Qu'est-ce que sont les panneaux solaires et comment fonctionnent-ils ?

Contents:

1. Introduction
2. Qu'est-ce que sont les panneaux solaires ?
3. Comment fonctionnent les panneaux solaires ?
4. Quels sont les principaux composants des panneaux solaires ?
5. Conclusion

Introduction

Avec l'augmentation mondiale de la demande d'énergie et une prise de conscience croissante de la protection de l'environnement, l'énergie solaire a attiré une attention considérable en tant que source d'énergie propre et renouvelable. Les panneaux solaires sont les composants centraux des systèmes d'énergie solaire, convertissant la lumière du soleil en électricité pour fournir une énergie durable. Cet article fournira une introduction détaillée aux composants clés et aux fonctions des panneaux solaires, aidant les lecteurs à mieux comprendre leur composition et leurs caractéristiques.

Qu'est-ce que sont les panneaux solaires ?

Les panneaux solaires sont des dispositifs qui convertissent l'énergie solaire en électricité. Ils sont constitués de plusieurs cellules solaires, qui utilisent l'effet photovoltaïque pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique. Les panneaux solaires sont parmi les parties les plus critiques d'un système de génération d'énergie solaire. La structure typique de ces modules comprend (de haut en bas) : du verre - un film EVA - des cellules solaires - un film EVA - un film arrière ou du verre, sécurisés avec un cadre en alliage d'aluminium.

De plus, les matériaux auxiliaires comprennent le verre PV, le film d'encapsulation, les bandes de soudure, les films arrière, le silicone d'étanchéité, le gel d'étanchéité des boîtes de jonction AB, les boîtes de jonction et les cadres.

Comment fonctionnent les panneaux solaires

Les panneaux solaires recueillent une énergie propre et renouvelable à partir de la lumière du soleil et la convertissent en électricité, qui est ensuite utilisée pour alimenter les charges électriques. Les panneaux solaires sont composés de plusieurs cellules solaires individuelles, chacune composée de couches de silicium, de phosphore (fournissant une charge négative) et de bore (fournissant une charge positive). Les panneaux solaires absorbent des photons (particules de lumière), générant un courant électrique. Lorsque les photons frappent la surface du panneau solaire, ils transfèrent leur énergie aux électrons, les faisant se libérer de leurs orbites atomiques et entrer dans le champ électrique créé à l'intérieur de la cellule solaire. Ces électrons libérés sont ensuite entraînés dans un courant directionnel, formant ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque.

Principaux composants des panneaux solaires?

1. Cellules solaires

Les cellules solaires sont l'un des composants principaux des panneaux solaires, responsables de la conversion de la lumière du soleil en énergie électrique. Elles réalisent cela grâce à l'effet photovoltaïque, où les photons de la lumière solaire frappant la surface de la cellule solaire excitent les électrons, générant un courant électrique qui entraîne le flux d'électrons à travers les circuits.

(1) Types de cellules solaires

Les cellules solaires sont principalement classées en trois types selon leurs matériaux et leurs procédés de fabrication : les cellules solaires en silicium monocristallin, les cellules solaires en silicium polycristallin et les cellules solaires à film mince. Les cellules en silicium monocristallin sont largement utilisées en raison de leur haute cristallinité et de leur bonne mobilité électronique. Les cellules en silicium polycristallin, quant à elles, sont appréciées pour leurs coûts inférieurs et leurs processus de production simplifiés. Les cellules solaires à film mince utilisent divers matériaux tels que le silicium amorphe, le sélénium de gallium indium cuivre (CIGS), entre autres, offrant des avantages tels que la légèreté, la flexibilité et la rentabilité, les rendant adaptés à des applications spécifiques.

(2) Technologies principales des cellules solaires et état actuel

Les cellules solaires sont les composants centraux de la génération d'électricité photovoltaïque, et leurs technologies et niveaux de processus influencent directement l'efficacité et la durée de vie des modules photovoltaïques. En fonction des éléments dopants et des processus de fabrication, les principaux types de cellules solaires actuellement développés et produits sur le marché peuvent être largement classés en quatre types : PERC, TOPCon, HJT et IBC.

a. PERC

Les cellules PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) utilisent la technologie de cellule à émetteur passivé et à face arrière, avec une tranche de silicium de type P comme substrat pour l'émetteur de la cellule. Cette technologie, initiée par le scientifique australien Martin Green en 1983, améliore l'efficacité de conversion en ajoutant une couche de passivation sur le côté arrière de la cellule. En maximisant le gradient de potentiel à travers la jonction P-N, les cellules PERC stabilisent le flux d'électrons, réduisent la recombinaison des électrons et atteignent des niveaux d'efficacité supérieurs par rapport aux structures de cellules standard.

b. IBC

Les cellules IBC (Interdigitated Back Contact) ne comportent pas de lignes métalliques sur la face avant. L'émetteur et le champ arrière sont intégrés dans un motif de grille croisée à l'arrière de la cellule, évitant l'ombrage des lignes métalliques. Associé à des structures pyramidales et à des revêtements antireflet sur les surfaces avant et arrière, ce design unique maximise l'utilisation de la lumière et améliore significativement l'efficacité de conversion photovoltaïque des cellules solaires IBC.

c. TOPCon

Les cellules TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) utilisent une structure de contact passivé où une couche ultra-mince de dioxyde de silicium est préparée à l'arrière de la cellule, suivie d'une couche de silicium dopé. Ensemble, ils forment une structure de contact passivé connue sous le nom de technologie TOPCon. La couche ultra-mince d'oxyde permet aux porteurs minoritaires de tunneliser dans la couche de silicium polycristallin tout en bloquant la recombinaison des porteurs majoritaires, améliorant le transport latéral des électrons et leur collecte par les contacts métalliques. Cela réduit considérablement les taux de recombinaison et améliore ainsi l'efficacité de conversion des cellules.

d. HJT

Les cellules HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) sont également connues sous le nom de cellules hétérojonction. Initialement développées par Sanyo Electric (maintenant Panasonic) en 1990 et commercialisées sous le nom de HIT, les entreprises ultérieures entrant dans le domaine de l'hétérojonction ont adopté différentes désignations telles que HJT, SHJ et HDT pour éviter les litiges de brevet. Contrairement aux cellules PERC et TOPCon, qui utilisent le dopage du même matériau (silicium cristallin), les cellules HJT utilisent le dopage de deux matériaux différents (silicium cristallin et silicium amorphe). Cela forme une jonction PN entre la tranche de silicium et la couche de silicium amorphe, réduisant la recombinaison des porteurs au niveau de la jonction PN et améliorant ainsi l'efficacité de conversion de la cellule solaire.

Ces technologies représentent des avancées significatives dans l'efficacité des cellules solaires et sont cruciales dans le développement continu de modules photovoltaïques haute performance.

2. Matériau d'Encapsulation Avant - Verre de Panneau Solaire

Les panneaux solaires sont des dispositifs cruciaux qui convertissent l'énergie solaire en électricité, et leur structure et choix de matériaux ont un impact direct sur leur efficacité et leur durée de vie. Dans les panneaux solaires, le matériau d'encapsulation avant est généralement du verre, principalement utilisé pour protéger les cellules solaires internes tout en améliorant les performances globales du panneau.

Types de Verre de Panneau Solaire

• Verre Ultra-Clair : Aussi connu sous le nom de verre à faible teneur en fer, il présente une très haute transmittance lumineuse (jusqu'à 91%-93%) et est largement utilisé dans les panneaux solaires à haute efficacité. Le verre ultra-clair a une très faible teneur en fer, ce qui réduit l'absorption de lumière et améliore la transmittance lumineuse.
• Verre Trempé : Verre renforcé par des méthodes physiques ou chimiques, il possède une grande résistance et une résistance aux chocs élevée. Même s'il se brise, il se fragmente en petits morceaux granulaires, réduisant les dommages aux cellules solaires. Le verre trempé est couramment utilisé dans les panneaux solaires nécessitant une haute résistance mécanique.
• Verre Semi-Trempé : Le verre semi-trempé présente des niveaux de contrainte entre le verre plat ordinaire et le verre entièrement trempé, variant de 24 MPa à 52 MPa. Malgré une résistance aux chocs inférieure, il offre une grande planéité et aucune contrainte interne, ce qui le rend adapté au traitement par laminage dans la production de panneaux solaires, améliorant ainsi le rendement et la qualité.
• Verre Revêtu : Verre avec un revêtement spécial mince à la surface, réduisant la réflexion, augmentant la transmittance lumineuse et offrant des fonctions anti-salissures et imperméables. Il convient aux panneaux solaires dans des conditions environnementales spéciales.

Fonctions et Rôles du Verre de Panneau Solaire

En tant que composant critique recouvrant les cellules solaires, le verre de panneau solaire remplit plusieurs fonctions cruciales qui ont un impact direct sur les performances et la durabilité de l'ensemble du module de panneau solaire.

• Haute Transmittance Lumineuse : Le verre PV de haute qualité présente généralement une transmittance lumineuse supérieure à 90%, assurant que plus de lumière solaire atteint les cellules solaires à travers le verre, améliorant ainsi l'efficacité de conversion photovoltaïque.
• Résistance aux Intempéries : Le verre PV doit fonctionner à long terme dans diverses conditions environnementales, nécessitant une grande résistance aux intempéries pour maintenir des performances stables dans des environnements rigoureux tels que les températures élevées, basses, l'humidité et l'exposition aux UV, sans vieillissement, décoloration ou défaillance.
• Résistance Mécanique : L'utilisation de verre trempé avec une grande résistance et une résistance aux chocs peut résister aux pressions externes telles que la charge de vent, la charge de neige et la grêle, assurant une sécurité et une utilisation à long terme.
• Faible Teneur en Fer : Le verre à faible teneur en fer (verre ultra-clair) a une très faible teneur en fer, réduisant l'absorption de lumière et améliorant la transmittance lumineuse, augmentant significativement l'efficacité de conversion photovoltaïque.
• Revêtement Anti-Reflet : L'ajout de revêtements anti-reflets réduit les pertes par réflexion de lumière, augmentant ainsi la transmittance lumineuse pour que plus de lumière pénètre dans les cellules solaires, améliorant ainsi l'efficacité globale de conversion photovoltaïque.

3. Film d'Encapsulation de Panneau Solaire

Le film d'encapsulation est un matériau crucial dans l'emballage des modules photovoltaïques (PV) et est essentiel pour la durée de vie du module. Il scelle et lie pour protéger les cellules internes du module. Les films d'encapsulation comprennent l'EVA, le POE et l'EPE co-extrudé.

EVA : Le film EVA est l'un des matériaux d'encapsulation les plus largement utilisés, particulièrement adapté pour l'encapsulation des modules PERC P-type mono-verre. Ce matériau est rentable, offre une bonne aptitude au processus, et a une vitesse de réticulation rapide, protégeant efficacement les cellules contre les impacts environnementaux. Selon les besoins spécifiques, différents types d'EVA peuvent être choisis, tels que l'EVA à haute transparence pour l'avant, l'EVA à haute coupure pour l'arrière, ou l'EVA blanc fabriqué avec du dioxyde de titane.

POE : Le film POE est principalement utilisé pour l'encapsulation des modules PV double-verre et N-type. Comparé à l'EVA, le POE présente des propriétés supérieures incluant une faible perméabilité à l'eau, une résistance à l'hydrolyse, une résistance au vieillissement, et une excellente résistance au PID (Dégradation Induite par le Potentiel). Cependant, sa surface lisse le rend sujet au déplacement et augmente la difficulté de traitement, entraînant des coûts plus élevés.

EPE co-extrudé : Le film EPE co-extrudé combine la bonne aptitude au processus de l'EVA avec l'excellente résistance au PID et à la vapeur d'eau du POE. Ce matériau est couramment utilisé dans les modules de cellules Topcon de type N et les modules double-verre, trouvant un équilibre entre performance et rentabilité.

Caractéristiques Clés des Films d'Encapsulation de Panneau Solaire

Dans les panneaux solaires, les films d'encapsulation doivent posséder plusieurs caractéristiques clés pour assurer leur efficacité et leur fiabilité dans le processus de conversion photovoltaïque :

• Haute Transparence : La transparence des films d'encapsulation doit être aussi élevée que possible pour permettre une pénétration maximale de la lumière solaire, améliorant ainsi l'efficacité de conversion photovoltaïque. Généralement, l'exigence de transparence est supérieure à 95%.
• Faible Perte Optique : Les films d'encapsulation doivent minimiser les pertes optiques pour réduire l'absorption et la diffusion de la lumière à l'intérieur du film. Les pertes optiques incluent principalement les pertes par absorption et par diffusion.
• Excellente Adhérence : Les films d'encapsulation doivent présenter une forte adhérence aux matériaux tels que le verre, les cellules et les feuilles arrière, assurant la robustesse et la fiabilité du module. La résistance de liaison entre le film d'encapsulation et les cellules doit être suffisante pour résister aux contraintes mécaniques pendant le fonctionnement du module.
• Bonne Résistance Mécanique : Les films d'encapsulation doivent avoir une résistance mécanique adéquate pour supporter les charges mécaniques dans des conditions environnementales difficiles telles que le vent, la neige et la grêle.
• Excellente Isolation Électrique : Les films d'encapsulation doivent empêcher efficacement les fuites et les accidents électriques, assurant la sécurité et la fiabilité du système PV. La tension de claquage et la résistivité en volume du film d'encapsulation doivent répondre aux exigences des normes pertinentes.

4. Feuille Arrière du Panneau Solaire

Dans l'encapsulation arrière des modules photovoltaïques (PV) solaires, les matériaux comprennent principalement les feuilles arrière et le verre arrière, jouant un rôle crucial dans la protection et l'optimisation des performances du module.

Feuilles Arrière :

Situées sur le côté arrière des panneaux solaires, la fonction principale des feuilles arrière est de protéger les cellules solaires internes et les matériaux d'encapsulation contre la corrosion environnementale externe et les dommages, assurant un fonctionnement stable à long terme du module. Les matériaux courants pour les feuilles arrière incluent le plastique renforcé de fibres de verre (FRP) et les feuilles de polyester. Les feuilles arrière en FRP offrent une haute résistance et une bonne résistance aux intempéries, adaptées à diverses conditions environnementales. Les feuilles de polyester sont légères et possèdent une bonne flexibilité et des propriétés mécaniques.

Les feuilles arrière sont généralement constituées d'une structure à trois couches, comprenant une couche externe, une couche intermédiaire (généralement un substrat PET) et une couche interne. Divers types de feuilles arrière revêtues, comprenant FPF, KPF, PPF et PF, offrent différentes caractéristiques telles que des revêtements de fluor (F ou C) et des films PVDF (K) qui améliorent la résistance aux intempéries et les propriétés anti-vieillissement. Ces structures stratifiées et ces revêtements protègent efficacement les composants internes du module contre la lumière, l'humidité, la chaleur et les conditions de gel, assurant ainsi sa stabilité et sa fiabilité dans divers environnements.

Verre Arrière :

Le verre arrière est le matériau en verre couvrant la feuille arrière dans les panneaux solaires. Son rôle principal est de protéger la structure arrière et de maximiser la transmission de la lumière pour améliorer l'efficacité de conversion photovoltaïque du module. Le verre arrière possède également une excellente résistance à l'abrasion, aux intempéries et à la corrosion, le rendant adapté à une utilisation à long terme dans diverses conditions environnementales.

Le verre arrière utilise généralement du verre photovoltaïque ultra-clair à semi-temperé à faible teneur en fer. Il est disponible en différentes épaisseurs (comme 2,0 mm et 1,6 mm) et conceptions avec ou sans grilles pour répondre aux exigences de différentes applications. Ses caractéristiques incluent des taux extrêmement faibles de transmission de vapeur d'eau, ce qui prévient les problèmes de délamination de la feuille arrière induits par l'humidité. De plus, il possède des propriétés d'isolation élevées, soutenant les exigences de tension de système plus élevées.

5. Cadre de Panneau Solaire :

Le cadre de panneau solaire est un accessoire essentiel du module, principalement utilisé pour protéger les bords du verre du panneau solaire, améliorer les performances d'étanchéité du module et renforcer sa résistance mécanique, ce qui impacte significativement sa durée de vie. En tant que composant crucial du module photovoltaïque, les cadres en alliage d'aluminium dominent le marché en raison de leur haute résistance, robustesse, bonne conductivité, résistance à la corrosion et à l'oxydation, forte résistance à la traction, facilité de transport et d'installation, ainsi que leur recyclabilité aisée. Ces excellentes propriétés ont permis aux cadres en alliage d'aluminium de maintenir un taux de pénétration sur le marché de plus de 95 %, évoluant aux côtés de l'industrie photovoltaïque au fil des années.

Le cadre de panneau solaire est un accessoire de grande valeur dans la structure des coûts des modules photovoltaïques, où les coûts des cellules représentent environ 55 %. Avec les tailles et poids standard actuels des cadres en aluminium, le cadre de panneau solaire représente environ 13 % du coût total, plus élevé que d'autres accessoires tels que l'EVA, le verre, la feuille arrière et les rubans. C'est l'accessoire le plus coûteux. En plus des cadres en alliage d'aluminium traditionnels, il existe également des cadres en alliage aluminium-magnésium à faible coût et des cadres en matériaux composites sur le marché. Cependant, en raison de limitations en apparence et en résistance à la corrosion, ces matériaux ne sont pas devenus des choix principaux.

6. Boîtier de Jonction :

Le boîtier de jonction est un connecteur situé entre le tableau de cellules photovoltaïques formant le panneau solaire et le dispositif de contrôle de charge solaire. Sa fonction principale est de connecter l'électricité générée par les cellules photovoltaïques à des circuits externes. Le boîtier de jonction est fixé à la feuille arrière du module avec du silicone. Les fils sortants à l'intérieur du module sont connectés ensemble à travers le câblage interne du boîtier de jonction, qui connecte ensuite le câblage interne aux câbles externes, assurant la connexion du module aux câbles externes.

Le boîtier de jonction du module photovoltaïque est un composant critique de connexion électrique. Sa structure principale comprend un boîtier avec une carte de circuit imprimé à l'intérieur. La carte de circuit imprimé possède des bornes de connexion de busbar N et deux bornes de connexion de câble. Chaque borne de connexion de busbar est connectée en série avec les chaînes de cellules photovoltaïques solaires via des busbars, et les bornes de connexion de busbar adjacentes sont connectées par des diodes. Des commutateurs électroniques sont connectés en série entre les bornes de connexion de busbar et les bornes de connexion de câble, contrôlés par des signaux de contrôle reçus pour les activer ou les désactiver. La borne de connexion de busbar N est connectée à la deuxième borne de connexion de câble. Les deux bornes de connexion de câble sont connectées au monde extérieur via des câbles, et un condensateur de dérivation est également placé entre les deux bornes de connexion de câble.

Conclusion :

En résumé, la composition d'un module photovoltaïque comprend des composants clés tels que les cellules photovoltaïques, la feuille arrière, le verre, les matériaux d'encapsulation, le cadre et la boîte de jonction. Chaque composant joue un rôle indispensable dans les performances globales et la durabilité. Les cellules photovoltaïques sont le cœur, responsables de la conversion de l'énergie solaire en électricité ; la feuille arrière et le verre fournissent protection et transparence ; les matériaux d'encapsulation assurent l'étanchéité et la durabilité de chaque partie ; tandis que le cadre et la boîte de jonction sont responsables de la fixation du module, de l'installation et de la conduction du courant. L'effet synergique de ces composants permet aux modules photovoltaïques de fonctionner de manière efficace et stable, répondant aux besoins variés de différentes applications.

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Références :

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