Cours Energie Solaire Photovoltaïque
I 2 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque: L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques
Chapitre I : La conversion photovoltaïque
principe de la conversion photovoltaïque est rappelé Ensuite, nous abordons la modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque Puis nous énumérons les principaux paramètres caractérisant une cellule photovoltaïque Enfin nous terminons ce chapitre par l’état de l’art en
Chapitre I L’énergie photovoltaïque et les cellules solaires
3 Principe de fonctionnement : Cellulephotovoltaïque : 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 La tension obtenue est fonction de la lumière incidente
Le photovoltaïque: principes et filières inorganiques
Cellule solaire UNSW Rendement 16 Sillons formés par attaque laser Contacts nickel, cuivre et argent Dopage n+ plus riche en phosphore en surface Limitation résistance avec grille M A Green & al ,Technical Digest of the Internationnal PVSEC, 1994, pp 391-394 Cellules photovoltaïques au Si amélioration du rendement Cellule solaire « PERL »
TECHNOLOGIES PHOTOVOLTAÏQUES
la cellule de plus faible impose son courant à l’ensemble du groupement Surtension inverse due aux autres cellules Fonctionnement de la cellule moins éclairée en récepteur en dissipant une puissance importante Destruction possible de la cellule si la contrainte thermique est trop grande ou si la tension d’avalanche est dépassée
fabbrospcfr
Le rinci ede la cellule hotovoltaï ue Le schéma ci-dessous représente le principe très simpli- fié de la cellule photovoltaique Un semi-conducteur dopé N et un semi-conducteur dopé P sont mis en contact La zone de contact entre les semi-conducteurs est appelée jonction La cellule photovoltaïque produit un courant lorsqu'elle
CHAPITRE I Modélisation d’un panneau solaire 2012
Principe d’une cellule photovoltaïque: Une cellule photovoltaïque est capteur constitué d’un matériau semi-conducteur absorbant l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d’absorption du rayonnement
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1 CHAPITRE I 2012 2 CHAPITRE I 2012 I.Généralités sur les cellules photovoltaïques
I.1.Introduction :
Les énergies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies
renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la source Directement ou indirectement du soleil. Elles sont donc disponibles indéfiniment tant que celui- utilisés depuis 40 ans. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour la transmission radio des satellites. Elles se sont poursuivie ensuite avec les balises en mer etl'équipement de sites isolés dans tous les pays du monde, en utilisant les batteries pour stocker
d'énergie électrique pendant les heures sans soleil [5].I.2. :
Une cellule photovoltaïque -conducteur absorbant lumineux par des matériaux semi-conducteur. Ainsi le choix des matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV se fait en fonction des propriétés physiques de certains de leurs provenant du spectre solaire et possédant une certaine q courant électrique de nature continu(DC).La circulation de ce courant donne alors Naissance à une force électromotrice (fém.) aux bornes du semi-conducteur correspondant ainsi au phénomène physique appelé effet photovoltaïque.La figure (1.1photovoltaïque en silicium.
3 CHAPITRE I 2012Figure (1.1) llule photovoltaïque
I.3 La cellule solaire :
générateur photovoltaïque [6] Il existe trois grands types de silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe.I.3.1 Cellule au silicium mono-cristallin :
silice de quartz ou de sable par transformation chimique métallurgique. silicium amorphe, mais il est nettement plus cher[7]. 4 CHAPITRE I 2012 Figure (1.2) Cellule au Silicium Monocristallin[9]I.3.2Cellule au silicium poly-cristallin :
Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus parmoulage. Ce matériau est moins coûteux (que le mono-cristallin). Les cellules carrées ou
rectangulaires sont faciles à utiliser[7] Figure (1.3) : Cellule au Silicium Poly-cristallin[9]I.3.3 Cellule au silicium amorphe :
cristallin; les cellules sont constituées par des couches très minces[8] 5 CHAPITRE I 2012 Figure (1.4) : Cellule au Silicium amorphe (couche mince)[9]I.4 Jonction PN utilise comme capteur :
Une jonction PN est formée quand les semi-conducteurs de type n et de type p sont placés encontact. Dans un tel dispositif, certains des électrons de conduction excessifs dans le matériau
émigrent rapidement au matériau de type p pour combler les trous de valence. Ceci provoqueun champ électrique fort et permanent à proximité de la jonction, comme il est montré ci-
dessous:Figure (1.5.1) : La Jonction P-N
En polarisant électriquement une jonction PN classique à base de Silicium, on obtient la caractéristique statique représentée en figure(1.5.2). 6 CHAPITRE I 2012Figure (1.5.2) Caract[9]
Ce comportement statique peut être décrit par l'équation électrique suivante :ܫ=ܦܫ0ቀATL@ݍ.ܸ
Io correspondant au courant de saturation, K la constante de Boltzmann (1.381 10 -23 J/K),T la tempȖ
qualité de la jonction. Sous polarisation directe, la barrière de potentiel est abaissée et le
courant de porteurs peut se développer. Sous polarisation inverse, seul un courant de porteurs minoritaires (courant de saturation) circule, cependant, il varie peu avec la tension appliquée, tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage. Il faut noter que ces courants directs ou inverses comme pour des jonctions classiques sont sensibles à la température de jonction. Si cette jonction PN est soumise au rayonnement solaire, alors il se produit l'effetphotovoltaïque (PV). Ainsi, le flux lumineux crée des pairs électron-trous supplémentaires
7 CHAPITRE I 2012dans le matériau à la condition que leurs énergies supérieures ou égales à la bande interdite
Eg. La différence de potentiel ainsi créée aux bornes de la structure, caractérise l'effet
photovoltaïque et se situe selon les matériaux et la structure de la jonction entre 0.3 et 0.7 V.
Comme nous pouvons le voir sur les caractéristiques Si V<0, la jonction se comporte en photorécepteur. Si V>0, la jonction fonctionne comme un générateur avec un courant de court-circuitIcc proportionnel à l'éclairement.
Si la cellule PV est connect
par le photon incident du côté de type p de la cellule PV. Sa circulation à travers le circuit,
produit un courant dans la charge comme montre a la figure (1.6)Figure (1.6)
I.5 I.5.1 Caractéristique courant-tension I(V) [10] :cellule (Ns=36) définissant cet élément comme générateur. Elle est identique à celle d'une
jonction P-N avec un sens bloqué, mais décalé le long de l'axe du courant d'une quantité
directement proportionnelle à l'éclairement. Elle se trace sous un éclairement fixe et une
température constante figure (1.7.1). 8 CHAPITRE I 2012 Figure (1.7.1) Caractéristique I(V) d'un module solaire, T=25°C[10]. I.5.2 Caractéristique puissance-tension P(V) [10].: La puissance débitée par le module photovoltaïque dépend du point de fonctionnement figure (1.7.2). Le point " M » représente la puissance maximale débitée par le module. Figure (1.7.2) Caractéristiques P (V) d'un panneau solaire, T=25°C[10]. 9 CHAPITRE I 2012 I.6 Zones de fonctionnement du module solaire [10].: La caractéristique fondamentale du générateur photovoltaïque donnée pour un fonctionnement; seule la courbe I Vgénérateur qui va déterminer le point de fonctionnement du système photovoltaïque. La figure
(1.8) représente trois zones essentielles : - La zone (I) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.- La zone (II) : correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire entre les
deux zones, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point
optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé. - La zone (III) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tensionpresque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension
Figure (1.8) : Les différentes zones de la caractéristique I (V), T=25°C[10]. I.7 Modélisation des cellules photovoltaïques[12]. Pour développer un circuit équivalent précis pour une cellule PV, il est nécessaire de comprendre la configuration physique des éléments de la cellule aussi bien que lescaractéristiques électriques de chaque élément. Selon cette philosophie plusieurs modèles
électriques ont été proposés pour représenter la cellule photovoltaïque. 10 CHAPITRE I 2012I.7.1 [12]. :
Parmi ces modèles on peut citer les suivants :
I.7.1.1 Modèle a sept paramètres (7p) [12].: Figure (1.9.1) Modèle à 7 paramètres[12].Les paramètres de ce circuit sont :
IL = courant photonique.
I01 = courant inverse de saturation de la diode 1. I02 = courant inverse de saturation de la diode 2. Ȗ1= A1 (NCS), le facteur de qualité de la diode 1. Ȗ2= A2 (NCS), le facteur de qualité de la diode 2.A1 et A2 : sont les facteu
NCS = Nombre des cellules en série.
RS = la résistance série.
RSH = la résistance shunt.
ܦܫ1=ܫ
11 CHAPITRE I 2012ܦܫ 2=ܫ
Substituer (II.3) et (II.4) dans (II.2) donne :
ɀ1kTcቁF1ቁG (I.5) I.7.1.2. Modèle a six paramètres (6P) [12].:Figure (1.9.2) Modèle a six paramètres[12].
Les six paramètres de ce circuit sont :
IL = courant photonique.
I01 = courant de saturation de la diode 1.
I02 = courant de saturation de la diode 2.
Ȗ1= A1 (NCS), le facteur de qualité de la diode 1. Ȗ2= A2 (NCS), le facteur de qualité de la diode 2.NCS = Nombre des cellules en série.
Rs = la résistance série.
Les relations courant-tension pour ce circuit sont les suivant:ܮܫ=ܫെ+ܦ1െ+ܦ
ܦܫ1=ܫ
12 CHAPITRE I 2012ܦܫ2=ܫ
Remplaçant (II.7) et (II.8) dans (II.6) nous obtenons : I.7.1.3 Modèle a cinq paramètres (5P) [12]. : Figure (1.9.3) Modèle à 5 paramètres[12]. Le circuit équivalent de ce modèle est obtenu en utilisons une simplification au circuit demodèle à six paramètres représenté sur la figure (1.9.3). Cette simplification se traduit à supposer
que la résistance série est négligeable. Avec une résistance série nulle, le circuit équivalent sera
représentée comme suit (figure (1.9.3)).Les cinq paramètres de ce modèle sont :
IL = courant photonique.
I01 = courant de saturation de la diode 1.
I02 = courant de saturation de la diode 2.
Ȗ1= A1 (NCS), le facteur de qualité de la diode 1. Ȗ2= A2 (NCS), le facteur de qualité de la diode 2.NCS = Nombre des cellules en série.
13 CHAPITRE I 2012ܮܫ=ܫെ+ܦ1െ+ܦ
ܦܫ1=ܫ01ቀATL@ݍܸ
ܦܫ2=ܫ02ቀATL@ݍܸ
Remplaçant (II.11) et (II.12) dans (II.10) nous obtenons : I.7.1.4. Modèle a quatre paramètres (4P) [12].:Figure (1.9.4) Modèle a 4 paramètres[12].
Les quatre paramètres de ce modèle sont :
IL = le courant photonique
I0 =courant de saturation inverse
Ȗ= facteur de qualité
Rs =la résistance séries
Les différentes équations décrivant ce modèle seront détaillées par la suite. 14 CHAPITRE I 2012 I.7.1.5 Modèle a trois paramètres (3P) [12].: Si on suppose que la résistance série est nulle (comme pour le circuit à cinqparamètres) le circuit à 4 paramètres se réduit à un circuit à trois paramètres représenté par la
figure (1.9.5). Ce circuit équivalent est considéré comme idéal.