Comprendre le fonctionnement des panneaux solaires : de la lumière au courant électrique

Dans un monde de plus en plus frappé par l’amenuisement des ressources naturelles et la dégradation de l’environnement, la tendance est désormais aux solutions vertes. Le secteur de l’électricité en est la parfaite illustration avec la montée en puissance de l’énergie solaire. Opter pour une installation solaire à domicile ou dans le cadre professionnel est une décision intéressante à plusieurs niveaux.

Au cœur de l’installation, on retrouve le panneau solaire. Encore appelé module solaire, le panneau solaire est cette plaque de taille variée qui dans le dispositif capte les rayons solaires avant qu’ils ne soient transformés en courant continu. Ces dispositifs embarquent une technologie particulière sur laquelle repose la production photovoltaïque. Pour mieux comprendre comment ces plaques permettent de passer de la lumière solaire à l’électricité, revenons sur leur composition.

De quoi se compose un panneau solaire ?

Le panneau ou module solaire est un appareil qui utilise la lumière du soleil pour la convertir en énergie électrique ou en chaleur. Dans certains cas, le panneau associe les deux technologies, on parle alors de panneau hybride. Généralement, le panneau est constitué comme suit :

• Cadre en aluminium ;
• Connexions en cuivre et/ou en argent ;
• Protection en verre ;
• Plastiques ;
• Cellules au silicium.

Ce sont ces dernières (cellules photovoltaïques au silicium), qui font la majeure partie du panneau solaire. Particulièrement important dans le panneau, c’est cet élément qui capte la lumière du soleil, puis la transforme en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.

Le silicium est une matière qu’on obtient suite au chauffage à très haute température (autour de 3 000° C) du sable ou du quartz. Lorsque le silicium est obtenu de cette façon, il est cuit en vue de sa transformation en lingot, lequel sera découpé en fines tranches. Pour fabriquer le contenu de la face avant du panneau photovoltaïque, on se sert donc de ces fines tranches de silicium qui vont déterminer le rendement du capteur et produire l’électricité.

Comment agissent ces composantes du panneau solaire en vue de produire du courant ?

La constitution des cellules du panneau

Pour comprendre le fonctionnement du panneau solaire en vue de la production de l’électricité, intéressons-nous aux interactions de son composant essentiel, à savoir les cellules photovoltaïques. Composées de plusieurs atomes de silicium, ces cellules sont celles qui permettent l’efficience du panneau. Contrairement aux cellules solaires monocristallines dotées d’un seul atome de silicium, les cellules photovoltaïques polycristallines en contiennent plusieurs. Un atome étant une toute petite particule avec un noyau et des électrons.

L’action des différents atomes

Revenons à quelques notions de chimie pour comprendre la structure du silicium. Sa particularité est qu’il est un matériau semi-conducteur. Naturellement, lorsqu’on l’expose à la lumière, ses électrons s’activent et bougent dans tous les sens. Si on souhaite produire du courant continu, on doit rajouter à ses atomes des atomes spécifiques de phosphore et de bore qui vont les guider. Les atomes de phosphore sont ajoutés sur la couche supérieure du panneau solaire tandis que les atomes de bore sont ajoutés au silicium sur la couche inférieure du panneau.

Commençons par le phosphore. C’est un atome chargé de beaucoup plus d’électrons que le silicium, ce qui fait donc un surplus d’électrons. C’est pour cette raison qu’on le place sur la couche supérieure du silicium. Le bore a contrario est un atome en déficit d’électrons. On le place donc sur la couche inférieure du silicium.

Dans cette configuration, on se retrouve dans le même schéma que celui des piles électriques dotées de deux bornes (une positive et une autre négative). En l’espèce, la borne positive est représentée par la couche inférieure contenant le bore. La borne négative, c’est la couche supérieure chargée de phosphore. C’est grâce à ces deux bornes qu’on parvient à faire circuler les électrons dans le bon sens et donc créer le courant électrique. En clair, le module électrique est une sorte de grosse pile inépuisable qui fonctionne grâce à la lumière du soleil avec ses deux couches chargées électriquement négativement et positivement.

Il est recommandé que les différentes cellules du panneau soient orientées plein sud afin de pouvoir capter un maximum d’énergie solaire et ainsi permettre un meilleur rendement. Autre chose à rappeler, relativement au rendement, seulement 20% des photons sont transformés en électricité. Le reste devient de la chaleur, c’est pour ça qu’on dit qu’un capteur solaire peut avoir un rendement de 20%.

Plus simplement, les panneaux solaires sont constitués de deux types de cellules solaires, notamment les polycristallins et monocristallins. La distinction se situe au niveau de la récolte des cristaux de silicium dans les lingots ou les plaquettes, de leur développement et de leur formation. Chacun créant un aspect et une couleur différents de leur apparence. Tous les deux types de cellules photovoltaïques sont efficaces pour produire de l’électricité solaire.

Mais le courant continu généré par celles-ci est un courant électrique qui circule dans une direction constante. C’est donc une énergie qui n’est pas facilement utilisable pour les demandes électriques standards. Il faut donc qu’elle soit traduite en courant alternatif (AC) pour pouvoir être utilisée pour des appareils électriques standard à l’intérieur d’un logement ou d’un bâtiment professionnel. C’est à ce niveau qu’interviennent donc les autres éléments du dispositif photovoltaïque.

Quels sont les autres éléments qui participent au fonctionnement du panneau solaire ?

Un module solaire sert à essentiellement à capter la lumière solaire et à la transformer en courant électrique continu. Lorsqu’on dispose de plusieurs panneaux solaires, ils sont installés en rangée et reliés entre eux pour produire plus de courant continu. Pour que ce courant continu soit utilisable, il est utile que les autres composants de l’installation photovoltaïque soient mis ensemble. Il s’agit principalement de l’onduleur et du compteur.

Le rôle de l’onduleur

Encore appelé convertisseur solaire, l’onduleur est l’organe qui prend le relais après le panneau. Après que ce capteur est capté et transformé la lumière du soleil en courant électrique continu, il faut que celui-ci soit à son tour transformé en un courant électrique alternatif. C’est là qu’intervient l’onduleur.

Il s’agit d’un boîtier métallique doté d’un radiateur et d’un ventilateur. Afin de réduire les pertes d’électricité, ce boîtier est installé le plus près possible des panneaux solaires. C’est lui qui va gérer l’ensemble des panneaux solaires d’une installation photovoltaïque. Il est cependant recommandé d’opter pour des micro-onduleurs, pour chaque panneau s’il s’agit d’une petite installation. De quoi éviter une panne généralisée sur l’ensemble de l’installation lorsqu’un seul panneau solaire dysfonctionne.

Dans l’un et l’autre cas, l’objectif de cette pièce est de permettre un transport plus facile de l’énergie produite dans les lignes à moyenne tension du réseau. L’électricité peut alors être dirigée vers les maisons et les bâtiments.

Le rôle du compteur aux côtés du panneau dans une installation solaire

Pour une installation photovoltaïque, deux types de compteurs sont généralement nécessaires en fonction de la destination de l’énergie verte produite. Le premier est le compteur de production. Celui-ci mesure la quantité de courant injectée dans le réseau. Et celle consommée depuis le réseau électrique. En cas d’autoconsommation, c’est le seul compteur qui sera utilisé, car il peut compter l’électricité dans les deux sens : celle injectée dans le réseau et celle consommée depuis ce dernier.

Le deuxième compteur est un compteur de « non-consommation ». Indiqué pour les utilisateurs qui vendent la totalité de l’électricité qu’ils produisent, c’est un appareil qui relève l’énergie injectée sur le réseau. Il sert par ailleurs à vérifier que l’installation photovoltaïque ne consomme pas de courant.