ETUDE ET OPTIMISATION D'UN GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE POUR LA RECHARGE D'UNE BATTERIE AVEC UN CONVERTISSEUR SEPIC

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1 SOFIANE ABADA ETUDE ET OPTIMISATION D'UN GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE POUR LA RECHARGE D'UNE BATTERIE AVEC UN CONVERTISSEUR SEPIC Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en génie électrique pour l'obtention du grade de Maître es Sciences (M.Se.) FACULTE DES SCIENCES ET DE GENIE UNIVERSITE LAVAL QUEBEC 2011 SOFIANE ABADA, 2011

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3 11 Résumé Ce mémoire présente une étude d'un chargeur de batterie solaire avec un suiveur du point de puissance maximale (MPPT) qui a été introduit en vue d'obtenir un rendement énergétique maximal. L'interface entre le panneau solaire et la batterie a été réalisée en utilisant un convertisseur DC-DC SEPIC commandé par un microcontrôleur «PIC 18F1220». Grâce à la méthode Perturb & Observ (P&O) l'algorithme MPPT mesure périodiquement la tension et le courant du panneau solaire pour calculer la puissance délivrée par ce dernier. Suivant le résultat obtenu, l'algorithme ajustera le rapport cyclique du convertisseur pour amener le système vers le point de fonctionnement à puissance maximale. Mots clés : - MPPT - photovoltaïque - SEPIC Abstract This thesis presents a study on a solar battery charger with a tracker of the maximum power point tracking (MPPT) which was implemented in order to optimize the energy efficiency. The interface between the solar panel and the battery was carried out using a SEPIC DC-DC Converter controlled by a "PIC18F1220"the microcontroller. With the method Perturb & Observ (P&O), the MPPT algorithm senses the solar panel voltage and current to calculate the power. Using the obtained result, the MPPT algorithm adjusts the converter duty cycle to bring the system to maximum power operating point. Keywords: - MPPT - Photovoltaic - SEPIC

4 Ill AVANT PROPOS Ce travail de maîtrise a été réalisé au laboratoire d'électrotechnique. d'électronique de Puissance et de Commande Industrielle (LEEPCI) du département de génie électrique et de génie informatique de l'université Laval. Je tiens à remercier les personnes suivantes : Un grand Merci à M. Hoang Le Huy, professeur au département de génie électrique et de génie informatique de l'université Laval, pour m'avoir honoré de sa confiance en me proposant ce sujet et en acceptant la direction de ce mémoire. Je le remercie encore plus personnellement pour son soutien scientifique, sa disponibilité et ses conseils tout au long de ce travail. Je remercie également l'université et toute l'équipe technique du département de génie électrique et de génie informatique pour leur soutien technique et logistique. Toute ma reconnaissance et mes remerciements à ma mère FADIA pour son soutien moral. Sofiane Abada

5 IV TABLE DES MATIERES : Résumé Avant-Propos Table des matières Liste des tableaux Liste des figures ii iii iv vi vii INTRODUCTION GÉNÉRALE 1 1 CHAPITRE I TECHNOLOGIE PHOTOVOLTAÏQUE 1.1 Introduction Énergie solaire La conversion photovoltaïque Le silicium et ses propriétés La cellule photovoltaïque Technologie de cellules photovoltaïques Montage des cellules photovoltaïques Les modules Caractéristique des panneaux photovoltaïques Modèles d'un générateur photovoltaïque (GPV) Courant d'un générateur photovoltaïque Impact de la température et de l'irradiation solaire sur la courbe I-V Impact de l'ombre sur la courbe I-V 32 2 CHAPITRE II Convertisseur DC-DC 2.1 Introduction Convertisseur DC-DC pour systèmes d'énergie solaire Le convertisseur SEPIC Conclusion 48 3 CHAPITRE III Recherche du point de puissance maximale (MPPT) d'un GPV 3.1 Introduction Point de puissance maximale (MPP) Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT) Techniques de commande MPPT Principe de la commande P&O extrémale Gestion de la MPPT 58

6 3.7 Conclusion 59 4 CHAPITRE IV Essais et mesures des caractéristiques du panneau solaire 4.1 Introduction Mesure des caractéristiques du panneau solaire Méthode de définition des caractéristiques de I-V de sortie Tracé des caractéristiques I (V) et P (V) Résumé des résultats Conclusion 68 5 CHAPITRE V Etude par simulation du système pv 5.1 Introduction Simulation du GPV Simulation des caractéristiques du GPV Simulation de la recharge directe de la batterie Simulation dy système PV complet (GPV+SEPIC+MPPT+batterie) Influence de la température Conclusion 91 6 CHAPITRE VI Montage d'un système PV complet et implantation de la commande MPPT 6.1 Le processeur Implantaion du système de commande dans le pic Montage du système photovoltaïque complet Partie commande Partie alimentation Partie puissance Résultats expérimentaux du montage Discussion Conclusion 113 Conclusion générale 114 Bibliographie 117 Annexe Annexe Annexe 3 127

7 VI LISTE DES TABLEAUX Tableau 1.1 : Classification de différent types de cellules photovoltaïques au silicium 15 Tableau 4.1 : Relevés des mesures effectuées avec le panneau solaire pour G=700W/m 2 64 Tableau 4.2 : Relevés des mesures effectuées avec le panneau solaire pour G=547W/m 2 64 Tableau 4.3 : Relevés des mesures effectuées avec le panneau solaire pour G=430W/m 2 65 Tableau 4.4 : Résultats de mesures des caractéristiques du panneau solaire 67 Tableau 5.1 : Comparaison des résultats de simulation du GPV+Batterie 79 Tableau 5.2 : Comparaison des résultats de simulation du système 89 Tableau 5.3 : Résultats de simulation des performances de l'installation par rapport au changement de température 90

8 Vil LISTE DES FIGURES Figure.1 : Spectre d'irradiance solaire 4 Figure.2 : Inclinaison du panneau par rapport aux rayons du soleil 7 Figure.3 : Parcours des électrons dans le photovoltaïque 9 Figure.4 : Schéma de principe de la conversion photoélectrique 10 Figure.5 : Propriétés optiques du silicium photoélectrique 11 Figure.6 : Propriétés électriques du silicium photoélectrique 12 Figure.7 : Caractéristique d'une cellule photovoltaïque 12 Figure.8 : Caractéristique d'une cellule 12 Figure.9 : Différentes techniques de cellules photovoltaïques 13 Figure.10 : Caractéristiques de cellules photovoltaïques en série 16 Figure.11 : Caractéristiques de cellules photovoltaïques en parallèle 18 Figure.12 : Emplacement des diodes Bypass 18 Figure.13 : Branchement des modules en séries 20 Figure.14 : Branchement des modules en parallèles 21 Figure.15 : Test de tension en circuit ouvert 22 Figure.16 : Test de courant en court circuit 23 Figure.17: Modèle équivalent d'un GPV 25 Figure.18: Modèle simple d'un PV 26 Figure.19 : Modèle simple d'un PV avec une résistance en parallèle 27 Figure.20 : Impact de la résistance parallèle 27 Figure.21 : Modèle simple d'un PV avec une résistance en série 28 Figure.22 : Impact de la résistance séries Rs 28 Figure.23 : Modèle simple d'un PV avec une résistance en série et parallèle 29 Figure.24 : Impact des résistances parallèle et série (Rp et Rs) 30 Figure.25 : Courbes courant -tension sous différentes températures et niveaux d'irradiation 32 Figure.26 : Module photovoltaïque avec une cellule touchée par l'ombre 33 Figure.27 : Effet de l'ombrage d'une seule cellule sur le module 34 Figure.28 : Cellule solaire avant et après l'effet de l'ombre avec une diode bypass 35 Figure.29 : Courbe expliquant l'impact de la diode by-pass sur le GPV 35 Figure 2.1 : Convertisseur continu- continu 37 Figure 2.2 : Principales configurations de convertisseurs DC-DC 39 Figure 2.3 : Schéma du convertisseur SEPIC 40 Figure 2.4 : Formes d'ondes de tensions d'un convertisseur SEPIC 41 Figure 2.5 : Formes d'ondes de courants d'un convertisseur SEPIC 41 Figure 2.6 : SEPIC pendant la phase de conduction 42 Figure 2.7 : SEPIC pendant la phase de récupération 43 Figure 2.8 : Ondulation de la tension de sortie 45 Figure 3.1 : Courbes de I-V et de puissance de sortie pour un module photovoltaïque 51 Figure 3.2 : Le point de puissance maximale (MPP) par la méthode des rectangles 51 Figure 3.3: Chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque 52 Figure 3.4 : Schéma du principe de la méthode P&O 53 Figure 3.5 : Algorithme de la méthode Perturb & Observ 54

9 Figure 3.6 : Principe de la méthode P&O Extrémale 55 Figure 3.7 : Algorithme de la méthode P &0 Extrémale 57 Figure 3.8 : Recherche et recouvrement du Point de Puissance Maximale [14] 57 Figure 4.1 : Schéma des mesures du panneau photovoltaïque 63 Figure 4.2 : Courbes des caractéristiques du module photovoltaïque pour G=700W7m 2 64 Figure 4.3 : Courbes des caractéristiques du module photovoltaïque pour G=547W7m 2 65 Figure 4.4 : Courbes des caractéristiques du module photovoltaïque pour G=430W/m 2 66 Figure 4.5 : Superposition des courbes pour les différents rayonnements 68 Figure 5.1 : Modélisation du GPV sous Matlab-Simulink 69 Figure 5.2 : Vue de l'ensemble du modèle du GPV 73 Figure 5.3 : Simulation du GPV (à la valeur de la MPP) 74 Figure 5.4 : Simulation de la caractéristique V-I du GPV (T=25, G=1000W/m 2 ) 75 Figure 5.5 : Simulation de la caractéristique P-I du GPV(T=25, G=1000W/m 2 ) 77 Figure 5.6 : Programme Matlab Simulink (GPV connectée directement à la batterie) 77 Figure 5.7 : Ipv,Vpv,Ppv pour connexion directe(à gauche G=1000W7m 2, à droite G=700W/m 2 ).. 78 Figure 5.8 : Ipv,Vpv,Ppv pour connexion directe (à gauche G=547W/m 2, à droite G=430W/m 2 ) Figure 5.9 : Diagramme Simulink Système PV complet (GPV+SEPIC+MPPT+BATTERIE) 80 Figure 5.10 : Détail de la commande MPPT 80 Figure 5.11 : Formes d'ondes : Ipv,Vpv,Ppv,Mosfet 81 Figure 5.12 : Formes d'ondes : (Vconv,Iconv, Mosfet) pour : G=1000W/m 2 82 Figure 5.13 : Formes d'ondes (Vconv,Iconv, Mosfet) pour : G=700W/m 2 83 Figure 5.14 : Formes d'ondes (Vconv,Iconv, Mosfet) pour : G=547W/m 2 84 Figure 5.15 : Formes d'ondes (Vconv,Iconv, Mosfet) pour : G=430W/m 2 85 Figure 5.16 : Formes d'ondes (lout) pour les différents éclairements solaires 86 Figure 5.17 : Formes d'ondes: (Vpv,Ipv, Mosfet) pour : G=1000W/m 2 et T=30 87 Figure 5.18 : Formes d'ondes: (Vpv,Ipv, Mosfet) pour : G=1000W/m 2 et T=10 88 Figure 6.1 : Diagramme fonctionnel du système PV étudié 93 Figure 6.2 : Vue des entrées du microcontrôleur PIC 18fl Figure 6.3 : Structure interne du PIC18F Figure 6.4 : Le du programmateur ICD2 96 Figure 6.5 : Diagramme fonctionnel de l'algorithme MPPT implanté sur le PIC 97 Figure 6.6 : Vue de la programmation du PIC 97 Figure 6.8 : Schéma du modulateur MLI utilisant le LM Figure 6.9 : Circuit externe du PIC18F Figure 6.10 : Vue d'ensemble de la partie commande développé avec le programme ORCAD 103 Figure 6.11 : Structure du bloc d'alimentation 5V 104 Figure 6.12 : Vue d'ensemble du capteur de courant MAX Figure 6.13 : Vue d'ensemble du driver TC Figure 6.14 : Vue d'ensemble de la partie puissance 107 Figure 6.15 : Capture de l'oscilloscope du TS Figure 6.16 : Capture de l'oscilloscope pour la sortie de la pin 7 LM Figure 6.17 : Relevés expérimentaux de la recharge de la batterie Figure 6.18 : Relevés expérimentaux de la recharge de la batterie Figure 6.19 : Réaction de la commande pendant les fluctuations de l'ensoleillement 111 vm

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11 INTRODUCTION GENERALE La production de l'énergie est un grand défi pour les années à venir. En effet, les besoins énergétiques des sociétés industrialisées ne cessent d'augmenter. Par ailleurs, les pays en voie de développement auront besoin de plus en plus d'énergie pour mener à bien leur développement. La consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution, l'épuisement rapide et l'instabilité des prix des fossiles à l'échelle mondiale ont nécessité une recherche urgente pour de nouvelles sources d'énergie pour répondre aux exigences actuelles. Pour subvenir aux besoins en énergie de la société actuelle, il est nécessaire de trouver des solutions adaptées et de les diversifier. Actuellement, il y a principalement deux façons possibles d'agir. La première est de diminuer la consommation des récepteurs d'énergie et augmenter la productivité des centrales énergétiques en améliorant leur efficacité. Une deuxième méthode consiste à développer de nouvelles sources d'énergie. Des recherches sont en cours dans le domaine de la fusion nucléaire qui, éventuellement, pourrait être une solution énergétique du futur, mais l'avenir de cette filière et encore moins son avènement ne sont pas assurés. Dans l'immédiat, nous disposons de ressources en énergie renouvelable inépuisables que nous sommes en mesure d'exploiter de plus en plus facilement et proprement. Les techniques d'extraction de la puissance de ces ressources demandent des recherches et des développements plus approfondis visant à fiabiliser, abaisser les coûts (de fabrication, d'usage et de recyclage) et augmenter l'efficacité énergétique. Depuis plusieurs décennies, de nouvelles énergies apparaissent telles que l'énergie éolienne ou l'énergie photovoltaïque. Cette dernière, découverte en 1839 par le physicien français Antoine Becquerel, possède un grand potentiel car elle est non polluante et non bruyante. "Photovoltaïque" vient du grec 'photos' qui signifie lumière et de 'Volta', eminent savant connu pour avoir découvert l'énergie animale et inventé la pile. Le principe de l'énergie photovoltaïque consiste en la transformation directe de la lumière émise par le soleil en énergie électrique. En plus d'être inépuisable, l'énergie solaire est extraordinairement abondante, puisque l'irradiation que le Soleil fait parvenir sur la Terre chaque année représente plus de fois la consommation mondiale actuelle d'énergie primaire, toutes formes et tous usages confondus. Par rapport à d'autres sources d'énergie, l'énergie solaire est une bonne option car elle est disponible pendant les périodes de pointe énergétique, à la différence du vent qui produit souvent plus d'énergie la nuit que le jour. La nuit, la demande d'énergie est deux fois moins importante que le jour. Dans le passé, le coût de l'énergie solaire était d'environ trois fois le coût de l'électricité issue de sources conventionnelles, ce qui a nui à son développement. La hausse des coûts de l'électricité et le problème du réchauffement climatique ont fait que toutes les autres sources d'énergie sont en train d'être examinées de plus près.

12 Depuis quelques décennies, les panneaux solaires photovoltaïques ont un grand succès chez les particuliers et ils peuvent facilement être installés. Des programmes de recherche et développement en énergie solaire sont crés dans l'industrie, les universités et les laboratoires. Dans une industrie solaire en plein essor, les progrès de la technologie ne peuvent être que l'accroissement de l'efficacité qui réduira le coût de l'énergie solaire et permettra sa plus grande expansion. Les objectifs qui doivent être remplis dans ce projet sont: -Étudier le fonctionnement de la cellule photovoltaïque et le convertisseur DC-DC dans la production et la conversion de l'énergie électrique. -Analyser et concevoir un système d'énergie solaire photovoltaïque autonome -Étudier expérimentalement ce système générateur photovoltaïque et valider la simulation à l'aide des mesures expérimentales. La structure du mémoire est comme suit: Le premier chapitre se concentre sur le bilan des différentes filières technologiques photovoltaïques. Nous précisons également dans ce chapitre les différentes caractéristiques des panneaux solaires qui nous donnerons une vision sur la suite de l'étude. Dans le deuxième chapitre nous abordons les architectures du convertisseur DC-DC utilisées pour la conversion de l'énergie solaire. Pour cela, on va se concentrer sur le convertisseur SEPIC qui semble le mieux adapté pour l'application. Le troisième chapitre étudiera les différentes architectures de gestion photovoltaïque possibles visant à optimiser la production énergétique. On étudie aussi les méthodes de recharge du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT). Le quatrième chapitre est consacré à des mesures expérimentales des caractéristiques du panneau solaire afin de déterminer son point de fonctionnement optimal. Le cinquième chapitre présente l'étude par simulation des caractéristiques et de la performance d'un système générateur photovoltaïque autonome utilisant un modèle Simpower Systems /Simulink. Le sixième chapitre est consacré à l'étude expérimentale de la performance du système générateur photovoltaïque dans différentes configurations.

13 CHAPITRE I TECHNOLOGIE PHOTOVOLTAÏQUE 1.1 Introduction Les modules ou panneaux photovoltaïques sont composés de semi-conducteurs qui permettent de transformer directement la lumière du soleil en électricité. Ces modules s'avèrent une source d'énergie électrique qui est sûre, fiable, sans entretien et non polluante. La majorité des modules solaires sur le marché aujourd'hui sont pourvus de garanties de plus de 20 ans, et ils fonctionneront bien au-delà de cette période. Des millions de systèmes ont été installés dans le monde entier, de puissances différentes allant d'une fraction d'un watt à plusieurs mégawatts. Pour de nombreuses applications, les systèmes solaires électriques sont non seulement rentables, mais ils peuvent aussi représenter l'option la moins coûteuse. Dans ce chapitre on commencera par rappeler brièvement le principe de la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique reposant sur l'effet photoélectrique des semi-conducteurs. 1.2 Energie solaire La distance de la terre au soleil est environ 150 million de kilomètres et la vitesse de la lumière est d'un peu plus de km/h, les rayons du soleil mettent donc environ 8 minutes à nous parvenir. La constante solaire est la densité d'énergie solaire qui atteint la frontière externe de l'atmosphère faisant face au soleil. Sa valeur est communément prise égale à 1360W/m 2. Au niveau du sol, la densité d'énergie solaire est réduit à 1000 W/ m 2 à cause de l'absorption dans l'atmosphère. Albert Einstein a découvert en travaillant sur l'effet photoélectrique que la lumière n'avait pas qu'un caractère ondulatoire, mais que son énergie est portée par des particules, les photons. L'énergie d'un photon étant donnée par la relation : E = hc/)i (1.1) Ainsi, plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie du photon est grande. [6]

14 Une façon commode d'exprimer cette énergie est : E = 1.26/3i (1.2) Le rayonnement du soleil parvenant à la surface de la terre se compose de l'infrarouge qui procure de la chaleur, le visible qui est nécessaire a la croissance des plantes et des animaux, l'ultraviolet qui brunit la peau et tue les bactéries. Le spectre du soleil s'étend de 200 nm à 3000 nm tel que montré à la figure 1 1. Les photopiles se différencient par leur sensibilité spectrale, ou capacité à convertir certaines longueurs d'onde. [7]. E C E 2 5 UV Visible Infrarouge > Irradiance au sommet de l'atmosphère 0)' o c CO \ / 'oj i Irradiance d'un corp noir (5250 C) WJk \ \M2 / Irradiance au niveau de la mer ^k N. / Bandes d'absorption B ^fc^c/ / de l'atmosphère " ^ / HjO co, i <*! ^ * 0 m ^mma^zz Longueur d'onde (nm) Figure 1.1 : Spectre d'irradiance solaire.

15 La valeur retenue pour la constante solaire est : Io = 1360 W/m 2 Cette valeur est variable pendant l'année puisque la distance terre-soleil est elle-même variable (résultat de la trajectoire elliptique). La correction terre soleil est donnée par: C, = cos ( 0-2) v365 (1.3) ou j : Angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu. La constante solaire corrigée est: Inclinaison de la terre i = h*c,_ s (1.4) L'angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan equatorial est donné par : d = arcsin 0.389sin ^360^ V365y x(7vt -82) + 2sin "360^ x(n-2) (1.5) V365y où N est le nombre de jours de l'année à partir du premier janvier Inclinaison du module par rapport au soleil Les panneaux solaires doivent être placés perpendiculairement au soleil pour obtenir un résultat optimal. Pour récupérer un maximum de rayonnement solaire, on doit ajuster à la fois l'orientation et l'inclinaison du panneau solaire. L'orientation indique vers quel point cardinal un panneau est exposé : face au sud, au nord, à l'est, ou à l'ouest. L'inclinaison est l'angle que fait le panneau avec le plan horizontal.

16 L'ajustement sur le plan horizontal (azimut) s'obtient en pointant les panneaux solaires : vers le sud lorsqu'on est dans l'hémisphère nord, vers le nord lorsqu'on est dans l'hémisphère sud. L'ajustement sur le plan vertical nécessite de connaître la trajectoire du soleil, en fonction de la saison et du lieu géographique. Aux equinoxes du 21 mars et du 21 septembre, le soleil est perpendiculaire à l'equateur. Au solstice du 21 juin, il est perpendiculaire au tropique du Cancer (hémisphère nord). Au solstice du 21 décembre, il est perpendiculaire au tropique du Capricorne (hémisphère sud). Le soleil se lève à l'est et se couche à l'ouest et le Québec se situe dans l'hémisphère nord à une latitude de 46 environ. Le soleil au zénith est donc vers le sud. Globalement, les rayons du soleil viennent donc plus du sud que des autres directions, d'autant plus qu'à midi, lorsque le soleil est au zénith et donc plein sud, le rayonnement est le plus intense. En résumé : pour un bon rendement, la meilleure orientation pour un panneau solaire au Québec est donc vers le Sud avec une inclinaison fixe de 45. Si le panneau est incliné d'un angle de moins de 45, la production d'énergie sera importante en été mais faible en hiver. Inversement, si le panneau est incliné d'un angle de plus de 45, la production d'énergie sera importante en hiver mais faible en été (Figure 1.2).

17 hiver panneau solaire rayon A panneau solaire rayon o printemps et [automne] Figure 1.2 : Inclinaison du panneau par rapport aux rayons du soleil.

18 1.3 La conversion photovoltaïque Principe de la conversion photoélectrique Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit via la théorie des bandes. Ce modèle stipule qu'un électron dans un solide ne peut prendre des valeurs d'énergie comprises dans certains intervalles que l'on nomme «bandes», plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées par d'autres «bandes» appelées bandes d'énergie interdites ou bandes interdites. Lorsque la température du solide tend vers le zéro absolu, deux bandes d'énergie permises jouent un rôle particulier: - la dernière bande complètement remplie, appelée «bande de valence» - la bande d'énergie permise suivante appelée «bande de conduction» La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant à elle, est soit vide (comme aux températures proches du zéro absolu dans un semi-conducteur) soit semi-remplie (comme dans le cas des métaux) d'électrons. Cependant c'est elle qui permet aux électrons de circuler dans le solide. Dans un semi-conducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées par une bande interdite, appelée couramment par son équivalent anglais plus court «gap». L'unique différence entre un semi-conducteur et un isolant est la largeur de cette bande interdite, largeur qui donne à chacun ses propriétés respectives. Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un «trou». Normalement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de

19 forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme dans une pile (Figure 1-3). Photon contact électrique Electron ut f^_m. n-type p-type Charge Figure 1.3 : Parcours des électrons dans le photovoltaïque. Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N : - La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge positive. - La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P). Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'espace (ZCE) et il existe un champ électrique entre

20 10 les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P. En fonctionnement, quand un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons ou trous) puisqu'ils se sont annihilés, ou à proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est forcément très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule. En somme, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode (Figure 1-4). Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semiconducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions. [21] Photon,>. Charge négative Photon ; - + n-îype Holes TÎT Q 0 0 Electrons f* G ] f Region Depletion p-type t Charge positive Figure 1.4 : Schéma de principe de la conversion photoélectrique.

21 Le silicium et ses propriétés Il existe différentes techniques permettant la conversion directe de la lumière solaire en électricité. La plus connue est la conversion photovoltaïque effectuée à l'aide de matériaux semi-conducteurs tel que le silicium (Si), le germanium (Ge), le sélénium (Se) ou les composés semi-conducteurs tel que l'arséniure de gallium (GaAs), ou le tellurure de cadmium (CdTe). Les cellules solaires de type GaAs sont très coûteuses dans leur fabrication et leur utilisation est aujourd'hui limitée aux applications spatiales. [8] La majorité des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir du silicium cristallin, car il possède la caractéristique d'être non toxique contrairement au cadmium ou au sélénium. En plus, il permet d'atteindre des efficacités de conversion remarquables. Le silicium constitue environ 28% de l'écorce terrestre sous forme de composés (silicates, silice), ce qui en fait une source quasi inépuisable [9] Il présente des propriétés optiques : l'absorption, la réflexion, la transmission (Figure 1-5), et propriétés électriques spécifiques pour assurer la conversion photovoltaïque (Figure 1-6). faisceau incident Faisceau réfléchi Faisceau absorbé Faisceau iransmi* Figure 1.5 : Propriétés optiques du silicium photoélectrique.

22 12 \.../:: V O ) ( o hlcctn» ixciu V. Bunw métallique \ m Figure 1.6 : Propriétés électriques du silicium photoélectrique 1.5 La cellule photovoltaïque L'élément fondamental dans un système photovoltaïque est la cellule photovoltaïque qui convertit l'énergie reçue par rayonnement solaire en énergie électrique. Une cellule photovoltaïque peut donc être assimilée à une photodiode en convention générateur dont les caractéristiques sont illustrées par les figures suivantes : i n /=. Qiudiaut IV Eclaifeaieui. E, Caiacténvtiqiif / rectangulaire >.! idéale C aracténkique \ idcalc, lili IV.i h Si,. T" p é >e E,! p * «> V F tension de photopile lç courant de pholcptlc r.s T,; ut Figure 1.7 : Caractéristique d'une photodiode Figure 1.8 : Caractéristique d'une cellule photovoltaïque

23 Technologie de cellules photovoltaïque Il existe différentes technologies constituant les cellules photovoltaïques illustrées par la Figure 1-9 : Cellules PV Y r~ Silicium H Cristallin Amorphe Monocnslailin 1 Poh/cristùllin j (Siicium, Alliage de Si) j {SiGe. SC, e!c) -J Monocristallin j (GaAs) tompo; srtes r- H Polycristallin (CdS. CcfTe CuInGaSeZ etc) Figure 1.9 : Différentes techniques de cellules photovoltaïques [8] Industriellement les matériaux les plus utilisés sont à base de silicium à cause de sa disponibilité et son faible coût de production. Les cellules PV au silicium cristallin (mono ou multi) représentent la majorité de la production mondiale (respectivement 29 % et 51% de la production mondiale). On distingue les trois catégories principales qui se disputent le marché. Ils ont des caractéristiques, des durées de vie, et des sensibilités différentes (Tableau 1.1). a) Silicium polycristallin Il est constitué de plusieurs monocristaux juxtaposés dans différentes orientations donnant à la cellule un aspect mosaïque.

24 14 Le silicium polycristallin est la technologie la plus répandue sur le marché mondial en raison de son bon rendement (environ 15 %) pour des coûts de fabrication maîtrisés. Il offre actuellement un bon rapport qualité/prix. b) Silicium monocristallin Il est constitué d'un seul cristal offrant à la cellule un arrangement parfait des atomes. Il présente un rendement légèrement supérieur au silicium polycristallin (environ 19 %).Néanmoins, il reste assez onéreux en raison de son exigence de grande pureté et de l'importante quantité d'énergie nécessaire à sa fabrication. c) Silicium amorphe en couche mince Le silicium est déposé en couche mince sur une plaque de verre ou un autre support souple. L'organisation irrégulière de ses atomes lui confère en partie une mauvaise semi-conduction. Les cellules amorphes sont utilisées partout où une solution économique est recherchée ou lorsque très peu d'électricité est nécessaire, par exemple pour l'alimentation des montres, des calculatrices, ou des luminaires de secours. Elles se caractérisent par un fort coefficient d'absorption, ce qui autorise de très faibles épaisseurs, de l'ordre du micron. Par contre son rendement de conversion est faible (de 7 à 10 %) et les cellules ont tendance à se dégrader plus rapidement sous la lumière.

25 HRI Silicium monocristallin Silicium polycristallin 9 Silicium amorphe Types Rendement De!5 /c à 19% 7% à 10% Durée de vie 35 ans 35 ans < 10 ans Avantage Bon rendement en soleil direct Bon rendement en soleil direct (mois que le monocristallin mais plus que l'amorphe) Souplesse Prix moins élevé que les cristallins Bon rendement en diffus Inconvénient Mauvais rendement en soleil diffus (temps nuageux...) Prix élevé. Mauvais rendement en soleil diffus (temps nuageux...) Prix élevé. Mauvais rendement en plein soleil. 15 Tableau 1.1 : Classification de différents types de cellules photovoltaïques au silicium. En résumé L'effet photovoltaïque est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semiconducteurs" qui, exposés à la lumière, produisent de l'électricité. Le plus connu d'entre eux est le silicium cristallin qui est utilisé aujourd'hui dans 90% des panneaux solaires produits dans le monde. Il existe de nombreuses autres technologies déjà industrialisées, (comme les couches minces) ou en phase de recherche. Le silicium amorphe semble adapté à des dispositifs nécessitant peu d'énergie, tels que les montres ou les calculatrices ou à des systèmes connectés au réseau. En revanche, les cellules au silicium cristallin sont utilisées et adaptées à un très large panel d'applications autonomes, malgré leur coût plus élevé.

26 Montage des cellules photovoltaïques a) Câblage séries des cellules Les cellules photovoltaïques peuvent se connecter en série. Les tensions de toutes les cellules s'ajoutent et le courant est le même que celui d'une seule cellule. C'est pourquoi il faut toujours des cellules de même courant pour les mettre en séries. En fabrication, on appelle cela l'appairage : on trie les cellules selon leur courant pour les câbler en série. Si l'une d'elles était plus faible en courant, elle imposerait son courant à toute la série ce qui pénaliserait le module complet. Courant Caractéristique d'une cellule Caractéristique résultante r co *'«0=»/rf Tension Figure 1.10 : Caractéristiques de cellules photovoltaïques en série

27 17 b) Câblage parallèles des cellules Lorsque les cellules sont connectées en parallèles, ce sont les courants qui s'ajoutent et la tension qui restera constante. Il faudra donc appairer les tensions et non les courants, lors de la mise en parallèle des modules photovoltaïques pour constituer un générateur plus puissant. ' -«/- Courant Caractéristique résultante "J Caractéristique d'une cellule pc» pc» Tension Figure 1.11 : Caractéristiques de cellules photovoltaïques en parallèle

28 Hot-spots et diodes by-pass Il arrive qu'un module au silicium cristallin ne soit pas exposé uniformément à la lumière, à cause des taches d'ombre. Puisque les cellules étant câblées en série, le courant total est nivelé par le bas (la cellule la plus faible impose son courant aux autres). Alors lorsqu'une cellule ne débite plus parce qu'elle n'est plus exposée au rayonnement, le courant de l'ensemble de la chaîne tend vers zéro. La cellule ainsi masquée devient réceptrice de toutes les autres de la série et reçoit en tension inverse la somme de toutes leurs tensions. Elle se met donc à chauffer d'où le nom bien connu de hot-spot ou point chaud. Il est indispensable de protéger le module contre ce phénomène en plaçant une diode by-pass en parallèle par groupe de cellules (par séries de 18 cellules, soit 2 par panneau 36 cellules) On maintient ainsi la tension inverse appliquée à la cellule ombrée à moins de 10 V, ce qui engendre un échauffement limité en cas de hot-spot. Ces diodes sont généralement placées dans la boîte de jonction en sortie de panneau. Blocs de 18 cellules en série Diode Bypass Figure 1.12 : Emplacement des diodes Bypass Nombre de cellules par module Une cellule au silicium cristallin présente une tension de circuit ouvert de 0.58 V à 0.60 V et un point de puissance maximale situé entre 0.46 V et 0.47 V. Considérant que notre panneau doit pouvoir charger une batterie 12V jusqu'à sa tension maximale d'environ 14V et que l'on va perdre 2 à 3V en

29 19 câblage et du fait des élévations de température, il faut disposer d'un panneau fournissant au minimum 16-17V à sa puissance maximale. Si l'on divise 16.5 par 0.46, on trouvera le nombre arrondi de 36, valeur courante comme nombre de cellules en série des panneaux usuels du marché. Cela permet de disposer les photopiles d'un module en 4 rangées de 9. En pratique, les modèles les plus courants de 12V comportent 32 à 44 cellules, suivant la valeur exacte de la tension de chaque cellule et de la température d'utilisation. Par exemple, dans le désert de certain pays chauds où la température ambiante monte jusqu'à 50, on peut être amené à installer des panneaux 12V à 40 cellules. À raison de - 2mV/ C, chaque cellule perd 50 mv entre 25 et 50 C, et la tension de fonctionnement d'un panneau 36 cellules chute de 1.8 V. Il faut donc théoriquement 4 cellules supplémentaires pour y remédier (1.8/0.46=3.9).

30 Les modules photovoltaïques Des modules de plus en plus puissant sont disponibles sur le marché, en particulier pour la connexion du réseau, mais il y'a tout de même une limite liée au poids et à la manipulation. Donc pour constituer un générateur de puissance élevée, on réunit systématiquement plusieurs modules photovoltaïques et on les câble entre eux avant de les relier au reste du système Montages des modules photovoltaïques a) Montage en série Les tensions s'additionnent et le courant traversant les modules reste identique, lorsque les panneaux sont montés en série l'intensité traversant les panneaux sera celle du panneau le moins performant de la série. Ainsi, si l'ombre apparaît sur un des panneaux, toute la série aura pour rendement celui du panneau le plus faible. L'intensité restant faible, les sections de câbles sont moins importantes V~Vy*V 2 *V 2 o 1 module \ 2 modules' Smodules^ Tension Figure 1.13 : Branchement des modules en séries

31 21 b) Montage en parallèle Les courants des différents modules s'additionnent et la tension reste identique. Un tel montage peut demander une section de câble plus importante due à la forte intensité. 3 modules T- 2 modules \ e U 1 i module \\ Tension Figure 1.14 : Branchement des modules en parallèles. En résumé On monte les modules en série pour les installations sans ombre : c'est la solution la plus simple, mais il convient de calculer la tension maximale par rapport à celle demandée. On monte les modules en parallèle pour les installations qui ont une partie à l'ombre, ou lorsque les modules de tension important dépassent la tension demandée.

32 Caractéristique des panneaux photovoltaïques Tension de circuit ouvert Si on place un panneau sous une source lumineuse constante sans aucune circulation de courant (Figure 1.15), on obtient à ses bornes une tension continue, dite tension à circuit ouvert V 0(.. V oc =nx0.6v (1.6) 0.6F : tension pour une cellule élémentaire (elle varie suivant la technologie et l'éclairement). n : est le nombre de cellules La valeur courante de V ()(. pour un panneau de 12 V de bonne qualité est de V. La variation de la tension V (X. en fonction de l'ensoleillement peut donner une bonne idée de la capacité du panneau pour charger une batterie sous ensoleillement modéré, sachant que le rapport entre Vm (Tension maximum) et V oc est approximativement de 0.8. Dans une situation d'ensoleillement qui donne moins de 16V de circuit ouvert, le panneau ne peut recharger correctement une batterie de 12V, puisque sa tension de fonctionnement sera inférieure à 16x0.8 = 12.SV. V=V 0C o - Figure 1.15: Test de tension en circuit ouvert.

33 Courant de court circuit Lorsqu'on place le photogénérateur en court circuit (Figurel-16), il débite son courant maximal à tension nulle. On appelle ce courant : courant de court circuit Isc. On définit le facteur de forme d'un photo générateur comme : FF = Pm I (Voc x Isc) (1.7) où Pm est la puissance maximale. Ce paramètre, compris entre 0 et 1, qualifie la forme plus ou moins carrée de la caractéristique courant-tension du panneau. Si celle-ci était carrée, le facteur de forme serait égale à 1 et la puissance Pm serais égale àvocxisc. En pratique il faut considérer les pertes inévitables : en série à cause de la résistance non nulle des constituants des cellules, et en parallèle à cause des légères fuites de courant. Généralement, ce facteur de forme se situe entre 0.6 et l/=0 /=/ se Figure 1.16 : Test de courant en court circuit.

34 Modèles d'un générateur photovoltaïque (GPV) Le modèle mathématique associé à une cellule est établi à partir de celui d'une jonction PN (Figure 1.17). On y ajoute le courant Isc, proportionnel à l'éclairement, ainsi qu'un terme modélisant les phénomènes internes. Le courant/ issu de la cellule s'écrit alors : I = Isc-Id-Ip (1.8) I P = - (1.9) Rp Avec : Vd = Vj = {V + IxRs) (1.10) Tension pour une cellule : V = (Vd-IxRs) (1-11) Tension pour un module : V = nx(vd -1 xrs) (1-12) / : Courant de sortie (A). V : Tension de sortie (V). Isc : Photocourant, ou courant généré par l'éclairement (A). Id : Courant de la diode (A). Vd : Tension de la diode (V). Ip : Courant shunt (A). n : Nombre de cellules.

35 25 \ f +? v Cell V t< - ( It' 'SC t r + 9 V t Va I t u*-? Rt Figure 1.17: Modèle équivalent d'un GPV. 1.9 Courant d^n générateur photovoltaïque : a) Cas d'un modèle simple Considérons le cas d'un modèle simple d'un générateur photovoltaïque qui est constitué d'une source de courant commandée par la lumière du soleil en parallèle avec une diode réelle (Figure 1.18). On peut écrire l'équation du courant comme suit : 1 = he-id (1.13) Pour la diode qvd Id=Io(e KT -1) (1.14) Pour une température standard de 25 degrés : qxvd 1.602xl0" 19 Vd,, M Vd -= kxt 1.381x10"" T(K) T(K) (1.15)

36 26 Id = Io{e* d \) (1.16) On aura : qvd I = lsc Io(e KT 1) ou 3&.9xVd I = Isc Io(e^xya 1) (à 25 ) (1.17) Dans le cas où / = 0 on peut résoudre l'équation et trouver la tension en circuit ouvert: KT Isc Voc = ln( 1) q Io (1.18) o; / V ~<5 \ + '^J. Gtarge= t sc k H j f o? "Charçe Figure 1.18: Modèle simple d'un PV. b) Modèle simple avec une résistance parallèle Rp Le GPV est très sensible au problème de l'ombre qui peut survenir sur une ou plusieurs cellules. Il sera alors nécessaire d'ajouter au modèle une résistance parallèle Rp qui représente les fuites entre le dessus et le dessous de la cellule et aussi les courants parasites à l'intérieur du matériau par les irrégularités ou les impuretés (Figure 1.19) On aura :

37 27 Et: I = Isc-Id Rp (1.19) I = Isc-Io(e KI -1) + Rp (1.20) Q- / /-# v W \Wj Cluirçe = /, se t T >»p A 1 Figure 1.19 : Modèle simple d'un PV avec une résistance en parallèle Figure 1.20 : Impact de la résistance parallèle.

38 28 c) Modèle simple avec une résistance série Rs On peut modéliser le PV en incluant une résistance série Rs au modèle simple (Figure 1.21). Une partie de cette résistance de contact peut être associé à la liaison entre la cellule et son fils conducteurs, et une partie peut être due à la résistance du semi conducteur lui même. Avec une résistance Rs on aura : Vd = (V + IxRs) (1.21) Et q'r'+lxrs) K l I = Isc Io(e 1) (1.22) K Q ' * v n i kl s K f>vj Charçe^> = 'se f > r A A A v V v v l l <» 1 Figurel.21 : Modèle simple d'un PV avec une résistance en série. Charçe o 4JS r}p»~. R = 0 <o R s *0 \ \ AV*/» S \ Tension Figure 1.22 : Impact de la résistance séries Rs.

39 29 d) Modèle simple avec les résistances parallèle Rp et séries Rs On peut avoir un modèle simple du PV en incluant les deux résistances Rs et Rp (Figure 1-23). Ce circuit équivalent complet sera utilisé dans la modélisation du GPV par le logiciel Matlab Simulink. Dans ce modèle le courant de la source Isc délivrera le courant à la diode, la résistance parallèle, la résistance séries et à la charge. On aura : Ht / = Isc -Id - Ip (1.23) l-isc-lo(e Kl -Y)-- Rp (1.24) Ou I = Isc- Io(e^{ K+/x/&) -1) - <L±l2LM Rp (A 25 ) (1.25) V\ + r < l V Cell t 1 - < t 1 \ ) = I, se 1 t 1 R s < là 1 ~'^' P t'? Figurel.23 : Modèle simple dun PV avec une résistance en série et parallèle.

40 30 Rp= M, R s = Q Tension Figure 1.24 : Impact des résistances parallèle et série (Rp et Rs). I o : courant de saturation de la diode (A) k : constante de Boltzmann ( k = 1.38x10~ 23 ) q : charge de l'électron ( q = x 10~ 19 c ) T : température de la cellule ( K) Résumé Les résistances série Rs et parallèle Rp sont ajoutées au modèle pour tenir compte des phénomènes dissipatifs au niveau de la cellule ( les pertes internes). D'après la Figure 1-20 avec la résistance en parallèle, le courant peut chuter pour chaque valeur de V d'après la relation : AI = V/Rp (1.26) Avec l'ajout de la résistance Rs, la courbe I-V s'inclinera vers la gauche (Figure 1.22) d'après la relation : AV = I/Rs Pour les deux cas on aura une perte de puissance donc perte de rendement. (1.27)

41 Impact de la température et de l'irradiation solaire sur la courbe I-V La température T et l'irradiation G ont un impact direct sur les performances d'une cellule photovoltaïque comme illustre la figure Quand la température des cellules augmente la tension de circuit ouvert diminue sensiblement tandis que le courant de court circuit augmente légèrement. Alors on peut remarquer que les cellules PV ont de meilleure performance dans un environnement froid avec ciel dégagé, au contraire d'un environnement chaud. Pour les cellules en silicium cristallin, Voc baisse d'environ 0.37% pour chaque degré Celsius de plus, Isc augmente de 0.05% pour les mêmes conditions. La température du GPV dépend non seulement de la température ambiante mais aussi des effets de l'irradiation de la cellule. Puisque seule une petite fraction de l'insolation qui touche le module est convertie en électricité, la plupart de l'énergie incidente est absorbée et convertie en chaleur. Pour aider les concepteurs de systèmes à tenir compte des variations de performances de la cellule avec la température, les fabricants fournissent souvent un indicateur appelé NOCT. La température de la cellule NOCT est dans un module lorsque la température ambiante est de 20 C, rayonnement solaire égal à 0,8 kw/m 2, et vitesse du vent à 1 m/s. Pour tenir compte des autres conditions ambiantes, l'expression suivante peut être utilisée : Tcell, Tamb température de la cellule et température ambiante, G : irradiation solaire (kw/m 2 ). NOCT-20 Tcell = Tamb + ( -)xg (1.28) 0.8

42 32 H IRRADIANCE: AM1.5, 1 kw/m W/m CELL TEMP. 25*C 800 W/m W/m W/m 2 200^/^ Tension Tension 30 Figure 1.25 : Courbes courant -tension sous différentes températures et niveaux d'irradiation Impact de Fombre sur la courbe I-V Les variables de sortie d'un panneau photovoltaïque peuvent être réduites considérablement quand une petite portion du panneau est touchée par l'ombre. Des solutions particulières seront donc nécessaire pour compenser ce problème de l'ombrage. Phénomène de l'ombrage Considérons la figurel.26a qui représente un module photovoltaïque avec une cellule séparée des autres. Dans cette figure, toutes les cellules sont exposées au soleil et le même courant traverse chacune d'elles. Cependant, dans la figure 1.26b, la cellule en haut est touchée par l'ombre et son courant Isc est réduit à zéro, ce qui signifie que le courant total qui circule dans le module doit passer à travers les deux résistances Rp et Rs de la cellule touchée par l'ombre. Ceci provoque une chute de la tension de sortie A V qui est donnée par la relation suivante :

43 33 AV = - + IxRp n (1.29) n : nombre de cellules 1 : courant total dans le module Oc B * tt ^ I Vs» nth cell 'se R P nth cell shaded '/{; Vi S ; n-1. cells : O (a) toutes les cellules face au soleil (b) cellule supérieur ombrée Figure 1.26 : Module photovoltaïque avec une cellule touchée par l'ombre.

44 34 <M /-V une cellule ombrée P AV*%+IR P - / S U - 1 /.yplein soleil x > ^ 1 1 '! ' i i i 1 Tension Figure 1.27 : Effet de l'ombrage d'une seule cellule sur le module. La puissance dissipée dans la cellule ombrée est convertie en chaleur ce qui peut conduire au phénomène HOT SPOT causant des dommages permanents dans la cellule. Une méthode permettant d'atténuer l'effet de l'ombrage consiste à connecter une diode "Bypass' ' en parallèle avec une cellule, comme montré à la figure Dans les conditions normales (a), la diode by-pass est bloquée et tout le courant passe par la cellule solaire tandis que dans l'ombre (b), la diode by-pass conduit le courant autour de la cellule ombrée causant seulement au module une chute de tension de 0.6V. Les courbes de la figure 1.29 illustrent l'effet de la diode Bypass sur les caractéristiques du module PV.

45 35 V r 0.5 V 9 i 1 V V Q?C f t t J i diode bypass bloquée conduit it 1 Ce.. î:*ré- (a) CeUe onèré* (b) Figure 1.28 : Cellule solaire avant et après l'effet de l'ombre avec une diode de bypass H j * ' plein soleil 2.0 o 1.5 H Tension 120 Figure 1.29 : Courbe expliquant l'impact de la diode by-pass sur le GPV.

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47 37 CHAPITRE II CONVERTISSEURS DC-DC 2.1 Introduction Le présent chapitre traite de la conversion DC/DC (continue-continue) qui a pour but de contrôler l'écoulement de l'énergie entre le panneau solaire et la charge (Figure 2-1). Pour ce type de convertisseur, la gamme de puissance que l'on peut traiter s'étend de quelques watts, à des centaines de kilowatts. Cependant, l'apparition de composants de puissance sans cesse plus performants, permet d'envisager le traitement de puissances plus élevées. \Source Chaise u Figure 2.1 : Convertisseur continu- continu. 2.2 Convertisseurs DC-DC pour les systèmes d'énergie solaire Un hacheur peut être réalisé à l'aide d'interrupteur électronique commandables à l'ouverture et à la fermeture tels que les thyristors GTO ou les transistors bipolaire ou à effet de champ à grille isolée fonctionnant en régime de commutation (tout ou rien). Le principe du hacheur consiste à établir puis interrompre périodiquement la liaison source- charge à l'aide de l'interrupteur électronique. Celui ci doit pouvoir être fermé ou ouvert à volonté afin d'avoir une tension de sortie continue réglable (figure 2.2).