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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L"ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUEUNIVERSITE FERHAT ABBAS- SETIF
MEMOIRE
Présentéà laFaculté des Sciences
Département de Physique
Pour l"obtention du diplôme de
MAGISTER
Option: Energétique et Mécanique des Fluides ParSALAHEDDINEBENSALEM
Thème:
Effets de la température sur les paramètres caractéristiques des cellules solairesSoutenu le:06/01/2011
Devant le Jury:
Président:Dr K. KASSALIProfesseurUFA SETIF
Rapporteur:Dr M. CHEGAARProfesseurUFA SETIF
Examinateur:Dr Z. OUENNOUGHIProfesseurUFA SETIF
Examinateur:Dr M. GUELLALMaître de conférences "A»UFA SETIF®Àoz"Y²°oz"Y=Y®€]
REMERCEMENTS
J'exprime mes remerciements en premier lieu à Monsieur M. Chegaar professeur à l'université de Sétif, pour m'avoir accueilli tout au long de ce travail. Je le remercie très sincèrement pour avoir dirigé mes travaux du mémoire et suivi de près et d'une manière continue cette étude. Je remercie Pr K. Kassali professeur à l'université de Sétif, qui me fait l'honneur d'accepter de présider le jury du mémoire. Je tiens à remercie : Pr Z. Ouennoughi professeur à l'université de Sétif et Dr M. Guellel maître de conférences à l'université de Sétif d'avoir répondu aimablement afin de juger ce travail en participant au jury du mémoire. Ces remerciements vont inévitablement aussi à mes enseignants et mes collègues. Grand remerciement à mes parents, et à toute ma famille. Je remercie tous ceux qui ont, de pries ou de loin, contribué à l'aboutissement de ce travail. IIISommaire
Sommaire............................................................................................................................... III
Liste des symboles utilisés.....................................................................................................VI
Principales constantes........................................................................................................VIII
Introduction générale.............................................................................................................10
I.2.1. Le soleil...........................................................................................................................13
I.2.2. Le pouvoir énergétique du soleil.....................................................................................14
I.2.3. Lerayonnementsolaire....................................................................................................16
I.3. La conversion photovoltaïque.........................................................................................19
I.3.2. La cellule solaire..............................................................................................................19
I.3.3.Caractéristique électrique................................................................................................20
I.3.4.Circuit électrique équivalent............................................................................................21
I.3.6. Le mécanisme de la conversion photovoltaïque..............................................................24
I.3.7.Influence des différents paramètres sur la caractéristiqueI(V).......................................26
1.3.7.2. Influence de la résistance série et la conductance shunt..............................................27
I.4.Les modules photovoltaïques...........................................................................................31
1.4.1. Association en série........................................................................................................31
1.4.2. Association en parallèle..................................................................................................32
1.4.3. Association en série parallèle..........................................................................................32
I.5.Déséquilibres dans les groupements de modules...........................................................34
1.5.1. La cellule solaire fonctionnanten récepteur..................................................................34
1.5.2. Déséquilibre dans un groupement série.........................................................................35
Sommaire
1.5.3. Déséquilibre dans un groupement parallèle...................................................................35
I.6.Les différents types de cellules solaires..........................................................................36
1.6.1. Les cellulessolaires au silicium.....................................................................................36
1.6.2. Les cellulessolaires à couche mince...............................................................................37
1.6.3.Les cellulessolaires organiques......................................................................................38
CHAPITRE II- EFFETS DELATEMPERATURE SUR LES PARAMETRESCARACTERISTIQUES DES CELLULES SOLAIRES
II.2.Effets de température sur la caractéristiqueI (V)expérimentale..............................40
II.3.Méthode d"extraction des paramètres..........................................................................42
II.3.1. Description de la méthode..............................................................................................42
II.3.2.Application de la méthode..............................................................................................45
II.4.Description de l"évolution desparamètresen fonction de la température................45
II.4.1. Le courant de court circuit (Icc)....................................................................................45
II.4.2. La tensionen circuit ouvert (Vco)..................................................................................47
II.4.3. Le facteur de forme (FF)...............................................................................................47
CHAPITRE III-RESULTATS ET DISCUSSION
III.2. Le courant de court circuit (Icc) .................................................................................50
III.3. La tension de circuit ouvert (Vco) ................................................................................51
III.4. Le facteur de forme (FF) .............................................................................................53
III.5. Les deux résistances parasites..................................................................................54
Sommaire
III.5.1. Larésistance série (Rs)...............................................................................................54
III.5.2.La résistance shunt (Rsh)...............................................................................................55
Conclusion générale..........................................................................................59
Références bibliographiques.................................................................................62
LISTE DES SYMBOLES UTILISES
SymboleDescription
IphLe photo-courant
RsLa résistance série
RpLa résistance parallèle
IsCourant de saturation
nLe facteur d"idéalité I (V)La caractéristique courant- tension de la photopileILe courant électrique
VLa tension électrique
β+Rayonnement bêta plus
νeNeutrino électronique
γRayonnement (photon) gamma
UAUnité astronomique
ÅAngstrom
λLongueur d"onde
AMxAir mass
hL"hauteur du Soleil pLa zone p de la jonction nLa zonen de la jonctionCARCouche anti-réfléchissante
IobsCourant d"obscurité
VthLe potentiel thermique
KLa constante de Boltzmann
TLa température absolue
qLa charge électrique d"un électron en valeur absolueRshLa résistance shunt
shGLa conductanceshuntIdCourant de la diode
VjLa tension aux bornes de la jonction p-n
IccCourant de court circuit
VcoTension de circuit ouvert
PmPuissance maximale
ImCurant du point du fonctionnement
VmTension du point du fonctionnement
FFLe facteur de forme
Le rendement
SLa surface de la cellule
EL"éclairement
αCoefficient de variation relative du Icc
EgEnergie du gap
ΩOhmZCEZone de charge d"espace
ELe champ électrique
EcLe niveau énergétique le plus bas de la bande deconduction EvLe niveau énergétique le plus haut de la bande de valenceEfLe niveau de Fermi
LnLongueur de diffusion des électrons
LpLongueur de diffusion des trous
GGroupement de cellules solaires
NsGroupement de N cellules ou de modules identiques en série NpGroupement de N cellules ou de modules identiques enparallèleνFréquence du rayonnement
NmsGroupement de N module en série
NbpN branches en parallèle
mssp(puissance) maximale de sous-station photovoltaïque RmLa résistance de charge optimale du module de base RmsspLa résistance de charge optimale de sous-station photovoltaïquePLa puissance électrique
IcLe courant corrigé
CLa vitesse de la lumière dans levide
PRINCIPALES CONSTANTES
La charge électrique d"un électron (en valeur absolue)q=1.60281×10-19 C La constante de BoltzmannK=1.38066×10-23J/K= 8.61400×10-5eV/K La vitesse de la lumière dans le videC=2.99792 × 108m /sIntroduction générale
Introduction générale
10 L"énergie est la complication essentielle pour l"homme dans le monde actuel, ses sources, est la question que le futur va poser à l"homme. Cependant l"histoire réserve parfois des surprises. Avec la diminution du stock mondial d"hydrocarbures d"origine fossile (pétrole, gaz et charbon), la demande énergétique sans cesse croissante, la crainte d"une pollution de plus en plus envahissante, les énergies renouvelables (solaire, marine, éolienne, etc.) reviennentau premier plan de l"actualité; leur exploitationarrange beaucoup l"environnement. L"énergiesolairephotovoltaïque1estl"une des énergies renouvelables et la plus utilisée.Elleconsisteàconvertirdirectement le rayonnementélectromagnétique(solaireouautre) en électricité. Elle utilise pour ce faire des convertisseursphotovoltaïques ou cellules
photovoltaïques ou encorcellules solaires quireprésentent l"élément de base dans la
conversion photovoltaïque. L"utilisation des cellules solaires commeconvertisseursd"énergiesolairea faitapparaître le besoin d"étudier ces systèmes afin de les optimiser, et par conséquence
développer l"exploitation decette nouvelle source d"énergierenouvelable propre et quin"émetpas de gaz à effet de serre, pour cesderniersraisons la branche solaire photovoltaïquemérite
vraiment d"être miseà contribution. L"expérience montre que le fonctionnement des cellules solaires dépend fortement deplusieurs paramètres; internes (lié au dispositif lui-même; la technologied"élaboration du
dispositif photovoltaïque)et externes (lié à l"entourage du fonctionnement:éclairement,
température,etc.). L"étude de l"influence de ces différents paramètres sur le fonctionnement
des photopiles solaires est possible à travers la connaissance de l"influence de chaque
paramètre sur la caractéristiqueI-V de la cellule. L"éclairementetla température sont deuxparamètresextrêmementimportantsdans le comportement des cellules solaires.Ilsinfluent énormément sur la caractéristiqueI-Vde la cellule solaire. D"où,l"importance del"étude de l"influencede l"éclairement etdela températurepouroptimiser lesperformances dessystèmes photovoltaïquespuisqu"elles sont exposées au rayonnement solaire.1Ce mot vient duGrec"phôtos»qui signifient lumière et de "Volta» dunomduphysicien italienVolta
AlessandroComte (1745-1827)qui, en 1800,inventala pileélectrique[1].Introduction générale
11La température est un paramètre trèsimportant etne peutêtrenégligé dans le
comportement descellules solaires. Sachant que sur le totald"énergie incidente, une très faible portionest réfléchie par lasurface du capteur etune petite portionest extraite sousforme d"énergie électrique,en conséquence c"estla grande partiede l"énergie incidente qui
devra être dissipée sous forme de chaleur. Ceci conduit, sousrayonnement, à une température
de fonctionnement relativement élevée si cette énergie non convertie enélectricité n"est pas
évacuée.
En particulier, les performances électriques d"unecellule solaireau silicium sont trèssensibles à la température. Dans le présent travail, nousétudionspour unecellule solaire au
silicium poly-cristallin,le comportement en fonction de latempérature desprincipaux paramètres;le courant de court circuitIcc ,la tensionen circuit ouvertVco, le facteur de forme FF etle rendement de conversion PV1(η).Le présent travailest organisé comme suit: Dansle premier chapitre nous rappelonsdes généralités sur la source fondamentale del"énergie photovoltaïque; lesoleil,son pouvoirénergétique et les propriétés deson
rayonnement puisnousdécrivons l"élémentconvertisseur; la cellule solaire. Nous abordons sastructure,sacaractéristique électrique,soncircuit électrique équivalent,les paramètres
photovoltaïques,le mécanisme dela conversion photovoltaïque,l"influence de différents
paramètres sur la caractéristiqueI(V),le regroupement descellules solaires enmodulesphotovoltaïques afin de construire unchamp photovoltaïque et les déséquilibres dans les
groupements de modulespuis nouscitons les différents types de cellules solaires. Le deuxième chapitretraite les effets delatempérature sur les paramètres caractéristiques des cellulessolaires. Nouscommençonspar illustration de l"effetde latempérature sur la caractéristiqueI(V)de la cellule étudiée,en suite nousdéterminonsles
différents paramètres caractéristiquesà différentes températurespuis nous donnons une
description de l"évolution des paramètrescaractéristiquesen fonction de la température.Le troisième chapitre est consacré à laprésentation et la discussion des résultats
obtenus. En fin,une conclusion générale couronne ce mémoire pour récapituler nos analyses, nos résultats etnoscommentaires.1 Abréviation simplificatrice dans ce travailsignifie "photovoltaïque».
ChapitreI
conversionphotovoltaïque Chapitre IL"énergie solaire et la conversion photovoltaïque 13I.1.Introduction
Danscechapitre, nous présentons desgénéralitéssur la source de l"énergie solaire(le soleil)et des notionsfondamentalessur l"élément clé dans la conversionphotovoltaïque (la cellule solaire).I.2.L"énergie solaire
I.2.1. Le soleil
Sur le plancosmogoniquele soleil est une étoilequelconque dont ni les propriétés physiques ni la positionne la distinguent desmilliards d"autres étoilesformant la Galaxie.Sur le plan humain cetteétoilea uneimportance primordiale puisquesans elle la vie n"existerait pas sur terre.Le tableau suivant montre quelquescaractéristiques principales dusoleil:CaractéristiqueValeur
Masse1,989×1030Kg
Diamètre1,392×109m
Masse volumique moyenne1410 Kg m-3
Puissance rayonnée3,83×1026W
Température superficielle5770 K
TableauI.1:Caractéristiques principales dusoleil [2]. La structure du soleilest schématiséesur la figure (I.1). On distingue quatre zones particulières; le noyau,la photosphère, la chromosphère et la couronne[2]:Le noyau: c"est le coeur du soleil, sa température est très élevée (15×106K) ainsi que
sa pression (2×1011bars) et sa densité (~ 105Kg m-3), on note quecette dernière diminuant avec l"éloignement au centre. L"énergie produite au sein du noyau se propagepar diffusionradiativepuispar convection turbulentejusqu"àla photosphèred"où elle s"échappesous forme de rayonnementélectromagnétique vers l"espace.
La photosphère: est une couche d"environ 300 Km d"épaisseur avec une température de 5770 K. Elle donne l"image visible dusoleil. La chromosphère: est l"atmosphère du soleil. Elle a une épaisseur d"environ 8 000Km et une température de 20000 K environ.
Chapitre IL"énergie solaire et la conversion photovoltaïque 14FigureI.1:Coupeschématique dusoleil[2].
La couronne: est le prolongement de la photosphère. Sans limite précise, elle est formée de gaz peu denses et ionisés. Invisible depuis la terre, car son éclat(brillance)seconfond avec celui du ciel bleu. Elle ne peut êtreobservée que pendant une éclipse solaire. Sa
température est très élevéepuisqu"elle dépasse lemillion dedegrés. Lesoleilestcomposé chimiquement [3]de70% d"hydrogène et d"environ28%d"hélium et le2 % restant étant mélange de plusde 100 éléments,soit pratiquement tous les
éléments chimiques connues.La distanceterre-soleilestégale en moyenneet approximativement à [2]150×106Km; cettedistanceest si grande que sa lumièrenous parvient [3]8 minutes aprèsavoir était émise.I.2.2. Le pouvoir énergétique du soleil
Le soleil est à l"origine de la vie sur la terre et la perpétue par son apport incessant d"énergie; cette énergieest vraiment considérable(tableau I.1). Ellenousarrive sous formed"un rayonnement électromagnétiqueà travers l"espace etquinouséclaire, nous réchauffe et
faitcroître les plantes... L"énergiesolaire est produite par les réactions de fusion thermonucléaired"hydrogène enhélium au seindu noyaudusoleil; ce processusengendreun défaut de masse (Δm) qui setransforme en énergie(ΔE)selon lacélèbre relation d"Einstein (ΔE=Δm×C2) oùC est la
vitesse de la lumière dans le vide (C=2.99792 × 108m /s).Deux cycles ont étéimaginéspar
les astrophysiciens pour décrireles étapes conduisantà cette fusion[2]: Chapitre IL"énergie solaire et la conversion photovoltaïquequotesdbs_dbs4.pdfusesText_8