Dans notre quête incessante de solutions énergétiques durables et respectueuses de l’environnement, les panneaux solaires émergent comme une option incontournable. Au cœur de cette technologie révolutionnaire se trouve le principe de conversion de la lumière du soleil en électricité, un processus fascinant qui combine innovation et simplicité. Mais comment fonctionnent exactement ces dispositifs étonnants ? De la capture des rayons solaires à leur transformation en énergie utilisable, le fonctionnement des panneaux solaires et photovoltaïques repose sur une série d’étapes et de composants clés, chacun jouant un rôle crucial dans l’efficacité globale du système. Dans cet article, nous allons explorer en détail le fonctionnement des panneaux solaires, dévoilant les mystères de cette source d’énergie propre et renouvelable, et comment, à travers leur ingéniosité, ils alimentent des maisons et des entreprises partout dans le monde. Préparez-vous à plonger dans le monde captivant du photovoltaïque et à découvrir comment ces panneaux exploitent le pouvoir du soleil pour éclairer notre futur.
Panneau photovoltaïque fonctionnement
Les panneaux solaires, aussi connus sous le nom de systèmes photovoltaïques, jouent un rôle crucial dans l’exploitation d’une source d’énergie propre, renouvelable, et respectueuse de l’environnement. Leur fonctionnement repose sur la conversion de l’énergie lumineuse du soleil en électricité, une technologie à la fois fascinante et complexe qui suscite l’intérêt croissant pour son potentiel à répondre aux défis énergétiques contemporains.
Le cœur du panneau solaire est la cellule photovoltaïque, un dispositif semi-conducteur qui génère un courant électrique lorsque exposé à la lumière solaire. Cette transformation d’énergie, connue sous le nom d’effet photoélectrique, a été décrite pour la première fois par Alexandre Edmond Becquerel en 1839, posant les bases de ce qui allait devenir un élément essentiel de la technologie solaire moderne.
Les panneaux solaires fonctionnent grâce à des cellules faites principalement de silicium, disposées en couches pour former une jonction pn. Cette jonction est essentielle pour le processus de conversion d’énergie, car elle permet la séparation des charges électriques et la création d’un flux électrique en réponse à la lumière solaire. Au fil des années, l’efficacité de ces cellules a été grandement améliorée grâce à l’introduction de nouveaux matériaux comme le graphène, promettant une révolution dans la capacité des panneaux solaires à capter et à convertir l’énergie solaire en électricité.
L’un des principaux avantages des panneaux solaires est leur capacité à produire de l’électricité sans émission de polluants, ce qui en fait une solution énergétique durable et respectueuse de l’environnement. De plus, leur fonctionnement ne dépend pas de la chaleur mais de la lumière, permettant ainsi une production d’énergie même dans des conditions climatiques moins favorables, comme pendant les mois d’hiver.
La structure d’un panneau solaire intègre des cellules photovoltaïques connectées en série et en parallèle pour maximiser la production d’électricité. Ces panneaux peuvent être installés sur les toits des maisons, des bâtiments commerciaux, ou même formés en vastes champs solaires pour alimenter en électricité des communautés entières. Avec l’évolution constante de la technologie photovoltaïque, les panneaux solaires continuent d’offrir une solution prometteuse pour une production d’énergie propre, réduisant ainsi notre dépendance aux combustibles fossiles et contribuant à la lutte contre le changement climatique.
Un peu d’histoire sur le fonctionne un panneau solaire
Comme vous le savez, la batterie solaire n’est pas la première invention à utiliser l’énergie globale du Soleil comme alternative à l’énergie électrique. Les premières tentatives d’utilisation de la lumière solaire ont été des centrales électriques terminales, plus communément appelées “collecteurs”. Le principe de leur fonctionnement est de chauffer de l’eau jusqu’à 100 ° C à l’aide de la lumière du soleil, ce qui conduit à la génération d’électricité. Le fonctionnement des capteurs consistait en une transformation d’énergie en plusieurs étapes : accumulation de lumière solaire, ébullition de liquide, formation de vapeur, mouvement d’une machine à vapeur et conversion d’énergie thermique en énergie mécanique.
Contrairement au collecteur, la cellule solaire transforme directement la sortie du Soleil en énergie électrique . Il convient également de noter une caractéristique de la batterie solaire telle que l’utilisation de la lumière et non de la chaleur, ce qui vous permet de générer de l’électricité même en hiver.
À ce jour, le principe de fonctionnement de ces appareils repose sur la transformation de l’action des rayons en électricWité (effet photoélectrique) à l’aide de semi-conducteurs spéciaux, dont toute la batterie est constituée.
Les pionniers de l’effet photoélectrique sont trois éminents physiciens. Le phénomène même d’un tel processus a été décrit par un physicien d’origine française – Alexandre Edmond Becquerel en 1839. De plus, en 1873, le premier semi-conducteur réalisant l’action de l’effet photoélectrique a été découvert par l’ingénieur électricien anglais Willoughby Smith. Et le principe de fonctionnement, le schéma de la batterie solaire ont été décrits plus en détail et les lois des découvreurs précédents ont été confirmées en 1905 par le célèbre lauréat du prix Nobel Albert Einstein.
Définition et bases de la transformation d’énergie
Un dispositif de cellule solaire se compose d’une plaque équipée d’un circuit de semi-conducteurs connectés (cellules photoélectriques). Les cellules photovoltaïques remplissent la fonction de convertir la lumière du soleil en courant électrique. Par conséquent, afin de comprendre le principe de fonctionnement de cet appareil, il est nécessaire d’étudier ses bases, à savoir les photocellules.
Les photocellules sont des semi-conducteurs qui convertissent l’action de quanta de rayonnement électromagnétique, capables de se déplacer uniquement à la vitesse de la lumière, en énergie électrique. Le processus de cette transformation s’appelle l’effet photoélectrique, qui se produit sous l’influence de la lumière du soleil sur les structures de la cellule photoélectrique. La particularité de la structure consiste en l’hétérogénéité, qui est créée à l’aide d’alliages de différents matériaux et impuretés afin de modifier ses propriétés du point de vue de la physique et de la chimie.
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Ces mêmes impuretés créent des jonctions négatives et positives (pn), qui sont à la base du fonctionnement de deux semi-conducteurs et de la conduction entre eux. En plus de cette méthode, qui forme l’hétérogénéité de la structure de la cellule photoélectrique, les éléments suivants sont également utilisés :
- association de semi-conducteurs avec des largeurs de bande interdite différentes ;
- modifier la composition chimique de la cellule photoélectrique pour former une structure à espacement gradué ;
- une combinaison des méthodes ci-dessus.
La conversion d’énergie dépend directement des propriétés physiques et électriques de la structure et de la conductivité électrique des semi-conducteurs (photoconductivité). Une cellule photoélectrique se compose de différents types d’ électrons et de leurs couches. Le type négatif agit comme l’électrode sur laquelle la charge apparaît et, par conséquent, l’anode (récepteur) de cette charge est du type positif. L’accumulation d’énergie solaire se produit de cette manière : les électrons émergeant de la couche négative sous l’influence de la lumière solaire reçoivent des anodes. Quittant la couche d’électrons positifs, ils retournent à leur place d’origine. Les actions suivantes sont répétées. Au vu de ce que l’énergie du Soleil reste à l’intérieur de l’appareil.
fonctionnement panneau photovoltaïque
La conversion de la lumière solaire s’effectue dans des batteries (c’est-à-dire des groupes connectés en série) de cellules photovoltaïques, qui ont appris le nom de “batteries solaires”. Comment fonctionnent les panneaux solaires ?
Le cœur de la cellule solaire est un cristal de silicium. Avec le silicium (plus précisément, ses oxydes) que nous rencontrons tous les jours – c’est le sable que nous connaissons. Ainsi, on peut dire que le cristal de silicium est un grain de sable géant cultivé en laboratoire. Les cristaux sont coupés en cubes et coupés en platine de deux cents microns d’épaisseur (environ trois à quatre l’épaisseur d’un cheveu humain).
Une fine couche de phosphore est déposée sur une tranche de silicium d’un côté et une fine couche de bore de l’autre côté. Là où le silicium entre en contact avec le bore, un excès d’électrons libres apparaît, et là où le silicium entre en contact avec le phosphore, au contraire, les électrons sont rares, ce que l’on appelle des “trous” apparaissent. La combinaison d’environnements riches en électrons et déficients en électrons est appelée la transition physique pn . Des photons de lumière bombardent la surface de la plaque et éjectent les électrons de phosphore en excès vers les électrons de bore manquants. Le mouvement ordonné des électrons est le courant électrique. Il ne reste plus qu’à “l’assembler” en faisant passer des rails métalliques à travers la plaque. C’est essentiellement la façon dont une cellule photoélectrique au silicium est disposée.
La puissance d’une plaque photocellule est assez modeste, elle ne suffit que pour le fonctionnement de l’ampoule de la lampe de poche. Les éléments individuels sont donc assemblés en systèmes de batterie. Il est théoriquement possible d’assembler une batterie de n’importe quelle puissance à partir des éléments. La batterie est placée sur une base métallique renforcée pour augmenter la résistance et recouverte de verre. Il est important que la batterie solaire convertisse non seulement la partie visible mais aussi la partie ultraviolette du spectre solaire en électricité, de sorte que le verre recouvrant la batterie doit transmettre les rayons ultraviolets.
Un avantage important de la batterie solaire est qu’elle utilise la lumière et non la chaleur. Par conséquent, contrairement au collecteur, la batterie solaire peut fonctionner en hiver tant que les nuages ne couvrent pas la lumière du soleil. Il existe des projets de construction d’immenses champs de panneaux solaires dans l’Arctique et l’Antarctique, qui accumuleront de l’énergie pendant la journée polaire semestrielle, qui se produit au nord en été et au sud en hiver, c’est-à-dire deux centrales solaires géantes ne sera jamais inactif en même temps.
Tout cela est dans un futur lointain, et vous pouvez déjà profiter dès aujourd’hui des propriétés de la batterie solaire en équipant votre maison d’une centrale solaire miniature. Il est bien sûr peu probable qu’une telle station satisfasse pleinement les besoins en électricité du ménage, mais elle deviendra sans aucun doute un facteur sensible pour économiser le budget familial.
Nous écrivons souvent sur différents types d’ énergie alternative, y compris le solaire. Cet article débute une série d’articles sur les principes de fonctionnement de divers appareils fonctionnant aux énergies renouvelables. Et la première chose que nous allons examiner, ce sont les panneaux solaires. l’énergie solaire est depuis peu utilisée partout : pour l’éclairage naturel des pièces, le chauffage de l’eau, le séchage et parfois même la cuisine. Cependant, l’utilisation la plus importante de l’énergie solaire est probablement la production d’électricité. Et l’élément principal d’une telle génération est une batterie solaire !
La structure des panneaux solaires
Une batterie solaire est constituée de cellules solaires connectées en série et en parallèle. Toutes les photocellules sont situées sur un cadre en matériaux non conducteurs. Cette configuration permet d’assembler des panneaux solaires avec les caractéristiques requises (courant et tension). De plus, il permet de remplacer les photocellules endommagées par un simple remplacement.
Principe de fonctionnement panneau photovoltaïque
Le principe de fonctionnement des cellules solaires qui composent la batterie solaire est basé sur l’effet photovoltaïque. Cet effet a été observé par Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Par la suite, les travaux d’Einstein dans le domaine de l’effet photoélectrique ont permis de décrire quantitativement le phénomène. Les expériences de Becquerel ont montré que l’énergie rayonnante du soleil pouvait être transformée en électricité à l’aide de semi-conducteurs spéciaux, appelés plus tard cellules photoélectriques.
En général, cette méthode de production d’électricité devrait être la plus efficace puisqu’il s’agit d’un seul étage. Comparé à d’autres technologies pour convertir l’énergie solaire par une transition thermodynamique (rayons -> chauffage de l’eau -> vapeur -> rotation de la turbine -> électricité), moins d’énergie est perdue dans les transitions.
La structure de la photocellule
Une cellule photoélectrique à base de semi-conducteurs est constituée de deux couches de conductivités différentes. Des contacts de différents côtés sont soudés aux couches, qui sont utilisées pour se connecter à un circuit externe. Le rôle de la cathode est joué par une couche de conductivité n (conductivité électronique), le rôle de l’anode est joué par une couche p (conductivité des trous).
Le courant dans la couche n est créé par le mouvement des électrons, qui sont “assommés” lorsque la lumière les frappe en raison de l’effet photoélectrique. Le courant dans la couche p est créé par un “mouvement de trou”. Un “trou” est un atome qui a perdu un électron, donc le saut d’électrons de “trou” à “trou” crée un “mouvement” de trous, bien que dans l’espace les “trous” eux-mêmes ne bougent certainement pas.
Une jonction pn est créée à la jonction des couches conductrices n et p. Il s’avère qu’un type de diode peut créer une différence de potentiel due à l’entrée de rayons lumineux.
Mécanisme d’action physique
Lorsque les rayons lumineux frappent la couche n, des électrons libres se forment en raison de l’effet photoélectrique. De plus, ils reçoivent une énergie supplémentaire et sont capables de “sauter” la barrière de potentiel de la jonction pn. La concentration d’électrons et de trous change et une différence de potentiel se forme. Si vous fermez le circuit extérieur, le courant commencera à le traverser.
La différence de potentiel (et, par conséquent, l’EMF) que la cellule photoélectrique peut créer dépend de nombreux facteurs : l’intensité du rayonnement solaire, la surface de la cellule photoélectrique, l’efficacité de la construction, la température (pendant le chauffage, la conductivité chute) .
De quoi sont faites les photocellules ?
La première photocellule au monde est apparue en 1883 dans le laboratoire de Charles Fritts. Il est fait de sélénium recouvert d’or. Hélas, un tel ensemble de matériaux a montré de faibles résultats – environ 1% d’efficacité.
La révolution dans l’utilisation des cellules solaires s’est produite lorsque la première cellule au silicium a été créée dans les entrailles du Bell Telephone Laboratory. L’entreprise avait besoin d’une source d’électricité pour un central téléphonique , et on peut dire qu’elle a été la première entreprise à utiliser une source alternative d’énergie solaire.
Le silicium reste le matériau principal pour la production de cellules solaires. De manière générale, le silicium (Silicium, Silicium) est le deuxième élément le plus répandu sur Terre, ses réserves sont énormes. Dans son utilisation industrielle, cependant, il y a un gros problème – sa purification. Ce processus prend beaucoup de temps et coûte cher, donc le silicium pur est cher. Des analogues qui ne seraient pas inférieurs au silicium en termes d’efficacité sont maintenant recherchés. Les composés de cuivre, d’indium, de sélénium, de gallium et de cadmium, ainsi que les cellules solaires organiques sont considérés comme prometteurs.
Panneaux solaires (nœuds)
Cependant, la différence de potentiel créée par une seule photocellule est faible pour les applications industrielles. Pour que les cellules solaires soient utilisées pour alimenter des appareils, elles sont câblées ensemble. Cela conduit à des panneaux solaires , des ensembles solaires, des modules solaires). De plus, les photocellules sont recouvertes de diverses couches protectrices de verre, de plastique et de divers films. Ceci est fait pour protéger l’élément fragile.
La principale caractéristique de fonctionnement d’une batterie solaire est la puissance de crête , qui s’exprime en watts (W, W). Cette fonction affiche la puissance de sortie des batteries dans des conditions optimales : rayonnement solaire 1 kW/m 2 , température ambiante 25 o C, largeur du spectre solaire 45 o (AM1.5). Dans des conditions normales, il est extrêmement rare d’obtenir de tels indicateurs, l’éclairage est plus faible et le module chauffe plus haut (jusqu’à 60-70 degrés).
En connectant les photocellules en série, nous augmentons la différence de potentiel, en connectant en parallèle – le courant. Ainsi, en combinant les connexions, il est possible d’atteindre les paramètres nécessaires pour le courant et la tension, et donc pour la puissance. De plus, il est possible de connecter en série ou en parallèle non seulement des cellules photoélectriques dans une cellule solaire, mais également des cellules solaires en général.
Vous avez probablement remarqué que la calculatrice ordinaire fonctionne avec un éclairage minimal de chaque lampe. En comparant la taille de la cellule solaire sur la calculatrice et le module solaire standard , la puissance de rayonnement, vous pouvez imaginer les performances.
Et cela ne tient pas compte du spectre de la lumière solaire, qui est beaucoup plus large que le rayonnement visible de la lampe. Il existe à la fois des infrarouges et des ultraviolets. Cet exemple montre clairement comment une batterie solaire, de l’aube au crépuscule, fait tranquillement son travail. Bien que l’efficacité, par temps nuageux, soit naturellement plus faible que par temps ensoleillé.
De plus, plus la température ambiante est basse, plus l’ efficacité solaire des batteries est élevée.
Fonctionnement sur batterie solaire
De nos jours, les panneaux solaires sont de plus en plus utilisés non pas dans l’industrie spatiale, mais dans la vie de tous les jours pour alimenter et recharger les appareils électroniques portables . Et dans certains pays, l’énergie solaire est déjà activement utilisée non seulement dans la grande industrie des centrales solaires. mais aussi dans les mini-installations électriques domestiques. Considérons le principe de fonctionnement d’une batterie solaire. Comment l’énergie lumineuse du soleil est-elle convertie en électricité ? Il peut sembler à beaucoup que le principe de conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique dans une batterie solaire est très difficile à comprendre pour une personne qui n’a pas fait d’études supérieures dans ce domaine. Mais ce n’est pas comme ça. Regardons ce processus en détail, en utilisant l’exemple du fonctionnement d’un convertisseur photovoltaïque, qui est utilisé dans les panneaux solaires à conversion directe.
Les premiers convertisseurs photovoltaïques ont été créés par les ingénieurs des Bell Labs en 1950 spécifiquement pour une utilisation dans l’espace. Ils sont basés sur des éléments semi-conducteurs . Lorsque la lumière du soleil les frappe, un processus basé sur l’effet photovoltaïque se produit dans les semi-conducteurs non homogènes. convertir l’énergie lumineuse en électricité. c’est une conversion directe d’une énergie en une autre, puisque le processus lui-même est en une seule étape – il n’y a pas de transformations intermédiaires. L’efficacité d’une telle conversion dépend directement des propriétés électriques et physiques des semi-conducteurs, ainsi que de leur photoconductivité – les modifications de la conductivité électrique de la substance lorsqu’elle est éclairée.
Examinons de plus près les processus qui se produisent dans la jonction pn d’un semi-conducteur lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil. Permettez-moi de vous rappeler qu’une jonction pn est une région d’un semi-conducteur où son type de conduction passe d’un électron à un trou. Lorsque la lumière du soleil atteint la transition dans la région n, à la suite du flux de charges, une charge positive en volume se forme et dans la région p – une charge négative en volume. Ainsi, une différence de potentiel se produit dans la région de la jonction pn. Lorsque nous combinons plusieurs convertisseurs photovoltaïques dans un certain ordre dans un module et des modules dans une batterie, nous obtenons une batterie solaire capable de générer de l’électricité.
En conclusion
les panneaux solaires représentent une technologie clé dans le domaine des énergies renouvelables, offrant une méthode efficace et écologique pour convertir l’énergie solaire en électricité. Leur principe de fonctionnement repose sur des avancées scientifiques et techniques qui ont considérablement évolué depuis les premières découvertes, promettant un avenir encore plus lumineux pour l’exploitation de cette ressource inépuisable qu’est le soleil.
