Mod-1-2-La cellule PV

FNEBTP / CSNER
F O R M AT I O N 2 0 11 : I N S TA L L AT I O N & M A I N T E N A C E D E S
SYSTÈMES PV
Animateurs de la formation
Rachid El Mokni
Ingénieur
[email protected]
Néji AMAIMIA
Ingénieur en Chef en Energie
[email protected]
Formation sur les Systèmes Photovoltaïques
:
" phos, photos " : mot grec qui désigne la lumière,
" voltaïque ", mot dérivé du physicien italien Alessandro
VOLTA, connu pour ses travaux sur l’électricité.
Lorsque les photons frappent certains semiconducteurs, ils délogent et mettent en mouvement les
électrons des atomes de ces matériaux, or le courant
électrique n'est rien d'autre qu'un mouvement
d'électrons.
désigne l'électricité
produite par transformation d'une partie du
rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque
Module de formation I – La Cellule Photovoltaïque
1839 : Découvre de l’effet photovoltaïque par le physicien français Edmond
Becquerel.
1875 : Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un
article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs.
1954 : Trois chercheurs américains mettent au point une cellule photovoltaïque à
haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des
solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.
1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers
satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.
1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est
construite à l’Université de Delaware.
1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une
distance de 4 000 km en Australie.
Années 80 : Exploitation des systèmes PV pour l’électrification et le pompage
d’eau dans les zones isolées.
Fin des années 90 : Exploitation du PV pour la production de l’électricité injectée
au réseau dans plusieurs pays développés (Japon, Allemagne)
Années 2000 : Mise en place des politiques favorables pour le PV Réalisation des
centrales PV ayant des puissances de dizaines de MW.
Module de formation I – La Cellule Photovoltaïque
• Conversion directe de la lumière du soleil en électricité propre.
• Matériaux semi-conducteurs
• Silicium, Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid, Cuivre-IndiumDiséléniure
• Part de marché Si 2006: 92%
Lorsqu’un matériau (semi conducteur) est exposé à la lumière du soleil,
les atomes exposés au rayonnement sont " bombardés " par les photons
constituant la lumière.
Sous l’action de ce bombardement, les électrons auront l’énergie
nécessaire pour franchir le GAP: les électrons sont décrochés des
couches de valence pour se retrouver dans la couche de conduction .
Les électrons " décrochés " créent une tension électrique continue faible.
Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi directement
transformée en énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque.
Le matériau semi-conducteur le plus communément utilisé dans les cellules
photovoltaïques est le silicium, présent en grande quantité dans le sable.
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semiconducteur du type p
semiconducteur du type n
Trou
Électron
• Montage de l`impureté de manière ciblée (silicium dopé)
• Atomes avec plus (phosphore) ou avec moins d´électrons (bore)
• Électrons libres en excès
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Zone p
Zone de charge d’espace
Zone n
Diffusion
Espaces libres
Électrons libres
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Principe de fonctionnement d’une cellule cristalline
Électrode
négative
Silicium dopé n
Couche limite
Électrode positive
Silicium dopé p
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Types de cellules solaires
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Silicium Monocristallin
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Cellules de Silicium Polycristallin
Wafer sans et avec de couche antireflet
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Couche antireflet
•
•
•
•
Couche AR de siliciumnitride ou titandioxide
ainsi teinte de bleu foncé à noir (à l´origine gris)
Formation des nuances (installations au fassade)
Réduction du degré d´efficacité
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Panneaux photovoltaïques
Cellules cristallins connectées en série
Branchement externe en série
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Modules
flexibles en
rouleau : multijunction, à
couche mince,
type Uni-Solar
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Structure d’une cellule cuivre-indium-diselenid (CIS)
1 : ZnO, 2 : CdS, 3 : CIS,
4 : Contact arrière métallique,
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5 : verre
Cellule à triple jonction: chaque couche est
desservie par une bande spectrale différente
Lumière à ondes longues
... à ondes moyennes
... à ondes courtes
1 : TCO, 2 : couche absorbante dans le bleu, 3 : couche absorbante dans le vert, 4 : couche
absorbante dans le rouge, 5 : couche réfléchissante, 6 : substrat
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Coupe d’un module verre-verre
1 : verre face et arrière, 2 : protection par EVA, 3 : cellules cristallines
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Coupe d’un module avec cadre
1 : cadre en aluminium, 2 : joint d’étanchéité, 3 : verre, 4 : support EVA, 5 : cellule cristalline, 6 : film Tedlar
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Cellules solaires
Courante et tension caractéristiques d´une diode
passage direction
gonfler
une tension
bloquer une direction
percée tension
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Cellules solaires
Schéma équivalent et caractéristique d´une cellule sans soleil
gonfler
une tension
percée tension
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Cellules solaires
Schéma équivalent et caractéristique d´une cellule ensoleillé
Caractéristique
diode
Caractéristique
Cellule solaire
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Cellules solaires
Schema equivalent elargi d´une cellule solaire
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• C’est la tension maximale aux bornes
de la cellule à courant nul
• Elle est fonction des caractéristiques de
la jonction électronique et des
matériaux.
• Pour une cellule donnée, elle ne varie
presque pas avec l'intensité lumineuse,
au moins pour des éclairements
supérieurs à 100 W / m2 (ce qui
correspond au rayonnement solaire sur
terre d’une journée très couverte).
• On obtient cette tension en branchant
directement un voltmètre aux bornes
de la cellule.
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• Il correspond au courant maximum
circulant dans la cellule à tension nulle
• Il est directement proportionnel à
l'énergie rayonnante reçue, c'est-à-dire
à l'éclairement G (W / m²), à la
température ambiante, à la vitesse de
circulation de l'air ambiant.
• Il est varie également en fonction de la
surface de la cellule.
•
On obtient sa valeur en branchant un
ampèremètre aux bornes de la cellule.
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Courbe caractéristique d’une cellule cristalline
Courant de court-circuit
Puissance de cellule en Watt
Courant de cellule en Ampère
Maximum Power Point - MPP
Tension à vide
Tension de cellule en Volt
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Diagramme courant-tension d´une cellule solaire de silicium
Point de la Puissance Maximale de la cellule dans le diagramme courant-tension
(maximum I et U) non-constant, dépendant de l´intensité de l´ensoleillement, de la
température et du type de la cellule solaire.
cellules performance en watts
cellules d'électricité en ampères
Point MPP
cellules tension en volts
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•
la puissance électrique P (W) disponible aux bornes
d'une cellule PV est égale au produit du courant continu
fourni I par une tension continue donnée V : P= U x I
•
Une cellule PV possède un point pour lequel sa
puissance débitée est maximum. Ce point est tangent à
une courbe d’iso- puissance. On la nomme Pmax.
•
Pour une cellule solaire idéale (sans pertes), la
puissance maximum Pmax idéale correspondrait donc à
la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le
courant de court-circuit ICC.
•
En pratique, la courbe caractéristique d'une cellule PV
est plus "arrondie", et la tension au point de puissance
maximum VPmax est inférieure à la tension de circuit
ouvert VCO, de même que le courant fourni IPmax est
inférieur, pour cette même tension, au courant de
court-circuit ICC. C’est l’effet des résistances internes
série et parallèle.
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• La puissance crête d'une photopile, notée Wc (Watt crête)
ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique
maximum délivrée dans les conditions suivantes, dites
Conditions Standard de Test (STC):
• Eclairement solaire de 1 000 W / m2 (correspondant à peu
près à une exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à
midi par temps clair d'été);
• Température de la cellule PV égale à + 25 °C.
• Répartition spectrale du rayonnement dit AM=1,5
(correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol
après avoir traversé une atmosphère de masse 1 à 45°);
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•On appelle facteur de forme le rapport entre:
• la puissance maximum fournie par la cellule Pmax, dans des
conditions d'éclairement, de température et de vitesse de
circulation de l’air ambiant donnés,
• et
• le produit du courant de court-circuit ICC par la tension de circuit
ouvert VCO (c’est à dire la puissance maximale d’une cellule
idéale).
f =
Pmax
VCO × I CC
 f : facteur de forme
P (W) : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV.
 max
avec 
VCO (V), : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV.
ICC (A) : Intensité de court - circuit mesurée aux bornes de la cellule PV.
Le facteur de forme f est de l’ordre de 70 % pour une cellule de
fabrication industrielle
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• L’énergie électrique
produite par une cellule
photovoltaïque dépend de
l'éclairement qu'elle reçoit
sur sa surface.
• La tension Vmax
correspondant à la
puissance maximale ne
varie que très peu en
fonction de l'éclairement,
contrairement au courant
Imax qui augmente
fortement avec
l'éclairement.
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Courant de Court-Circuit
Tension de Circuit Ouvert
Tension en circuit ouvert et courant de court circuit en
fonction de l´ensoleillement
Rayonement
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- L’influence de la température est
importante.
- La température est un paramètre
essentiel puisque les cellules sont
exposées aux rayonnements solaires,
susceptibles de les échauffer.
- De plus, une partie du rayonnement
absorbé n’est pas convertie en énergie
électrique : elle se dissipe sous forme de
chaleur ; c’est pourquoi la température de
la cellule (Tc) est toujours plus élevée que
la température ambiante (Ta):
- La tension d’une cellule baisse fortement
avec la température. Plus la température
augmente et moins la cellule est
performante.
- En revanche, le courant augmente
légèrement en intensité : cette
augmentation reste néanmoins
négligeable au point de puissance
maximale.
Module de formation I – La Cellule Photovoltaïque
Le rendement énergétique (η) d’une cellule est défini par le
rapport entre la puissance maximale (Pm) et la puissance du
rayonnement solaire qui arrive sur la cellule photovoltaïque :
avec :
– η : rendement énergétique ;
− E : éclairement (W/m2) ;
− S : surface acMve de la cellule (m2) ;
− Pm : puissance maximale mesurée dans les condiMons de
référence (STC : Standard Test Condition), c’est-à-dire sous
l’ensoleillement de 1 000 W/m2, à la température de 25° C sous
un spectre AM 1,5 .
Module de formation I – La Cellule Photovoltaïque
Courant (A)
Tension (V)
Diagramme (courant-tension) de 3 cellules PV montées en série
Module de formation I – La Cellule Photovoltaïque
Courant (A)
Tension (V)
Diagramme (courant-tension ) de trois cellules PV montées en parallèle
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Cellules solaires
Courant en Ampères
Diagrammes de cellules solaires
Cellules cristallines et amorphes en comparaison
Tension en Volts
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Effet de la température : -0,4% / °C de la puissance max en cristallin.,-0,2% / °C en
silicium amorphe. En conditions réelles à 60°C, le silicium amorphe fournit environ 10%
d’énergie supplémentaire par rapport au cristallin.
Sensibilité en cas de faible luminosité : Supérieure en silicium amorphe pour des valeurs
de luminosité inférieures à 200W/m²
Fonctionnement par temps couvert : La lumière par temps couvert est plus diffuse et
plus riche en longueurs d’ondes bleues entre 400nm et 500nm . La sensibilité en silicium
amorphe est meilleure dans cette partie du spectre.
Stabilité en température : En silicium amorphe, la puissance de sortie varie dans le
temps. En début de vie, la puissance délivrée est de 15 à 20% supérieure à la valeur
nominale et se stabilise après quelques mois.
Ombrage partiel : en Silicium amorphe, seule la zone ombragée est affectée. En
technologie cristalline, le rendement global d’un module est donné par la cellule la plus
faible. L’ombrage partiel affecte donc la performance de l’ensemble du module.
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Epaisseur en micro-mètre
Matière première kg/kWp
Energie nécessaire MWh/kWp
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Les points à retenir
- La cellule PV convertis la lumière en électricité
- Le courant et la tension d’une cellule PV et du type Continu
- Point de la Puissance Maximale (MPP)
- Pmax = Vmax X Imax
- Vco : C’est la tension maximale aux bornes de la cellule à courant nul
- Icc : C’est le courant maximum circulant dans la cellule à tension nulle
- Wc ou Wp aux STC (1000W/m², 25°C, AM=1,5)
- Influence de l’ensoleillement sur le courant Es I , Es
I
La tension reste inchangée
- Influence de la température sur la tension T° V
, T° V
sur le courant l’influence est minime T° I , T°
I
- Le Montage en série additionne les tensions
- Le Montage en parallèle additionne les courants
- FF (facteur de forme) = Pmax/(Vco X Icc)
- η : rendement énergétique = Pmax/(E x S)
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