Etat de l'art ombrage partiel

1 Etat de l’art
1.1 Introduction
Depuis la découverte de l'effet photovoltaïque par Alexandre-Edmond Becquerel au 19e siècle, la
technologie photovoltaïque a évolué, passant d’une innovation de laboratoire à une solution
énergétique cruciale face aux défis du changement climatique et de la transition énergétique
mondiale. En 1954, Chapin, Fuller et Pearson ont mis au point la première cellule solaire au
silicium, marquant le début des applications pratiques, notamment pour les missions spatiales, puis
pour des usages terrestres avec l’avènement des crises énergétiques. Le développement de l'énergie
solaire s’est accéléré, intégrant progressivement des systèmes de plus grande envergure et des
technologies avancées pour optimiser le rendement et la fiabilité.
Malgré ces avancées, la production photovoltaïque reste vulnérable à des phénomènes
perturbateurs comme l’ombrage partiel, souvent causé par des obstacles environnementaux tels que
les bâtiments, les arbres ou les variations météorologiques. Ce phénomène entraîne des baisses de
rendement significatives en créant des points chauds susceptibles de détériorer les cellules solaires
et en limitant la puissance injectée au réseau électrique. Ce problème est particulièrement aigu dans
les environnements urbains et les régions à ensoleillement irrégulier, où l'ombrage partiel est
courant.
L’optimisation de la puissance injectée dans le réseau en présence d’ombrage partiel est donc
essentielle pour maximiser la production énergétique des systèmes photovoltaïques (PV). Pour
répondre à ce défi, ce mémoire examine plusieurs solutions technologiques, en commençant par
les stratégies de suivi du point de puissance maximale (MPPT). Les méthodes classiques comme
le Perturb and Observe (P&O) et la Conductance Incrémentale (IC) sont largement utilisées, mais
présentent certaines limites sous des conditions d’ensoleillement irrégulier. Par conséquent, des
techniques avancées, notamment les algorithmes basés sur l’intelligence artificielle, sont explorées
pour améliorer la précision et la vitesse de réponse des systèmes MPPT en situations d'ombrage
partiel.
Outre les algorithmes MPPT, la recherche se concentre également sur les configurations de
systèmes PV et les topologies de convertisseurs. Les solutions telles que les configurations
d’onduleurs multi-niveaux, les micro-onduleurs et les convertisseurs DC-DC avancés permettent
d’optimiser le rendement en minimisant les pertes liées à l'ombrage. En analysant les effets de

différentes configurations et en explorant des stratégies de commande innovantes pour les
onduleurs, ce travail vise à fournir une approche complète pour maximiser l’efficacité des systèmes
PV connectés au réseau.
Ce mémoire propose donc une analyse des techniques de contrôle et d’optimisation dans le contexte
de l'ombrage partiel, en vue de formuler des recommandations pour des systèmes PV plus résilients
et performants.
1.2 Le photovoltaïque
1.2.1 Effet photovoltaïque
L’effet PV ou la conversion photovoltaïque est la transformation directe d’une énergie
électromagnétique (rayonnement). Ce phénomène se produit lorsqu’un corps semi-conducteur est
exposé à la lumière du soleil, ses atomes réagissent aux photons constituant la lumière. A cet effet,
les électrons des couches électroniques supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont
tendance à se décrocher. Dans les cellules PV, les électrons " décrochés " créent une tension
électrique continue et faible [Bun L. Détection et localisation de défauts pour un système PV. Thèse
de doctorat. Université de Grenoble, 2011.]. L’effet PV constitue la conversion directe de l'énergie
du rayonnement solaire en énergie électrique au moyen de cellules PV. Pour avoir une puissance
suffisante, les cellules sont interconnectées afin de produire un module PV ou un champ PV.
1.2.2 Rayonnement solaire
L’énergie du soleil est issue de réactions thermonucléaires se produisant en permanence dans son
noyau. La longueur d’onde du rayonnement varie de 0.22µm à 10 µm. La Fig. ci-après représente
la variation de la répartition spectrale de ce rayonnement. Le rayonnement solaire incident à la
limite de l’atmosphère est égal à 342 W.m-2. La surface terrestre n’absorbe que 168 W.m-², ce
rayonnement est composé de 60 % de rayonnement direct et 40 % sous forme de rayonnement
diffus [Beauvais A, Chevillard N, Paredes MG, Heisz M, Rossi R, Schmela M. Global Market
Outlook For Solar Power / 2019 - 2023 : Power FS. Mobilising Investments in Emerging Markets.
Sol Power Eur 2019 2019]. La cellule PV n’absorbe que 25 %, au mieux, de la lumière du soleil.
En effet, la lumière du soleil est composée de différentes radiations, et il faut que le rayonnement
ait une énergie suffisamment élevée pour arracher les électrons à la cellule PV.

Figure 1Répartition spéctrale du rayonnement
1.2.3 La cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un matériau semi-conducteur qui convertit les photons des
rayonnements solaires en énergie électrique par l’effet photovoltaïque. Cette conversion s’effectue
en trois étapes :
• L’absorption de la lumière par le matériau
• Le transfert d’énergie des photons aux électrons
• La collecte des charges
Une cellule PV est réalisée à partir d’un matériau semi-conducteur (par exemple le silicium). Sa
réalisation est comparable à une diode classique. La cellule est composée de deux différentes
couches. La couche supérieure est dopée N et la couche inférieure est dopée P créant ainsi une
jonction PN. Cette jonction PN crée une barrière de potentiel. Lorsque les grains de lumière (les
photons) heurtent la surface de ce matériau, ils transfèrent leur énergie aux atomes de la matière.
Ce gain d’énergie libère des électrons de ces atomes, créant des trous et des électrons.

Figure 2 Structure d'une cellule PV
Ceci engendre donc une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel
crée un champ E qui draine les porteurs libres vers les contacts métalliques des régions P et N. Il
en résulte alors un courant électrique et une différence de potentiel dans la cellule PV. On note que
le courant et la tension fournis par une cellule PV dépendent de différents paramètres.
1.2.3.1 Caractéristique électrique
La cellule photovoltaïque possède une caractéristique I(V) non linéaire (fig.1-1). Elle balaie 3
quadrants sur les 4 existants. Une cellule PV est un récepteur dans le quadrant 2 et dans le quadrant
4. Le fonctionnement dans ces deux quadrants est à proscrire car un risque de destruction par
phénomène d’échauffement local (hot spot) est possible. Le fonctionnement dans le quadrant 1 est
le fonctionnement normal, en effet dans ce cas la cellule est un générateur, elle produit donc de
l’énergie. L’objectif est donc de faire travailler la cellule dans ce quadrant.
Figure 3 Caractéristique I-V d'une cellule photovoltaïque (Tirée de A. Abete et al., 1990)

La tension en circuit ouvert (Vco) d’une cellule PV est comprise entre 0,3V et 0,7V selon le
matériau utilisé, la température et son état de vieillissement. Son courant de court-circuit (Icc) varie
principalement selon le niveau d’éclairement et selon les technologies et les tailles de cellules (entre
5 et 8A pour le silicium cristallin).
1.2.3.2 Influence de la température et de l’éclairement
La caractéristique d’une cellule PV (ou d’un générateur PV) est directement dépendante de
l’éclairement et de la température. La figure 1-2 donne l’allure générale des caractéristiques
électriques d’un générateur photovoltaïque pour différents éclairements et montre que à
température donnée : le courant de court-circuit Icc varie proportionnellement à l’éclairement E, la
tension à vide Vco varie peu avec l’éclairement. Elle peut être considérée comme une constante
pour une installation donnée.
Figure 4 caractéristiques d’un générateur photovoltaïque pour différents éclairements (tirée de Ludovic PROTIN et Stéphan
ASTIER)
La température a également une influence sur la caractéristique d’un générateur PV :
- La tension à vide Vco décroît avec la température. Plus la température est élevée plus Vco
est faible,
- Le courant de court-circuit Icc augmente avec la température. Cette hausse est nettement
moins importante que la baisse de tension. L’influence de la température sur Icc peut être
négligée dans la majorité des cas.
Ces effets sur le courant, la tension et donc la puissance peuvent se voir encore mieux sur la figure
suivante.