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La technologie solaire photovoltaïque devient de plus en plus importante. Les fabricants et les laboratoires dédiés à la recherche et au développement des équipements photovoltaïques sentent leur besoin permanant d’avoir des équipements de test appropriés et pour cela des Efforts considérables sont mis pour la conception et la fabrication de dispositifs qui prennent l’énergie fournie par des panneaux solaires et la convertir en une variété de formes utiles de manière aussi efficace que possible. Obtenir la quantité maximale d’énergie à partir d’un panneau solaire pose des défis uniques, et certains outils spécialisés peuvent faciliter ce développement, tel un émulateur photovoltaïque qui est conçu pour émuler le comportement d’un panneau réel sous différentes conditions..
Généralités sur l’énergie photovoltaïque
L’effet photovoltaïque
L’effet photovoltaïque, fut observé la première fois, en 1839 par le physicien français Edmond Becquerel. Toutefois, ce n’est qu’au cours des années 1950 que les chercheurs de la compagnie Bell Téléphone, aux États-Unis, parvinrent à fabriquer la première photopile, l’élément primaire ou de base d’un système photovoltaïque. Le mot « photo » vient du grec qui veut dire lumière et « voltaïque » vient du nom d’un physicien Italien Alessandro Volta qui a beaucoup contribué à la découverte de l’électricité et d’après qui on a aussi nommé l’unité de tension électrique le « volt ». L’électricité se produit sans bruit, sans parties mécaniques et sans que des produits toxiques soient libérés..
Les différents systèmes photovoltaïques
Il existe trois types de systèmes photovoltaïques
• Les systèmes photovoltaïques autonomes (indépendants)
C’est un système photovoltaïque complètement indépendant des autres sources d’énergies et qui alimente l’utilisateur en électricité sans être connecté au réseau électrique. Dans la majorité des cas, un système autonome exigera des batteries pour stocker l’énergie. Ils servent habituellement à alimenter les maisons en site isolé, sur les iles, en montagne ainsi qu’à des applications comme la surveillance à distance et le pompage de l’eau. En générale, les systèmes photovoltaïques autonomes sont installés là où ils constituent la source d’énergie électrique la plus économique..
• Les systèmes autonomes hybrides
Une des limites d’un système photovoltaïque, comme on vient de le décrire, est qu’il une puissance limitée, variable selon la saison, ce qui fait qu’on ne produit, au risque de détruire la batterie par décharge profonde. Or, les utilisateurs ont parfois des besoins qui évoluent, et pas forcément en phase avec les saisons. Avoir un système hybride, c’est disposer d’une autre source d’électricité autonome qui vient compléter l’apport photovoltaïque. Cette autre source peut être un groupe électrogène ou une éolienne notamment..
• Système raccordé au réseau
Un tel système, au lieu d’alimenter directement des appareils sur place, injecte sa production électrique dans un réseau électrique. Il s’installe soit sous forme de centrale au sol, soit sur habitations ou des entreprises qui ont de la place, et de préférence qui bénéficient d’un bon ensoleillement..
La performance d’un système photovoltaïque
Il existe plusieurs façons pour évaluer la performance d’un système PV. L’approche la plus simple repose sur « l’indice de performance ». L’indice de performance (Rp) est le rapport entre le productible final (Yf) et le productible de référence (Yr) pour une période donnée (journalière, hebdomadaire, mensuelle ou encore annuelle). Le productible final (Yf) est l’énergie de sortie par kW du système PV installé pendant la période considérée. Le productible de référence (Yr) est, quant à lui, l’énergie reçue du soleil par kW du système PV installé pendant la même période considérée. La performance d’un système PV est influencée par des pertes qui peuvent être classées en deux étapes : pertes du système (Ls) et pertes de captation du générateur PV (Lc). Les pertes du système (Ls) sont les pertes qui se produisent au sein du convertisseur. Elles se rapportent au rendement des dispositifs de conversion. Les pertes de captation du champ PV (Lc) se produisent principalement du côté DC de la chaîne de conversion PV et elles sont attribuées aux facteurs suivants :
– Températures de fonctionnement élevées
– Opérations du champ PV
– Captation non optimale de l’ensoleillement
– Dispersion entre les panneaux formant le champ
– Extraction non optimale de la puissance produite par le champ
– Vieillissement des panneaux
– Pertes joules dues au câblage
Les pertes décrites ci-dessus sont les pertes dites « normales ». Elles sont présentes dans tous les systèmes PV. En plus de ces pertes normales, les défauts et les défaillances des composants de la chaîne de conversion peuvent également affecter la performance du système photovoltaïque. Elles entraînent une baisse de la production d’énergie, et dans le pire des cas, certaines défaillances peuvent conduire à l’indisponibilité totale du système [8].
La cellule photovoltaïque
Définition
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photon) produit de l’électricité ; elle produit une tension d’au moins 1 volt et une puissance de 1 à 3 watts (variable avec le type de matériau utilisé). Pour obtenir plus de puissance, on place plusieurs cellules ensemble. Encapsulée d’une manière étanche dans un cadre les protégeant des chocs et de l’usure, elles forment un module photovoltaïque. L’assemblage de plusieurs modules permet d’obtenir une puissance et un ampérage plus élevé. Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension [18].
Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont » bombardés » par les photons constituant la lumière; sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être » arrachés / décrochés » : si l’électron revient à sn état initial, l’agitation de l’électron se traduit par un échauffement du matériau. C’est l’énergie cinétique du photon qui est transformé en énergie thermique. Dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons » décrochés » créent une tension électrique continue faible: c’est l’effet Photovoltaïque [3].
Les types de cellules photovoltaïques
• Les cellules monocristallines
Sont les photopiles de la première génération, elles sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal. Son procédé de fabrication est long et exigeant en énergie; plus onéreux, il est cependant plus efficace que le silicium poly cristallin. Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé, on obtient un monocristal. Les cellules sont rondes ou presque carrées, vues de près, elles ont une couleur uniforme. Elles ont un rendement de 12 à 18%, mais la méthode de production est laborieuse [2].
• Les cellules Poly-cristallines
Sont élaborés à partir d’un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vus de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalités différentes). Elles ont un rendement de 11 à 15%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules monocristallines. Ces cellules, grâce à leur potentiel de gain de productivité, se sont aujourd’hui imposées. L’avantage de ces cellules par rapport au silicium monocristallin est qu’elles produisent peu de déchets de coupe et qu’elles nécessitent 2 à 3 fois moins d’énergie pour leur fabrication [2].
• Les cellules amorphes
Ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n’est que 6 à 8% actuellement. Cette technologie permet d’utiliser des couches très minces de silicium qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide. Le rendement de ces panneaux est moins bon que celui des technologies poly cristallines ou monocristallines. Cependant, le silicium amorphe permet de produire des panneaux de grandes surfaces à bas coût en utilisant peu de matière première..
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