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I- Principe de fonctionnement du panneau solaire photovoltaïque

                           

         Dans cette partie, nous étudierons le fonctionnement et la composition des panneaux solaires en analysant le chemin de la lumière jusqu'à la création et le stockage de l'électricité.

                                      1-/ La lumière

          La lumière produite par le soleil est une source infinie et écologique. Le fait de créer de l’électricité avec de la lumière en passant par un matériau semi-conducteur s’appelle l’effet photovoltaïque. C’est le physicien Français Edmond Becquerel qui découvrit ce phénomène en 1839. Cependant, ce ne sera qu’un siècle plus tard que la première cellule photovoltaïque sera mise au point à cause des deux grandes guerres mondiales qui précédèrent cette découverte. Ce principe photovoltaïque repose sur la lumière, plus exactement les  photons qui sont émis par le soleil. On les appelle aussi des « grains de lumière ». Ces grains de lumières vont se heurter à la fine couche de semi-conducteur. Généralement on utilise le silicium en tant que semi-conducteur puisqu’il est très abondant sur la Terre (28% de la masse de l'écorce terrestre!). Cela le rend donc peu onéreux. Même si le silicium reste le matériau le plus utilisé chez les fabricants de cellules, comment expliquer les différences de rendement des différents types de panneaux existant?

 

    

          Nous pouvons remarquer plusieurs choses sur cette photo. Tout d'abord, ce type de panneau laisse apparaître des formes de cristaux. Malgré la couleur bleue de ce module, nous sommes en présence d'un panneau de type polycristallin. Les nombreuses nuances de bleus nous renseignent sur le type de panneau. Le silicium est issu d'un recyclage de composants électroniques. Nous pouvons supposer que cela affecte ses performances. Pour rappel, le silicium est également beaucoup utilisé en informatique.

         Au contraire, ce panneau se caractérise par son bleu uniforme. En effet, lors de sa fabrication, le silicium a été étiré en un gros cylindre de cristal homogène. Nous sommes dans ce cas face un un panneau monocristallin. Il est plus cher que le polycristallin.

 

          Même si les panneaux polycristallins sont issus d'un recyclage, le type de panneau qui nous est présenté sur cette photo est plus écologique lors de sa fabrication : moins d'énergie est nécessaire pour sa fabrication. De plus, son support est moins coûteux. Cette fois, le silicium est déposé sur une feuille de verre, de métal ou de plastique. Les matériaux précedemment cités approvisionnent les fabricants par la filière du recyclage. 

Technologie

Rendement typique (%)

Rendement 

théorique (%)

Monocristallin

12-16

     24

Polycristallin

11-13

    18,6

Amorphe

5-10

    12,7

          Ce tableau représente la rentabilité des différentes formes générales du silicium pour le photovoltaïque. On peut donc, grâce à ce document, comparer les rendements typiques des différentes technologies mais aussi comparer ces rendements avec ceux fait en laboratoire. On observe que les rendements théoriques sont toujours très élevés. Les différents modes de fabrications doivent certainement être à l'origine de ces variations de rendement. Nous pouvons finalement constater que le prix d'un panneau dépend essentiellement de son rendement. 

 

                                      2-/ le transfert énergétique

   Les photons vont se choquer contre la couche n. Cette couche est composée d’un semi-conducteur (généralement le silicium) et aussi dopée avec des atomes ayant un électron de plus en périphérie que sur le silicium. On prend souvent le phosphore comme dopant.

tableau de Mendeleiev

 

 

    Le silicium lui a 14 électrons donc 4 sur sa couche externe. 4 électrons doivent donc être partagés pour devenir stable mais il reste un électron du phosphore en trop.

    La couche est donc globalement chargée négativement. Pour que les électrons en excès de la couche n se libèrent, il faut de l’énergie. Cette énergie est fournie par les photons se heurtant contre la couche n.

    La couche p est composée d’un semi-conducteur et d'atomes n’ayant que trois électrons sur leur couche de valence. Le bore est le matériau le plus utilisé pour doper la couche p. Le silicium ayant 4 électrons sur sa couche externe, 15 la couche p devient donc chargée positivement.

      

    La différence de potentiel électrique entre les deux couches entraine une tension. Les électrons de la couche N vont vouloir migrer vers la couche P pour équilibrer les charges.

        La zone de jonction des couches P et N va "catapulter" les électrons de la couche N sur l'anode grâce aux champs électrique interne. Cette zone de jonction est une sorte de diode: elle ne laisse passer les électrons que dans un seul sens: de la couche P vers la couche N. Puis les électrons rejoignent la couche N par un circuit liant la cathode à l'anode. Un courant s’est alors créé. Il y a donc de l’électricité. Ce processus s’appelle la réaction photovoltaïque.

          Toutefois, il existe une dernière couche. Bien que sa présence soit souvent négligée, elle n'en demeure pas moins fondamentale. Elle est protectrice et antireflets. Elle vient se poser sur la cathode pour piéger les photons et ainsi faire augmenter la réaction photovoltaïque. L’ensemble de ces 5 couches constitue la cellule photovoltaïque. Une cellule photovoltaïque est l’unité de base d’un panneau solaire photovoltaïque. En moyenne, cette cellule libère une tension continue de 0.6V. Comment peut-on passer de 0,6 V en courant continu à 220 V en courant alternatif utilisable par nos appareils domestiques?

2-/ Le reste de l'installation

a) Le module photovoltaïque

           Une cellule photovoltaïque libère une tension insuffisante pour alimenter notre foyer. C’est pourquoi l’on associe en série et/ou en dérivation ces cellules.En dérivation, ce sont les intensités qui s’additionnent avec la même tension. En mettant les cellules du panneau en série, d'après la loi des tensions, la tension à la sortie des panneaux est égale au nombre de cellules multiplié par la tension libérée par chaque cellule photovoltaïque. Cependant la valeur de l’intensité reste la même. Toutefois, Il ne faut pas oublier qu'une tension de 24 volts appliquée à un corps humain peut-être mortelle (l'humidité de l'air peut modifier cette valeur). 

           Pour un usage classique, c'est pour cette raison que les cellules d’un panneau solaire sont posées en dérivation. Mettre des cellules photovoltaïques en série représente un risque lors du montage de l'installation.

 

 

b)  L'onduleur

 Le module photovoltaïque est précédé de l’onduleur. Ce dernier étant mis à la sortie du circuit, a pour rôle de faire en sorte que le courant continu à faible tension produit par les cellules photovoltaïques devienne alternatif, de tension 220V. Il est donc indispensable à l’installation photovoltaïque. 

c)   Deux types d'installations Photovoltaïques

 

 

 

  

 Dans une installation reliée au réseau, un compteur est mis en place derrière l'onduleur. Ce compteur mesure l'électricité revendue aux distributeurs d'électricité.

   Dans une installation située en pleine campagne, il est essentiel de disposer d'une batterie ainsi que d'un régulateur. La batterie permet le stockage de l'électricité produite. Le régulateur permet de charger ou de décharger la batterie dans le but d'éviter une surcharge de celle-ci. Notre foyer est désormais alimenté en électricité.

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