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Les cellules photovoltaïques
Description de la cellule : C’est l’élément de base qui grâce à lui la conservation est faite par l’assemblage de plusieurs cellules, on peut atteindre la puissance que l’on veut. Les photopiles ou cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l’aide des matériaux semi-conducteurs ayant des propriétés intermédiaires entre conducteurs et isolants .
Le matériau de base est dans la plupart des cas le silicium. Selon le procédé de fabrication, on obtiendra des photopiles plus ou moins performantes, sous forme amorphe, poly-cristalline, ou monocristalline. D’autres matériaux sont utilisables : Arséniure de Gallium (AsGa), Tellurure de Cadmium (CdTe) .
Le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques acquises par le silicium quand des atomes étrangers en petit nombre (des « impuretés ») sont substitués à des atomes de silicium dans un réseau cristallin : c’est ce que l’on appelle le dopage :
Si l’atome d’impureté contient plus d’électrons que le silicium, le matériau contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type « N » (ex : dopage au phosphore).
Si l’atome d’impureté contient moins d’électrons que le Silicium, le matériau sera déficitaire en électrons : il sera dit de type « P » (ex : dopage au bore).
Une cellule solaire sera obtenue en constituant une jonction de deux zones de type opposées (jonction PN). Au voisinage de la jonction, un champ électrique apparaît provoqué par le déséquilibre de charges. Il va contribuer à drainer les électrons qui auront été détachés par l’énergie des photons (grains de lumière) incidents. Pratiquement, la cellule PV est composée de plusieurs couches minces :
Une couche « antireflet » sur la face avant dont le but est de faciliter au maximum la pénétration d’un maximum de photons à travers la surface et de réduire les pertes par réflexion;
Une grille conductrice avant » collectrice des électrons » qui doit également être liée au silicium et ne pas être sensible à la corrosion.
Une couche dopée N avec porteurs de charge libres négatifs (électrons); Une couche dopée P avec porteurs de charge positifs (trous);
Une surface de contact conductrice en métal (collectrice des électrons), ayant une bonne conductivité ainsi qu’un bon accrochage sur le silicium;
La jonction PN utilisée comme capteur PV
Un capteur PV est proche d’une diode PN de par sa constitution, les matériaux utilisés, et les phénomènes physiques identiques mis en œuvre. Le comportement d’une cellule PV peut donc se modéliser comme celui d’une mauvaise jonction PN autant en statique qu’en dynamique lorsque cette dernière n’est pas éclairée.
En polarisant électriquement une jonction PN classique, on obtient les caractéristiques statique semblables à celles de la diode .
Sans éclairement, le comportement d’une cellule PV est semblable à celui d’une mauvaise diode. Ainsi, 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. Ce dernier varie peu avec la tension appliquée tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage. 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, un courant électrique proportionnel à l’éclairement apparait, c’est cette particularité qui est employée dans les générateurs photovoltaïques.
Module PV
La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance, plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module .La connexion en série des cellules permet d’augmenter facilement la tension de l’ensemble, tandis que la mise en parallèle permet d’accroître le courant.
Ces cellules sont protégées de l’humidité par encapsulation dans un polymère EVA (éthyléne-vynil- acétate) et protégé sur la surface avant d’un verre, trempé à haute transmission et de bonne résistance mécanique, et sur la surface arrière d’une ou de polyéthylène.
Panneaux PV : Afin d’obtenir des puissances de quelques KW à quelques MW, sous une tension convenable, il est nécessaire d’associer les modules en série (augmenté la tension) et en parallèle (augmenté le courant) pour former un panneau.
La quantité d’électricité dans l’ensemble des composants du panneau PV dépend : Des besoins en électricité, De la taille du panneau, De l’ensoleillement du lieu d’utilisation, De la saison d’utilisation. Générateur PV : Le câblage série/parallèle des panneaux est utilisé pour obtenir globalement un générateur PV aux caractéristiques souhaitées, ce dernier que l’on appelle un central photovoltaïque.
Les caractéristiques d’un module PV
La tension en circuit ouvert : Si l’on place une photopile sous une source lumineuse constante, sans aucune charge à son borne, celle-ci va produire une tension continue d’environ 0,6 V, appelée tension en circuit ouvert UCO ou à vide (elle varie légèrement avec la température et l’éclairement).
Le courant de court-circuit : A l’inverse du cas précédent, si l’on place une photopile en court-circuit, elle va débiter un courant maximal à tension nulle. Ce courant est dit courant de court-circuit ICC. De plus, comme nous l’avons vu au paragraphe précédent, le photo-courant fourni par la cellule est proportionnel à l’intensité lumineuse et à la surface du panneau mis en œuvre, Ainsi, plus ces deux paramètres seront élevés, plus l’intensité produite sera grande.
La puissance maximale : L’objectif principal de l’utilisateur de générateur photovoltaïque est que l’énergie produite soit la plus optimale possible, c’est la puissance électrique maximum que peut fournir le module, qui est associé à une tension maximale Um et à une intensité maximale Im. Lorsqu’il est question de puissance maximale dans les conditions normalisées d’ensoleillement STC standard (25°C et un éclairement de 1000 W/m²), on parle alors de puissance crête, mesurée en watts-crête (Wc).
Les différents types du système PV
Les systèmes PV sont composés selon les exigences en trois types : autonome, raccordée au réseau et hybride :
Systèmes autonomes : Une installation photovoltaïque (PV) est dite autonome – ou isolée – quand elle n’est pas reliée à un réseau de distribution. Le système PV autonome permet de fournir du courant électrique à des endroits où il n’y a pas de réseau. Donc l’énergie produite est utilisée immédiatement (pompage, l’éclairage, etc.…) ou stockée dans des batteries pour une utilisation différée.
Pour ces applications il n’est pas toujours possible de mettre en place un réseau d’alimentation classique, soit à cause de contraintes techniques, soit pour des raisons économiques .
Les performances des systèmes autonomes reviennent surtout sur l’état des batteries, c’est l’élément de base dans ces types des systèmes.
Systèmes hybrides : Les systèmes hybrides reçoivent une partie de leur énergie d’une ou plusieurs sources supplémentaires, qui sont également indépendants des réseaux de distribution d’électricité. En pratique le générateur photovoltaïque est combiné à une éolienne ou à un groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois avec des accumulateurs de stockage de l’énergie. Un tel système s’avère un bon choix pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d’une puissance assez élevée.
Un système hybride photovoltaïque optimise l’utilisation combinée de plusieurs sources d’énergies renouvelables et, ou fossiles et des moyens de stockage associés .
Système PV accordée au réseau : Une installation PV peut être connectée en parallèle avec le réseau d’électricité. Les panneaux solaires sont connectés en série pour former des «strings», eux même reliés à un onduleur. La tâche de l’onduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en courant alternatif. Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut accueillir un ou plusieurs strings .
Si la consommation locale est supérieure à la production de l’installation PV, l’appoint est fourni par le réseau. Dans le cas contraire, l’énergie est fournie au réseau public et sert à alimenter les consommateurs.
Dans les systèmes raccordés au réseau, c’est l’onduleur qui remplace les batteries, dans ce cas c’est l’élément de base dans ces types des systèmes.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE
I.1. Introduction
I.2. Les cellules photovoltaïques
I.2.1: Description de la cellule
I.2.2: Principe de fonctionnement
I.2.3: La jonction PN utilisée comme capteur PV
I.3 : Module PV
I.3.1: Panneaux PV
I.3.2: Générateur PV
I.3.3: Les caractéristiques d’un module PV
I.3.3.1 La tension en circuit ouvert
I.3.3.2 Le courant de court-circuit
I.3.3.3 La puissance maximale
I.3.3.4 Le rendement
I.3.3.5 Le facteur de forme
I.4. Les différentes technologies
I.4.1: Cellules cristallines
I.4.1.1 La cellule monocristalline
I.4.1.2 Les cellules poly-cristallines
I.4.2: Cellules à couches minces
I.4.3 : Rendement des différentes technologies
I.5. Les critères influant sur le rendement de module PV
I.5.1 Critères atmosphériques
I.5.1.1 L’éclairement
I.5.1.2 La température de fonctionnement
I.5.2: Critères non atmosphérique
I.5.2.1. Le matériau de fabrication
I.5.2.2. L’inclination et l’orientation du module
I.5.2.3 L’utilisation des régulateurs de charge
I.6 Les différents types du système PV
I.6.1 Systèmes autonomes
I.6.2 Systèmes hybrides
I.6.3 Système PV accordée au réseau
I.7 Les avantages spécifiques du photovoltaïque
I.8 Conclusion
Chapitre II : MODELISATION ET SIMULATION D’UN MODULE PV
II.1 Introduction
II.2 Choix d’un modèle
II.2.1 Modèle parfait
II.2.2 Modèle réel
II.2.2.1 La résistance série
II.2.2.2 La résistance parallèle
II.2.2.3 Recombinaison
II.3 Modélisation d’un modèle à 4 paramètres
II.3.1 Détermination des paramètres électriques
II.3.1.1Calcule de
II.3.1.2 Calcule de
II.3.1.3 Calcule de
II.3.1.4 Evaluation de résistance série RS
1) Méthode 1
2) Méthode 2
3) Méthode 3
4) Méthode 4
5) Méthode 5
II.3.1.5 Evaluation de facteur de qualité
II.3.2 Résolution de l’équation I(V)
II.4 Simulation de modèle à 4 paramètres par MATLAB
II.4.1 Influence de l’éclairement
II.4.2 Influence de la température
II.4.3 Influence de la résistance série
II.4.4 Influence du facteur de qualité de la diode
II.4.5 Influence des groupements des cellules en série
II.5 Conclusion
Chapitre III : ETAGE D’ADAPTATION POUR GENERATEUR PV (MPPT)
III.1 Introduction
III.2 Fonctionnement d’un générateur PV à sa puissance maximale
III.2.1 Principe
III.2.2 Point de puissance maximale
III.2.3 Régulateurs MPPT
III.3 Connexion directe entre la source et la charge
III.4 Etage d’adaptation entre un générateur PV et une charge
III.4.1 Structure des convertisseurs d’énergie élévatrice et abaisseur
III.4.1.1 Structure de convertisseur survolteur
III.4.1.2 Structure de convertisseur abaisseur
III.5 Critères d’évaluation entre connexion direct et à l’intermédiaire d’un étage d’adaptation
III.5.1 Etude comparative entre connexion direct et indirect
III.5.2 Recherche du point optimal de fonctionnement
III.6 Conclusion
Chapitre IV : Modélisation et Simulation de MPPT par la Commande P&O
IV.1 Introduction
IV.2 Commande pour la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
IV.2.1 : Synthèse des différentes MPPT rencontrées dans la littérature
IV.2.2: Les Différents commandes de MPPT
IV.2.2.1: Méthode « Perturbation et Observation »
IV.2.2.2: Principe des commandes « Hill Climbing »
IV.2.2.3: Méthode de la « Conductance Incrémentielle »
IV.3: Conception du système de poursuite du point optimum de fonctionnement (commande P&O)
IV.3.1: Principe de la régulation
IV.3.2: L’organigramme fonctionnel
IV.4 : Simulation et synthèse du système global
IV.4.1 : Simulation de panneau PV
IV.4.2: Simulation de l’ensemble panneau-hacheur-batterie
IV.4.2.1: Détermination des composants de la carte puissance
1)- La bobine
2)- Condensateur
a) Condensateur d’entré
b) Condensateur de sortie
3) Diode Schottky
4) Transistor MOSFET
IV.4.2.2:Analyse du fonctionnement de convertisseur dans l’environnement PSIM
IV.4.3: Simulation de la commande MPPT
IV.4.3.1: Synthèse du régulateur
IV.4.3.2: Description des composants du régulateur MPPT
IV.4.3.3: Simulation avec logiciel PSIM
IV.5: Résultats de simulation
IV.6 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes
