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Découvert par le physicien
BECQUEREL en 1839, l’effet photovoltaïque permet la
conversion directe du rayonnement solaire en
électricité.
Lorsque les photons
frappent certains semi-conducteurs, ils
délogent et mettent en mouvement les électrons
des atomes de ces matériaux, or le courant
électrique n'est rien d'autre qu'un mouvement
d'électrons.
La photopile ou cellule photovoltaïque
est l’élément de base d’un
générateur photovoltaïque.
Une cellule solaire est constituée d'un matériau
semi-conducteur, en général le silicium qui est
traité par dopage (sinon il reste isolant). La face avant,
exposée à la lumière, est
dopée négativement (dopée N) avec des
atomes de
phosphore contenant plus d'électrons que le silicium, la
face
arrière est dopée positivement (P)
généralement
par adjonction d'atomes de bore contenant moins d'électrons
que le silicium. On installe ensuite, en guise
d'électrode, une grille sur la
face N et une plaque métallique sur la face P.
Le dopage du matériau entraîne la
création d'une barrière de potentiel au niveau de
la zone de contact, cette zone est appelée "jonction PN".
Sous l'effet d’un rayonnement lumineux incident, les photons
ayant une énergie suffisante, (c’est
à dire dont
la longueur d’onde est comprise entre 0,4 et 1,1
μm correspondant au spectre visible), heurtent les
atomes de silicium, ils arrachent les électrons les plus
éloignés du noyau et leur communiquent une
certaine
vitesse. On dit que ces électrons sont devenus
libres.
Ce
phénomène va engendrer au sein de la structure du
semi-conducteur la création de paire
électron-trou. Ceux-ci, sous l’effet de la
barrière de potentiel, vont s’accumuler sur
chacune des faces extérieures des zones P et N. Ainsi, une
différence de potentiel entre les faces
extérieures de la jonction est créée :
la photopile est prête à fonctionner.
Une fois les charges P et N isolées, il suffit de
fermer le
circuit en reliant les électrodes entre elles pour voir le
courant circuler (courant de court circuit).
Pour en savoir plus sur la technologie photovoltaïque vous pouvez vous rendre sur le site de Ernest Matagne.
On distingue plusieurs types de cellules selon la structure du silicium :
Les cellules au
silicium
"monocristallin" : composées de
fines tranches de cristal de silicium. Leur rendement est
supérieur à 15 % mais leur pouvoir d'absorption
de la lumière est assez faible et ces cellules occupent
environ 60 % du marché.
Les cellules au silicium
"polycristallin" : composées de
fines tranches de plusieurs cristaux de silicium. Etant moins
homogènes, leur rendement énergétique
est moins bon (environ 13 %) mais leur pouvoir d'absorption est
supérieur (elles sont utilisées en
intérieur ou dans des régions peu
ensoleillées).
Les cellules au silicium
"amorphe" : le silicium n'est pas du tout
cristallisé donc le rendement est très faible (7
%) mais l'ensoleillement nécessaire pour les faire
fonctionner l'est également.
Les cellules sont reliées en série afin d'augmenter la tension du générateur. On obtient un panneau solaire en isolant le tout par un coffrage étanche (laminé verre + EVA + tedlar).
Caractéristique de puissance en fonction de l’éclairement
Le panneau solaire n’impose ni une tension ni un courant. Seule est fixée sa caractéristique courant-tension qui dépend directement du rayonnement incident.
Caractéristique de puissance en fonction de la température
La production des modules photovoltaïques dépend aussi de la température des cellules. Plus la température augmente plus le rendement diminue. Le graphique suivant met en évidence ce phénomène.
Une augmentation de la température entraîne :
2. une légère augmentation du courant
3. globalement une perte non négligeable de puissance
Caractéristiques techniques d’un module
Les caractéristiques essentielles d’un module photovoltaïque sont :- Pc : Puissance crête en Watt crête Wc (Watt Peak - Wp - en anglais)
- U co : Tension continue à vide en Volt
- Umpp à Pmax. :Tension au point de puissance maximale.
- Icc : Courant de court-circuit en Ampères
- Impp à Pmax : Courant au point de puissance maximale.
- NOCT : température normale de fonctionnement de la cellule
- Les coefficients de pertes de tension, de courant et de puissance, en fonction de la température
- Les dimensions
- Le poids
Puissance crète (STC) et puissance réelle (NOCT)
Les valeurs crêtes (Watt-crête, puissance crète) correspondent à des grandeurs électriques délivrées par le module dans des conditions standard définies de test, normalisées comme suit :- Ensoleillement : 1000 W/m²
- Température des cellules : 25°c (attention! ce n'est pas la température ambiante qui est à 25°C, mais celle des cellules).
- Répartition spectrale du rayonnement dit AM 1.5, correspondant au spectre solaire parvenant au sol après avoir traversé une atmosphère de masse 1 kg à un angle de 45°.
Les fabriquants testent tous les modules sous ces conditions d'essais et ils leurs attribuent alors leurs caractérisiques électriques. Cela permet ainsi de comparer les performances des modules entre eux.
Notez bien qu'il ne s'agit pas des conditions réelles de fonctionnement de vos panneaux solaires. En effet dans la réalité la température ambiante varie (disons entre -20°C et 40 °C) et la température de cellules également (disons entre 20 et 75°C en fonctionnement, c'est à dire ensoleillées). L'ensoleillement quand à lui atteint péniblement les 800 W/m² par beau temps à midi. La conséquence est que sous un beau soleil, vos panneaux vont plutôt délivrer une puissance de l'ordre de 70% de leur puissance crète.
Il existe des conditions de test normalisées qui permettent de déterminer la puissance du panneau photovoltaïque dans des conditions plus proches de la réalité il s'agit des "conditions NOCT" :
- Ensoleillement : 800 W/m²
- Température ambiante : 25°c (la température des cellules quant à elle varie en fonction des panneaux, cette valeur est indiquée sur les fiches techniques des modules)
- Répartition spectrale du rayonnement AM 1.5
NOCT signifie "Normal Operating Cell Température", c'est à dire que la température des cellules n'est pas maintenue arbitrairement, c'est sa température normale de fonctionnement avec un ensoleillement de 800 W/m² et une température ambiante de 25°C.
En première approximation, on estime qu’un module de 1m² exposé aux conditions standards de mesure, produit 100 W.
Les modules solaires sont reliés entre eux en série pour augmenter la tension du générateur et en parallèle pour augmenter son courant.
Le raccordement en série est effectué directement entre les modules, le raccordement en parallèle de chaque branche est effectué dans le boîtier.
Diodes séries et by-pass
Mismatching - effet des ombres portées et hot-spot (point chaud)
Le phénomène de Mismatching (voir figure ci dessous) engendre des pertes et oblige à éviter les ombres (même partielles) sur le champ de panneaux et cela oblige aussi à regrouper sur une même branche les modules ayant un courant de court-circuit le plus proche possible.Par analogie avec un circuit hydraulique, le courant de l'ensemble de la chaîne de modules va se caler sur celui ayant le courant le plus faible, de la même façon que le débit d'un circuit hydraulique ne peux pas pas être plus élevé que celui circulant dans le plus petit des tuyaux.
Afin d’éviter que les modules ne se comportent comme des récepteurs et engendre un réchauffement des cellules en cas d’éclairage partiel (phénomène de "Hot spot"), il faut installer des diodes by-pass (également appellées anti-parallèles ) sur chaque module.
Il est également possible d'installer un autre type de diodes appelées "diodes de série". Ces diodes sont montées en série sur chaque branche de modules (une par branche) pour éviter qu'en cas d'ombre sur une chaîne celle-ci ne se comporte comme un récepteur et que le courant n'y circule en sens inverse. Ces diodes sont indispensables sur de gros systèmes. Cependant on a maintenant tendance à ne plus utiliser de diodes séries (qui génèrent une perte de tension et donc une perte de puissance...) et à préférer des fusibles. Par exemple le guide UTE C15-712 préconise l'utilisation de fusibles à partir de 4 strings de modules.
La plupart des modules photovoltaïques sont pré-équipés de ce type de diodes qui sont placées dans le boîtier de connexion à l’arrière du panneau.
Dans ce shéma il y également une diode série par branche de modules.
Il existe deux types de générateurs
photovoltaïques :
- 1/ le générateur photovoltaïque autonome pour lequel l’énergie produite doit être directement consommée ou stockée dans des accumulateurs
- 2/ le générateur photovoltaïque couplé au réseau qui déverse l’électricité produite sur le réseau de distribution.