Cadre théorique du photovoltaïque : étude approfondie

Le cadre théorique du photovoltaïque révèle comment le dimensionnement d’un système de pompage solaire peut transformer l’agriculture dans les zones arides. Découvrez les avantages inédits de cette technologie pour réduire les coûts et les émissions, tout en assurant une irrigation durable à Marrakech.

CHAP II

Généralités sur les générateurs photovoltaïques

Table des matières

1 Introduction :

Le phénomène « photovoltaïque » est né avec Alexandre Edmond Becquerel en 1839, annonçant le début d’une fantastique découverte qui serait ainsi une technologie de base pour la génération de l’électricité.

Le générateur photovoltaïque a constitué un moyen efficace et adapté dans la production de l’électricité, et est intégré aujourd’hui dans les installations autonomes, isolées, raccordés au réseau et dans les stations de pompage de l’eau.

La technologie photovoltaïque est une solution « gratuite » fournie par le soleil, et une technologie, malgré le coût élevé partiellement, propre et ne génère pas des émissions de dioxyde de carbone qui nuit la couche atmosphérique et cause l’effet de serre.

Cellule Photovoltaïque :

La cellule photovoltaïque est l’unité de base de production du courant photo-électrique, qui transforme l’énergie des rayonnements solaires en électricité.

La cellule photovoltaïque ou « solaire » est constituée à la base des matériaux semi-conducteurs dont le plus utilisé est le Silicium (Si).

Figure II.1 : Composition de l’atome de Silicium

Principe de fonctionnement d’une cellule 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 positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p [15].

La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée.

En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou.

Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel. Cette différence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et négatives de la cellule, c’est la tension V de la cellule dépendant du taux d’éclairement solaire.

La tension maximale d’une cellule photovoltaïque, nommée tension de circuit ouvert (Vco), est d’environ 0.5 à 0.8V et peut être directement mesurée à ses bornes sans charge. Le courant maximal produit par la cellule photovoltaïque est nommé courant de court-circuit (Icc). Ce dernier est obtenu lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées. Ces valeurs peuvent changer fortement en fonction de l’ensoleillement, de la température et du matériau utilisé.

Figure II.2 : Schéma d’une cellule photovoltaïque

Types de cellules photovoltaïques

On distingue en général trois grands types de cellules photovoltaïques :

Cellules monocristallines
Cellules polycristallines
Cellules amorphes

Cellule monocristalline

La cellule au silicium monocristallin est constituée d’un silicium formé d’un seul cristal ordonné. Ce matériau est obtenu directement d’un germe ou recristallisé à haute température sous forme d’un lingot. Il est ensuite découpé en fines tranches qui donneront les cellules. La couleur des cellules est en général d’un bleu uniforme.

Ayant un rendement très bon de 15 à 20%, son prix est plus élevé que les cellules polycristallines et amorphes, son seul avantage est d’utiliser une surface réduite : il faut environ 7m² pour obtenir 1 kiloWatt-crête (kWc).

Figure II.3 : cellule monocristalline

Cellule polycristalline :

Elle est formée du silicium mais avec plusieurs cristaux de formes cristallographiques différentes, et cette différence est vue à l’œil nu sur un panneau polycristallin.

Les modules utilisant des cellules au silicium polycristallin ont en général un rendement compris entre 12 et 14%. Il faut environ 8m² de cellules pour obtenir 1kWc [16]. Ces cellules sont plus simples à fabriquer et moins chères que les cellules au silicium monocristallin. Ils ont un rendement faible sous éclairement faible, et en cas de température élevée.

Les panneaux à Silicium polycristallin dominent le marché avec un pourcentage de 43% vu leur coût commercial plus faible que ceux à Silicium monocristallin.

Figure II.4 : cellule polycristalline

Cellule au silicium amorphe:

Les cellules au silicium amorphe sont des cellules à couche mince, c’est-à-dire qu’elles sont fabriquées en déposant une fine couche de silicium sur un support (ou « substrat »), par exemple du verre. L’épaisseur de silicium utilisée est beaucoup plus faible que pour les cellules mono ou polycristallines qui sont réalisées à partir de tranches de silicium. Ce type de cellules est donc moins cher et plus facile à fabriquer. Sa faible épaisseur permet, par exemple, de les utiliser pour créer des panneaux solaires souples. Cependant, ces cellules ont des rendements limités (de l’ordre de 5 à 7%, soit environ 15m² pour obtenir 1kWc) et sont donc réservées à des applications nécessitant peu de puissance.

Les cellules au silicium amorphes sont beaucoup utilisées pour l’alimentation de petits appareils solaires (montre, calculatrice…) [16].

Les panneaux à Silicium amorphe ont l’avantage de production d’électricité sous faibles éclairements et sont moins sensibles à l’élévation de température. Mais elles ont de défaut d’avoir un rendement faible en plein soleil.

Figure II.5 : cellule au Silicium amorphe

Les couches minces constituent la seconde génération de technologie photovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellure de cadmium (CdTe), entre autres,…

La 3ème génération des cellules photovoltaïques voit le jour, même avec un rendement faible allant de 3 à 5%, on parle des cellules organiques, cellules à colorant, cellules à polymères, cellules à multi-jonction et cellules à concentration.

Tableau II.1 : rendements des différentes cellules solaires photovoltaïques

rendements des différentes cellules solaires photovoltaïques
Génération de cellules PV	Technologie	Rendement [%]
1^ère génération: Silicium Cristallin	Monocristallin Polycristallin	18-25 12-20
2^ème génération : Couches minces	Silicium amorphe CIGS CdTe	6-9 9-15 10-16
3^ème génération :	Organique Pigment photosensible Multi-jonction	4-6 8-11 30-40

—– couches minces—— Silicium cristallin cellules à concentration

Figure II.6 : évolution des rendements des différentes cellules solaires photovoltaïques

Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque :

Une cellule photovoltaïque est souvent présentée comme un générateur de courant électrique dont le comportement est équivalent à une source de courant shuntée par une diode. Pour tenir compte des phénomènes physiques au niveau de la cellule, le modèle est complété par deux résistances série Rs et Rsh comme le montre le schéma équivalent de la figure suivante.

Figure II.7: Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque [11] La loi de Kirchhoff nous donne [11] :

I= Iph –Id (V)

Où :

I= courant fourni par la cellule.

𝐼_𝑝h : le photo-courant, proportionnel à l’éclairement E, il correspond également au courant de court circuit Icc défini comme suit:

𝐼_h= Icc E

𝑝 1000

𝐼_𝑑 : ID représente le courant de polarisation d’une diode, il est donné par :

Id = Is(exp( V∗Rs∗I) − 1)

, avec :

Is : dépendant de la température T et des paramètres électriques technologiques de la jonction.

VT : potentiel thermodynamique défini par :

VT= AKT , kT = 26 mV à 300 °K (27°C) pour le silicium.

q : nombre de charges

T : température effective de la cellule en °K

K : constant de Boltzmann=1,380 648 8 x 10²³ J.K^-1 A : Coefficient d’idéalité de la diode.

A partir des relations précédentes, on obtient l’expression de la caractéristique I (V) de la cellule photovoltaïque :

I = Icc E

1000

Is(exp( V∗Rs∗I) − 1)

La relation entre les trois grandeurs, I, Iph et Id (𝑉) représente la caractéristique courant-tension permettant de déterminer quatre grandeurs caractéristiques principales du fonctionnement des cellules solaires :

- Le courant de court-circuit.
- La tension en circuit ouvert.
- Le facteur de qualité A.
- Le facteur de forme 𝑓𝑓.

La caractéristique I(V) se divise en trois parties :

La zone (a) où la cellule se comporte comme un générateur de courant 𝐼𝑐𝑐

proportionnel à l’éclairement.

La zone (b) où la cellule se comporte comme un générateur de tension [11].

La figure II.8 illustre la relation entre le courant, la tension et la puissance d’une cellule photovoltaïque.

Figure II.8 : Caractéristique courant-tension I=f(V) d’une cellule PV

Paramètres électriques d’une cellule photovoltaïque :

La tension à circuit ouvert 𝑉𝑜𝑐 :

C’est la tension aux bornes de la cellule photovoltaïque lorsqu’elle n’est reliée à aucune charge, donc à un courant nul, elle est donnée par [11] :

Vco(I=0) = Vt log ( 1+ Isc ) [11].

Le courant de court-circuit 𝐈𝐬𝐜 :

Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V= 0 dans le schéma équivalent). Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la cellule et dépend de la surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des porteurs et de la température. On peut écrire :𝐼𝑠𝑐 = 𝐼𝑝h

La Puissance maximale 𝑷𝒎𝒂𝒙:

La puissance crête d’une cellule PV, notée Wc (Watt crête) ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique maximale délivrée dans les conditions suivantes dites conditions standard (STC) :

éclairement solaire de 1 kW / m2 ;
température de la cellule PV égale à + 25 °C.
un rayonnement solaire traversant 1,5 fois l’épaisseur de la couche atmosphérique (« AM 1.5 » pour « Air Mass »).

Pour une cellule photovoltaïque, la puissance maximale 𝑃max ,est donnée par :

𝑃_𝑚𝑎𝑥 = 𝑉_𝑚𝑎𝑥 × I_max , avec :

Vmax : tension à puissance maximale

Imax : intensité du courant à puissance maximale

Pour une cellule photovoltaïque idéale, la puissance maximale est le produit du courant de court-circuit Icc par la tension du circuit ouvert Vco. Le produit (Vmax× Imax) donne la puissance maximale qui représente 80% environ du produit (𝑉𝑐𝑜×𝐼𝑠𝑐).

Le facteur de qualité :

A est le facteur d’idéalité de la cellule qui dépend des mécanismes de recombinaison dans la zone de charge d’espace.

Le facteur de forme 𝒇𝒇:

C’est le rapport entre la puissance maximale que peut fournir une cellule et la puissance qu’il est théoriquement possible d’obtenir (puissance optimale) :

Vm×Im

𝑓𝑓

Voc∗Icc

Rendement énergétique maximum η:

Le rendement de la cellule correspond au rapport entre la puissance électrique maximale fournie par la cellule et la puissance solaire incidente :

Où

S : Surface de cellule solaire. E : Flux incident.

η =Vm∗Im

E∗S

Les paramètres influençant sur la caractéristique I(V) :

Quatre paramètres influent sur le comportement électrique d’une cellule solaire ou un générateur photovoltaïque :

La résistance série.
La résistance shunt.
L’éclairement E.
La température T.

Influence des résistances série Rs et shunt Rp :

Ces résistances Rs et Rp parasites consomment une partie du courant photo-généré. Les résistances série sont principalement dues à la résistivité du substrat, à la résistance des lignes de connexion. Les résistances parallèles (shunts) représentent en fait les courants de fuite dans la cellule, dus aux pertes dans les joints de grains, à de mauvais contacts entre le silicium et les connexions, à des courts-circuits qui peuvent être créés pendant la fabrication des cellules.

Influence de la résistance série Rs :

La résistance série est la résistance interne de la cellule. Elle dépend principalement de la résistance du semi-conducteur utilisé, de la résistance de contact des grilles collectrices et de la résistivité de ces grilles. La Figure II.9 montre l’influence de la résistance série sur la caractéristique I−V. Cette influence se traduit par une diminution de la pente de la courbe I= f (V) dans la zone où le module fonctionne comme source de tension, à droite du point de puissance maximum [13].

Figure II.9: L’influence de la résistance série Rs sur la caractéristique I(V) et P(V) [13].

Influence de la résistance shunt :

La résistance shunt est une résistance qui prend en compte les fuites inévitables du courant qui intervient entre les bornes opposées d’une photopile. La résistance shunt est liée directement au processus de fabrication, et son influence ne se fait sentir que pour de très faibles valeurs du courant (proche du courant de court-circuit). La Figure II.10 montre que cette influence se traduit par une augmentation de la pente de la courbe I−V du module dans la zone correspondante à un fonctionnement comme une source de courant [13].

Figure II.10 :Influence de la résistance shunt Rsh sur la caractéristique I(V) et P(V) [13]

Influence de l’éclairement :

Figure II.11: Influence de l’éclairement sur la caractéristique I (V) à T=25°C[12]

Figure II.12: Influence de l’éclairement sur la caractéristique P (V) à T=25°C [12]

Les figures (II.4 et II.5) représentent les caractéristiques d’un panneau photovoltaïque SPR315E SUNPOWER vis-à-vis des variations de l’éclairement à une température constante. On remarque que la tension ne varie que très peu en fonction de l’éclairement, contrairement au courant et la puissance qui augmente fortement avec l’éclairement.

Influence de la température :

Figure II.13 : Influence de la température sur la caractéristique I (V) à E=1000W/m² [12]

Figure II.14 : Influence de la température sur la caractéristique P (V) à E=1000W/m² [12]

Les figures (II.14 et II.15) représentent les caractéristiques d’un panneau photovoltaïque SPR315E SUNPOWER vis-à-vis des variations de la température à un éclairement constant. On remarque que le courant est pratiquement inchangé et la tension est inversement proportionnelle par rapport à la température.

En effet, pour le silicium, lorsque la température augmente, le courant de la cellule augmente d’environ 0,025 mA/cm²/°C alors que la tension décroît de 2,2 mV/°C/cellule. Cela se traduit par une baisse de puissance d’environ 0,4%/°C.

Associations des cellules :

Les cellules photovoltaïques peuvent être associées les unes par rapport aux autres soit en série, en parallèle ou en série-parallèle (association mixte), et chaque association permet la modification des paramètres électriques du générateur photovoltaïque équivalent.

Association des cellules en série :

Une association de (Ns) cellules en série permet d’augmenter la tension du générateur photovoltaïque. Les cellules sont alors traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement série est obtenue par addition des tensions élémentaires de chaque cellule. L’équation résume les caractéristiques électriques d’une association de (Ns) cellules en série.

Figure II.15 : a) association des cellules en série b) caractéristique I =f(V)

Association en parallèles :

L’association en parallèle de NP panneaux contribue à l’augmentation du courant électrique généré à la sortie de la chaîne, il est égal à la somme des courants électriques de chaque panneau, alors que la tension électrique à la sortie est égale à la tension unitaire aux bornes de chaque panneau.

Figure II.16 : Schéma d’association de deux panneaux en parallèle.

Figure II.17 : Caractéristique I(V) d’un groupement des panneaux en parallèle.

Association mixte (série-parallèle)

Le générateur photovoltaïque est constitué d’un réseau série-parallèle de nombreux modules photovoltaïques regroupés par panneaux photovoltaïques figure (I-11-a).

La caractéristique électrique globale courant/tension du générateur photovoltaïque se déduit donc théoriquement de la combinaison des caractéristiques des cellules élémentaires supposées identiques qui le composent par deux affinités de rapport ns parallèlement à l’axe des tensions et de rapport np parallèlement à l’axe des courants ns et np étant respectivement les nombres totaux de cellules en série et en parallèle.

Igcc= np.Icc : courant de court-circuit du module résultant. Vgco=ns.Vco : tension du circuit ouvert du module résultant.

Pm = ns.np.Im.Vm : puissance maximale du générateur photovoltaïque

Figure II.18 : Schéma de panneaux photovoltaïques en position mixte ou série-parallèle

Plaque signalétique d’un panneau photovoltaïque :

Elle comporte les caractéristiques du panneau, tels que la puissance nominale, la tension et intensité du courant au point de puissance maximale, au point de courant circuit et en circuit ouvert, ainsi que les dimensions du panneau et d’autres données.

Figure II.19 : Plaque signalétique d’un panneau photovoltaïque On lit sur cette plaque signalétique :

Puissance nominale Pm : 270 W
Tension à puissance maximum Vm: 31,7 V
Courant à puissance maximum Im : 8,52 A
Tension à circuit ouvert Voc : 38,8 V
Courant de court-circuit : 9,09 A
Dimensions : 1650*992*40 mm³

25°C.

NB : Toutes ces caractéristiques sont aux conditions STC c.à.d. irradiation de 1000W/m² et température de 25°C.

Différents types de systèmes photovoltaïques :

On rencontre généralement trois types de systèmes photovoltaïques, les systèmes autonomes, les systèmes hybrides et les systèmes connectés au réseau. Les deux premiers sont indépendants du système de distribution d’électricité, on les retrouvant souvent dans les régions éloignées.

Les systèmes autonomes :

Ces systèmes photovoltaïques sont installés pour assurer un fonctionnement autonome sans recours à d’autres sources d’énergie. Généralement, ces systèmes sont utilisés dans les régions isolées et éloignées du réseau.

Les différents types de systèmes photovoltaïques autonomes sont :

Système autonome avec stockage :

Système autonome avec stockage c’est le système le plus répandu. Le composant de stockage permet d’emmagasiner de l’énergie et de la restituer à la charge lorsque le rayonnement solaire est faible ou absent (pendant la nuit). Il existe divers composants de stockage, dont les plus répandus, les batteries électrochimiques [14].

Figure II.20 : Système photovoltaïque autonome avec stockage [14]

Système autonome sans stockage :

Dans ce cas, l’appareil alimenté ne fonctionnera qu’en présence d’un éclairement solaire suffisant pour le démarrage. C’est intéressant pour toutes les applications qui n’ont pas besoin de fonctionner dans l’obscurité, et pour lesquelles le besoin en énergie coïncide avec la présence de l’éclairement solaire. Mais il faut bien dimensionner le générateur photovoltaïque de sorte qu’il ait assez de puissance pour alimenter l’appareil au plus faible.

Le pompage photovoltaïque est un exemple de cette catégorie de système autonome où le stockage de l’eau dans un réservoir est généralement le plus adopté par rapport au stockage électrochimique. La pompe solaire est branchée directement sur le générateur photovoltaïque par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC ou DC/AC selon que nous utilisons respectivement un moteur à courant continu ou un moteur à alternatif.

Le débit d’arrivée d’eau dans le réservoir est donc variable et fonction du rayonnement solaire [14].

Figure II.21 : Système photovoltaïque autonome sans stockage [14]

Systèmes hybrides :

Les systèmes hybrides, qui sont également indépendants des réseaux de distribution d’électricité, sont composés d’un générateur photovoltaïque combiné à une éolienne ou à un groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois. Un tel système s’avère un bon choix pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d’une puissance assez élevée, lorsqu’il n’y a pas assez de lumière solaire à certains moments de l’année, ou si vous désirez diminuer votre investissement dans les champs de modules photovoltaïques et les batteries d’accumulateurs [14].

Figure II.22 : Systèmes hybrides [14]

Systèmes connectés à un réseau :

Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique [14].

Figure II.23 : Système photovoltaïque connecté à un réseau [14]

Avantages et Inconvénients du photovoltaïque :

En tant que source d’énergie électrique, un système photovoltaïque offre des avantages mais aussi des inconvénients.

Avantages du photovoltaïque :

Les installations photovoltaïques sont en général de haute fiabilité, peu sujettes à l’usure.
Elles demandent peu d’entretien. Le montage des installations photovoltaïques est simple et les installations sont adaptables aux besoins de chaque projet.
Il s’agit d’une source d’énergie électrique totalement silencieuse ce qui n’est pas le cas, par exemple des installations éoliennes.
Il s’agit d’une source d’énergie inépuisable.
L’énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets.

Inconvénients du photovoltaïque:

Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles et de l’ordre de 23.4 %
Dans le cas d’une installation photovoltaïque autonome qui ne revend pas son surplus d’électricité au réseau, il faut inclure des batteries dont le coût reste très élevé.
Le niveau de production d’électricité n’est pas stable et pas prévisible mais dépend du niveau d’ensoleillement. De plus, il n’y a aucune production d’électricité le soir et la nuit.
La durée de vie d’une installation photovoltaïque n’est pas éternelle mais de l’ordre de 20 à 30 ans. De plus, le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps qui passe. On parle en général pour les panneaux photovoltaïques, d’une perte de rendement de 1 % par an.

Conclusion :

On a traité dans ce chapitre le principe de la technologie photovoltaïque et les différents types de la cellule, et ses caractéristiques et paramètres électriques, ensuite le comportement des cellules via l’éclairement solaire et la température, et on a identifié les différents systèmes d’installations photovoltaïques, en fin on a parlé des avantages et inconvénients de la technologie photovoltaïque.

Tout ce bagage nous aide à bien intégrer notre système photovoltaïque de pompage qui sera traité le chapitre qui suit.

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¹⁵ Source non spécifiée. ↑

¹⁶ Source non spécifiée. ↑

¹² Source non spécifiée. ↑

¹⁴ Source non spécifiée. ↑

¹³ Source non spécifiée. ↑

Questions Fréquemment Posées

Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque?