Comment fonctionnent les panneaux solaires ? Une plongée en profondeur dans les principes photovoltaïques et le dimensionnement des boîtiers de raccordement

La croissance rapide de l'énergie solaire est en train de remodeler notre paysage énergétique mondial. Mais avez-vous jamais vraiment compris comment la lumière du soleil, qui parcourt 93 millions de kilomètres jusqu'à un simple panneau bleu, se transforme en l'électricité qui alimente nos vies ? Et dans un système photovoltaïque (PV) à grande échelle, comment l'énergie de centaines ou de milliers de panneaux est-elle réunie de manière sûre et efficace ?

Cet article vous guidera du monde microscopique des atomes au domaine macroscopique de l'ingénierie des systèmes. Nous démystifierons les principes fondamentaux de la production d'énergie solaire et fournirons un guide complet pour la sélection du composant le plus critique pour la sécurité et l'efficacité du système : le boîtier de couplage PV.

Partie 1 : Le monde microscopique de l'énergie solaire - Une plongée en profondeur dans l'effet photovoltaïque

La magie de la transformation de la lumière du soleil en électricité s'opère au cœur de la structure cristalline d'une cellule solaire. Ce processus, connu sous le nom d'effet photovoltaïque, est une interaction fascinante entre la physique et la science des matériaux.

1.1 L'effet photovoltaïque : La magie de la transformation de la lumière du soleil en électricité

La lumière du soleil est composée de minuscules paquets d'énergie appelés photons. Lorsque ces photons frappent un panneau solaire, leur voyage s'achève, mais un nouveau commence. Si un photon transporte suffisamment d'énergie, il peut arracher un électron à son atome dans le matériau du panneau solaire. Deux particules sont alors créées : un électron libre chargé négativement et un “trou” chargé positivement à l'endroit où se trouvait l'électron. C'est le mouvement contrôlé de ces électrons qui crée un courant électrique.

1.2 Le matériau de base : Pourquoi le silicium ?

Si plusieurs matériaux peuvent présenter un effet photovoltaïque, le silicium (Si) est le roi incontesté de l'industrie solaire. Situé dans le groupe 14 du tableau périodique, le silicium est un semi-conducteur. Cela signifie qu'il n'est ni un grand conducteur comme le cuivre, ni un grand isolant comme le verre. Ses propriétés se situent entre les deux, ce qui le rend parfait pour contrôler le flux d'électrons.

Les atomes de silicium pur forment un réseau cristallin très stable. Chaque atome de silicium partage l'un de ses quatre électrons externes avec quatre atomes voisins, créant ainsi de solides liaisons covalentes. Dans cet état pur, il y a très peu d'électrons libres pour transporter un courant, ce qui fait du silicium pur un mauvais conducteur. Pour libérer son potentiel, nous devons introduire intentionnellement des impuretés, un processus appelé dopage.

1.3 Création de la jonction “magique” : La naissance de la jonction P-N

Le cœur de chaque cellule solaire est la jonction P-N. C'est là que se crée le champ électrique qui alimente le courant. C'est là que se crée le champ électrique qui alimente le courant. Elle est formée par l'assemblage de deux types de silicium dopé légèrement différents.

Semi-conducteur de type N (négatif) : Pour créer du silicium de type N, un cristal de silicium pur est “dopé” avec une petite quantité d'un élément comme le phosphore. Le phosphore possède cinq électrons externes. Lorsqu'il remplace un atome de silicium dans le réseau cristallin, quatre de ses électrons forment des liaisons avec les atomes de silicium voisins, mais il reste le cinquième électron. Cet électron supplémentaire devient un porteur de charge libre, prêt à se déplacer et à conduire l'électricité. Les électrons étant chargés négativement, on parle de silicium de type N.
Semi-conducteur de type P (positif) : Pour créer du silicium de type P, le silicium est dopé avec un élément comme le bore, qui ne possède que trois électrons externes. Lorsque le bore remplace un atome de silicium, il ne peut former que trois liaisons covalentes. Il manque un électron à la quatrième liaison, ce qui crée un “trou”. Ce trou agit comme une charge positive. Il peut être comblé par un électron d'un atome voisin, qui laisse à son tour un nouveau trou. Ce mouvement de trous équivaut à un flux de charge positive. C'est ce qu'on appelle le silicium de type P.

Lorsque les couches de type N et de type P sont réunies, la magie opère. Les électrons libres en excès du côté de type N diffusent immédiatement vers le côté de type P pour remplir les trous abondants. De même, les trous de la face de type P diffusent vers la face de type N. Cette diffusion crée une fine région à la jonction des deux couches. Cette diffusion crée une fine région à la jonction, connue sous le nom de “zone de déplétion”, où les porteurs de charge se sont annulés.

Lorsque les électrons quittent le côté de type N, ils laissent derrière eux des ions phosphore chargés positivement. Lorsque les trous quittent le côté de type P (ou sont remplis par des électrons), ils laissent derrière eux des ions bore chargés négativement. Cette séparation des ions positifs et négatifs à travers la zone de déplétion crée un champ électrique interne puissant et permanent. Ce champ agit comme une voie à sens unique, empêchant toute nouvelle diffusion et établissant un équilibre stable.

1.4 La formation du courant : le voyage de l'électron

Mettons tout cela bout à bout.

Photon Strike : Un photon de lumière solaire suffisamment énergétique frappe la cellule solaire, créant une paire électron-trou.
Séparation par le champ électrique : Si cette paire est créée dans ou près de la zone de déplétion, le champ électrique interne entre immédiatement en action. Il est suffisamment puissant pour entraîner l'électron libre du côté du type N et le trou du côté du type P. Cela les empêche de se recombiner et de se neutraliser l'un l'autre. Cela les empêche de se recombiner et de se neutraliser.
Potentiel de construction : Ce processus se répète des milliards de fois par seconde. Le champ électrique entraîne une accumulation massive d'électrons du côté du type N et de trous du côté du type P, créant une différence de tension (ou potentiel électrique) à travers la cellule.
La circulation dans le circuit : Lorsqu'un circuit externe - comme le câblage d'un onduleur ou d'une batterie - est connecté aux faces de type P et de type N, les électrons accumulés ont enfin un chemin à parcourir. Ils sortent de la face de type N, traversent le circuit externe (effectuant un travail utile, comme l'alimentation d'une ampoule) et reviennent vers la face de type P, où ils se recombinent avec des trous. Ce flux continu et directionnel d'électrons est ce que nous appelons l'électricité.

Du micro au macro : La nécessité des boîtes de combinaison

Une seule cellule solaire ne produit qu'environ 0,5 volt, soit une quantité d'énergie infime. Pour produire de l'énergie utile, des dizaines de cellules sont connectées en série pour créer un panneau solaire (ou module), et plusieurs panneaux sont connectés ensemble pour former une “chaîne”. Dans les grands systèmes commerciaux ou d'utilité publique, des dizaines, voire des centaines de ces chaînes doivent être combinées.

C'est là que le micro-monde de la physique rencontre le macro-monde de l'ingénierie. L'intégration sûre et efficace de l'énergie provenant de toutes ces chaînes est une tâche essentielle. Elle nécessite un système nerveux central pour le côté CC du réseau photovoltaïque. Ce rôle crucial est joué par le Boîte de raccordement PV.

Partie 2 : Le “système nerveux central” d'un système PV - Comment choisir correctement une boîte de combinaison PV ?

Un boîtier de raccordement PV est plus qu'une simple boîte de jonction. Il s'agit d'un équipement essentiel qui fusionne la sortie de plusieurs chaînes solaires en une seule sortie, tout en fournissant des capacités vitales de protection, d'isolation et de surveillance. Un choix judicieux est primordial pour la sécurité, la fiabilité et les performances de tout projet solaire à grande échelle.

2.1 Qu'est-ce qu'une boîte de raccordement PV et pourquoi est-elle indispensable ?

Dans tout système comportant plus de deux ou trois chaînes, un boîtier de combinaison remplit quatre fonctions principales :

Combiner : Il consolide les nombreux fils d'entrée des chaînes en un seul câble de sortie principal, facile à gérer, qui va jusqu'à l'onduleur. Cela simplifie considérablement le câblage et réduit les coûts élevés des câbles en cuivre.
Protéger : Il abrite des fusibles ou des disjoncteurs individuels pour chaque branche. Si une branche subit une défaillance (comme un court-circuit), le fusible l'isole, ce qui permet au reste du système de continuer à fonctionner en toute sécurité.
Déconnexion : Il contient un interrupteur de déconnexion principal (disjoncteur CC ou interrupteur-sectionneur) qui peut mettre hors tension l'ensemble du réseau à partir de l'onduleur, ce qui constitue un point de sécurité essentiel pour les services de maintenance et d'urgence.
Moniteur (en option) : Les combinateurs “intelligents” avancés comprennent un matériel de surveillance qui suit le courant et la tension de chaque chaîne, ce qui permet d'analyser les performances en temps réel et de détecter rapidement les pannes.

2.2 La méthode en six étapes pour dimensionner votre Boîte de raccordement

Le dimensionnement correct d'un répartiteur est un processus méthodique. Suivez ces six étapes, en vous référant aux données des fiches techniques de votre module PV et de votre onduleur, pour vous assurer que votre sélection est sûre et efficace.

Étape 1 : Déterminer le niveau de tension du système (1000V ou 1500V)
La première décision concerne la tension continue maximale du système.

Systèmes 1000V : Ils sont encore courants pour de nombreux projets commerciaux et industriels sur les toits. Ils utilisent des chaînes légèrement plus courtes et des connexions plus parallèles.
Systèmes 1500V : La norme pour les nouveaux grands projets commerciaux et de services publics. En permettant des chaînes plus longues, ils réduisent le nombre total de chaînes, de boîtes de raccordement et de câbles, ce qui diminue le coût global de l'équilibre du système (BOS).
Votre choix détermine la tension nominale requise pour chaque composant à l'intérieur de la boîte. Tous les fusibles, disjoncteurs et SPD doivent être adaptés à la tension du système choisi.

Étape 2 : Calculer le nombre de chaînes et le courant total
Déterminez le nombre de branches de votre réseau et le nombre de branches que vous connecterez à chaque boîte combinée. Les boîtiers sont disponibles avec des entrées pour 4, 8, 12, 16 ou plus de branches. Le courant de sortie total du boîtier sera le nombre de branches multiplié par le courant de fonctionnement de chaque branche. Ce courant total détermine le calibre requis du sectionneur principal.

Étape 3 : Sélection des fusibles de protection des cordes
Chaque branche doit être protégée contre les courants inverses, qui peuvent se produire si une branche est ombragée ou défectueuse et que d'autres branches parallèles l'alimentent en courant. La formule standard de l'industrie pour le dimensionnement de ces fusibles, telle que notée par les experts de HUYU Electric, est :

Calibre du fusible = Isc × 1,56

Où Isc est le courant de court-circuit d'un seul module photovoltaïque (indiqué sur sa fiche technique). Le multiplicateur de 1,56 fournit un facteur de sécurité pour éviter les déclenchements intempestifs les jours froids et lumineux, lorsque les panneaux peuvent temporairement dépasser leur puissance nominale.

Étape 4 : Configuration de la déconnexion principale du courant continu
La déconnexion principale permet d'isoler le boîtier de l'onduleur. Deux possibilités s'offrent à vous :

Disjoncteur à boîtier moulé DC (MCCB) : Ils sont préférés pour les systèmes à courant élevé (typiquement >100A-250A) et lorsqu'un pouvoir de coupure élevé en cas de court-circuit est nécessaire. Ils sont robustes et courants dans les grandes applications commerciales et utilitaires.
Disjoncteur miniature DC (MCB): Ils conviennent aux petits systèmes avec des courants modérés. Ils constituent une solution rentable pour de nombreux projets commerciaux en toiture.

Comme le soulignent les guides de cnkuangya Solar, le choix dépend du courant de sortie total et du niveau de défaut potentiel calculé du système.

Étape 5 : Spécifier le dispositif de protection contre les surtensions (DOCUP)
Un dispositif de protection contre les surtensions est un élément de sécurité non négociable. Il protège votre onduleur et d'autres appareils électroniques des dommages causés par la foudre ou les surtensions du réseau en détournant l'excès de tension vers la terre en toute sécurité. Pour les boîtiers combinés, un DOCUP de type 2 est généralement nécessaire. Assurez-vous que sa tension maximale de fonctionnement continu (MOCV) est supérieure à la tension maximale de votre système.

Étape 6 : Évaluer le matériau du boîtier et l'indice de protection IP
Le boîtier protège les composants critiques à l'intérieur des éléments pendant des décennies.

Matériau : cnkuangya note que le choix dépend du climat. Polycarbonate est une option durable, résistante aux UV et sans corrosion qui convient à la plupart des environnements. Acier peint ou inoxydable offre une durabilité physique supérieure et est souvent utilisé dans les grands projets de services publics montés au sol. Pour les installations côtières, l'acier inoxydable est nécessaire pour résister à la corrosion saline.
Indice de protection IP : L'indice de protection IP (Ingress Protection) indique le degré d'étanchéité du boîtier à la poussière et à l'eau. Pour toute installation à l'extérieur, un IP65 est le minimum absolu. Cela garantit que le boîtier est “étanche à la poussière” et qu'il peut résister à des jets d'eau à basse pression provenant de n'importe quelle direction.

2.3 Scénarios d'applications commerciales typiques

Voyons comment ces choix se traduisent dans des conceptions réelles, à l'aide d'exemples tirés de ETEK‘La gamme de produits de l'entreprise :

Grand toit commercial (1000V) : Pour un système comportant de nombreuses chaînes parallèles, un boîtier métallique à 12 entrées et 1 sortie avec un disjoncteur CC central est un excellent choix. Il peut supporter des courants élevés et fournit un point d'isolation unique et clair pour une grande partie du réseau.
Petit champ à l'échelle de l'utilité publique (1500V) : Pour maximiser les avantages de la tension plus élevée, une boîte de combinaison métallique à 16 entrées équipée d'un disjoncteur CC de 400 A serait appropriée. Cela permet de regrouper un grand nombre de branches, tout en minimisant le nombre de boîtiers et le câblage global nécessaire.

2.4 Éviter les “pièges” courants en matière de sélection et d'installation”

Même une boîte parfaitement spécifiée peut échouer si elle n'est pas installée correctement. En se basant sur les erreurs de terrain courantes mises en évidence par HUYU, Voici trois erreurs critiques à éviter :

Ignorer le déclassement de la température : Les composants tels que les fusibles et les disjoncteurs sont conçus pour fonctionner à une température ambiante spécifique (par exemple, 25°C). Une boîte de raccordement exposée au soleil par une journée de 40°C peut atteindre des températures internes de 60°C ou plus. Cette chaleur réduit la capacité de transport de courant des composants. Consultez toujours les courbes de déclassement du fabricant pour vous assurer que vos composants ne tomberont pas en panne prématurément dans des conditions de chaleur réelles.
Mélange de composants CA et CC : N'utilisez jamais un disjoncteur conçu pour le courant alternatif (CA) dans une application à courant continu. Les disjoncteurs à courant alternatif dépendent du passage à zéro de la tension pour éteindre un arc. La tension continue est constante, et un disjoncteur à courant alternatif ne parviendra pas à arrêter un arc à courant continu, ce qui entraînera un incendie catastrophique. Il convient de toujours utiliser des composants à courant continu correctement dimensionnés.
Mauvaise étanchéité du presse-étoupe : L'eau est l'ennemie de l'électronique. L'utilisation de presse-étoupes bon marché ou le fait de ne pas les serrer correctement compromet l'indice de protection IP du boîtier. L'humidité s'infiltrera inévitablement, provoquant de la corrosion, des courts-circuits et des défaillances du système.

Conclusion

La maîtrise de l'énergie solaire nécessite une double approche : comprendre la science fondamentale qui la rend possible et appliquer avec diligence des principes d'ingénierie solides pour construire des systèmes sûrs et fiables. Du saut quantique d'un électron à l'ingénierie robuste d'une boîte de raccordement de 1 500 V, chaque niveau de détail compte.

Le boîtier de raccordement PV n'est pas un simple composant, c'est le gardien du côté CC de votre système. En suivant attentivement les étapes de sélection et en évitant les pièges les plus courants, vous assurez la longévité, la sécurité et la performance de votre investissement solaire.

Pour obtenir l'aide d'un expert dans le choix de la solution de protection adaptée à votre prochain projet solaire, contactez l'équipe de spécialistes à l'adresse suivante cnkuangya.com.