Le principe de fonctionnement d'une batterie solaire : comment fonctionne et fonctionne un panneau solaire

Convertir efficacement les rayons gratuits du soleil en énergie pouvant être utilisée pour alimenter les maisons et autres installations est le rêve chéri de nombreux défenseurs de l’énergie verte.

Mais le principe de fonctionnement de la batterie solaire et son efficacité sont tels qu'il n'est pas encore nécessaire de parler du haut rendement de tels systèmes. Ce serait bien d'avoir votre propre source d'électricité supplémentaire. N'est-ce pas? De plus, aujourd'hui encore en Russie, grâce aux panneaux solaires, un nombre considérable de ménages privés sont approvisionnés avec succès en électricité « gratuite ». Vous ne savez toujours pas par où commencer ?

Ci-dessous, nous vous expliquerons 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 publiées dans l'article vous aideront à assembler de vos propres mains un panneau solaire à partir de photocellules.

Panneaux solaires : terminologie

Il existe de nombreuses nuances et confusions sur le thème de « l’énergie solaire ». Il est souvent difficile pour les débutants de comprendre au début tous les termes inconnus. Mais sans cela, il est déraisonnable de se lancer dans l'énergie solaire en achetant des équipements pour générer du courant « solaire ».

Sans le savoir, vous pouvez non seulement choisir le mauvais panneau, mais aussi simplement le brûler lors de sa connexion ou en extraire trop peu d'énergie.

Tout d’abord, vous devez comprendre les types d’équipements existants pour l’énergie solaire. Les panneaux solaires et les capteurs solaires sont deux appareils fondamentalement différents. Tous deux convertissent l’énergie des rayons du soleil.

Cependant, dans le premier cas, le consommateur reçoit de l'énergie électrique en sortie, et dans le second, de l'énergie thermique sous forme de liquide de refroidissement chauffé, c'est-à-dire les panneaux solaires sont utilisés pour chauffage domestique.

Le rendement maximal d'un panneau solaire ne peut être obtenu qu'en sachant comment il fonctionne, de quels composants et assemblages il se compose et comment tout est correctement connecté.

La deuxième nuance est le concept du terme « batterie solaire ». En règle générale, le mot « batterie » fait référence à une sorte de dispositif de stockage électrique. Ou bien un radiateur de chauffage banal me vient à l'esprit. Cependant, dans le cas des batteries solaires, la situation est radicalement différente. Ils n’accumulent rien en eux-mêmes.

Le panneau solaire génère un courant électrique constant. Pour le convertir en variable (utilisé dans la vie de tous les jours), un onduleur doit être présent dans le circuit

Les panneaux solaires sont conçus uniquement pour générer du courant électrique. Celui-ci, à son tour, est accumulé pour alimenter la maison en électricité la nuit, lorsque le soleil se couche au-dessous de l'horizon, déjà dans les batteries également présentes dans le circuit d'alimentation énergétique de l'installation.

La batterie est ici entendue dans le contexte d'un certain ensemble de composants similaires assemblés en un seul tout. En fait, il s'agit simplement d'un panneau de plusieurs photocellules identiques.

Structure interne d'une batterie solaire

Petit à petit, les panneaux solaires deviennent moins chers et plus efficaces.Ils sont désormais utilisés pour recharger les batteries des lampadaires, des smartphones, des voitures électriques, des habitations privées et des satellites dans l’espace. Ils ont même commencé à construire de véritables centrales solaires (SPP) avec de grands volumes de production.

Une batterie solaire est constituée de nombreuses photocellules (convertisseurs photoélectriques) qui convertissent l'énergie des photons du soleil en électricité.

Chaque batterie solaire est conçue comme un bloc d'un certain nombre de modules, qui combinent des photocellules semi-conductrices connectées en série. Pour comprendre les principes de fonctionnement d'une telle batterie, il est nécessaire de comprendre le fonctionnement de ce dernier maillon du dispositif panneau solaire, créé à base de semi-conducteurs.

Types de cristaux de photocellules

Il existe un grand nombre d'options FEP fabriquées à partir de différents éléments chimiques. Cependant, la plupart d’entre eux sont des développements à un stade initial. Jusqu’à présent, seuls des panneaux fabriqués à partir de cellules photovoltaïques à base de silicium sont produits à l’échelle industrielle.

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

Une cellule photoélectrique typique dans un panneau solaire est une fine plaquette composée de deux couches de silicium, chacune possédant 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 entre ces couches semi-conductrices, en raison de l’inhomogénéité du cristal, une photo-EMF de grille se forme, entraînant une différence de potentiel et un courant électronique.

Les plaquettes de silicium des cellules solaires diffèrent par leur technologie de fabrication en :

1. Monocristallin.
2. Polycristallin.

Les premiers ont un rendement plus élevé, mais le coût de leur production est supérieur à celui des seconds. Extérieurement, une option se distingue d’une autre sur un panneau solaire par sa forme.

Les cellules solaires monocristallines ont une structure homogène, elles sont réalisées sous forme de carrés aux coins coupés. En revanche, les éléments polycristallins ont une forme strictement carrée.

Les polycristaux sont obtenus par refroidissement progressif du silicium fondu. Cette méthode est extrêmement simple, c'est pourquoi ces photocellules sont peu coûteuses.

Mais leur productivité en termes de production d'électricité à partir des rayons solaires dépasse rarement 15 %. Cela est dû à « l’impureté » des plaquettes de silicium résultantes et à leur structure interne. Ici, plus la couche de silicium p est pure, plus l'efficacité de la cellule solaire est élevée.

La pureté des monocristaux à cet égard est bien supérieure à celle des analogues polycristallins. Ils ne sont pas fabriqués à partir de cristaux de silicium solides fondus, mais cultivés artificiellement. Le coefficient de conversion photoélectrique de ces cellules solaires atteint déjà 20 à 22 %.

Les photocellules individuelles sont assemblées en un module commun sur un cadre en aluminium et, pour les protéger, elles sont recouvertes d'un verre durable qui n'interfère en aucun cas avec les rayons du soleil.

La couche supérieure de la plaque de photocellule orientée vers le soleil est constituée du même silicium, mais avec l'ajout de phosphore. C’est cette dernière qui sera la source d’électrons en excès dans le système de jonctions pn.

Une véritable avancée dans le domaine de l'énergie solaire a été le développement de panneaux flexibles à base de silicium photovoltaïque amorphe :

Principe de fonctionnement du panneau solaire

Lorsque la lumière du soleil tombe sur une cellule photoélectrique, des paires électron-trou hors équilibre y sont générées. Les électrons et les trous en excès sont partiellement transférés via la jonction pn d’une couche du semi-conducteur à l’autre.

En conséquence, une tension apparaît dans le circuit externe. Dans ce cas, un pôle positif de la source de courant est formé au niveau du contact de la couche P et un pôle négatif au niveau de la couche N.

La différence de potentiel (tension) entre les contacts de la cellule photoélectrique apparaît en raison d'un changement du nombre de « trous » et d'électrons de différents côtés de la jonction p-n à la suite de l'irradiation de la couche n avec les rayons solaires

Les photocellules connectées à une charge externe sous forme de batterie forment avec elle un cercle vicieux. En conséquence, le panneau solaire fonctionne comme une sorte de roue le long de laquelle les électrons « courent » ensemble entre les protéines. Et la batterie se charge progressivement.

Les convertisseurs photovoltaïques au silicium standard sont des cellules à jonction unique.Le flux d'électrons vers eux se produit uniquement à travers une jonction p-n avec une zone de cette transition limitée en énergie photonique.

Autrement dit, chacune de ces cellules photoélectriques est capable de produire de l'électricité uniquement à partir d'un spectre étroit de rayonnement solaire. Toute autre énergie est gaspillée. C'est pourquoi l'efficacité du FEP est si faible.

Pour augmenter l'efficacité des cellules solaires, leurs éléments semi-conducteurs en silicium ont récemment commencé à être réalisés à plusieurs jonctions (cascade). Il existe déjà plusieurs transitions dans les nouvelles cellules solaires. De plus, chacun d'eux dans cette cascade est conçu pour son propre spectre de lumière solaire.

L'efficacité totale de conversion des photons en courant électrique pour de telles photocellules augmente finalement. Mais leur prix est bien plus élevé. Ici, soit une facilité de fabrication avec un faible coût et une faible efficacité, soit des rendements plus élevés associés à un coût élevé.

Le 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 générera de courant électrique.

Pendant le fonctionnement, la photocellule et l'ensemble de la batterie chauffent progressivement. Toute l’énergie qui n’a pas été utilisée pour générer du courant électrique est transformée en chaleur. Souvent, la température à la surface du panneau solaire atteint 50 à 55 °C. Mais plus il est élevé, moins la cellule photovoltaïque fonctionne efficacement.

De ce fait, le même modèle de batterie solaire génère moins de courant par temps chaud que par temps froid. Les photocellules montrent une efficacité maximale par temps clair d'hiver. Deux facteurs entrent en jeu ici : beaucoup de soleil et un refroidissement naturel.

De plus, si de la neige tombe sur le panneau, celui-ci continuera à produire de l'électricité.De plus, les flocons de neige n’auront même pas le temps de s’y poser beaucoup, ayant fondu sous la chaleur des photocellules chauffées.

Efficacité de la batterie solaire

Une cellule photoélectrique, même à midi par temps clair, produit très peu d'électricité, juste assez pour faire fonctionner une lampe de poche LED.

Pour augmenter la puissance de sortie, plusieurs cellules solaires sont combinées dans un circuit parallèle pour augmenter la tension continue et dans un circuit série pour augmenter le courant.

L'efficacité des panneaux solaires dépend de :

• température de l'air et de la batterie elle-même ;
• sélection correcte de la résistance de charge ;
• angle d'incidence de la lumière solaire;
• présence/absence de revêtement antireflet ;
• puissance du flux lumineux.

Plus la température extérieure est basse, plus les photocellules et la batterie solaire dans son ensemble fonctionnent de manière efficace. Tout est simple ici. Mais avec le calcul de la charge, la situation est plus compliquée. Il doit être sélectionné en fonction du courant fourni par le panneau. Mais sa valeur varie en fonction des facteurs météorologiques.

Les panneaux solaires sont produits avec une tension de sortie multiple de 12 V - si 24 V doivent être fournis à la batterie, alors deux panneaux devront y être connectés en parallèle

Surveiller constamment les paramètres d'une batterie solaire et ajuster manuellement son fonctionnement est problématique. Pour cela, il vaut mieux utiliser contrôleur de contrôle, qui ajuste automatiquement les paramètres du panneau solaire afin d'en obtenir des performances maximales et des modes de fonctionnement optimaux.

L'angle idéal d'incidence des rayons du soleil sur une batterie solaire est droit. Cependant, si l’écart est inférieur à 30 degrés par rapport à la perpendiculaire, l’efficacité du panneau ne chute que d’environ 5 %.Mais si cet angle augmente encore, une proportion croissante du rayonnement solaire sera réfléchie, réduisant ainsi l’efficacité de la cellule solaire.

Si la batterie doit produire un maximum d'énergie en été, elle doit alors être orientée perpendiculairement à la position moyenne du Soleil, qu'elle occupe aux équinoxes du printemps et de l'automne.

Pour la région de Moscou, cela représente 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 encore une chose : la poussière et la saleté réduisent considérablement les performances des photocellules. Les photons ne les atteignent tout simplement pas à travers une barrière aussi « sale », ce qui signifie qu'il n'y a rien à convertir en électricité. Les panneaux doivent être lavés régulièrement ou placés de manière à ce que la poussière soit éliminée d'elle-même par la pluie.

Certains panneaux solaires ont des lentilles intégrées pour concentrer le rayonnement sur la cellule solaire. Par temps clair, cela conduit à une efficacité accrue. Cependant, dans des nuages ​​épais, ces lentilles ne font que causer des dommages.

Si un panneau conventionnel dans une telle situation continue de générer du courant, bien que dans des volumes plus petits, le modèle d'objectif cessera presque complètement de fonctionner.

Idéalement, le soleil devrait éclairer uniformément une batterie de photocellules. Si l’une de ses sections s’avère obscurcie, alors les cellules solaires non éclairées se transforment en charge parasite. Non seulement ils ne génèrent pas d’énergie dans une telle situation, mais ils en retirent également aux éléments de travail.

Les panneaux doivent être installés de manière à ce qu'il n'y ait aucun arbre, bâtiment ou autre obstacle sur le chemin des rayons du soleil.

Schéma d'alimentation en énergie solaire de la maison

Le système d'alimentation en énergie solaire comprend :

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

Le contrôleur de ce circuit protège à la fois les panneaux solaires et les batteries. D'une part, il empêche la circulation des courants inverses la nuit et par temps nuageux, et d'autre part, il protège les batteries d'une charge/décharge excessive.

Les batteries rechargeables pour panneaux solaires doivent être sélectionnées de la même manière en termes d'âge et de capacité, sinon la charge/décharge se produira de manière inégale, ce qui entraînera une forte réduction de leur durée de vie.

Pour transformer un courant continu de 12, 24 ou 48 volts en courant alternatif 220 volts il vous faut onduleur. Les batteries de voiture ne sont pas recommandées pour une utilisation dans un tel circuit en raison de leur incapacité à supporter des recharges fréquentes. Il est préférable de dépenser de l'argent et d'acheter des batteries spéciales AGM à l'hélium ou OPzS inondées.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Principes de fonctionnement et schémas de connexion des panneaux solaires pas trop difficile à comprendre. Et avec le matériel vidéo que nous avons rassemblé ci-dessous, il sera encore plus facile de comprendre toutes les subtilités du fonctionnement et de l'installation des panneaux solaires.

Il est accessible et compréhensible comment fonctionne une batterie solaire photovoltaïque, dans tous ses détails :

Découvrez le fonctionnement des panneaux solaires dans la vidéo suivante :

Assemblage de panneaux solaires DIY à partir de photocellules :

Chaque élément dans système d'énergie solaire le chalet doit être choisi correctement. Des pertes de puissance inévitables se produisent dans les batteries, les transformateurs et le contrôleur. Et ils doivent être réduits au minimum, sinon le rendement déjà assez faible des panneaux solaires sera réduit à zéro.

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