est de 30°. L'angle optimal n'est pas de 45° car le photovoltaïque fonctionne aussi avec la lumière diffuse qui vient des nuages (donc inclinaison optimal de 90°).

30° est une sorte de position intermédiaire qui permet de récupérer à la fois la lumière directe et la lumière diffuse.

Si nous devons installer des panneaux montés sur châssis, installé à même le sol, il faudra prévoir un écart entre les deux rangées de panneaux suffisant pour ne pas créer un effet de masque (d'ombre) sur les panneaux du rang suivant.

Voici un autre exemple plus proche d'une installation chez un particulier :

Voici ce qu'il ne faut pas faire ! Ici, on voit très bien que les panneaux sont à l'ombre en plein après-midi.

Ceci étant-dit, pourquoi vous avoir parlé des valeurs de 23.28° pour la déclinaison solaire, du Nord magnétique, de rotations autour de la Terre autour du Soleil, du 45° parallèle concernant le siège social d'EPSOL, ... ?

La réponse est ici.

Il faut faire un peu de calculs sur certains cas. Faisons un peu de mathématique du niveau collège :

L = H * tg (ø + 23°)

Grâce à tous ces paramètres, on peut ainsi déterminer l'emplacement exacte où l'ombre viendra au plus loin derrière les panneaux solaires et ainsi savoir où installer notre prochaine rangée de panneaux solaires (cas de notre installation sur châssis). Ici, le point "A" détermine la valeur limite.

Rayonnement solaire :

Savez-vous que même quand le soleil n'apparaît pas dans le cieln le module photovoltaïque peut produire du courant ?

C'est le cas d'un très mauvais temps où les nuages cachent le soleil. Mais c'est aussi le cas où très tôt le matin (ou tard le soir), le soleil n'apparaît pas alors qu'il fait jour. 

Même si le soleil n'est pas encore "levé", vous pouvez y voir dehors grâce à la lumière qui vient "rebondir sur les nuages". C'est ce qu'on appelle la lumière diffuse.

Cette lumière peut produire du courant électriquegrâce aux cellules photovoltaïques.

Voici un schéma qui illustre notre exemple :

Vous constaterez qu'il existe trois rayonnements solaires :

• Rayonnement direct
• Rayonnement diffus
• Rayonnement dû à l'albédo (réflexion de la lumière sur l'eau, la terre, la neige...)

La proportion des composantes dépend de plusieurs facteurs, dont notamment :

1. La météo : le rayonnement diffus n'existe qu'en cas de temps un peu nuageux
2. La nature du sol : le rayonnement lié à l'albédo dépend de la nature du sol

Grossièrement, sous nos latitudes, on peut décomposer le rayonnement global de la façon suivante :

• Rayonnement direct : 70%
• Rayonnement diffus : 20%
• Rayonnement lié à l'albédo : 10%

Exemple de relevé à Lyon :

Un jour d'hiver ordinaire : 75% de diffus

Un beau jour d'été : 30% de diffus.

Valeur du rayonnement en fonction du temps :

En moyenne, chaque m² reçoit du soleil une énergie de 1000 W :

Cependant, suivant les régions en France, le soleil peut donner généreusement jusqu'à 5.2 KwH/m²/jour. Par exemple : A Grenoble, chaque m² peut recevoir en moyenne entre 4.2 et 4.4 KwH/m²/jour. Tandis qu'à Marseille, chaque m² peut recevoir en moyenne 5.2 KhW/m²/jour.

Attention, ces valeurs correspondent à l'irradiation du soleil et non à ce que vont produire les panneaux photovoltaïques.

Actuellement, les modules sont capables de restituer entre 8 et 30% (pour les modules utilisés en milieu spatial) de cette énergie reçue par le soleil.

Combien d'énergie puis-je produire chez moi ?

Comment déterminer de façon approximative l'énergie que l'on peut produire chez soi ?

Mis à part solliciter l'intervention d'un technicien qui vous fera des relevés précis et propres à votre configuration, vous pouvez vous connecter au site internet de l'INES en cliquant sur le lien suivant : http://ines.solaire.free.fr/pvreseau.php.

Vous pourrez avoir une évaluation très approximative de votre production possible d'énergie. Attention, les données obtenues ne sont pas précises.

Il est fréquent d'observer que ce programme vous donnera des valeurs parfois pessimistes, surtout si vous ne trouvez pas votre ville.

Attention, 100 Km peuvent changer considérablement vos valeurs.

N'oubliez pas, la production d'énergie est liée à beaucoup de paramètres :

• Disposition de votre toiture par rapport au sud,
• Pense de votre toiture,
• Qualité de l'air (plus l'air est pollué et plus le soleil a du mal à franchir cet obstacle),
• Température,
• Vent (permet de ventiler les modules qui perdent du rendement avec la chaleur),
• Effet de masque sur votre toiture (un arbre, une montagne, une cheminée peuvent faire de l'ombre sur votre toit à certains moments de l'année et à certaines heures),
• Votre emplacement géographique (à Lyon, on produit beaucoup moins d'énergie qu'à Marseille),
• Le matériel que vous installez. On en parle jamais assez mais les modules photovoltaïques ne sont pas tous aussi performants !