Que sont les panneaux solaires bifaciaux ? Présentation, fonctionnement et perspectives

Comment ces panneaux se comparent-ils aux panneaux solaires monofaciaux ?

David Kuchta, Ph.D. a 10 ans d'expérience dans le jardinage et a beaucoup lu sur l'histoire de l'environnement et la transition énergétique. Activiste écologiste depuis les années 1970, il est également historien, auteur, jardinier et éducateur.

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Les panneaux solaires bifaciaux génèrent de l'énergie solaire à la fois à partir de la lumière directe du soleil et de la lumière réfléchie (albédo), ce qui signifie qu'il s'agit essentiellement de panneaux à double face.

C'est une grande différence par rapport aux panneaux solaires monofaciaux plus courants, qui ne génèrent de l'énergie que du côté orienté vers le soleil.

Le solaire biface n'est pas nouveau. En fait, les premières cellules solaires produites par Bell Laboratories en 1954 étaient bifaciales. Cependant, malgré leur potentiel d'efficacité accrue, les panneaux solaires bifaciaux n'ont pas l'adoption généralisée des panneaux solaires monofaciaux, en partie en raison de leur coût relatif ainsi que des conditions environnementales plus spécifiques dont ils ont besoin.

En capturant l'albédo ainsi que la lumière directe du soleil, la quantité d'électricité générée par chaque panneau bifacial augmente, ce qui signifie que moins de panneaux solaires doivent être installés.

Contrairement aux panneaux solaires monofaciaux, ils sont faits de verre transparent, qui laisse passer une partie de la lumière et se reflète sur la surface en dessous. Pour augmenter encore la quantité de lumière qui les traverse, ils utilisent du verre au lieu de cadres métalliques ou de lignes de grille pour les maintenir en place. Le verre est en verre trempé pour réduire les rayures. Sinon, ils fonctionnent exactement comme les autres panneaux photovoltaïques (PV), en utilisant du silicium cristallin pour absorber la lumière du soleil et la convertir en courant électrique. L'arrière d'un panneau solaire bifacial partage généralement ses circuits avec la face avant, augmentant ainsi l'efficacité sans augmenter les circuits.

Les panneaux bifaciaux peuvent générer jusqu'à 9 % d'électricité en plus que les panneaux monofaciaux, selon une étude récente du National Renewable Energy Laboratory (NREL), une division du Département américain de l'énergie. Comme c'est le cas avec les panneaux monofaciaux à haut rendement, cela signifie que moins de panneaux doivent être installés, ainsi que le matériel associé comme les supports de panneau, les onduleurs et les câbles, ce qui réduit à la fois les coûts matériels et les coûts de main-d'œuvre.

La technologie solaire PV est moins efficace à des températures plus élevées, ce qui donne aux panneaux bifaciaux un autre avantage. Parce qu'ils sont faits de verre sans le support en aluminium absorbant la chaleur des panneaux monofaces, ils ont des températures de travail plus basses, ce qui ajoute à leur efficacité.

Les panneaux bifaciaux n'ont pas besoin d'être mis à la terre, car ils n'ont pas de cadres métalliques qui pourraient potentiellement conduire l'électricité. Et comme leur construction les rend plus durables, ils sont souvent assortis de garanties plus longues - 30 ans au lieu de 25 ans pour les panneaux monofaciaux.

Parce que les panneaux bifaciaux dépendent davantage du rayonnement solaire diffus, ils sont plus efficaces que les panneaux monofaciaux dans les climats nuageux, ou partout où il y a moins de lumière directe du soleil et un pourcentage plus élevé d'insolation indirecte et diffuse. Pour la même raison, les panneaux bifaciaux sont plus efficaces pendant de plus longues périodes de la journée, lorsqu'il y a encore du soleil diffus mais qu'aucun ne brille directement sur les panneaux.

Les panneaux bifaciaux peuvent également mieux bénéficier de trackers solaires pour suivre le soleil tout au long de la journée. Avec le suivi, une étude a montré que l'électricité générée augmentait de 27 % par rapport aux panneaux monofaciaux et de 45 % par rapport aux panneaux bifaciaux à inclinaison fixe. Une autre étude avec des résultats similaires a déterminé que les panneaux bifaciaux sur les trackers solaires réduisaient le coût de l'électricité de 16%.

Les panneaux solaires bifaciaux conviennent mieux au-dessus de surfaces hautement réfléchissantes telles que le sable, le béton ou la neige. Avec leur couverture arborée minimale, les déserts comme le désert d'Atacama au Chili illustré ci-dessus, ont des taux d'albédo élevés, tout comme les régions où l'herbe brunit en été, comme sur les coteaux de Californie.

NREL a construit une base de données comparant les niveaux de réflectivité de différents matériaux et l'a mise à disposition sur le site Web DuraMAT. Les installateurs solaires peuvent utiliser les données sur l'humidité d'une zone, la couverture nuageuse moyenne, le type de biome écologique, la vitesse du vent et d'autres paramètres, pour calculer l'efficacité relative de la localisation de panneaux solaires bifaciaux sur différents sites.

Il en va de même pour les régions de latitude plus élevée avec de longues périodes d'enneigement. Les panneaux solaires produisent généralement environ 40 à 60 % d'électricité en moins pendant l'hiver, mais les panneaux solaires sont plus efficaces à des températures plus fraîches et réduisent les interférences atmosphériques des latitudes plus élevées. Dans les climats hivernaux, la capture de la lumière solaire réfléchie par la neige améliore cette efficacité pendant une saison au cours de laquelle ils sont le mieux à même de convertir la lumière en électricité.

De manière générale, les panneaux bifaciaux ne sont pas bien adaptés aux toitures résidentielles, pour plusieurs raisons. Pour réduire l'ombrage en dessous, les panneaux solaires bifaciaux doivent généralement être situés plus haut par rapport à la surface réfléchissante en dessous, de sorte qu'ils ne peuvent pas être installés à proximité d'une surface de toit. Même s'ils le pouvaient, les toits de couleur foncée absorbent plutôt qu'ils ne réfléchissent la lumière. Les panneaux bifaciaux sont également plus lourds ce qui les rend plus difficiles à installer et limite leurs cas d'utilisation. Les toits plus anciens peuvent également ne pas être en mesure de supporter le poids supplémentaire ou d'accueillir les structures de support requises par les panneaux bifaciaux.

Enfin, les panneaux bifaciaux sont plus chers et les coûts de main-d'œuvre sont plus élevés, ce qui rend les coûts initiaux totaux plus élevés prohibitifs pour de nombreux clients résidentiels à petite échelle. Pourtant, le coût supplémentaire des panneaux est inférieur à 10%, selon la même recherche NREL citée ci-dessus, il est donc compensé par l'efficacité supplémentaire des modules. Si un propriétaire a un toit qui supportera l'énergie solaire bifaciale et la capacité de financer l'investissement, cela en vaut bien le coût.

D'autres surfaces, cependant, sont des emplacements idéaux. Les bâtiments à toit plat qui sont peints avec des couleurs plus claires peuvent avoir des panneaux bifaciaux montés dessus, tout comme les auvents de stationnement, les patios de piscine, les terrasses, les pergolas, les porches, les auvents et autres structures d'ombrage. Les systèmes au sol qui couvrent des matériaux légers comme le béton, le sable, le gravier ou les carreaux sont également de bons candidats.

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En raison des cas d'utilisation préférés de l'énergie solaire bifaciale, les fermes solaires à grande échelle et communautaires ont été plus rapides à adopter la technologie, car leurs options de conception de montage et d'implantation ne se limitent pas aux toits. Dans ces situations, le coût actualisé des panneaux bifaciaux peut être de 2 à 6 % inférieur à celui des panneaux monofaciaux. Clearway Energy Group, un développeur de projets solaires communautaires et à grande échelle, considère que la production d'énergie plus élevée de l'énergie solaire bifaciale, combinée à des trackers, est cruciale pour la baisse continue du coût de l'énergie solaire, déjà la source d'électricité la moins chère dans la plupart des régions du monde .

Ce qui peut être une limitation peut aussi être une vertu. Nécessitant des supports plus hauts que les panneaux solaires monofaciaux, les panneaux solaires bifaciaux peuvent être plus facilement intégrés à un système agriphotovoltaïque, qui combine l'agriculture et la production d'énergie solaire. Les cultures peuvent être cultivées plus facilement autour des monts les plus élevés, tandis que les vaches et les moutons au pâturage peuvent bénéficier de l'ombre fournie par les panneaux, ce qui rend la terre 60 % plus productive en combinant les deux fonctions.

Selon NREL, "le PV bifacial devient courant avec des gigawatts de projets installés." Les prévisionnistes du marché s'attendent à ce que le solaire bifacial ait un taux de croissance annuel composé de 15 % au cours de la période de prévision 2020-2027. Et NREL prédit que d'ici la fin de la décennie, les panneaux solaires bifaces représenteront 60 % du marché de l'énergie solaire photovoltaïque, contre environ 15 % en 2019. À mesure que l'énergie solaire se développe avec l'augmentation de la demande du marché et du soutien gouvernemental, et que le changement climatique augmente la nécessité de tout électrifier partout, les contraintes d'espace et les questions d'utilisation des sols de plus en plus controversées et peuvent favoriser des panneaux bifaciaux moins nombreux et plus efficaces.

Comme pour la technologie solaire en général, le coût des panneaux bifaciaux est appelé à baisser à mesure que le volume de production augmente, avec des prévisions selon lesquelles la parité des prix avec le solaire monofacial fera bientôt pencher le marché en faveur des panneaux bifaciaux. Le coût de l'électricité solaire a chuté de 90 % entre 2009 et 2020, selon le coût actualisé de l'énergie de Lazard. Cela rend les panneaux bifaciaux particulièrement attrayants pour les fermes solaires à échelle utilitaire et communautaire, où les économies d'échelle signifient que l'augmentation du rendement énergétique n'a qu'un coût légèrement accru.

La différence de coût diminuerait également si le gouvernement américain supprimait les tarifs mis en place en 2018. Jusqu'à présent, l'administration Biden a soutenu le tarif car elle cherche à promouvoir la production américaine de panneaux solaires par rapport aux importations en provenance de Chine, avec le soutien de certains fabricants solaires basés aux États-Unis. À ce jour, aucune levée de ce type n'est en cours, car la question fait son chemin dans le système judiciaire. Déjà, cependant, le coût actualisé des systèmes bifaciaux est compétitif avec les systèmes monofaciaux. NREL prédit que "post-tarif, bifacial est un gagnant clair".

Contrairement à d'autres tentatives pour augmenter l'efficacité des panneaux solaires, telles que les cellules solaires à pérovskite, la technologie bifaciale existe maintenant, est déployable à grande échelle et est déployable rapidement. Alors que l'urgence d'agir sur le changement climatique devient de plus en plus claire, la technologie solaire bifaciale présente l'un des moyens les plus efficaces de réduire les émissions de carbone dans le secteur de l'énergie.

Bien que les panneaux bifaciaux ne conviennent pas à tous les toits ou même à tous les montages au sol, leur efficacité accrue permet aux développeurs solaires à grande échelle d'obtenir un retour sur investissement plus rapide et d'attirer ainsi les investisseurs à la recherche de gains à court terme. Leur encombrement réduit par rapport aux panneaux monofaciaux permet aux propriétaires d'immeubles d'appartements d'apporter efficacement de l'électricité solaire à leurs locataires et permet de construire des fermes solaires communautaires à proximité de l'endroit où les clients en ont besoin, le tout sans avoir besoin de grandes mises à niveau de transmission d'électricité. L'énergie solaire bifaciale est une technologie d'avenir qui est là aujourd'hui.

Les panneaux solaires bifaciaux génèrent de l'énergie solaire des deux côtés du panneau tandis que les panneaux monofaciaux génèrent de l'énergie uniquement du côté faisant face au soleil.

Les recherches montrent que les panneaux solaires bifaciaux peuvent générer jusqu'à 9 % d'électricité en plus que leurs homologues monofaciaux.

Les panneaux solaires bifaciaux ne sont pas idéaux pour être montés sur des toits inclinés. Ils font mieux de planer haut sur des surfaces réfléchissantes comme le sable ou la neige. Ils peuvent être montés comme n'importe quel autre panneau solaire, mais plus ils sont inclinés, plus ils fournissent d'énergie.

Les panneaux solaires bifaciaux coûtent jusqu'à 10 % de plus que les panneaux solaires monofaciaux traditionnels.

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