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I.Généralités sur les cellules photovoltaïques I.1.Introduction : Les énergies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la source d énergie valorisée et l énergie utile obtenue. Il existe plusieurs types de sources d énergies renouvelables parmi eux : l énergie hydroélectrique, l énergie éolienne, l énergie de la biomasse et l énergie photovoltaïque. Les sources d énergies renouvelables proviennent Directement ou indirectement du soleil. Elles sont donc disponibles indéfiniment tant que celui-ci brillera. L énergie photovoltaïque est la plus jeune des énergies renouvelables, elle a l avantage d être non polluante, souple et fiable [4]. Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis 40 ans. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour la transmission radio des satellites. Elles se sont poursuivie ensuite avec les balises en mer et l'équipement de sites isolés dans tous les pays du monde, en utilisant les batteries pour stocker d'énergie électrique pendant les heures sans soleil [5]. I.2.Principe d une cellule photovoltaïque : Une cellule photovoltaïque est capteur constitué d un matériau semi-conducteur absorbant l énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d absorption du rayonnement lumineux par des matériaux semi-conducteur. Ainsi le choix des matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV se fait en fonction des propriétés physiques de certains de leurs électron susceptible d être libérés de leurs atomes lorsqu ils sont excités par des photons provenant du spectre solaire et possédant une certaine quantité d énergie selon leurs longueurs d onde. Une fois libérés, ces charge se déplacent dans le matériau formant globalement un courant électrique de nature continu(dc).la circulation de ce courant donne alors Naissance à une force électromotrice (fém.) aux bornes du semi-conducteur correspondant ainsi au phénomène physique appelé effet photovoltaïque. La figure (1.1) illustre la constitution d une cellule photovoltaïque en silicium. 2
Figure (1.1) Description d une photopile ou cellule photovoltaïque I.3 La cellule solaire : On appelle cellule solaire un convertisseur qui permet la conversion de l énergie solaire en énergie électrique. La photopile ou cellule solaire est l élément de base d un générateur photovoltaïque [6] Il existe trois grands types de silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe. I.3.1 Cellule au silicium mono-cristallin : Pour ce genre d applications technologiques, le silicium pur est obtenu à partir de la silice de quartz ou de sable par transformation chimique métallurgique. Le silicium a un rendement électrique et une durée de vie de l ordre de deux fois celle du silicium amorphe, mais il est nettement plus cher[7]. 3
Figure (1.2) Cellule au Silicium Monocristallin[9] I.3.2Cellule au silicium poly-cristallin : Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau est moins coûteux (que le mono-cristallin). Les cellules carrées ou rectangulaires sont faciles à utiliser[7] Figure (1.3) : Cellule au Silicium Poly-cristallin[9] I.3.3 Cellule au silicium amorphe : Le silicium absorbe le rayonnement solaire jusqu à 100 fois mieux qu en état cristallin; les cellules sont constituées par des couches très minces[8] 4
Figure (1.4) : Cellule au Silicium amorphe (couche mince)[9] I.4 Jonction PN utilise comme capteur : Une jonction PN est formée quand les semi-conducteurs de type n et de type p sont placés en contact. Dans un tel dispositif, certains des électrons de conduction excessifs dans le matériau émigrent rapidement au matériau de type p pour combler les trous de valence. Ceci provoque un champ électrique fort et permanent à proximité de la jonction, comme il est montré cidessous: Figure (1.5.1) : La Jonction P-N En polarisant électriquement une jonction PN classique à base de Silicium, on obtient la caractéristique statique représentée en figure(1.5.2). 5
Figure (1.5.2) Caractéristique I (V) d une jonction PN[9] Figure (1.5.3) schéma électrique équivalant d une jonction PN Ce comportement statique peut être décrit par l'équation électrique suivante : I D = I 0 exp q.v λ.k.t 1 (I. 1) I o correspondant au courant de saturation, K la constante de Boltzmann (1.381 10-23 J/K), T la température effective des cellules (en Kelvin), q la charge de l'électron, et γ le facteur de qualité de la jonction. Sous polarisation directe, la barrière de potentiel est abaissée et le courant de porteurs peut se développer. Sous polarisation inverse, seul un courant de porteurs minoritaires (courant de saturation) circule, cependant, il varie peu avec la tension appliquée, tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage. Il faut noter que ces courants directs ou inverses comme pour des jonctions classiques sont sensibles à la température de jonction. Si cette jonction PN est soumise au rayonnement solaire, alors il se produit l'effet photovoltaïque (PV). Ainsi, le flux lumineux crée des pairs électron-trous supplémentaires 6
dans le matériau à la condition que leurs énergies supérieures ou égales à la bande interdite Eg. La différence de potentiel ainsi créée aux bornes de la structure, caractér ise l'effet photovoltaïque et se situe selon les matériaux et la structure de la jonction entre 0.3 et 0.7 V. Comme nous pouvons le voir sur les caractéristiques Si V<0, la jonction se comporte en photorécepteur. Si V>0, la jonction fonctionne comme un générateur avec un courant de court-circuit I cc proportionnel à l'éclairement. Si la cellule PV est connectée à une charge, l électron de la bande de conduction sera repoussé par le photon incident du côté de type p de la cellule PV. Sa circulation à travers le circuit, produit un courant dans la charge comme montre a la figure (1.6) Figure (1.6) : l effet photovoltaïque_ la lumière incident déplace I.5 Caractéristique d un module solaire: I.5.1 Caractéristique courant-tension I(V) [10] : C'est une caractéristique fondamentale du module solaire type MSX62 d un nombre de cellule (Ns=36) définissant cet élément comme générateur. Elle est identique à celle d'une jonction P-N avec un sens bloqué, mais décalé le long de l'axe du courant d'une quantité directement proportionnelle à l'éclairement. Elle se trace sous un éclairement fixe et une température constante figure (1.7.1). 7
Figure (1.7.1) Caractéristique I(V) d'un module solaire, T=25 C[10]. I.5.2 Caractéristique puissance-tension P(V) [10].: La puissance débitée par le module photovoltaïque dépend du point de fonctionnement de cette dernière ; c est le produit de l intensité de courant et de la tension entre ses bornes figure (1.7.2). Le point «M» représente la puissance maximale débitée par le module. Figure (1.7.2) Caractéristiques P (V) d'un panneau solaire, T=25 C[10]. 8
I.6 Zones de fonctionnement du module solaire [10].: La caractéristique fondamentale du générateur photovoltaïque donnée pour un éclairement et une température donnée, n impose ni le courant ni la tension de fonctionnement; seule la courbe I V est fixée. C est la valeur de la charge aux bornes du générateur qui va déterminer le point de fonctionnement du système photovoltaïque. La figure (1.8) représente trois zones essentielles : - La zone (I) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant. - La zone (II) : correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire entre les deux zones, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé. - La zone (III) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tension presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension Figure (1.8) : Les différentes zones de la caractéristique I (V), T=25 C[10]. I.7 Modélisation des cellules photovoltaïques[12]. Pour développer un circuit équivalent précis pour une cellule PV, il est nécessaire de comprendre la configuration physique des éléments de la cellule aussi bien que les caractéristiques électriques de chaque élément. Selon cette philosophie plusieurs modèles électriques ont été proposés pour représenter la cellule photovoltaïque. 9
I.7.1 Les différentes modèles électriques d une cellule photovoltaïque[12]. : Parmi ces modèles on peut citer les suivants : I.7.1.1 Modèle a sept paramètres (7p) [12].: Figure (1.9.1) Modèle à 7 paramètres[12]. Les paramètres de ce circuit sont : IL = courant photonique. I01 = courant inverse de saturation de la diode 1. I02 = courant inverse de saturation de la diode 2. γ1= A1 (N CS ), le facteur de qualité de la diode 1. γ2= A2 (N CS ), le facteur de qualité de la diode 2. A1 et A2 : sont les facteurs d accomplissement des diodes 1 et 2. N CS = Nombre des cellules en série. RS = la résistance série. RSH = la résistance shunt. L équation I (V) caractéristique de ce circuit est : L équation I (V) caractéristique de ce circuit est : I = I L I D1 I D2 (V+IR S ) R SH (I. 2) I D1 = I 01 exp q γ 1 kt C V + IR S 1 (I. 3) 10
I D2 = I 02 exp q γ 2 kt c V + IR S 1 (I. 4) Substituer (II.3) et (II.4) dans (II.2) donne : I = I L I O1 exp q(v+ir S ) γ 1 kt c 1 (I. 5) I.7.1.2. Modèle a six paramètres (6P) [12].: Figure (1.9.2) Modèle a six paramètres[12]. Les six paramètres de ce circuit sont : IL = courant photonique. I01 = courant de saturation de la diode 1. I02 = courant de saturation de la diode 2. γ1= A1 (N CS ), le facteur de qualité de la diode 1. γ2= A2 (N CS ), le facteur de qualité de la diode 2. N CS = Nombre des cellules en série. Rs = la résistance série. Les relations courant-tension pour ce circuit sont les suivant: I = I L I D1 I D2 (I. 6) I D1 = I 01 exp q V + IR γ 1 kt S 1 (I. 7) c 11
I D2 = I 02 exp q γ 2 kt C V + IR S 1 (I. 8) Remplaçant (II.7) et (II.8) dans (II.6) nous obtenons : I = I L I 01 exp q V +IR S γ 1 KT C 1 I 02 exp q V +IR S γ 2 kt C 1 (I. 9) I.7.1.3 Modèle a cinq paramètres (5P) [12]. : Figure (1.9.3) Modèle à 5 paramètres[12]. Le circuit équivalent de ce modèle est obtenu en utilisons une simplification au circuit de modèle à six paramètres représenté sur la figure (1.9.3). Cette simplification se traduit à supposer que la résistance série est négligeable. Avec une résistance série nulle, le circuit équivalent sera représentée comme suit (figure (1.9.3)). Les cinq paramètres de ce modèle sont : IL = courant photonique. I01 = courant de saturation de la diode 1. I02 = courant de saturation de la diode 2. γ1= A1 (N CS ), le facteur de qualité de la diode 1. γ2= A2 (N CS ), le facteur de qualité de la diode 2. N CS = Nombre des cellules en série. L équation générale de ce modèle est : 12
I = I L I D1 I D2 (I. 10) I D1 = I 01 exp qv γ 1 kt C 1 (I. 11) I D2 = I 02 exp qv γ 2 kt C 1 (I. 12) Remplaçant (II.11) et (II.12) dans (II.10) nous obtenons : I = I L I 01 exp qv γ 1 kt C 1 I 02 exp qv γ 2 kt c 1 (I. 13) I.7.1.4. Modèle a quatre paramètres (4P) [12].: Les quatre paramètres de ce modèle sont : Figure (1.9.4) Modèle a 4 paramètres[12]. I L = le courant photonique I 0 =courant de saturation inverse γ = facteur de qualité Rs =la résistance séries Les différentes équations décrivant ce modèle seront détaillées par la suite. 13
I.7.1.5 Modèle a trois paramètres (3P) [12].: Si on suppose que la résistance série est nulle (comme pour le circuit à cinq paramètres) le circuit à 4 paramètres se réduit à un circuit à trois paramètres représenté par la figure (1.9.5). Ce circuit équivalent est considéré comme idéal. Figure (1.9.5) Modèle a 3 paramètres[12]. Les trois paramètres de ce circuit sont : IL = le courant photonique I0 =courant de saturation inverse γ = facteur de qualité Les relations courant-tension de ce circuit sont : I = I L I D (I. 14) I D = I 0 exp qv γk T c 1 (I. 15) Si on remplace (II.15) dans (II.14) on obtient : I = I L I 0 exp qv 1 (I. 16) γk T c 14
I.8 Liaison des cellules photovoltaïque : I.8.1 Groupement en série [11].: Dans un groupement en série figure (1.10.1), les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par l'addition des tensions à courant donné. La figure (1.10.2) montre la caractéristique résultante (Is, Vs) obtenue par l associant en série (indice s) de ns cellules identiques (I cc, V co ). Avec : Iscc=Icc: le courant de court-circuit. Vsco=nsVco: la tension de circuit ouvert Figure (1.10.1) Association des modules en série[11]. Figure (1.10.2) Caractéristique résultante d'un groupement en série de ns cellules identiques[11]. 15
I.8.2 Groupement en parallèle [11]: Dans un groupement de cellules connectées en parallèle figure (1.11.1), les cellules étant soumises à la même tension, les intensités s'additionnent : la caractéristique résultante est obtenue par addition de courants à tension donnée. La figure (1.11.2) montre la caractéristique résultante (I pcc, Vpco) obtenue en associant en parallèle (indice p) np cellules identiques (I cc,v co ). Ipcc= npicc:le courant de court-circuit. Vpco=Vco:la tension de circuit ouvert Figure (1.11.1) Association des modules en parallèle[11]. Figure (1.11.2) Caractéristique résultante d'un groupement en parallèle de ns cellules identiques[11]. 16
I.8.3 Groupement mixte (série-parallèle) [11]: Le générateur photovoltaïque est constitué d un réseau série-parallèle de nombreux modules photovoltaïques regroupés par panneaux photovoltaïques figure (1.12.1). La caractéristique électrique globale courant/tension du GPV se déduit donc théoriquement de la combinaison des caractéristiques des cellules élémentaires supposées identiques qui le composent par deux affinités de rapport ns parallèlement à l axe des tensions et de rapport np parallèlement à l axe des courants, ainsi que l illustre la figure (I.12.2), ns et np étant respectivement les nombres totaux de cellules en série et en parallèle. Igcc= np.icc: courant de court-circuit du module résultant. Vgco=n s.vco: tension du circuit ouvert du module résultant. Figure (1.12.1) Association mixte des modules[11]. Figure (1.12.2) Caractéristique résultante d'un groupement mixte [11]. 17
Les générateurs photovoltaïques sont alors réalisés en vue d augmenter la tension (Groupement en série) ou augmenter le courant (Groupement en parallèle) par l association d un grand nombre de cellules élémentaires de même technologie et de caractéristiques identiques. Le câblage série-parallèle est donc utilisé pour obtenir un module PV (ou panneau PV) aux caractéristiques souhaitées (courant et tension suffisants). I.9 Conclusion : L énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable qui provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein des matériaux bien particuliers tels que les semi-conducteurs (le silicium, le Germanium, l Arséniure des Galium, ).et dans ce chapitre, nous avans étudie la caractérisation du modèle de la photopile parait intéressant, et les caractéristique I(V), P(V) a différentes zones de fonctionnement, et le principe d une cellule photovoltaïque, et Les différentes modèles électriques d une cellule photovoltaïque, et Groupement de générateur photovoltaïque. 18