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i @Manuel de travaux pratiques 1 TP

Energie Photovoltaque

Adil Chahboun

Faculte des Sciences et Techniques de Tanger

2016
Ce manuel de travaux pratiques pour des applications en photovoltaique comporte une petite introduction suivie par des propositions de manipulations. AC1 redige avec LATEX ii

Contents

0.1Les parametres d'une cellule photovoltaique. . . . . . . .3

0.2Courbes caracteristiques d'un module photovoltaique. . .4

0.3Structure d'une cellule PV. . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

0.4 Caracteristiques techniques d'un module

7

0.5 Eet de l'ombrage

8

0.5.1Diodes series et by-pass. . . . . . . . . . . . . . . .8

0.6 Eet de la temperature

9

0.7 Caracteristique I-V d'une cellule PV

11

0.7.1Determination du courant de saturationIs. . . . .11

0.8Eet de la luminescence surVco. . . . . . . . . . . . . . . .12

0.9Mesure de l'energie solaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

0.9.1Procedure pratique. . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

0.10 Determination de la distribution des cellules sur un module

solaire 15

0.11Resistances connectes au 12V DC. . . . . . . . . . . . . .15

0.11.1 Procedure

16

0.12ManipI: Determination des parametres typiques d'un mod-

ule solaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

0.12.1Procedure a suivre. . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

0.12.2Resultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

0.13ManipII: Etude de la relation entre la puissance convertie

et la puissance incidente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

0.14ManipIII: Etude de la conversion maximale des modules

solaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

0.14.1Procedure a suivre. . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

0.15 Eet de la temperature

24

0.15.1Procedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

iv Contents

Rappel theorique

Le principe de base de fonctionnement d'une cellule photovoltaique est la jonctionpn. Le courant electrique delivre par une cellule photovoltaique

a travers une charge est forme de deux composantes opposees:Figure 1:Image illustrant une cellule PV. http://www.energieplus-lesite.be

1. Le couran tdu al'illumination ( IL): resultat de l'illumination de la cellule 2. Le couran tdu noir (dark curren t)( I0): resultat des recombinations dans la jonctionpn Donc la cellule photovoltaique se comporte en absence de l'illumination comme une diode. La variation du courant en fonction de la tension est donnee par l'equation classique d'une diode:

II0(T)(expeVnkT

1) (1)

2 Contents

oueest la charge de l'electron (e= 1:6 1019Coulombs),kla constante de Boltzmann(k= 1:38 1023Joule=K),Test la temperature absolue enK, nest le facteur d'idealite de la diode. Il est generalement compris entre 1 et

2 (1n2) etI0est le courant inverse de saturation de la diode. Il varie

en fonction de la temperature suivant la relation suivante: I

0(T) = expEgkT

(2) Donc le courant qui traverse une impedance en parallele avec la cellule photovoltaique est:

I=I0(T)(exp(eVnkT

)1)IL(3)

Comme l'illustre bien l'expression

3 , le courant est la supperposition de deux composantes. A faible voltage, on aIILIsc.Iscetant le courant de court circuit (short cut current). La tension de circuit ouvertVCOpeut ^etre deduite a partir de l'equation3 .

En eet:

V

COnkTe

ln(ILI

0(T)) (4)

La caracteristique I(V) montrant les dierentes caracteristiques est donnee par la gureFigure 2:Caracteristique I-V d'une cellule PV dans le noir et eclairee Une expression plus realistique de la variation du courant en fonction de la tension appliquee a une impedance (charge) en parallele a la cellule photovoltaique doit tenir en compte des resistances en serie (Rs) et des

Contents 3

resistances en paralleles (Rp). Les resistances en seriesRssont dues aux contacts metalliques, a la grille formant le module, et a la resistance interne du semiconducteur (ici le siclicium polycristallin). Les resistances en par- allelesRpsont dues aux defauts a l'interface de la jonctionpnet sont responsables des courants de fuite. En tenant compte de ces deux facteurs, la caracteristique courant-tension deviendra:

I=ILI0(T)[exp(eV+RsInkT

)1]V+RsIR p(5)

Le circuit electronique equivalent est donne par la gureFigure 3:Circuit Equivalent d'une cellule photovoltaique

0.1Les parametres d'une cellule photovoltaique

La courbe caracteristiqueI(V) d'une cellule photovoltaique donnee par la gure . A partir de cette courbe on peut deduire les dierents parametres qui denissent la qualite et l'ecacite de conversion d'une cellule. Ces parametres sont:

1.Courant de court-circuitIcc

C'est le courant qu'on mesure en court circuitant la cellule. Il depend de la nature de la surface et l'intensite de la lumiere incidente. Sa valeur est en general de l'ordre de 1035mA=cm2

2.Tension de circuit ouvertVco

Cette tension peut ^etre mesuree en mettant la jonction a vide. Elle represente la tension maximale que peut delivrer la cellule.

3.Point de puissance maximaleMpp

C'est un point qu'on determine a partir de la courbeI(V) et pour lequel la cellule delivre le maximum de puissance.

4.Facteur de formeFF

Ce facteur est deni par l'expression suivante:

FF=IpVpI

ccVco(6)

4 0.2. Courbes caracteristiques d'un module photovoltaique

Le facteur de formeFFest generalement inferieur a 1. Pour les cellules commerciales sa valeur oscille entre 0:7 et 0:8. Il donne une idee sur la qualite de la cellule.

5.Coecient de conversion

Ce rapport donne une idee sur l'ecacite de conversion solaire. C'est le rapport entre la puissance electrique delivree par la cellule et la puissance de la lumiere incidente: =WpW r(7)Figure 4:Coube I-V d'une cellule PV. Source: http://www.energieplus-lesite.be

0.2Courbes caracteristiques d'un module photovoltaique

Comme a ete signale en haut, une cellule PV peut ^etre decrite d'une maniere assez "rigoureuse" en suivant l'expression 5 . Cependant, si on considere un module, sa caracteristique va dependre du nombre de cellules en serie et le nombre de cellules en paralleles. En assumant que les cellules sont parfaitement identiques, alors le courant que genere le module doit ^etre egal au nombre de cellules paralleles multiplie par le courant que genere une cellule. Alors que la tension delivree par le module est egale a la tension delivree par chaque cellule multipliee par le nombre de cellules en serie.

Contents 5

Figure 5:Coube I-V d'un module de s cellules en serie.Figure 6:Coube I-V d'un module de p cellules en parralele.

I mod=IcNp V mod=VcNs(8) ouNsetNpsont les nombres des cellules en serie et en paralleles, re- spectivement. La combinaison des equations 5 et 8 donne l' equationcar- acteristique d'un module en fonction des parametres des cellules:

I=Np(ILI0(T)[exp(eV=Ns+RsI=NpnkT

)1])V=Ns+RsI=NpR p(9)

6 0.3. Structure d'une cellule PV

0.3Structure d'une cellule PV

Pour collecter le photocourant d'une cellule PV deux contacts metalliques sont realises. L'un sur la face arriere et l'autre sur la face avant eclairee par la lumiere (soleil). Un reseau de lignes metalliques tres nes est realise sur la surface avant an de collecter le courant, tout en laissant la lumiere passer. La face avant est aussi couverte par une ne couche antire ective permettant un maximum d'absorbtion de la lumiere et minimisant la re ection.Une couche de verre auto adhesif est collee sur la face avant an de la proteger des chocs mecaniques. Une cellule solaire est la base du systeme PV. Typiquement, elle est de quelquescm2et produit une puissance de l'ordre de 1Watt. An d'obtenir plus de puissance plusieurs cellules sont connectees en serie et en parallele, formant ainsi un module.Un reseau solaire est forme de plusieurs modules lies en serie et en parallele an d'obtenir le courant et la tension voulus.Figure 7:

0.4 Caracteristiques techniques d'un module

Les caracteristiques essentielles d'un module photovoltaque sont :

1.Pc:Puissance cr^ete en Watt cr^ete Wc (Watt Peak-Wp-en anglais)

Contents 7

2.Uco:Tension continue a vide en Volt

3.UmppaPmax:Tension au point de puissance maximale

4.Icc:Courant de court-circuit en Amperes

5.ImppaPmax:Courant au point de puissance maximale

6.NOCT: temperature normale de fonctionnement de la cellule (Normal

Operating Cell Temperature)

7. Les co ecientsde p ertesde tension, de couran tet de puissance, en fonction de la temperature 8.

Dimension et p oids

Les valeurs cr^etes (Watt-cr^ete, puissance crete) correspondent a des grandeurs electriques delivrees par le module dans des conditions standard denies de test, normalisees comme suit: 1.

Ensoleillemen t:1000 W=m2

2.

T emperaturedes cellules: 25

C Les fabriquants testent tous les modules sous ces conditions d'essais et ils leurs attribuent alors leurs caracterisiques electriques. Cela permet ainsi de comparer les performances des modules entre eux. Notez bien qu'il ne s'agit pas des conditions reelles de fonctionnement des panneaux solaires. En eet, la temperature de cellules egalement (disons entre 20 et 80 Cen fonctionnement, c'est a dire ensoleillees). L'ensoleillement quand a lui at- teint peniblement les 1000W=m2par beau temps a midi. La consequence est que sous un beau soleil, vos panneaux vont plut^ot delivrer une puissance de l'ordre de 70% de leur puissance crete. Il existe des conditions de test normalisees qui permettent de determiner la puissance du panneau photovoltaque dans des conditions plus proches de la realite. Il s'agit des conditionsNOCT: 1.

Ensoleillemen t:800 W=m2

2.

T emperatuream biante:25

C(la temperature des cellules quant a elle

varie en fonction des panneaux, cette valeur est indiquee sur les ches techniques des modules) 3.

R epartitionsp ectraledu ra yonnementAM1:5

Les modules solaires sont relies entre eux en serie pour augmenter la ten- sion du generateur et en parallele pour augmenter son courant. Le raccorde- ment en serie est eectue directement entre les modules, le raccordement en parallele de chaque branche est eectue dans le bo^tier.

8 0.5. Eet de l'ombrage

0.5 Eet de l'ombrage

0.5.1Diodes series et by-pass

Le phenomene de Mismatching (courant dierent delivre par des cellules en serie) engendre des pertes et oblige a eviter les ombres (m^eme partielles) sur le champ de panneaux et cela oblige aussi a regrouper sur une m^eme branche les modules ayant un courant de court-circuit le plus proche pos- sible. Le courant de l'ensemble de la cha^ne de modules prend celui le courant le plus faible. An d'eviter que les modules ne se comportent comme des recepteurs et engendre un rechauement des cellules en cas d'eclairage partiel (phenomene de "Hot spot"), il faut installer des diodes by-pass (egalement appellees anti-paralleles ) sur chaque module. Il est egalement possible d'installer un autre type de diodes appelees "diodes de serie". Ces diodes sont montees en serie sur chaque branche de modules (une par branche) pour eviter qu'en cas d'ombre sur une cha^ne celle-ci ne se comporte comme un recepteur et que le courant n'y circule en sens in- verse. Ces diodes sont indispensables sur de gros systemes. Cependant on a maintenant tendance a ne plus utiliser de diodes series (qui generent une perte de tension et donc une perte de puissance...) et a preferer des fusibles. Par exemple le guide UTE C15-712 preconise l'utilisation de fusibles a partir de 4 strings de modules.Figure 8:

0.6 Eet de la temperature

La temperature a un eet direct sur la mobilite des charges dans lessc.

Cela in

uence evidement le fonctionnement d'une cellule photovoltaique. En eet, quand la temperature augmente le courant du court-circuit de la

Contents 9

celluleIccaugmente, alors que la tension du circuit ouvertVcodiminue. Cela est bien illustre par la gure suivante:Figure 9: L'eet de la temperature sur la puissance convertie peut ^etre analyse en etudiant independament l'eet sur le courant et la tension. Si on considere queI0etV0sont le courant et la tension de la cellule a temperature ambiante, l'augmentation de la temperature de Tprovoque le changement suivant: I cc=I0(1 +T) (10) V co=V0(1 T) La puissance convertie par la cellule va devenir alors:

P=V I=I0(1 +T)V0(1T) (11)

En negligeant le terme en, on obtient:

P=P0[1 + ()T] (12)

Pour une cellule de silicium monocristallin,est de l'ordre de 5104=Cet est de l'ordre de 5106=C. Donc la puissance resultante apres augmen- tation de la temperature deTest:

P=P0(10:0045T) (13)

L'equation

13 mon treque la puissance con vertiedimin uede 0 :45% pour chaque augmentation de la temperature de 1 C.

10 0.6. Eet de la temperature

Setup1:

0.7 Caracteristique I-V d'une cellule PV

Le but de cette manipulation est d'obtenir la caracteristiqueI(V) de la cellule en absance de toute luminecsence. Pour proceder il faut couvrir completement la cellule PV et mesurer le courantIqui la traverse tout en variant la tensionV. Note importante:Idoit rester infereur a 200mAet la tension appliquee inferieure a 1V. 1.

Remplir le tableau suiv ant:I(mA)V(V olt)200

2. T racerla courb eI(V) et en deduire la tension seuil a partir de laquelle la diodepncommence a laisser passer le courant

0.7.1Determination du courant de saturationIs

Dans cette partie on va essayer de determiner le courant de saturationIs en absence de toute illumination. En eet, si on introduit le logarithme nuperien sur l'expression 1 , on obtient: lnI= lnI0+eVnKT (14) ou enKT est une constante a temperature constante. Donc si on trace lnIen fonction de eVnKT on obtiendera une droite avec comme penteenKT et comme point d'intersection avec l'axe desy, lnI0.

12 0.8. Eet de la luminescence surVco0.8Eet de la luminescence surVco

Cette manipulation va permettre d'etudier l'eet de la luminecsence (%) sur la tension du circuit ouvert de la cellule PV,Vco. Pour cela, il faut couvrir partiellement la cellule et mesurerVco. 1.

Remplir le tableau suiv ant:%V

co(V olt)100% 2.

T racerla courb eVco(%)

Contents 13

0.9Mesure de l'energie solaire

Le but de cette manipulation est de mesurer la puissance electrique en fonc- tion des angles d'exposition de la cellule PV. De cette maniere on va essayer de determiner l'angle optimum donnant le maximum de puissance.

0.9.1Procedure pratique

1. Orien terle mo dulev ersl esoleil (ou l alamp ehalog ene) 2.

Placer le mo dule aun angle de 10

, et mesurer le courant (en utlisant le multimetre en mode courant) de court circuit circulant dans la cel- lule. Repeter la m^eme operation pour mesurer la tension de circuit ouvert (en utilisant le multimetre en mode tension). Utliser la ta- ble fournie par le constructeur pour en deduire la puissance (W=m2) convertie. Repeter la m^eme demarche pour dierents angles (=

10;20;30;40;50).

3.

Remplir le tableau suiv ant:(deg)P(W=m2)V

co(V olt)10 20 30
40
50
En bas on trouvera un tableau de calbration fourni par le constructeur:

P(W=m2)I(mA)1000324

950307:8900291:6800259:2750243

600194:4500162

400129:630097:225081

22540:54.T racerles deux courb escourb eP() etVco() sur un m^eme graphe.

Verier si la puissance est obtenue pour le maximum deVco. 14

0.10. Determination de la distribution des cellules sur un

module solaire0.10 Determination de la distribution des cellules sur un module solaire Le but de cette manipulation est de determiner l'arrangement des cellules dans le module. Pour proceder, on va utiliser le module PV, le regulateur et le voltmetre.

Procedure:

1. Placer le mo dule aune inclinaison de l'ordre de 30 deg 2. Utiliser un cac hep ourcouvrir les colonnes du mo dulesolaire en par- tant de la gauche vers la droite, et mesurer la tension du circuit ouvert V co. Remplir le tableau suivant:% cacheV oc3.Refaire l am ^emec hoseen couvran tle mo duled'en bas v ersle haut et en mesurant chaque foisVoc. 4. Sac hantque la tension du circuit ouv ert"th eorique"du mo dulePV est de 22:25Vet que celle d'une cellule solaire est de 0:6V, en deduire comment le module solaire est arrange. 5. (a) quelles son tles a vantagesd'un mo dulea vecdes cellules en par- alleles? (b)quotesdbs_dbs9.pdfusesText_15