Tout mettre ensemble : les principales parties d'un système solaire photovoltaïque

Les systèmes solaires photovoltaïques sont l'un des exemples de technologie renouvelable les plus largement pris en compte et installés dans le monde. Mais, pour certains, leur fonctionnement réel peut être un mystère, presque magique.

Mais, ce n'est vraiment pas nécessaire. La façon exacte dont ils fonctionnent et ce qui constitue un système PV est en fait assez intéressant.

Donc, si vous vous êtes déjà demandé ce qu'est réellement un système solaire photovoltaïque, ou même comment il fonctionne, alors nous avons créé un très court guide pour vous aider à maîtriser les bases.

Apprécier.

En termes simples, les panneaux solaires photovoltaïques convertissent la lumière du soleil en électricité grâce à un processus connu sous le nom d'effet photovoltaïque (PV). Étroitement lié à l'effet photoélectrique, l'effet PV a été mis en évidence dès la fin des années 1830 par Edmond Becquerel.

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Becquerel a remarqué que lorsque des plaques de platine ou d'or étaient immergées dans des solutions acides, neutres ou alcalines et exposées au rayonnement solaire, un petit courant électrique pouvait être généré. Un peu plus tard, dans les années 1880, Charles Fritts parvient à mettre au point la première véritable cellule solaire à base de sélénium recouvert d'une fine couche d'or.

Bien que ce panneau ait fonctionné, son efficacité était très faible.

Les panneaux solaires modernes fonctionnent lorsque les photons de la lumière du soleil libèrent les électrons des atomes, générant un flux d'électricité. Les panneaux sont en fait constitués d'unités plus petites appelées cellules photovoltaïques. Ces cellules solaires sont un sandwich de semi-conducteurs à base de silicium "dopé" avec d'autres matériaux.

Le bore ou l'indium sont généralement ajoutés à une couche, lui donnant une charge positive. Essentiellement, l'ajout d'un atome de bore à un groupe d'atomes de silicium crée un "trou" - un espace qui serait occupé par un électron dans du silicium pur. C'est ce qu'on appelle le dopage de type p ou un semi-conducteur de type p (p pour positif). L'autre couche est généralement dopée avec du phosphore ou de l'arsenic, ce qui ajoute des électrons supplémentaires, ou une charge négative, à cette couche (c'est ce qu'on appelle le dopage de type n, ou un semi-conducteur de type n, pour négatif).

La prise en sandwich des deux couches crée un champ électrique à la jonction - appelée jonction pn. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, un champ électrique est généré dans cette jonction lorsque les électrons absorbent l'énergie des photons et se libèrent de leur atome "parent".

Ce processus laisse derrière lui un "trou" dans les liaisons de valence du matériau dont l'atome s'est échappé. En raison du champ électrique préexistant dans la jonction pn, ces électrons et "trous" se déplacent dans des directions opposées - l'électron vers le côté n et le "trou" vers le côté p.

Ce mouvement de l'électron crée un courant électrique dans la cellule. Des plaques conductrices métalliques sur les côtés de la cellule collectent les électrons et les transfèrent aux fils, permettant aux électrons de circuler comme toute autre source d'électricité.

Fait intéressant, la plupart des cellules photoélectriques ont tendance à être plus efficaces lorsqu'elles sont petites, de sorte que chaque panneau PV est généralement composé de nombreuses petites cellules. Si vous regardez attentivement un panneau solaire, vous pourrez voir toutes les cellules photoélectriques plus petites des sous-unités qui composent le panneau principal.

Généralement fabriquées à partir de silicium dopé (bien que le germanium, le sulfure de plomb et d'autres semi-conducteurs puissent être utilisés), les cellules PV sont les centrales électriques de tout panneau PV moderne.

Plus d'informations à ce sujet dans la section suivante.

Les panneaux photovoltaïques, comme toute technologie, sont un mélange de différents matériaux qui composent différentes pièces, de la cellule photoélectrique au cadre et tout le reste. Cependant, ce que la plupart des gens veulent dire lorsqu'ils posent une question comme celle-ci, c'est quel est l'ingrédient magique qui donne au panneau photovoltaïque sa capacité apparemment magique à créer de l'électricité à partir de la lumière du soleil.

Ce matériau merveilleux est également l'une des substances les plus abondantes sur la Terre végétale - le silicium. En fait, il représente environ 30 % de la croûte terrestre, plus ou moins.

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Le silicium est le deuxième matériau le plus abondant sur la planète, derrière l'oxygène, mais on le trouve rarement à l'état libre dans la nature. Typiquement, on le trouvera combiné avec d'autres éléments pour former l'un des pléthores de minéraux de silice qui composent la croûte terrestre.

Il se trouve également qu'il possède des propriétés physiques et électrochimiques intéressantes qui le rendent très pratique pour l'électronique de construction.

L'un d'eux est le fait qu'il s'agit d'un semi-conducteur. Un semi-conducteur, comme son nom l'indique, est tout matériau qui a une conductivité entre celle d'un isolant (comme une céramique) et celle d'un conducteur (comme un métal).

Étant un métalloïde (ni métal ni non-métal), le silicium partage certaines propriétés des deux - d'où son rôle de semi-conducteur.

Cela signifie que s'il peut conduire l'électricité, quoique moins bien que les métaux, sa capacité à le faire augmente à mesure que sa température augmente (contrairement aux métaux).

Pour cette raison, le silicium est utilisé pour fabriquer de nombreux composants électriques importants, y compris les transistors, qui amplifient ou commutent les courants électriques et constituent l'épine dorsale de tous les types d'électronique, des radios aux iPhones.

En ce qui concerne les cellules solaires, le silicium pur est un mauvais conducteur d'électricité. Pour surmonter cela, la plupart des cellules solaires mélangent du silicium avec d'autres éléments, comme le gallium ou l'arsenic, pour produire respectivement des couches déficientes en électrons ou des couches riches en électrons. Ceci est important, comme nous l'avons vu, pour produire des paires électron-trou afin de générer des champs électriques.

Bien que très abondant, il existe certaines limites à l'utilisation du silicium comme matériau de base pour les cellules solaires. La principale étant que les panneaux sont intrinsèquement fragiles et rigides. Cela peut compliquer le transport et l'installation, entre autres choses.

En règle générale, les cellules solaires à base de silicium se présentent sous quelques formes distinctes dans la plupart des panneaux solaires disponibles dans le commerce. Ceux-ci inclus:

Le type choisi est généralement un compromis entre les coûts de fabrication et d'installation et un plafond acceptable d'efficacité de la production électrique.

Les cellules solaires à base de silicium constituent la grande majorité des panneaux photovoltaïques existants, mais ne sont pas le seul type de panneaux solaires photovoltaïques existant. Une étoile montante est ce qu'on appelle une cellule/panneau solaire organique.

Les cellules solaires organiques, ou OSC en abrégé, représentent un développement passionnant dans le monde des technologies renouvelables. Généralement fabriquée à partir de polymères organiques conducteurs spéciaux ou de petites molécules organiques, cette technologie peut produire des panneaux solaires plus légers et flexibles.

Les OSC, bien que relativement nouveaux, ont également des rendements plus élevés par zone par rapport aux panneaux photovoltaïques plus traditionnels. Les OSC existants ont tendance à être de très puissants absorbeurs de lumière et sont présentés par de nombreux experts dans le domaine comme l'avenir de la technologie solaire.

En raison de leur construction, les cellules/panneaux solaires organiques présentent d'autres avantages inhérents par rapport à leurs homologues non organiques. Le plus important d'entre eux est leur légèreté, leur flexibilité, leur couverture étendue et leur faible coût de fabrication.

Certaines cellules solaires organiques sont fabriquées à l'aide d'un processus appelé production roll-to-roll. Ce processus est considérablement moins cher que la production conventionnelle de cellules solaires non organiques et permet de fabriquer des cellules solaires organiques sur une grande surface.

Une cellule solaire organique, parfois appelée cellule solaire en plastique, est un type de cellule solaire polymère qui utilise de l'électronique organique. Il s'agit d'une branche de l'électronique qui traite des polymères organiques conducteurs ou de petites molécules organiques, pour l'absorption de la lumière et le transport de charges pour produire de l'électricité à partir de la lumière du soleil via l'effet photovoltaïque.

Cela permet aux cellules photovoltaïques organiques de convertir l'énergie solaire en énergie électrique plus efficacement que d'autres types de cellules solaires, y compris les cellules au silicium que l'on trouve dans la plupart des panneaux solaires courants.

Cependant, les systèmes OSC actuels ont tendance à avoir une durée de vie prévue plus courte par rapport aux panneaux à base de silicium plus traditionnels. Cela est dû à leur stabilité et à leur résistance généralement inférieures.

Un autre problème avec les OSC est leurs coefficients d'extinction matériels relatifs (une mesure de la lumière perdue en raison de la diffusion et de l'absorption par unité de volume). Les matériaux avec des coefficients d'absorption plus élevés absorbent plus facilement les photons, qui excitent les électrons dans la bande de conduction. Le coefficient d'extinction des OSC n'est pas encore aussi bon que celui des panneaux solaires à base de silicium.

Cependant, il est important de noter que les OSC sont encore très en développement et que les percées dans les nouveaux matériaux, les méthodes de traitement et les architectures de dispositifs résoudront probablement cette lacune.

Les OSC peuvent également être utilisés pour certaines applications intéressantes qui ne seraient pas possibles avec des panneaux solaires non organiques. Par exemple, ils peuvent être rendus transparents et spécialisés pour des longueurs d'onde de lumière spécifiques.

Cela pourrait avoir des applications dans des structures comme les serres, où les panneaux OSC peuvent former le vitrage principal de la structure. Une telle configuration pourrait permettre aux longueurs d'onde de la lumière couramment utilisées par les plantes de pénétrer à travers les panneaux OSC, tout en utilisant d'autres longueurs d'onde pour générer de l'électricité.

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Ils peuvent également être facilement intégrés dans des appareils électroniques portables, ce qui signifie que les consommateurs pourraient alimenter/recharger leurs appareils électroniques en déplacement, même dans des conditions de faible luminosité.

Et donc, passons à l'événement principal.

Alors que les installations solaires photovoltaïques peuvent varier en forme et en conception, un système solaire photovoltaïque typique aura généralement les composants clés suivants.

L'énergie solaire ou les cellules photoélectriques sont les principaux chevaux de bataille de tout système solaire photovoltaïque. Ce sont les morceaux les plus visibles montés sur les toits des bâtiments ou, dans certaines circonstances, sur les murs ou même sur le sol.

Le travail des cellules photoélectriques est de convertir la lumière du soleil en électricité. Pour ce faire, ils utilisent le processus que nous avons décrit ci-dessus, c'est-à-dire l'effet photovoltaïque.

La plupart des cellules solaires photovoltaïques sont constituées d'un mélange de silicium, d'aluminium (pour le cadre) et d'un support en polymère. Les cellules solaires photovoltaïques peuvent varier considérablement en taille, couleur et forme, mais toutes suivent la même conception de base.

La taille d'un panneau solaire est généralement dictée par la plage de puissance maximale que le panneau est conçu pour générer. En règle générale, pour les applications domestiques, cela peut varier entre 200 et 400 watts par panneau, bien que la plupart soient généralement d'environ 260 watts.

Outre les principaux composants de la cellule solaire, les cellules solaires ont tendance à être prises en sandwich entre des couches d'encapsulation - des plaques de support métalliques et des couches de verre trempé avant. Toutes ces couches sont ensuite maintenues ensemble dans, généralement, un cadre en aluminium.

Avoir les panneaux est génial, mais généralement, vous aurez besoin de quelque chose pour les monter et d'un moyen d'orienter les panneaux. C'est là que les racks de montage sont d'une importance vitale.

Les systèmes de montage sur toit sont les plus courants, car les installations sur toit sont généralement considérées comme plus esthétiques et efficaces que les installations au sol. Ils utilisent également l'espace "gaspillé" sur les structures existantes, telles que les maisons, sans avoir besoin d'utiliser des terres ou des espaces verts précieux.

Cependant, les systèmes montés sur le toit sont généralement plus difficiles à entretenir étant donné leur emplacement élevé et souvent inaccessible. D'autres méthodes de montage comme le montage sur poteau et, bien sûr, le montage au sol sont également assez courantes.

Ce dernier est la forme de système de montage la plus simple à installer et, en fin de compte, la plus simple pour l'entretien et la réparation à long terme. Cependant, ils ont l'inconvénient d'occuper un espace au sol qui pourrait être utilisé pour autre chose, comme un autre bâtiment, un parc, des terres agricoles, etc.

Quel que soit l'emplacement de montage choisi, la plupart des systèmes de rayonnage ont tendance à être fixes ou à suivre. Le premier, comme son nom l'indique, "fixe" les panneaux à une hauteur et un angle donnés et ils sont, en tant que tels, incapables de se déplacer en orientation vers le Soleil.

Les panneaux solaires ont tendance à mieux fonctionner lorsque la lumière du soleil frappe directement le panneau. C'est très bien pour une source lumineuse fixe, mais lorsque vous vous fiez au Soleil (qui est constamment en mouvement par rapport au panneau), cela peut être presque impossible à maintenir tout au long de la journée et de l'année avec un système fixe.

Pour cette raison, les systèmes fixes seront souvent installés à un angle défini qui est en quelque sorte un compromis pour une utilisation polyvalente. Il s'agit généralement d'environ 37 degrés.

Les systèmes de montage de suivi, d'autre part, sont capables de suivre le mouvement du Soleil tout au long de la journée et de l'année en déplaçant constamment leur direction. Ils peuvent également ajuster leur angle pour maintenir l'angle d'incidence optimal tout au long de l'année.

Les panneaux solaires sont formidables, mais l'électricité qu'ils produisent a tendance à être de l'énergie directe (CC). Alors que le courant continu peut être utilisé pour certaines applications, la plupart des panneaux solaires sont installés dans le but de fournir de l'électricité utilisable pour une maison ou des locaux commerciaux.

Cela signifie qu'une autre technologie est nécessaire pour convertir le courant continu en courant alternatif (CA). C'est le travail de l'onduleur.

L'onduleur est un kit de travail acharné qui fonctionne de manière quasi constante tout au long de la durée de vie d'un panneau solaire typique. Pour cette raison, si un système de panneaux solaires tombe en panne pour une raison quelconque, le principal coupable est généralement l'onduleur.

Pour cette raison, la plupart des onduleurs ont tendance à avoir une garantie plus courte que le panneau principal lui-même - quelque chose à garder à l'esprit si vous envisagez d'installer un système solaire.

Deux types différents d'onduleurs ont tendance à être utilisés dans un système de panneaux solaires. Ceux-ci sont appelés onduleurs string et micro-onduleurs.

Les premiers sont des appareils plus grands et sont généralement installés sur un mur, un toit ou une zone ombragée du site. Comme leur nom l'indique, ces onduleurs convertissent "une chaîne" d'électricité générée par un générateur photovoltaïque, plutôt que par panneau.

Les micro-onduleurs, quant à eux, sont installés sur chaque panneau (généralement à l'arrière). Cela permet au CC d'être converti panneau par panneau avant d'être injecté dans un bâtiment ou le réseau.

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Bien que les deux types aient leurs avantages et leurs inconvénients, l'un des principaux avantages des micro-onduleurs est le fait que lorsque certains panneaux sont ombragés dans un système d'onduleur à chaîne, l'efficacité de tous les panneaux est directement affectée. Ce n'est pas le cas des micro-onduleurs, où seuls les panneaux ombragés sont concernés.

Que votre système solaire photovoltaïque dispose ou non d'une batterie de stockage, il intégrera une sorte de compteur d'électricité pour mesurer la consommation électrique par propriété. Les compteurs installés sur des propriétés dotées de panneaux solaires photovoltaïques enregistreront également la quantité d'électricité générée par les panneaux et, dans certains cas, vous permettront d'exporter tout excédent d'énergie vers le réseau.

Selon l'endroit où vous vivez dans le monde et l'arrangement que vous avez avec votre fournisseur d'électricité, vous serez généralement payé pour tout excédent d'énergie que vous exportez, ce qui est bien.

L'une des principales critiques des technologies renouvelables telles que les cellules solaires photovoltaïques est leur manque de fiabilité dans des conditions environnementales défavorables. Dans le cas de l'énergie solaire, le manque de lumière solaire (c'est-à-dire pendant la nuit) a tendance à signifier qu'elles deviennent effectivement des tuiles très chères et un peu plus pendant une bonne partie du temps.

Pour lutter contre cela, les panneaux solaires photovoltaïques sont de plus en plus combinés avec une certaine forme de système de stockage de batterie. Cette configuration signifie que l'électricité peut être stockée et exploitée plus tard, sans avoir recours à l'électricité fournie par le réseau lorsque le soleil se couche.

Dans le cas du Powerwall de Tesla, ces systèmes offrent également une protection de secours pour les endroits qui souffrent également de fréquentes pannes de courant.

Plus communément appelées systèmes de stockage d'énergie, les batteries solaires photovoltaïques stockent efficacement l'électricité excédentaire des panneaux photovoltaïques pour une utilisation ultérieure. Les grands noms de la scène incluent Samsung et Tesla, et de nombreuses sociétés énergétiques proposeront également des packages solaires photovoltaïques et de batteries combinés.

Les batteries ont tendance à se présenter sous plusieurs formes, mais les plus courantes sont de loin les batteries lithium-ion rechargeables. Cela s'explique par leur taille relativement petite et leur excellente capacité à stocker l'électricité.

Cependant, il y a quelques considérations à prendre en compte avant de les installer réellement. Par exemple, si la majeure partie de l'énergie produite par le générateur photovoltaïque est réellement consommée pendant la journée ou est utilisée pour chauffer de l'eau, une batterie peut ne pas être rentable.

Pour les systèmes PV qui intègrent également un système de stockage de batterie, les contrôleurs de charge sont un autre élément essentiel du système. Principalement chargés de protéger les batteries contre la surcharge, ils régulent en permanence la capacité de charge d'une batterie et ajustent son alimentation en conséquence.

Lorsque la batterie est pleine, le contrôleur de charge coupe automatiquement l'alimentation électrique des panneaux photovoltaïques pour éviter que les batteries ne soient endommagées de manière permanente.

Les contrôleurs de charge ont tendance à se présenter sous l'une des deux formes suivantes : modulation de largeur d'impulsion (PWM) et suivi du point de puissance maximale (MPPT). Le premier est plus adapté aux petits générateurs photovoltaïques à l'échelle domestique et a tendance à varier entre 4 et 60 ampères.

Ce dernier est plus adapté aux grandes installations avec des tensions plus élevées - souvent jusqu'à 160 volts DC.

Et cela, initiés au solaire photovoltaïque, est votre lot pour aujourd'hui.

Maintenant que vous avez une compréhension de base de ce qu'est un système solaire photovoltaïque et de ses principaux composants, vous voudrez peut-être rechercher l'installation éventuelle d'un système dans votre propre maison ?