L’énergie solaire est abondante sur notre planète. Elle permet aux êtres vivants de vivre et c’est aussi l’origine de certains phénomènes naturels. Mais sa contribution ne s’arrête pas seulement au moyen de préserver notre environnement. Le soleil est aussi une source d’énergie très puissante avec une puissance d’environ 1000W/m2 au sol.
Heureusement pour nous, il est maintenant possible d’exploiter cette source d’énergie car nous pouvons produire de l’électricité par le biais des panneaux solaires. La production de ces panneaux servira à combler certains de nos besoins en alimentation des machines électroménagers ou pour l’éclairage. Elle pourra aussi recharger nos voitures électriques, scooter électrique, etc. Certains propriétaires vendent même l’énergie produite au réseau de distribution classique. Mais comment se passe la transformation de l’énergie solaire en électricité ?
Pour répondre à cette question, nous allons voir en détails tout le processus de cette transformation, depuis les radiations solaires jusqu’au courant qui alimente nos machines.
Comment fonctionne un système photovoltaïque ?
Les panneaux photovoltaïques captent les photons transportés par les rayons du soleil. Ces photons sont pleins d’énergies qui vont permettent aux électrons des cellules photovoltaïques de se déplacer. Ce phénomène génère de l’électricité d’où son nom effet photoélectrique. En additionnant la réaction des différentes cellules des panneaux, nous obtenions de l’électricité brute.
Les panneaux solaires devront être installés en série pour obtenir la tension souhaitée. Il suffira ensuite d’associer en parallèle les panneaux en série pour avoir le niveau de courant voulu. À la sortie des panneaux solaires, le courant obtenu est direct (CC) ou continu (DC). Il sera conduit vers un régulateur pour réguler les charges, surtout si votre installation solaire utilise une batterie.
Si les appareils alimentés par les appareils de votre foyer utilisent du courant alternatif, alors il faudra installer un onduleur. C’est le même cas, si vous souhaitez vendre la production de vos panneaux solaires. Dans le cas contraire, les appareils peuvent être branchés directement (Ce qui est assez rare).
Il est aussi possible d’ajouter une batterie solaire ou un système de stockage pour entreposer partiellement ou totalement la production. Cet équipement est très utile pour ceux qui utilisent les panneaux en autoconsommation partielle et totale. Il permet de stocker de l’énergie pour les besoins excédant la capacité de production des panneaux solaires ou quand ces derniers ne produisent pas.
Ce petit résumé vous permettra de comprendre en globalité le fonctionnement des panneaux solaires et la transformation de l’énergie solaire en électricité. Dans les parties suivantes, nous allons voir plus de détails sur chaque étape de cette transformation.
Qu’appelle-t-on radiation solaire ?
La radiation solaire est le conducteur des photons qui atteignent les cellules photovoltaïques. Elle est composée de différentes ondes électromagnétiques sur lesquelles naviguent les photons.
La puissance de l’énergie apportée par ces radiations se dissipent au fur et à mesure qu’elles s’éloignent du soleil. L’atmosphère terrestre participe aussi à cette diminution de la puissance.
Ceci est dû au fait qu’au contact de l’atmosphère, la radiation réagit et devient : radiation directe, radiation diffusée et radiation reflétée. L’ensemble de ces radiations forme la radiation globale qui est captée par les panneaux solaires et libère les protons qui actionnent le processus de transformation de l’énergie solaire en électricité.
Radiation directe
Elle est la partie de l’ensemble des rayons solaires qui parviennent directement du soleil. Elle a une source ponctuelle et possède une directive élevée. C’est pour cette raison qu’elle influence le plus l’orientation des panneaux photovoltaïque car elle est celle qui apporte le plus d’énergie.
Radiation diffusée
Une partie de la radiation du soleil est absorbée et dispersée par l’atmosphère terrestre. Elle peut être captée par les panneaux solaires et participer à l’énergie globale fournie par le soleil pour faire fonctionner les modules photovoltaïque.
Dans une installation horizontale, on suppose qu’elle arrive à la superficie des panneaux de manière uniforme. Son apport sur le rendement total de l’installation est donc très importante.
Radiation reflétée
Ce type de radiation est le résultat de la réflexion de la radiation incidente sur la superficie et sur les objets avoisinants des modules.
Pour le cas des panneaux solaires, les radiations reflétées qui touchent sa superficie sont celles issues de son environnement. Par exemple, en hiver, il est conseillé de ne pas totalement enlever la neige autour de votre installation, mais surtout de les étaler pour qu’ils puissent refléter plus de radiation et augmenter l’énergie solaire captée par les modules.
Quel est l’importance de la radiation solaire sur la transformation de l’énergie solaire en électricité ?
Il est important de connaître en avance le potentiel d’exposition des nouvelles installations solaires aux radiations solaires. En effet, si l’installation se fait dans une mauvaise orientation ou une inclinaison insuffisante, alors ça diminuerait le potentiel de rendement des panneaux solaires.
Le premier objectif sera donc de déterminer l’emplacement idéal, l’inclinaison et orientation idéaux pour une production optimale.
Le deuxième objectif serait d’avoir un environnement idéal pour avoir une plus longue durée d’exposition aux radiations du soleil.
Pour cela, différentes techniques comme la maîtrise des heures d’ensoleillement seront nécessaires. Elles devront aussi s’accompagner d’une bonne planification et étude technique de votre future installation. Mais tout cela ne serait possible que si les ingénieurs effectuent en même temps des mesures d’estimation du taux de radiation de l’emplacement choisit.
Petit rappel : les radiations solaires dont nous parlons dans cet article sont totalement inoffensives pour notre santé. Il s’agit des radiations solaires naturelles arrivant au sol et bénéfiques pour notre environnement. Elles apportent de l’énergie solaire pour le développement des êtres vivants de notre planète et sont utilisées par nos panneaux solaires pour produire de l’électricité.
Qu’est-ce qui se passe dans les panneaux solaires durant lors de la transformation de l’énergie solaire en électricité ?
Maintenant que vous connaissez plus exactement le moyen d’acheminement de l’énergie solaire sur votre installation, nous allons pouvoir voir plus en détails ce qui se passe dans les panneaux solaires.
Dans la précédente section, nous avons parlé du fonctionnement global d’un système photovoltaïque. Mais, ce processus est bien plus complexe que l’on pense. Il y a des phénomènes chimiques et physiques qui entrent en jeu. Ne vous inquiétez pas, nous allons essayer de vous les expliquer de la manière la plus simple possible.
Qu’appelle-t-on effet photoélectrique et effet photovoltaïque ?
Partons d’abord des principes physiques de bases qui permettent à nos panneaux de produire de l’électricité.
L’effet photoélectrique a été découvert en 1839 par Edmond Becquerel, elle consiste par le principe qu’un matériau émette des électrons lorsqu’il est soumis à de la lumière. On parle ici des matériaux semi-conducteurs comme le silicium.
Lorsque les radiations solaires sont captées par les panneaux photovoltaïques, deux phénomènes se manifestent :
- une modification de la conductivité des matériaux (qui permet l’effet photovoltaïque)
- l’émission photoélectrique qui est l’éjection d’électrons.
L’effet photovoltaïque fait partie de l’effet photoélectrique, il est spécialement dédié par les effets provoqués par les radiations solaires sur les cellules photovoltaïques. Il est aussi l’origine de la transformation de l’énergie solaire en électricité.
Comment fonctionnent les panneaux solaires ?
Les panneaux solaires sont constitués par trois composants :
-les cadres en aluminium
– les verres de protection
– les cellules photovoltaïques en silicium
Les cellules photovoltaïques renferment des matériaux semi-conducteurs qui se comportent en isolant ou en conducteur.
En général, on utilise le silicium, car ce matériau est abondant sur la croûte terrestre (près de 25％ de sa masse) et parce que c’est aussi un excellent semi-conducteur.
Le traitement de ce matériau est aussi facile et permet d’avoir des fines plaquettes monocristallines (la forme des cristaux de silicium est homogène) ou polycristallines (plusieurs tailles de cristaux).
Avant leur sortie d’usine, les plaquettes de silicium sont polarisées par exposition au phosphore (P) pour créer des électrons positifs ou au Bore (B) pour créer des électrons négatifs.
Lors de leurs installations dans un module solaire, les deux plaquettes vont être déposées en couche superposée.
La polarisation est aussi appelée dopage pour créer un déséquilibre entre les deux couches de cellules photovoltaïques. De sorte à créer une grande pile dans l’une des couches porte le signe (+) et l’autre couche porte le signe (-).
Lorsque les radiations du soleil vont atteindre les électrons des cellules, cela va provoquer un excédent d’électrons. L’électron supplémentaire va être attiré par la couche qui manque d’électron. Cette couche aura ensuite un excédent d’électron et ainsi de suite jusqu’à ce que les radiations n’atteignent plus les cellules photovoltaïques.
Cette circulation d’électrons vers les deux couches est à l’origine de l’électricité produite par les panneaux solaires. C’est donc l’origine de la transformation de l’énergie solaire en électricité.
La production de chaque module va être additionnée pour donner la production finale de votre installation.
Cependant, il faut se souvenir que le courant produit est continu. Il faudra alors utiliser des onduleurs pour les transformer en courant alternatif.
Quelle est la différence entre le courant continu (DC) et le courant alternatif (AC) pour la transformation de l’énergie solaire en électricité ?
Le courant électrique que nous utilisons dans notre quotidien est produit par le déplacement d’électrons dans un milieu conducteur lorsqu’ils seront sous l’impulsion d’une tension électrique. Cette tension va générer deux types de courant :
Courant continue
Découvert par Thomas Edison, le courant continu est issu d’un flux d’électrons qui coule toujours dans un même sens. Il part de la borne positive vers la borne négative, dont la vitesse est de quelques mètres par heure. Il est produit par des générateurs électrochimiques ou électroniques.
Dans notre cas, le courant continu est produit par les panneaux solaires. L’intensité de ce type de courant est constante et circule en circuit fermé.
De nos jours, le courant continu est utilisé par des appareils à piles et à batterie comme nos smartphones ou le réveil. Il est rarement utilisé par la grande distribution à cause de sa perte d’énergie sur de longue distance. De plus, la tension et l’intensité de ce courant est difficilement maîtrisable.
Courant alternatif
Le courant alternatif, quant à lui, a été découvert par Nikola Tesla. Dans ce deuxième type de courant, les électrons circulent de façon alternative dans les deux sens du circuit. Ils oscillent donc sur une distance de l’ordre de millième de millimètre avec un mouvement de va-et-vient.
Dans notre quotidien, ce type de courant est produit par le central électrique à l’aide d’un rotor et d’un stator. Le rotor tourne sur lui-même et imprime aux électrons le mouvement sinusoïdal. La fréquence du courant obtenu va être en fonction de la rotation du rotor. Il est aussi possible de modifier les caractéristiques de ce courant à l’aide de transformateurs. Ce dernier permet à l’électricité obtenue d’être transportés sur de longues distances.
C’est pour cela que le courant alternatif est utilisé pour la distribution commerciale. Il alimente aussi certains des appareils électroménagers dans notre foyer.
Comment passer de courant continu au courant alternatif dans la transformation de l’énergie solaire en électricité ?
La production des panneaux solaires peut être transformée en courant alternatif à l’aide des onduleurs. Ainsi, vous aurez la possibilité de l’utiliser dans votre foyer ou la vendre au distributeur d’électricité comme Creos.
Les onduleurs peuvent transformer l’énergie produite par chaque panneau solaire avec le micro-onduleur ou l’énergie totale produite par l’installation avec l’onduleur central. Le choix du type d’onduleur idéal pour votre installation photovoltaïque va dépendre de votre budget, votre préférence, mais aussi de celui conseillé par votre installateur.
Quel est le rôle de l’onduleur et de la batterie dans la transformation de l’énergie solaire en électricité ?
L’onduleur et la batterie sont deux équipements d’une installation solaire. L’onduleur solaire est nécessaire pour convertir le courant produit en courant alternatif. La batterie solaire servira de stockage pour l’énergie utilisée en autoconsommation.
Onduleur solaire
Onduleur solaire est un module nécessaire pour le bon fonctionnement de la transformation de l’énergie solaire en électricité. Il est indispensable à l’installation, car il permet à la production d’être commercialisable et utilisable par les appareils électriques. En effet, le courant continue des panneaux solaires sera converti en courant alternatif.
Mais, l’onduleur possède aussi d’autres fonctions comme un instrument de monitoring. L’équipement est utilisé avec d’autres modules pour permettre de mieux comprendre la production et aussi pour identifier les possibles défaillances des panneaux solaires.
En utilisant des micro-onduleurs, par exemple, l’utilisateur pourra savoir les panneaux solaires dysfonctionnels ou qui ne produit pas. Ces petits équipements seront reliés au système de monitoring et permettront de connaître l’état de chaque panneau photovoltaïque auquel ils sont reliés.
Batterie solaire
La batterie solaire est un équipement qui est utilisé en autoconsommation. Elle permet de stocker une partie de la production pour plus tard. La capacité de la batterie peut durer jusqu’à deux jours pour les plus puissants.
La batterie stocke du courant continu, il se place donc en parallèle entre l’onduleur et les panneaux solaires. Le montage sera optimisé pour que la batterie puisse prendre le relais lorsque l’installation photovoltaïque ne survit pas aux besoins des consommateurs. Un régulateur sera placé avant la batterie pour régulariser le courant sortant et entrant. En effet, la batterie ne doit être ni surchargée ni totalement déchargée. Cet équipement est donc nécessaire pour donner une meilleure longévité à votre unité de stockage.
Il est important de bien dimensionner son installation et de bien estimer la quantité d’énergie nécessaire pour l’autoconsommation. Cela permettra d’avoir une capacité de stockage optimale et d’éviter le surcoût. Petit rappel, la batterie est l’un des modules les plus chers de l’équipement d’une installation solaire.
