TPE: Des panneaux solaires au lycée Jacques Prévert ?
2- Rendement d'un panneau photovoltaïque
Le rendement d'un panneau photovoltaïque correspond au quotient de la puissance produite (énergie fournie) sur la puissance captée (énergie solaire reçue).
De nombreux facteurs influencent ce rendement, dont le type de cellule utilisé (voir 1-Composants), l'inclinaison et l'orientation des panneaux, la température extérieure, la situation géographique, la surface exploitée et les différentes causes d'ombrage.
Quelles sont les conditions nécessaires pour poser des panneaux solaires ayant un rendement important ?
1) L'ensoleillement
Même si cela peut paraître évident, les panneaux photovoltaïques doivent être installés dans une zone ensoleillée le plus longtemps possible dans la journée et le plus loin possible d'éléments positionnés plus au Sud qu'eux (arbres, bâtiments, etc...). Un panneau solaire ombragé (même partiellement) peut perdre jusqu'à 50% de son rendement. En effet, les cellules photovoltaïques sont connectées entre elles en série. Ceci veut dire que la puissance de chaque cellule est déterminée par la puissance de la plus faible. Il faut donc faire attention aux ombres qui diminuent la capacité d’une cellule et donc de ses voisines.
2) La température :
L'augmentation de la température dans les cellules entraîne un accroissement de l’intensité, mais surtout une diminution beaucoup plus grande, en proportion, de la tension (voir tableau ci-dessous). Ainsi, plus un panneau solaire est chaud, plus sa puissance diminue. Un panneau solaire placé dans une zone fortement ensoleillée peut ainsi subir une augmentation de température de 20°C supérieur à la température de l'air ambiant, entrainant une perte de puissance d'environ 15%. C’est pour cette raison qu’il est essentiel de placer les panneaux dans un lieu bien aéré.
3) Angle d'incidence
Cela correspond à l'angle formé par le plan du panneau solaire et les rayons lumineux. Cet angle a une grande importance. L’angle d’incidence optimal correspond à un angle de 90°. Chaque fois que cet angle diminue ou augmente, la surface (en m²) du panneau solaire exposé aux rayons lumineux diminue et donc le rendement diminue aussi.
Démonstration:
Le coefficient de la puissance d’un panneau solaire en fonction de l'inclinaison du rayon est défini par l'équation suivante:
R=Sin(ß) x 100
Avec : - ß l’angle d’incidence entre le panneau solaire et les rayons lumineux.
-R la puissance exprimé en %
Ainsi le rendement du panneau est optimal lorsque les rayons du soleil arrivent à la perpendiculaire du panneau :
R=Sin(90) x 100=100%
le rendement du panneau solaire diminue de moitié lorsque l'angle d'incidence est de 30° par exemple :
R=Sin(30) x 100=50%
4) Angle d'inclinaison et orientation
L'orientation et l'inclinaison des panneaux solaires influencent beaucoup le rendement final puisque c'est de ces deux facteurs que va dépendre la réception des rayons du Soleil.
Le Soleil se lève à l'Est et se couche à l'Ouest. La France est située à une latitude d'environ 45° Nord. Ce qui fait que les rayons du soleil sont orientés principalement vers le Sud. De plus, au zénith, le Soleil est plein Sud et c'est à ce moment que le rayonnement est le plus intense. C'est pour cela que l'orientation qui donne le meilleur rendement est le Sud.
L'angle d'inclinaison est l'angle formé entre le plan du sol et le plan du panneau solaire. Nous avons vu que l'angle d'incidence doit être de 90° pour un meilleur rendement. La France étant située à une latitude d'environ 45° Nord il est nécessaire de positionner les modules photovoltaïques à 45°. Ainsi le panneau solaire aura le meilleur rendement possible bien que l'orientation de la planète varie selon les saisons. Ci-dessous une animation pour montrer l'effet de l'inclinaison de la planète sur l'angle d'incidence pour un panneau solaire orienté plein Sud et incliné de 45°.