Numéro 51

Magazine électronique Daganzo

INTRODUCTION:

Vers 2002, j'ai publié une page sur Internet sur le logement solaire, plus tard cette page a été publiée sous la forme d'un magazine

(Electronic Magazine of Daganzo 10). Il traite de l'utilisation de l'énergie solaire photovoltaïque au niveau du petit consommateur

d'énergie. Je voulais revenir sur cette question que je considère comme vitale pour notre avenir et celui de notre planète.

Au cours des derniers siècles, l'homme a obtenu ses ressources énergétiques principalement à partir de combustibles fossiles, le bois, le

charbon et le pétrole nous fournissent de l'énergie mais d'un autre côté, en les brûlant, nous augmentons le niveau de CO2 dans

l'atmosphère, provoquant ainsi un effet miroir avec ce que nous ne permettons pas à la chaleur à la surface de la planète de s'échapper

dans l'espace. Le résultat est que nous provoquons une augmentation graduelle et constante de la température de la planète. Les pôles

fondent et le climat change, nous ne savons pas avec certitude où cette situation nous mènera mais nous avons un exemple de ce qu'est

une planète infernale dans notre voisine Vénus.

Bibliographie:

Textes et images de Google et Wikipedia Couverture: Electrical

Experimenter 1923

Marcos Carbonell, rédacteur en chef de www.HogarSense.es Paloma

Román Gómez, Histoire de l'énergie solaire

Atersa, https://atersa.shop/como-funciona-una-celula-fotovoltaica/

A.Gonzalez 2020

L'homme a toujours réalisé à quel point le soleil est important, les rayons du soleil et la chaleur qu'ils produisent. Il est très difficile d'établir quelle a été

la première découverte sur l'énergie solaire. Déjà, les Égyptiens et les Grecs utilisaient des feuilles de cuivre ou d'argent polies pour refléter la lumière

du soleil.

La première référence historique qui peut être trouvée à l'utilisation de

l'énergie solaire se trouve dans la Grèce antique avec

Archimède. Lors de la bataille de Syracuse au IIIe siècle avant JC qui a

affronté les Romains et les Grecs, certains écrits racontent comment

Archimède utilisait des miroirs hexagonaux en bronze pour refléter les

rayons du soleil en les concentrant sur la flotte romaine dans le but de la

détruire.

Aux 7e et 8e siècles avant JC, les prêtresses vestales romaines chargées de maintenir la flamme

éternelle qui brûlait dans le temple de Vesta dans le forum romain, allumèrent le feu avec des

miroirs coniques utilisant la lumière du soleil comme source d'allumage.

Les Romains ont été les premiers à utiliser du verre dans leurs fenêtres pour emprisonner la chaleur du soleil dans leurs maisons. Ils ont même

promulgué des lois permettant de bloquer l'accès à l'électricité pour les voisins. Les Romains ont également été les premiers à construire des maisons

en verre ou des serres pour créer les conditions propices à la croissance de plantes exotiques ou de graines qu'ils apportaient à Rome depuis les

confins de l'empire.

Plusieurs siècles plus tard, Léonard de Vinci réfléchit également à

l'utilisation du soleil. En 1515, il entreprit l'un de ses nombreux

projets, bien que ce soit l'un de ceux qu'il ne finirait jamais. Son

idée était de construire un concentrateur de 6 kilomètres de

diamètre basé sur des miroirs concaves pour la production de

vapeur et de chaleur en grande quantité.

EW Tschirnhaus (1651-1700) premier membre allemand de l'Académie nationale

des sciences de France, grâce à ses recherches en mathématiques et en optique

théorique. Il a utilisé des miroirs paraboliques de différents diamètres pour faire

fondre les matériaux.

En 1682, il présenta une nouvelle méthode de construction d'un four solaire, utilisant

des plaques de cuivre d'un rayon de 1 m, qu'il utilisait pour sécher la porcelaine.

Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon (1707-1788) passionné par les récits de la guerre de

Syracuse et des miroirs d'Archimède, poursuit ses recherches dans le même domaine et

construit le premier de nombreux fours solaires français, à miroirs multiples.

Son premier four solaire dans lequel il a utilisé 24 verres de lunettes avec lesquels il a réussi à

enflammer un mélange combustible de brai et de poussière de charbon situé à 20 m.

Son plus grand concentrateur d'énergie solaire était composé de 360 morceaux de verre de 8

pouces.

Antoine Lavoisier (1743-1794), fondateur de la chimie moderne, expérimente

également les fours solaires. Il a construit un four avec deux feuilles de verre

courbées montées de manière biconvexe, entre lesquelles il a inséré de l'alcool,

qui était utilisé comme lentille, qui avait un diamètre de 130 cm et une distance

focale de 320 cm, et a également placé une lentille près du foyer. plus courte

pour réduire la distance focale effective. Avec cette lentille composite, il a pu faire

fondre du platine à 1760 ° C

William Bailey (1908). Chauffe-eau solaire breveté de jour et de nuit; (ce qui deviendra plus tard

le radiateur

eau solaire compacte sous pression). La conception de Bailley est similaire au chauffe-eau

solaire; Kemp Climax, mais avec de multiples avantages car il sépare le chauffe-eau solaire en

deux parties ou unités: un capteur solaire et un réservoir de stockage d'eau.

Le collecteur se composait d'un ensemble de tuyaux en cuivre placés sur une plaque métallique peinte en noir, placés à l'intérieur d'une boîte en verre isolée. Le

collecteur était connecté à un réservoir de stockage d'eau situé au-dessus. Le réservoir était à l'intérieur d'une boîte en bois isolée par du calcaire en poudre, ce qui

améliorait la rétention de la chaleur. L'eau chauffée dans le collecteur passait par un tuyau jusqu'au réservoir où elle était maintenue au chaud la nuit et par mauvais

temps.

L'effet photoélectrique consiste en l'émission d'électrons par un matériau lors de son impact

un rayonnement électromagnétique (lumière visible ou ultraviolette, en général). D'autres types d'interaction entre la lumière et la matière sont inclus

dans le terme:

Photoconductivité: c'est l'augmentation de

la conductivité électrique de certains matériaux causée par la lumière.

Découvert par Willoughby Smith dans le sélénium vers le milieu du 19e

siècle.

Effet photovoltaïque: Transformation partielle de l'énergie lumineuse en énergie

électrique. La première cellule solaire a été fabriquée par Charles Fritts en 1884.

Elle se composait de sélénium recouvert d'une fine couche d'or avec un

rendement de conversion de seulement 1%.

Russell Ohl a breveté la cellule solaire à jonction semi-conductrice moderne en 1946 tout en travaillant sur la série d'avancées qui conduiraient au

transistor.

Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie

frappe un électron tout en créant un «trou» dans l'atome excité.

Normalement, l'électron trouve rapidement un autre trou pour le remplir

à nouveau, et l'énergie fournie par le photon est donc dissipée sous

forme de chaleur.

Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les «trous» à se déplacer vers la face opposée du matériau au lieu de simplement

s'y recombiner: ainsi, une différence de potentiel et donc de tension va se produire entre les deux parties du matériau. matériel, comme dans une pile.

Il existe différents types de cellules photovoltaïques, selon leur nature et selon leur composition.

Cellules photovoltaïques en silicium cristallin ou monocristallin: ces cellules ont un coût économique légèrement plus

élevé par rapport aux autres types de cellules photovoltaïques. Ses performances (environ 20%) sont plus élevées et

donc son rapport Wc / m2 est augmenté.

Cellules photovoltaïques en silicium multicristallin ou polycristallin: Les performances des cellules photovoltaïques en

silicium multicristallin sont bonnes, bien que légèrement inférieures (environ 17%) aux cellules en silicium cristallin, elles

sont moins chères en raison d'un coût de fabrication inférieur .

Le silicium sous sa forme cristalline et multicristalline est le plus utilisé dans la fabrication en

série de cellules ou cellules photovoltaïques.

Cependant, il existe d'autres matériaux tels que le germanium ou l'arséniure de gallium qui

peuvent être utilisés dans les cellules photovoltaïques.

Dans le graphique, l'efficacité de divers matériaux par rapport au spectre lumineux reçu.

Le germanium a une bande passante d'absorption inférieure à celle du silicium, ce qui le rend adapté à l'absorption de longueurs d'onde plus longues, telles que la

lumière infrarouge. Les plaquettes de ce matériau peuvent être utiles pour la fabrication multicouche de films légers.

L'arséniure de gallium (GaAs): est un autre matériau qui agit comme un semi-conducteur qui est utilisé pour fabriquer des cellules PV, des cellules à grande efficacité

énergétique. En ce qui concerne ce matériau, il convient de noter qu'il existe déjà des enquêtes qui ont déterminé qu'ils sont capables d'atteindre une efficacité de

25%.

Silicium amorphe (a-Si): Cette structure n'est pas cristalline. Actuellement, ce matériau constitue plus de 10% de toute la production internationale car il s'est

également avéré très efficace, pouvant atteindre 10% d'efficacité.

Tellurure de cadmium (CdTe): c'est un matériau polycristallin. Avec ce matériau, 16% d'efficacité ont été atteints, des chiffres qui ne laissent aucun laboratoire

indifférent.

Diselenide de cuivre et d'indium (CuInSe2, ou CIS): c'est un autre des matériaux polycristallins capable d'atteindre un pourcentage d'efficacité très élevé, près de 20%.

Par rapport aux autres matériaux, il offre une grande efficacité et est flexible. Cependant, son utilisation est limitée car compliquée à fabriquer, elle utilise des produits

chimiques rares et controversés comme le cadmium, connu pour provoquer le cancer.

Il existe également d'autres systèmes, principalement optiques pour augmenter l'efficacité d'une cellule quel que soit le matériau, tels que;

Concentrateurs : ce sont des systèmes optiques utilisés par les entreprises qui construisent des panneaux ou des

cellules solaires pour améliorer l'efficacité de la conversion, avec des objectifs qui atteignent plus de 30%

d'efficacité, en concentrant plus de lumière en un point.

Réflecteurs : est une autre des techniques utilisées dans la construction de modules ou cellules

solaires. Contrairement aux concentrateurs qui sont des lentilles, les réflecteurs sont généralement

des miroirs, utilisés pour augmenter l'intensité lumineuse de la cellule.

Radiation solaire

La majeure partie de l'énergie qui atteint notre planète provient du Soleil. Le Soleil émet de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Ces

radiations se distinguent par leurs différentes longueurs d'onde. Certains, comme les ondes radio, ont des longueurs d'onde de kilomètres, tandis que les

plus énergétiques, comme les rayons X ou le rayonnement gamma, ont des longueurs d'onde de millièmes de nanomètre.

Le rayonnement solaire est

63 450 720 W / m². L'énergie qui atteint l'extérieur de

l'atmosphère terrestre sur une surface perpendiculaire aux

rayons solaires le fait en quantité fixe, appelée constante

solaire (1353 W / m² selon la NASA) variable au cours de

l'année ± 3% en raison de l'ellipticité de l'orbite terrestre.

Cette énergie est un mélange de

rayonnement de longueurs d'onde comprises entre 200 nm

et 4000 nm, qui distingue le rayonnement ultraviolet, la

lumière visible et le rayonnement infrarouge.

Le tableau montre la quantité d'énergie reçue par la surface de la terre en pétawatts ( dix quinze) watts et les quantités réfléchies et absorbées par la terre.

Alors que le rayonnement solaire incident sur l'atmosphère terrestre est relativement constant, le rayonnement solaire à la surface de la Terre est

différent du rayonnement solaire incident sur l'atmosphère terrestre. La couverture nuageuse, la pollution de l'air, la latitude d'un lieu et la période de

l'année peuvent provoquer ces variations du rayonnement solaire à la surface de la terre.

Carte du rayonnement solaire de la moyenne annuelle reçue par

différents pays européens.

Bien que l'Espagne soit le pays avec le plus d'énergie solaire reçue,

diverses politiques l'ont mis à la traîne en matière d'utilisation solaire par

rapport à d'autres pays comme l'Allemagne ou la France qui sont moins

favorisés par cette ressource d'énergie propre.

Les graphiques montrent la production photovoltaïque en heures dans plusieurs pays européens.

L'Espagne occupe la première place en

Europe pour la quantité d'énergie solaire

reçue.

Sur cette carte, nous pouvons voir la

moyenne annuelle de l'énergie solaire

reçue dans les différentes régions du pays.

Installation solaire photovoltaïque dans une maison individuelle.

Une installation solaire unifamiliale est constituée de

l'équipement Inverter (généralement un onduleur

haute puissance sans transformateur) qui reçoit la

tension des panneaux solaires, des batteries et du

réseau électrique (s'il n'y a pas de production

photovoltaïque et que les batteries sont déchargées).

L'onduleur fournit une tension alternative synchronisée

avec la tension du secteur afin que les surplus générés

(lorsqu'il n'y a pas de consommation et que la batterie

est

complètement chargée) peut être déchargée sur le

secteur.

Les batteries peuvent être au plomb ou au lithium, les meilleures batteries au lithium sont plus chères mais offrent une durée de vie plus longue, moins

d'entretien et une grande puissance de charge et de décharge. Ils sont très importants dans notre installation solaire car ils nous offrent de l'énergie

pendant les heures où le soleil ne nous la donne plus.

Le prix des panneaux solaires représente une petite partie du prix de

l'équipement ou des batteries de l'onduleur et c'est pratique

Tirez le meilleur parti de l'espace sur le toit car plus il y a d'espace

occupé par les panneaux, plus nous pouvons obtenir d'énergie.

Une autre raison de l'occupation maximale des panneaux est l'effet

pare-soleil que les panneaux offrent sur la maison en été.

Lors de la conception de notre installation solaire, nous devons prendre en compte la

possibilité de connecter un véhicule électrique.

Un petit véhicule électrique a besoin de 8Kwh pour parcourir environ 50 km. En tenant

compte du fait que le solaire 1Kw (environ 3 panneaux) produit 4Kwh (moins en hiver et plus

en été).

Cela signifie que nous avons besoin d'environ 2Kw de panneaux solaires pour faire environ 50

km

Le placement des panneaux peut se faire sur des structures métalliques

exposées au sud sur des toits horizontaux ou également sur des structures

sur un toit en pente. Ces derniers ont la propriété d'être mieux protégés

contre les vents forts.

Les panneaux solaires sont généralement placés sur le toit face au sud

(hémisphère nord) afin que les rayons du soleil tombent aussi verticalement sur

eux.

Sa séparation du toit est importante pour réduire son propre chauffage et celui du toit

en permettant à l'air de circuler.

Comme essai sur l'efficacité de l'ombre produite par les panneaux solaires sur un toit; une zone avec des panneaux solaires a été installée dans un

entrepôt industriel. Comme le montre l'image thermique, la zone sous les panneaux de forme rectangulaire est identifiée en vert avec une température

d'environ 35 ° C et la zone non couverte par les panneaux de couleur rouge a une température d'environ 58 ° C.

Panneaux solaires d'orientation Est-Ouest

Jusqu'à aujourd'hui, la plupart des installations solaires ont été installées avec des panneaux solaires orientés vers le SUD. Cependant, plusieurs

avantages peuvent rendre plus pratique l'installation de panneaux solaires orientés EST-OUEST.

Dans une installation de panneaux solaires avec une orientation Est-Ouest. La moitié des panneaux

solaires est orientée vers l'est et l'autre moitié vers l'ouest. Dans cette configuration, les plaques

"élargissent" la production, fonctionnant de manière plus distribuée et régulière, à partir du matin et

jusqu'au coucher du soleil. Une distribution de panneaux solaires à pignon permet également d'augmenter

le nombre total de panneaux sur le toit. De cette manière, la production par m2 est plus élevée, ce qui est

particulièrement pratique dans les cas où il n'y a pas beaucoup d'espace sur le toit.

Aucune ombre entre les rangées de panneaux solaires. Des installations solaires avec des

panneaux solaires orientés SUD projettent des ombres des premières rangées sur les rangées

arrière. En revanche, la configuration Delta-Wing Est-Ouest avec un profil bas évite l'ombrage.

En utilisant seulement un angle d'inclinaison de 15 ° (par rapport à l'horizontale) et une

configuration Delta-Wing, la pression du vent est considérablement réduite par rapport à une

configuration orientée SUD beaucoup plus vulnérable aux vents du nord.

La configuration du panneau solaire est-ouest produit une sortie plus stable et cohérente tout au long de la journée par rapport à une installation

orientée au sud conventionnelle.

L'installation Est-Ouest de panneaux solaires réduit la pointe de

puissance centrale à midi et prolonge la durée de la production solaire

aux premières et tardives heures de la journée. Les panneaux solaires

commencent à produire au lever du soleil et continuent à produire

jusqu'au coucher du soleil.

L'onduleur avec un rendement de l'ordre de 97% regroupe plusieurs fonctions:

Régule la charge des panneaux solaires. La tension fournie par les panneaux solaires n'est pas constante et la marge effective est généralement de

120v - 550v

Régule la charge et la décharge des batteries. Pour une installation de batterie au lithium 48 V, la plage de fonctionnement est comprise entre 45 V

et 53 V

Il convertit la tension de la batterie de la tension continue de 48 V à 220 V en tension alternative de 50 Hz. Il est synchronisé avec la

tension du secteur lors de l'importation et de l'exportation d'énergie. Régule les pics actuels de consommation d'énergie.

Régule le protocole de consommation électrique entre les panneaux solaires, les batteries et le réseau électrique.

Sur la figure, les étages de puissance d'un onduleur.

Petite installation solaire

Dans une petite installation solaire pour une résidence d'été occasionnelle ou un camping-car où la consommation d'électricité est faible, le coût

est considérablement réduit.

C'est l'une des nombreuses possibilités de mise en place d'une petite

installation photovoltaïque. Il est constitué d'un panneau solaire

polycristallin d'environ 200w avec un rendement de l'ordre de 15%.

Un régulateur de charge de batterie PWM 30A qui régule la charge et la

décharge de la batterie.

Une batterie GEL 172Ah peut stocker jusqu'à 2Kwh d'énergie.

Un onduleur 1Kw avec sortie sinusoïdale (Pure).

Ci-dessous, je présenterai plusieurs schémas d'onduleurs de tension.

Cet onduleur simple est une onde carrée d'environ 100w. Il contient un oscillateur 50Hz, un étage de préampli et un étage de puissance avec

transistors MOS. Il a le problème qu'il n'est pas très stable contre la consommation.

Un onduleur de type trapézoïdal ou pseudo-sinusoïdal fonctionne également avec des ondes carrées mais les temps de commutation sont

annulés (Duty cycle), un comparateur remplit cette fonction.

Enfin, ce circuit inverseur utilise les capacités du micro-ordinateur PIC16F628A pour générer un signal de type PWM sur une forme d'onde à 50 Hz. En

fonction des transistors de l'étage de puissance, nous obtiendrons plus ou moins de puissance de sortie, et plus la puissance est élevée, plus il faudra

renforcer le filtre de sortie.