Types de panneaux solaires : revue comparative des conceptions et conseils pour choisir les panneaux

Les énergies alternatives se développent à leur maximum en Europe, montrant leurs promesses avec des résultats.De nouveaux types de panneaux solaires apparaissent et leur efficacité augmente.

Si vous souhaitez assurer le fonctionnement d'un bâtiment industriel ou d'un local d'habitation grâce à l'énergie solaire, vous devez d'abord vous renseigner sur les différences entre les équipements et comprendre quels panneaux solaires sont adaptés aux conditions climatiques d'une région particulière.

Nous vous aiderons à résoudre ce problème. L'article aborde le principe de fonctionnement des convertisseurs photoélectriques et donne un aperçu des différents types de cellules solaires en indiquant leurs caractéristiques, avantages et inconvénients. Après vous être familiarisé avec le matériel, vous saurez faire le bon choix pour aménager un système solaire efficace.

Le principe de fonctionnement des panneaux solaires

La grande majorité des panneaux solaires sont, au sens physique du terme, des convertisseurs photovoltaïques. L’effet générateur d’électricité se produit au niveau de la jonction p-n du semi-conducteur.

Ce sont les plaquettes de silicium qui constituent la base du coût des panneaux solaires, mais si vous les utilisez comme source d'électricité 24 heures sur 24, vous devrez en outre acheter des batteries coûteuses.

Le panneau est constitué de deux tranches de silicium aux propriétés différentes. Sous l'influence de la lumière, l'un d'eux développe un manque d'électrons et l'autre un excès d'électrons.Chaque plaque comporte des bandes conductrices en cuivre connectées à des convertisseurs de tension.

Un panneau solaire industriel est constitué de plusieurs cellules photovoltaïques stratifiées liées entre elles et montées sur un substrat flexible ou rigide.

L'efficacité de l'équipement dépend en grande partie de la pureté du silicium et de l'orientation de ses cristaux. Ce sont ces paramètres que les ingénieurs ont tenté d’améliorer au cours des dernières décennies. Le principal problème est le coût élevé des processus qui sous-tendent la purification du silicium et la disposition des cristaux dans une direction dans tout le panneau.

Chaque année, l'efficacité maximale des différents panneaux solaires évolue à la hausse, car des milliards de dollars sont investis dans la recherche de nouveaux matériaux photovoltaïques (+)

Les semi-conducteurs des convertisseurs photoélectriques peuvent être fabriqués non seulement à partir de silicium, mais également à partir d'autres matériaux - principe de fonctionnement de la batterie ça ne change pas.

Types de convertisseurs photoélectriques

Les panneaux solaires industriels sont classés en fonction de leurs caractéristiques de conception et du type de couche photovoltaïque en fonctionnement.

Il existe ces types de batteries en fonction du type d'appareil :

• panneaux flexibles;
• modules rigides.

Les panneaux flexibles à couches minces occupent progressivement une niche de plus en plus importante sur le marché en raison de leur polyvalence de montage, car ils peuvent être installés sur la plupart des surfaces présentant une variété de formes architecturales.

Les caractéristiques réelles des panneaux solaires sont généralement inférieures à celles indiquées dans la notice. Par conséquent, avant de les installer chez vous, il est conseillé de voir vous-même un projet similaire réalisé.

En fonction du type de couche photovoltaïque en fonctionnement, les batteries solaires sont divisées en types suivants :

1. Silicium : monocristallin, polycristallin, amorphe.
2. Tellure-cadmium.
3. À base de séléniure d'indium-cuivre-gallium.
4. Polymère.
5. Organique.
6. À base d'arséniure de gallium.
7. Combiné et multicouche.

Tous les types de panneaux solaires n’intéressent pas le grand public, mais seulement les deux premiers sous-types cristallins.

Bien que certains autres types de panneaux aient un rendement élevé, ils ne sont pas largement utilisés en raison de leur coût élevé.

Les cellules photovoltaïques au silicium sont très sensibles à la chaleur. La température de base pour mesurer la production d’électricité est de 25°C. Lorsqu'elle augmente d'un degré, l'efficacité des panneaux diminue de 0,45 à 0,5 %.

Ensuite, les panneaux solaires qui présentent le plus grand intérêt pour les consommateurs seront discutés en détail.

Caractéristiques des panneaux à base de silicium

Le silicium pour cellules solaires est fabriqué à partir de poudre de quartz – cristaux de quartz broyés. Les gisements de matières premières les plus riches se trouvent en Sibérie occidentale et dans l'Oural moyen, de sorte que les perspectives pour ce domaine de l'énergie solaire sont presque illimitées.

Aujourd’hui encore, les panneaux en silicium cristallin et amorphe occupent déjà plus de 80 % du marché. Il convient donc de les examiner plus en détail.

Panneaux de silicium monocristallin

Les plaquettes de silicium monocristallin modernes (mono-Si) ont une couleur bleu foncé uniforme sur toute la surface. Le silicium le plus pur est utilisé pour leur production. Les cellules solaires monocristallines ont le prix le plus élevé parmi toutes les tranches de silicium, mais offrent également la meilleure efficacité.

Les grands panneaux solaires monocristallins dotés de mécanismes rotatifs s'intègrent parfaitement dans les paysages désertiques. Il existe des conditions pour une productivité maximale

Le coût de production élevé est dû à la difficulté d’orienter tous les cristaux de silicium dans la même direction. Grâce à ces propriétés physiques de la couche de travail, une efficacité maximale n'est assurée que lorsque les rayons du soleil sont perpendiculaires à la surface de la plaque.

Les batteries monocristallines nécessitent un équipement supplémentaire qui les fait tourner automatiquement pendant la journée afin que le plan des panneaux soit le plus perpendiculaire possible aux rayons du soleil.

Des couches de silicium avec des cristaux sur une seule face sont découpées dans un bloc de métal cylindrique, de sorte que les blocs photovoltaïques finis ressemblent à un carré arrondi aux coins.

Les avantages des batteries au silicium monocristallin comprennent :

1. Haute efficacité avec une valeur de 17-25%.
2. Compacité - surface d'équipement plus petite par unité de puissance par rapport aux panneaux en silicium polycristallin.
3. Durabilité — une efficacité suffisante de la production d'électricité est assurée pendant une période pouvant aller jusqu'à 25 ans.

Il n’y a que deux inconvénients à de telles batteries :

1. Prix ​​élevé et un retour sur investissement à long terme.
2. Sensibilité à la pollution. La poussière disperse la lumière, de sorte que l'efficacité des panneaux solaires qui en sont recouverts diminue fortement.

En raison du besoin de lumière directe du soleil, monocristallin panneaux solaires en cours d'installation principalement dans les zones ouvertes ou en hauteur. Plus la zone est proche de l'équateur et plus elle a de jours ensoleillés, plus il est préférable d'installer ce type particulier d'éléments photovoltaïques.

Cellules solaires polycristallines

Les panneaux de silicium polycristallin (multi-Si) ont une couleur bleue d'intensité inégale en raison de l'orientation diversifiée des cristaux. La pureté du silicium utilisé dans leur production est légèrement inférieure à celle des analogues monocristallins.

Les cristaux multidirectionnels offrent une efficacité élevée en lumière diffuse - 12-18 %.Il est inférieur à celui des cristaux unidirectionnels, mais par temps nuageux, ces panneaux sont plus efficaces.

L'hétérogénéité du matériau entraîne également une réduction du coût de production du silicium. Le métal purifié pour panneaux solaires polycristallins est coulé dans des moules sans astuce particulière.

En production, des techniques spéciales sont utilisées pour former les cristaux, mais leur directionnalité n'est pas contrôlée. Après refroidissement, le silicium est découpé en couches et traité selon un algorithme spécial.

Les panneaux polycristallins ne nécessitent pas d'orientation constante vers le soleil, c'est pourquoi les toits des maisons et des bâtiments industriels sont activement utilisés pour leur placement.

Pendant la journée, avec des nuages ​​​​légers, les avantages des panneaux solaires en silicium amorphe ne seront pas perceptibles ; leurs avantages ne se révèlent que sous des nuages ​​denses ou à l'ombre (+)

Les avantages des cellules solaires à cristaux multidirectionnels comprennent :

1. Haute efficacité dans des conditions de lumière diffuse.
2. Possibilité d'installation permanente sur les toits des immeubles.
3. Moindre coût par rapport aux panneaux monocristallins.
4. Durée de fonctionnement — la baisse d'efficacité après 20 ans d'exploitation n'est que de 15 à 20 %.

Les panneaux polycristallins présentent également des inconvénients :

1. Efficacité réduite avec une valeur de 12-18%.
2. Encombrement relatif — plus d'espace d'installation est requis par unité de puissance par rapport aux analogues monocristallins.

Les panneaux solaires polycristallins gagnent une part de marché croissante parmi les autres batteries au silicium. Ceci est assuré par de larges opportunités potentielles de réduction du coût de leur production.L'efficacité de ces panneaux augmente également chaque année, approchant rapidement les 20 % pour les produits fabriqués en série.

Panneaux solaires en silicium amorphe

Le mécanisme de production de panneaux solaires à partir de silicium amorphe est fondamentalement différent de la production de cellules photovoltaïques cristallines. Ici, ce n'est pas un non-métal pur qui est utilisé, mais son hydrure dont les vapeurs chaudes se déposent sur le substrat.

Grâce à cette technologie, les cristaux classiques ne se forment pas et les coûts de production sont considérablement réduits.

Les cellules solaires en silicium amorphe déposé peuvent être montées soit sur un substrat polymère flexible, soit sur une feuille de verre rigide.

À l'heure actuelle, il existe déjà trois générations de panneaux en silicium amorphe, dont chacune augmente considérablement l'efficacité. Si les premiers modules photovoltaïques avaient un rendement de 4 à 5 %, les modèles de deuxième génération avec un rendement de 8 à 9 % sont désormais largement vendus sur le marché.

Les derniers panneaux amorphes ont un rendement allant jusqu'à 12 % et commencent déjà à apparaître en vente, mais ils restent assez chers.

Grâce aux caractéristiques de cette technologie de production, il est possible de créer une couche de silicium à la fois sur un substrat rigide et flexible. Pour cette raison, les modules en silicium amorphe sont activement utilisés dans les modules solaires flexibles à couches minces. Mais les options avec un support élastique sont beaucoup plus chères.

La structure physico-chimique du silicium amorphe permet une absorption maximale des photons de faible lumière diffusée pour générer de l'électricité. Par conséquent, ces panneaux sont pratiques pour une utilisation dans les régions du nord dotées de vastes zones libres.

L'efficacité des batteries à base de silicium amorphe ne diminue pas même à haute température, bien qu'elles soient inférieures dans ce paramètre aux panneaux à l'arséniure de gallium.

A coût d'équipement identique, les panneaux solaires à hydrure de silicium affichent des performances supérieures à leurs homologues mono- et polycristallins (+)

Pour résumer, nous pouvons souligner les avantages suivants des panneaux solaires amorphes :

1. Polyvalence — la capacité de fabriquer des panneaux flexibles et minces, en installant des batteries sur n'importe quelle forme architecturale.
2. Haute efficacité en lumière diffuse.
3. Travail stable à des températures élevées.
4. Simplicité et fiabilité de conception. De tels panneaux ne se cassent pratiquement pas.
5. Maintenir la performance dans des conditions difficiles — moins de baisse de performance lorsque la surface est poussiéreuse qu'avec les analogues cristallins

La durée de vie de ces cellules photovoltaïques, à partir de la deuxième génération, est de 20 à 25 ans avec une baisse de puissance de 15 à 20 %. Les seuls inconvénients des panneaux en silicium amorphe incluent la nécessité de disposer de zones plus grandes pour accueillir des équipements de la puissance requise.

Aperçu des appareils sans silicium

Certains panneaux solaires, fabriqués à partir de métaux rares et coûteux, ont un rendement supérieur à 30 %. Ils sont plusieurs fois plus chers que leurs homologues en silicium, mais occupent néanmoins une niche commerciale de haute technologie en raison de leurs caractéristiques particulières.

Panneaux solaires en métal rare

Il existe plusieurs types de panneaux solaires en métaux rares, et tous ne sont pas plus efficaces que les modules en silicium monocristallin.

Cependant, la capacité de fonctionner dans des conditions extrêmes permet aux fabricants de tels panneaux solaires de fabriquer des produits compétitifs et de mener des recherches plus approfondies.

Les panneaux de tellurure de cadmium sont activement utilisés pour le revêtement des bâtiments dans les pays équatoriaux et arabes, où leur surface chauffe jusqu'à 70-80 degrés pendant la journée

Les principaux alliages utilisés pour fabriquer des cellules photovoltaïques sont le tellurure de cadmium (CdTe), le séléniure d'indium, de cuivre et de gallium (CIGS) et le séléniure de cuivre et d'indium (CIS).

Le cadmium est un métal toxique, et l'indium, le gallium et le tellure sont assez rares et coûteux, de sorte que la production en masse de panneaux solaires basés sur ceux-ci est même théoriquement impossible.

L'efficacité de ces panneaux est de 25 à 35 %, bien que dans des cas exceptionnels elle puisse atteindre jusqu'à 40 %. Auparavant, ils étaient principalement utilisés dans l'industrie spatiale, mais une nouvelle direction prometteuse est désormais apparue.

En raison du fonctionnement stable des photocellules en métaux rares à des températures de 130 à 150°C, elles sont utilisées dans les centrales solaires thermiques. Dans ce cas, les rayons du soleil provenant de dizaines ou de centaines de miroirs sont concentrés sur un petit panneau, qui génère simultanément de l'électricité et assure le transfert d'énergie thermique vers un échangeur de chaleur à eau.

En chauffant l’eau, de la vapeur se forme, ce qui fait tourner la turbine et produit de l’électricité. De cette manière, l’énergie solaire est convertie en énergie électrique simultanément de deux manières avec une efficacité maximale.

Analogues polymères et organiques

Les modules photovoltaïques à base de composés organiques et polymères n'ont commencé à être développés qu'au cours de la dernière décennie, mais les chercheurs ont déjà réalisé des progrès significatifs.L'entreprise européenne démontre les plus grands progrès Héliatek, qui a déjà équipé plusieurs immeubles de grande hauteur de panneaux solaires organiques.

L'épaisseur de sa structure de film en rouleau est HéliaFilm n'est que de 1 mm.

Dans la production de panneaux polymères, des substances telles que les fullerènes de carbone, la phtalocyanine de cuivre, le polyphénylène et autres sont utilisées. L'efficacité de ces cellules photovoltaïques atteint déjà 14 à 15 % et le coût de production est plusieurs fois inférieur à celui des panneaux solaires cristallins.

La question du temps de dégradation de la couche de travail organique est aiguë. Jusqu'à présent, il n'est pas possible de confirmer de manière fiable le niveau de son efficacité après plusieurs années de fonctionnement.

Les avantages des panneaux solaires organiques sont :

• possibilité d'élimination sans danger pour l'environnement ;
• faible coût de production;
• conception flexible.

Les inconvénients de telles cellules photovoltaïques incluent un rendement relativement faible et le manque d'informations fiables sur les périodes de fonctionnement stable des panneaux. Il est possible que dans 5 à 10 ans, tous les inconvénients des cellules solaires organiques disparaissent et qu'elles deviennent de sérieux concurrents pour les plaquettes de silicium.

Quel panneau solaire choisir ?

Le choix des panneaux solaires pour les maisons de campagne à une latitude de 45-60° n'est pas difficile. Il n’y a que deux options à considérer ici : les panneaux en silicium polycristallin et monocristallin.

En cas de manque d'espace, il est préférable de privilégier les modèles plus efficaces avec une orientation cristalline unilatérale ; s'il y a une zone illimitée, il est recommandé d'acheter des batteries polycristallines.

Il ne faut pas se fier aux prévisions des sociétés d'analyse pour le développement du marché des panneaux solaires, car les meilleurs exemples d'entre eux n'ont peut-être pas encore été inventés.

Il est préférable de choisir un fabricant spécifique, la puissance requise et les équipements supplémentaires avec la participation des dirigeants des entreprises impliquées dans la vente et l'installation de ces équipements. Il faut savoir que la qualité et le prix des modules photovoltaïques des plus grands fabricants diffèrent peu.

Il convient de garder à l'esprit que lors de la commande d'un ensemble d'équipements clé en main, le coût des panneaux solaires eux-mêmes ne représentera que 30 à 40 % du montant total. La période de récupération de ces projets est de 5 à 10 ans et dépend du niveau de consommation d'énergie et de la possibilité de vendre l'électricité excédentaire au réseau municipal.

Certains artisans préfèrent assembler des panneaux solaires de leurs propres mains. Sur notre site Web, vous trouverez des articles avec une description détaillée de la technologie de fabrication de ces panneaux, de leur connexion et de la disposition des systèmes de chauffage solaire.

Nous vous conseillons de lire :

1. Comment fabriquer une batterie solaire de vos propres mains : instructions d'auto-assemblage
2. Systèmes de chauffage solaire : analyse des technologies de chauffage basées sur des systèmes solaires
3. Schéma de connexion des panneaux solaires : au contrôleur, à la batterie et aux systèmes entretenus

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Les vidéos présentées montrent le fonctionnement de différents panneaux solaires en conditions réelles. Ils vous aideront également à comprendre les enjeux de choix des équipements associés.

Règles de choix des panneaux solaires et équipements associés :

Types de panneaux solaires :

Tests de panneaux monocristallins et polycristallins :

Pour la population et les petites installations industrielles, il n’existe actuellement aucune véritable alternative aux panneaux en silicium cristallin.Mais le rythme de développement de nouveaux types de panneaux solaires permet d'espérer que l'énergie solaire deviendra bientôt la principale source d'électricité dans de nombreuses maisons de campagne.

Nous invitons toute personne intéressée par la question du choix et de l'utilisation des panneaux solaires à laisser des commentaires, poser des questions et participer aux discussions. Le formulaire de contact se trouve dans le bloc inférieur.