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Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Panneau photovoltaïque

Panneau photovoltaïque

Un panneau photovoltaïque est un type de panneau solaire conçu pour l'utilisation de l'énergie solaire photovoltaïque. Sa fonction est de transformer l' énergie solaire en électricité. Il est également appelé module photovoltaïque.

Les panneaux photovoltaïques peuvent être utilisés pour générer de l'énergie électrique dans des applications domestiques et commerciales.

Les modules photovoltaïques sont constitués d'un ensemble de cellules photovoltaïques interconnectées entre elles. Le panneau photovoltaïque est en charge de la transformation directe de l'énergie du rayonnement solaire en électricité, sous forme de courant continu.

Les autres éléments du système photovoltaïque seront chargés de gérer et de transformer cette tension en courant alternatif, si nécessaire. Cette fonction est remplie par:

  • Régulateurs de charge.
  • Onduleurs de puissance.

L'équivalent en  énergie solaire thermique est les capteurs solaires . Les capteurs solaires sont des panneaux solaires qui, grâce aux lois de la thermodynamique, profitent de la chaleurdu soleil pour obtenir de la chaleur.

Où dois-je localiser et orienter les panneaux?

L'orientation et l'inclinaison les plus appropriées à chaque endroit dépendent de la latitude et de la période de l'année. Le plus recommandé est une étude du rayonnement solaire reçu pour chaque emplacement.

Dans l'hémisphère nord, par exemple, les plaques doivent être orientées vers le sud et avec une certaine inclinaison.

En revanche, l'inclinaison des modules variera en fonction des besoins énergétiques prévus et de la période d'utilisation, afin de réaliser un bilan saisonnier (hiver, été) ou annuel.

Comment l'électricité est-elle générée par les panneaux photovoltaïques?

La cellule solaire n'est capable de générer qu'une tension de quelques dixièmes de volt (+/- 0,5 V) et une puissance maximale de 1 ou 2 Watts. Par conséquent, il est nécessaire de connecter plusieurs cellules en série (qui se comportent comme de petits générateurs de courant) pour atteindre des tensions de 624 V, acceptées dans de nombreuses applications.

Panneau photovoltaïque

Les panneaux photovoltaïques produisent de l'électricité sous forme de courant continu et ont généralement entre 20 et 40 cellules solaires. Dans tous les cas, il est habituel que les modules soient constitués de 36 cellules pour atteindre les volts nécessaires au chargement des batteries (12V).

Connexion de plusieurs panneaux solaires

Les panneaux solaires photovoltaïques peuvent être assemblés de deux manières:

  • Connexion parallèle . Ce type de connexion se fait en joignant les pôles positifs d'une part et les pôles négatifs d'autre part. La connexion parallèle entre les panneaux solaires fournit une tension égale à celle du module (12-18 V)
  • Connexion série . La façon de connecter deux ou plusieurs panneaux photovoltaïques en série consiste à connecter le pôle positif du premier avec le pôle négatif du second et ainsi de suite. La connexion série donne une tension égale à la somme de celle de chaque module (par exemple 12 V, 24 V, 36 V, etc.), en fonction du nombre de cartes interconnectées.

Quelles sont les différentes technologies des modules photovoltaïques?

Parmi les nombreux matériaux pouvant être utilisés pour construire des modules photovoltaïques, le silicium est le plus utilisé. Le silicium est obtenu dans des plaquettes qui sont ensuite assemblées pour former un module photovoltaïque.

Les types de construction de cellules photovoltaïques les plus courants sont:

  • Silicium monocristallin: les cellules ont une efficacité de 18-21%. Ils ont tendance à être chers et sont également présents, ils sont coupés avec des lingots cylindriques, il est difficile d'en recouvrir des surfaces étendues sans gaspiller de matière ou d'espace.
  • Silicium polycristallin: cellules moins chères mais moins performantes (15-17%), dont l'avantage réside dans la facilité avec laquelle il est possible de les découper en formes adaptées à assembler en modules.
  • Silicium amorphe déposé par phase vapeur: les cellules photovoltaïques ont un faible rendement (8%), mais sont beaucoup moins chères à produire. Le silicium amorphe (Si-a) possède une importante bande de silicium cristallin (Si-c). Cela signifie qu'il est plus efficace pour absorber la partie visible du spectre du rayonnement solaire, mais moins efficace pour collecter la partie infrarouge. Puisque le silicium nanocristallin (avec des domaines cristallins d'ordre nanométrique) a approximativement la même bande interdite Si-c, les deux matériaux peuvent être combinés pour créer une cellule photovoltaïque en couches, dans laquelle la couche supérieure de Si-a absorbe la lumière visible et laisse la partie infrarouge du spectre à la cellule de silicium nanocristallin inférieure.
  • CIS: Les cellules sont basées sur des couches de calcogenuro (par exemple, Cu (InxGa1-x) (SexS1-x) 2). Ils ont une efficacité allant jusqu'à 15%, mais leur coût est encore trop élevé.
  • Cellules photoélectrochimiques: Ces cellules photovoltaïques, construites pour la première fois en 1991, ont été conçues à l'origine pour imiter le processus de photosynthèse. Ce type de cellule dans un module photovoltaïque permet une utilisation plus flexible des matériaux et la technologie de production semble très pratique. Cependant, les colorants utilisés dans ces cellules souffrent de problèmes de dégradation lorsqu'ils sont exposés à la chaleur ou à la lumière ultraviolette. Malgré ce problème, il s'agit d'une technologie émergente avec un impact commercial attendu d'ici une décennie.
  • Cellule photovoltaïque hybride - Combine les avantages des semi-conducteurs organiques et divers types de semi-conducteurs inorganiques.
  • Cellule photovoltaïque concentrée: l'utilisation de cette cellule dans un module photovoltaïque combine les technologies susmentionnées avec des lentilles de concentration solaire qui augmentent considérablement l'efficacité. Ils représentent la nouvelle génération prometteuse de panneaux encore en développement.
  • Silicium monocristallin, dans lequel chaque cellule est constituée d'une plaquette dont la structure cristalline est homogène (monocristalline), dopée de manière appropriée pour former une jonction pn;
  • Module photovoltaïque à silicium polycristallin, dans lequel la tranche susmentionnée n'est pas structurellement homogène, mais est organisée en grains ordonnés localement.

Quels matériaux sont utilisés pour les structures des panneaux solaires?

Lors de l'utilisation d'une structure de support pour les modules solaires, il est conseillé d'utiliser des matériaux ayant de bonnes propriétés mécaniques, ainsi qu'une grande durabilité, compte tenu de la longue durée de vie des installations. Normalement, les éléments de support sont:

  • Aluminium anodisé (léger et haute résistance)
  • Fer galvanisé (adapté aux charges lourdes
  • Acier inoxydable (pour les environnements hautement corrosifs, c'est la plus haute qualité et le prix le plus élevé)

Structures en bois

Il y a aussi la possibilité de réaliser les structures des modules photovoltaïques en bois, dûment traitées.

Les structures en bois doivent avoir un minimum d'entretien et doivent présenter des conditions acceptables pour cette utilisation. Les pièces de fixation, telles que les vis, doivent toujours être en acier inoxydable.

Comment améliorer les performances des modules photovoltaïques?

Dans certains cas, afin d'augmenter les rendements du système de collecte, vous pouvez choisir les techniques suivantes:

  1. Trackers solaires. Fournir un mouvement à la structure de support avec des systèmes de suivi solaire.
  2. Diffraction lumineuse. La diffraction est un phénomène caractéristique des vagues qui est basé sur la déviation des vagues lors de la rencontre d'un obstacle ou lors du franchissement d'une fente.

Trackers solaires

Les trackers solaires fonctionnent au moyen d'un moteur normalement associé à un ordinateur qui, en fonction de la date et de l'heure, ajuste l'orientation des panneaux, soit par rapport à l'un soit aux deux axes du plan qui contient le panneau. Ces systèmes sont naturellement plus complexes et impliquent des dépenses plus importantes et une maintenance plus élevée.

Diffraction lumineuse

Le phénomène de diffraction de la lumière permet d'obtenir des panneaux photovoltaïques avec un indice de transparence supérieur à celui apparent, car l'ombre projetée par chaque cellule à l'intérieur du bâtiment est inférieure à la surface qu'elle occupe.

Cela implique que le panneau solaire est perçu de manière nettement plus opaque de l'extérieur que de l'intérieur.

Il est également possible d'obtenir une plus grande transparence si, au sein d'une même plaque, la distance entre les cellules est augmentée.

Comment est composé un module photovoltaïque?

La plaque photovoltaïque est conçue pour résister aux conditions qui se produisent à l'extérieur et pour faire partie de la "peau" du bâtiment. Sa durée de vie utile est estimée à 25 ans.

Les cellules sont encapsulées dans une résine, et placées entre deux feuilles pour former les modules photovoltaïques. La feuille extérieure est en verre et le dos peut être en plastique ou en verre opaque, si vous souhaitez réaliser un module semi-transparent.

Le silicium cristallin et l'arséniure de gallium sont les choix de matériaux typiques pour les cellules solaires. Les cristaux d'arséniure de gallium sont créés spécialement pour les applications photovoltaïques, mais les cristaux de silicium sont également produits pour la consommation par l'industrie de la microélectronique.

Le silicium polycristallin a un taux de conversion plus faible, mais à un coût réduit.

Panneau photovoltaïque

Lorsqu'elle est exposée à une lumière directe de 1 AU, une cellule en silicium de 6 centimètres de diamètre peut produire un courant de 0,5 ampère à 0,5 volt. L'arséniure de gallium est plus efficace.

Le verre est coupé en petits disques. Il est poli pour éliminer le danger de coupure. Des dopants sont insérés dans les disques. Des conducteurs métalliques sont déposés sur chaque surface: un petit connecteur sur la surface exposée au soleil et un connecteur de l'autre côté. Les modules solaires sont construits avec ces cellules découpées dans des formes appropriées, protégées des radiations et endommagées par l'application d'une couche de verre et cimentées sur un substrat (soit un panneau rigide ou flexible).

Les c onnexions électriques  réalisées en série-parallèle pour déterminer la tension de sortie totale.

La  couche de protection ne doit pas être un conducteur thermique.   Puisque le chauffage de la cellule réduit l'efficacité de fonctionnement, il est souhaitable de réduire cette chaleur.

Coût

Actuellement, les coûts associés aux modules solaires sont bon marché dans les applications où l'électricité des stations électriques est disponible.

Le coût des combustibles fossiles augmente, et l'expérience de production réduit les coûts des cellules solaires, cela ne peut pas être vu dans un avenir très proche, mais à long terme, la tendance est à une augmentation de l'utilisation de ce type d' énergie renouvelable.

Les plaques photovoltaïques comme élément constructif

Panneau photovoltaïqueLes panneaux photovoltaïques utilisés dans les systèmes connectés au réseau ne sont pas différents de ceux utilisés par les systèmes autonomes. Ceux qui sont intégrés dans les bâtiments sont normalement des modules standard.

Un problème commun est le fait qu'ils peuvent configurer des structures indépendantes, superposées au bâtiment, ajoutées sans répondre à des critères esthétiques. Au mieux, ils sont intégrés dans les façades ou la toiture. Pour cette raison, certaines entreprises ont développé des éléments photovoltaïques intégrés dans des bâtiments  qui peuvent remplacer certains éléments traditionnels de l'architecture.

Les panneaux photovoltaïques peuvent donc être traités comme un élément constructif et combinés avec d'autres matériaux dans des modules préfabriqués de grande surface (actuellement jusqu'à 14 m² sont fabriqués).

Ils conviennent à la formation de façades dont la meilleure orientation est le sud, bien que l'influence d'une déviation comprise entre 30º et 45º vers l'est ou l'ouest ne soit pas importante dans le calcul annuel de la capture d'énergie.

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Date de publication : 2 septembre 2015
Dernier examen : 9 avril 2020