Un capteur solaire photovoltaïque (ou panneau solaire photovoltaïque) est un dispositif qui fonctionne comme un générateur électrique de courant continu en présence de rayonnement solaire. Constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, il sert de module de base pour les installations photovoltaïques, notamment les centrales solaires photovoltaïques.

Les capteurs solaires photovoltaïques sont employés pour de nombreuses applications stationnaires ou mobiles. En cas d'installation stationnaire prévue pour une connexion au réseau électrique, un onduleur et un compteur séparé ou communicant est nécessaire.

vignette|redresse|Module solaire photovoltaïque. vignette|redresse|Module photovoltaïque vu de près. vignette|redresse|Modules solaires photovoltaïques à Cariñena, en Espagne dont la disposition n'est pas optimaleLes uns font de l'ombre aux autres, ce qui réduit le rendement global..

Caractéristiques vignette|redresse|Panneaux recouvrants un toit et comprenant un jardin de toiture à Efteling, Pays-Bas. Les modules sont généralement des parallélépipèdes rectangles rigides et minces (quelques centimètres d’épaisseur), dont la longueur et la largeur sont généralement d'environ un mètre, pour une surface de l’ordre du mètre carré, et une masse d'environ . Divers éléments (branchements électriques, fixations, éventuel cadre pour assurer une étanchéité) sont inclus. Il existe également des modules sous forme de membranes souples et résistantes, ainsi que des modules à concentration, plus complexes mais exploitant mieux l’élément le plus cher du module, la cellule photovoltaïque.

L'efficacité énergétique de conversion d'un module est plus faible que celle fournie par toutes les cellules qui le constituent, du fait des pertes électriques internes et des surfaces non couvertes. Elle est actuellement de l'ordre de 20 %.

La puissance électrique est générée sous forme de courant continu à tension variable, ce qui implique un chargeur adapté pour un branchement sur une batterie, ou une transformation en courant alternatif par un onduleur s’il s’agit de l’injecter dans un réseau de distribution. La tension délivrée dépend du type des modules, du branchement des cellules et des modules, de la puissance solaire disponible, de la température du module et de la résistance électrique appliquée par le circuit (voir Maximum power point tracker). La tension délivrée par un module est habituellement de l’ordre de .

L’énergie réellement captée par un module dépend de la surface et de la puissance nominale du panneau, de l’ensoleillement (variable selon la latitude, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi), de la température du module (la production est meilleure en montagne car il y fait plus froid) et de la résistance électrique appliquée par le circuit. En Europe, chaque watt-crête (Wc) installé permet la production d’environ d’énergie sur l’année, le double dans des zones bien ensoleillées et avec un héliostat.

Outre sa puissance et sa surface, un module photovoltaïque a trois caractéristiques importantes : l’écart à la puissance nominale, de l’ordre de −0/+5 % ; la variation de puissance avec la température (plus de détails dans la section « Pertes énergétiques possibles ») ; la stabilité dans le temps des performances (les fabricants garantissent généralement au moins 80 % de la puissance de départ pendant 20 à ).

Le prix pour de tels modules était en 2008 d’environ et il baisse régulièrement.. En 2021, le prix de gros () est inférieur à ..

Un module photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son coût de démantèlement est très faible et ses coûts d’exploitation sont quasi nuls. Étanche, il peut servir de couverture à un toit, sous réserve de bien maîtriser l’écoulement d’eau aux bords avec un montage adapté.

Procédés techniques

Ce sont les modules à base de silicium qui sont actuellement les plus utilisés (plus de 90 % du marché)., suivis de ceux à base de tellurure de cadmium (principalement utilisés dans certaines grandes centrales solaires photovoltaïques), les autres types étant encore, soit en phase de recherche/développement, soit trop chers et réservés à des usages où leur prix n'est pas un obstacle. On distingue, en fonction des techniques utilisées :

le silicium monocristallin les cellules photovoltaïques sont à base de monocristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe en plastique ou en verre. Elles possèdent un très bon rendement (12 à 20 %) mais leur coût est relativement élevéVoir : Panneaux solaires photovoltaïques, sur panneaux-solaires-france.com (consulté le 9 juin 2017). ; le silicium polycristallin les cellules sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont un rendement de l’ordre de 11 à 15 % pour un prix plus accessible ; le silicium amorphe les cellules sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présenté en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale. Le rendement est plus faible que ceux des panneaux en silicium cristallin. le tellurure de cadmium les cellules sont à base de couches minces de tellurure de cadmium placées sur un support de verre ; ils sont sensiblement moins coûteux à fabriquer que ceux en silicium, mais ont un rendement (10 à 12 %) plus faible que celui du silicium monocristallin, mais plus élevé que ceux en silicium amorphe.

La technique évolue rapidement, le prix du kilowatt-crête (kWc) étant plus important que le rendement du panneau : un rendement deux fois plus faible signifie seulement qu'il faudra équiper deux fois plus de surface pour collecter la même énergie, ce qui n'est gênant que si la surface disponible est limitée par rapport à la puissance nécessaire (sur un satellite, par exemple). Par conséquent, si une nouvelle technique permet de produire des panneaux de faible rendement, mais bon marché, elle aura de bonnes chances de s'imposer. Le rendement reste néanmoins une composante du prix, ne serait-ce qu'à cause des frais de manutention et d'installation, d'autant plus faibles que le module est petit et léger.

Production L’analyse de du programme pionnier en Europe « allemands » a montré des productions de avec une moyenne de Performance of 172 grid connected PV plants in Northern Germany (Decker B, Jahn U 1994). Une autre analyse de l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) montre des valeurs typiques variant entre en Allemagne et en Hollande, en Suisse avec une dispersion considérable de (Allemagne) et (Suisse) Analysis of Photovoltaic Systems, rapport, IEA-PVPS, (lire en ligne )..

La puissance produite par un dispositif photovoltaïque peut alors s’exprimer comme le produit de trois facteurs indépendants :

avec : Puissance nominale produite en conditions STC (W) ; : Irradiation annuelle effective incidente sur le module (kWh/m) ; : Irradiance STC () ; : Facteur prenant en compte les pertes par ombrage E. Lorenzo, Radiación solar y dispositivos fotovoltaicos, 2006..

À partir de cette expression, il est possible d’estimer une productivité électrique annuelle. Les valeurs qui suivent sont indicatives et approximatives, car ce type de mesure est très sensible aux conditions et conventions adoptées : avec ou sans héliostat, avec ou sans les pertes de l’onduleur, en moyenne sur une région ou sur un lieu-dit particulièrement propice en kWh/Wc/anVoir par exemple PVGIS qui donne ce genre de résultat en tout point voulu. ; ici le coefficient de performance PR () adopté est de 0,75 et pour une surface inclinée de façon optimale. Sud de l’Allemagne : ~0,9 Espagne : ~1,4 Îles Canaries : ~2,0 Île d’Hawaï : ~2,1 Déserts (Sahara, Moyen-Orient, Australie) : ~2,3 Maximum pratique terrestre : ~2,4 (Désert d'Atacama, proche de l’équateur et particulièrement sec) Toutefois, les valeurs réelles peuvent être bien plus faibles.

Pertes énergétiques possibles thumb|Thermographie de modules photovoltaïques combinant un problème de cellule et une ombre portéeTest de panneaux solaires photovoltaïques par thermographie.. Les principales sources de pertes énergétiques sont :

ombrage partiel l’environnement d’un module photovoltaïque peut inclure des arbres, montagnes, murs, bâtiments Il peut provoquer des ombrages sur le module ce qui affecte directement l’énergie collectée. ombrage total (poussière ou saletés) leur dépôt occasionne une réduction du courant et de la tension produite par le générateur photovoltaïque.(~ 3-6 %)Solar Energy Material Solar Cells (2001). Ruiz JM., Martin N. dispersion de puissance nominale les modules photovoltaïques issus du processus de fabrication industrielle ne sont pas tous identiques. Les fabricants garantissent des déviations inférieures de 3 % à 10 % autour de la puissance nominale. En pratique, le module solaire photovoltaïque fonctionne en fonction des performances du pire panneau : la puissance nominale est donc généralement inférieure à celle prescrite par le fabricant Quesada et al. (2011) Experimental results and simulation with TRNSYS of a 7.2 kWp grid-connected photovoltaic system. Applied Energy , sur le site ScienceDirect.com+ Lorenzo (2002) La electricidad que producen los sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Era Solar, , sur le site fotovoltaica.com. Pertes de connexions la connexion entre modules de puissance légèrement différentes occasionne un fonctionnement à puissance légèrement réduite. Elles augmentent avec le nombre de modules en série et en parallèle.(~ 3 %) Pertes angulaires ou spectrales les modules photovoltaïques sont spectralement sélectifs, la variation du spectre solaire affecte le courant généré par ceux-ci. Les pertes angulaires augmentent avec l’angle d’incidence des rayons et le degré de saleté de la surface. Pertes par chutes ohmiques les chutes ohmiques se caractérisent par les chutes de tensions dues au passage du courant dans un conducteur de matériau et de section donnés. Ces pertes peuvent être minimisées avec un dimensionnement correct de ces paramètres. Pertes liées à la température On estime ainsi qu'au-delà de , une augmentation de aboutit à une baisse de production de 0,45 %.. En effet, . La température de fonctionnement des modules dépend de l’irradiation solaire incidente, de la température ambiante, de la couleur des matériaux et de la vitesse du vent (5 à 14 %).. Pertes à cause du rendement de la conversion CC/CA de l'onduleur l'onduleur peut se caractériser par une courbe de rendement en fonction de la puissance d’opération.(~ 6 %)Sistemas Fotovoltaicos (2005). Abella MA.. Pertes par suivi du point de puissance maximum l'onduleur dispose d’un dispositif électronique qui calcule en temps réel le point de fonctionnement de puissance maximum (3 %). Pertes dues au vieillissement naturel des modules En moyenne un module en plein-air perd moins de 1 % de sa capacité par an (0,8 %/an en moyenne et 0,5 %/an en valeur médiane)Dirk C. Jordan and Sarah R. Kurtz (2012) Photovoltaic Degradation Rates An Analytical Review : analyse des taux de dégradation de performances de modules et systèmes terrestres rapportés dans la littérature spécialisée depuis 40 ans (près de 2000 mesures de taux de dégradation de modules individuels ou sur des systèmes entiers) ; NREL/JA-5200-51664 ; June 2012.

Entretien