Etude de l impact des facteurs climatique (Température, ensoleillement) sur la puissance des cellules Photovoltaïques

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1 Résumé : Etude de l impact des facteurs climatique (Température, ensoleillement) sur la puissance des cellules Photovoltaïques Sebbagh Toufik( *)(1) Abdelouahed Assia (2) (1) LGMM, Département G. Mécanique, Université 2 Aout Skikda (2) Département G. Civil, Université 2 Aout Skikda sebb_t@yahoo.fr Le présent article présente un modèle compréhensible des cellules Photovoltaïques, Après un traitement analytique, le panneau solaire a été simulé sous Matlab. Le model est ensuite utilisé pour voir son comportement face aux deux facteurs climatiques, la température et l ensoleillement. Introduction : L énergie solaire a l avantage d être une énergie propre non polluante pour l environnement et inépuisable. L effet photovoltaïque (PV) est un des manières d exploitation de l énergie en transformant l énergie des photons en électricité au moyen des cellules solaires. Les performances d un système PV dépend fortement des conditions climatiques, telles que l ensoleillementet la température. Le dimensionnement correct d un système PV est important pour assurer une fourniture l énergie continuellement durant toute l année. Une étude profonde et rigoureuse est exigée dans le but de faire le meilleur choix, le plus performant et au moindre coût. Malheureusement les informations fournies par les constructeurs d équipements photovoltaïques ne permettent que de dimensionner approximativement le système PV. L objectif principal de cette étude est de simuler les performances d un panneau PV, à savoir le générateur PV sous diverses conditions climatiques. Pour réaliser notre objectif, nous avons établi un modèle simple et fiable, avec uneprécision acceptable pour prévoir les performances d un générateur PV dans des conditions climatiques différentes. Modélisation du Générateur PV: Le modèle généralisé d une Cellule PV [1] se constitue d une diode connectée en parallèle avec un générateur de courant auxquels en ajoute une résistance série et une résistance shunt pour tenir compte des phénomènes dissipatifs au niveau de la cellule.

2 Figure1 : modèle général d une cellule PV Pour atteindre certains valeurs de courant et/ou de tension, un nombre Ns des cellules sont mises en série et Np sont reliée en parallèle. La combinaison des Ns et Np cellules constituent un panneau solaire. Un panneau solaire peut être représenté comme le montre la figure2. Figure2 : modèle d un panneau solaire à Ns cellules séries et Np cellules parallèles [2] Par conséquent les équations mathématiques décriront ce système sont : Avec : = (1)

3 = +. (2) =. (3) = (4) I PH : Photocourant I S : Courant de saturation de la cellule q : Charge d électron. q= C k : Constante de Boltzmann k= J/K T c : Température de fonctionnement de la cellule R SH : Résistance shunt = Ω R S : Résistance série = Ω I SC : Courant de court-circuit de la cellule à 25 C,1kW/m 2 V OC : Tension à circuit ouvert K I : Coefficient de température du courant de court-circuit T Ref : Température de référence de la cellule λ : irradiation solaire en kw/m 2 I RS : Courant de saturation inverse de la cellule E G : Energie de gap pour le silicium cristalline = 1.12eV N P : Nombre de cellules parallèles =2 N s : Nombre de cellules en série=4 Résultat de simulation Le modèle présenté dans la section précédente a été développé sous l environnement Matlab, les résultats de simulation sont montrer dans les sous sections suivantes Effet de la température : Pour voir l impact de la température, on a fait une simulation dans laquelle on a maintenu un éclairement constant soit 1w/m 2 pour plusieurs valeurs de température soit ( C, 25 C, 5 C, 75 C 1 C)

4 8 7 6 C 25 C 5 C 75 C 1 C 5 Current (A) Voltage (V) Figure3 : effet de la température sur la caractéristique I V C 25 C 5 C 75 C 1 C Power in watt Voltage in volt Figure4 : effet de la température sur la caractéristique P V Figure 3 et figure 4 montrent l évolution des caractéristiques I-V et P-V en fonction de la température. Le courant de court-circuit augmente lorsque la température s élève et engendre

5 une décroissance moins prononcée de la tension de circuit ouvert, ainsi que la réduction de puissance en élevant la température Effet de l ensoleillement Contrairement au cas précédent, on a maintenu une température constante de 25 C pour différents éclairements (W/m 2, 1W/m 2, 2W/m 2, 3W/m 2, 4W/m 2, 5W/m 2,6W/m 2,7W /m 2,8W/m 2,9W/m 2, 1W/m 2 ) 8 Current (A) W /m2 1W /m2 2W /m2 3W /m2 4W /m2 5W /m2 6W /m2 7W /m2 8W/m2 9W/m2 1W /m Voltage (V) Figure 5 : Impact de l ensoleillement sur la caractéristique IV

6 12 Power in watt W /m2 1W /m2 2W /m2 3W /m2 4W /m2 5W /m2 6W /m2 7W /m2 8W/m2 9W/m2 1W /m Voltage in volt Figure 6: Impact de l ensoleillement sur la caractéristique PV La caractéristique I-V montre une variation constante du courant suivi d une diminution brutale en dépassant une tension seuil. Ce qui résulte une augmentation nette de la puissance. Conclusion : Cet article traite la modélisation de la conversion d énergie PV sous l effet des conditions climatiques sur le comportement des cellules solaires. Un modèle mathématique présenté en première instance a été développé ensuite sous Matlab et simulé pour deux effets : divers variable de l éclairement et de la température. Les résultats de simulation montrent que la production de l énergie augmente avec l augmentation de l irradiation alors que l augmentation de la température diminue la puissance et le courant

7 Références : [1] E. Lorenzo, Solar Electricity: Engineering of Photovoltaic System, Progensa, Sevilla, [2] A. Amevi, Novel Photovoltaic Module Modeling using Matlab/Simulink, IJCA ( ), V. 83 No.16, 213