Comment fonctionne un panneau photovoltaïque ?

Un panneau photovoltaïque est un ensemble de cellules photovoltaïques qui transforment la lumière en électricité. Plusieurs lois de la physique sont mises en jeu pour parvenir à ce résultat. Voici un petit aperçu du système de fonctionnement des panneaux solaires.

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Les différents composants d’un panneau photovoltaïque

Le dispositif se compose de panneaux solaires et d’onduleurs. Voici leurs caractéristiques.

Les éléments du panneau solaire

Le panneau solaire crée de l’électricité grâce aux nombreuses cellules photovoltaïques montées en série ou en parallèle. Chacune engendre approximativement 0,5 V. Le panneau solaire est facilement reconnaissable grâce à ses cellules en forme de quadrillage. Les matériaux qui le constituent renvoient des reflets bleus ou gris. Au-dessus du panneau se trouve une vitre en verre qui reçoit la lumière et l’énergie qu’elle véhicule. En-dessous se place un panneau rigide destiné à protéger l’ensemble. Un châssis rigide renforce le niveau de protection et amenuise l’intensité du choc en cas d’impact.

L’onduleur

Un onduleur est nécessaire pour transformer le courant continu en courant alternatif. Cet élément se décline en 2 catégories : les onduleurs classiques et les micro-onduleurs. Les onduleurs classiques s’apparentent à des boîtiers qui affichent la taille d’un cartable d’écolier. Dans le cas d’un unique onduleur, il doit être configuré pour fonctionner en « chaîne ». Un micro-onduleur est, comme son nom l’indique, un onduleur de format très réduit, mais qui de ce fait peut être fixé directement au dos du panneau photovoltaïque, limitant les longueurs de câblage.

Fonctionnement d’un panneau photovoltaïque

Pour comprendre le fonctionnement du système d’un panneau photovoltaïque, quelques rappels sur la physique des atomes sont indispensables.

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Comprendre la physique des atomes

Un atome est constitué d’un noyau. Des électrons organisés en couche gravitent autour de cet élément. Ses propriétés physiques reposent sur le nombre d’électrons de la couche externe. En d’autres termes, la capacité de l’atome à se combiner avec d’autres atomes dépend de la quantité d’électrons. Cette combinaison engendre la formation de molécules, de cristaux qui se transforment à leur tour en ion. Quand les électrons sont arrachés de leur atome, le phénomène engendre un courant.

La cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque a été fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs. Pour obtenir un matériau semi-conducteur, il faut utiliser des atomes tétravalents. Il s’agit d’une famille d’atome composé de 4 électrons sur la couche externe qui peuvent se regrouper afin de former un cristal. Puis, la fabrication continue par la technique du dopage (introduire des impuretés dans la structure). La méthode consiste à intégrer dans le cristal :

  • des atomes de 3 électrons pour engendrer un déficit d’électrons, le résultat livre une charge positive. Ces procédures s’appellent le dopage P
  • des atomes de 5 électrons pour engendrer un excès d’électron, il en résulte une charge négative. Ces procédures s’appellent le dopage N

L’association d’une plaque de matériau dopé N et d’une autre dopé P crée une jonction PN. Cette dernière présente d’un côté les charges négatives et de l’autre les charges positives, l’ensemble engendrent un champ électrique.

Fonctionnement de la cellule photovoltaïque

Une cellule est une jonction PN dotée d’une grille métallique et d’un collecteur de conducteur. Les photos de la lumière atteignent le semi-conducteur dopé N. Puis, les photons envoient leur énergie aux électrons. Ce phénomène va engendrer leur détachement du noyau. Le champ électrique de la jonction PN pousse les électrons vers la grille métallique. Ensuite, les électrons vont circuler à travers le circuit auquel le panneau est connecté. De cette manière, ils vont retourner dans le semi-conducteur pour être à nouveau attirés par un noyau.

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Conversion du courant continu en courant alternatif

La puissance (l’intensité et la tension) obtenue dépend du nombre de cellules montées en série et en parallèle. Cependant, la tension qui sort d’un panneau est toujours continue. Ce genre d’énergie convient pour recharger une batterie, mais ne s’adapte pas aux besoins d’un foyer. C’est pourquoi il faut transformer le courant continu en courant alternatif 220 V et 50 Hz, d’où l’importance de l’onduleur.