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Les modules photovoltaïques

Un module solaire photovoltaïque produit de l’électricité lorsque celui-ci est exposé à la lumière du soleil. Il fournit un courant et une tension continue non exploitable en l’état par nos appareils ménagers actuels. Il sera donc couplé à un onduleur, permettant sa transformation en courant alternatif et donc exploitable.

Mais de quoi est véritablement composé un module photovoltaïque ? Est-il vraiment non-recyclable ?

Un module photovoltaïque n’est pas d’une très grande technicité en soit. Les cellules produisent un courant électrique en réaction à la lumière. La puissance produite par le module est donc directement liée à la puissance du rayonnement solaire. Ainsi la production d’énergie variera en fonction de l’heure de la journée, du mois de l’année mais aussi des caractéristiques météorologiques locales (montagne, mer, plaine). Un autre élément vient directement impacter la production, la température. Avec l’élévation de celle-ci, le silicium, le principal composé des cellules, a la particularité de moins laisser passer l’électricité, ce qui impacte directement le rendement du module. Cette contrainte impose donc pour optimiser au possible le rendement de l’installation de favoriser au possible la bonne ventilation naturelle des panneaux.

Techniquement, on peut distinguer 6 éléments distincts qui composent un module solaire photovoltaïque :

Le cadre
Le vitrage
Les cellules
La grille collectrice
la face arrière
La boîte de jonction

 

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Le cadre

Le cadre n’est pas un élément essentiel au fonctionnement du module photovoltaïque. Il permet toutefois le bon maintien du module sur son support et renforce sa rigidité. Il est généralement en forme de U avec une hauteur allant de 30 mm à 50mm. Dans le cas où le système de montage doit assurer l’étanchéité du bâtiment, sa forme peut alors varier. Le système Solrif par exemple permet au module de droite de s’emboîter dans le module de gauche, à la façon d’une tuile.

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Le laminé

Un panneau photovoltaïque est parfois directement vendu sans cadre, Il est alors appelé laminé. Il est principalement utilisé pour de l’intégration architecturale (verrière, brise soleil, …). Dans ce cas une attention particulière sera porté dans le choix du système de montage, et à la pose de par sa fragilité.

 

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Le vitrage

Le vitrage des modules solaires est un élément essentiel au module. Il doit éviter les pertes par réflexion afin d’assurer une transmission de la lumière la plus élevée possible. Il ne devra pas se ternir avec le temps. Il devra assurer un bon transfert thermique pour permettre aux cellules de dissiper leur chaleur au risque de voir leur rendement baisser.

Un traitement « autonettoyant » à la surface de verre permet d’éviter aux particules (poussières, pollens, pollutions …) de s’accrocher à celui-ci et de les évacuer pendant les épisodes de pluie.

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Les cellules

La majorité de la production de cellules photovoltaïques est composée de silicium. Le silicium se trouve à l’état naturel sur terre, il est l’élément le plus abondant après l’oxygène et représente 25,7% de la masse de la croute terrestre. Il est utilisé de deux façons dans la production de cellules:

Le silicium monocristallin :

Cette méthode permet de fabriquer un cylindre composé d’un seul cristal de silicium. Les premières cellules en silicium furent fabriquée avec ce procédé, les modules avaient alors des cellules rondes. Pour pouvoir optimiser l’espace de captage dans le module, les cellules sont sciées pour obtenir une cellule le plus proche d’un carré, tout en retirant le moins de matière possible. On les distinguera ainsi facilement grâce à leur bord arrondi dans les angles. Grâce à ce procédé le rendement des cellules sera supérieur de 2% à 4% environ, cependant le procédé étant plus énergivore et les pertes en matière première (malgré leur recyclage) étant plus grandes, les cellules sont donc plus chères à produire.

Le silicium polycristallin

Le silicium polycristallin est lui fabriqué par une montée en fusion de la matière puis par lent refroidissement (environs 10h). Nous obtenons directement un énorme bloc de silicium, composé de multiples cristaux non-homogènes. Le procédé a pour avantage d’être bien moins énergivore que le monocristallin mais son rendement électrique sera aussi moins élevé.

Ensuite les lingots qu’ils soient monocritallin ou polycristallin, passent par l’étape du sciage. Chaque lingot est alors découpé en tranche de 250µm. A cette étape une perte de 30% à 40%  de matière est perdu, il ne sera pas possible de le recycler. Après cette étape, nous obtenons les wafers. Il possède la forme définitive de la cellule, il ne restera qu’à le « doper » chimiquement pour qu’il ait une face positive et l’autre négative, puis d’y appliquer la couche d’anti-reflet, qui donne sa teinte bleutée à la cellule.

 

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La grille collectrice

Après production des cellules, elles vont être assemblées pour former des « strings » (chaîne en anglais). Pour collecter, l’électricité se formant à la surface des cellules, elles sont pourvues d’une fine grille collectrice composée d’alliage d’argent sur les deux faces. Elles seront interconnectées entre elles en série, tout comme des piles dans une lampe torche. L’électricité produite sera alors acheminée jusqu’à la boîte de jonction.

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La face arrière

La face arrière d’un module permet de fermer de façon étanche le laminé. Le silicium, tout comme les métaux, étant sensible à l’oxydation, en présence d’oxygène et d’eau, la face avant des cellules se retrouverait obstruée par une couche d’oxyde. La cellule qui ne pourra être frappée par le soleil ne produisant plus d’énergie. Jusqu’à peu, les laminés étaient pourvus d’une fine couche de tedlar (polymère) à l’arrière. Celui-ci était collé à chaud, il emprisonne les cellules contre le vitrage, créant du même coup un vide d’air. De plus en plus, nous pouvons voir l’ajout d’un vitrage en lieu et place du tedlar. Il permet de faire des modules transparents pour des verrières, serres agricoles ou encore brise-soleil. Il présente aussi une bien meilleure tenue dans le temps. Ainsi ces modules, appelés bi-verre, sont garantis 25 voir même 30 ans par leur fabricant, là ou les modules standards sont garantie 20 ans.

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La boîte de jonction

La boîte de jonction à deux rôles au sein d’un module :

Connexion électrique

Elle permet d’assurer la bonne connexion électrique entre les strings de cellules et le reste de l’installation. Tout en assurant l’étanchéité à l’air et l’eau du laminé.

Optimisation du module

A l’intérieur de la boîte de jonction se situe en général 3 diodes de type Schottky.  Elles sont là pour optimiser la production d’énergie. En effet, lorsqu’une ombre vient à masquer la cellule, celle-ci non seulement ne produit plus, mais vient se comporter comme un interrupteur ouvert. Les cellules étant toutes en série, cela signifie que l’ensemble du module se trouverait arrêté. Les diodes vont permettre de diviser le module en trois parties égales qui si l’une d’elles devait être affectée par de l’ombrage, le reste du module ne serait pas impacté.

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Une maintenance minime

Une maintenance simple

Les premières utilisations des panneaux photovoltaïques furent pour l’alimentation électrique dans l’espace. Puis plus proche de nous mais toujours dans des conditions extrêmes, les panneaux photovoltaïques se sont développés pour l’alimentation électrique des antennes relais en haute montagne.

Nous voyons bien ici la robustesse, la fiabilité et par conséquent la faible maintenance nécessaire à ces lieux insulaires. En effet, ne possédant aucune pièce en mouvement, il ne s’use pas. Il résiste à des températures extrêmes, à la neige et à la grêle. Un simple contrôle pour s’assurer que rien ne masque les cellules (salissure, végétation, …) sera nécessaire. Il faudra toutefois assurer un contrôle régulier des moyens de fixation, qui avec le vent peuvent se desserrer et de l’onduleur, qui comme tout appareil électronique peut subir des défaillances.

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Le Recyclage

Le recyclage est depuis longtemps mis en place dans l’industrie photovoltaïque. Le silicium se recycle, aussi bien que le verre et ne nécessite que d’être à nouveau fondu pour être remis dans le circuit. La cellule en silicium monocristallin étant à l’origine, ronde, le sciage de la cellule pour la rendre carrée, occasionne de lourdes pertes. La mise en place du recyclage a ainsi permis une baisse du coût de matières premières.

Dans un second temps, un consortium de fabricants de cellules a décidé de s’unir au sein d’une association (PV’Cycle) pour mettre tout de suite en place, une filière de récupération et de recyclage des modules en fin de vie. Chaque fabricant finance ainsi à hauteur de sa production, le recyclage des modules gratuitement.

Les modules photovoltaïques sont recyclables à hauteur de 98%. L’aluminium du cadre nécessitera 10 fois moins d’énergie à le recycler, qu’à en produire de nouveaux à partir de minerai d’aluminium. Les cellules, une fois débarrassées de leurs couches anti reflet, ainsi que le verre repartiront dans leurs cycles respectifs. La grille collectrice composée d’alliage d’argent sera elle aussi recyclée, les diodes partiront dans le circuit des produits électroniques. Seul le Tedlar sur la face arrière et le plastique de la boîte de jonction seront en parti brûlés pendant la phase de désassemblage et donc non recyclés.

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