Principe de fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques

Le principe de fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques se base évidemment sur l’effet photovoltaïque. L’effet photovoltaïque survient au niveau des cellules solaires qui sont composées de matériaux semi-conducteurs. La jonction des cellules solaires entre elles pour donner un module photovoltaïque permet la production d’un “photocourant” d’une puissance apte à alimenter des appareils électriques.

L’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque fait partie des phénomènes photoélectriques. Un phénomène photoélectrique consiste en un déplacement d’électrons dans un matériau semi-conducteur, dû à l’action des particules lumineuses : les photons. L’incidence de la lumière sur le semi-conducteur entraine soit une éjection d’électrons, soit un mouvement d’électrons modifiant la conductivité du matériau (effet photovoltaïque).

Effet Photoélectrique

Effet Photoélectrique

Le mouvement d’électrons sera exploité à travers la superposition de 2 couches de semi-conducteurs aux propriétés électriques différentes (positive “p” et négative “n”).  La couche “n” contient donc une surcharge d’électrons. A la jonction des 2 couches (jonction p-n) apparaît un champ électrique (Zone de Charge d’espace ou ZCE).

Bombardée de photons, les charges de la ZCE se séparent, faisant apparaître une tension électrique. De façon imagée, si on relie les deux couches par un petit fil, les électrons emprunteront alors ce fil pour aller rejoindre les charges positives qui les attend dans la zone “p”. Un circuit fermé de courant continu est alors formé.

Effet photovoltaïque

Effet photovoltaïque

La cellule photovoltaïque

L’effet photovoltaïque survient à l’interieur de la cellule. Dans la majorité des cas la cellule solaire photovoltaïque est fabriquée à partir de sable silicieux (SiO2). Pour avoir les 2 couches, La partie supérieure de la couche de Silicium est dopée avec du Bore, tandis que la partie inférieure est dopée au Phosphore.

Le tout forme une plaquette de silicium mince, d’une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,3mm environ. Lorsque la cellule photovoltaïque est éclairée, une tension électrique de 0,6V (en moyenne) apparaît. Pour que cette tension soit amplifiée, un montage en série de plusieurs cellules photovoltaïques est nécessaire.

Les grandeurs caractéristiques d’une cellule :

  • La puissance crête : elle dépend directement de l’intensité lumineuse. Plus le soleil est intense, le ciel dégagé, plus l’énergie produite par la cellule est élevée. La puissance de la cellule est donnée par la puissance crête. Elle est définie par la puissance produite pour un flux lumineux de 1000W/m2 à une température de cellule de 25°C. L’unité utilisée est le Watt-crête (Wc). La puissance d’une cellule est proportionnelle à sa taille. A rendement égal (quantité d’énergie solaire transformée en énergie électrique), une cellule 2 fois plus grande sera 2 fois plus puissante.
  • Le courant de court-circuit Icc, la tension à vide Uet le MPP : Icc est l’intensité de la cellule. Elle dépend directement du flux lumineux. La tension U0 est surtout fonction du matériau de base de la cellule (0,6V de tension à vide pour le silicium). Le MPP est le point de fonctionnement à puissance maximale. Il est donné par les grandeurs IMPP et UMPP. La valeur de chaque grandeur est déterminée suivant les tests STC (Standard Test Conditions) : 1 flux lumineux de 1000W/m2, une température de cellule de 25°C et une masse atmosphérique de 1,5.

Le module photovoltaïque

Pour amplifier la tension des cellules, elles sont branchées en série. Elles forment alors un module photovoltaïque. Chaque série de cellules est protégée par une diode by-pass. Cette diode permet de prévenir les risques de surchauffe et de contenir les baisses de régime dues à l’échauffement. Le module photovoltaïque doit être protégé des intempéries par une vitre sur la face avant. Les modules doivent être alors au moins conformes aux normes NF EN 61215 et NF EN 61646 en termes de “qualification de la conception et homologation”. 

Une prise de sortie de courant est fixée sur l’arrière des modules ou sur les cadres. Les grandeurs caractéristiques d’un module sont :

  • La tolérance de puissance : c’est l’écart de puissance nominale tolérée entre 2 modules branchées en série. Une installation avec des écarts de puissance disparates aura un rendement instable et faible. Une tolérance de puissance faible oblige à monter des modules de puissance quasi-équivalente ensemble. La valeur standard est de ±5%.
  • Le coefficient de température : c’est le rapport entre la chute de puissance et l’augmentation de la température. Plus le coefficient de température est faible, meilleur le module est. Les systèmes hybrides sont une solution alternative à la régulation de la température (combinaison de panneaux photovoltaïques et panneaux solaires thermiques).
  • Les autres grandeurs qui doivent apparaître dans les spécifications techniques sont : la tension UMPP, l’intensité IMPP, la tension à vide U0, et le courant de court-circuit ICC.

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