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Photovoltaïque: les bases
- samuelfloucat
- 23 mai 2023
- 6 min de lecture
Dernière mise à jour : 23 sept.
LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :
La conversion énergétique permettant de produire de l'électricité et faite à l'aide de semi-conducteurs.
Ils sont principalement fabriqués à partir de silicium pour les cellules monocristallin ou polycristallin mais on peut également trouver des mélanges un peu plus exotiques comme le tellurure de cadmium (CdTe) ou cuivre indium gallium (CIGS) pour les cellules solaires à couche mince.
Ces éléments sont placés dans des cellules solaires qui sont ensuite assemblées pour former un panneau photovoltaïque.
Le fonctionnement de la cellule photovoltaïque est fondé sur les propriétés de semi-conducteurs qui, percutés par les photons, mettent en mouvement un flux d’électrons.
Les photons sont des particules élémentaires qui transportent l’énergie solaire à 300 000 km/s et qu’Albert Einstein appelait dans les années 1920 les « grains de lumière ».
Lorsqu’ils frappent un élément semi-conducteur comme le silicium , ils arrachent des électrons à ses atomes.
Ces électrons se mettent en mouvement, de façon désordonnée, à la recherche d’autres « trous » où se repositionner.
Mais pour qu’il y ait un courant électrique, il faut que ces mouvements d’électrons aillent tous dans le même sens.
Pour les y aider, on va associer deux types de silicium. La face exposée au soleil est « dopée » avec des atomes de phosphore qui comportent plus d’électrons que le silicium, l’autre face est dopée avec des atomes de qui comportent moins d’électrons.
Cette double face devient une sorte de pile : le côté très chargé en électrons devient la borne négative (N), le côté avec moins d’électrons devient la borne positive (P). Entre les deux il se crée un champ électrique.
Silicium dopé au phosphore, dont les atomes possèdent davantage d’électrons que ceux du silicium.
Silicium dopé N
Zone de jonction PN
Silicium dopé au bore, dont les atomes possèdent moins d’électrons que ceux du silicium.
Silicium dopé P
Quand les photons viennent exciter les électrons, ceux-ci vont migrer vers la zone N grâce au champ électrique, tandis que les « trous » vont vers la zone P. Ils sont récupérés par des contacts électriques déposés à la surface des deux zones avant d’aller dans le circuit extérieur sous forme d’énergie électrique. Un courant continu se créé. Une couche anti-reflet permet d’éviter que trop de photons se perdent en étant réfléchis par la surface.
Association de cellules
Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée.
Un panneau solaire photovoltaïque est un générateur électrique de courant continu constitué d’un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement.
Bilan énergétique
Le rendement énergétique d’un panneau photovoltaïque est d’environ 10 à 20%
Les différentes technologies
SILICIUM MONOCRISTALLIN
•Un seul cristal de silicium pur
•Rendement : 15 à 22 %
•Coût élevé
SILICIUM POLYCRISTALLIN
•Morceaux de silicium assemblés
•Rendement : 11 à 15 %
•Coût moyen
EN COUCHES MINCES
•Rendement : 5 à 10 % et plus…
•Coût moyen
•Les modules peuvent être souples
Vidéo:
GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE
On appelle générateur photovoltaïque un assemblage électrique de modules (ou panneaux) photovoltaïques, composés d’une ou plusieurs cellules, dont la fonction est de convertir la puissance du rayonnement solaire en puissance électrique :
Le rapport entre l’énergie lumineuse et l’énergie électrique s’appelle le rendement de conversion de la cellule :
Photon Courant x Photon Tension = Puissance Electrique
Générateur de Tension:
Une source de tension ne doit jamais être mise en court-circuit. Le générateur idéal de tension est un modèle théorique. C'est un dipôle capable d'imposer une tension constante quelle que soit la charge reliée à ses bornes. Il est également appelé source de tension. En circuit ouvert, la tension qui existe à ses bornes lorsqu'il ne débite aucun courant est la tension à vide.
Générateur de Courant :
Pour le générateur idéal de courant, le courant produit est constant, quelle que soit la tension demandée et la charge à alimenter. Il est également appelé source de courant.
C'est également un modèle théorique car l'ouverture d'un circuit comportant un générateur de courant non nul devrait conduire à fournir une tension infinie. Il est impossible de placer en série deux générateurs de courant de valeurs différentes car, cela revient à imposer deux courants différents dans un même fil.
ASSEMBLAGE DES CELLULES
SERIE:
Si tous les modules sont montés en série, c’est l’intensité du panneau de plus faible production qui sera fournie à l’onduleur.
L’intensité d’un panneau peut baisser à cause, par exemple, d’une ombre projetée sur une de ses cellules à un moment de la journée.
EN PARALLELE :
UA1B1= U1 + U2 + U3 UA2B2= U4 + U5 + U6 UA3B3= U7 + U8 + U9
UA1B1 = UA2B2 = UA3B3
I1=I2=I3=I123
I4=I5=I6=I456
I7=I8=I9=I789
I=I123+I456+I789
Dans le cas de strings en parallèle, les intensités s’additionnent. Les strings sans ombrage continuent de produire à 100%.
Dans l’exemple de trois strings ci-dessous, la string ombrée a donc une influence limitée à 1/3 sur la baisse temporaire de production.
I=I123+I456+IMin
L’avantage du branchement en série est que les tensions des cellules puis celles des panneaux s’ajoutent. Ainsi à partir d’une cellule dont la tension nominale en fonctionnement est inférieure à 1 volt, on peut obtenir des installations de plusieurs milliers de volts.
L’inconvénient de ce type de branchement est que le courant de l’ensemble de la chaine de cellule va se caler sur celle ayant le courant le plus faible, de la même façon que le débit d’un circuit hydraulique ne peut pas être plus élevé que celui circulant dans le plus petit des tuyaux.
Une seule cellule défectueuse engendre donc une perte de rendement de toute votre installation !
CARACTERISTIQUES
Le comportement d’une cellule peut être synthétisé dans un graphe qu’on appelle caractéristique courant-tension.
Uco est la tension de circuit ouvert, c’est-à-dire celui mesuré aux bornes du panneau lorsqu’il est exposé à un ensoleillement, mais sans production de courant (I=0A)
Isc est le courant de court-circuit, dont la mesure peut être approchée en branchant un ampèremètre aux bornes lorsqu’il est exposé à la lumière (on s’approche alors du court-circuit avec la résistance très faible de l’ampèremètre).
Un panneau photovoltaïque est composé d’un ensemble de cellules photovoltaïques.
En présence de soleil, chacune de ces cellules produit un courant I(en ampère A) et une tension U(en volt V).
Le produit de ces 2 grandeurs donne une puissance P, exprimée en Watt (W).
Cette puissance maximale (Pmpp) est atteinte avec le couple Umpp et Impp, de sorte que Pmpp = Umpp x Impp.
Ce sera l'un des rôles de l’onduleur ou du micro-onduleur d’assurer l’atteinte de cette Pmpp grâce à la fonction MPPT (Maximum Power Point Tracker) : on parle de régulation MPPT.
Un générateur photovoltaïque est un générateur dont la caractéristique I= f(U) est fortement non linéaire.
En conséquence, pour un même éclairement, la puissance délivrée sera différente selon la résistance instantanée du circuit.
Un contrôleur MPPT permet donc de piloter le convertisseur statique reliant le circuit utilisateur (une batterie par exemple) et le panneau photovoltaïque de manière à fournir en permanence le maximum de puissance au circuit utilisateur (la batterie).
Modélisation
Une cellule photovoltaïque peut être modélisée par le circuit équivalent suivant :
IRRADIANCE
La puissance de sortie d’un panneau solaire photovoltaïque varie en fonction de l’ensoleillement parce que la courbe courant-tension d’un panneau solaire photovoltaïque change en fonction de l’ensoleillement comme l’illustre le graphique ci-dessous.
La température à laquelle est soumise un panneau solaire influence son rendement et donc la puissance qu’il délivre.
En fait c’est surtout sur la tension que la température a une influence : plus la température est importante, plus la tension est basse. L’intensité quant-à-elle n’est que très peu impactée par la température. Le profil de la courbe se décale sur la gauche comme le graphique ci-dessous l’illustre.
LIEN UTILE: Définitions - SolarAnywhere
RENDEMENT
Sur les fiches techniques des fabricants de panneaux solaires photovoltaïques on retrouve, en plus de la puissance en Wc, un rendement.
Le lien entre le rendement du panneau solaire et sa puissance en Wc est assez simple.
Le rendement est le rapport entre la puissance en sortie
et la puissance en entrée :
Dans les conditions STC, la puissance en entrée est de 1000W/m².
Dans ces mêmes conditions, la puissance en sortie est la puissance exprimée en Wc. Mais cette puissance en Wc est obtenue pour une certaine dimension de panneau solaire photovoltaïque. Il faut donc diviser cette puissance par la surface du panneau solaire.
Prenons un panneau solaire photovoltaïque de 300Wc et de dimensions 1660mm x 990mm, soit 1,6434m², alors le rendement de ce panneau sera de :
Notons que les rendements des panneaux solaires photovoltaïques mono-faces conçus à partir de silicium cristallin commercialisés atteignent des rendements compris entre 16% et 20%.
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