Composition et principe de fonctionnement des systèmes de production d'électricité photovoltaïque

Composition et principe de fonctionnement des systèmes de production d'électricité photovoltaïque (PV)

Un système de production d'électricité photovoltaïque (PV) est principalement composé de modules PV, d'un contrôleur, d'un onduleur, de batteries et d'autres accessoires (les batteries ne sont pas nécessaires pour les systèmes raccordés au réseau). Selon qu'ils dépendent ou non du réseau électrique public, les systèmes PV sont divisés en types autonomes et raccordés. Les systèmes autonomes fonctionnent indépendamment, sans dépendre du réseau électrique. Ils sont équipés de batteries de stockage d'énergie pour assurer une alimentation stable, capable de fournir de l'électricité aux charges pendant la nuit ou pendant les périodes prolongées de ciel nuageux ou pluvieux lorsque la génération solaire est insuffisante.

Quel que soit le type de système, le principe de fonctionnement reste le même : les modules PV convertissent la lumière du soleil en électricité continue (CC), qui est ensuite convertie en courant alternatif (CA) par un onduleur, permettant la consommation d'électricité ou le raccordement au réseau.

1. Modules photovoltaïques (PV)

Les modules PV sont le composant central de l'ensemble du système de production d'électricité. Ils sont fabriqués en combinant des cellules photovoltaïques individuelles, qui sont coupées en différentes tailles à l'aide de machines laser ou de fil. Comme la tension et l'intensité de sortie d'une seule cellule solaire sont très faibles, plusieurs cellules sont d'abord connectées en série pour obtenir une tension plus élevée, puis en parallèle pour augmenter l'intensité. L'assemblage comprend un diode de blocage (pour empêcher le flux de courant inverse) et est encapsulé dans un cadre en acier inoxydable, en aluminium ou en matériaux non métalliques. Il est scellé avec du verre trempé sur le devant, une couche arrière à l'arrière, rempli de gaz azote et hermétiquement scellé. Plusieurs modules PV connectés en série et en parallèle forment un tableau PV (également connu sous le nom de tableau solaire).

Principe de fonctionnement : lorsque la lumière du soleil frappe la jonction p-n semi-conductrice d'une cellule solaire, des paires électrons-trous sont générées. Sous l'influence du champ électrique à la jonction p-n, les trous se déplacent vers la région p et les électrons vers la région n. Lorsque le circuit est fermé, le courant circule. La fonction principale des modules PV est de convertir l'énergie solaire en énergie électrique, soit pour la stocker dans des batteries, soit pour alimenter directement des charges électriques.

Types de modules PV :

• Silicium monocristallin : Rendement ≈ 18%, jusqu'à 24% — le plus élevé de tous les types de PV. Généralement encapsulé avec du verre trempé et de la résine imperméable, ce qui les rend durables et longévifs (durée de vie jusqu'à 25 ans).

• Silicium polycristallin : Rendement ≈ 14%. Processus de fabrication similaire au silicium monocristallin, mais avec un rendement inférieur, un coût moindre et une durée de vie plus courte. Cependant, il est plus simple à produire, consomme moins d'énergie et a des coûts de production plus bas, ce qui conduit à une adoption largement répandue.

• Silicium amorphe (film mince) : Rendement ≈ 10%. Fabriqué en utilisant un processus de film mince complètement différent, nécessitant une quantité minimale de silicium et d'énergie. Son principal avantage est une meilleure performance dans des conditions de faible luminosité.

2. Contrôleur (utilisé dans les systèmes autonomes)

Le contrôleur de charge solaire est un dispositif automatique qui empêche la surcharge et la décharge excessive des batteries. Équipé d'un microprocesseur CPU à haute vitesse et d'un convertisseur A/D de haute précision, il fonctionne comme un système de collecte et de surveillance de données basé sur un microordinateur. Il peut rapidement collecter des données opérationnelles en temps réel, surveiller l'état du système et stocker des données historiques, fournissant des informations précises et suffisantes pour évaluer la conception du système et la fiabilité des composants. Il prend également en charge la communication en série pour la gestion centralisée et la commande à distance de plusieurs sous-stations PV.

3. Onduleur

L'onduleur convertit l'électricité continue (CC) générée par les panneaux solaires en électricité alternative (CA), la rendant compatible avec les appareils alimentés en CA standard. L'onduleur PV est un composant clé du système de balance (BOS) et inclut des fonctionnalités spéciales telles que le suivi du point de puissance maximum (MPPT) et la protection contre l'îlotage.

Types d'onduleurs solaires :

• Onduleur autonome : Utilisé dans les systèmes autonomes. Le tableau PV charge la batterie, et l'onduleur tire de l'électricité continue (CC) de la batterie pour alimenter les charges en AC. De nombreux onduleurs autonomes comprennent des chargeurs de batterie intégrés qui peuvent recharger la batterie en utilisant de l'électricité AC. Ces onduleurs ne sont pas connectés au réseau et n'ont pas besoin de protection contre l'îlotage.

• Onduleur raccordé au réseau : Alimente de l'électricité alternative (AC) dans le réseau électrique. Sa forme d'onde de sortie doit correspondre à la phase, la fréquence et la tension du réseau. Il s'arrête automatiquement si le réseau est déconnecté pour des raisons de sécurité. Il ne fournit pas d'alimentation de secours en cas de panne du réseau.

• Onduleur avec batterie de secours : Un onduleur spécial qui utilise des batteries comme source d'énergie principale et comprend un chargeur pour les recharger. L'énergie excédentaire peut être renvoyée au réseau. En cas de panne du réseau, il peut alimenter en AC des circuits désignés et comprend donc une protection contre l'îlotage.

4. Batterie (non requise dans les systèmes raccordés au réseau)

La batterie est l'unité de stockage d'énergie dans un système PV. Les types courants incluent les batteries plomb-acide scellées, plomb-acide inondées, gel et nickel-cadmium alcalines. Les batteries plomb-acide scellées et gel sont les plus largement utilisées.

Principe de fonctionnement : pendant la journée, la lumière du soleil frappe les modules PV, générant une tension continue (CC) et convertissant la lumière en électricité. Cette énergie est envoyée au contrôleur, qui empêche la surcharge, puis est stockée dans la batterie pour une utilisation ultérieure lorsque nécessaire.