PV [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre VI : Conversion électrique de l’Energie solaire

VI-1 Présentation L’énergie solaire photovoltaïque est une forme d’énergie renouvelable. Elle permet de produire de l’électricité par transformation d’une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque comme la montre la figure VI-1.

Figure VI-1

VI-2 Définitions - La cellule photovoltaïque est l’unité de base qui permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique. - Un panneau photovoltaïque est formé d’un assemblage de cellules photovoltaïques. Parfois, les panneaux sont aussi appelés modules photovoltaïques. - Lorsqu’on regroupe plusieurs panneaux sur un même site, on obtient un champ photovoltaïque.

Panneau photovoltaïque

Cellule solaire 0

Champ photovoltaïque

VI-3 Principe de fonctionnement d’une photopile. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet photovoltaïque. En effet, une cellule est constituée de deux couches minces d'un semi-conducteur. Ces deux couches sont dopées différemment : • Pour la couche N, apport d'électrons périphériques. On ajoute du phosphore. Ce type de dopage permet au matériau de libérer facilement des électrons (charge -). • Pour la couche P, déficit d'électrons. On ajoute du bore. Dans ce cas, le matériau crée facilement des lacunes électroniques appelées trous (charge +). Ces deux couches présentent ainsi une différence de potentiel. L'énergie des photons lumineux captés par les électrons périphériques (couche N) leur permet de franchir la barrière de potentiel et d'engendrer un courant électrique continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des électrodes sont déposées par sérigraphie sur les deux couches de semi-conducteur (figure VI-2). L'électrode supérieure est une grille permettant le passage des rayons lumineux. Une couche anti-reflet est ensuite déposée sur cette électrode afin d'accroître la quantité de lumière absorbée.

1

Figure VI-2: Schéma d'une cellule élémentaire.

VI-4 Technologies de cellules solaires Le matériau le plus répandu dans les photopiles ou cellules solaires est le silicium, semiconducteur de type IV. Il est dit tétravalent, cela signifie qu'un atome de silicium peut se lier avec quatre autres atomes de même nature. Il existe plusieurs types de cellules solaires : • Les cellules monocristallines • Les cellules polycristallines • Les cellules amorphes • Les cellules CdTe, CIS, CIGS Le tableau suivant présente les rendements typiques et théoriques que l'on peut obtenir avec ces différentes technologies.

Tableau VI-1: Rendements des différentes technologies. 2

VI-5 Caractéristiques électriques d’une cellule solaire Le modèle mathématique associé à une cellule se trouve à partir de celui d'une jonction PN. On y ajoute le courant Iph, proportionnel à l'éclairement, ainsi qu'un terme modélisant les phénomènes internes. Le courant I issu de la cellule s'écrit alors :

Avec I ph: photocourant, ou courant généré par l'éclairement (A) . I0d: courant de saturation de la diode (A) . R s: résistance série . Rsh: résistance shunt . 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) On peut déduire de cette expression un schéma équivalent, comme le montre la figure VI-3:

Figure VI-3: schéma équivalent d'une cellule photovoltaïque 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 Rs: modélise les pertes ohmiques du matériau. Résistance shunt Rsh: modélise les courants parasites qui traversent la cellule.

3

Idéalement, on peut négliger R s et I devant U, puis travailler avec un modèle simplifié :

Comme la résistance shunt est beaucoup plus élevée que la résistance série, on peut encore négliger le courant dévié dans Rsh, on obtient :

Le schéma équivalent de la figure VI-4 correspondant est celui de la cellule idéale :

Figure VI-4: schéma équivalent simplifié

VI-6 Performance de la cellule solaire -

Courant de court –circuit Icc :

Le courant de court-circuit Icc est le courant maximal que peut délivrer une cellule solaire photovoltaïque lorsqu’elle est fermée sur une charge de résistance nulle (U= 0). Icc= Iph -

Tension en circuit – ouvert Uco :

La tension en circuit ouvert Uco est la tension maximale que peut délivrer la cellule solaire. Elle correspond à un courant nul (I = 0). kT Uco = q ln (1+ Iph ) Io.d

4

-

Facteur de forme FF :

Le facteur de forme d’une cellule solaire est le quotient de la puissance maximale que peut délivrer la cellule par le produit Icc Uco :

FF 

ImUm IccUco

Im et Um sont le courant et la tension qui correspond à la puissance maximale -

Rendement  :

Le rendement d’une cellule solaire définit la qualité de la cellule et caractérise la conversion du rayonnement lumineux en énergie électrique. On le définit par le rapport entre puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance lumineuse incidente Pi.  = ImUm = FFUcoIcc Pi Pi

-

Puissance maximale :

Pour une cellule solaire idéale, la puissance maximum Pmax idéale correspondrait à : P max idéale = UCO .ICC Pmaxidéale (W), Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. UCO (V), Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV. ICC (A), Ampère : Intensité de court-circuit mesurée aux bornes de la cellule PV. P max = Umax . Imax La figure VI-6 représente le courant généré par une cellule PV en fonction de la tension aux bornes de la cellule PV - Noter le point de puissance maximum Pmax

5

- La puissance crête d’une cellule PV La puissance crête d'une photopile, aussi nommée puissance "catalogue", notée Wc (Watt crête) ou Wp (Watt peak), représente la puissance électrique maximale délivrée dans les conditions suivantes dites conditions standard : * éclairement solaire de 1 kW / m2 (correspondant à peu près à une exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à midi) ; * température de la cellule PV égale à + 25 °C. * répartition spectrale du rayonnement dit AM.1,5 (correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir traversé une atmosphère de masse 1 à 45 °);

6

Figure VI-7 :L’influence de l'éclairement solaire sur le fonctionnement d’une cellule PV

Figure VI-8 L’influence de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV

7

VI-7 Module photovoltaïque -

Association des cellules en série

Les caractéristiques électriques d’une seule cellule sont généralement insuffisantes pour alimenter les équipements électriques. Il faut associer les cellules en série pour obtenir un tension plus importante : le module solaire ou panneau photovoltaïque.

-

Association des cellules en parallèle

La connexion en parallèle augmente le courant pour une tension identique

8

-

Association des cellules en parallèle en série.

Les caractéristiques globales d’un panneau PV se déduisent donc d’une combinaison des caractéristiques des constituants des ns*np. C’est la caractéristique du panneau donc de l’association des cellules que l’on peut relever.

9

VI-8 Système photovoltaïque Tous systèmes PV peuvent se décomposés en trois parties figure VI-8: -

la partie production de l’énergie; la partie régulation de l’énergie; la partie utilisation de l’énergie. CONVERTISSEUR

Onduleu r

10

- Le régulateur assure : • la protection de la batterie contre les charges excessives et les décharges trop profondes • l'optimisation du régime de charge de la batterie - Onduleur : l’onduleur permet de convertir le courant continu produit par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif identique à celui du réseau électrique. VI-8-1 Dimensionnement d’un système photovoltaïque: utilisation pour l’éclairage Les trois étapes à suivre pour dimensionner un système PV: Les démarches du calcul des bilans énergétiques : 1) évaluation de la puissance d’éclairage désirée: choix de type et de nombre des lampes et le nombre d’utilisateur par jour. 2) à partir des données et des conditions d’ensoleillement, Calcul de la puissance de générateur pour couvrir les besoins. 3) une fois le système installé, l’utilisateur doit respecter la puissance définit au départ. Nous commençons le calcul par l’énergie à consommer Ec par jour, ensuite on détermine l’énergie à produire Ep par la formule suivante : Ep = Ec/k Avec k: facteur de correcteur qui tient compte divers paramètres: - L’incertitude météorologique, - Les caractéristiques des modules solaires, - Rendement de charge et de décharge de la batterie, - Rendement du régulateur, - Rendement de l’onduleur, - Perte des câblages de connexion. 0.55