Modélisation de la cellule photovoltaïque

Modélisation de la cellule photovoltaïque

Energie solaire : 

Le rayonnement solaire est la ressource énergétique la mieux partagée sur la terre et la plus abondante. Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d’énergie radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute petite partie de cette énergie solaire.

Le soleil est une grande sphère formée de gaz extrêmement chauds, Il est constitué (par la masse), de 75% d’hydrogène, 23% d’hélium et (2%) d’autres molécules. Les atomes d’hydrogène sont transformés en hélium par une réaction de fusion thermonucléaire massive.

La masse est alors transformée en énergie selon la fameuse formule d’Einstein, E=mc² . Cette réaction maintient la surface du soleil à une température approximative de 5800°K. L’énergie du soleil est transformée sous forme de rayonnement dans l’espace de manière uniforme et dans toutes les directions. Lorsqu’elle a voyagé 150 millions de kilomètres du soleil vers la terre, sa densité extraterrestre totale diminue à 1367W/m². Cette valeur est connue sous le nom de constante solaire .

L’énergie solaire photovoltaïque convertit directement le rayonnement lumineux solaire en électricité. Elle utilise pour ce faire des modules photovoltaïques composés de cellules solaires ou de photopiles qui réalisent cette transformation d’énergie.

Caractéristiques du rayonnement solaire :
L’irradiance est la mesure de la densité de puissance de la lumière du soleil, elle est mesurée en kWh/m² . L’irradiation est souvent exprimée en «heures de puissance crête», qui correspond à la durée en heures, à un niveau d’irradiance constant de 1kW/m² , nécessaire pour produire l’irradiation quotidienne. L’irradiance est ainsi, une quantité instantanée. La constante solaire correspond à l’irradiance venant du soleil et reçue par la terre au-dessus de l’atmosphère.

En traversant l’atmosphère, le rayonnement solaire est absorbé et diffusé. Au sol, nous distinguons plusieurs types de rayonnements, à savoir :

– Le rayonnement direct : qui est un rayonnement reçu directement du soleil. Il peut être mesuré par un pyromètre.

– Le rayonnement diffus : qui est un rayonnement provenant de toute la voûte céleste. Ce rayonnement est dû à l’absorption et la diffusion d’une partie du rayonnement solaire par l’atmosphère et sa réflexion par les nuages. Il peut être mesuré par un pyromètre avec écran masquant le soleil… Cela dépend donc des conditions météorologiques.

– Le rayonnement réfléchi ou l’albédo du sol : est le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou par des objets se trouvant à sa surface. Ce rayonnement réfléchi peut être important lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige).

– Le rayonnement global : qui est la somme de tous les rayonnements reçus. Il est mesuré par un pyromètre ou un Solarimètre sans écran. Rayonnement global = Rayonnement direct + Rayonnement diffus + Rayonnement réfléchi.

Cellule photovoltaïque : 

La cellule photovoltaïque est le plus petit élément d’une installation photovoltaïque. Elle est composée de matériaux semi-conducteurs et transforme directement l’énergie lumineuse en énergie électrique.

La cellule solaire est un moyen de conversion de la lumière en énergie électrique par un processus appelé « effet photovoltaïque ». Comme l’énergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires.

Effet photovoltaïque :
L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839. Il est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors une tension électrique.

L‘effet photovoltaïque est la transformation directe de la lumière en électricité (courant continu). Son principe réside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les électrons libres et les électrons de valence en leur communiquant une énergie (hν). Si cette énergie est supérieure ou égale à l‘énergie de gap de ce semi-conducteur (Eg = E -Eν), l‘électron passe de la bande de valence à la bande de conduction en laissant un trou derrière lui, d‘où l‘apparition des paires électron- trou dans différents points de la jonction.

Caractéristique électrique :
La cellule photovoltaïque possède une caractéristique non linéaire I = f(V). La caractéristique d’une cellule photovoltaïque balaie 3 zones sur les 4 existantes. Elle est un récepteur dans la Zone 2 et dans la Zone 4. Le fonctionnement dans ces deux zones est à proscrire car un risque de destruction par phénomène d’échauffement local (hot spot) est possible. Le fonctionnement dans la Zone 1 est le fonctionnement normal, en effet dans ce cas la cellule est un générateur, elle produit donc de l’énergie. L’objectif est donc de faire travailler la cellule dans cette zone.