Comment sont calculés les rendements d’un panneau photovoltaïque ?

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Comme nous l’avons vu, un panneau photovoltaïque est un générateur, constitué de cellules (ou photopiles) associées ensembles, qui débite un courant continu sous une différence de potentiel (une tension en langage courant), grâce à la lumière du soleil.

Mais cette source lumineuse gratuite et généreuse n’est pas constante tout au long de la journée.

Entre la lumière du matin au levé du jour et la lumière du soir, au couché, le soleil diffuse un rayonnement maximal au milieu de la journée.

Le panneau solaire sera donc sensible à ces variations et c’est pour cela que le constructeur donne une valeur en Watts crête du panneau, qui est la valeur maximale aux meilleures conditions.

Le principe de la tension à vide

Si on place une cellule photovoltaïque sous une source lumineuse constante, sans aucun récepteur, elle peut générer à ses bornes une tension continue maximum dite tension de circuit ouvert ou tension à vide.

Cette tension est de l’ordre de 0,6 V pour une cellule élémentaire en silicium cristallin (elle varie avec la technologie monocristallin ou Polycristallin).

Un panneau photovoltaïque étant l’association de cellules élémentaires, la tension à vide sera égale, au nombre de cellules, multiplié par la tension.

Prenons par exemple un panneau avec 36 cellules en série.

Sa tension maximale sera de : 36 x 0,6 V = 21,6 V.

Mais dans cet état, le photogénérateur ne débite aucun courant et ne peut alimenter aucun récepteur.

C’est donc sous une tension inférieure que fonctionnera ce panneau afin de débiter tension et courant et d’alimenter un récepteur.

Puissance crête et rendement

On l’a déjà dit, la Puissance est le produit de la Tension par l’Intensité (P = U x I).

La puissance maximale d’un panneau photovoltaïque sera donc fonction de l’éclairement. On parlera de Puissance crête.

La densité d’énergie solaire qui atteint la frontière externe de l’atmosphère faisant face au soleil, est communément mesurée à 1 360 W/m2 (avec une variation de quelques pour cent dans l’année).

Lors de la traversée de l’atmosphère, ce rayonnement de 1 360 W/m2 subit des déperditions, du fait de son absorption par les gaz atmosphériques et de la vapeur d’eau.

C’est pour cela qu’on a admis que les conditions normalisées d’ensoleillement qu’on appelle STC (Standard Test Conditions) sont : 1 000 W/m2, un spectre solaire AM 1,5 et 25°C de température ambiante.

Cela correspond à un ensoleillement assez fort, le soleil au zénith, le ciel parfaitement dégagé (un ciel sur la plage de Nice au printemps).

Le rendement maximal d’un panneau photovoltaïque sera donc le rapport entre la Puissance crête générée et la puissance lumineuse reçue en condition STC (1 000 W/m2) moins la surface du panneau.

Prenons pour exemple un panneau en silicium poly-cristallin de 40 W (2,35 A/ 17 V) d’une surface de 360 cm2.

Le rendement de ce panneau sera de 11% (40 W : [0,36 m2 x 1 000 W/m2]).

Le rendement d’un panneau photovoltaïque est au maximum quand le soleil est au zénithLe rendement d’un panneau photovoltaïque est au maximum quand le soleil est au zénith

Les rendements possibles suivant les technologies

Chaque panneau, chaque technologie va avoir un rendement différent suivant les conditions d’éclairement :

Silicium monocristallin :

  • Rendement de 15 à 20 % STC.
  • Puissance de 5 à 300 Watts crête.
  • Gamme d’éclairement de 100 à 1 000 W/m2.

Silicium polycristallin :

  • Rendement de 12 à 17 % STC.
  • Puissance de 5 à 300 Watts crête.
  • Gamme d’éclairement de 200 à 1 000 W/m2.

Silicium amorphe :

  • Rendement de 5 à 7 % STC (jusqu’à 12 % pour les multi-jonctions).
  • Puissance de 0 à 1 Watts crête pour les photogénérateurs intérieurs.
  • Puissance de 0,5 à 90 Watts crête pour les photogénérateurs extérieurs.
  • Gamme d’éclairement de 20 lux (intérieur) à 1 000 W/m2.

En conclusion

Il est intéressant de connaître la puissance maximale et le rendement d’un panneau pour pouvoir calculer ses besoins par rapport à son logement ou bien la puissance maximum possible par rapport à sa surface de toit.


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