Un panneau solaire (ou panneau solaire) est un appareil qui capte l' énergie rayonnante du soleil et la convertit en une autre forme d'énergie utilisable. Il existe deux principaux types de panneaux solaires : le photovoltaïque et le thermique.
Un panneau solaire photovoltaïque est constitué de cellules solaires photovoltaïques contenant des matériaux semi-conducteurs capables de convertir la lumière du soleil en électricité. Ces cellules absorbent les photons de la lumière solaire et libèrent des électrons, générant ainsi un courant électrique continu (DC). Les panneaux photovoltaïques sont utilisés pour produire de l'électricité et peuvent être trouvés dans les systèmes résidentiels, commerciaux et industriels.
D'autre part, un panneau solaire thermique est conçu pour exploiter l' énergie thermique du soleil et chauffer de l'eau ou d'autres fluides. Ces panneaux thermiques sont constitués de capteurs solaires qui absorbent l'énergie solaire et transfèrent la chaleur à l'eau ou au fluide en circulation. Les panneaux solaires thermiques sont principalement utilisés pour chauffer l'eau dans des applications résidentielles, commerciales et industrielles et peuvent contribuer de manière significative à la réduction de la consommation d'énergie conventionnelle pour le chauffage de l'eau.
Panneaux photovoltaïques : production d'électricité
Les panneaux photovoltaïques sont conçus pour la production d'électricité. Ce type de panneaux est constitué de petites cellules solaires qui convertissent le rayonnement solaire en énergie électrique grâce à l'effet photovoltaïque.
Ce type de panneau solaire est constitué de matériaux semi-conducteurs normalement dérivés du silicium. Les panneaux sont construits en interposant deux couches de silicium dans lesquelles chacune est traitée de manière spéciale pour générer un champ électrique.
Lorsqu’un photon de lumière frappe ces couches, il fait sauter un électron d’un atome de silicium. Les électrons libres circulent dans la même direction, générant un courant électrique dû au champ électrique créé.
Les panneaux solaires photovoltaïques génèrent de l'électricité sous forme de courant continu et sont généralement accompagnés de convertisseurs de courant pour obtenir du courant alternatif.
Comment ça marche ? L'effet photovoltaïque
Les panneaux photovoltaïques fonctionnent grâce à l'effet photovoltaïque, un phénomène physique qui permet de convertir la lumière du soleil en électricité. Cet effet se produit dans certains matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, qui sont capables de générer un courant électrique lorsqu'ils sont exposés à la lumière.
Chaque panneau photovoltaïque est composé de nombreuses cellules solaires, qui constituent les unités de base dans lesquelles se produit l'effet photovoltaïque. Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule solaire, les photons (particules lumineuses) transfèrent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur. Cette énergie supplémentaire permet aux électrons de se libérer de leurs atomes, créant ainsi des paires électron-trou (le trou est l'absence d'électron). En raison de la structure de la cellule, les électrons libres se déplacent vers un côté du semi-conducteur, tandis que les trous se déplacent vers le côté opposé, générant une différence de potentiel électrique, ou tension.
Ce mouvement d'électrons génère un courant continu qui peut être utilisé directement pour alimenter des appareils électriques ou, via un onduleur, converti en courant alternatif pour une utilisation domestique ou industrielle. Ainsi, les panneaux photovoltaïques transforment l’énergie solaire en énergie électrique de manière propre et durable.
Matériaux utilisés
En général, les cellules solaires sont constituées de silicium cristallin ou d’arséniure de gallium. Les cristaux d'arséniure de gallium sont créés pour ces utilisations, tandis que les cristaux de silicium sont également produits pour être consommés par l'industrie microélectronique.
Selon la configuration du silicium des cellules solaires, les panneaux photovoltaïques sont classés en panneaux solaires polycristallins, monocristallins et à couches minces. Les principales différences entre eux sont le coût et l’efficacité.
Technique de construction
Une cellule en silicium de 6 cm exposée à une lumière directe de 1 UA peut produire un courant de 0,5 ampère à 0,5 volt. L'arséniure de gallium est encore plus efficace que le silicium.
Le verre est découpé en petits disques et poli pour éliminer tout risque de coupure. Des dopants sont ensuite insérés dans les disques et des drivers métalliques sont déposés sur chaque surface : un petit connecteur sur la surface face au soleil et un connecteur sur l'autre face.
Les panneaux solaires sont construits avec ces cellules découpées dans des formes appropriées. De plus, ils sont protégés des radiations et autres dommages en appliquant une couche de verre et cimentée sur un substrat (un panneau rigide ou flexible).
Les connexions électriques sont réalisées en série-parallèle pour déterminer la tension totale de sortie et doivent avoir une couche de protection qui doit être un conducteur thermique.
Cellules photovoltaïques qui composent un panneau solaire
Bien que chaque cellule photovoltaïque fournisse une petite quantité d’énergie, un ensemble de cellules solaires peut générer suffisamment d’énergie pour être utile.
Les configurations les plus courantes de cellules solaires sont les suivantes
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Panneaux solaires à 36 cellules : ce type de panneau est le plus compact du marché et l'option la plus recommandée dans les petites installations isolées. Les 36 cellules solaires génèrent une tension de sortie de 12 volts.
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Panneaux solaires à 60 cellules. Il utilise 60 cellules solaires pour obtenir une tension de sortie supérieure à 24V.
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Panneaux solaires à 72 cellules. Ce type de module photovoltaïque connecte 72 cellules solaires pour obtenir une tension supérieure à 24V et est principalement utilisé dans les installations connectées au réseau électrique.
Capteurs solaires : génération de chaleur
Les capteurs solaires font partie des installations d'énergie solaire thermique.
Sa fonction est d'exploiter l'énergie thermique du soleil pour chauffer un liquide.
Ce type de panneau solaire fonctionne en faisant circuler un fluide à l'intérieur. Le panneau capte l'énergie thermique du soleil. Ce fluide s'échauffe en circulant à l'intérieur du collecteur.
Types de capteurs solaires
Il existe plusieurs types de capteurs solaires, chacun étant conçu pour des applications spécifiques en fonction de la température à atteindre :
- Capteurs basse température :
Capteurs solaires plats : Ils sont les plus courants et sont constitués d'une surface plane qui absorbe le rayonnement solaire. Ils sont idéaux pour des applications telles que le chauffage de l’eau domestique ou le chauffage des locaux.
Collecteurs à tubes sous vide : Ces collecteurs ont un rendement plus élevé que les capteurs plats, surtout dans les climats froids. Ils sont constitués de tubes contenant un vide à l’intérieur, ce qui réduit les pertes de chaleur. - Capteurs haute température :
Concentrateurs solaires à miroir parabolique : Ils utilisent des miroirs paraboliques pour concentrer le rayonnement solaire sur un petit récepteur, augmentant ainsi la température. Ils sont utilisés dans des applications industrielles ou dans la production d'électricité.
Miroirs plats ou lentilles de Fresnel linéaires : Ces technologies concentrent également le rayonnement solaire, mais avec une conception différente de celle parabolique, et sont utilisées dans des applications où des températures élevées sont requises. - Capteurs à très haute température :
Centrales solaires thermiques : Dans ces installations, on utilise des champs de miroirs plans orientables qui réfléchissent le rayonnement solaire vers un seul point focal. Ce type de collecteur est capable d’atteindre des températures extrêmement élevées et est principalement utilisé dans la production d’électricité à grande échelle.
Exemples d'utilisations et d'applications
L'installation de panneaux solaires offre la possibilité de produire de l'électricité ou de la chaleur, élargissant ainsi leurs possibilités d'utilisation dans diverses applications.
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Électronique portable : les panneaux solaires sont utilisés pour fournir de l’électricité et recharger les batteries des appareils électroniques grand public tels que les calculatrices et les appareils portables.
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Recharge des véhicules électriques : Les voitures électriques peuvent recharger leurs batteries avec l’énergie solaire. Ceci peut être réalisé grâce à des panneaux solaires intégrés au véhicule ou aux bornes de recharge.
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Énergie pour les bâtiments : dans les régions tropicales et subtropicales où la lumière du soleil est abondante, de grands panneaux solaires, tels que des capteurs solaires, sont utilisés pour alimenter les bâtiments et les maisons.
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Applications spatiales : les engins spatiaux utilisent des batteries solaires comme principale source de production d’électricité. Ces batteries sont très efficaces et durables, contrairement aux sources d'énergie nucléaires et radio-isotopiques.
Les principales applications des capteurs solaires sont :
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Eau chaude sanitaire : Les capteurs solaires sont utilisés pour chauffer l’eau utilisée dans les maisons et les bâtiments, réduisant ainsi le besoin de systèmes de chauffage conventionnels.
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Systèmes de chauffage : fournissent de la chaleur aux systèmes de chauffage des maisons et des bâtiments, réduisant ainsi la dépendance aux sources de chaleur traditionnelles.
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Production d'électricité à grande échelle : dans les centrales thermiques à vapeur, des capteurs solaires sont utilisés pour produire de l'électricité à grande échelle, en tirant parti du rayonnement solaire comme source de chaleur.