Panneau solaire

La rentabilité des investissements dépend de plusieurs paramètres.

Les capteurs thermiques 

Ils sont rentables dans les régions très ensoleillées, même sous des latitudes élevées (nord de la France, Belgique, Canada, etc.)^{[réf. nécessaire]}.

Les panneaux solaires photovoltaïques 

Ils sont plus rentables dans les régions très ensoleillées, bien que la chaleur nuise au rendement des capteurs. Cela explique l'engouement des pays du sud de l’Europe (Italie, Portugal, etc.), à la fois grands consommateurs et grands producteurs potentiels, pour l'installation de grandes centrales. Le rendement des panneaux solaires photovoltaïques est défini comme la part du rayonnement solaire transformée en électricité. Il varie de 6 à 8 %[2] pour les panneaux en silicium amorphe à 46 % pour les cellules les plus performantes obtenues en laboratoire[3]. La moyenne se situe actuellement à 14,5 %^{[réf. nécessaire]}.

• Quelques maisons solaires
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  Écoconstruction géonef autonome de l’architecte américain Mike Reynolds, en Angleterre.
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  Installation photovoltaïque intégrée au bâti, en Allemagne.
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  Heliotrop, de Fribourg-en-Brisgau en Allemagne.
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  Maison écologique du site Biosphère de l'île Sainte-Hélène, au Québec.
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  Refuge de montagne du parc national d'Aigüestortes et lac Saint-Maurice, Pyrénées.

Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il faut savoir que l'énergie émise par le soleil et reçue par la Terre en environ une heure permettrait, si elle était récupérée en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an. En théorie, un carré de panneaux solaires de 344 km de côté (120 000 km²) pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité, le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 et 17 % (en 2007 en Europe)^{[réf. nécessaire]}, soit 160 kWh/an/m² (ou 160 GWh/an/km²[N 2]) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006 ; 16 000 TWh en 2004[4]). Dans le cas de l'Europe des Vingt-Sept (consommation annuelle de 3 000 TWh), une surface de 137 km de côté (soit 19 000 km²) suffirait, tandis que dans le cas de la France, (500 TWh), elle devrait atteindre 56 km de côté (3 100 km²).

• Quelques centrales solaires
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  Four solaire d'Odeillo, Font-Romeu-Odeillo-Via, Pyrénées.
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  Centrale solaire Thémis d'EDF, Pyrénées-Orientales.
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  Parc de centrales photovoltaïques de la Colle des Mées, Alpes-de-Haute-Provence.
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  Toiture photovoltaïque de 1 MW à Hanovre, Allemagne.
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  Centrale électrique solaire, au Maroc.
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  Élevage en Basse-Saxe, en Allemagne.
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  Centrale solaire de Solnova, en Andalousie.
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  Nellis Solar Power Plant, 72 000 panneaux de 14 MW, au Nevada, États-Unis.
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  Nellis Solar Power Plant.
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  Projet de centrale solaire orbitale, NASA.

D'une manière générale, on considère que la totalité de la surface des toitures existantes, correctement exposées et couvertes de panneaux, pourrait suffire à satisfaire la totalité des besoins mondiaux en électricité^{[réf. nécessaire]}. Par exemple, l'Île-de-France à elle seule a une superficie de 12 011 km² dont 20 % d'espaces construits, soit 2 400 km² ou 75 % de la surface nécessaire pour couvrir les besoins de la France.^{[réf. nécessaire]}

• Quelques véhicules solaires
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  Voiture solaire Mercedes-Benz Alpha Real 1985, musée Mercedes-Benz de Stuttgart.
• 
  Voiture solaire BMW Lovos, 2009, musée BMW de Munich.
• 
  Concept-car Peugeot Proxima.
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  Voitures solaires, World Solar Challenge, Texas Motor Speedway, 2009.
• 
  Bateau solaire Plastiki, Californie.
• 
  Bateau solaire PlanetSolar à Miami, Floride.
• 
  Avion solaire suisse Solar Impulse, Payerne, 2014.
• 
  Avion solaire NASA Pathfinder.
• 
  Dirigeable de haute altitude, Lockheed Martin, 2006
• 
  Télescope spatial Hubble, 1990.
• 
  Station spatiale internationale, 2011.
• 
  Sonde spatiale Mars Pathfinder, 1997.

Les panneaux solaires peuvent être inclinés jusqu'à 60 degrés pour permettre à la neige de glisser. De plus, la surface chaude du capteur solaire suffit à faire fondre les amoncellements qui pourraient rester accrochés au panneau.

Calcul de l'angle d'incidence.

À partir de l'équation du temps, du jour de l'année et de la latitude de l'endroit où se trouve le capteur solaire, il est possible de calculer l'élévation et l'azimut du soleil, à l'aide de la trigonométrie sphérique. Une fois l'élévation et l'azimut connus, il est possible de calculer l'angle d'incidence du soleil sur le capteur plan.

Soient :

${\displaystyle a}$ et ${\displaystyle a_{C}}$ l'azimut du soleil et du capteur, et ${\displaystyle h}$ et ${\displaystyle h_{C}}$ l'élévation du soleil et du capteur.

Il vient :

${\displaystyle \cos(i)=\sin(h)\sin(h_{C})+\cos(a-a_{C})\cos(h)\cos(h_{C})}$

où ${\displaystyle i}$ est l'angle d'incidence.

Il existe deux grands types de panneaux solaires thermiques : les « capteurs à eau » et les systèmes aérothermiques (« capteurs à air » et systèmes pariétodynamiques plus ou moins passifs).

Capteurs thermiques « à eau » 

L'eau, ou plus souvent un liquide caloporteur additivé[5], circule en circuit fermé dans des tubes. Une surface matte appelée absorbeur, parfois simplement peinte en noir, est chauffée par le rayonnement solaire et transmet la chaleur au liquide caloporteur. Pour obtenir un meilleur rendement, les tubes peuvent être sous vide, c'est-à-dire qu'ils comportent deux couches entre lesquelles est fait le vide, ce qui permet d'obtenir un effet de serre. Les panneaux solaires thermiques peuvent également se résumer à une simple surface vitrée sous laquelle circule le liquide caloporteur. Les capteurs solaires à eau sont typiquement utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus simple et la plus rentable pour l'utilisation de l'énergie solaire^{[réf. souhaitée]}.

Les systèmes solaires combinés (SSC) adjoignent le système précédent à une installation de chauffage de bâtiment ou alimentent directement un plancher chauffant[6]. Les systèmes de chauffage solaire commencent à se développer^[Quand ?]. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs[7].

Capteurs thermiques « à air » 

Au lieu d'eau, de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs ou dans une zone d'effet de serre. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats, généralement pour le chauffage et parfois pour des usages industriels ou agricoles (séchage des produits).

En France, le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) pour promouvoir les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, des régions, de certains départements et de certains regroupements communaux[8].

• Différents types de panneaux solaires thermiques
• 
  Tracker solaire / Héliostat pour maison de particulier.
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  Capteur solaire Solar Decathlon, en Californie.
• 
  Capteur solaire thermique tubulaire.
• 
  Chauffe-eau solaire.
• 
  Capteur solaire thermique sur toiture végétale.
• 
  Panneau solaire thermique artisanal.
• 
  Mur Trombe.

Panneau solaire photovoltaïque, dans un jardin potager.

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle.

Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers. Dans ce dernier cas, la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. En dehors de centrales solaires, les installations fixes se font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments, soit intégrées au toit, soit posées au-dessus. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble. Cette inclinaison n'est pas optimale pour la production d'électricité ; en France, la position fixe optimale est une inclinaison de 30° par rapport à l'horizontale, ou de 60° si l'objectif est de maximiser la production d'électricité en hiver[9]. Toutefois, comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense au moins partiellement une production plus faible.

Différentes technologies photovoltaïques existent[10] :

• le silicium polycristallin (pc-Si) représentant environ 57,0 % du marché mondial ;
• le silicium monocristallin (sc-Si) représentant environ 30,9 % du marché mondial ;
• le tellurure de cadmium (CdTe) représentant environ 5,5 % du marché mondial ;
• le silicium amorphe (a-Si) représentant environ 3,4 % du marché mondial ;
• le CIS (cuivre, indium, sélénium), CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium), le CIGSS (cuivre, indium, gallium, disélénide, disulphide) et l'arséniure de gallium (Ga-As) représentant moins de 5 % du marché mondial.

De 2012 à 2018 la Chine s'est imposée comme leader mondial. En 2018, 70 % des modules photovoltaïques sont produits en Chine, parfois jusqu'à 25 % moins cher qu'en France selon Enerplan (représentant les entreprises françaises du solaire)[23]. Elle est aussi, depuis 2012, le premier investisseur mondial dans les énergies renouvelables, mais manque encore d'infrastructures adaptées au raccordement de tous les parcs solaires prévus, ce qui a poussé les fabricant chinois à écouler plus de panneaux à l'étranger. En réaction, début 2018, les États-Unis ont introduit une hausse des droits de douanes sur les panneaux chinois[23].

Dans l'Union européenne, en 2017, le solaire a atteint 3 % de la consommation électrique totale[23] mais, face à la concurrence chinoise, l'Europe risquait de perdre quelque 30 000 emplois, ce qui l'a poussée à appliquer un droit anti-dumping de 11,8 % au mois de juin 2013, puis de 47,6 % deux mois plus tard, sur les panneaux importés de Chine[24]. L'Europe accuse notamment la Chine de trop subventionner les entreprises produisant des panneaux solaires, ce qui lui permet de vendre en Europe des panneaux solaires à un prix inférieur à leur coût de production[25] et a prolongé ces mesures jusqu'en aout 2018 pour protéger son industrie solaire[23]. En 2017, la Commission européenne a initié une réduction progressive de ces mesures sur dix-huit mois, malgré les protestations de la fédération de producteurs « EU Prosun » selon laquelle une centaine de producteurs ont fait faillite face à la concurrence chinoise, qui en outre s'est adaptée en construisant des usines en Turquie ou en Tchéquie et en rachetant des entreprises européennes avec, par exemple, l'achat en 2016 du Néerlandais Solland Power par le Chinois Trina Solar (leader mondial)[23]. Selon la fédération SolarPower Europe, représentant les parcs photovoltaïques, ces parcs vont néanmoins continuer à se développer en Europe[23].