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Chapitre I

Le solaire photovoltaïque

Chapitre I Le solaire photovoltaïque I.1. Introduction L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion directe de l’énergie provenant des photons, comprises dans le rayonnement solaire, en énergie électrique, par le biais de capteurs fabriqués avec des matériaux sensibles aux longueurs d’ondes du visible (cellules Photovoltaïque PV).

I.2. Générateur photovoltaïque GPV I.2.1. Effet photovoltaïque La conversion d’énergie solaire PV repose sur un phénomène physique appelé : effet photovoltaïque, qui est la conversion directe de la lumière en électricité quand des photons frappent une cellule faite généralement du silicium. Cette dernière est un composant électronique semi-conducteur dans lequel l'absorption des photons, grains élémentaires de la lumière, libère des "électrons" chargés négativement et des "trous" chargés positivement. Ces charges électriques sont séparées par un champ électrique interne et collectées par une grille à l'avant et un contact à l'arrière. La cellule PV constitue ainsi un générateur électrique élémentaire (Figure I.1).

Grille V

pée N Zone do Jonction P/N I

Zone dopée P

Figure métalliqu e

(I.1) : Coupe transversale d’une cellule PV [1].

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L’effet PV est un phénomène optoélectronique fut découvert par le physicien Français EDMOND BECQUEREL en 1839. Mais, il faudra attendre jusqu’au 1954 pour que les trois chercheurs américains des laboratoires Bell, Chapin, Pearson et Prince, développent la première cellule PV avec un rendement énergétique ne dépassant pas 4,5% au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.

I.2.2. Cellule photovoltaïque Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. La tension obtenue est fonction de la lumière incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue. Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi-conducteurs : Séléniure de Cuivre et d'Indium (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), Tellurure de Cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour un épaisseur de l’ordre du millimètre. Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée.

I.2.3. Modèle électrique équivalent de la cellule PV A- Cas réel :

Figure (I.2) : Schéma équivalent d’une cellule solaire réelle. Une cellule PV peut se modéliser à partir de l’équation (I.1) définissant le comportement statique de la jonction PN d’une diode classique. Ainsi, la figure (I.2) illustre le schéma électrique équivalent d’une cellule PV réelle. Dans cette équation, on prend en compte le courant de court-circuit et les différentes résistances modélisant les pertes dues à la connectique. En statique, le comportement d’une cellule PV constituée d’une jonction PN à base de silicium peut être décrit par l’équation suivante [8]: 13

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I=IPh-Id-Ip I=Icc-Is[exp(V+I.RS /nvT ) -1]-(V+I.RS /Rph )

(I.1)

Avec : I ph : photo-courant, ou courant généré par l'éclairement (A) I 0d : courant de saturation de la diode (A) R s : résistance série (W) R sh : résistance shunt (W) k : constante de Boltzmann (k = 1,38.10 -23 ) q : charge de l'électron (q = 1,602.10 -19 C) T : température de la cellule (°K) La diode modélise le comportement de la cellule dans l'obscurité. Le générateur de courant modélise le courant I ph généré par un éclairement. Enfin, les deux résistances modélisent les pertes internes : 

Résistance série R s : modélise les pertes ohmiques du matériau.



Résistance shunt R sh : modélise les courants parasites qui traversent la cellule.

B- Cas idéal Idéalement, on peut négliger Rs et I devant U, puis travailler avec un modèle simplifié (figure (I.3)): I=Iph-I0d[exp(q.u/kT)-1]-U/Rsh

(I.2)

Comme la résistance shunt est beaucoup plus élevée que la résistance série, on peut encore négliger le courant dévié dans R sh . On obtient : (I.3)

I=Iph-I0d[exp(q.u/kT)-1]

Figure (I.3) : Cellule solaire idéale

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I.3. La jonction PN I.3.1. Dopage de type n (négatif) Consiste à introduire dans la structure cristalline semi conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du Phosphore (P) dans le Silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.

I.3.2. Dopage de type p (positif) Utilise des atomes dont l'insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le Bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le Silicium. Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d'autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d'ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l'absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque.

I.4. Matériaux utilisés dans les cellules PV Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de Silicium (Si), de Germanium (Ge), de Sélénium (Se), de Sulfure de Cadmium (CdS), de Tellurure de Cadmium (CdTe) ou d’Arséniure de Gallium (GaAs). Le Silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques, car il est très abondant dans la nature. On le trouve dans la nature sous forme de pierre de silice. La silice est un composé chimique (dioxyde de silicium) et un minéral de formule SiO 2. Il est le principal constituant des roches sédimentaires détritiques (sables, grès) [1].

Figure (I.4) : Types de cellules photovoltaïques. (A) Silicium monocristallin, (B) Silicium poly cristallin, (C) Silicium amorphe [1] 13

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Les différents types de cellules PV existants sont : Cellule en silicium amorphe (rendement : 6 à 10%) Cellule en silicium monocristallin (rendement : 13 à 17%) Cellule en silicium poly cristallin (rendement : 11 à 15%) Cellule en matériaux organiques (rendement : 3 à 6%)

I.5. Modélisation du GPV On peut présenter le schéma électrique équivalent du générateur photovoltaïque (GPV) par un schéma bloc de la figure (I.5) comportant quatre paramètres. Deux variables d’entrées qui sont : l’ensoleillement dans le plan des panneaux Es (W/m2), température de jonction des cellules Tj (°C) et deux variables de sortie : courant fourni par le GPV Is(A), tension aux bornes du GPV Vs(V).

Figure (I.5) : Schéma bloc du générateur photovoltaïque. MODEL Eclairement standard, G Température standard, T Puissance maximale Tension à vide Courant de court-circuit Tension au point de puissance maximale Courant au point de puissance maximale

50M ( 36 ) 1000W/m 2 25°C 50W 21..87 V 3.04 A 17.98V 2.78A

Figure (I.6) : Caractéristiques électriques du panneau 50M (36 )

I.6. Performances du panneau solaire photovoltaïque Un générateur photovoltaïque ou module est constitué d’un ensemble de cellules photovoltaïque élémentaires montées en série et/ou parallèle afin d’obtenir des

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caractéristiques électriques désirées tels que la puissance, le courant de court-circuit ou la tension en circuit ouvert [2].

I.6.1. Caractéristique Courant / Tension La Figure (I.7) représente la courbe I =f (V) d’un module photovoltaïque typique dans des conditions constantes d’irradiation et de température. L’irradiation standard adoptée pour mesurer la réponse des modules photovoltaïques est une intensité rayonnante de 1000 W/m2 et une température de 25 .

Figure(I.7): Caractéristique I-V d’une cellule photovoltaïque. Il est difficile de donner un caractère source de courant ou de tension à un module photovoltaïque sur toute l’étendue de la caractéristique courant-tension. Par conséquent, le module photovoltaïque est considéré comme une source de puissance avec un point Pm . Il est important de noter que certains régulateurs solaires réalisent une adaptation d’impédance afin qu’à chaque instant on se trouve proche de ce point P où la puissance se trouve être maximale. Il est donc intéressant de se placer sur ce point pour tirer le maximum d’énergie et ainsi exploiter au mieux la puissance crête installée Pm. Cette caractéristique est décalée vers le bas d’un courant Icc (courant de court-circuit). De même, elle coupe l’axe des abscisses en Vco (tension maximale de circuit-ouvert). On peut regrouper trois zones essentielles :

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Figure (I.8): Différentes zones de caractéristique I=f(V) d’une cellule photovoltaïque La zone 1 : où le courant reste constant quelle que soit la tension. Pour cette région, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant. La zone 2 : correspondant au coude de la caractéristique. La région intermédiaire entre les deux zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé. La zone 3 : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tension presque constante. Dans ce cas, le générateur est assimilable à un générateur de tension [1]. A-Courant de court-circuit (Icc) Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule. Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la cellule et dépend de la surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des porteurs et de la température.

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Figure (I.9) : Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque en court-circuit �(�=�)=�𝒑�

(I.4)

B-Tension à circuit ouvert (Vco) Elle est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. Elle dépend de la barrière d’énergie, et décroît avec la température. Elle varie peu avec l’intensité lumineuse.

Figure (I.10) : Schéma électrique d’une cellule Photovoltaïque en circuit ouvert

0=Iph-(exp (Vco/Vt)-1)-(Vco/Rsh) Vco=VT(Ln(Iph/I0+1)

(I.5) (I.6)

B- La résistance série (Rs) Caractérise les pertes par effets Joule de la résistance propre aux contacts entre les différentes régions constitutives de la cellule, à savoir l’émetteur, la base, les contacts métalliques, les grilles de collectes. L’influence de Rs sur les caractéristiques d’une cellule est très importante. C-La résistance shunt (Rsh) La résistance parallèle (ou shunt) caractérise les pertes par recombinaison dues aux épaisseurs des régions N et P et de la zone de charge et d’espace. Rsh est donc liée directement au processus de fabrication, l’existence de défaut de structures et aux états de surface. 13

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Elle traduit l’existence de shunts à travers l’émetteur également, connue sous le nom de résistance de court-circuit.

Figure(I.11): Détermination graphique de résistance shunt et série Différentes méthodes de détermination des résistances shunt et série ont été proposées par des chercheurs. La méthode la plus simple est la méthode graphique qui consiste à évaluer Rsh, Rs à partir de la pente de la caractéristique (I-11), au point de court-circuit pour Rsh, et au point de circuit-ouverte pour Rs.

Rs=( )I=Icc

(I.6)

Rsh=( )V=Vco

(I.7)

I.7. Regroupement des cellules en série Une association de (Ns) cellule en série figure (I.12) permet d'augmenter la tension du générateur photovoltaïque. Les cellules sont alors traversées par le même courant et la caractéristique résultant du groupement série est obtenues par addition des tensions élémentaires de chaque cellule. L'équation résume les caractéristique électriques d'une association série de (Ns) cellules [5]. �𝑪𝑶𝑵� = 𝑵� ∗ �𝑪𝑶

�𝑪𝑪 = �CONS �𝐂𝐎𝐍� : La somme des tensions en circuit ouvert de Ns cellules en série.

(�.8) (I.9)

�𝐂𝐂𝐍� : Courant de court-circuit de Ns cellules en série.

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Figure (I.12): Caractéristique courant-tension de Ns cellule en série

I.8. Regroupement des cellules en parallèle Une association parallèle de (NP) cellule figure (I.13) est possible et permet d'accroitre le courant de sortie du générateur ainsi créé. Dans un groupement de cellules identiques connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante du groupement est obtenue par addition des courants [6]. Avec :

�𝐂𝐂𝐍�=𝐍�×�𝐂𝐂 �𝐂𝐎=�𝐂𝐎𝐍�

(� .10) (�.11)

ICCNP : la somme des courants de cout circuit de (NP) cellule en parallèle VCONP : tension du circuit ouvert de (Np) cellules en parallèle

Figure (I.13) : Caractéristique courant-tension de (Np) cellule en parallèle

I.9. Connexion direct entre le GPV et la charge Dans le cas d’une connexion directe qui est finalement aujourd’hui l’utilisation terrestre la plus répandue de l’énergie solaire, le point de fonctionnement du GPV dépend de 13

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l’impédance de la charge à laquelle il est connecté [19]. Ce choix est principalement lié à la simplicité, la fiabilité et le faible coût (figure (I .14)) [7].

Figure(I.14) : Connexion directe entre un GPV et une charge L'inconvénient de ce type de connexion est que la puissance extraite du GPV est souvent très éloignée du maximum de puissance que peut délivrer le GPV, comme l’illustre la figure (I.15).

Figure (I.15) : Points de fonctionnement d'un GPV en connexion directe, en fonction de la charge. Comme le montre dans la figure (I.15), un GPV peut être connecté directement à trois types de charges : Une charge de type source de tension continue, Une charge de type source de courant continue, Une charge purement résistive.

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Donc, il y aura trois points de fonctionnement A, B, C respectifs peuvent être identifiés fournissant une puissance PA, PB et PC. Ces cas de figures montrent que le GPV est mal exploité et ne fournit pas la puissance maximale [8]. Nous regardons l’influence de la nature de la charge qu’elle soit une simple charge résistive R ou bien même une batterie, comme illustré dans la figure (I.15) où le point PPM correspondent au fonctionnement optimal du générateur PV. Donc en effet, pour la charge résistive de différents valeurs, l’adaptation optimale ne se produit que pour un seul point de fonctionnement particulier, nommé Point de Puissance Maximal (PPM) ceci correspond à la puissance maximal que peut délivrer un générateur PV pour une courbe (I-V) donnée. Pour la charge de type batterie, le point de connexion source-charge n’est optimal. Ainsi, lorsque l’on réalise une connexion directe source charge, le rendement de l’ensemble est alors rarement optimal. Dans le cas d’une connexion directe entre une batterie et un générateur PV, le rendement MPPT du système dépend de l’écart entre la tension optimal du générateur PV et la tension de batterie qui varie en fonction de son état de charge.

I.10. Connexion indirect avec un étage d’adaptation entre le GPV et la charge Afin d’extraire à chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du GPV et de la transférer à la charge, la technique utilisée classiquement est d’utiliser un étage d’adaptation entre le GPV et la charge comme décrit dans la (figure I .16). Cet étage joue le rôle d’interface entre les deux éléments en assurant à travers une action de contrôle.

Figure (I.16) : Etage d'adaptation d'un regroupement GPV-charge 13

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Le transfert du maximum de puissance fournis par le générateur pour qu’elle soit la plus proche possible de Pmax disponible par le biais d’une commande spécifique est alors susceptible de permettre au générateur de délivrer sa puissance maximale notée : ��(��𝐴� = �𝑂���𝑂��, �ù �𝑂�� 𝑒� �𝑂�� représentent respectivement les tensions et courant

optimaux du générateur PV pour une courbe (I-V) donnée) tout en assurant que la tension ou bien le courant de la charge correspond bien aux caractéristiques de cette dernière. Pour que le générateur PV fonctionne le plus souvent possible dans son régime optimal, la solution communément adoptée est alors d’introduire un convertisseur statique qui joue le rôle d’adaptation source-charge (voir figure I.17)

Figure(I.17) : Chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque à base d’un convertisseur DC contrôlé par une commande MPPT La figure (I.17) montre le schéma de principe décrivant les fonctions présentes dans un étage d’adaptation pour GPV réel conçu. Le principe de la commande MPPT délivre l’action de contrôle approprié afin de suivre le point de puissance maximal en chaque instant.

I.11. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté les principales caractéristiques et les technologiques des éléments constitutifs d’un générateur PV. Nous avons pu montrer les implications sur le rendement de conversion d’énergie solaire en énergie électrique d’une installation PV. Nous avons également montré comment nous pourrions optimisée la puissance fournie par le GPV par le biais d’un étage d’adaptation avec fonction de recherche du point de puissance maximale MPPT.

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