Rendement CPV

Défis solaire
Rendement CPV
Table des matières
1. Principe de fonctionnement..............................................................................................................2
1.1. L’interaction rayonnement / matière.........................................................................................2
1.2. Dopage et silicium....................................................................................................................2
2. Étude du rendement d’une CPV.......................................................................................................3
2.1. Influence de l'éclairement.........................................................................................................3
2.2. Influence de la longueur d'onde................................................................................................4
2.3. Influence de la température.......................................................................................................5
2.4. Influence de l’inclinaison..........................................................................................................6
2.5. Évolution de la tension en fonction de l’intensité.....................................................................7
2.6. Calcul du rendement...............................................................................................................10
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons),
produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant
obtenu est proportionnel à la puissance lumineuse incidente. La cellule photovoltaïque délivre une
tension continue.
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1. Principe de fonctionnement
Les photopiles sont des composants électroniques à semi- conducteur qui, lorsqu’ils sont éclairés
par le rayonnement solaire, développent une force électromotrice capable de débiter un courant dans
un circuit extérieur.
La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones
dopées différemment d’un même matériau (homo-jonction P-N) ou entre deux matériaux différents
(hétéro-structures), la moins épaisse étant soumise au flux lumineux. Chacune des régions est reliée
à une électrode métallique au moyen d’un contact ohmique de faible résistance. Le principe de
fonctionnement peut être décomposé en deux parties : l’absorption de photons et la collecte des
porteurs de charges créés.
1.1. L’interaction rayonnement / matière
La première étape de la conversion de la lumière en courant électrique est la génération au sein du
semi-conducteur des porteurs de charges que sont les électrons libres et les trous.
1.2. Dopage et silicium
Dans un semi-conducteur pur le nombre de porteurs étant faible à température ordinaire, la
conductivité est médiocre.
Le silicium a été choisi pour réaliser les cellules solaires photovoltaïques pour ses propriétés
électroniques, il est caractérisé par la présence de quatre électrons sur sa couche périphérique. Dans
le silicium solide, chaque atome est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche
périphérique participent aux liaisons.
Si un atome de silicium est remplacé par un atome ayant 5 électrons périphériques (phosphore par
exemple), un électron ne participe pas aux liaisons, il peut donc se déplacer dans le réseau. Il y a
conduction par un électron, et le semi-conducteur est dit dopé N.
Si au contraire un atome de silicium est remplacé par un atome ayant 3 électrons périphériques
(bore par exemple), il manque un électron pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut venir
combler ce manque. On dit alors qu’il y a conduction par un trou et le semi- conducteur est dit dopé
de type P.
L'interconnexion de modules entre eux - en série ou en parallèle - pour obtenir une puissance encore
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plus grande, définit la notion de champ photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose
d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les
modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé aussi "Balance of System" ou
BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, à savoir la
structure rigide (fixe ou mobile) pour poser les modules, le câblage, la batterie en cas de stockage et
son régulateur de charge, et l'onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif.
2. Étude du rendement d’une CPV
2.1. Influence de l'éclairement
Le lux est une unité de mesure de l'éclairement lumineux (symbole : lx). Il caractérise le flux
lumineux reçu par unité de surface.
Les mesures suivantes indiquent les valeurs de la tension et de l'intensité fournies par une CPV en
fonction de la luminosité.
Luminosité (lx)
Tension (mV)
Intensité ( mA)
0
0
0
200
1,05
0,02
300
1,63
0,03
400
2,3
0,04
600
3,2
0,06
800
4,5
0,09
1000
5,9
0,12
1500
8,4
0,16
2000
10
0,19
3000
13,7
0,27
4000
17,9
0,35
5000
21,7
0,42
6000
26,9
0,52
8000
35,2
0,68
10000
42,6
0,83
13000
54,1
1,05
15000
61,3
1,19
17000
65,1
1,24
20000
74,5
1,45
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Défis solaire
Nous constatons sur la courbe que la puissance est proportionnelle au carré de la luminosité. La
relation Lux/Watt dépend en fait de la surface : 1 Lux = 1,5 mW/m².
2.2. Influence de la longueur d'onde
Le spectre visible est la partie du spectre électromagnétique visible pour l'œil humain, c'est-à-dire
une représentation de l'ensemble des composantes monochromatiques de la lumière visible.
Le spectre visible occupe la majeure partie de la fenêtre optique, une gamme des longueurs d'onde
qui sont facilement transmises par l'atmosphère terrestre. Cette région du spectre électromagnétique
recoupe celle où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre.
Longueur d'onde (nm)
U (mV)
I (μA)
380
0,15
0,3
403
0,19
0,4
427
0,33
0,7
450
0,37
0,7
473
0,55
1,1
497
0,6
1,2
520
0,75
1,5
543
0,83
1,7
567
0,92
1,8
576
0,98
2
585
1
2
590
0,98
2
595
1,01
2
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Défis solaire
604
1,01
2
613
1
2
623
0,99
2
632
0,98
1,9
641
0,95
1,9
651
0,92
1,8
660
0,91
1,8
683
0,91
1,8
707
0,7
1,4
730
0,65
1,3
753
0,49
1
777
0,49
1
800
0,35
0,7
La puissance électrique fournie est plus importante dans le jaune. En effet, d’après le graphique ci
dessus, pour une lumière proche du orange- rouge (≈ 600 nm) la puissance électrique fournie est la
plus importante.
2.3. Influence de la température
La température a une influence sur le comportement de la cellule et donc sur son rendement. Cette
influence se traduit principalement par une diminution de la tension générée (et une très légère
augmentation du courant).
Suivant les modèles, ce comportement induit, par degré, une perte de 0.5 % du rendement par
rapport au rendement maximum de la cellule. On comprendra donc tout l’intérêt d’une ventilation
correcte à l’arrière des panneaux !
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2.4. Influence de l’inclinaison
En France, les CPV doivent idéalement être exposés plein sud et être inclinés à 30 degrés par
rapport à l’horizontal pour produire un maximum d’énergie sur l’année.
Cependant des écarts de plus ou moins 45° par rapport au sud (c’est-à-dire de sud-est à sud-ouest) et
une inclinaison de 20 à 60° par rapport à l’horizontale sont acceptables et n’engendrent pas de
baisse de production importante.
Le graphique ci-dessous donne le facteur de correction à appliquer à la production attendue du
système en fonction de son orientation et de son inclinaison.
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L’énergie E, produite par la CPV, sera alors de :
E = S * r * H * Cp
•
E = énergie produite en W.h
•
S = surface du champ photovoltaïque (exemple 1 m²)
•
r = rendement du module (14 % pour notre exemple)
•
H = ensoleillement/rayonnement sur la surface inclinée en kW.h/m² (1580 kW.h/m².an pour
le sud de la France)
•
Cp = coefficient de perte (varie entre 0,9 et ... très bas, soit un minimum de 10 %, la valeur
fréquente étant entre 0,75 et 0,8)
Détail des pertes :
•
Pertes température 5% à 12%
•
Pertes liées à la réflectivité environ 3%
Exemple : Cp = 0,09 x 0,02 = 0,0018 soit 0,18% de pertes totales
E = S x r x H x Cp
E = 1 x 0,14 x 1580 x (1 – 0;0018) = 221 kW.h/an
2.5. Évolution de la tension en fonction de l’intensité
Les mesures suivantes indiquent les valeurs de la tension en fonction de l'intensité fournie par une
CPV.
I (mA)
U (V)
P (mW)
0,4
3,25
1,3
0,4
3,24
1,3
0,4
3,24
1,3
0,4
3,24
1,3
0,4
3,23
1,29
0,6
3,23
1,94
0,6
3,23
1,94
0,7
3,21
2,25
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1
3,2
3,2
1,8
3,15
5,67
2,1
3,15
6,62
2,2
3,13
6,89
2,5
3,11
7,78
2,8
3,08
8,62
3,3
3,06
10,1
3,9
3
11,7
5,1
2,91
14,84
7
2,73
19,11
11,4
2,26
25,76
12,1
2,14
25,89
12,7
2
25,4
13,2
1,83
24,16
13,8
1,63
22,49
14,1
1,4
19,74
14,2
1,14
16,19
14,5
0,87
12,62
14,7
0,59
8,67
14,7
0,31
4,56
14,8
0,03
0,44
La puissance utile de la cellule photovoltaïque correspond à la puissance électrique maximale
qu’elle peut fournir pour un ensoleillement donné, appelée aussi puissance crête. On recherche le
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point de puissance maximum MPP (Maximum Power Point) sur la caractéristique que l’on a tracé, à
l'aide du tableur . Le rectangle (produit de la tension et de l’intensité correspondante) qui a la plus
grande surface indique la puissance crête.
On représente également le MPP par la courbe P = f(I) :
En pratique, le rendement d’un module solaire est toujours légèrement inférieur à celui d’une
cellule car les cellules associées ne sont pas toutes identiques, il en résulte des pertes d'adaptation.
Le rendement est toujours calculé au point de puissance max (MPP). Il est donc nécessaire qu’une
installation fonctionne en ce point afin d’optimiser la production d’énergie électrique. Un système
d’adaptation réalise la poursuite en temps réel du point de puissance crête. Ce système est appelé
MPPT (Maximum Power Point Tracking).
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Graphe de la tension en fonction de l’intensité
On constate qu’à partir d’une certaine intensité, la tension chute brusquement. Cette valeur Imax est
celle où le produit U.I, c’est à dire la puissance, est le plus grand. Avec les valeurs exactes, on
obtient 0,0106 x 0,0249 = 24,97 mW. On constate que de l’origine de la courbe à Imax, la CPV se
comporte bel et bien comme un générateur normal.
•
L’intensité lumineuse : 27000 lx
•
La surface du panneau utilisé : 1,12.10-2 m²
•
Le rapport Lux/Watt : 1 Lux = 1,5.10 mW/m²
•
La puissance maximale fournie par le panneau (Pf) : 24,97 mW
2.6. Calcul du rendement
Le rendement η est le rapport entre la puissance fournie et la puissance reçue.
Calcul de Pr (puissance lumineuse reçue) :
Pr=
intensité lumineuse×surface×rapport Lux
Watt
Pr = 27000 x 1,12.10-2 x 1,5.10-3 = 454 mW
η=
P f 24,97
−2
=
=5,5 .10
Pr
454
On peut aussi calculer un rendement de la cellule solaire à partir des données de la notice. Elle
indique 500mA – 0,5V environ, pour un éclairement maximum. Ces données très succinctes
nécessitent quelques précisions. Elles correspondent aux conditions de test standard STC (Standard
Test Conditions) à savoir 1000 W/m2 et 25°C en température de jonction. Ces tests sont réalisés
sous des éclairements flash. Les données de l’intensité et de la tension correspondent au MPP (des
mesures dans des conditions proches des conditions standard permettent de faire cette vérification).
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