structures et caractéristiques des éléments du système pv

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur

Et de la Recherche Scientifique

Université 08 mai 1945 Guelma

Faculté des Sciences et de l’Ingénierie

Mémoire de Master 2

Département de : Génie électrique

Spécialité : Réseaux électriques

Structures et caractéristiques des éléments du système PV Présenté par :M S DJOUHRI LOUBNA

M r HERGA TAHIR

Sous la direction : M r FERAGACHAMS EDDINE

Résumé

Titre : structures et caractéristiques des éléments du système photovoltaïque.

Le mémoire traite l’étude des performances du système photovoltaïque. En

effet ; dans le premier chapitre on a présenté le principe de la conversion

photovoltaïque.

Le deuxième traite la structure et les caractéristiques des éléments essentiels

d’un système photovoltaïque.

Enfin le troisième chapitre nous a permis d’analyser les performances des

modèles mathématiques présentés en vue d’une éventuelle utilisation dans les

applications pratiques.

Mots clé : système photovoltaïque, Panneaux photovoltaïques, Générateur

photovoltaïque, cellule solaire, module photovoltaïque.

LISTE DES ABRÉVIATIONS

DC : Direct Current

AC: Alternating Current

AM: Air Mass

PV: Photovoltaïque

Icc: Courant de Court-Circuit

Vco :Tension de Circuit Ouvert

PPM :Point de Puissance Maximum

Iopt et Vopt : Courant et Tension Optimaux au PPM

MPPT: Maximum Power Point Tracking

Iph : Le photo courant (A).

Rsh : Résistances shunt.(ohm)

RS: Résistance série (ohm).

FF: Facteur de forme.

Pm: La puissance maximale produite PV (W).

Vbat: La tension aux bornes de la batterie (V).

STC: Standard Test Conditions

Sommaire Sommaire.

Introduction général 1

Chapitre I : présentation et principes de la conversion photovoltaïque

Introduction : 4

I-Qu'est-ce que l'énergie solaire photovoltaïque ? 4

I-1-Pourquoi choisir le photovoltaïque ? 5

I-2-Les critères qui influent sur les performances des générateurs 5

I-2-1-Rayonnement solaire 5

I-2-2-Trajectoire apparente du Soleil 6

I-2-3-Rôle de l'atmosphère 6

I-2-4-Rayonnement direct, diffus et global 7

I-2-5-Masse d'air 8

I-2-6-Spectre solaire 9

I-2-7-Durée d’insolation 10

I-2-8-Normalisation 10

I-3- Principe de conversion photovoltaïque11

I-3-1-L'effet photovoltaïque 11

I-3-2-La cellule photovoltaïque 13

I-3-3-Semi-conducteur dopé 13

a- Le semi conducteur de type P 13

b- Le semi-conducteur de type N 14

I-3-4-Caractéristiques électrique d’un système photovoltaïque 14

a-Caractéristique courant – tension d’une cellule PV 14

b-L’effet de l’éclairement sur le panneau solaire 15

c-L’effet de la température sur le panneau solaire 16

d-Le point MPP 17

Conclusion 18

Chapitre II : Structures et caractéristiques des éléments essentiels du système PV

Introduction : 19

II-Système photovoltaïque 19

II-1-La partie de la production d’énergie 20

II-1-1-la cellule photovoltaïque 20

II-1-2-Schéma équivalent d’une cellule 20

a-Courant de court-circuit, ICC 22

b-Tension à circuit ouvert, VOC 22

II-1-3-Fabrication d’une cellule PV 23

II-1-4-Les différents types de cellules solaires 23

a- La technologie du silicium cristallin (85% du marché) 23

b- Les technologies en couches minces 24

c-Nouvelles technologies photovoltaïques 25

II-1-5-Tableau comparatif des différentes technologies de cellules photovoltaïques 26

II-1-6Association des cellules photovoltaïques 27

a- Association en série 27

b-Association en parallèle 28

c-Association hybride (en série et en parallèle) 28

II-2-Les modules photovoltaïques 29

II-2-1-Processus de fabrication 30

II-2-2-Types des modules PV 31

II-2-3-Caractéristiques électriques des modules 32

a- La puissance de crête 32

b- Le rendement de la conversion 32

II-3-Les panneaux solaires photovoltaïques 32

II-3-1-la durée de vie d'un panneau solaire photovoltaïque 33

II-3-2-Installation des panneaux 34

II-3-3- Rôle des suiveurs 35

II-4La partie contrôle d’énergie (stockage et régulation) 36

II-4-1-Les batteries 36

II-4-2-Types d’accumulateurs 36

A- Les Accumulateurs au plomb acide 36

B- Les Accumulateurs au Nickel- cadmium 38

II-4-3-Installions des éléments de la batterie 38

II-4-4-Câblage électrique 39

II-5-Les régulateurs de charges 39

II-5-1- Régulation de décharge 39

II-5-2-Régulation de la charge 40

II-6-Les convertisseurs (DC/DC) 42

II-7-Les convertisseurs (DC/AC) 42

II-7-1-Définition 42

II-7-2-Caractéristiques propres à un onduleur pour systèmes photovoltaïques(PV) 42

II-7-3-Différents types d’onduleurs 44

Conclusion 45

Chapitre III : Modèles de puissance produite du module PV

Introduction 46

III-Modèles Mathématiques de la puissance à la sortie du module PV 46

III-1-Modèle 1 46

III-2-Modèle 2 47

III-3- Modèle 3 48

III-3 Comparaisons 49

III-4 Conclusion 52

Conclusion Générale

1

Introduction général

Introduction général L'exploitation directe de l'énergie solaire au moyen de capteurs relève de deux technologies bien distinctes : l'une produit des calories, c'est l'énergie solaire thermique, et l'autre produit de l'électricité, et c'est cette dernière, énergie solaire photovoltaïque, qui fait l'objet de ce projet.Une installation photovoltaïque réussie passe d'abord par une démarche d'économie d'énergie, puis par une conception et une installation rigoureuse avec des composants qui répondent au besoin et tiennent leur promesses. Pour aider les professionnels à atteindre ce résultat, ce projet propose des outils de base aux concepteurs et maîtres d'ouvrage impliqués dans des installations photovoltaïques. On y trouve les démarches concrètes pour élaborer et optimiser un cahier des charges, calculer les composants nécessaires - panneaux solaires, batterie, régulateur et autres.

Nous rappelons brièvement le principe de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique reposant sur l’effet photoélectrique, c’est à dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau, nous nous sommes attachés à utiliser des modèles électriques simplifiés pour décrire le comportement des différentes cellules rencontrées.La technologie photovoltaïque la plus utilisée depuis la création des premières cellules correspond à la filière silicium de type cristallin qui représente actuellement 90% de la production mondiale pour les applications terrestres. Ceci peut s’expliquer par le fait que l’industrie photovoltaïque profite régulièrement du développement de l’industrie des semi-conducteurs qui est capable de fournir une matière première d’excellente qualité pour les panneaux solaires. Nous parlons ensuite d’une des nouvelles générations de cellules solaires, qui utilise de nouveaux matériaux de type organique. Ces nouveaux composés, en particulier les polymères, pourraient révolutionner le marché du PV grâce à leur faible coût de fabrication et leur facilité d’utilisation (flexibilité, légèreté). La recherche dans ce domaine est extrêmement active depuis plusieurs années et les avancées sont rapides. le large domaine des cellules PV dites couche mince (« Thin-Film ») Les cellules couche mince les plus développées utilisent comme matériau de base le silicium amorphe, le diSéléniure de Cuivre Indium Galium (CIGS), le Tellurure de Cadmium CdTe) et on trouve de plus en plus de cellules multi-jonction améliorant d’autant les performances de cette filière.

Diverses utilisations de la technologie photovoltaïque La technologie photovoltaïque est en plein essor. Aux quatre coins du monde, de nombreuses possibilités d'exploitation sont étudiées puis expérimentées dans l'espoir d'une commercialisation future.

Toutefois, les prévisions de baisse des prix des modules photovoltaïques ont été trop optimistes et l'industrie photovoltaïque se trouve dans une situation difficile. En effet, la complexité des procédés de fabrication des modules photovoltaïques et les rendements de production trop faibles entraîne des coûts élevés qui freinent le volume des ventes. On peut espérer que, dans les années à venir, la technologie photovoltaïque arrive à "maturité" (procédés simplifiés, meilleurs rendements de production) et qu'alors l'augmentation du volume de production réduise le coût des modules.

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En dépit de ces difficultés, l'évolution de la technologie et du marché photovoltaïques est globalement positive. Les méthodes de fabrication se sont améliorées réduisant les coûts de production et les volumes de production ont été augmentés dans l'espoir de réduire les coûts. Actuellement, 90% de la production totale de modules se fait au Japon, aux Etats-Unis d’Amérique et en Europe [1].

Système photovoltaïque

La cellule individuelle, unité de base d'un système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d'un volt.

Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension.

La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium cristallin,

connectées en série pour des applications en 12 V. Le courant de sortie, et donc la puissance, sera proportionnel à la surface du module.

L'interconnexion de modules entre eux en série ou en parallèle pour obtenir une puissance encore plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé aussi "Balance of System" ou BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la structure rigide (fixe ou mobile) pour poser les modules, le câblage, la batterie en cas de stockage et son régulateur de charge, et l'onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif. Le système photovoltaïque est alors l'ensemble du générateur photovoltaïque et des équipements de consommation [2].

Avantages et inconvénients

Avantages

La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages.

- D'abord, une haute fiabilité (elle ne comporte pas de pièces mobiles),qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.

- Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milli-Watt au Méga-Watt.

- Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.

- Enfin, la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n'est par l'occupation de l'espace pour les installations de grandes dimensions.

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Inconvénients

Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients.

- La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des investissements d'un coût élevé.

-Le rendement réel de conversion d'un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28%).

- Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que pour des faibles demandes d'énergie en région isolée.

Enfin, lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru.

La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes pour autant que la batterie et les composants de régulations associés soient judicieusement choisis [2].

Différents domaines d’application [2] :

· Domaine spatial.

· Habitation isolée.

· Industrie isolée.

· Centrale de puissance.

· Résidence urbaine.

· Biens de consommation.

Plan de travail


Premier chapitre : présentation et principes de la convection photovoltaïque

Deuxième chapitre : structures et caractéristiques des éléments essentiels du système photovoltaïque

Troisième chapitre : Modèles de puissance produite du module PV et comparaisons.

Conclusion générale.

Chapitre I

PRÉSENTATION ET PRINCIPES DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE

4

Soleil

Capteurs plans Chauffe-eau solaires

Echangeurs thermiques

Énergie solaire

thermiques

Cellules solairesModules photovoltaïques

Énergie solaire

photovoltaïque

ChaleurElectricité

Chapitre I PRÉSENTATION ET PRINCIPES DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE

Introduction :

Nous souhaitons à travers cette première partie répondre aux questions de base qui se posent pour savoir ce qu'est l'énergie photovoltaïque, estimer ce qu'elle produit et la durée de vie. Ceci afin que l'on puisse décider rapidement si l'énergie photovoltaïque est intéressante pour une application et quel type de montage peut fonctionner dans un cas donné. Tous ces points seront repris en détail dans les chapitres qui suivent.

I-Qu'est-ce que l' é nergie solaire photovolta ï que ?

L'énergie solaire photovoltaïque convertit directement le rayonnement lumineux (solaire ou autre) en électricité. Elle utilise pour ce faire des modules photovoltaïques composés de cellules solaires ou de photopiles qui réalisent cette transformation d'énergie.

Elle est radicalement différente de l'énergie solaire thermique qui, quant à elle, produit de la chaleur à partir du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer de l'eau ou de l'air. On utilise dans ce cas des capteurs thermiques qui relèvent d'une toute autre technologie. Dans le langage courant, ce sont des « chauffe-eau solaires » ou des « capteurs à air chaud ». Cet aspect de l'énergie solaire n'est pas traité dans cet ouvrage. On évitera donc le terme « capteur solaire » car il maintient l'ambiguïté entre les deux techniques.

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Figure I-1 les deux types d’énergie solaire Les cellules solaires et les modules photovoltaïques produisent de l'électricité en courant continu (DC = Direct Current) comme les batteries, et non pas comme celle du secteur, qui en France est en courant alternatif 230 V(AC =Alternance Current) à la fréquence de 50 Hz.

Pour alimenter des appareils en courant alternatif à partir de l'énergie photovoltaïque, on a donc besoin de convertisseurs DC/AC qui produisent un courant alternatif à partir du continu. On les appelle aussi onduleurs.

I es tensions habituelles des panneaux photovoltaïques disponibles sur le marché sont celles des batteries (12 V ou 24 V... par exemple), puisque c'est souvent à travers un stockage que l'énergie est utilisée.

I-1-Pourquoi choisir le photovoltaïque ?

D’un point de vue économique, le recours au photovoltaïque se pose souvent en terme de choix par rapport à une autre source d’électricité :

- Réseau national

- Piles jetables

- Accumulateurs+chargeur

- Groupe électrogène

- Eolienne…

D'un point de vue plus large, étant donné la nécessité de recourir à moyen et long terme à de nouvelles formes d'énergie, pour compléter ou remplacer à terme les sources fossiles, il est intéressant (certains diront urgent) d'installer le plus possible de systèmes à base d'énergie renouvelable (photovoltaïque et autres) partout où les financements sont disponibles, pour préparer l'avenir.

I-2-Les critères qui influent sur les performances des générateurs photovoltaïques :I-2-1-Rayonnement solaire Le soleil est une étoile parmi tant d’autres. Il a un diamètre de 1390000 km, soit environ 50 fois celui de la terre. Il est composé à 80%d’hydrogène, 19%d’hélium et 1% d’un mélange de 100 éléments, soit pratiquement tout les éléments chimiques connus depuis que Langevin et Perrin, s’appuyant sur la théorie de la relativité d’Einstein, ont émis l’idée il y a une soixantaine d’années que c’est l’énergie de fusion nucléaire qui fournit au soleil sa puissance, il est aujourd’hui admis que le soleil est une bombe thermonucléaire hydrogène –hélium transformant chaque seconde 564 millions de tonnes d’hydrogène en 560 millions tonnes d’hélium; la réaction se faisant dans son noyau à la température d’environ 25 millions de degrés Celsius. Ainsi, à chaque seconde, le soleil est allégé de 4 millions de tonnes dispersées sous forme de rayonnement [1].

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Sa lumière, à une vitesse de 300000km/s, met environ 8 minutes pour parvenir à la terre, sa distribution spectrale de l’atmosphère est présenté un maximum pour une longueur d’onde d’environ 0.5µm, la température de corps noir à la surface du soleil est d’environ

5780°k :

- Diamètre de soleil Ds=1.39.109m

- Diamètre de la terre Dt=1.27.107m

- Distance moyenne soleil_ terre Lts=1.5.1011m

I-2-2-Trajectoire apparente du Soleil

Pour un observateur situé sur la surface de la Terre, le Soleil décrit une trajectoire apparente qui dépend de la latitude et la longitude du lieu où il se trouve. Rappelons que la latitude est la distance angulaire d'un point quelconque du globe par rap port à l'équateur (de 0 à 90° dans l'hémisphère nord). Quant à la longitude, c'est également un angle, donné par rapport au méridien de Greenwich (arc de cercle passant par les 2 pôles et la ville de Greenwich en Angleterre) en se déplaçant vers l'Est.

Figure I-2-Définitions de la position du soleil (azimut, élévation)

- L’AZIMUT : angle mesuré par rapport au sud dans un plan horizontal,

- L’ELEVATION : angle mesuré par rapport à l’horizontale dans un plan vertical.

I-2-3-R ôle de l'atmosphère

l énergie lumineuse dite « extraterrestre » c'est-à-dire hors atmosphère a été évaluée avec précision par la NASA et vaut 1 367 W/m2. Il s'agit de l'irradiante reçue, ou rayonnement solaire instantané, à un instant donné au-dessus de l'atmosphère terrestre, en incidence normale (c'est-à-dire sur un plan perpendiculaire à la direction du Soleil). On appelle cette valeur « constante » solaire, mais elle ne l'est pas tout à fait à cause des légères variations de la distance Terre-Soleil.

Cette énergie qui descend en ligne droite vers notre planète ne peut pas nous par venir sur la Terre en intégralité car elle va subir des transformations en traversant l'atmosphère : par absorption et par diffusion.

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En effet, l'atmosphère contient, on le sait, une majorité d'azote et d'oxygène (respectivement 78 et 21 %), mais aussi de l'argon, du C02, de la vapeur d'eau, et la fameuse couche d'ozone de la stratosphère, dont le rôle de filtrage des UV les plus durs est si important. Les poussières et les nuages (formés de minuscules gouttelettes d'eau, à ne pas confondre avec la vapeur d'eau, qui elle est un gaz) ont aussi leur importance dans la diffusion du rayonnement solaire.

I-2-4-Rayonnement direct, diffus et global

- traversant l'atmosphère, le rayonnement solaire est absorbé et diffusé. Au sol, on distingue plusieurs composantes :

-Le rayonnement direct

est reçu directement du Soleil, sans diffusion par l'atmosphère. Ses rayons sont parallèles entre eux, il forme donc des ombres et peut être concentré par des miroirs.

-Le rayonnement diffus :

Est constitué par la lumière diffusée par l'atmosphère (air, nébulosité, aérosols). La diffusion est le phénomène qui répartit un faisceau parallèle en une multitude de faisceaux partant dans toutes les directions. Dans le ciel, ce sont à la fois les molécules d'air, les gouttelettes d'eau (nuages) et les poussières qui produisent cet « éclatement » des rayons du Soleil.

-L’albédo :

L'albédo du système Terre-Atmosphère est la fraction de l'énergie solaire qui est réfléchie vers l'espace. Sa valeur est comprise entre 0 et 1. Plus une surface est réfléchissante, plus son albédo est élevé. Les éléments qui contribuent le plus à l'albédo de la Terre sont : les nuages, les surfaces de neige et de glace et les aérosols. Par exemple, l'albédo de la neige fraîche est de 0,87, ce qui signifie que 87 % de l'énergie solaire est réfléchie par ce type de neige.

- Le rayonnement global :

Est tout simplement la somme de ces diverses contributions.

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/climatologie-2/d/aerosol_2505/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/glace_4770/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/atmosphere_850/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/terre_4725/

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Figure I-3Composantes du rayonnement solaire au sol

I-2-5-Masse d'air

Plus le soleil est bas sur l'horizon, plus il va traverser une épaisseur importante d'atmosphère et plus il va subir de transformations.

On appelle « masse d'air », m, ou Air Mass en anglais, la masse d'atmosphère traversée par le rayonnement direct pour atteindre le sol (par ciel clair), par rapport à une traversée verticale au niveau de la mer

Pour connaître le rayonnement global reçu au sol, il faut ajouter à ce dernier le rayonnement diffus. Le rayonnement diffus concerne tout le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point d'observation n'est pas géométriquement rectiligne et qui est dispersé ou réfléchi par l'atmosphère ou bien le sol. En considérant ceci, on obtient une référence du spectre global notée AM1.5 avec une puissance de 1000W/m², la correspondant à nos latitudes.

Soleil au zéntih ( au niveau de la mer) : AM 1 ;

Soleil à 48° : AM 1.5.

Rayonnement solaire hors atmosphère : AM 0

Figure I-4 Définition de l’air mass

Le scientifique français, Edmond Becquerel, fut le premier à découvrir en 1839 l’effet photoélectrique [3]. Il a trouvé que certains matériaux pouvaient produire une petite quantité de courant sous l’effet de la lumière. Par la suite, Albert Einstein a découvert, en travaillant sur l’effet photoélectrique, que la lumière n’avait pas qu’un caractère ondulatoire, mais que son énergie était portée par des particules, les photons. L’énergie d’un photon est donnée par la relation :

E = h . c / λ (I-1)

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Où

h est la constante de Planck.

c la vitesse de la lumière.

λ sa longueur d’onde.

Ainsi, plus la longueur d’onde est courte, plus l’énergie du photon est grande.

I-2-6-Spectre solaire :

Le rayonnement électromagnétique est composé de «grains» de lumière appelés photons. L’énergie de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde λ :

Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ à l’émission d’un corps noir

Porté à 5800° K. Une courbe standard, compilée selon les données recueillies par les satellites, est désignée sous le nom de AM0.

Figure I-5 : spectre solaire hors atmosphère

Les longueurs d’ondes du rayonnement solaire terrestre sont comprises entre 0,2µm (ultra-violet) et 4µm (infrarouge) avec un maximum d’énergie pour 0,5 µm. 97,5% de l’énergie solaire est comprise entre 0,2 !m et 2,5 µm. De 0,4 µm à 0,78 µm, le spectre correspond au domaine du visible. Les capteurs d’énergie solaire doivent donc être compatibles avec ces longueurs d’ondes pour pouvoir piéger les photons et les restituer sous forme de chaleur ou d’électrons. Le tableau I.1 donne les valeurs énergétiques caractéristiques des photons pour diverses longueurs d’ondes, ainsi que les zones correspondantes au spectre lumineux. [4].

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Tableau I.1 Valeurs énergétiques des photons issus du spectre solaire [4].

Pour que le rayonnement solaire produise un courant électrique dans un matériau donné, faisant alors office de capteur, il faut que les photons soient tout d’abord absorbés par un ou plusieurs matériaux sensibles à la longueur d’onde des photons. Puis, l’énergie des photons excite des électrons, qui sont ensuite collectés afin de constituer un courant électrique global [4].

I-2-7-Durée d’insolation

La durée d’insolation correspond au nombre d’heures dans la journée, entre le lever et le coucher du soleil, où celui-ci est bien visible. Le relevé est fait au moyen de l’héliographe de Campbell− Stokes dans lequel une sphère de cristal concentre les rayons du soleil sur un papier qu’il brûle en se déplaçant. Ainsi, seuls les moments où le soleil est biens visible sont enregistrées ; on parle alors de durée d’insolation réelle ou effective et dépend du fait que le soleil levé soit visible du point d’observation ou caché par les nuages. Au défaut de l’héliographe, il est possible à partir du calcul du mouvement astronomique relatif du soleil et de la terre d’évaluer la durée théorique du jour ; c’est-à-dire, celle qu’il y aurait si les nuages ne cachaient pas le soleil. Cette durée est calculée en fonction de la latitude du site et de la déclinaison apparente qu’elle même dépend de la période de l’année considérée.

I-2-8-Normalisation Les conditions standard de qualification des modules photovoltaïques sont: - Un spectre AM1.5 ;

- Un éclairement de 1000W/m² ;

- Une température de 25°C.

es constructeurs de panneaux solaires spécifient les performances de leur matériel dans les conditions normalisées

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I-3- Principe de conversion photovoltaïque Nous allons maintenant aborder le cœur du phénomène photovoltaïque : la conversion de la lumière en électricité.

Le mot « photovoltaïque » vient du grec « photos » qui signifie lumière et de « volta » du nom du physicien italien qui, en 1800, découvrit la pile électrique. Mais c'est le savant français Antoine Becquerel qui le premier, en 1839, mit en évidence cette conversion particulière de l'énergie : la variation de la conductivité d'un matériau sous l'effet de la lumière.C'est dans les appareils photo que les premières « cellules » furent utilisées, pour mesurer le taux de lumière. Avant l'arrivée du silicium, elles étaient à base de sélénium.

Ceci établi, voyons comment se produit cette conversion d'énergie. Elle met en jeu trois phénomènes physiques, intimement liés et simultanés :- l'absorption de la lumière dans le matériau ;- le transfert d'énergie des photons aux charges électriques ;- la collecte des charges ;Il est donc clair qu'un matériau doit avoir des propriétés optiques et électriques spécifiques pour permettre la conversion photovoltaïque.

I-3-1-L'effet photovolta ïque : C'est le résultat de l'interaction de la lumière avec les atomes de cristal. L'énergie d'un photon dépend de sa longueur d'onde. Un photon d'énergie suffisante (c’est à dire dont la longueur d’onde est comprise entre 0,4 et 1,1 µm ~ spectre visible) qui heurte un atome de silicium peut arracher un électron et lui communiquer une certaine vitesse. L'électron ayant acquis suffisamment d'énergie peut se déplacer vers la jonction PN, où la présence du champ électrique a pour conséquence la collecte de l'électron vers la région N, le champ empêchant la recombinaison de l'électron avec son atome d'origine.Une tension électrique apparaît entre les deux zones N et P. Le dispositif devient générateur électrique sous l'effet de la lumière. La collecte de courant se fait par les contacts métalliques, en forme de grille sur chaque face. Si ces électrodes sont reliées à un circuit extérieur, un courant circule.L’épaisseur nécessaire pour réaliser ce phénomène n’est que de quelques dizaines de microns, mais pour des raisons mécaniques, les cellules atteignent généralement des épaisseurs de 200 à 400 microns (10-6 mètres).Selon la technologie utilisée (amorphe en couche mince, poly cristallin, monocristallin), le rendement de conversion s’échelonne de 6 à 20 % actuellement pour le silicium. Cela permet notamment une puissance d’environ 100 Watts-crête/m pour le silicium cristallin (compte tenu des espaces restant entre les cellules) et 60Watts-crête/m pour l’amorphe (à 20°C).

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Figure I-6 L'effet photovoltaïque-Une cellule solaire sera obtenue en constituant une jonction de deux zones de type opposées (jonction PN). Au voisinage de la jonction, un champ électrique apparaît provoqué par le déséquilibre de charges. Il va contribuer à drainer les électrons qui auront été détachés par l’énergie des photons (« grains de lumière ») incidents. Grille I-3-2-La cellule photovolta ïque

Les photopiles ou cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants.Le matériau de base est dans la plupart des cas le silicium. Selon le procédé de fabrication, on obtiendra des photopiles plus ou moins performantes, sous forme amorphe,

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polycristalline, ou monocristalline. D’autres matériaux sont utilisables : Arséniure de Gallium (AsGa), Tellurure de Cadmium (CdTe).Le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques acquises par le silicium quand des atomes étrangers en petit nombre (des "impuretés") sont substitués à des atomes de silicium dans un réseau cristallin : c’est ce que l’on appelle le dopage;

I-3-3-Semi-conducteur dopéUn semi-conducteur dopé est une structure cristalline dans laquelle on a introduit des atomes étrangers de valence 3 ou 5. L'état électronique s'en trouve modifié : le dopage accroît la conductibilité du cristal tout en le maintenant entre l'isolant et le conducteur. Il existe deux types de semi-conducteurs extrinsèques : - Le semi-conducteur dopé P. - Le semi-conducteur dopé N.

a- Le semi conducteur de type POn dope le cristal intrinsèque avec un élément possédant un nombre inférieur d'électrons de valence : on peut doper du silicium (4 électrons de valence) avec du Bore, de l'indium, du Gallium ou de l'Aluminium qui possèdent 3 électrons de valence (atome accepteur). Ces atomes vont prendre la place d'atomes de silicium dans le cristal. Comme ils possèdent 1 électron de valence en moins, il va se créer des trous dans le semi-conducteur. Les trous deviennent porteurs de charges mobiles majoritaires : le semi conducteur est de type P. Il subsistera quelques électrons libres dans le cristal (porteurs minoritaires). Les trous ainsi créés vont être susceptibles d'être bouchés par des électrons présents dans le cristal (par exemple, des électrons issus de paires électron - trou générés par l'agitation thermique)

(figure I-7-a)

(figure I-7-a)

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b- Le semi-conducteur de type NLe principe est le même que pour le semi conducteur de type P, sauf qu'on dope le cristal avec des éléments ayant un électron de valence de plus (atomes donneurs) : le phosphore, l'arsenic et l'antimoine, qui possèdent 5 électrons de valence pourront doper le silicium par exemple. 4 électrons vont faire des liaisons covalentes avec les atomes de silicium environnants, et le 5ème sera un électron libre, tous ces électrons libres seront les porteurs majoritaires (figure I-7-b) Il existera encore quelques trous, mais en très faible quantité. Les électrons libres seront pratiquement aussi mobiles que dans le cas des conducteurs (liaisonsmétalliques). A noter que dans ce cas, l'atome donneur devient ion positif, mais ceci ne créé pas un porteur trou comme dans le cas du silicium P, car cette charge positive ne peut pas se déplacer dans le cristal.

Figure (I-7-b)

I-3-4- Caractéristiques électrique d’un système photovoltaïque : a-Caractéristique courant – tension d’une cellule PV :

La caractéristique (I-V) est directement liée à la caractéristique de la cellule solaire de base. De même que pour la cellule, la tension qui est présente lorsqu’il ne circule aucun courant est appelée tension en circuit ouvert (Voc). À l’opposé, le courant présent lorsqu’il n’y a aucune tension n’est appelée courant de court-circuit (Icc). Dans ces deux situations, aucune puissance n’est extraite du panneau photovoltaïque. La meilleure combinaison s’appelle le point de puissance maximale du panneau solaire photovoltaïque. La tension et le courant correspondants sont appelés tension à puissance maximale (Vp max) et courant à puissance maximale (Ip max). Le point de puissance maximale sert à déterminer le rendement nominal du panneau solaire el la puissance en ce point est exprimée en Wc (watt crête).

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En cas de stockage de l’électricité solaire produite par les panneaux photovoltaïques dans des batteries stationnaires, ce sont celles-ci qui vont fixer la tension de fonctionnement du système, selon leur état de charge c.à.d. par exemple entre 10,8 V et 14 V pour une batterie de 12 V nominal(tension différente de Vpmax ).Le courant solaire généré alors est donc forcément différent De Ip max et la puissance solaire extraite du panneau photovoltaïque n’est pas égale à la puissance maximale.

Ceci reste toujours vrai, même si l’ensoleillement est de 1000W/m2 et la température des cellules de 25°c (conditions STC). Cette propriété intrinsèque de l’association batteries-panneaux solaires photovoltaïques fait qu’on parle de modules 12 V.

Figure I-8-Caractéristique I-V d’une cellule PV

La courbe de la cellule solaire I=f (V) passe par trois points importants qui sont : Le courant de court-circuit Icc en A ; La tension de circuit ouvert Voc en C ; La puissance maximale en B.

b-L’effet de l’éclairement sur le panneau solaire

La Figure I-9 présente la caractéristique I-V d’un module en fonction de l’irradiation solaire. La valeur de 125 W crête est une mesure sous une irradiation de 1 kW/m2, spectre AM 1.5 et de température de 25°C. Ces valeurs sont appelées STC (Standard Test Conditions) et elles sont utilisées par tous les fabricants pour définir leurs produits. Mais ces conditions sont rarement rencontrées dans la réalité (sauf en hiver) parce que la température d’un module au soleil est en général plus élevée que 25°C. Pour tenir compte de conditions plus réalistes et habituelles, les fabricants donnent une valeur de température typique des cellules lorsque la température ambiante

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est de 20°C, l’irradiation de 800 W/m2 et le vent de 1m/sec. Cette valeur est appelée NOCT (Nominal operating celle température)

Figure I-9-influence de l’ensoleillement sur la courbe I-V

Pour différents niveaux d’éclairement figure I-9-on remarque que le courant est directement proportionnel à l’irradiation à ces niveaux d’éclairement. La tension par contre n’est pas très dégradée lorsque l’irradiation baisse

c-L’effet de la température sur le panneau solaire :

La Figure I-10-présente le comportement du même module sous une lumière de 1 kW/m2 et à des températures entre 0 et 60°C. On remarque l’importance des variations de la tension. et le courant gagne un petit peu d’intensité lorsque la température augmente; ceci peut être expliqué par une meilleure absorption de la lumière, le gap baissant lorsque la température augmente. L’accroissement du courant peut être négligé au point de puissance maximale et le comportement global de la cellule.

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Figure I-10-Influence de la température sur la courbe I-V

d-Le point MPP

Le fonctionnement normal d'un module ne se situe jamais à Icc maxi ou Uoc maxi.Son meilleur rendement se situe au point MPP (ou MPPT) qui se trouve à l'intersection de deux droites caractéristiques d'un module

en ordonnée : droite verticale passant par P max

en abcisse : droite horizontale à l'intersection de la droite ci-dessus et de la courbe Icc/UocPar projection, ces deux droites permettent de déterminer Up max et Ip max qui sont les deux valeurs fondamentales recherchées et gérées par l'onduleur

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Figure I-11-point MPP

Conclusion :

Nous avons présenté dans ce présent chapitre les différentes notions qui entrent dans la constitution d’un système photovoltaïque. Aussi que les principes de fonctionnement de chaque élément, ce qui permet d’introduire a la Structure des éléments essentiels du système PV, chose qu’on va présenter dans le chapitre suivant.

Icc

19


Chapitre II

Structures et caractéristiques des éléments essentiels du

système PV

19

Produire (Stocker) (Transformer) Utiliser

Contrôler

Mesurer

Chapitre II Structures et caractéristiques des éléments essentiels du système PV

Introduction :

En détaillera dans ce chapitre la structure, le fonctionnement, et l’optimisation de chaque composante (les modules, les batteries, les régulateurs…), ceci afin de bien comprendre les caractéristiques des diverses technologies disponibles et en développement.

II-Système photovoltaïque Tout système photovoltaïque peut se composer, comme il est montré sur la figure II-1, en trois parties :

- Une partie de production d’énergie.

- Une partie de contrôle de cette énergie.

- Une partie d’utilisation de l’énergie produite.

On peut ajouter encore des moyens d’entretien du système photovoltaïque comme outil de nettoyage des modules

La partie production d’énergie est composée essentiellement d’un ou plusieurs modules, qui réalisent la conversion d’énergie solaire en électricité. Un panneau photovoltaïque se compose de petites cellules qui produisent une très faible puissance électrique (1 à 3 W) avec une tension continue de moins d’1 V. Ces cellules sont disposées en série pour former un module ou panneau permettant de produire une puissance plus élevée. Les panneaux sont finalement interconnectés entre eux (en série et/ou en parallèle) pour obtenir un champ photovoltaïque. Dans notre étude on se base sur l’élément de base du système photovoltaïque qui est la cellule solaire. La partie contrôle d’énergie est composée d’un système de stockage avec ou sans régulation, plus les câbles de connexion [5]. La partie utilisation se compose de plusieurs récepteurs (utilisateurs), (exemple : éclairage, pompage, …)

Figure-II-1 Composants principales d’un système photovoltaïque

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II-1-La partie de la production d’énergie.

II-1-1-la cellule photovoltaïque :

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère une tension électrique : cet effet est appelé l'effet photovoltaïque.Elle est constituée de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (S Cd) ou de tellure de cadmium (Cd Te). Elle se présente sous la forme de deux fines plaques [type-n et type-p] en contact étroit [jonction n-p]. Elle est considérée comme un détecteur de lumière (photodiode), qui -lorsqu’on l'éclaire avec une certaine quantité de lumière- produit du courant électrique.Elle mesure à peu près 100 cm2 [carré de 4 pouces] et produit environ 0.5 Volts.Elle est fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs (Silicium monocristallin, silicium poly cristallin, silicium amorphe, et dans une moindre mesure l’arséniure de gallium, et le cadmium).La cellule "photovoltaïque" est aussi appelée cellule "photo-galvanique".

II-1-2-Schéma équivalent d’une celluleLa suivante (figure II-2) représente le modèle électrique d’une cellule solaire qui consiste en une source de courant idéale, branchée avec une ou deux diodes en parallèle et une résistance série Rs. la première diode D1 décrit les propriétés de semi conducteur de la cellule et la seconde D2 modélise le phénomène de recombinaison des porteurs de charge.

Module photovoltaïque

Champ photovoltaïque

Figure II-2

21


L’intensité I en fonction de la tension V aux bornes d’une cellule est :

(II-1)

A : le facteur d’idéalité de la jonction (1 <A<3).

Iph : photo courant créé par la cellule (proportionnel au rayonnement incident).

I0 : courant de diode, représente le courant de fuite interne à une cellule causée par la jonction p - n de la cellule.

Rsh : résistances shunt représente les fuites autour de la jonction p-n dues aux impuretés et sur les coins de cellule.

RS : résistance série symbolise la résistance de masse du matériau semi conducteur, ainsi les résistances ohmique et de contact au niveau des connections des cellules.

q : la charge de l’électron (1,6.10-19 C)

K : constant de Boltzmann (1,38.10-23 J/K).

Tc : température de jonction (K).

Figure II -3- Caractéristique équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle.

La caractéristique se divise en trois parties :

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La zone (a) où la cellule se comporte comme un générateur de courant Icc proportionnel à l’éclairement,

La zone (b) où la cellule se comporte comme un générateur de tension Vco, La zone (c) où l’impédance interne du générateur varie rapidement

a-Courant de court-circuit, ICC Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V= 0 dans le schéma équivalent). 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.

Et l’expression suivante exprimée le courant de court-circuit Icc :

(II-2)

Icc : courant de court-circuit.

Iph : courant photo-généré par le générateur solaire sous éclairement.

Isat : courant de saturation.

Rs : résistance série du générateur solaire.

Rsh : résistance shunt du générateur solaire.

A un niveau d’éclairement standard (égale à 1 kW/m2), l’effet de la résistance série est

négligeable (point A de la figure (I.1)). Dans ce cas, le courant de court-circuit peut être considéré

comme étant équivalent au photo -courant Iph, c'est-à-dire proportionnel à l’éclairement Ф

Icc = Iph = C Φ

Où : C : constante. Φ: Flux solaire.

b-Tension à circuit ouvert, VOC La tension à circuit ouvert est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. Elle dépend de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la température et varie peu avec l’intensité lumineuse.

Dans le cas du circuit ouvert (point C de la figure (I.1)), la tension du circuit ouvert peut être exprimée analytiquement selon la formule suivante :

(II-3)

Si la résistance série est nulle et la résistance shunt est infinie, l’expression devient :

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II-1-3-Fabrication d’une cellule PV

Figure II-4- Fabrication d’une cellule PV

II-1-4-Les différents types de cellules solaires :

a- La technologie du silicium cristallin (85% du march é).

Cette technologie se subdivise en deux sous-filières : Le silicium monocristallin et le silicium polycristallin (ou multicristallin). Elles sont différenciées par le procédé d’obtention du cristal. Les modules sont constitués d’un groupement de cellules interconnectées. Les cellules sont noyées dans un bain de résine et encapsulées entre deux vitres en verre trempé (modules biverre) ou entre une vitre et une feuille de tedlar (module verre/tedlar). Le tout est généralement inséré dans un cadre aluminium anodisé, mais il existe des modules sans cadre pour les applications en intégration bâtiment dans des profilés alu de verrière ou façade classiques.

La puissance que peut fournir un module est fonction de sa surface et de l’ensoleillement incident. Elle s’exprime en Watt-crête (Wc) et représente la puissance maximale du module pour l’ensoleillement maximal de référence (1000 Watt par m (W/m)). La tension délivrée par un module dépend du nombre de cellules connectées en séries. Pour les modules de petite puissance (< 75 Wc), la tension d’usage est généralement comprise entre 12 et 15 Volts. Des modules de puissance plus importante sont obtenus par une augmentation du nombre de cellules en série (augmentation de la tension) et augmentation du nombre de branches de cellules en parallèle (augmentation de la valeur du courant). La tension d’usage peut alors être de 24 Volts ou plus selon la configuration du système à alimenter.

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-Caractéristiques:

Silicium monocristallin

A base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique, les cellules en silicium monocristallin ont un très bon rendement mais elles sont chères à fabriquer.

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général bleue (une des trois couleurs primaires) uniforme.

Avantages Inconvénients

très bon rendement de 120Wc/m2 - 15 à 22%

coût élevé, rendement faible sous un

faible éclairement.

Silicium poly-cristallin (ou multi-cristallin)

A base de poly-cristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces poly-cristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme: on distingue des motifs créés par les différents cristaux.


rendement faible de 100 Wc/m2 - 10 à 13%coût de fabrication faible

rendement faible sous un faible éclairement.

Les cellules monocristallines et polycristallines sont fragiles. Elles sont donc placées entre deux plaques de verre (encapsulation) afin de former un module.

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production d'électricité photovoltaïque grâce à leur bon rapport qualité-prix.

Il existe d'autres types de cellule actuellement à l'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable actuellement.

b- Les technologies en couches minces

Elle concerne actuellement le silicium amorphe hydrogéné mais d’autres semi-conducteurs sont en voie de passer au stade commercial : Tellurure de Cadmium (CdTe), Séléniure de Cuivre et Indium (CuInSe2 dite CIS) par exemple qui sont utilisés sous forme cristalline. Des études sont en cours pour réaliser des modules en silicium cristallin en couche mince permettant d’allier les

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performances du silicium cristallin aux qualités du silicium amorphe en se débarrassant de ses inconvénients (mauvaise stabilité, faible rendement...).

Ce matériau (silicium amorphe) est déposé en phase vapeur, à partir de silane, sur un verre conducteur. La structure est p-i-n, c’est-à-dire faite de 2 jonctions séparées par une zone non dopée (i) où règne un fort champ électrique. On réalise maintenant des tandems p-i-n/p-i-n permettant d’atteindre des rendements de 10%. Les modules en silicium amorphe ont une apparence uniforme (ils ne sont pas découpés en petites cellules comme le cristallin). Il est possible de donner un aspect semi-transparent en ménageant des petites rayures entre les bandes de silicium. La surface des modules peut atteindre 1,2 m.

-Caractéristiques:

Silicium amorphe Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est en particulier la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".


coût de fabrication très faiblefonctionnent avec un

éclairement faible, même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtimentfaible sensibilité aux

températures élevées

rendement faible de 60 Wc/m2, 6 à 7%, en plein soleil.performances diminuant avec le

temps.

c- Nouvelles technologies photovoltaïques.

On utilise de plus en plus de matériaux organiques dans le domaine de l’optoélectronique, avec des perspectives d’électronique organique voire moléculaire, pour l’éclairage à l’aide de diodes électroluminescentes organiques (OLED : Organic Light-Emitting Diode). Bien que les optimisations des matériaux à mettre en œuvre ne soient pas les mêmes, le domaine du photovoltaïque bénéficie depuis quelques années des avancées technologiques de l’optoélectronique. Ainsi, bien que cette filière soit vraiment récente, les progrès annuels sont spectaculaires. Les matériaux organiques, moléculaires ou polymériques, à base de carbone, d’hydrogène et d’azote, sont particulièrement intéressants en termes d’abondance, de coût, de poids et de mise en œuvre.

Comme les semi-conducteurs, ils possèdent des niveaux d’énergies susceptibles d’absorber les photons en créant des paires électron-trou utilisables grâce à des transitions entre les niveaux dits HOMO (Hightest occupied molecular orbital) et des niveaux dits LUMO (Lowest unoccupied molecular orbital). En l’absence de séparation, les paires électron-trou peuvent se recombiner en émettant des photons de la longueur d’onde correspondante (fluorescence, luminescence) plutôt que se convertir en chaleur comme vu précédemment pour les filières inorganiques. La séparation des charges reste encore aujourd’hui un des points bloquants pour être effectuée efficacement. Si elles peuvent être séparées et transportées vers un circuit extérieur grâce à deux phases adjacentes, on obtient alors des cellules photovoltaïques d’un nouveau type tel que celle présentée en Figure I-4.

26


Figure II-5. Schéma de principe d’une cellule organique

Pour en faire des cellules organiques PV à part entière dans le futur, il faut améliorer les propriétés de création de paires électron-trou dans des molécules organiques ou des polymères mais également développer des méthodes de séparation des paires en associant un matériau accepteur et un matériau donneur, grâce à des positions différentes des bandes énergétiques. On parle dans ce contexte de matériaux LUMO et HOMO. Un des points les plus difficiles est la séparation de ces deux phases qui ont tendance à se mélanger car les matériaux sont solubles l’un avec l’autre. Cependant une avancée importante a permis de séparer spontanément les donneurs et les accepteurs en rendant les matériaux non solubles [6, 7]. Dans le cas des polymères, tout se passe comme si on avait deux catégories de fibres intimement mélangées, l’une conduisant les électrons et l’autre les trous [8].

II-1-5-Tableau comparatif des différentes technologies de cellules photovoltaïques

Technologie Amorphe Poly cristallin Monocristallin Organique

Rendement dans les

conditions standard**Moyen7 - 8%

Bon11 - 13%

Très bon14 - 16%

Excellent17 - 19%

Surface de panneau pour 1

kWc***16 m² 8 m² 7 m² 6,5 à 7 m²

Electricité générée en un an (modules orientés sud, inclinés à 30°)

900 kWh 750 kWh/kWc 750 kWh/kWc 900 kWh/kWc

Energie produite en un an par m2

55 - 60 kWh/m² 90 - 95 kWh/m² 90 - 95 kWh/m² 125 - 135 kWh/m²

Emission de CO2 économisée par kWc et par an

390 kg/kWc 325 kg/kWc 325 kg/kWc 390 kg/kWc

Emission de CO2 économisée par m2 et par an

25 kg/m² 40 kg/m² 45 kg/m² 55 - 60 kg/m²

Tableau II-1- Tableau comparatif des différentes technologies

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* Les PV hybride combinent les avantages des deux technologies: silicium monocristallin et film de silicium amorphe

** Conditions standard de test: 25 °C, intensité lumineuse de 1000W/m²

*** kWc = kilowatt 'crête'. Puissance caractéristique des panneaux solaires photovoltaïques (dans la condition standard).

Il existe d'autres types de cellule actuellement à l'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable actuellement.

II-1-6Association des cellules photovoltaïques

a- Association en série

Dans un groupement en série, les cellules (les modules) sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par adition des tensions à courant donné [9].

La Figure II-6 montre la caractéristique résultante obtenue en associant en série ns cellules (modules) identiques.

Figure II-6-

28


b- Association en parallèle

Les propriétés du groupement en parallèle des cellules (des modules) sont duales de celles du groupement en série. Ainsi, dans un groupement de cellules connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante de groupement est obtenue par addition des courants à tension donnée [9].

La Figure II-7 montre la caractéristique résultante obtenue en associant en parallèles np

cellules (modules) identiques

c- Association hybride (en série et en parallèle)

Selon l’association en série et/ou parallèle de ces cellules (modules), les valeurs du courant de court-circuit total et de la tension à vide totale sont données par les relations :

(II -4)

Avec :

Figure II-7

29


np : nombre des cellule en parallèle,

ns : nombre des cellule en série.

La Figure II -8 montre la caractéristique résultante obtenue en associant, en série ns et en

Parallèle np, cellules (modules) identiques.

Selon l’association en série et/ou parallèle de ces cellules (modules), les valeurs du courant de

court-circuit Icc et de la tension à vide Voc sont plus ou moins importantes (Figure II -8). La caractéristique d’un générateur PV constitué de plusieurs cellules a une allure générale assimilable

à celle d'une cellule élémentaire, sous réserve qu’il n’y ait pas de déséquilibre entre les caractéristiques de chaque cellule (irradiation et température uniformes) [4].

II-2-Les modules photovoltaïques

Le « module » photovoltaïque est par définition un ensemble de photopiles assemblées pour générer une puissance électrique exploitable lors de son exposition à la lumière. En effet, une photopile élémentaire ne génère pas suffisamment de tension : entre 0,5 et 1,5 V selon les technologies. Il faut donc toujours plusieurs photopiles en série pour générer une tension utilisable.De plus, cet assemblage en série doit être protégé pour rendre le module apte à un usage en extérieur. Les photopiles sont en effet des objets fragiles et sensibles à la corrosion qu'il convient de protéger mécaniquement et de mettre à l'abri des rigueurs du climat (humidité, variations de température, etc.).On réalise ainsi des modules de diverses puissances selon la surface mise en œuvre (1 à 150 Wc par module), capables de générer du courant continu en basse tension lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Ces modules constituent la partie productrice d'énergie dans un générateur photovoltaïque.Les modules photovoltaïques sont mesurés et garantis dans des conditions de référence dites « STC » (Standard Test Conditions) qui sont :-rayonnement solaire 1000W/m2 ;

-spectre solaire AM1.5 ;-température ambiante 25°C.

Figure II

30


II-2-1-Processus de fabrication

31


Figure II-9-fabrication d’un module

II-2-2-Types des modules PV :

Avant de décrire dans les détails les modules et leurs caractéristiques, nous présentant un tableau des technologies existantes selon les puissances et l’utilisation que l’on en fait

32


Figure II-10- types des modules P-V

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II-2-3-Caractéristiques électriques des modules :

a- La puissance de crête :

Exprimée en watt-crête (Wc), c’est la puissance maximale d’un élément ou d’un ensemble photovoltaïque, travaillant dans des conditions de température et d’ensoleillement normalisées, une irradiation de 1000W/m2, alors que la température des cellules est de 25°C [10].

b- Le rendement de la conversion :

Le rendement de la conversion est défini par le rapport suivant :

η=Popt

S Φ (II-5)

Popt : la puissance électrique optimale délivrée par le module photovoltaïque exprimée en watt.

Φ : Le Flux solaire reçu en W/m2. S : la surface effective du générateur photovoltaïque en m2 [10].

II-3-Les panneaux solaires photovoltaïques :

Le panneau solaire ou (champ solaire) se compose de modules photovoltaïques interconnectés en série et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise. Ces modules sont montés sur une armature métallique qui permet de supporter le champ solaire avec un angle d’inclinaison spécifique.

Figure II-11-Panneau solaire

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II-3-1-la durée de vie d'un panneau solaire photovoltaïque : En tenant compte du fait que le panneau n'a pas de parties mobiles et que les cellules et les contacts sont enfermés dans une résine synthétique robuste, on obtient une excellente fiabilité associée à une longue durée de vie (de l'ordre de 20 ans et plus). De plus, le dysfonctionnement d’une cellule n'affecte pas le fonctionnement des autres cellules, et l'intensité et les tensions produites peuvent facilement être adaptés en ajoutant ou en supprimant des cellules.Pour chaque panneau on peut avoir autant de sorties que de modules, ce que fait qu’on aura besoin de boite de dérivation qui regroupe le tous, comme l’illustre la figure (II-12), Alors cette boite de dérivation fixée sur une structure du montage a comme rôle d’effectuer les connections entre les modules pour obtenir une puissance optimale en sortie.

Figure II-12- Boite de dérivation [11].

La boite de dérivation est composée également d’un circuit imprimé sur le quel se trouvent :- Des diodes schotcky séries, placée sur un radiateur, sur chaque entrée, qui empêchent aux batteries de se décharger dans les panneaux.- Des fusibles de protections qui empêcheront aux batteries de se décharger dans les modules en cas de destruction des diodes antiparallèles.- Des diodes lumineuses, en parallèle sur chaque fusible de protection. Ces diodes permettant de contrôler individuellement chaque branche de modules. Par exemple une boite à 4 entrées de 24 Volts sera constituée de deux branches de deux modules, il y aura donc deux diodes qui permettront de constater le fonctionnement de chaque branche.- Une protection parafoudre (Transil ou VDR) en sortie de la boîte.Le câblage de ces boites permet d’avoir une sortie en 12,24 ou 48 volts selon les modules, elles sont équipées de deux à douze entrées, selon les tensions de sortie.La quantité d’électricité dans l’ensemble des composants des panneaux PV dépend :- des besoins en électricité.- la taille du panneau.- L’ensoleillement du lieu d’utilisation.- La saison d’utilisation.

35


II-3-2-Installation des panneauxPour l’installer les panneaux solaire dans un site, il est nécessaire de vérifier les conductions

suivantes:a) Disposition des panneaux :

Les structures doivent êtres solides, fixées au sol, pour résister à des vents d’au moins de 150

Km/h. De plus, elles doivent être fiables dans le temps, elles doivent utiliser un matériau de bonne

fiabilité (outre l’aluminium anodisé, la visserie inox et la visserie inviolable).

b) Fixation des panneaux :

La fixation des panneaux doit assurer correctement les fonctions suivantes :

- Maintient de l’orientation.

- Résistance contre le vent et les autres intempéries.

- Résistance contre les agressions mécaniques.

- Protection contre les salissures, et agressions venant du sol.

- ventilation des panneaux afin de limiter leur échauffement

c)-L’orientation des panneaux :

L’installation des modules peut se faire sur un toit si son orientation et son inclinaison sont bonnes

ou à même le sol pour peu que l’endroit soit bien dégagé, aéré (10 cm d’espace sous les modules

est vivement conseillé) et protégé. On les place habituellement avec la pente vers l’équateur (vers

le sud dans l’hémisphère nord). L’inclinaison des Panneaux n’est pas critique. On la prend en

général égale à la latitude, avec une tolérance de 15°. La hauteur maximale du soleil variant au

cours de l’année, on choisira une inclinaison supérieure ou inférieure à la latitude suivant que les

besoins sont les plus importants lorsque la course du soleil est basse (éclairage, besoins importants

en hiver dans l’hémisphère nord) ou haute (irrigation...).

Toutefois, l’inclinaison des modules devrait rester supérieure à 10° pour assurer un auto

nettoyage lors des pluies.

Il existe aussi des structures beaucoup plus complexes qui suivent le soleil dans son mouvement

quotidien pour augmenter l’énergie captée, la présence des pièces mobiles réduit la fiabilité et

entraîne des coûts supplémentaires élevés. Ces structures sont surtout utilisées pour des systèmes

photovoltaïques à concentration où seul le rayonnement direct est concentré sur la surface active. Il

arrive cependant qu’il soit impossible d’installer le panneau exactement face au sud.

Quand le panneau est également contrôle et/ou garanti à un éclairement plus faible, les donnes

sont parfois fournies, par exemple à 200W/m2. C’est un plus car les conditions STC ne sont pas

respectives de toutes les situations rencontrées : l’ensoleillement est très élevé « AM0 hors

atmosphère est de 1360W/m2 ».

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II-3-3- Rôle des suiveurs

Lorsqu’un panneau photovoltaïque est fixe par rapport au sol et orienté vers le sud (implantation en hémisphère nord), son rendement énergétique n’est pas constant au cours de la journée : en début et en fin de Journée, le mauvais angle d’éclairement du panneau diminue le rendement de la production électrique.

Lorsqu’un système suiveur oriente le panneau solaire en le faisant pivoter en direction du soleil et en maintenant en permanence un angle d’incidence des rayons « i » idéal, voisin de 90°, la production électrique par m2 de panneau atteint alors son maximum.

Le diagramme comparatif de production électrique (figure II-13) montre pour une journée ensoleillée d’été, le gain de production électrique obtenu en passant d’une installation fixe à une installation équipée d’un suiveur de trajectoire solaire.

D’une part à titre énergétique, la technologie avec suiveur ne se justifie qu’à la condition où la commande des mouvements de suivi ne gaspille pas une partie importante du surplus de l’énergie photovoltaïque produite.

II-4La partie contrôle d’énergie (stockage et régulation )

Figure II-13

37


II-4-1-Les batteries : La batterie d'accumulateurs stocke l'énergie produite par les modules pour assurer l'alimentation des récepteurs en toute période. Elle est constituée d'éléments de 2, 6, ou 12 V. La tension et la capacité désirées s'obtiennent par un couplage série / parallèle des éléments.La capacité est déterminée en fonction des besoins des usagers, du mode de consommation de l’énergie et du nombre de jours d'autonomie souhaité. Pour un habitat dans les Pyrénées Orientales, on prévoira environ 7 jours d’autonomie, dans le Jura ce sera plutôt 15 jours.La durée de vie des batteries stationnaires au plomb est d’environ 8 à 10 ans (sous réserve d’une bonne gestion, rôle de la régulation)

II-4-2-Types d’accumulateurs : Il existe plusieurs types de stockage dans le système PV, les puissances rencontrées sont

inférieures au MW, le seul stockage d’énergie électrique possible est le stockage électrochimique. Les deux principaux types d’accumulateurs utilisés actuellement dans le système photovoltaïque sont.

A- Les Accumulateurs au plomb acide : La batterie au plomb acide est la forme de stockage de l’énergie électrique la plus courante, en

raison de son coût qui est relativement faible et d’une large disponibilité. Par contre, les batteries nickel-cadmium sont plus chères, elles sont utilisées dans les applications ou la fiabilité est vitale [12].

A-1- Composition d'une batterie solaire plomb- Acide [13]:Ces batteries sont composées de plusieurs plaques de plomb dans une solution d'acide

sulfurique. La plaque consiste en une grille d'alliage de Plomb avec une pâte d'oxyde de plomb marquetée sur la grille. La solution acide sulfurique et l’eau est appelée électrolyte.

1 : Grille. 5: Barrette. 9 : Borne.

2 : Séparateur. 6 : Faisceau négatif. 10 : Bac.

3 : Plaque positive. 7 : Élément complet.

4 : Plaque négative. 8 : Rampe de bouchons.

Le matériel de la grille est un alliage de plomb parce que le plomb pur est un matériel

physiquement faible, et pourrait se casser pendant le transport et le service de la batterie [13].

Figure II-14

9

10

8

38


Peut être l'alliage est en plomb avec 2-6% d'Antimoine. Moins la contenance en Antimoine sera

grande, moins résistante sera la batterie pendant le processus de charge. Une petite quantité

d'Antimoine réduit la production d’hydrogène et d’oxygène pendant la charge, et par conséquent

la consommation d'eau. D'autre part, une plus grande proportion d'Antimoine permet des

décharges plus profondes sans endommager les plaques, ce qui implique une plus grande durée de

vie des batteries. Ces batteries plomb- Antimoine sont de type de "cycle profond".

Le Cadmium et le Strontium sont utilisés à la place de l'Antimoine pour fortifier la grille. Ceux-ci

offrent les mêmes avantages et inconvénients que l'Antimoine, mais réduisent en outre le

pourcentage d'autodécharge quand la batterie n'est pas en utilisation.

Le Calcium fortifie aussi la grille et réduit l'autodécharge. Toutefois, le Calcium réduit la

profondeur de décharge recommandée dans non plus de 25%. D'autre part, les batteries de plomb-

Calcium sont de type "cycle peu profond".

Les plaques sont alternées dans la batterie, avec des séparateurs entre elles, qui sont fabriqués d'un

matériel poreux qui permet le flux de l'électrolyte. Ils sont électriquement non conducteurs, ils

peuvent être des mélanges de silice et de matières plastiques ou gommes.

Les séparateurs peuvent être des feuilles individuelles ou des "enveloppes". Les enveloppes sont

des manchons, ouverts par en haut, qui sont uniquement placés sur les plaques positives.

Un groupe de plaques positives et négatives, avec des séparateurs, constituent un "élément". Un

élément dans un container plongé dans un électrolyte constitue une "cellule" de batterie.

Des plaques plus grandes, ou en plus grand nombre, entraînent une plus grande quantité d'ampères

heure que la batterie peut fournir.

Indépendamment de la taille des plaques, une cellule fournira une tension varie entre 1,7 et 2 volts

suivant l’état de charge en conductions nominales de fonctionnement, et un rendement énergétique

de l’ordre de 70% à 85%.(pour plomb- Acide)

Une batterie est constituée par plusieurs cellules ou des éléments reliés en série, interne ou

externe, pour augmenter le voltage à des valeurs normales aux applications électriques. Pour cette

raison, une batterie de 6 V est composée de trois cellules, et une de 12 V de 6.

Les plaques positives d'une part, et les négatives de l'autre, sont interconnectées au moyen de

terminaux externes dans la partie supérieure de la batterie.

Les éléments des batteries sont souvent montés dans des bacs isolés du sol pour éviter le

refroidissement de l’électrolyte par l’intermédiaire de support de bois, ces bacs sont réalisés en

plastique transparent afin de bien visualiser le repérage de niveau de l’électrolyte.

Les liaisons entre les éléments doivent être dimensionnés de manière à avoir une chute de tension

très faible quelque soit le régime

A-2- Principe de fonctionnement :

39


Une réaction chimique intervient lorsque la batterie alimente une charge connectée à ces deux

électrodes. Pendant la décharge, il y a une oxydation à la plaque négative qui se traduit par une

perte d'électrons et réduction à la plaque positive ou gain d'électrons. L'électrolyte en présence

dans la batterie facilite le déplacement des charges Électrochimiques sous forme d'ions.

Le processus inverse se produit quand la batterie se recharge on voit apparaître immédiatement

une force électromotrice entre les deux électrodes. Les équations des réactions suivantes décrivent

la réaction principale:

B- Les Accumulateurs au Nickel- cadmium [13] :

Les batteries de nickel- Cadmium ont une structure physique semblable à celles du plomb- Acide.

Au lieu du Plomb, elles utilisent de l'hydroxyde de Nickel pour les plaques positives et de l'oxyde

de Cadmium pour les plaques négatives. L'électrolyte est de l'hydroxyde de Potassium.

La tension de ce type d’accumulateur varie entre 1,15 et 1,17 Volts, par élément suivant l’état de

charge. Le rendement énergétique est de l’ordre de 70%. En dépit d’un prix encore prohibitif, ce

type d’accumulateur présente beaucoup d’avantages :

-Très bonne résistance mécanique.

- Possibilité de supporter des décharges profondes.

- Pas d’émanations toxiques à partir de l’électrolyte.

- Ne craint pas de gel.

II-4-3- Installions des éléments de la batterie

L’utilisation de la batterie peut présenter des dangers : Risque d’explosion, dégagement de gaz

toxiques (brouillard d’acide sulfurique). En outre, leur durée de vie et le bon fonctionnement de

toute l’installation dépend aussi bien des conditions d’installation que d’exploitation. Compte tenu

de cela, l’installation de ces éléments doit être effectuée avec un grand soin.

Ils doivent être installés dans un local approprié à l’abri des intempéries, surtout quand le produit

de la capacité par la tension de décharge est supérieur à 1000. Ce local doit satisfaire à certaines

exigences, qui sont les suivantes :

- D’être bien ventilé pour garantir la circulation des gaz.

-D’être à une température proche de 25°C, pour assurer le bon fonctionnement des éléments.

40


II-4-4-Câblage électrique :

Ils seront à l’extérieur, exposés au vent, au gel, au soleil et autres agressions. Il est strictement

nécessaire d’utiliser des câbles adaptés à des sections (diamètre) suffisantes [13].

Nous allons d’abord effectuer un branchement par un câble électrique qui sera un câble de qualité

par exemple, il devra subir les agressions du vent, de la pluie, du soleil, du gel

II-5-Les régulateurs de charges :

Les systèmes de régulation de charge sont des éléments d’un système photovoltaïque qui ont pour

but de contrôler la charge et la décharge d’une batterie afin d’en maximiser la durée de vie. Son

rôle principal est de réduire le courant lorsque la batterie est presque entièrement chargée.

Lorsqu’une batterie se rapproche d’un état de charge complète, de petites bulles commencent à se

former sur les électrodes positives. A partir de ce moment, il vaut mieux réduire le courant de

charge non seulement pour éviter des dégâts mais aussi afin de mieux atteindre l’état de charge

complète. Un courant trop élevé peut provoquer une déformation des électrodes à l’intérieur, ce

qui pourrait créer un court-circuit.

Le régulateur de charge assure deux fonctions principales :

- la protection des batteries contre les surcharges et les décharges profondes.

- L’optimisation du transfert d’énergie du champ PV à l’utilisation.

la tension aux bornes de la batterie est l’indication sur la quelle s’appliquera le régulateur pour

assurer sa fonction. Le régulateur mesure en permanence cette tension et la compare à deux seuils

de tension prérégler : seuil haut et seuil bas.

Il existe plusieurs types de régulateurs :

II-5-1- Régulation de décharge :

La régulation de décharge s’effectue par un comparateur qui compare la tension de la batterie à

un seuil de tension préréglé bas et transmet l’information à un circuit de commande. Ce dernier

arrête de décharge lorsque la tension par élément dépasse la tension de seuil.

II-5-2-Régulation de la charge :

La régulation de la charge effectue par une réduction de courant lorsque la batterie est chargée,

on évite la charge lorsque la tension par élément dépasse la tension de surcharge.

Il existe plusieurs types de montage de régulation de charge pour les batteries au plomb.

a) Régulations de charge série :

41


Le principe consiste à intercaler entre le panneau PV et la batterie un dispositif qui module le

courant. Le dispositif fonctionne de la manière suivante :

Tant que la tension Ubat aux bornes de la batterie est inférieur à la tension de la diode Zener

UZ , le courant délivrer par le panneau charge la batterie à travers un transistor lorsque la batterie

se charge, la diode Zener conduise la tension Uz égale à la tension Ubat .

Figure II-15 : Schéma de principe d’un régulateur de charge série [14].

b) Régulateur de charge de coupure :

Ce régulateur comporte un relais qui connecte et déconnecte le générateur PV à deux seuils

différents et qui sont commandés par une unité de contrôle. Ils mesurent en permanence la tension

aux bornes de la batterie.

c) Régulateur de charge à découpage

Ce type de régulateur utilise un convertisseur continu - continu qui délivre à la batterie sa

tension de floatting chaque fois que la tension de la batterie atteint le seuil haut.

Figure II-16- Schéma de principe d'un régulateur de charge à découpage [14].

d) Régulateur de charge série à coupure partielle :

42


Ce type de régulateur permet de fractionner le panneau PV en deux parties. Chacune délivrer

une même tension selon le principe suivant : une partie du panneau charge la batterie à travers un

régulateur de charge série à coupure tant que l'autre partie est branchée directement pour la charge

de la batterie en permanence.

e) Régulateur de charge parallèle :

Ce type de régulateur est utilisé en dérivation sur le panneau solaire. Il permet de dissiper

l'énergie excédentaire sous forme calorifique grâce à des composants de puissances selon le

principe suivant [14]:

Lorsque la tension de la batterie est faible, le transistor T est bloqué, le courant et la tension aux

bornes de la résistance est faible alors tout le courant délivré par le générateur charge la batterie.

Si la tension aux bornes de la diode Zener atteint la valeur de référence, le courant I augmente

brusquement, le transistor T devient passant et il délivre une partie du courant de charge.

Figure II-17- Schéma de principe d'un régulateur de charge parallèle [14].

II-6-Les convertisseurs (DC/DC) :

Ce type de convertisseur est destiné à adapter à chaque instant l’impédance apparente de la

charge à l’impédance du champ PV correspondant au point de puissance maximal [12]. Ce

système d’adaptation est couramment appelé MPPT (maximum power point tracking). Son

rendement se situe entre 90 et 95%.

Ce système présent deux inconvénients pour un PV de faible puissance :

- Prix élevé.

- Le gain énergétique annuel par rapport à un système moins complexe (cas d’une régulation de la

tension) n’est pas important.

43


II-7-Les convertisseurs ( DC/AC) :

II-7-1-Définition

Un onduleur est un dispositif permettant de transformer en alternatif une énergie électrique

de type continue.

Ils sont utilisés en électrotechnique pour :

Soit fournir des tensions ou courants alternatifs de fréquence et amplitudes

variables.

Ex : C’est le cas des onduleurs servant à alimenter des moteurs à courant alternatif

Devant tourner à vitesse variable par exemple (la vitesse est liée à la fréquence des courants qui

traversent la machine).

-Soit fournir une ou des tensions alternatives de fréquence et d’amplitude fixes.

Ex : C’est le cas en particulier des alimentations de sécurité destiné à se substituer

au réseau en cas de défaillance de celui-ci par exemple. L’énergie stockée dans les batteries de

secours est restituée sous forme continue, l’onduleur est alors nécessaire pour recréer la forme de

tension et fréquence du réseau.

On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant, en fonction de la source

d’entrée continue : source de tension ou source de courant. La technologie des onduleurs de

tension est la plus maîtrisée et est présente dans la plupart des systèmes industriels, dans toutes les

gammes de puissance (quelques Watts à plusieurs MW).

II-7-2-Caractéristiques propres à un onduleur pour systèmes photovoltaïques(PV) :

Les onduleurs destinés aux systèmes photovoltaïques sont quelques peu différents des onduleurs

classiques utilisés en électrotechnique, mais l’objectif de conversion DC/AC est le même.

La principale caractéristique de l’onduleur PV est la recherche du meilleur point de

fonctionnement du système.

En effet, le générateur PV (ensemble de modules PV) a une courbe caractéristique (I-V) non

linéaire (figure I-8).

Pour un éclairement et une température donnés, la tension en circuit ouvert ou à forte charge

est à peu prés constante (assimilable à une source de tension), tandis qu’en court-circuit ou à

faible charge le courant est pratiquement constant (source de courant). Le générateur n’est alors ni

vraiment une source de tension ni vraiment une source de courant non plus.

44


La tension de circuit ouvert est sensible à la température et diminue quand la température

augmente. Le courant de court-circuit est quant à lui proportionnel à l’éclairement : augmente si

l’éclairement augmente

Figure II-18-Courbes caractéristiques d'un module photovoltaïque

Le meilleur point de fonctionnement du système correspond au point de cette courbe où la

puissance, produit de la tension et du courant, est maximisée. Il se situe au milieu de la

caractéristique (Figure I-8).

En régime permanent établi, la tension et le courant du capteur sont considérés comme

constants. L’utilisation d’un onduleur de tension plutôt qu’un onduleur de courant est alors

essentiellement motivée par des raisons technologiques.

L’onduleur de tension impose à sa sortie un système de tensions sous forme de créneaux

modulés en largeur d’impulsions (MLI ou PWM en anglais). Ces créneaux ne posent aucun

problème pour l’alimentation d’un moteur, mais sont incompatibles avec les tensions

sinusoïdales du réseau.

On place alors entre chaque sortie de l’onduleur et chaque phase du réseau (onduleur

monophasé ou triphasé) une inductance qui joue le rôle de filtre et permet à l’onduleur de

fournir au réseau des courants quasi sinusoïdaux : d’un point de vue formel elle transforme

l’onduleur de tension en onduleur de courant.

II-7-3-Différents types d’onduleurs :

a-Onduleur string :

Unité de régulation : un seul MPP tracker

45


Il permet la connexion d'un champ photovoltaïque dont les modules ont tous les mêmes

caractéristiques et les mêmes contraintes de fonctionnement :

orientations identiques

inclinaisons identiques

C'est l'onduleur le plus utilisé dans les configurations classiques inférieures ou égales à 3 kWc.

La dénomination "onduleur string" ne signifie pas qu'il ne peut gérer qu'une seule string.

Cela implique qu'il ne peut gérer qu'un seul couple tension/intensité venant du champ

photovoltaïque [un seul MPP tracker]. Par contre, le champ lui-même peut être composé de

plusieurs strings en parallèle, ce qui en final représente bien un générateur unique : 1 seule

tension, 1 seule intensité [cas général d'une installation de 3kWc].

Caractéristiques du générateur

Intensité = I

Tension = UAB

b-Onduleur multi string :

Unité de régulation : plusieurs MPP tracker

Il permet la connexion de plusieurs champs photovoltaïques qui diffèrent par leurs contraintes de

fonctionnement

orientations différentes

inclinaisons différentes

etc...

c-Onduleur central :

Unité de régulation : complexe !

Il gère à lui seul tous les champs d'une grosse installation. Non utilisé dans le domaine

domestique.

Conclusion :

Comme on a vu dans ce chapitre que les composantes d’un système photovoltaïque sont

fonctionnent respectivement pour assurer un bon fonctionnement, et que chaque composante est

une complémente de l’autre composante. Dans ce cas le système fournie une puissance maximale.

Cette puissance est très importante pour les utilisateurs (pompage, éclairage….).

46


Chapitre III

Modèles de puissance produite du module PV

46

Chapitre III modèle de puissance produite du module PV

Introduction

Pour l’application pratique, beaucoup de chercheurs ont enquêtés sur les modèles mathématiques de la production de puissances maximales simplifiées d’un module photovoltaïque, par exemple; Borowy et Salameh (1996), ont donnés un modèle simplifie, avec lequel la puissance maximale produite peut être calculée pour un certain module photovoltaïque une fois l’irradiation solaire sur le module photovoltaïque et la température est trouvé, Jones et Undrwood (2002), ont aussi introduit un modèle simplifié de la puissance maximale produite qui a un rapport réciproque avec la température du module et en relation logarithmique avec l'irradiation solaire absorbé par le module photovoltaïque. En outre, Jones et Undrwood ont donnés le modèle thermique de la température du module photovoltaïque à travers l’évaluation de beaucoup de facteurs.

En général, il y’a beaucoup de modèles mathématiques de puissance simplifies permettant de déterminer la puissance maximale fournie par un générateur photovoltaïque en fonction de variation de l’irradiation solaire et la température ambiante.

Dans ce chapitre, nous présenterons d’abord trois modèles, dont le premier c’est un benchmark, ce modèle permet de calculer la puissance maximale fournie par un module photovoltaïque pour un ensoleillement et une température du module donnés avec quatre paramètres constants à détermine expérimentalement, et les deux autres sont des modèles mathématiques simplifies permettant de déterminer la puissance maximale en fonction de variation des conditions météorologiques (irradiation solaire et température ambiante), et ils sont basés aussi sur les caractéristiques techniques du module (données du constructeur), et puis nous comparons les modèles présentés.

Pour la comparaison, et la simulation de ces modèles, on utilise le logiciel de programmation Matlab. Ce logiciel est très répondu dans le monde académique et de la recherche. Quelques caractéristiques avantageuses de ce logiciel sont sa puissance, et sa robustesse.

Enfin, on présente les résultats de simulation de la comparaison, et on cite des remarques

Le but principal de notre travail est de déduire le meilleur modèle ou le plus ‘optimal’ entre ces deux modèles simplifies.

III-Modèles Mathématiques de la puissance à la sortie du module PV :III-1-Modèle 1 :

Le modèle benchmark suivant, nous permet de déterminer la puissance maximale fournie par un module PV pour un ensoleillement et une température du module donnés, avec seulement quatre paramètres constants à détermine, a, b, c et d, plus un système d’équation simple à résoudre résultant un ensemble de points de mesures suffisamment étendu [15].

(III-1)

47


Ou Pm est la puissance maximale produite, (W) ; a, b, c, et d sont des constants positive qui peuvent être obtenue expérimentalement.

Tc : la température de module, et peut être décrite par la relation :

(III-2)

avec Ta est la température ambiante, K ; NOCT est la température nominale de fonctionnement de la cellule solaire ( Nominal Operating cell Temperature ) et définie comme la température de la cellule quant le module être sous certain conditions (irradiation solaire :800W/m2, distribution spectrale : AM1.5, température ambiante : 20°C vitesse de vent >1 m/s) dans un circuit ouvert.

G : L’irradiation solaire sur un plan incliné (W/m2).

Selon les mesures expérimentales de benchmark sur un module (BP Solar 340), les constants a, b, c et d sont 0.0002, 0.0004, 0.1007 et 0.1018 respectivement [1].

Le NOCT du module BP Solar 340 est 47 ± 20 C

III-2-Modèle 2 :

L’énergie produite par un générateur photovoltaïque est estimée à partir des données de l’irradiation globale sur plan incliné, de la température ambiante et des données du constructeur pour le module photovoltaïque utilisé.

La puissance produite du générateur photovoltaïque peut être calculé d'après l’équation suivante [16]:

(III-3)

η : Le rendement instantané.

A : La surface de module photovoltaïque (m2).

G : L’irradiation solaire sur un plan incliné (W/m2).

N : le nombre du modules constituant le champ photovoltaïque.

Le rendement instantané est représenté par l’équation suivante [16], [17] :

ηr : est le rendement de référence de module sous conditions standards (T=25°C,G=1000W/m2

48


et AM1.5) ;

g : Coefficient de température (°C) déterminé expérimentalement, il défini comme étant la

variation du rendement du module pour une variation de 1°C de la température de la

cellule. Ces valeurs typiques de ce coefficient se situent entre 0.004 et 0.006 (°C), [16], [17].

III-3- Modèle 3 :

Le modèle suivant est développé par Borowy et Salameh en (1996). Les formules pour calculer le point optimum de voltage et le courant sous condition de arbitraire sont montrées comme suit. Ce modèle fait usage des spécifications des modules PV offerts par les fabricants, donc il offre une façon très simple d'accomplir la puissance produite par les modules PV [18].

(III-4)

Icc : le courant de court circuit du module (A) ;

Vco : la tension de circuit ouvert du module (V)

C1 et C2 sont des paramètres qui peuvent être calculés par l’équation (III-5) et (III-6)

respectivement.

∆I : est déterminé par la différence de température et l’irradiation solaire, équation (III-7).

(III-5)

(III-6)

(III-7)

Avec : ∆ T=T c−T 0

I mp : Le courant maximal sous conditions standards (A). V mp : La tension maximale du module sous conditions standards (V).

α0 : Coefficient du courant en fonction de température (A/°C).

La tension Vm de module est déterminée par l’équation suivante :

49


(III-8)

Β0 : Le coefficient de la tension en fonction de température (V/°C).G0 : L’irradiation solaire de référence (1000W/m2).Alors la puissance optimale à la sortie d’un module est déterminée par :

(III-9)

Pour un nombre de modules séries N et M parallèles, la puissance maximale produite est déterminée par

III-3 Comparaisons :

Après la représentation des modèles mathématiques simplifie, on peut comparer ces modèles dans cette partie. Les paramètres les plus objectifs du module BP Solar 340 permettant de comparer les modèles sont [15]:

- La puissance maximale crête du module Pc=40W

- La tension de circuit ouvert Vco= 21.8 (V)

- Le courant de court circuit I2.5 (A)

- La tension crête maximale Vm = 17.39 (V)

- Le courant maximal crêt Im =2.3 (A)

- La surface du module photovoltaïque S=0.351 (m2)

- Coefficient de température (°C) ; γ = 0.0045

Le coefficient du courant et la tension en fonction de température du module BP Solar de 40W sont -0.00065 A/°C ,0.008 V/°C respectivement.

Quand l’irradiation solaire prend les valeurs 300, 500,900 et 1000W/m2, le rapport entre

la température de module et la puissance maximale est utilisé et comparé d’après les modèles précités, les résultats de la modélisation sont montrés est comparés dans les figures (III-1, III-2, III-3, III-4).

50

Modèle 1Modèle 2

Modèle 3

Modèle 1Modèle 2

Modèle 3


Sur les figures (III-1, III-2, III-3, et III-4), on remarque que les deux modèles 1et 2 montrent un bon rapport linéaire (ligne droite) entre la température de module et la puissance produite maximale pendant que l’irradiation solaire est différente.

Figure (III-1) : La relation entre la température du module PV et la puissance maximalepour les quatre modèles à G=300W/m2

Figure (III-2) : La relation entre la température de module PV et la puissance maximale

51

Modèle 1Modèle 2

Modèle 3

Modèle 1Modèle 2

Modèle 3


pour les quatre modèles à G=500W/m2

Figure (III-3) : La relation entre la température du module PV et la puissance maximale


Figure (III-4) : La relation entre la température du module PV et la puissance maximale

52



Solon les remarques précédentes, on peut dire que :

Le modèle 2, donne des bons résultats spectraux avec le modèle benchmark par rapport les autres modèle simplifies.

Le modèle 3 donne des résultats avec moins d’erreurs quand l’irradiation solaire est supérieur ou égale à 900W/m2 et une température supérieur à 27°C. Donc on peut dire que le modèle de Borowy et Salameh peut être recommandé pour l’application quand l’irradiation solaire est très élevée et la température de la cellule est supérieure à 25 °C.

III-4 Conclusion :

Nous avons présenté dans ce chapitre trois modèles mathématiques permettant de calculer la puissance maximale à la sortie du module photovoltaïque en fonction de conditions météorologiques (irradiation solaire et la température du module), dont le premier à été mesuré expérimentalement, et puis on a simulé la comparaison grâce un logiciel de programmation (Matlab) pour les trois modèles.

D’Après les résultats de simulation, on a remarqué que les résultats du modèle 2 sont plus proche des résultats expérimentaux tant dis que l’irradiation solaire et la température du module sont différentes, et aussi pour le modèle 3 quand l’irradiation solaire est supérieur ou égale 900W/m2, et la température supérieur ou égale à 27°C.

Solon les résultats de comparaison et les remarques sus- cités, on peut dire que le modèle 3 peut-être appliqué avec haute exactitude dans les applications pratique, et que le modèle 1 est le plus ‘optimal’.

53


54



L’électricité solaire PV est l’une des disciplines mondiales les plus importantes dans le développement durable actuellement malgré la maîtrise de la technologie de fabrication de cellules solaires et de leur encapsulation les installations photovoltaïques sont encore chères : pour cela la maîtrise de la technologie seule, ne se fait plus à la diminution des coûts des installations PV.

Ce présent mémoire a trait à l’étude des structures caractéristiques du générateur photovoltaïque. Dans ce contexte, dans le premier chapitre nous avons décrit : qu’est ce que l’énergie solaire, pourquoi choisir cette énergie, les critères qui influent sur les performances des générateurs photovoltaïques et les caractéristiques électriques d’un system PV.

Dans le deuxième chapitre on a présenté les différentes structures et les caractéristiques des éléments essentiels du système photovoltaïque, en commençant par la partie de production (la cellule), puis l’étape du contrôle (les batteries avec ou sans régulation).

Le troisième chapitre présente les trois modèles mathématiques pour obtenir le meilleur modèle « optimal » qui produit la puissance maximale. L’idée de base est d’analyser les performances des modèles présentés afin de situer leur utilisation dans les applications pratiques.

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Documents

structures et caractéristiques des éléments du système pv