Principe de fonctionnement d'une batterie solaire : comment est conçu et fonctionne un panneau solaire

Transformer efficacement les rayons gratuits du soleil en énergie utilisable pour l'alimentation électrique des habitations et autres bâtiments est le rêve cher à de nombreux adeptes des énergies vertes.

Cependant, le principe de fonctionnement d'une batterie solaire et son rendement sont tels qu'il n'est pas encore question de parler d'une haute efficacité pour ces systèmes. Il serait bien de disposer de sa propre source d'électricité supplémentaire, n'est-ce pas ? D'autant plus qu'aujourd'hui, même en Russie, de nombreux ménages privés sont déjà alimentés avec succès par l'électricité « gratuite » des panneaux solaires. Ne savez-vous toujurs pas par où commencer ?

Ci-dessous, nous allons vous expliquer la conception et les principes de fonctionnement d'un panneau solaire, vous apprendrez de quoi dépend l'efficacité d'un système solaire. Et les vidéos incluses dans l'article vous aideront à assembler vous-même un panneau solaire à partir de cellules photovoltaïques.

Batteries solaires : terminologie

Dans le domaine de l'énergie solaire, il y a beaucoup de nuances et de confusion. Il est souvent difficile pour les débutants de comprendre tous les termes inconnus au début. Mais il n'est pas raisonnable de se lancer dans l'énergie solaire et d'acheter du matériel pour générer du courant « solaire » sans cela.

Par ignorance, on peut non seulement choisir un panneau inadapté, mais aussi tout simplement le griller lors de la connexion ou en tirer un volume d'énergie trop faible.

Tout d'abord, il convient de comprendre les différents types d'équipements pour l'énergie solaire. Les panneaux solaires et les capteurs solaires sont deux dispositifs fondamentalement différents. Tous deux convertissent l'énergie des rayons du soleil.

Cependant, dans le premier cas, le consommateur obtient de l'énergie électrique en sortie, et dans le second, de l'énergie thermique sous forme de caloporteur chauffé, c'est-à-dire que les panneaux solaires sont utilisés pour le chauffage de la maison.

Vous ne pourrez obtenir le maximum de rendement d'un panneau solaire qu'en sachant comment il fonctionne, de quels composants et modules il est constitué et comment tout cela se connecte correctement.

Le deuxième point concerne la notion même du terme « panneau solaire ». Habituellement, par le mot « batterie », on entend un dispositif qui accumule de l'énergie électrique. Ou bien on pense à un simple radiateur de chauffage. Cependant, dans le cas des panneaux solaires, la situation est radicalement différente. Ils n'accumulent rien en eux-mêmes.

Un panneau solaire génère un courant électrique continu. Pour le convertir en courant alternatif (utilisé dans les ménages), un onduleur doit être présent dans le schéma.

Les panneaux solaires sont destinés exclusivement à la génération de courant électrique. Celui-ci, à son tour, est accumulé pour alimenter la maison en électricité la nuit, lorsque le soleil se couche à l'horizont, dans les batteries déjà présentes en supplément dans le schéma d'alimentation électrique du site.

Le terme « batterie » est entendu ici dans le contexte d'un certain ensemble de composants similaires, assemblés en une seule unité. En fait, il s'agit simplement d'un panneau composé de plusieurs cellules photovoltaïques identiques.

Structure interne d'une batterie solaire

Progressivement, les panneaux solaires deviennent moins chers et plus efficaces. Aujourd'hui, ils sont utilisés pour recharger les batteries dans les lampadaires, les smartphones, les voitures électriques, les maisons particulières et les satellites dans l'espace. On a même commencé à construire à partir d'eux de véritables centrales solaires photovoltaïques (CSP) avec de grands volumes de génération.

Un panneau solaire se compose de nombreuses cellules photovoltaïques (convertisseurs photovoltaïques, CPV), qui convertissent l'énergie des photons du soleil en électricité.

Chaque panneau solaire est constitué d'un bloc composé d'un certain nombre de modules qui regroupent des cellules photovoltaïques semi-conductrices connectées en série. Pour comprendre les principes de fonctionnement d'un tel panneau, il est nécessaire d'analyser le fonctionnement de ce maillon final du dispositif du panneau solaire, conçu à base de semi-conducteurs.

Types de cristaux de cellules photovoltaïques

Il existe un grand nombre de variantes de cellules photovoltaïques constituées de différents éléments chimiques. Cependant, la plupart d'entre elles sont encore en phase de développement. À l'heure actuelle, seuls les panneaux à base de silicium sont produits à l'échelle industrielle.

Les semi-conducteurs en silicium sont utilisés dans la fabrication des panneaux solaires en raison de leur faible coût, mais ils ne peuvent pas se vanter d'un rendement particulièrement élevé.

Une cellule photovoltaïque classique dans un panneau solaire est une fine plaquette composée de deux couches de silicium, chacune ayant ses propres propriétés physiques. Il s'agit d'une jonction p-n semi-conductrice classique avec des paires électron-trou.

Lorsque des photons frappent la cellule photovoltaïque, une photo-force électromotrice de barrière se crée entre ces couches de semi-conducteur en raison de l'hétérogénéité du cristal, ce qui génère une différence de potentiel et un courant d'électrons.

Les plaquettes de silicium des cellules photovoltaïques se différencient par leur procédé de fabrication en :

1. Monocristallines.
2. Polycristallines.

Les premières ont un rendement plus élevé, mais leur coût de production est également plus élevé que celui des secondes. Extérieurement, on peut distinguer un type de l'autre sur un panneau solaire par leur forme.

Les cellules photovoltaïques monocristallines ont une structure homogène, elles se présentent sous forme de carrés aux coins coupés. Contrairement à elles, les cellules polycristallines ont une forme strictement carrée.

Les polycristaux sont obtenus par refroidissement progressif du silicium fondu. Cette méthode est extrêmement simple, c'est pourquoi ces cellules photovoltaïques ne coûtent pas cher.

Mais leur rendement en matière de production d'énergie à partir des rayons solaires dépasse rarement 15 %. Cela est dû à l'« impureté » des plaquettes de silicium obtenues et à leur structure interne. Plus la couche p du silicium est pure, plus le rendement des cellules photovoltaïques qui en sont issues est élevé.

La pureté des monocristaux est à cet égard bien supérieure à celle de leurs homologues polycristallins. Ils sont fabriqués non pas à partir de silicium fondu, mais à partir d'un monocristal de silicium cultivé artificiellement. Le coefficient de conversion photovoltaïque de ces cellules atteint déjà 20 à 22 %.

Dans le module général, les cellules photovoltaïques individuelles sont assemblées sur un cadre en aluminium, et pour les protéger, elles sont recouvertes d'un verre résistant qui n'entrave en rien les rayons du soleil.

La couche supérieure de la plaquette de cellule photovoltaïque tournée vers le soleil est constituée du même silicium, mais avec l'ajout de phosphore. C'est ce dernier qui sera la source des électrons excédentaires dans le système de jonction p-n.

Une véritable percée dans l'utilisation de l'énergie solaire a été le développement de panneaux flexibles au silicium photovoltaïque amorphe :

Principe de fonctionnement d'un panneau solaire

Lorsque les rayons du soleil frappent la cellule photovoltaïque, des paires électron-trou hors équilibre sont générées. Les électrons excédentaires et les « trous » sont partiellement transportés à travers la jonction p-n d'une couche semi-conductrice à l'autre.

En conséquence, une tension apparaît dans le circuit externe. De plus, sur le contact de la couche p se forme le pôle positif de la source de courant, et sur la couche n, le pôle négatif.

La différence de potentiel (tension) entre les bornes de la cellule photovoltaïque apparaît en raison de la variation du nombre de « trous » et d’électrons de part et d’autre de la jonction p-n suite à l’irradiation de la couche n par les rayons solaires.

Les cellules photovoltaïques connectées à une charge externe sous forme de batterie forment avec elle un circuit fermé. En conséquence, le panneau solaire fonctionne comme une sorte de roue le long de laquelle les électrons courent comme des écureuils. Pendant ce temps, la batterie accumule progressivement une charge.

Les convertisseurs photovoltaïques standard en silicium sont des éléments à simple jonction. Le flux d’électrons y se produit uniquement à travers une seule jonction p-n avec une zone de cette jonction limitée en énergie photonique.

C’est-à-dire que chaque cellule photovoltaïque de ce type ne peut produire de l’électricité qu’à partir d’un spectre étroit du rayonnement solaire. Toute l’énergie restante est perdue. C’est pourquoi le rendement des cellules photovoltaïques est si faible.

Pour augmenter le rendement des panneaux solaires, les éléments semi-conducteurs en silicium utilisés sont récemment devenus à jonctions multiples (en cascade). Dans les nouveaux convertisseurs photovoltaïques, il y a plusieurs jonctions. De plus, chacune d’elles dans cette cascade est conçue pour son propre spectre de rayons solaires.

L’efficacité globale de conversion des photons en courant électrique de ces cellules photovoltaïques augmente en fin de compte. Mais leur prix est également beaucoup plus élevé. Il s’agit soit d’une simplicité de fabrication avec un faible coût et un faible rendement, soit d’un rendement plus élevé associé à un coût élevé.

Un panneau solaire peut fonctionner aussi bien en été qu’en hiver (il a besoin de lumière, pas de chaleur) – moins il y a de nuages et plus le soleil brille, plus le panneau solaire génère de courant électrique.

En fonctionnement, la cellule photovoltaïque et l’ensemble du panneau chauffent progressivement. Toute l’énergie qui n’a pas été utilisée pour la génération de courant électrique est transformée en chaleur. La température à la surface du panneau solaire atteint souvent 50 à 55 °C. Mais plus elle est élevée, moins l’élément photovoltaïque fonctionne efficacement.

En fin de compte, un même modèle de panneau solaire génère moins de courant par temps chaud que par temps froid. Les cellules photovoltaïques affichent leur rendement maximal par une journée d’hiver claire. Deux facteurs entrent en jeu : beaucoup de soleil et un refroidissement naturel.

Cependant, si de la neige tombe sur le panneau, il continuera à produire de l’électricité. De plus, les flocons de neige n’auront même pas le temps de s’y attarder, fondant sous la chaleur des cellules photovoltaïques chauffées.

Efficacité des batteries du système solaire

Une seule cellule photovoltaïque, même à midi par temps clair, ne produit qu’une très faible quantité d’électricité, suffisante tout au plus pour faire fonctionner une lampe de poche à LED.

Pour augmenter la puissance de sortie, plusieurs cellules photovoltaïques sont combinées en parallèle pour augmenter la tension continue et en série pour augmenter l’intensité du courant.

L’efficacité des panneaux solaires dépend de :

• la température de l’air et du panneau lui-même ;
• la justesse du choix de la résistance de charge ;
• l’angle d’incidence des rayons solaires ;
• la présence/absence d’un revêtement antireflet ;
• de la puissance du flux lumineux.

Plus la température extérieure est basse, plus les cellules photovoltaïques et le panneau solaire dans son ensemble fonctionnent efficacement. C'est simple. En revanche, le calcul de la charge est plus complexe. Il faut la choisir en fonction du courant fourni par le panneau. Mais sa valeur varie selon les conditions météorologiques.

Les panneaux solaires sont conçus pour une tension de sortie multiple de 12 V – si l'on doit fournir 24 V à la batterie, il faudra connecter deux panneaux en parallèle.

Il est problématique de surveiller constamment les paramètres du panneau solaire et de corriger manuellement son fonctionnement. Pour cela, il est préférable d'utiliser un contrôleur de gestion, qui ajuste automatiquement les réglages du panneau solaire pour obtenir de lui une performance maximale et des modes de fonctionnement optimaux.

L'angle d'incidence idéal des rayons du soleil sur le panneau solaire est droit. Cependant, avec un écart de 30 degrés par rapport à la perpendiculaire, l'efficacité du panneau ne chute que d'environ 5%. Mais si cet angle augmente encore, une plus grande partie du rayonnement solaire sera réfléchie, réduisant ainsi le rendement des cellules photovoltaïques.

Si l'on souhaite que le panneau fournisse un maximum d'énergie en été, il faut l'orienter perpendiculairement à la position moyenne du Soleil lors des équinoxes de printemps et d'automne.

Pour la région de Moscou, cela correspond à environ 40 à 45 degrés par rapport à l'horizon. Si le maximum est nécessaire en hiver, le panneau doit être placé dans une position plus verticale.

Et un autre point : la poussière et la saleté réduisent considérablement les performances des cellules photovoltaïques. Les photons ne traversent tout simplement pas cet obstacle « sale » pour les atteindre, et il n'y a donc rien à convertir en électricité. Il est nécessaire de laver régulièrement les panneaux ou de les placer de manière à ce que la poussière soit emportée par la pluie.

Certains panneaux solaires sont équipés de lentilles intégrées pour concentrer le rayonnement sur les cellules photovoltaïques. Par temps clair, cela augmente le rendement. Cependant, par forte nébulosité, ces lentilles ne font que nuire.

Si un panneau ordinaire dans une telle situation continue de générer du courant, même en plus petite quantité, le modèle à lentilles cessera presque complètement de fonctionner.

Idéalement, le soleil doit éclairer uniformément le panneau de cellules photovoltaïques. Si l'une de ses zones est ombragée, les cellules non éclairées deviennent une charge parasite. Non seulement elles ne génèrent pas d'énergie dans cette situation, mais elles en prélèvent également sur les cellules actives.

Les panneaux doivent être installés de manière à ce qu'il n'y ait pas d'arbres, de bâtiments ou d'autres obstacles sur le trajet des rayons du soleil.

Schéma d'alimentation électrique de la maison par le soleil

Le système d'alimentation électrique solaire comprend :

1. Panneaux solaires.
2. Contrôleur.
3. Batteries.
4. Onduleur (transformateur).

Dans ce schéma, le contrôleur protège à la fois les panneaux solaires et les batteries. D'un côté, il empêche la circulation des courants inverses la nuit et par temps nuageux, et de l'autre, il protège les batteries contre une charge/décharge excessive.

Les batteries pour panneaux solaires doivent être sélectionnées de même âge et capacité, sinon la charge/décharge se produira de manière inégale, ce qui réduira considérablement leur durée de vie.

Pour transformer le courant continu de 12, 24 ou 48 Volts en courant alternatif de 220 volts, un onduleur est nécessaire. Il n'est pas recommandé d'utiliser des batteries de voiture dans un tel schéma en raison de leur incapacité à supporter des recharges fréquentes. Il est préférable de dépenser et d'acheter des batteries spéciales AGM au gel ou OPzS liquides.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Les principes de fonctionnement et les schémas de connexion des panneaux solaires ne sont pas trop difficiles à comprendre. Et avec les vidéos que nous avons rassemblées ci-dessous, il sera encore plus facile de comprendre toutes les subtilités du fonctionnement et de l'installation des panneaux solaires.

Voici comment fonctionne un panneau solaire photovoltaïque, expliqué de manière accessible et claire, en détail :

Découvrez comment sont fabriqués les panneaux solaires dans la vidéo suivante :

Assemblage d'un panneau solaire à partir de cellules photovoltaïques fait maison :

Chaque élément du système d'alimentation électrique solaire du chalet doit être sélectionné judicieusement. Des pertes de puissance inévitables se produisent au niveau des batteries, des transformateurs et du contrôleur. Et elles doivent absolument être réduites au minimum, sinon l'efficacité déjà assez faible des panneaux solaires sera réduite à zéro.

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