Combien de cellules solaires ai-je besoin pour mon panneau solaire
De nombreuses cellules solaires individualisées en silicium tendent à avoir une tension à circuit ouvert d’environ 0,5 volts et un courant de sortie à court-circuit limité à environ 3 ampères. Par conséquent, il est nécessaire de combiner ces cellules solaires individuelles, soit en séries, soit en combinaisons parallèles, pour obtenir des tensions et des courants plus élevés. Mais combien de cellules solaires dois-je utiliser pour construire un panneau photovoltaïque ?
Un panneau photovoltaïque commercial disponible est construit à partir de 32 à 48 cellules solaires individuelles connectées en série pour offrir un panneau capable de charger une batterie 12V DC. Mais combien de cellules solaires contient un panneau solaire, et combien de cellules solaires ai-je besoin ? Eh bien, comme d’habitude, cela dépend de votre application spécifique.
La puissance électrique générée par une cellule photovoltaïque, ( PV ) a deux composants : Tension ( V ) et Courant ( I ). La puissance de sortie générée par la cellule PV est mesurée en Watts, ( P ). La cellule produit ce produit en multipliant le courant de sortie de la cellule par sa tension de sortie. En d’autres termes, Puissance (P) = Volts (V) x Amps (I).
La tension de sortie de la cellule photovoltaïque reste assez constante sur une large gamme d’intensités lumineuses d’entrée grâce à l’effet photovoltaïque des cellules, tant qu’il y a un minimum de lumière. Le courant de sortie, cependant, varie en proportion directe à la quantité de lumière solaire pénétrant la cellule PV. Plus il y a de lumière entrant dans la cellule, plus elle produit de courant jusqu’à sa valeur maximale. La tension de sortie de la cellule solaire reste relativement stable de faible à forte lumière solaire.
Pour les besoins de ce tutoriel, nous considérerons une cellule photovoltaïque standard en silicium polycristallin de 4 pouces par 4 pouces (100 mm x 100 mm). Des cellules en silicium monocristallin ou amorphe sont également disponibles.
La valeur absolue de l’information de tension variera légèrement, mais leurs performances générales tendent à rester les mêmes pour tous les types de cellules PV en silicium en fonction de la quantité de soleil reçue lors d’une journée ensoleillée. Alors, comment fonctionne une cellule solaire ?
Tension de la cellule photovoltaïque
Une cellule solaire en silicium polycristallin a une tension à circuit ouvert d’environ 0,57 Volts à 25°C. Par tension à circuit ouvert, nous entendons que la cellule n’est pas connectée à une charge électrique et ne génère donc pas de courant.
Lorsqu’elle est connectée à une charge, par exemple une batterie, la tension de sortie de la cellule individuelle chutera à environ 0,46 Volts à 25°C lorsque le courant généré s’écoule. Elle restera autour de ce niveau de 0,46 V, quelle que soit l’intensité du soleil ou la quantité de courant que produira la cellule.
Cette diminution de la tension de sortie est causée par les pertes de résistance interne dans la structure de la cellule ainsi que des chutes de tension à travers les conducteurs métalliques déposés sur la surface de la cellule pour collecter le courant. La température ambiante influence également la tension de la cellule PV. Plus la température est élevée, plus la tension de sortie de la cellule diminue à mesure qu’elle chauffe, ce qui est paradoxal puisque les cellules passent leur journée au soleil.
Courant de la cellule photovoltaïque
Bien que la tension produite par une cellule photovoltaïque en silicium soit relativement constante, son courant de sortie, en revanche, varie considérablement. La quantité de courant de sortie utilisable qu’une cellule génère dépend de l’intensité de la lumière du soleil qui brille sur la surface de la cellule, ainsi que de la différence de tension entre la cellule et la charge.
Dans des conditions d’utilisation normales, une cellule polycristalline est évaluée à environ 2,87 Ampères de courant. Cette valeur peut augmenter considérablement dans un après-midi d’hiver très froid, clair, lumineux et très enneigé. L’altitude est également un facteur qui influe sur le courant de sortie de la cellule PV : plus vous êtes en hauteur, moins il y a de conditions atmosphériques au-dessus, et plus la cellule recevra de lumière du soleil, en supposant qu’il n’y ait pas de nuages ni de neige. Par conséquent, attendez-vous à voir des gains de courant si vous l’utilisez bien au-dessus du niveau de la mer.
Connecter des cellules solaires individuelles en modules
Lorsque des cellules photovoltaïques individuelles sont assemblées en modules ou panneaux, elles sont généralement câblées en série. Cela signifie que la connexion positive ou le pôle d’une cellule PV est relié à la connexion négative ou au pôle de la cellule suivante, et ainsi de suite jusqu’à ce que toutes les cellules du panneau soient connectées ensemble dans ce qu’on appelle une chaîne en série.
Ce câblage en série est effectué pour augmenter la tension du panneau. Nous avons dit plus tôt qu’une seule cellule a un potentiel de tension d’environ 0,46 Volts. Ce n’est pas assez de tension pour effectuer un travail utilisable dans un système de 12 Volts. Mais si nous additionnons les tensions de 36 cellules par câblage en série, nous avons une tension de fonctionnement de 16,7 Volts, ce qui est largement suffisant pour charger une batterie de 12 Volts.
La tension opérationnelle d’une batterie au plomb typique de 12 Volts varie entre 10,5 volts et 14 volts. La tension exacte de la batterie dépend de son état de charge, de la température ambiante et de si la batterie est en charge ou en décharge à ce moment-là. C’est cette courbe de tension de la batterie que les panneaux PV sont conçus pour respecter et doivent donc fournir une tension supérieure à celle de la batterie. Si le panneau PV ne peut pas le faire, il ne peut pas transférer d’électrons à la batterie et, par conséquent, ne peut pas recharger la batterie.
Le courant de sortie généré par un panneau solaire de 36 cellules reste le même que le courant produit par une seule cellule, soit environ 3 Ampères. La technique de câblage en série permet d’additionner les tensions, mais le courant reste le même. Nous pourrions connecter toutes les 36 cellules en parallèle, mais cela ajouterait leurs courants plutôt que leurs tensions. Le résultat serait un panneau solaire produisant 108 Ampères de courant électrique (36 x 3), mais uniquement à 0,46 Volts, ce qui est insuffisant.
Alors combien de cellules ai-je besoin ?
La plupart des fabricants de panneaux photovoltaïques (PV) fabriquent des panneaux solaires de 12 Volts pour les applications de charge de batteries avec 32, 36 ou 48 cellules dans la chaîne série. Ils sont tous évalués à environ le même courant, étant composés du même type de cellule. La différence entre ces panneaux est l’une de tension. La question à laquelle nous devons répondre ici est de savoir comment leurs tensions de sortie se rapportent aux tensions requises pour notre système de chargement 12V.
32 cellules photovoltaïques en série
Cette taille de panneau photovoltaïque a la tension la plus basse avec seulement 14,7 Volts (0,46 Volts multipliés par 32 cellules). Cela est dû au fait qu’il a le plus petit nombre de cellules PV dans sa chaîne. Ce design de panneau correspond étroitement à la courbe de charge d’une batterie au plomb standard de 12 Volts. À mesure que la batterie se charge, sa tension terminale augmente.
Lorsque cette batterie est presque pleine, sa tension est à peu près la même que celle de la cellule PV à environ 14,7 volts. Le module de 32 cellules n’a tout simplement pas assez de tension pour continuer à charger la batterie lorsqu’elle est pleine, donc il ne peut pas surcharger la batterie au plomb moyenne et de petite taille.
Les applications appropriées pour ces petits panneaux solaires de 32 cellules se trouvent dans les caravanes, les bateaux, l’éclairage de jardin et les cabanes d’été. Ces applications se caractérisent par leur utilisation intermittent et une capacité de charge de batterie relativement faible. Dans ces types d’applications basse puissance, un panneau de 32 cellules peut être utilisé avec ou sans régulateur de courant de charge, car il ne y aura pas de surcharge des batteries si elles sont laissées connectées au panneau pendant de longues périodes d’inactivité.
36 cellules photovoltaïques en série
Cette taille de panneau photovoltaïque a une tension de sortie d’environ 16,7 Volts (0,46 multipliée par 36 cellules). Cela est suffisant pour pouvoir continuer à charger une batterie au plomb même si elle peut déjà’être entièrement rechargée. Le panneau de 36 cellules est adapté à un système d’énergie alternative de 12 Volts basé à domicile avec des capacités de batterie élevées, car il a la tension de sortie plus élevée nécessaire pour recharger des batteries au plomb à cycle profond.
Cependant, un panneau solaire de 36 cellules nécessitera une forme de régulation de charge pour prévenir la surcharge de la batterie pendant les périodes de haute intensité solaire ou lorsque l’utilisation de la batterie est à son minimum.
Un panneau solaire de 36 cellules tend à être plus rentables pour une application d’alimentation domestique typique car il peut produire une bonne quantité de courant ou de fortes tensions à des températures élevées. La tension plus élevée produite par les cellules connectées en série de 36 rechargera plus efficacement de large batteries au plomb à cycle profond.
Des températures ambiantes élevées feront légèrement diminuer la tension de n’importe quel panneau PV, mais le panneau de 36 cellules a plus qu’assez de surplus de tension pour rester un chargeur de batterie efficace même à des températures ambiantes élevées.
48 cellules photovoltaïques en série
Un panneau de 48 cellules est le grand maître de l’industrie PV. 48 cellules photovoltaïques individuelles connectées en série produisent une tension de sortie d’environ 22 volts. Ces grands panneaux PV ont une capacité de courant de sortie suffisante pour charger un système de 12 Volts, quelle que soit la tension de la batterie ou la température élevée.
Cependant, ces grands panneaux nécessitent une forme de régulation de charge dans presque toutes les applications. Ils ont la tension nécessaire pour élever la tension d’un système solaire, tout en chargeant des batteries pleines, bien au-delà de 16 volts. Cette surtension est suffisamment élevée pour endommager tout équipement électronique classé à 12 VDC, donc une forme de protection est nécessaire.
En général, un module solaire de 48 cellules a des applications très spécifiques où de hautes puissances et des courants sont nécessaires, comme le pompage de l’eau ou lorsqu’ils sont combinés avec d’autres panneaux de 48 cellules pour produire un array photovoltaïque. Les arrays solaires peuvent combiner de nombreux panneaux ensemble en diverses combinaisons pour une sortie de puissance accrue.
Un autre inconvénient de ce panneau PV est sa taille physique et son coût supplémentaire par rapport aux panneaux de 32 et 36 cellules PV. Les panneaux de 48 cellules sont plus grands et occupent donc plus d’espace sur le toit. En revanche, un panneau de 48 cellules fonctionnera mieux dans des zones très chaudes et dans des zones ayant des niveaux de lumière du soleil très faibles tout au long de l’année.
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