Présentation de la technologie des panneaux solaires et de la production d'énergie photovoltaïque (QUENENG)

1. Historique du développement et état actuel de la production d'énergie photovoltaïque

Depuis l'invention de la première cellule photovoltaïque (PV) fonctionnelle en 1954, la technologie de production d'énergie solaire photovoltaïque a connu des progrès significatifs. Cependant, le développement de l'énergie solaire a été plus lent que celui des avancées rapides dans des domaines comme l'informatique ou la fibre optique. Cela s'explique en partie par la forte demande d'information et par le fait que les sources d'énergie conventionnelles ont suffi à répondre aux besoins humains. La crise pétrolière de 1973 et les problèmes de pollution environnementale des années 1990 ont considérablement accéléré le développement de l'énergie solaire photovoltaïque. Voici les principales étapes de l'histoire de la technologie solaire photovoltaïque :

• 1893:Le scientifique français Becquerel a découvert « l'effet photovoltaïque ».
• 1876:Adams et d’autres ont découvert les effets photovoltaïques à l’état solide sur les métaux et le sélénium.
• 1883:La première « cellule photovoltaïque au sélénium » a été fabriquée, utilisée comme dispositif de détection.
• 1930:Schottky a proposé la théorie de « l'effet photovoltaïque » dans les barrières Cu2O.
• 1954:Les Bell Labs ont développé la première cellule solaire en silicium monocristallin pratique avec une efficacité de 6 %.
• 1962:L'efficacité de conversion photovoltaïque des cellules solaires à l'arséniure de gallium a atteint 13 %.
• 1978:Les États-Unis ont construit une centrale solaire photovoltaïque de 100 kWc sur le terrain.
• 1990:L'Allemagne a lancé le « Programme solaire sur les toits 2000 ».
• 1995:Les cellules solaires à l'arséniure de gallium concentré à haut rendement ont atteint une efficacité de 32 %.
• 1997:Les États-Unis ont proposé le « Million Solar Roofs Program », visant à installer des cellules solaires dans 1 million de foyers.

2. Introduction aux cellules solaires

Les cellules solaires, également appelées puces solaires ou cellules photovoltaïques, sont des couches minces semi-conductrices qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque. Une seule cellule solaire ne peut pas servir de source d'énergie ; plusieurs cellules doivent être connectées en série ou en parallèle et scellées ensemble pour former un panneau solaire. Les panneaux solaires sont l'élément central et le plus critique des systèmes de production d'énergie solaire.

Types d'énergie solaire

• Utilisation de l'énergie solaire thermique:Le rayonnement solaire est converti en énergie thermique, qui peut être utilisée pour la production d’énergie thermique.
• Production d'énergie solaire photovoltaïque:Le rayonnement solaire est converti en électricité grâce à des dispositifs de conversion photovoltaïque, principalement basés sur le principe de l'effet photovoltaïque.

3. Principe de fonctionnement des cellules solaires

Les cellules solaires fonctionnent selon le principe de l'effet photovoltaïque. Lorsque la lumière solaire frappe le matériau semi-conducteur, des photons d'énergie supérieure à la bande interdite excitent les électrons et créent des paires électron-trou. Ces porteurs hors d'équilibre sont séparés par le champ électrique intégré à la jonction PN, les électrons se déplaçant vers la région de type N et les trous vers la région de type P. Cela crée un potentiel électrique aux bornes de la jonction PN. Lorsque des conducteurs métalliques sont fixés aux couches de type P et de type N et connectés à une charge externe, le courant circule dans le circuit externe, générant de l'électricité.

4. Caractéristiques des cellules solaires

Les principales caractéristiques des cellules solaires comprennent :

• Tension de sortie nominale:Dans des conditions d'éclairage standard (irradiance de 1000 W/m², température de 25°C), la tension de sortie est d'environ 0,48V.
• Coefficient de température négatif:Pour chaque augmentation de température de 1 °C, la tension chute d'environ 2 mV.
• Puissance de sortie:La puissance de sortie des cellules solaires varie en fonction de l'intensité du rayonnement solaire, des conditions climatiques, de l'heure et du lieu. Par temps ensoleillé, vers midi, la puissance de sortie est proche de la valeur nominale.

5. Sélection des cellules solaires

Lors du choix des cellules solaires, la puissance de sortie est un facteur clé. Les conditions de test standard sont les suivantes :

• Irradiance: 1000 W/m²
• Masse d'air: AM1.5
• Température de la cellule: 25°C

Ces conditions simulent approximativement la lumière du soleil à midi par temps clair. En réalité, la puissance de sortie des cellules solaires fluctue en fonction des variations de luminosité et des facteurs environnementaux.

6. Effet photovoltaïque

L'effet photovoltaïque désigne le phénomène par lequel la lumière crée une différence de potentiel entre les différentes parties d'un semi-conducteur ou d'une combinaison semi-conducteur-métal. Dans les cellules solaires, cet effet est utilisé pour convertir l'énergie solaire en électricité. Le principe de base des cellules solaires repose sur la jonction PN, qui crée un champ électrique séparant les électrons des trous, générant ainsi une tension et donc un courant.

7. Systèmes de production d'énergie solaire

Les systèmes d'énergie solaire peuvent être divisés enhors réseauetconnecté au réseausystèmes. Les composants de ces systèmes varient légèrement :

Systèmes de production d'énergie solaire hors réseau

Ces systèmes sont utilisés dans les zones sans accès au réseau et comprennent généralement les composants suivants :

• Réseau de cellules solaires:Plusieurs modules de panneaux solaires disposés et connectés selon un modèle spécifique.
• Batterie de stockage d'énergie:Utilisé pour stocker l'électricité à utiliser lorsque le soleil ne brille pas.
• Contrôleur:Contrôle le processus de charge de la batterie de stockage d'énergie et comprend diverses fonctions de protection pour assurer un fonctionnement sûr et stable.
• Onduleur: Convertit l'électricité CC stockée en électricité CA.
• Boîte de distribution et fils de connexion: Utilisé pour connecter et gérer les composants du système et la puissance de sortie.

Systèmes de production d'énergie solaire connectés au réseau

Ces systèmes sont utilisés dans les zones desservies par le réseau électrique et permettent de réinjecter l'électricité excédentaire dans le réseau. Leurs principaux composants sont :

• Réseau de cellules solaires:Plusieurs modules de panneaux solaires connectés ensemble.
• Batterie de stockage d'énergie:Utilisé pour stocker l'électricité.
• Onduleur connecté au réseau: Convertit l'électricité CC du stockage en électricité CA adaptée au réseau.
• Boîte de distribution et fils de connexion: Utilisé pour connecter et gérer les composants du système et la puissance de sortie.