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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Cellules et modules solaires. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives La méthode de production d’électricité à partir de la lumière du soleil est connue depuis longtemps. Le phénomène de l'effet photoélectrique a été observé pour la première fois par E. Becquerel en 1839. Mais ce phénomène n'a été remarqué qu'en 1873, lorsque W. Smith a découvert un effet similaire en irradiant une plaque de sélénium avec de la lumière. Déjà au XXe siècle. La cellule solaire au silicium a été inventée et a atteint un haut degré de perfection dans les années 50. La conception la plus simple d'une cellule solaire à base de silicium monocristallin est illustrée à la figure 1. À faible profondeur à partir de la surface de la plaquette de silicium à couche p, une jonction pn avec un mince contact métallique est formée.
Un contact métallique continu est appliqué sur la face arrière de la plaque. Lorsqu’une cellule solaire est éclairée, les photons absorbés génèrent des paires électron-trou hors équilibre. Les électrons générés dans la couche p près de la jonction pn s'approchent de la jonction pn et sont transportés dans la région n par le champ électrique. De même, les trous excédentaires créés dans la couche n sont partiellement transférés à la couche p. En conséquence, la couche N acquiert une charge négative supplémentaire et la couche P acquiert une charge positive. La différence de potentiel de contact initial entre les couches p et n du semi-conducteur diminue et une tension apparaît dans le circuit externe. Le pôle négatif de la source correspond à la couche n et le pôle positif à la couche p. Contrairement aux autres sources de courant, les caractéristiques des cellules solaires dépendent de la quantité de lumière incidente sur la surface. Par exemple, un cloud entrant peut réduire la puissance de sortie de plus de 50 %. De plus, les cellules solaires ont des paramètres variables, elles doivent donc être triées par courant de sortie. En chargeant l'élément, vous pouvez tracer un graphique de la puissance de sortie en fonction de la tension (Fig. 2). La puissance crête correspond à une tension de 0,47 V.
Ainsi, afin de comparer les cellules solaires entre elles dans les mêmes conditions, il faut les charger pour que la tension de sortie soit de 0,47 V. Les cellules sélectionnées doivent être soudées en série pour obtenir une tension plus élevée ou en parallèle pour obtenir une courant plus élevé. Une connexion série-parallèle peut également être utilisée. Un point important est le régime de température. Lorsque l'élément est chauffé un degré au-dessus de 25°C, il perd 0,002 V. À titre de comparaison, la figure 3 montre une famille de courbes caractéristiques courant-tension pour des températures de 25 et 60°C. Par une journée ensoleillée, les éléments chauffent jusqu'à 60-70°C. C'est la principale raison de la baisse de l'efficacité des cellules solaires (généralement de 10 à 16 %). Un élément mesurant 100x100 mm peut donc générer 1...1,6 W.
La connexion de cellules solaires en chaînes parallèles et en série est appelée module solaire. Lorsqu'il est utilisé pour charger des batteries avec une tension nominale de 12 V, 36 cellules solaires sont généralement nécessaires, ce qui donne 16...17 V. Une telle réserve par rapport à la tension d'une charge complète de la batterie (14,4 V) est nécessaire afin de compenser les pertes dans le chargeur. Tous les systèmes photovoltaïques peuvent être divisés en deux types : autonomes et connectés au réseau électrique (ces derniers fournissent l'énergie électrique excédentaire au réseau). Un système autonome se compose d'un ensemble de modules solaires placés sur une structure porteuse, d'une batterie, d'un contrôleur de charge-décharge de batterie et de câbles de connexion. Si le consommateur a besoin d'une tension alternative, un convertisseur onduleur DC-AC est ajouté à ce kit. Le calcul du FES comprend : la détermination de la puissance nominale des modules, leur nombre, le schéma de connexion, la sélection du type et de la capacité de la batterie, la puissance de l'onduleur et du contrôleur de charge-décharge. Le pouvoir des consommateurs est indiqué dans les fiches produits. La puissance de l'onduleur doit être sélectionnée en fonction de la puissance totale des consommateurs multipliée par 1,25. Il convient de garder à l'esprit que certains consommateurs, au moment du démarrage, consomment de l'énergie plusieurs fois supérieure à la puissance nominale (moteurs électriques). La plage nominale des onduleurs est de 150, 300, 500, 800, 1500 2500, 5000 1, 48 XNUMX W. Pour les puissances supérieures à XNUMX kW, la tension du poste est choisie au minimum de XNUMX V. Détermination de la capacité de la batterie. La capacité de la batterie est sélectionnée parmi une gamme standard de capacités. Et la capacité calculée est obtenue en divisant la puissance totale des consommateurs par le produit de la tension de la batterie et de la profondeur de décharge de la batterie. Par exemple, si la puissance totale des consommateurs est de 1000 12 W, incl. par jour et que la profondeur de décharge d'une batterie 50 V est de 1000 %, alors la capacité calculée sera de 12/(0,5x167) = XNUMX Ah. Ce calcul a été effectué pour la condition où tous les jours sont ensoleillés. Détermination de la puissance totale et du nombre de modules solaires. La valeur moyenne du rayonnement solaire pour différentes latitudes et différents mois de l'année est indiquée dans les tableaux météorologiques. Par exemple, pour une latitude de 50°, la valeur du rayonnement solaire en juillet est de 180 kWh/m2 lorsque le site est orienté sud selon un angle de 40° par rapport à l'horizon. Cela signifie qu'en moyenne le soleil brille en juillet pendant 180 heures (6 heures par jour) avec une intensité de 1000 W/m2. Le module de puissance Pw générera la quantité d'énergie suivante pendant la période sélectionnée : W = kPw E/1000, où E est la valeur d'ensoleillement pour la période sélectionnée ; k est un coefficient égal à 0,5 en été et à 0,7 en hiver (il prend en compte la correction de l'échauffement des éléments au soleil). Par exemple, avec une puissance module de 1000 W et E = 180 kWh/m2 en juillet, il produira 90 kWh d'électricité. Sur la base de ces données, vous pouvez calculer la puissance totale des modules et, en la divisant par la puissance d'un module, calculer le nombre de modules.
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