Le principe de fonctionnement de la batterie solaire: comment le panneau solaire est agencé et fonctionne

La conversion efficace des rayons libres du soleil en énergie pouvant être utilisée pour alimenter les logements et autres installations est un rêve chéri de nombreux apologistes de l'énergie verte.

Mais le principe de fonctionnement de la batterie solaire, et son efficacité sont tels qu'il n'est pas nécessaire de parler de la haute efficacité de tels systèmes. Ce serait bien d'avoir votre propre source supplémentaire d'électricité. Non? De plus, même aujourd'hui en Russie, avec l'aide de panneaux solaires, un nombre considérable de ménages privés sont alimentés avec succès en électricité «gratuite». Vous ne savez toujours pas par où commencer?

Ci-dessous, nous vous parlerons de l'appareil et des principes de fonctionnement du panneau solaire, vous découvrirez de quoi dépend l'efficacité du système solaire. Et les vidéos publiées dans l'article aideront à assembler personnellement un panneau solaire à partir de photocellules.

Panneaux solaires: terminologie

Dans le sujet de "l'énergie solaire", il y a beaucoup de nuances et de confusion. Il est souvent difficile pour les débutants de comprendre tous les termes inconnus au début. Mais sans cela, s'engager dans l'énergie solaire, acquérir des équipements pour générer du courant «solaire», est déraisonnable.

Sans le savoir, vous pouvez non seulement choisir le mauvais panneau, mais simplement le graver lorsqu'il est connecté ou en extraire trop peu d'énergie.

Vous devez d'abord comprendre les variétés existantes d'équipements pour l'énergie solaire. Les panneaux solaires et les capteurs solaires sont deux appareils fondamentalement différents. Les deux transforment l'énergie des rayons du soleil.

Cependant, dans le premier cas, le consommateur reçoit de l'énergie électrique à la sortie, et dans le second cas, l'énergie thermique sous la forme d'un liquide de refroidissement chauffé, c'est-à-dire les panneaux solaires sont utilisés pour chauffage domestique.

Le rendement maximal du panneau solaire ne peut être obtenu qu'en sachant comment il fonctionne, de quels composants et composants il se compose et comment tout se connecte correctement

La deuxième nuance est le concept du terme «batterie solaire» lui-même. En règle générale, le mot «batterie» fait référence à une sorte de dispositif de stockage d'énergie. Ou un radiateur de chauffage banal vient à l'esprit. Cependant, dans le cas des batteries solaires, la situation est radicalement différente. Ils n'accumulent rien en eux-mêmes.

Le panneau solaire génère un courant électrique constant. Pour le convertir en variable (utilisée dans la vie quotidienne), un onduleur doit être présent dans le circuit

Les panneaux solaires sont conçus exclusivement pour générer du courant électrique. À son tour, il s'accumule pour alimenter la maison en électricité la nuit, lorsque le soleil se couche à l'horizon, déjà dans les batteries présentes en plus du schéma d'alimentation de l'objet.

La batterie est ici impliquée dans le contexte d'une certaine combinaison du même type de composants assemblés en un seul ensemble. En fait, ce n'est qu'un panneau de plusieurs photocellules identiques.

La structure interne de la cellule solaire

Progressivement, les panneaux solaires deviennent moins chers et plus efficaces. Maintenant, ils sont utilisés pour recharger les batteries dans les lampadaires, les smartphones, les voitures électriques, les maisons privées et les satellites dans l'espace. Parmi ceux-ci, ils ont même commencé à construire des centrales solaires à part entière (SES) avec de grands volumes de production.

La batterie solaire se compose de nombreuses photocellules (convertisseurs photovoltaïques de cellules photovoltaïques) qui convertissent l'énergie des photons du soleil en électricité

Chaque batterie solaire est agencée comme un bloc d'un énième nombre de modules qui combinent en série des photocellules semi-conductrices. Pour comprendre les principes de fonctionnement d'une telle batterie, il est nécessaire de comprendre le fonctionnement de cette dernière liaison dans le dispositif de panneau solaire créé à base de semi-conducteurs.

Types de cristaux de photocellules

Il existe de nombreuses options pour les cellules solaires à partir de différents éléments chimiques. Cependant, la plupart d'entre eux sont en cours de développement au stade initial. Jusqu'à présent, seuls des panneaux constitués de cellules solaires à base de silicium sont actuellement produits à l'échelle industrielle.

Les semi-conducteurs au silicium sont utilisés dans la fabrication de cellules solaires en raison de leur faible coût, ils ne peuvent pas se targuer d'une efficacité particulièrement élevée

Une cellule solaire commune dans un panneau solaire est une fine plaque de deux couches de silicium, chacune ayant ses propres propriétés physiques. Il s'agit d'une jonction pn semi-conductrice classique avec des paires électron-trou.

Lorsque les photons pénètrent dans la PEC entre ces couches du semi-conducteur en raison de l'inhomogénéité du cristal, une photo-électrode de grille se forme, entraînant une différence de potentiel et un courant d'électrons.

Les tranches de silicium des cellules solaires diffèrent dans la technologie de fabrication pour:

1. Monocristallin.
2. Polycristallin.

Les premiers ont une efficacité plus élevée, mais le coût de leur production est plus élevé que celui des seconds. Extérieurement, une option d'une autre sur le panneau solaire peut être distinguée par sa forme.

Les PEC monocristallins ont une structure uniforme; ils sont fabriqués sous forme de carrés avec des coins coupés. En revanche, les éléments polycristallins ont une forme strictement carrée.

Les polycristaux sont obtenus en refroidissant progressivement le silicium fondu. Cette méthode est extrêmement simple, par conséquent, ces photocellules sont également peu coûteuses.

Mais la productivité en termes de production d'électricité à partir du soleil dépasse rarement 15%. Cela est dû à «l'impureté» des tranches de silicium obtenues et à leur structure interne. Ici, plus la couche de silicium p est propre, plus l'efficacité de la PEC est élevée.

La pureté des monocristaux à cet égard est beaucoup plus élevée que celle des analogues polycristallins. Ils ne sont pas fabriqués à partir de fusion, mais à partir d'un cristal de silicium entier cultivé artificiellement. Le coefficient de conversion photovoltaïque pour de telles cellules solaires atteint déjà 20-22%.

Dans un module commun, les photocellules individuelles sont assemblées sur un cadre en aluminium, et pour les protéger du dessus, elles sont fermées avec un verre solide qui n'interfère pas du tout avec la lumière du soleil

La couche supérieure de la plaque de cellule solaire face au soleil est constituée du même silicium, mais avec l'ajout de phosphore. C'est ce dernier qui sera la source des excès d'électrons dans le système de jonction pn.

Une réelle avancée dans l'utilisation de l'énergie solaire a été le développement de panneaux flexibles en silicium photovoltaïque amorphe:

Le principe du panneau solaire

Lorsque la lumière du soleil tombe sur une cellule photoélectrique, des paires électron-trou hors équilibre y sont générées. Les électrons en excès et les "trous" sont partiellement transférés à travers la jonction pn d'une couche semi-conductrice à une autre.

En conséquence, la tension apparaît dans le circuit externe. Dans ce cas, un pôle positif de la source de courant est formé au contact de la couche p, et un pôle négatif au niveau de la couche n.

La différence de potentiel (tension) entre les contacts de la photocellule apparaît en raison d'un changement du nombre de «trous» et d'électrons de différents côtés de la jonction p-n à la suite de l'irradiation de la couche n par les rayons solaires

Les photocellules connectées à une charge externe sous forme de batterie forment avec elle un cercle vicieux. En conséquence, le panneau solaire fonctionne comme une sorte de roue le long de laquelle les électrons «courent» avec les protéines. Et la batterie rechargeable gagne progressivement en charge.

Les cellules photovoltaïques au silicium standard sont des cellules à jonction unique. Le transfert d'électrons en eux ne se produit que par une seule jonction p-n avec une zone de cette transition limitée en énergie photonique.

C'est-à-dire que chacune de ces photocellules est capable de générer de l'électricité uniquement à partir d'un spectre étroit de rayonnement solaire. Toute autre énergie est gaspillée. Par conséquent, l'efficacité des cellules solaires est si faible.

Pour augmenter l'efficacité des cellules solaires, des éléments semi-conducteurs en silicium ont été récemment créés pour eux en multi-jonction (cascade). Il y a déjà plusieurs transitions dans le nouveau FEP. De plus, chacun d'eux dans cette cascade est conçu pour son propre spectre de lumière solaire.

L'efficacité totale de la conversion des photons en courant électrique dans de telles photocellules augmente finalement. Mais leur prix est beaucoup plus élevé. Ici, soit la facilité de fabrication à faible coût et à faible efficacité, soit des rendements plus élevés couplés à un coût élevé.

La batterie solaire peut fonctionner à la fois en été et en hiver (elle a besoin de lumière, pas de chaleur) - moins la nébulosité et le soleil brillent, plus le panneau solaire génère un courant électrique

Pendant le fonctionnement, la cellule photoélectrique et toute la batterie se réchauffent progressivement. Toute l'énergie qui n'est pas allée à la génération de courant électrique est transformée en chaleur. Souvent, la température à la surface de l'héliopanel monte à 50–55 ° С. Mais plus elle est élevée, moins la cellule photovoltaïque fonctionne efficacement.

En conséquence, le même modèle de batterie solaire génère moins de courant en chaleur qu'en temps froid. Les photocellules montrent une efficacité maximale par une journée d'hiver claire. Deux facteurs affectent cela - beaucoup de soleil et de refroidissement naturel.

De plus, si de la neige tombe sur le panneau, elle continuera de toute façon à produire de l'électricité. De plus, les flocons de neige n'ont même pas le temps de s'y allonger, fondus sous la chaleur des photocellules chauffées.

Efficacité de la batterie solaire

Une cellule photoélectrique, même à midi par temps clair, fournit un peu d'électricité, juste assez pour que la lampe de poche LED fonctionne.

Pour augmenter la puissance de sortie, plusieurs cellules solaires sont combinées dans un circuit parallèle pour augmenter la tension continue et en série pour augmenter la force du courant.

L'efficacité des panneaux solaires dépend de:

• la température de l'air et la batterie elle-même;
• la sélection correcte de la résistance de charge;
• angle d'incidence de la lumière du soleil;
• présence / absence de revêtement antireflet;
• puissance d'un flux lumineux.

Plus la température extérieure est basse, plus les photocellules et la batterie solaire dans leur ensemble sont efficaces. Ici, tout est simple. Mais avec le calcul de la charge, la situation est plus compliquée. Il doit être sélectionné en fonction du courant généré par le panneau. Mais sa valeur varie en fonction des facteurs météorologiques.

Les héliopanels sont fabriqués avec une tension de sortie multiple de 12 V - si 24 V doivent être fournis à la batterie, alors deux panneaux devront y être connectés en parallèle

Il est problématique de surveiller en permanence les paramètres de la batterie solaire et d'ajuster manuellement son fonctionnement. Il vaut mieux utiliser contrôleur de contrôle, qui ajuste automatiquement les paramètres du panneau solaire lui-même afin d'obtenir des performances maximales et des modes de fonctionnement optimaux.

L'angle d'incidence idéal des rayons du soleil sur la cellule solaire est droit. Cependant, lorsque l'écart est à moins de 30 degrés de la perpendiculaire, l'efficacité du panneau ne chute que d'environ 5%. Mais avec une nouvelle augmentation de cet angle, une proportion croissante du rayonnement solaire sera réfléchie, réduisant ainsi l'efficacité des cellules solaires.

Si la batterie doit fournir un maximum d'énergie en été, elle doit être orientée perpendiculairement à la position moyenne du Soleil, qu'elle occupe les jours de l'équinoxe au printemps et en automne.

Pour la région de Moscou, elle se situe à environ 40–45 degrés par rapport à l'horizon. Si le maximum est nécessaire en hiver, le panneau doit être placé dans une position plus verticale.

Et encore une chose - la poussière et la saleté réduisent considérablement les performances des cellules solaires. Les photons à travers une telle barrière "sale" ne les atteignent tout simplement pas, ce qui signifie qu'il n'y a rien à convertir en électricité. Les panneaux doivent être lavés régulièrement ou placés de manière à ce que la poussière soit éliminée par la pluie seule.

Certaines cellules solaires ont des lentilles intégrées pour concentrer le rayonnement sur les cellules solaires. Par temps clair, cela conduit à une efficacité accrue. Cependant, avec une forte couverture nuageuse, ces lentilles ne font que nuire.

Si un panneau conventionnel dans une telle situation continue de générer du courant, bien qu'en volumes plus petits, le modèle d'objectif cessera de fonctionner presque complètement.

Idéalement, le soleil d'une batterie de cellules solaires doit être éclairé uniformément. Si l'une de ses sections se révèle obscurcie, alors le PEC éteint se transforme en charge parasite. Dans cette situation, non seulement ils ne génèrent pas d'énergie, mais ils la prennent également des éléments de travail.

Les panneaux doivent être installés de manière à ce qu'il n'y ait pas d'arbres, de bâtiments ou d'autres obstacles sur le trajet des rayons du soleil.

Schéma électrique de la maison du soleil

Le système d'énergie solaire comprend:

1. Panneaux solaires.
2. Contrôleur
3. Les piles.
4. Onduleur (transformateur).

Le contrôleur de ce circuit protège les panneaux solaires et les batteries. D'une part, il empêche les courants inverses de circuler la nuit et par temps nuageux, et d'autre part, il protège les batteries d'une charge / décharge excessive.

Les batteries des panneaux solaires doivent être sélectionnées de la même manière en termes d'âge et de capacité, sinon la charge / décharge se produira de manière inégale, ce qui entraînera une forte diminution de leur durée de vie.

Pour transformer un courant continu de 12, 24 ou 48 volts en 220 volts alternatifs nécessaires onduleur. Les batteries de voiture ne sont pas recommandées pour une utilisation dans un tel circuit en raison de leur incapacité à supporter des recharges fréquentes. Il est préférable de dépenser de l'argent et d'acheter des batteries spéciales hélium AGM ou OPzS en gelée.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Principes de fonctionnement et panneaux solaires pas trop compliqué à comprendre. Et avec le matériel vidéo que nous avons collecté ci-dessous, il sera encore plus facile de comprendre toutes les subtilités du fonctionnement et de l'installation des panneaux solaires.

Il est accessible et compréhensible comment fonctionne la batterie solaire photovoltaïque, dans tous les détails:

Comment les panneaux solaires sont disposés, voir la vidéo suivante:

Assemblage DIY d'un panneau solaire à partir de photocellules:

Chaque article dans système d'énergie solaire le chalet doit être sélectionné avec compétence. Des pertes de puissance inévitables se produisent sur les batteries, les transformateurs et le contrôleur. Et ils doivent être réduits au minimum, sinon l'efficacité suffisamment faible des panneaux solaires sera réduite à zéro en général.

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