Le photovoltaïque est en plein essor en Allemagne. Dans cet article, vous découvrirez comment fonctionne une installation photovoltaïque et de quels composants elle est constituée.
Comment fonctionne le photovoltaïque ?
Un système photovoltaïque convertit la lumière du soleil en énergie électrique. Des modules solaires, constitués de cellules solaires, sont utilisés à cet effet. La lumière du soleil fait bouger les électrons des cellules solaires et génère du courant continu. Celui-ci est converti en courant alternatif par l'onduleur et mis à disposition du foyer.
Le fonctionnement d’un système photovoltaïque est un peu plus complexe que celui décrit ci-dessus. Un système photovoltaïque se compose de plusieurs composants essentiels à un fonctionnement efficace.
Quels composants sont nécessaires à la production d’électricité ?
Un système photovoltaïque se compose de quelques composants. Les plus importants sont :
- Panneaux solaires
- Câble solaire
- Compteurs solaires et compteurs d'injection
- Onduleur
Alternativement, un stockage d’énergie et un gestionnaire d’énergie peuvent également être utilisés. Les composants individuels sont décrits plus en détail ci-dessous.
Modules solaires et cellules solaires
Panneaux solaires contiennent des cellules solaires qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique. Les cellules solaires sont connectées en série afin que leurs tensions s'additionnent. En règle générale, un module solaire se compose de 60 ou 72 cellules ou de 120 à 144 demi-cellules. Ils atteignent une puissance de 300 à 400 Wc, même si des modules solaires de plus de 600 Wc sont désormais disponibles sur le marché.
Les cellules solaires sont principalement constituées de silicium. Le silicium est un matériau semi-conducteur doté de propriétés photovoltaïques. Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule solaire, elle excite les électrons. Leur mouvement crée de l'électricité. Deux couches dopées différemment sont nécessaires pour que la cellule solaire produise de l'électricité :
- La couche supérieure est appelée couche dopée n. Il contient du silicium et du phosphore. Le silicium possède quatre électrons liés, tandis que le phosphore en possède cinq. Cet électron supplémentaire est libre dans la couche ;
- La couche inférieure de silicium est dopée au bore. Le bore possède un électron de moins que le silicium, ce qui crée un trou ;
- Les électrons libres de la couche silicium-phosphore dopée n migrent dans la couche dopée p et remplissent les trous. Cela crée une couche limite d’atomes de bore avec quatre électrons. Ces atomes deviennent stationnaires car ils n’ont plus de trous ;
- Les pôles électriques sont créés par migration d'électrons. Lorsque les électrons migrent, la couche supérieure devient chargée positivement et la couche inférieure devient chargée négativement. La lumière du soleil libère les électrons des atomes de bore présents dans les cellules solaires. Les électrons sont attirés vers le pôle positif et migrent vers la couche supérieure. Ce processus a lieu dans toutes les cellules solaires exposées à la lumière du soleil.
Construire une cellule solaire
Les électrons excités proviennent de la couche supérieure des cellules solaires. Cela se produit via un conducteur électrique, généralement une grille métallique à l'arrière du module solaire. Lorsque le soleil brille, de plus en plus d’électrons sont poussés à travers les contacts métalliques et traversent les câbles solaires.
Il y a un contact métallique au bas du module solaire qui est connecté aux câbles solaires. Les électrons circulent dans le câble et réapparaissent dans la couche inférieure. En restant en mouvement constant, ils génèrent une tension électrique.
Câble solaire
Les câbles solaires relient les modules d'un système solaire. Ils sont résistants aux intempéries et aux UV et transportent l'électricité entre les modules photovoltaïques. Il existe différentes manières de connecter ou de commuter ces câbles. Cela affecte la tension, le courant et la puissance globale :
- Au Connexion en série les modules solaires sont connectés en série. Le câble positif est connecté au câble négatif. La tension de tous les modules s'additionne tandis que le courant reste le même. A la fin, le premier et le dernier module ont chacun un câble qui est connecté à l'onduleur. C’est le type de circuit le plus courant et celui comportant le moins de câbles.
- Au Connexion parallèle Les câbles négatifs sont connectés aux câbles négatifs et les câbles positifs sont connectés aux câbles positifs. Cela augmente le courant tout en gardant la même tension du module. A la fin, il y a encore deux câbles connectés à l'onduleur. L'avantage est que l'ombrage d'un module n'a aucune influence sur le rendement électrique des autres. L'inconvénient est la pose de câbles plus longue et l'installation plus complexe.
Compteur solaire
Le compteur solaire mesure toute l'électricité produite par le système photovoltaïque. Ceci est crucial pour déterminer le rendement généré et la viabilité économique du système photovoltaïque. Le compteur solaire est installé côté DC, c'est-à-dire devant l'onduleur.
Onduleur
UN Onduleur permet d'utiliser l'énergie solaire produite dans le foyer. L’énergie solaire fonctionne en courant continu, tandis que les ménages et le réseau public utilisent du courant alternatif :
- Courant continu circule constamment dans une direction, du négatif vers le positif. La force du courant reste constante dans le temps ;
- À Courant alternatif le flux de courant change régulièrement de direction. La fréquence, mesurée en hertz (Hz), indique la fréquence à laquelle ce changement se produit par seconde. En Europe, les réseaux électriques fonctionnent à 50 Hz, ce qui signifie que la direction change 50 fois par seconde.
Les onduleurs photovoltaïques utilisent des circuits sophistiqués pour générer une onde sinusoïdale pour les appareils électroniques. Les interrupteurs ouvrent et ferment rapidement les lignes électriques, changeant ainsi la direction du courant. Pour obtenir une onde sinusoïdale uniforme, la fréquence de commutation est divisée en segments plus petits avec des intensités de courant différentes.
Pour surveiller et optimiser les systèmes photovoltaïques, les onduleurs modernes contiennent du MPPT (Maximum Power Point Tracking). Ils influencent le courant et la tension électriques pour faire fonctionner le système solaire près de son point de performance maximale.
Stockage d'électricité
En raison des prix élevés de l’électricité de nos jours, il vaut la peine de stocker l’électricité excédentaire au lieu de l’injecter dans le réseau. Il y en aura un pour ça Stockage d'électricité intégré au système photovoltaïque. Cela vous permet d’utiliser l’énergie solaire que vous produisez vous-même en dehors des heures de production. Cela augmente à son tour la consommation interne et la rentabilité du système.
Un dispositif de stockage d'énergie se compose d'une électrode positive (anode), d'une électrode négative (cathode) et d'un électrolyte comme liquide conducteur. L'électrolyte entoure les deux électrodes. Si le système solaire génère un excès d’électricité, les électrons se déplacent à travers l’électrolyte, de la cathode à l’anode. L'anode est complètement chargée d'électrons. Les électrons réagissent à l'anode et forment des atomes. L’excès d’électricité est donc stocké sous forme d’énergie chimique.
Lors de la décharge, les atomes retournent vers la cathode. Là, ils sont reconvertis en électrons. Les électrons sont disponibles sous forme de courant électrique et sont injectés dans le circuit domestique.
Pour rendre le stockage d’électricité particulièrement intéressant, combinez-le avec un système de gestion de l’énergie.
Système de gestion de l'énergie
La tâche un gestionnaire d'énergie pour les systèmes photovoltaïques est d'augmenter la consommation d'énergie solaire des ménages et de réduire les coûts d'électricité. La gestion de l'énergie identifie et utilise le potentiel d'économie d'énergie. Il enregistre et analyse les flux et sources d'énergie, développe des idées d'amélioration, évalue l'efficacité économique et les met en œuvre. La plupart des systèmes de gestion de l'énergie sont contrôlés via une application ou un logiciel.
Compteurs de consommation et compteurs d'injection
Si vous raccordez une installation photovoltaïque au réseau électrique public, vous avez besoin d'un compteur de consommation et d'un compteur d'injection :
- Le Compteur d'alimentation mesure l'électricité injectée dans le réseau ;
- Le Compteur de consommation mesure l’électricité consommée par le ménage.
Le compteur de consommation est généralement déjà présent. Le compteur d'injection n'est installé qu'à la mise en service de l'installation photovoltaïque, dès que vous enregistrez l'installation auprès de l'exploitant du réseau et qu'il est libéré par celui-ci. De nos jours, on installe généralement des compteurs bidirectionnels, qui combinent des compteurs de consommation et d'injection.
