Master Energétique et Environnement : Travaux Pratiques

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1 Page 1 Master Energétique et Environnement : Travaux Pratiques TP Energie Solaire UPMC Université Pierre et Marie Curie Master Science de l Ingénieur

2 Page 2 Table des matières A. Introduction Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire Eléments du rayonnement solaire... 5 a) Spectre du rayonnement solaire. Constante solaire et «valeur du Soleil»... 6 b) Variation diurne et annuelle... 8 c) Irradiance disponible sur la surface de la terre... 8 d) Angle permettant de projeter le flux incident sur la surface du capteur... 9 B. Principe des capteurs solaires Principe de fonctionnement a) Composition d une cellule PV b) Récupération des électrons trous c) Technologies de cellules solaires d) Caractéristique U/I de la cellule solaire e) Montage électrique équivalent. Modélisation électrique d une cellule photovoltaïque Fonctionnement aux conditions optimales. Concept du contrôleur MPPT a) Concept du contrôleur b) Connexion directe sans MPPT c) Connexion avec adaptation MPPT Architecture d un générateur photovoltaique a) Association en série b) Association en parallèle c) Aménagement du montage final. Ombrage et effet de Hot Spot Rendements associés à la chaîne de conversion d) Définition des besoins électriques e) Exemple de choix d équipements Elément d'une installation solaire: a) Accumulateurs b) Régulateur de charge c) Onduleur C. TP : Dimensionnement d'une installation Pré étude et choix des éléments a) Etude des caractéristiques des panneaux b) Etude du rayonnement solaire... 33

3 Page 3 c) Etude de différents aménagement de capteurs PV d) Phénomène d ombrage. Comportement des modules PV en fonction de leurs connexions Exemple d'application a) Calcul de l'énergie nécessaire pour satisfaire aux besoins d'une famille b) Calcul du nombre de module et de la surface de pose c) Correction en tenant compte des différentes pertes (électriques, ombrage, salissures) 41 d) Limite de tension e) Régulateur de charge f) Montage Onduleur g) Calcul de la capacité batterie... 44

4 TP Energie solaire Page 4 A. Introduction 1. Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire. Les sources d énergie conventionnelles telles que le nucléaire ou les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont issues de stocks limités de matières extraites du sous-sol de la terre. Chacune d elles provoquent dans leurs utilisations des conséquences à long terme plus ou moins importantes sur l environnement et qui tendent à être mieux maitrisées: pollution atmosphérique, changement climatique, contamination radioactive... A l opposé, les sources d énergie renouvelables ont recours à des flux naturels qui traversent de façon plus ou moins permanente la Biosphère. Dans le cas d une utilisation d une infime partie de ces flux, alors ces énergies resteront inoffensives pour l environnement naturel aussi bien localement que globalement. Toutes les énergies renouvelables sont issues directement ou indirectement du soleil. Son rayonnement direct peut être utilisé de deux manières : sa chaleur peut être concentrée pour chauffer de l eau sanitaire, des immeubles, des séchoirs, ou bien un liquide en circulation afin de produire de l électricité par l intermédiaire d un alternateur ou d une dynamo. C est le solaire thermique. sa lumière peut être transformée directement en courant électrique grâce à l effet photovoltaïque Figure 1 : Bertrand Piccard prépare un tour du monde à bord d un avion futuriste alimenté seulement par de l énergie solaire, avec un défi technique : emmagasiner suffisamment d énergie de jour pour voler de nuit. L énergie solaire qui touche la terre représente en tout environ kwh/an (1 540 péta kwh/an). C est fois plus que la consommation d électricité mondiale. Il faut évidement prendre en compte l ensoillement local, enlever les surfaces des mers ainsi qu intégrer les performences des systèmes de conversion de l énergie solaire par panneau photo voltaique (PV).

5 Page 5 Figure 2 : Besoin énergétique et énergie disponibles issues de différentes ressources. Source Eco Solar Equipment Ltd L étude qui vous est proposée a pour objectif de mettre en évidence les performances de l ensemble des éléments constituants une chaine de production d électricité basée sur des capteurs photovoltaïques puis de les monter pour simuler une installation complète (exemple celle d une maison de vacances qui comporte différents besoins électriques). Figure 3 : Schéma de principe d un système PV 2. Eléments du rayonnement solaire Il faut noter que la cellule photovoltaïque (PV), n est pas une pile, mais un convertisseur instantané d énergie, qui ne pourra fournir une énergie sous forme électrique que si elle reçoit une énergie sous forme de rayonnement. La cellule solaire ne peut être assimilée à aucun autre générateur classique d'énergie électrique de type continu. Ceci est dû au fait qu'elle n'est ni une source de tension constante ni une source de courant constant. Actuellement, le rendement de conversion d'énergie solaire en énergie électrique est encore faible (souvent inférieur à 12 %) mais de très nombreuses recherches rendent prometteuses les évolutions du rendement. Sous un ensoleillement nominal de 1000 W/m2, il faut environ 9 m 2 de panneaux PV pour fournir 1 kwc, ce qui induit un coût élevé du watt crête. Ce rendement faible ainsi que le coût élevé de la source photovoltaïque ont incité les utilisateurs à exploiter le maximum de puissance électrique disponible au niveau du générateur PV. Ce maximum est généralement obtenu en assurant une bonne adaptation entre le générateur PV et le récepteur associé. Cette adaptation est effectuée à l'aide de convertisseurs statiques basés sur différents modes de fonctionnement.

6 Page 6 a) Spectre du rayonnement solaire. Constante solaire et «valeur du Soleil» La production d'électricité photovoltaïque dépend de l'ensoleillement du lieu et de la température, donc de sa localisation géographique, de la saison et de l'heure de la journée La température à la surface du soleil avoisine les 5800 K. Le spectre du rayonnement solaire s avère donc similaire à celui d un corps noir de 5800 K. On appelle constante solaire l éclairement énergétique du Soleil sur l atmosphère extérieure lorsque le Soleil et la Terre se trouvent distants d une UA une UA (unité astronomique) est la distance séparant la Terre du soleil, soit km. Les valeurs actuellement admises sont proches de 1360 W/m -2. La constante solaire désigne l éclairement intégré total sur la totalité du spectre (Figure 4). Figure 4: Spectre de rayonnement à l extérieur de l atmosphère terrestre comparé au spectre d un corps noir à 5800 K (newport). L éclairement qui traverse l atmosphère terrestre varie chaque année d environ 6,6 % en raison de la variation de distance entre la Terre et le Soleil. Les variations de l activité solaire provoquent des modifications de l éclairement pouvant aller jusqu à 1 %. Le spectre du rayonnement solaire à la surface de la Terre est constitué de différents éléments. Le rayonnement direct provient directement du soleil, tandis que le rayonnement diffus est diffusé par le ciel et le milieu extérieur. Un autre rayonnement encore est réfléchi par le milieu extérieur (la terre ou la mer) en fonction de l albédo local (albédo = rapport de l'énergie solaire réfléchie par unité de surface sur l'énergie solaire incidente). Le rayonnement terrestre total est appelé rayonnement global. Il convient en ce qui concerne l éclairement global de définir la direction de la surface cible.

7 Page 7 Figure 5: Rayonnement global total au niveau du sol et ses composantes directes, diffuses et réflectives. L intégralité du rayonnement qui atteint le sol traverse l atmosphère, ce qui modifie le spectre en raison des phénomènes d absorption et de diffusion. L oxygène et l azote atomiques et moléculaires absorbent le rayonnement de très courte longueur d onde, faisant effectivement obstacle au rayonnement aux longueurs d onde de <190 nm. L absorption par l oxygène moléculaire contenu dans l atmosphère du rayonnement ultraviolet de courte longueur d ondes entraîne un phénomène de photodissociation (de l oxygène) qui engendre à son tour une production d ozone. L ozone absorbe fortement les ultraviolets de longueurs d ondes plus élevées entre 200 et 300 nm (bande de Hartley), mais absorbe peu le rayonnement visible. La vapeur d eau, le dioxyde de carbone et, dans une moindre mesure, l oxygène, absorbent de manière sélective dans l infrarouge proche. La diffusion (de particules) de Rayleigh dépendante de la longueur d onde et la diffusion par les aérosols et autres particules en suspension dans l air, dont notamment les gouttelettes d eau, modifient également le spectre du rayonnement qui atteint le sol (c est à ces deux phénomènes que le ciel doit sa couleur bleue). Figure 6: Spectre au niveau du sol Dans une atmosphère estivale sans nuage typique et avec un angle zénithal de 0, les 1367W/m-2 qui atteignent l atmosphère extérieure sont réduits à un rayonnement du faisceau direct de 1050 W/m -2 environ et à un rayonnement global d environ 1120 W/m-2 sur une surface

8 horizontale au niveau du sol. La convention AM (air mass) définie la façon dont le spectre solaire est mesuré. Page 8 Figure 7: Normes de mesures du spectre d énergie lumineuse émis par le soleil, notion de la convention AM. b) Variation diurne et annuelle Les figures suivantes montrent les variations diurnes et annuelles typiques du flux radiatif solaire global. La demi-largeur réelle et la position maximale de la courbe dépendent de la latitude et de la saison. L impact des nuages est pris en compte. Enfin, la figure de droite présente l éclairement solaire global au soleil de midi mesuré dans l Arizona, montrant la variation annuelle. Figure 10 : Variations diurnes du flux radiatif solaire global un jour nuageux et annuellement (newport) c) Irradiance disponible sur la surface de la terre Au delà de la constante solaire de l'ordre de 1360W/m2 qui ne tient pas compte de la traversée de l'atmosphère, l'énergie disponible à la surface terrestre est moindre et dépend de l'exposition dans le temps et la localisation. En effet, l ensoleillement d une surface est plus important quand cette surface fait directement face au Soleil. Lorsque l angle augmente entre la direction normale à la surface et celle des rayons du Soleil, l ensoleillement est réduit proportionnellement au cosinus de l angle. Cela explique la répartition de l ensoleillement et donc du potentiel solaire sur la Terre visible sur la figure suivante.

9 Page 9 Figure 8: Distribution spatiale du rayonnement solaire annuel sur la Terre et en France d) Angle permettant de projeter le flux incident sur la surface du capteur Les figures suivantes illustrent les angles qui rentrent en jeu dans le calcul de l irradiance disponible à un moment de la journée, pour une localisation spatiale et un montage spécifique angulaire du capteur. Déclinaison : δ La déclinaison est l'angle situé entre l'équateur et la distance du centre de la Terre au centre du Soleil. Comme l'axe de la Terre est incliné à 23,45, la déclinaison varie au cours d'une année de ±23,45. En été et en hiver, la déclinaison atteint son maximum. En revanche, au printemps et à l'automne, elle s'élève à 0 C. Azimut : α L azimut solaire est l angle que fait le plan vertical du soleil avec le plan méridien du lieu. On le mesure à partir du Sud, vers l Est ou vers l Ouest (0 pour le Sud, 180 pour le Nord). Les lignes verticales du diagramme figurent les angles azimutaux de 10 en 10 Elévation du soleil ou hauteur : γ La hauteur du soleil est l angle que fait la direction du soleil avec le plan horizontal. Les lignes horizontales du diagramme figurent les hauteurs angulaires de 10 en 10 au-dessus de l horizon (0 pour le plan horizontal et 90 pour le zénith). γ max = 90 Φ+δ Comme le Soleil se «déplace» dans le ciel pendant la journée, son élévation se modifie sans cesse.

10 Plan du capteur PV Page 10 Rayons solaires γ Φ δ δ: Déclinaison Φ: latitude γ: Elévation α: Azimuth Figure 9 : Schéma de principe de la terre et des angles rentrant dans le calcul de l irradiance. Vue locale de l utilisateur avec azimut et élévation. Figure 10 : Courbe bleu clair (G*) : Energie solaire qui arrive sur le capteur. Courbe I* + D* (vert clair) : cas d un capteur solaire motorisé. En moyenne suivant la courbe G*, il est récupéré 14,2% de Esol sur l'année et 28,6% sur la journée. (ESol : rayonnement solaire, I*: rayonnement solaire direct, D* : rayonnement solaire diffus, G* : rayonnement solaire global, S* rayonnement solaire direct sur le capteur.

11 Page 11 Figure 11 : Elévation en fonction de l azimut (heure de la journée) et de la période de l année (latitude 43 ) Angle du capteur : θ Lorsque le rayonnement touche une surface horizontale, l'angle d'incidence du capteur doit être pris en compte. On introduit alors un rendement d utilisation en comparant la surface d'un plan horizontal avec un plan incliné perpendiculaire au Soleil et pour la même puissance de rayonnement. Figure 12 : Représentation des angles projetés terre-soleil et capteur-horizon Rayonnement quotidien moyen, Temps d'éclairement équivalent Un module se caractérise avant tout par sa puissance-crête Pc (W), puissance dans les conditions STC (standard test conditions). Le module exposé dans les conditions STC va produire à un instant donné une puissance électrique égale à cette puissance crête, et si cela dure N heures, il aura produit une énergie électrique Eelec égale au produit de la puissance crête par le temps écoulé : Eelec = N * Pc Cependant, le rayonnement n est pas constant pendant une journée d ensoleillement, donc on ne peut pas appliquer strictement cette loi. Afin de calculer ce que produit un module photovoltaïque pendant une journée d ensoleillement qui a un certain profil et une énergie solaire intégrée en Wh/m², on va assimiler cette énergie solaire au produit du rayonnement instantané 1000 W/m² par un certain nombre d heures que l on appelle «nombre d heures équivalentes».

12 Page 12 Grâce à la valeur de 1000 de ce rayonnement de référence, le nombre d heures équivalentes se retrouve exactement égal à l énergie solaire intégrée si on l exprime en kwh/m² /jour faisant référence au tableau 1. Le tableau suivant indique le rayonnement quotidien moyen sur une surface horizontale en kwh/m²/jour pour différentes localisations. La valeur fournie indique qu il s agit du nombre d heure équivalent à un rayonnement de référence de 1000W/m 2. Site / Mois Jan Fév Mar Avr Mai Juin Juil Août Sep Oct Nov Déc Paris ,73 2,78 3, Berlin 0,61 1,14 2,44 3,49 4,77 5,44 5,26 4,58 3,05 1,59 0,76 0,46 Perpignan B. Principe des capteurs solaires 1. Principe de fonctionnement Tableau 1: Rayonnement quotidien moyen La conversion photovoltaïque aujourd hui largement utilisée peut être simplement définie comme la transformation de l énergie des photons en énergie électrique grâce au processus d absorption de la lumière par la matière. Lorsqu un photon est absorbé par le matériau, il passe une partie de son énergie par collision à un électron l arrachant littéralement de la matière. Ce dernier étant précédemment à un niveau d énergie inférieur où il était dans un état stable passe alors vers un niveau d énergie supérieur, créant un déséquilibre électrique au sein de la matière se traduisant par une paire électron-trou, de même énergie électrique. Généralement, la paire électron-trou revient rapidement à l équilibre en transformant son énergie électrique en énergie thermique. Même si le phénomène électrique est secondaire devant le phénomène thermique (incluant la chauffe du matériau par les rayons solaires), récupérer tout ou partie de l énergie électrique est le premier objectif des capteurs photovoltaïques sous forme de cellules ou de générateurs. Cela est possible grâce par exemple à des cellules solaires réalisées en associant un matériau semi-conducteur dopé N à un autre semi-conducteur dopé P. L énergie produite par l absorption d un photon dans un matériau se traduit du point de vue électrique par la création d une paire électron-trou. Cette réaction entraine une différence de répartition des charges créant ainsi une différence de potentiel électrique, c est l effet photovoltaïque.

13 Page 13 Figure 13 : Schéma de principe du montage d une cellule PV a) Composition d une cellule PV Couche semi-conductrice de type p Le matériau semi-conducteur contient des atomes externes qui possèdent une quantité inférieure d'électrons libres. On obtient ainsi un excédent positif de porteurs de charge (trous d'électrons) dans le matériau semi-conducteur. Ces couches sont appelées des couches semiconductrices à conduction de type p. Couche semi-conductrice de type n Le matériau semi-conducteur contient des atomes externes qui possèdent une quantité supérieure d'électrons libres. On obtient ainsi un excédent négatif de porteurs de charge (électrons) dans le matériau semi-conducteur. Ces couches sont appelées des couches semi-conductrices à conduction de type n. Doigts de contact et contact métallique de la face arrière Avec le contact métallique arrière, les doigts de contact constituent les connexions permettant de brancher par exemple un consommateur. Couche antiréflexion La couche antiréflexion a pour but de protéger la cellule PV et de réduire les pertes de réflexion à la surface de la cellule. b) Récupération des électrons trous En règle générale, les cellules solaires sont fabriquées en silicium, deuxième élément le plus fréquent de la croûte terrestre. Un atome de silicium possède quatre électrons de valence. Dans un cristal de silicium, deux électrons d'atomes adjacents forment une paire d'électrons. Dans cet état, le cristal de silicium n'est pas un conducteur électrique, car il ne dispose d'aucun électron libre pour transporter la charge.

14 Page 14 Figure 14 : Schéma de la matière cas sans et avec dopage. Un champ électrique permet de séparer les électrons des trous. Dans les semi-conducteurs, l'apport d'atomes perturbateurs permet de générer un champ électrique. À cet effet, des atomes à cinq électrons sont placés dans une région. Cette région est un semiconducteur n ou dopé n, car, comparée au réseau de cristal de silicium pur, elle présente une charge légèrement négative. Des atomes à trois électrons sont placés dans une autre région. Cette région est un semiconducteur p ou dopé p, car, comparée au réseau de cristal de silicium pur, elle présente une charge légèrement positive. Si les semi-conducteurs n et p sont adjacents, il se forme à leur limite la jonction p-n, dont provient un champ électrique. On obtient une jonction p-n en associant des couches semi-conductrices p et n. À la limite entre les deux couches, les électrons se déplacent de la couche n vers la couche p et s'y recombine avec les trous. c) Technologies de cellules solaires Les cellules solaires peuvent être réparties en trois groupes, selon le matériau de base utilisé : cellules monocristallines cellules poly cristallines cellules à couches minces Le groupe des cellules à couche mince compte les cellules amorphes au silicium et les cellules formées à partir d'autres matériaux, comme le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) ou l'arséniure de gallium (GaAs). Dans la pratique, les cellules en silicium ont fini par s'imposer. Cellules solaires monocristallines Des blocs de silicium sont formés à partir de fonte de silicium ultra-pure. Dans un monocristal, le réseau cristallin complet est agencé de manière uniforme. Le bloc de silicium est découpé en rondelles de 200 à 300 μm d'épaisseur, appelées galettes. Pour permettre un usage optimal de la surface du module solaire, les cellules rondes sont découpées en éléments carrés. D'habitude, les cellules présentent une longueur d'arête de 152 mm. La fabrication est conclue par le dopage, l'application des surfaces de contact et de la couche anti réflexion. Possédant un rendement variant entre 15 et 18 %, les cellules monocristallines fabriquées industriellement sont les cellules ayant actuellement le rendement le plus élevé. Cependant, leur fabrication requiert plus d'énergie et de temps que celle des cellules poly cristallines.

15 Page 15 Figure 15 : Cellules solaires monocristallines, poly cristallines, amorphes Cellules solaires poly cristallines Le matériau de base est du silicium ultra-pur qui est porté à fusion. Mais pour la fabrication de cellules solaires poly cristallines, on ne cultive pas de monocristaux, mais la fonte de silicium est refroidie de façon contrôlée dans un moule carré. Pendant le refroidissement, les cristaux s'orientent de manière irrégulière et forment la surface miroitante typique pour les cellules solaires poly cristallines. Les blocs de silicium carrés sont découpés en galettes de 200 à 300 μm d'épaisseur. La fabrication est conclue par le dopage, l'application des surfaces de contact et de la couche anti réflexion. La couche anti réflexion offre à la cellule solaire sa surface bleue typique, car le bleu réfléchit le moins de lumière et en absorbe la plus grosse quantité. Les cellules solaires poly cristallines présentent un rendement entre 13 et 16 %. Cellules solaires amorphes Le terme amorphe vient du grec (a : sans, morphé: forme) et signifie qui n'a pas de forme. En physique, on appelle amorphes les éléments dont les atomes présentent des formes irrégulières. Si les atomes ont une structure ordonnée, on les appelle des cristaux. Pour la fabrication de cellules solaires amorphes, on applique le silicium sur un matériau support, comme par ex. le verre. L'épaisseur du silicium s'élève alors à env. 0,5 à μm. 2 Ainsi, non seulement la quantité de silicium requise est-elle assez faible, mais le découpage fastidieux des blocs de silicium n'est plus nécessaire. Le degré de rendement des cellules solaires amorphes se situe seulement à 6-8 %. Matériau de base Rendement en % Surface en m2 Cellule monocristalline Cellule poly-cristalline Cellule amorphe Cellule au diséléniure de cuivre et d'indium Figure 16 : Rendement des différentes technologies Les cellules multi-jonctions à haut rendement. Aujourd'hui, la plupart des cellules photovoltaïques inorganiques sont constituées d une simple jonction PN. Dans cette jonction, seuls les photons dont l'énergie est égale ou supérieure à la transition énergétique d un électronique (cad la bande interdite du matériau notée Eg en ev) sont capables de créer des paires électron-trou. En d'autres termes, la réponse photovoltaïque d une cellule simple jonction est limitée à l énergie du photon. Seule la proportion du spectre solaire dont l énergie des photons est supérieure au gap d absorption du matériau est utile, l énergie des photons plus faible n est donc pas utilisable. D autre part, même si l énergie des photons est suffisante, la probabilité de rencontrer un électron est faible. Ainsi, la plupart des photons traversent le matériau sans avoir transférer leur énergie. Une première réponse pour limiter les pertes est connue de longue date du point de vue technologique. Il suffit d utiliser des systèmes à plusieurs niveaux, en empilant des jonctions

16 possédant des gaps décroissants (Figure 2-12). Ainsi il est possible d exploiter le spectre solaire dans sa quasi-totalité avec des rendements de conversion très importants. Page 16 Figure 17 : Principe de la cellule à hétérojonction. d) Caractéristique U/I de la cellule solaire Pour le spécialiste, la caractéristique d'une cellule ou d'un module est un critère d'appréciation très important. L'illustration montre la courbe U/I typique d'une cellule PV pour différentes intensités de rayonnement ainsi que pour différents types de matériaux. Figure 18 : Courbes caractéristiques courant tension d une cellule pour différents éclairements et pour différentes technologies. La figure suivante montre l allure très caractéristique de la puissance. La puissance maximum qui se trouve être atteinte pour une plage restreinte du couple (U,I) devra être recherchée à tout instant quelque soit l état d éclairement. Figure 19 : Caractéristiques majeures d une cellule PV Effet de la température De même, toute l énergie des photons n arrivant pas à se transformer en électricité est absorbée par le matériau sous forme thermique. Le matériau constituant les capteurs PV a alors sa

17 Page 17 température interne qui augmente proportionnellement à l énergie solaire reçue. Le taux de conversion photon-électron est faible car un certain nombre de conditions doivent être réuni pour que ce phénomène se produise. L effet thermique est donc majoritaire sur la plupart des capteurs, détériorant d autant plus les performances de ces derniers. C'est pourquoi la température d'une cellule est toujours plus élevée que la température ambiante. Pour estimer la température de cellule T c à partir de la température ambiante T a, on peut utiliser la formule de correction suivante : Es Tc = Ta + ( TUC 20) 800 T UC est la température nominale de fonctionnement de la cellule solaire, T a est la température ambiante, Es est l'énergie d'ensoleillement. Figure 20 : Evolution de la puissance fournie par une cellule PV lorsque sa température de fonctionnement augmente. Un des éléments clés dans ces recherches est la capacité d optimiser la conversion photovoltaïque et donc l obtention de rendements très élevés. Ces recherches s appuient sur l analyse théorique de la conversion photon-électron adaptée à l ensemble du spectre solaire. Cellesci montrent que le rendement maximum théorique serait alors d environ 85%. On est loin de ces rendements. La figure suivante montre l évolution des rendements record des principales filières photovoltaïques actuelles. On y retrouve les différentes cellules au silicium monocristallin et polycristallin, les cellules au silicium amorphe, les cellules en alliage de Diséléniure de Cuivre Indium Galium (notécigs), au tellurure de cadmium (CdTe), mais aussi les cellules à base de composés III-V qui appartiennent à la catégorie des cellules multi-jonctions.

18 Page 18 Figure 21 : Rendements record de cellules photovoltaïques obtenus en laboratoire. e) Montage électrique équivalent. Modélisation électrique d une cellule photovoltaïque. Lorsqu une jonction PN réalisée à partir de matériaux sensibles à la lumière est éclairée, elle présente la particularité de pouvoir fonctionner en générateur d énergie. Ce comportement en statique peut être décrit par l équation électrique définissant le comportement d une diode classique dit modèle à une diode le plus cité dans la littérature. Le module photovoltaïque est caractérisé par son schéma électrique équivalent qui se compose d une source de courant qui modélise la conversion du flux lumineux en énergie électrique, une résistance shunt (court circuit) R sh qui est une conséquence de l état le long de la périphérie de la surface de la cellule, une résistance série R s représentant les diverses résistances de contact et de connexion, une diode en parallèle qui modélise jonction PN. Figure 22 : Montage électrique équivalent Le courant généré par le module est donné par la loi de Kirchhoff : I= Ip Id Ish Avec I le courant délivré par le module, I p le photo courant, I d le courant de diode et Ish Le courant shunt. Le courant I p est directement dépendant des rayonnements solaire E s et de la température de la cellule T c, il est donné par la relation suivante: I p =P1 Es 1+P 2(Es -E ref )+P 3(Tc -T cref ) P P Rs P P Rsh

19 Tableau 2: Exemple de valeurs des paramètres Page 19 La température de la cellule peut être calculée à partir de la température ambiante et celle d irradiation comme suit : Es Tc = Ta + ( TUC 20) 800 Le courant de la diode est donné par: e 0(V+ RI) An kt I = I (exp s c 1) d sat Avec I sat est le courant de saturation. Il est fortement dépendant de la température et est donné par: Eg 3 kt I c sat = P4 Tc exp Le courant de la résistance shunt est calculé par : V+ RI I s sh = Rsh En regroupant l'ensemble des équations, on obtient: I=I (E,T ) I (V,I,T ) I (V) p s j d j sh Eg e 0(V+ RI) 3 ktc AnskT V+ RI = P c s 1Es 1+P 2(Es -E ref )+P 3(Tc -T cref ) P 4T j exp (exp 1) Rsh Il est alors proposé le schéma électrique équivalent de la cellule PV en un schéma bloc comportant quatre variables. Figure 23: Schéma bloc du Générateur Photovoltaïque E ref Irradiation de référence 1000 W/m² T ref Température de référence 25 C ns nombre de cellule en série dans un module 72 e 0 La charge d électron 1, C K Constant de Boltzmann 1, J/K E g Energie de gap pour le silicium cristalline 1.12 ev T a Température ambiante T UC Condition de température nominale de fonctionnement 45 C de la cellule qui est donnée par le constructeur Le modèle du générateur photovoltaïque à 1 diode a été utilisé pour simuler les caractéristiques P(V) et I(V) pour une large plage de variation de la puissance de l éclairement reçu par le panneau photovoltaïque (entre 150 à 850 W/m²) et de température (de 20 C à 38 C).Une comparaison des caractéristiques obtenues par simulation numérique avec celles obtenus pratiquement durant une journée ensoleillée. Les résultats pratiques et de simulation du modèle à une diode sont représentés sur les figures suivantes. Nous remarquons un très bon accord entre les caractéristiques expérimentales et celles simulées où l erreur commise sur la puissance maximale et de l ordre de 1.53% pour le modèle à une diode.

20 Page 20 Figure 24: Caractéristiques I=f(V) et P=f(V) pratique et simulation dupanneau PV -Modèle une diode. [O.AMRANI, D. REKIOU rapport interne] Facteur de forme P FF = max I cc *Vco Un paramètre important est souvent utilisé à partir de la caractéristique I(V) pour qualifier la qualité d une cellule ou d un générateur PV : c est le facteur de remplissage ou fill factor (FF). Il est illustré sur la Figure 2-7. Ce coefficient représente le rapport entre la puissance maximale que peut délivrer la cellule notée Pmax et la puissance formée par le rectangle Icc*Voc. Plus la valeur de ce facteur sera grande, plus la puissance exploitable le sera également. Les meilleures cellules auront donc fait l objet de compromis technologiques pour atteindre le plus possible les caractéristiques idéales. Figure 25 : Notion de facteur de forme FF pour une cellule photoélectrique. 2. Fonctionnement aux conditions optimales. Concept du contrôleur MPPT a) Concept du contrôleur D'un point de vue expérimental, les cellules photovoltaïques (PV) présentent de grandes variances de leur puissance électrique en fonction des conditions météorologiques. De plus, quand elles sont connectées à une charge, certains problèmes apparaissent, et la puissance transférée à la charge correspond rarement à la puissance maximale délivrée par le générateur PV. On remarque des problèmes similaires dans le cas de l éolien. Quand une source d'énergie est connectée à une charge, le point de fonctionnement est déterminé en prenant l'intersection de la caractéristique électrique I-V avec celle de la charge. Ce point de fonctionnement varie du fait que la source d'énergie où la charge varie à tout moment. Souvent, on n'opère pas à la puissance maximale de la cellule PV, ce qui entraine que la puissance fournie à la charge est inférieure à la puissance maximale que l'on pourrait fournir.