Ces dernières années, la soi-disant "énergie alternative" est devenue de plus en plus populaire. Une attention particulière est portée à l'utilisation du rayonnement solaire. C'est tout à fait naturel, car si vous créez un élément capable de convertir les rayons lumineux en électricité, vous pouvez obtenir une source d'énergie gratuite et inépuisable. Et un tel élément a été créé. Cela a été appelé une "cellule photoélectrique solaire" ou une "batterie solaire", et le fonctionnement d'une batterie solaire est assez simple à comprendre.

Principe de fonctionnement

L'essentiel est de ne pas confondre le photovoltaïque avec les capteurs solaires (les deux sont souvent appelés "panneaux solaires"). Si le principe de fonctionnement des capteurs est basé sur le chauffage du liquide de refroidissement, les photocellules produisent directement de l'électricité. Leur travail est basé sur l'effet photoélectrique, qui consiste en la génération de courant sous l'influence de la lumière solaire dans les matériaux semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs sont également appelés substances dont les atomes contiennent un nombre excessif d'électrons (type n) ou, inversement, en manquent (type p). Et les zones de la structure des éléments p où les électrons pourraient potentiellement être localisés étaient appelées "trous". Par conséquent, une cellule photoélectrique à base de semi-conducteur se compose de deux couches avec différents types conductivité.

Comment fonctionnent les panneaux solaires avec une telle structure ? De la manière suivante. La couche interne de l'élément est constituée d'un semi-conducteur p, la couche externe, beaucoup plus fine, est constituée d'un semi-conducteur n. A la limite des couches, il y a une soi-disant "zone jonction p-n a", formé en raison de la formation de charges volumétriques positives dans la couche n et négatives dans la couche p.

Dans ce cas, une certaine barrière énergétique apparaît dans la zone de transition, causée par la différence des potentiels des charges. Il empêche la pénétration des principaux porteurs de charge, mais laisse passer librement les porteurs mineurs et dans des directions opposées. Sous l'action de la lumière solaire, une partie des photons est absorbée par la surface de l'élément et génère des paires "trou-électron" supplémentaires. Autrement dit, les électrons et les trous se déplacent d'un semi-conducteur à un autre, leur transférant une charge négative ou positive supplémentaire. Dans ce cas, la différence de potentiel initiale entre les couches n et p diminue et un courant électrique est généré dans le circuit externe.

Caractéristiques structurelles

De nombreuses photocellules modernes n'ont qu'une seule jonction p-n. Dans ce cas, les porteurs de charge passant librement ne sont générés que par les photons dont l'énergie est supérieure ou égale à la largeur de la "zone interdite" à la frontière de transition. Cela signifie que les photons à faible teneur en énergie ne sont tout simplement pas utilisés, ce qui réduit considérablement l'efficacité de la cellule. Pour surmonter cette limitation, des photostructures multicouches (plus souvent à quatre couches) ont été créées.

Ils vous permettent d'utiliser une plus grande partie du spectre solaire et d'avoir des performances plus élevées. De plus, les photocellules sont disposées de manière à ce que les rayons tombent d'abord sur la transition avec la bande interdite la plus large. Dans le même temps, des photons plus "énergivores" sont absorbés, tandis que des photons avec une réserve d'énergie plus faible vont plus en profondeur et stimulent le reste des éléments.

Que sont les panneaux solaires ?

Les cellules solaires, dont le principe de fonctionnement est basé sur l'effet photoélectrique, ont été créées depuis longtemps. La principale difficulté de leur réalisation réside dans le choix de matériaux capables de générer un courant suffisamment puissant. Les premières expériences ont été réalisées avec des cellules au sélénium, mais leur efficacité était extrêmement faible (environ 1 %). De nos jours, le silicium est principalement utilisé dans les photocellules, la productivité de ces dispositifs est d'environ 22 %. De plus, de nouveaux types de cellules (par exemple, utilisant de l'arséniure de gallium ou d'indium) avec une efficacité plus élevée sont constamment développés. L'efficacité maximale des panneaux solaires est aujourd'hui de 44,7 %.

Mais de tels éléments sont très coûteux et jusqu'à présent ne sont produits que dans des conditions de laboratoire. Les cellules à base de silicium monocristallin ou polycristallin, ainsi que les éléments en couches minces, sont largement utilisés. Les photopiles monocristallines sont plus chères, mais ont des performances plus élevées, tandis que les polycristaux sont moins chers, mais moins efficaces en raison de leur structure inhomogène. Dans la production de cellules à couches minces, on n'utilise pas de cristaux, mais des couches de silicium déposées sur un substrat souple.

Récemment, des technologies énergétiques alternatives ont été activement développées. Il s'agit de panneaux solaires (SB), de parcs éoliens et d'un certain nombre d'autres appareils. Les panneaux solaires ou les soi-disant panneaux photovoltaïques sont considérés comme particulièrement prometteurs, car, compte tenu de la vie presque éternelle du soleil, cette énergie est inépuisable. Malgré leur coût relativement élevé jusqu'à présent, ils fournissent une énergie gratuite et propre. Cependant, les prix du SB diminuent d'année en année, ce qui indique grandes perspectives leur généralisation.

Dispositif de batterie solaire

Une batterie solaire est un système de dispositifs semi-conducteurs sous la forme de convertisseurs photovoltaïques qui convertissent l'énergie solaire en énergie directe. électricité en utilisant le principe de l'effet photoélectrique.

1 - Contrôleur
2 - Batterie
3 - Onduleur
4 - Module
5 - Matériel électrique

La batterie solaire comprend les éléments suivants :

• , composé de deux couches de matériaux de conductivité différente. Par exemple, il peut s'agir de silicium polycristallin ou monocristallin avec l'inclusion d'autres composés chimiques pour créer le principe de l'effet photoélectrique de jonction p-n. Autrement dit, un matériau manque d'électrons et l'autre en a un excès.
• , la couche la plus mince d'un élément qui résiste au transfert d'électrons.
• . Lorsqu'elle est connectée à la couche opposée, la zone barrière est facilement franchie par les électrons. En conséquence, un mouvement ordonné de particules infectées apparaît, c'est-à-dire un courant électrique.
• . Fournit l'accumulation et la conservation de l'énergie.
• . Il convertit le courant continu provenant du panneau solaire en courant alternatif.
• . Fournit la création d'une tension de la plage requise dans le système de batterie solaire.

Principe de fonctionnement

• La lumière du soleil sous forme de photons de lumière frappe la surface d'une cellule solaire.
• Lorsqu'ils entrent en collision avec la surface d'un semi-conducteur, les photons transfèrent de l'énergie aux électrons du semi-conducteur.
• Les électrons expulsés du semi-conducteur à la suite de l'impact surmontent la couche protectrice, emportant avec eux une énergie supplémentaire.
• En conséquence, les électrons négatifs passent dans le conducteur n à partir du conducteur p et les électrons positifs effectuent la manœuvre inverse. Une telle transition est facilitée par les champs électriques, qui ce moment sont présents dans les conducteurs. Par la suite, ils augmentent la différence et la force des charges.

Si la batterie, éclairée par le soleil, est fermée à une certaine charge avec une résistance R, on observe alors l'apparition d'un courant électrique I. Sa valeur est déterminée par la résistance de charge, l'intensité de l'éclairage et la qualité du convertisseur photoélectrique. La puissance P dissipée dans la charge est déterminée par la formule P= I*U, où U désigne la tension aux bornes de la batterie.

Sortes

Selon les matériaux utilisés, les panneaux solaires peuvent être :

• Panneaux de cellules photovoltaïques monocristallines. Ils sont efficaces, mais plus chers, l'efficacité est de 14-16%. Les éléments monocristallins ont une forme polygonale, de sorte qu'il est difficile de remplir toute la zone;
• Panneaux de silicium amorphe. Ces batteries présentent une faible efficacité de l'ordre de 6 à 8 %. Mais parmi les technologies de conversion au silicium, elles ont l'électricité la moins chère ;
• Les panneaux de tellurure de cadmium sont fabriqués sur la base de la technologie du film. L'application de la couche semi-conductrice est réalisée avec une couche de plusieurs centaines de micromètres. L'efficacité est de 11 %, mais en comparaison avec les batteries au silicium, un watt de puissance est des dizaines de pour cent moins cher ;
• Panneaux à base de semi-conducteurs CIGS, composés de sélénium, de gallium, d'indium et de cuivre. L'efficacité de tels panneaux atteint 15%;
• panneaux polymères. Il s'agit d'une sorte de batteries à couches minces, dont le principe de fonctionnement ressemble à la photosynthèse des plantes. Comprend une couche de polymère, une couche protectrice, un support flexible et des électrodes en aluminium. Efficacité 5-6% ;
• Les plus courants en raison du rapport optimal entre efficacité et prix sont les panneaux constitués de cellules photovoltaïques polycristallines. Leur efficacité atteint 12-14%.

SB peut également être conditionnellement divisé en types suivants :

• Film mince ou souple (à base de tellurure de cadmium, cristallin et amorphe) ;
• Rigide(à partir de silicium cristallin, parfois amorphe) ;
• Unilatéral(absorbe la lumière d'un côté);
• Bilatéral(absorbe la lumière des deux côtés).

Particularités

• La charge de la batterie en cas de faible ensoleillement diminue, donnant de l'énergie électrique au récepteur électrique, c'est-à-dire qu'elle va Travail à plein temps en mode charge et décharge. Le contrôle est effectué par un contrôleur spécial.
• SB ne nécessite aucune maintenance préventive particulière. Il peut seulement nécessiter un dépoussiérage.
• Les panneaux peuvent également être utilisés en hiver, cependant, la productivité pendant cette période diminue d'une fois et demie à deux fois. Pour éviter que la neige ne s'accumule sur les panneaux, ils doivent être installés à un angle de 70 degrés sur une pente.
• Les panneaux solaires conviennent mieux aux systèmes hors réseau qui comportent de nombreux appareils électroménagers éconergétiques qui ne sont pas allumés en permanence.

Application

Les panneaux solaires peuvent être utilisés presque partout :

• Véhicules électriques.
• Électronique portative.
• Calculatrices, lampes de poche, lecteurs, etc., c'est-à-dire partout où vous avez besoin de recharger les batteries de divers appareils électroniques grand public.
• Aviation. C'est ainsi qu'est né l'avion Solar Impulse, propulsé uniquement par l'énergie solaire.
• Alimentation électrique pour maisons, écoles, aéroports et autres bâtiments. Les panneaux solaires sont largement utilisés dans les régions subtropicales et tropicales où les journées ensoleillées sont nombreuses. Ils sont particulièrement populaires dans les pays méditerranéens.
• utiliser dans l'espace. Les SB sont installés sur l'ISS, installés sur des satellites, des véhicules spatiaux et interplanétaires, et bien plus encore.

Avantages et inconvénients

Parmi les avantages, citons :

• Respect de l'environnement;
• Durabilité, les cellules solaires durent plusieurs décennies ;
• Principe de fonctionnement simple. Pour cette raison, il n'y a pratiquement pas de pannes dans la batterie solaire ;
• Silence;
• Possibilité de travail permanent;
• Pas besoin de carburant ;
• publicité;
• La possibilité de modifier la puissance du système.

Parmi les lacunes, on peut noter:

• Faible efficacité. Nous avons besoin d'une grande surface de batterie pour répondre aux besoins même d'une petite famille ;
• La complexité de l'assemblage et du réglage du système ;
• Le coût plutôt élevé des panneaux solaires, ainsi que le faible retour sur investissement du système.

perspectives

Le désir de l'humanité de respecter l'environnement et le rejet du pétrole conduiront à l'introduction de technologies de plus en plus économes en énergie. Cela signifie que des panneaux solaires seront utilisés partout. Et la création de panneaux à haut rendement permettra :

• Équiper la plupart des bâtiments de panneaux énergétiques ;
• Montez-les dans des voitures, des routes, des robots et de nombreux autres appareils ;
• Installez-les dans des vêtements et même implantez-les chez une personne. Des scientifiques sud-coréens ont déjà créé une cellule solaire sous-cutanée 15 fois plus fine qu'un cheveu. Il assure le bon fonctionnement des appareils implantés dans le corps, par exemple un stimulateur cardiaque.

Le soleil est une source d'énergie inépuisable. Il peut être utilisé en brûlant des arbres ou en chauffant de l'eau dans des chauffe-eau solaires, convertissant la chaleur résultante en électricité. Mais il existe des appareils qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Ce sont des panneaux solaires.

Champ d'application

Il existe trois façons d'utiliser l'énergie solaire :

• Économiser de l'électricité. Les panneaux solaires vous permettent d'éliminer ou de réduire la consommation d'électricité centralisée, ainsi que de vendre l'électricité excédentaire à la compagnie d'électricité.
• Fourniture d'électricité à des objets dont l'alimentation en lignes électriques est impossible ou non rentable économiquement. Il peut s'agir d'un chalet ou d'un pavillon de chasse, situé loin des lignes électriques. De tels appareils sont également utilisés pour alimenter des lampes dans des zones éloignées du jardin ou des arrêts de bus.
• Puissance mobile et des appareils portables. Lors de randonnées, de sorties de pêche et d'autres activités similaires, il est nécessaire de recharger les téléphones, appareils photo et autres gadgets. Les cellules solaires sont également utilisées pour cela.

Les panneaux solaires sont pratiques à utiliser là où l'électricité ne peut pas être fournie.

Principe d'opération

Les éléments des batteries solaires sont des plaques de silicium d'une épaisseur de 0,3 mm. Du côté sur lequel la lumière tombe, du bore est ajouté à la plaque. Cela conduit à l'apparition d'un excès d'électrons libres. Au verso, du phosphore est ajouté, ce qui conduit à la formation de "trous". La frontière entre eux s'appelle la jonction p-n. Lorsque la lumière frappe la plaque, elle "élimine" les électrons à l'arrière. Cela crée une différence de potentiel. Quelle que soit la taille de l'élément, une cellule développe une tension de 0,7 V. Pour augmenter la tension, elles sont connectées en série et pour augmenter le courant, elles sont connectées en parallèle.

Opinion d'expert

Alexeï Bartosh

Spécialiste de la réparation, de la maintenance d'équipements électriques et électroniques industriels.

Demandez à un expert

Dans certaines conceptions, pour augmenter la puissance, des lentilles étaient installées au-dessus des éléments ou un système de miroirs était utilisé. Avec la baisse du coût des batteries, ces appareils sont devenus inutiles.

L'efficacité maximale du panneau et, par conséquent, la puissance, est atteinte lorsque la lumière tombe à un angle de 90 degrés. Dans certains appareils fixes, la batterie tourne après le soleil, mais cela augmente considérablement le coût et alourdit la structure.

Le principe de fonctionnement de la batterie solaire

Avantages et inconvénients de l'utilisation de piles

Les panneaux solaires, comme tout appareil, présentent des avantages et des inconvénients liés au principe de fonctionnement et aux caractéristiques de conception.

Avantages des panneaux solaires :

• Autonomie. Vous permet de fournir de l'électricité à des bâtiments ou des installations éloignés et de travailler appareils mobiles dans des conditions de randonnée.
• Rentabilité. Pour produire de l'électricité, la lumière du soleil est utilisée, pour laquelle vous n'avez pas à payer. Par conséquent, les FES (systèmes photovoltaïques) sont amortis en 10 ans, ce qui est inférieur à la durée de vie de plus de 30 ans. De plus, 25 à 30 ans est une période de garantie, et l'installation photovoltaïque fonctionnera après, apportant des bénéfices au propriétaire. Bien sûr, il faut tenir compte du remplacement périodique des onduleurs et batteries, mais encore, l'utilisation d'une telle centrale permet d'économiser de l'argent.
• Respect de l'environnement. Pendant le fonctionnement, les appareils ne polluent pas l'environnement et ne font pas de bruit, contrairement aux centrales électriques fonctionnant avec d'autres types de combustibles.

En plus des avantages, FES présente des inconvénients :

• Prix ​​élevé. Un tel système est assez coûteux, surtout compte tenu du prix des batteries et des onduleurs.
• Longue période de récupération. Les fonds investis dans la centrale photovoltaïque ne seront rentabilisés qu'après 10 ans. C'est plus que la majeure partie des autres investissements.
• Les systèmes photovoltaïques occupent beaucoup d'espace – tout le toit et les murs d'un bâtiment. Cela viole la conception du bâtiment. De plus, les batteries haute capacité occupent une pièce entière.
• Production d'énergie inégale. La puissance de l'appareil dépend de la météo et de l'heure de la journée. Ceci est compensé en installant des piles rechargeables ou en connectant le système au secteur. Cela permet par beau temps pendant la journée de vendre l'électricité excédentaire à la compagnie d'électricité, et la nuit, au contraire, de connecter l'équipement à l'alimentation centralisée.

Spécifications : ce qu'il faut rechercher

Le paramètre principal d'un système de photocellule est la puissance. La tension d'une telle installation atteint un maximum en pleine lumière et dépend du nombre d'éléments connectés en série, qui dans presque toutes les conceptions est de 36. La puissance dépend de la surface de l'élément osseux et du nombre de chaînes de 36 pièces connectées en parallèle.

En plus des batteries elles-mêmes, il est important de choisir un contrôleur de charge de batterie et un onduleur qui convertit la charge de la batterie en tension secteur, ainsi que les panneaux eux-mêmes.

Les piles ont courant admissible charge, qui ne doit pas être dépassée, sinon le système tombera en panne. Connaissant la tension des batteries, il est facile de déterminer la puissance nécessaire à la charge. Elle doit être supérieure à la capacité de la centrale solaire, sinon par une journée ensoleillée une partie de l'énergie sera inutilisée.

Le contrôleur charge les batteries et doit également être capable d'utiliser pleinement l'énergie du soleil.

L'équipement qui reçoit l'énergie de la centrale solaire est connecté à l'onduleur, sa puissance doit donc correspondre à la puissance totale des appareils électriques.

Types de panneaux solaires

En plus de la taille et de la puissance, les panneaux diffèrent par la manière dont les éléments individuels sont fabriqués à partir de silicium.

Apparence panneaux mono et polycristallins

Eléments en silicium monocristallin

Les cellules solaires en silicium monocristallin ont la forme d'un carré aux angles arrondis. Cela est dû à la technologie de fabrication :

• un cristal cylindrique est formé à partir de silicium fondu hautement purifié ;
• après refroidissement, les bords du cylindre sont coupés et la base du cercle prend la forme d'un carré aux coins arrondis;
• la barre obtenue est découpée en plaques de 0,3 mm d'épaisseur ;
• du bore et du phosphore sont ajoutés aux plaques et des bandes de contact sont collées dessus;
• une cellule de batterie est assemblée à partir d'éléments prêts à l'emploi.

La cellule finie est fixée sur la base et recouverte de verre qui transmet les rayons ultraviolets ou est feuilleté.

De tels dispositifs se distinguent par leur efficacité et leur fiabilité les plus élevées, ils sont donc installés dans des endroits importants, par exemple dans les engins spatiaux.

Cellules photovoltaïques en silicium multi-polycristallin

En plus des éléments d'un monocristal, il existe des dispositifs dans lesquels les photocellules sont en silicium polycristallin. La technologie de production est similaire. La principale différence est qu'au lieu d'un cristal rond, une barre rectangulaire est utilisée, composée de un grand nombre petits cristaux de différentes formes et tailles. Par conséquent, les éléments sont obtenus sous une forme rectangulaire ou carrée.

Les déchets issus de la fabrication des microcircuits et des photocellules sont pris comme matières premières. Cela réduit le coût du produit fini, mais aggrave sa qualité. De tels dispositifs ont un rendement inférieur - en moyenne de 18 % contre 20 à 22 % pour les batteries monocristallines. Cependant, la question du choix est assez compliquée. Pour différents fabricants, le prix d'un kilowatt de puissance de panneaux monocristallins et polycristallins peut être le même ou en faveur de tout type d'appareil.

Cellules solaires en silicium amorphe

Ces dernières années, les batteries flexibles sont devenues populaires, qui sont plus légères que les batteries rigides. La technologie de leur fabrication diffère de la technologie de fabrication des panneaux monocristallins et polycristallins - de fines couches de silicium avec des additifs sont pulvérisées sur une base flexible, généralement une tôle d'acier, jusqu'à ce que l'épaisseur requise soit atteinte. Après cela, les feuilles sont coupées, des bandes conductrices y sont collées et toute la structure est laminée.

Cellules solaires en silicium amorphe

L'efficacité de telles batteries est environ 2 fois inférieure à celle des structures rigides, cependant, elles sont plus légères et plus durables du fait qu'elles peuvent être pliées.

De tels appareils sont plus chers que d'habitude, mais ils n'ont pas d'alternative dans les conditions de terrain, lorsque la légèreté et la fiabilité sont primordiales. Les panneaux peuvent être cousus sur une tente ou un sac à dos, et les batteries peuvent être chargées tout en se déplaçant. Une fois pliés, ces appareils ressemblent à un livre ou à un dessin enroulé qui peut être placé dans un étui ressemblant à un tube.

En plus de recharger les appareils mobiles en déplacement, des panneaux flexibles sont installés dans les voitures électriques et les avions électriques. Sur le toit, de tels dispositifs répètent les courbes des tuiles, et si le verre est utilisé comme base, il prend alors l'apparence d'un teinté et peut être inséré dans la fenêtre d'une maison ou d'une serre.

Régulateur de charge solaire

La connexion directe du panneau à la batterie présente des inconvénients :

• Une batterie avec une tension nominale de 12 V ne sera chargée que lorsque la tension à la sortie des photocellules atteint 14,4 V, ce qui est proche du maximum. Cela signifie que les batteries ne se chargeront pas une partie du temps.
• La tension maximale des photocellules est de 18 V. Avec cette tension, le courant de charge de la batterie sera trop élevé et elles tomberont rapidement en panne.

Afin d'éviter ces problèmes, il est nécessaire d'installer un régulateur de charge. Les conceptions les plus courantes sont PWM et MPPT.

Contrôleur de charge PWM

Le fonctionnement du contrôleur PWM (modulation de largeur d'impulsion - modulation de largeur d'impulsion en anglais - PWM) maintient une tension constante en sortie. Cela fournit degré maximal charge de la batterie et sa protection contre la surchauffe lors de la charge.

Contrôleur de charge MPPT

Le contrôleur MPPT (Maximum power point tracker - tracking the maximum power point) fournit une tension de sortie et une valeur de courant qui vous permettent de maximiser le potentiel de la batterie solaire, quelle que soit la luminosité de la lumière du soleil. Avec une luminosité réduite de la lumière, il élève la tension de sortie au niveau nécessaire pour charger les batteries.

Un tel système se retrouve dans tous les onduleurs et contrôleurs de charge modernes.

Types de piles utilisées dans les piles

Différents types de batteries utilisables pour les panneaux solaires

Les batteries sont un élément important du système d'alimentation électrique 24 heures sur 24 de la maison à l'énergie solaire.

Ces appareils utilisent les types de piles suivants :

• entrée;
• gel;
• batteries AGM ;
• batteries inondées (OPZS) et scellées (OPZV).

D'autres types de piles, telles que les piles alcalines ou au lithium, sont chères et rarement utilisées.

Tous ces types d'appareils doivent fonctionner à des températures de +15 à +30 degrés.

Batteries de démarrage

Le type de batterie le plus courant. Ils sont bon marché, mais ont un courant d'autodécharge élevé. Par conséquent, après quelques jours nuageux, les batteries se déchargent même s'il n'y a pas de charge.

L'inconvénient de tels dispositifs est qu'un dégagement de gaz se produit pendant le fonctionnement. Par conséquent, ils doivent être installés dans une zone non résidentielle et bien ventilée.

De plus, la durée de vie de ces batteries peut atteindre 1,5 an, en particulier avec plusieurs cycles de charge-décharge. Par conséquent, à long terme, ces appareils seront les plus chers.

Piles au gel

Les batteries au gel sont des produits sans entretien. Il n'y a pas d'émission de gaz pendant le fonctionnement, ils peuvent donc être installés dans un salon et une pièce sans ventilation.

De tels dispositifs fournissent un courant de sortie élevé, une capacité élevée et un faible courant d'autodécharge.

L'inconvénient de tels dispositifs est leur prix élevé et leur courte durée de vie.

Batteries AGM

Ces batteries ont une durée de vie courte, cependant, elles présentent de nombreux avantages :

• aucune émission de gaz pendant le fonctionnement ;
• petite taille;
• un grand nombre (environ 600) cycles de charge-décharge ;
• charge rapide (jusqu'à 8 heures);
• bonne performance lorsqu'il n'est pas complètement chargé.

Batterie AGM à l'intérieur

Batteries inondées (OPZS) et scellées (OPZV)

Ces appareils sont les plus fiables et ont la plus longue durée de vie. Ils ont un faible courant d'autodécharge et une consommation d'énergie élevée.

Ces qualités font de ces dispositifs les plus populaires pour l'installation dans les systèmes de cellules photoélectriques.

Comment déterminer la taille et le nombre de photocellules ?

La taille et le nombre de photocellules requis dépendent de la tension, du courant et de la puissance à obtenir de la batterie. La tension d'un élément par une journée ensoleillée est de 0,5 V. Lorsqu'il fait nuageux, elle est beaucoup plus faible. Ainsi, pour charger les batteries 12 V, 36 photocellules sont connectées en série. En conséquence, les batteries 24 V nécessitent 72 cellules, et ainsi de suite. Leur nombre total dépend de la surface d'un élément et de la puissance requise.

Un mètre carré de surface de batterie, en tenant compte de l'efficacité, peut produire environ 150 watts. Plus précisément, il peut être déterminé à partir d'ouvrages de référence météorologiques indiquant la quantité de rayonnement solaire sur le site d'installation de la centrale solaire ou sur Internet. L'efficacité de l'appareil est indiquée dans le passeport.

Lors de la fabrication d'une centrale photovoltaïque de vos propres mains quantité requiseéléments est déterminé par la puissance d'un élément dans un climat donné, en tenant compte de l'efficacité.

Le calcul du nombre de panneaux solaires provient de l'électricité nécessaire

Efficacité des panneaux solaires en hiver

Même si le soleil se lève plus bas en hiver, la quantité de lumière diminue légèrement, surtout après les chutes de neige.

Trois raisons principales expliquent pourquoi les cellules solaires sont moins efficaces en hiver :

• L'angle d'incidence des rayons change. Afin de maintenir la puissance, l'angle de la batterie doit être changé au moins une fois par saison, et de préférence tous les mois.
• La neige, en particulier la neige mouillée, colle à la surface de l'appareil. Il doit être retiré immédiatement après être tombé.
• En hiver, les heures de clarté sont plus courtes et il y a plus de jours nuageux. Il est impossible de changer cela, il faut donc calculer la puissance de la batterie en fonction du minimum hivernal.

Règles d'installation

La puissance maximale du panneau est atteinte dans une position où les rayons du soleil tombent perpendiculairement. Ceci doit être pris en compte lors de l'installation. Il est également important de considérer à quelle heure de la journée la nébulosité minimale est. Si l'angle du toit et sa position ne répondent pas aux exigences, il est corrigé en ajustant la base.

Il doit y avoir un espace d'air de 15 à 20 centimètres entre la batterie et le toit. Ceci est nécessaire pour l'écoulement de la pluie et la protection contre la surchauffe.

Les cellules photovoltaïques ne fonctionnent pas bien à l'ombre, évitez donc de les placer à l'ombre des bâtiments et des arbres.

Les centrales électriques à cellules photoélectriques solaires sont une source d'énergie prometteuse et respectueuse de l'environnement. Leur utilisation généralisée résoudra les problèmes de manque d'énergie, de pollution environnement et l'effet de serre.

De nos jours, presque tout le monde peut collecter et mettre à sa disposition sa propre source d'électricité indépendante sur des batteries solaires (dans la littérature scientifique, elles sont appelées panneaux photovoltaïques).

L'équipement coûteux au fil du temps est compensé par la possibilité de recevoir de l'électricité gratuite. Il est important que les panneaux solaires soient une source d'énergie respectueuse de l'environnement. Ces dernières années, les prix des panneaux photovoltaïques ont chuté des dizaines de fois et ils continuent de baisser, ce qui laisse entrevoir de belles perspectives pour leur utilisation.

Dans sa forme classique, une telle source d'électricité sera composée des éléments suivants : directement, une batterie solaire (générateur DC), une batterie avec un dispositif de contrôle de charge et un onduleur qui convertit DC dans une variable.

Les panneaux solaires sont constitués d'un ensemble de cellules solaires (convertisseurs photovoltaïques) qui convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique.

La plupart des cellules solaires sont fabriquées à partir de silicium, ce qui est assez cher. Ce fait déterminera le coût élevé de l'énergie électrique, qui est obtenue en utilisant des panneaux solaires.

Deux types de convertisseurs photoélectriques sont courants : ceux en silicium monocristallin et polycristallin. Ils diffèrent par la technologie de production. Les premiers ont une efficacité allant jusqu'à 17,5% et les seconds - 15%.

le plus important paramètre technique panneau solaire, qui a un impact majeur sur l'efficacité de l'ensemble de l'installation, est son puissance utile. Elle est déterminée par la tension et le courant de sortie. Ces paramètres dépendent de l'intensité de la lumière solaire tombant sur la batterie.

La force électromotrice des cellules solaires individuelles ne dépend pas de leur surface et diminue lorsque la batterie est chauffée par le soleil, d'environ 0,4 % pour 1 g. C. Le courant de sortie dépend de l'intensité du rayonnement solaire et de la taille des cellules solaires. Plus la lumière du soleil est brillante, plus le courant est généré par les cellules solaires. Le courant de charge et la puissance de sortie par temps nuageux sont fortement réduits. Cela est dû à une diminution du courant fourni par la batterie.

Si la batterie éclairée par le soleil est fermée à une charge de résistance Rí, un courant électrique I apparaît dans le circuit, dont la valeur est déterminée par la qualité du convertisseur photoélectrique, l'intensité de l'éclairage et la résistance de charge. La puissance Pn, qui est libérée dans la charge, est déterminée par le produit Pn = InUn, où Un est la tension aux bornes de la batterie.

La plus grande puissance est libérée dans la charge à une certaine résistance optimale Ropt, qui correspond au coefficient de performance (efficacité) le plus élevé de conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique. Chaque transducteur a sa propre valeur Ropt, qui dépend de la qualité, de la taille de la surface de travail et du degré d'éclairage.

Une cellule solaire se compose de cellules solaires individuelles qui sont connectées en série et en parallèle afin d'augmenter les paramètres de sortie (courant, tension et puissance). Lorsque les éléments sont connectés en série, la tension de sortie augmente, tandis qu'en parallèle, le courant de sortie augmente.

Afin d'augmenter à la fois le courant et la tension, ces deux méthodes de connexion sont combinées. De plus, avec ce mode de connexion, la défaillance d'une des cellules solaires n'entraîne pas la défaillance de toute la chaîne, c'est-à-dire améliore la fiabilité de l'ensemble de la batterie.

Ainsi, la batterie solaire est constituée de cellules solaires connectées en parallèle-série. Valeur maximum courant éventuel donnée par la batterie est directement proportionnelle au nombre de cellules solaires connectées en parallèle et à la force électromotrice - connectées en série. Ainsi, en combinant les types de connexion, une batterie est assemblée avec les paramètres requis.

Les cellules solaires de la batterie sont shuntées par des diodes. Habituellement, il y en a 4 - un pour chaque ¼ de batterie. Les diodes protègent les parties de la batterie contre les pannes qui, pour une raison quelconque, se sont avérées assombries, c'est-à-dire si, à un moment donné, la lumière ne tombe pas sur elles.

La batterie générera temporairement 25 % de puissance en moins que lorsque toute la surface de la batterie est exposée à la lumière normale du soleil.

En l'absence de diodes, ces cellules solaires surchaufferont et tomberont en panne, car elles se transforment en consommateurs de courant pendant la panne (les batteries sont déchargées par les cellules solaires), et lorsque des diodes sont utilisées, elles sont shuntées et aucun courant ne les traverse.

L'énergie électrique qui en résulte est stockée dans des batteries puis transférée à la charge. Accumulateurs - sources chimiques de courant. La batterie est chargée lorsqu'on lui applique un potentiel supérieur à la tension de la batterie.

Le nombre de cellules solaires connectées en série et en parallèle doit être tel que la tension de fonctionnement fournie aux batteries, compte tenu de la chute de tension dans le circuit de charge, dépasse légèrement la tension des batteries et que le courant de charge de la batterie fournisse le courant de charge requis.

Par exemple, pour charger une batterie au plomb de 12 V, il est nécessaire d'avoir une batterie solaire composée de 36 cellules.

En cas de faible ensoleillement, la charge de la batterie diminue et la batterie restitue de l'énergie électrique au récepteur électrique, c'est-à-dire Les batteries rechargeables fonctionnent constamment en mode de décharge et de recharge.

Ce processus est contrôlé par un contrôleur spécial. La charge cyclique nécessite une tension constante ou un courant de charge constant.

Sous un bon éclairage, la batterie est rapidement chargée à 90 % de sa capacité nominale, puis à un taux de charge plus lent jusqu'à sa pleine capacité. Le passage à un taux de charge inférieur est contrôlé par le contrôleur du chargeur.

L'utilisation la plus efficace des batteries spéciales - gel (l'acide sulfurique est utilisé comme électrolyte dans la batterie) et des batteries au plomb, qui sont fabriquées à l'aide de la technologie AGM. Ces batteries ne nécessitent pas de conditions particulières d'installation et d'entretien. La durée de vie du passeport de ces batteries est de 10 à 12 ans avec une profondeur de décharge ne dépassant pas 20%. Les batteries ne doivent jamais être déchargées en dessous de cette valeur, sinon leur durée de vie sera drastiquement réduite !

La batterie est connectée à la batterie solaire via un contrôleur qui contrôle sa charge. Lorsque la batterie est chargée à pleine capacité, une résistance est connectée au panneau solaire, qui absorbe l'excès de puissance.

Afin de convertir la tension continue de la batterie en tension alternative, qui peut être utilisée pour alimenter la plupart des récepteurs électriques en conjonction avec des panneaux solaires, vous pouvez utiliser dispositifs spéciaux- onduleurs.

Sans l'utilisation d'un onduleur à partir d'une batterie solaire, il est possible d'alimenter des récepteurs électriques fonctionnant à tension constante, incl. divers équipements portables, sources lumineuses à économie d'énergie, par exemple, les mêmes lampes à LED.

Auteur du texte : Andrey Povny. Le texte a d'abord été publié sur le site Electricik.info. Réimprimé avec la permission des éditeurs.

La science nous a donné un moment où la technologie d'utilisation de l'énergie solaire est devenue accessible au public. Tout propriétaire a la possibilité d'obtenir des panneaux solaires pour la maison. Les résidents d'été ne sont pas loin derrière dans cette affaire. Ils se trouvent souvent loin des sources centralisées d'approvisionnement durable en électricité.

Nous vous suggérons de vous familiariser avec les informations représentant l'appareil, les principes de fonctionnement et le calcul des unités de travail du système solaire. La prise de connaissance des informations que nous vous proposons vous rapprochera de la réalité de l'alimentation de votre site en électricité naturelle.

Pour la perception visuelle des données fournies, des schémas détaillés, des illustrations, des instructions photo et vidéo sont joints.

Le dispositif et le principe de fonctionnement de la batterie solaire

Il était une fois des esprits curieux qui découvraient pour nous des substances naturelles qui produisent sous l'influence des particules de lumière du soleil, des photons. Le processus s'appelait l'effet photoélectrique. Les scientifiques ont appris à contrôler le phénomène microphysique.

Basés sur des matériaux semi-conducteurs, ils ont créé des appareils électroniques compacts - des cellules photoélectriques.

Les fabricants ont maîtrisé la technologie consistant à combiner des convertisseurs miniatures en panneaux solaires efficaces. L'efficacité des modules solaires à panneaux en silicium largement produits par l'industrie est de 18 à 22 %.

Cela ressort clairement de la description du schéma: tous les composants de la centrale sont d'égale importance - le fonctionnement coordonné du système dépend de leur sélection compétente

Une batterie solaire est assemblée à partir des modules. C'est le point final du voyage des photons du Soleil à la Terre. De là, ces composants du rayonnement lumineux continuent leur chemin déjà à l'intérieur circuit électrique comme les particules DC.

Ils sont répartis entre les batteries ou transformés en charges de courant électrique alternatif de 220 volts qui alimentent toutes sortes d'appareils techniques domestiques.

Une batterie solaire est un complexe de dispositifs semi-conducteurs connectés en série - des cellules photoélectriques qui convertissent l'énergie solaire en énergie électrique.

Vous trouverez plus de détails sur les spécificités de l'appareil et le principe de fonctionnement de la batterie solaire dans un autre de nos sites.

Types de modules-panneaux solaires

Les panneaux solaires-modules sont assemblés à partir de cellules solaires, sinon - de convertisseurs photovoltaïques. Les FEP de deux types ont trouvé une application massive.

Ils diffèrent par les variétés de semi-conducteur de silicium utilisées pour leur fabrication, ce sont :

• Polycristallin. Ce sont des cellules solaires fabriquées à partir de silicium fondu par refroidissement à long terme. Une méthode de production simple rend le prix abordable, mais les performances de la version polycristalline ne dépassent pas 12%.
• Monocristallin. Ce sont des éléments obtenus à la suite de la découpe de cristal de silicium artificiellement développé en plaques minces. L'option la plus productive et la plus chère. Le rendement moyen est d'environ 17%, vous pouvez trouver des cellules photovoltaïques monocristallines plus performantes.

Cellules solaires polycristallines de forme carrée plate avec une surface non uniforme. Les variétés monocristallines se présentent sous la forme de carrés minces de structure de surface uniforme avec des coins coupés (pseudo-carrés).

Voici à quoi ressemblent les cellules solaires - convertisseurs photoélectriques : les caractéristiques du module solaire ne dépendent pas du type d'éléments utilisés - cela n'affecte que la taille et le prix

Les panneaux de la première exécution avec la même puissance sont plus grands que les seconds en raison d'une efficacité moindre (18% contre 22%). Mais pour cent, en moyenne, sont dix moins chers et font l'objet d'une demande préférentielle.

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Vous pouvez en apprendre davantage sur les règles et les nuances du choix des panneaux solaires pour fournir de l'énergie de chauffage autonome.

Schéma d'alimentation solaire

Lorsque vous regardez les noms mystérieux des nœuds qui composent le système d'énergie solaire, la pensée vient à la complexité super-technique de l'appareil.

Au niveau micro de la vie d'un photon, c'est ainsi. Et clairement régime général Le circuit électrique et le principe de son fonctionnement semblent très simples. Il n'y a que quatre étapes du luminaire du ciel au "bulbe d'Ilyich".

Les modules solaires sont le premier composant d'une centrale électrique. Ce sont de minces panneaux rectangulaires assemblés à partir d'un certain nombre de plaques de photocellules standards. Les fabricants fabriquent des panneaux photoélectriques différents en termes de puissance électrique et de tension, un multiple de 12 volts.

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Les dispositifs de forme plate sont idéalement situés sur des surfaces ouvertes aux rayons directs. Les blocs modulaires sont combinés au moyen de connexions mutuelles dans une batterie solaire. La tâche de la batterie est de convertir l'énergie solaire reçue en émettant un courant constant d'une valeur donnée.

Périphériques de stockage charge électrique- connu de tous. Leur rôle au sein du système d'approvisionnement en énergie solaire est traditionnel. Lorsque les consommateurs domestiques sont connectés à un réseau centralisé, le stockage de l'énergie est stocké avec l'électricité.

Ils accumulent également son surplus s'il y a suffisamment de courant du module solaire pour fournir la puissance consommée par les appareils électriques.

La batterie fournit au circuit la quantité d'énergie requise et maintient une tension stable dès que la consommation augmente. La même chose se produit, par exemple, la nuit avec des panneaux photo non fonctionnels ou par temps de faible ensoleillement.

Le contrôleur est un intermédiaire électronique entre le module solaire et les batteries. Son rôle est de réguler le niveau de charge de la batterie. L'appareil ne leur permet pas de bouillir à cause d'une surcharge ou de faire tomber le potentiel électrique en dessous d'une certaine norme, ce qui est nécessaire au fonctionnement stable de l'ensemble du système solaire.

En tournant, c'est ainsi que le son du terme est littéralement expliqué. Oui, car en fait, ce nœud remplit une fonction qui semblait autrefois fantastique aux ingénieurs électriciens.

Il convertit le courant continu du module solaire et des batteries en courant alternatif avec une différence de potentiel de 220 volts. C'est cette tension qui fonctionne pour la grande majorité des appareils électroménagers.

Le flux d'énergie solaire est proportionnel à la position du luminaire : lors de l'installation des modules, il serait bon de prévoir un réglage de l'angle d'inclinaison en fonction de la saison

Charge de pointe et consommation d'énergie quotidienne moyenne

Le plaisir d'avoir sa propre station solaire vaut toujours beaucoup. La première étape sur la voie de l'exploitation de la puissance de l'énergie solaire consiste à déterminer la charge de pointe optimale en kilowatts et la consommation d'énergie quotidienne moyenne rationnelle en kilowattheures d'un ménage ou d'une maison de campagne.

La charge de pointe est créée par la nécessité d'allumer plusieurs appareils électriques à la fois et est déterminée par leur puissance totale maximale, en tenant compte des caractéristiques de démarrage surestimées de certains d'entre eux.

Le calcul de la consommation électrique maximale vous permet d'identifier si le fonctionnement simultané de quels appareils électriques est vital et de ceux qui ne le sont pas. Les caractéristiques de puissance des nœuds de la centrale électrique, c'est-à-dire le coût total de l'appareil, sont soumises à cet indicateur.

La consommation énergétique journalière d'un appareil électrique est mesurée par le produit de sa puissance individuelle par le temps pendant lequel il a fonctionné sur le réseau (électricité consommée) dans la journée. La consommation d'énergie quotidienne moyenne totale est calculée comme la somme de l'électricité consommée par chaque consommateur pendant une période quotidienne.

Agencement d'une unité d'alimentation par batterie

Lors du choix des batteries, vous devez être guidé par les postulats:

1. NON adapté à cet usage batteries de voiture. Les batteries des centrales solaires sont marquées de l'inscription "SOLAR".
2. Les batteries doivent être achetées uniquement identiques à tous égards, de préférence à partir du même lot d'usine.
3. La pièce où se trouve la batterie doit être chaude. Température optimale lorsque les batteries délivrent leur pleine puissance = 25⁰C. Lorsqu'elle descend à -5⁰C, la capacité de la batterie diminue de 50 %.

Si nous prenons une batterie exponentielle avec une tension de 12 volts avec une capacité de 100 ampères / heure pour le calcul, il est facile de calculer qu'elle peut fournir aux consommateurs une énergie d'une puissance totale de 1200 watts pendant une heure. Mais c'est à pleine décharge, ce qui est hautement indésirable.

Il n'est PAS recommandé de réduire la charge de la batterie en dessous de 70 % pour une longue durée de vie de la batterie. Chiffre limite = 50 %. En prenant le nombre 60% comme "moyen d'or", nous avons mis la réserve d'énergie de 720 W/h pour chaque 100 Ah du composant capacitif de la batterie (1200 W/h x 60%) comme base pour les calculs ultérieurs.

Il est possible que l'achat d'une batterie d'une capacité de 200 Ah coûte moins cher que l'achat de deux sur 100, et le nombre de connexions de contact de la batterie diminue.

Initialement, les batteries doivent être installées chargées à 100 % à partir d'une source de courant stationnaire. Les batteries doivent couvrir entièrement les charges de l'heure sombre de la journée. Si vous n'avez pas de chance avec la météo, maintenez les paramètres système nécessaires pendant la journée.

Il est important de considérer qu'une offre excédentaire de batteries entraînera leur sous-charge constante. Cela réduira considérablement la durée de vie. La solution la plus rationnelle semble être le complément de l'appareil avec des batteries disposant d'une réserve d'énergie suffisante pour couvrir une consommation d'énergie quotidienne.

Pour connaître la capacité totale requise de la batterie, nous divisons la consommation d'énergie quotidienne totale de 12 000 W/h par 720 W/h et multiplions par 100 Ah :

12 000 / 720 * 100 = 2 500 A*h ≈ 1 600 A*h

Au total, pour notre exemple, 16 batteries d'une capacité de 100 ou 8 de 200 Ah, connectées en série-parallèle, sont nécessaires.

Choisir un bon contrôleur

La sélection compétente (ACB) est une tâche très spécifique. Ses paramètres d'entrée doivent correspondre aux modules solaires sélectionnés et la tension de sortie doit correspondre à la différence de potentiel interne du système solaire (dans notre exemple, 24 volts).

Un bon contrôleur doit fournir :

1. Charge de batterie en plusieurs étapes, multipliant leur durée de vie effective.
2. Mutuelle automatique, batterie et batterie solaire, connexion-déconnexion en corrélation avec la charge-décharge.
3. Reconnecter la charge de la batterie à la batterie solaire et vice versa.

Ce petit nœud est un élément très important.

Si certains des consommateurs (par exemple, l'éclairage) sont transférés à une alimentation directe de 12 volts à partir du contrôleur, l'onduleur aura besoin d'un onduleur moins puissant, c'est-à-dire moins cher.

Depuis bon choix contrôleur dépend du fonctionnement sans problème d'une batterie coûteuse et de l'équilibre de l'ensemble du système.

Sélection de l'onduleur le plus performant

L'onduleur est sélectionné avec une puissance telle qu'il peut fournir une charge de pointe à long terme. Sa tension d'entrée doit correspondre à la différence de potentiel interne du système solaire.

1. La forme et la fréquence des émissions courant alternatif. Plus on se rapproche d'une sinusoïde de 50 hertz, mieux c'est.
2. efficacité de l'appareil. Plus les 90% sont élevés, mieux c'est.
3. Consommation propre de l'appareil. Doit être proportionnel à la consommation électrique globale du système. Idéal - jusqu'à 1%.
4. La capacité du nœud à résister à une double surcharge à court terme.

La meilleure performance est un onduleur avec une fonction de contrôleur intégrée.

Assemblage d'un système solaire domestique

Nous vous avons fait une sélection de photos qui illustrent clairement le processus d'assemblage d'un système solaire domestique à partir de modules fabriqués en usine :

Galerie d'images

Avant de construire une mini centrale électrique, il est nécessaire de calculer la puissance requise d'un groupe d'appareils et de déterminer leur nombre

Dans le magasin, avant d'acheter, vous devez vérifier attentivement l'ensemble complet de chaque appareil et les voir pour les dommages.

Étape 3 : Transport des éléments du système solaire

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Rouleau #1. Montrant l'installation de panneaux solaires sur le toit de la maison de vos propres mains:

Rouleau #2. Le choix des batteries pour le système solaire, les types, les différences :

Rouleau #3. Centrale solaire de campagne pour ceux qui font tout eux-mêmes :

Les méthodes de calcul pratiques étape par étape considérées, le principe de base du fonctionnement efficace d'une batterie de panneaux solaires moderne dans le cadre d'une héliostation autonome à domicile aideront les propriétaires et grande maison zone densément peuplée, et une maison de campagne en pleine nature pour acquérir la souveraineté énergétique.