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Le panneau solaire
Le panneau solaire est un ensemble de capteurs composés par des cellules voltaiques. Ces dernières captent la lumière du soleil et la transforme en energie électrique de faible voltage. Après une série d’amplifications,
elle est emmagasinée dans des batteries ou accumilateurs …
A – Les bases du solaire photovoltaïque
Quel est l’ensoleillement de la Terre ?
Le soleil envoie un rayonnement électromagnétique sur la Terre. Il est composé d’infrarouges (46%), de la lumière visible (48%) et des ultra-violets (6%). La Terre n’est pas toute ensoleillée de la même façon. Voici une carte présentant l’ensoleillement des différentes zones de la Terre :
Source : http://www.epsic.ch/pagesperso/schneiderd/apelm/sources/solaire.php
L’ensoleillement est mesuré en kWh. L’ensoleillement total de la Terre est de 1,6.1018 kWh ce qui correspond à 15 000 fois la consommation mondiale d’énergie.
Kilowatt-heure (kWh)
Le kilowatt-heure est une unité pratique de mesure d’énergie valant 3,6 mégajoules. Elle est surtout utilisée pour l’énergie électrique. C’est l’énergie consommée par un appareil d’une puissance d’un kilowatt (1000 watts) qui a fonctionné pendant une heure (1 kilowatt × 1 heure).
On remarque que la France par exemple a un ensoleillement moyen de 1 kWh/m². Cette information nous sera utile ultérieurement.
Quel est le principe de fonctionnement du panneau solaire ?
Le panneau solaire convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique. Les panneaux solaires sont composés de cellules photovoltaïques. Ces cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs qui peuvent libérer leurs électrons sous l’action d’une énergie (ici l’énergie lumineuse). La libération des électrons des matériaux constituants les cellules sous l’action des photons permet ainsi la production d’un courant électrique.
Quels sont les différents types de cellules photovoltaïques ?
Il existe trois types de cellules photovoltaïques :
Les cellules monocristallines : elles sont constituées d’un cristal à deux couches, le plus souvent du silicium. Elles ont un rendement entre 15 et 22 % mais elles sont chères à fabriquer.
Les cellules poly-cristallines : elles sont constituées de plusieurs cristaux, ce qui diminue leur prix de fabrication. Cependant leur rendement n’est que de 10 à 13 %.
Les cellules amorphes : elles ont un rendement très faible (5 à 10 %) mais leur prix est très bas.
De quoi sont composées les cellules photovoltaïques ?
Les panneaux solaires sont constitués de cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium, de sulfure de cadmium, et de tellure de cadmium. Ces composants sont superposés en deux fines plaques de telle sorte qu’il en résulte un contact étroit.
Silicium
C’est l’élément le plus abondant sur la Terre après l’oxygène (27,6%) Il n’existe pas à l’état libre mais sous forme de composés : de dioxyde silice (dans le sable, le quartz, la cristobalite, etc) ou de silicates (dans les feldspath, la kaolinite, etc).
Chaque plaque forme une couche, il y a donc deux couches, la couche supérieure et la couche inférieure.
- La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément qui possède plus d’électrons que le silicium. Cette couche possédera donc, en moyenne, une quantité d’électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type N.
- La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément qui possède moins d’électrons que le silicium. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d’électrons inférieure à une couche de silicium pur. Il s’agit d’un semi-conducteur de type P.
Le photon
Particule élémentaire qui constitue le rayonnement électromagnétique comme celui de la lumière visible.
Pour qu’il y ait conduction, on crée une jonction PN. Lors d’une exposition à la lumière cette dernière doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Dans les panneaux solaires, la jonction PN ne s’établit qu’en présence d’un photon. Cette jonction PN va permettre la formation d’un courant électrique.
Source : http://www.epsic.ch/pagesperso/schneiderd/apelm/sources/cellulesolaire.gif
Sous l’action de la lumière (photons) ces cellules génèrent une tension électrique qui se mesure en volt . C’est une transformation d’énergie. La tension obtenue est de l’ordre de 0,5V par cellule.
Volt (symbole V)
Unité SI de la force électromotrice et de la différence de potentiel (ou tension). Il correspond à la différence de potentiel électrique qui existe entre deux points d’un circuit parcouru par un courant constant de 1 ampère lorsque la puissance dissipée entre ces deux points est égale à 1 watt.
B – Production d’énergie d’un panneau solaire
Les cellules poly-cristallines, les plus utilisées de nos jours, ont un rendement compris entre 10 et 13%. Cela veut dire que si elles reçoivent une énergie solaire de 1000 W, elles produiront une énergie 10 fois moindre, 100 W.
Unité SI de puissance. En électricité le Watt correspond à un courant de 1 Ampère sous une tension de 1 Volt.
La puissance d’un panneau solaire indiquée par les constructeurs est sa puissance maximum obtenue dans des conditions optimales : en hiver par temps froid et quand le soleil est à son zénith. Il diffuse alors 1000W/m².
Un panneau solaire est constitué de cellules photovoltaïques reliées en série . Une cellule délivre une tension de 0,5V quand elle est éclairée. Pour obtenir une tension plus élevée, on assemble les cellules en série. Un panneau solaire peut délivrer une tension de 21,5V.
Pour produire du courant de plus forte tension, 220 V par exemple, il faut passer par unet un onduleur.
Cependant la puissance P est le produit de l’intensité I et de la tension U. Afin d’obtenir beaucoup d’énergie il faut donc que l’intensité soit elle aussi élevée.
Intensité
L’intensité du courant électrique en un point du circuit correspond au débit de la charge passant dans le conducteur en ce point. L’intensité i du courant électrique se mesure en ampères (unité SI) dont le symbole est A.
L’irradiation
Dans le domaine de la physique, c’est une émission de rayons (notamment lumineux) d’un corps; ou une propagation par rayonnement.
L’intensité délivrée par une cellule dépend directement de l’irradiation solaire. Dans les conditions optimales d’irradiation (1000W/m²), un panneau solaire de 100W produira un courant de 6A avec une tension de 16,7V. S’il est peu illuminé, le panneau solaire délivrera un courant de très faible intensité.
On peut donc prendre un exemple avec un panneau solaire délivrant un courant de puissance maximale de 100 W. Constitué d’une trentaine de cellules photovoltaïques, il délivre une tension de maximale de 15 V.
Puissance = Tension x Intensité
P = U x I
Si le panneau solaire est fortement illuminé : 1000W/m² il délivre une intensité de 6 ampères
P = 15 x 6
P = 90 W
Si le panneau solaire est peu illuminé il délivre une intensité de 0.01 A par exemple.
P = 15 x 0.01
P = 0.15 W
Quelle est l’importance de l’inclinaison des panneaux solaires ?
Le rendement des panneaux solaires dépend aussi de leur orientation.
Angle d’incidence
C’est l’angle formé par le plan du panneau solaire est les rayons du soleil. L’angle incident optimal est de 90°
L’angle d’incidence des rayons du soleil détermine le rendement du panneau solaire. L’angle d’incidence (AI) optimal est de 90°. Le rendement du panneau solaire est définit selon l’équation suivante :
R = sin(AI) x 100 = R
AI : Angle d’incidence (en degrés)
R : Rendement (en %)
Si l’angle d’incidence est de 90 ° :
R = 100 x sin90
R = 100 x 1
R = 100 %
R = 100 x 0.82
R = 82 %
Angle d’inclinaison
Synonyme du terme « angle d’irradiation », c’est l’angle formé par le plan du panneau solaire et l’horizontale.
Quand la somme de l’angle d’inclinaison et de l’angle zénithal est égale à 90° le panneau solaire est en orientation optimale sur le plan vertical.
Ainsi, seule une rotation automatique peut permettre au panneau solaire de délivrer une puissance maximale. En effet, si le panneau reste statique, la production d’électricité peut être réduite de 58 % à cause de l’orientation.
Angle zénithal
C’est l’angle formé par les rayons solaires et l’horizontale. Il varie en fonction de la hauteur du soleil au dessus de l’horizon.
Comme le rendement des cellules poly-cristallines ne dépasse que rarement 10 %, s’ il y a une perte supplémentaire du rendement de 52 %, la production finale d’énergie pour une panneau solaire qui délivre un courant de 100 W correctement orienté ne sera, en cas de mauvaise orientation que de 42 W alors qu’il reçoit plus de 1000 kWh/m².
C – Fabrication des panneaux solaires
Comment sont fabriqués les panneaux solaires ?
L’illustration suivante décrit en elle-même toutes les étapes nécessaires à la fabrication d’un panneau solaire :
Source : http://www.epsic.ch/pagesperso/schneiderd/apelm/sources/solairefabrication.gif
La fabrication des panneaux solaires est-elle propre ?
La production de cellules photovoltaïques demande beaucoup d’énergie et n’est donc pas totalement propre. Il faut environ cinq ans pour qu’une cellule photovoltaïque produise l’énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.
Qui fabrique les panneaux solaires ?
Les huit plus grandes entreprises fabricant des panneaux solaires sont : Sharp, Kyocera, BP Solar, Astropower, RWE Schott Solar, Siemens, Sanyo et Solarex.Ces entreprises sont pour la majorité Allemande ou Japonaise car se sont dans ces pays que l’énergie photovoltaique est la plus développée
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Pour plus d’explications rendez-vous sur le site http://panneausolaire.free.fr/
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