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CHAPITRE I Modélisation d’un panneau solaire 2012

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I.Généralités sur les cellules photovoltaïques

I.1.Introduction :

Les énergies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies

renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la source

d’énergie valorisée et l’énergie utile obtenue. Il existe plusieurs types de sources d’énergies

renouvelables parmi eux : l’énergie hydroélectrique, l’énergie éolienne, l’énergie de la

biomasse et l’énergie photovoltaïque. Les sources d’énergies renouvelables proviennent

Directement ou indirectement du soleil. Elles sont donc disponibles indéfiniment tant que

celui-ci brillera. L’énergie photovoltaïque est la plus jeune des énergies renouvelables, elle a

l’avantage d’être non polluante, souple et fiable [4]. Les systèmes photovoltaïques sont

utilisés depuis 40 ans. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour la

transmission radio des satellites. Elles se sont poursuivie ensuite avec les balises en mer et

l'équipement de sites isolés dans tous les pays du monde, en utilisant les batteries pour stocker

d'énergie électrique pendant les heures sans soleil [5].

I.2.Principe d’une cellule photovoltaïque :

Une cellule photovoltaïque est capteur constitué d’un matériau semi-conducteur absorbant

l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique le principe de

fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d’absorption du rayonnement

lumineux par des matériaux semi-conducteur. Ainsi le choix des matériaux utilisés pour

concevoir des cellules PV se fait en fonction des propriétés physiques de certains de leurs

électron susceptible d’être libérés de leurs atomes lorsqu’ils sont excités par des photons

provenant du spectre solaire et possédant une certaine quantité d’énergie selon leurs longueurs

d’onde. Une fois libérés, ces charge se déplacent dans le matériau formant globalement un

courant électrique de nature continu(DC).La circulation de ce courant donne alors

Naissance à une force électromotrice (fém.) aux bornes du semi-conducteur correspondant

ainsi au phénomène physique appelé effet photovoltaïque.

La figure (1.1) illustre la constitution d’une cellule photovoltaïque en silicium.

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Figure (1.1) Description d’une photopile ou ce llule photovoltaïque

I.3 La cellule solaire :

On appelle cellule solaire un convertisseur qui permet la conversion de l’énergie

solaire en énergie électrique. La photopile ou cellule solaire est l’élément de base d’un

générateur photovoltaïque [6]

Il existe trois grands types de silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe.

I.3.1 Cellule au silicium mono-cristallin :

Pour ce genre d’applications technologiques, le silicium pur est obtenu à partir de la

silice de quartz ou de sable par transformation chimique métallurgique.

Le silicium a un rendement électrique et une durée de vie de l’ordre de deux fois celle du

silicium amorphe, mais il est nettement plus cher[7].

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Figure (1.2) Cellule au Silicium Monocristallin[9]

I.3.2Cellule au silicium poly-cristallin :

Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par

moulage. Ce matériau est moins coûteux (que le mono-cristallin). Les cellules carrées ou

rectangulaires sont faciles à utiliser[7]

Figure (1.3) : Cellule au Silicium Poly-cristallin[9]

I.3.3 Cellule au silicium amorphe :

Le silicium absorbe le rayonnement solaire jusqu’à 100 fois mieux qu’en état

cristallin; les cellules sont constituées par des couches très minces[8]

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Figure (1.4) : Cellule au Silicium amorphe (couche mince)[9]

I.4 Jonction PN utilise comme capteur :

Une jonction PN est formée quand les semi-conducteurs de type n et de type p sont placés en

contact. Dans un tel dispositif, certains des électrons de conduction excessifs dans le matériau

émigrent rapidement au matériau de type p pour combler les trous de valence. Ceci provoque

un champ électrique fort et permanent à proximité de la jonction, comme il est montré ci-

dessous:

Figure (1.5.1) : La Jonction P-N

En polarisant électriquement une jonction PN classique à base de Silicium, on obtient

la caractéristique statique représentée en figure(1.5.2).

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Figure (1.5.2) Caractéristique I (V) d’une jonction PN[9]

Figure (1.5.3) schéma électrique équivalant d’une jonction PN

Ce comportement statique peut être décrit par l'équation électrique suivante :

𝐼𝐷 = 𝐼0 𝑒𝑥𝑝 𝑞 .𝑉

𝜆 .𝐾.𝑇 − 1 (I. 1)

Io correspondant au courant de saturation, K la constante de Boltzmann (1.381 10 -23 J/K),

T la température effective des cellules (en Kelvin), q la charge de l'électron, et γ le facteur de

qualité de la jonction. 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, cependant, il varie peu avec la tension appliquée,

tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage. Il faut noter que 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, alors il se produit l'effet

photovoltaïque (PV). Ainsi, le flux lumineux crée des pairs électron-trous supplémentaires

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dans le matériau à la condition que leurs énergies supérieures ou égales à la bande interdite

Eg. La différence de potentiel ainsi créée aux bornes de la structure, caractér ise l'effet

photovoltaïque et se situe selon les matériaux et la structure de la jonction entre 0.3 et 0.7 V.

Comme nous pouvons le voir sur les caractéristiques

Si V<0, la jonction se comporte en photorécepteur.

Si V>0, la jonction fonctionne comme un générateur avec un courant de court-circuit

Icc proportionnel à l'éclairement.

Si la cellule PV est connectée à une charge, l’électron de la bande de conduction sera repoussé

par le photon incident du côté de type p de la cellule PV. Sa circulation à travers le circuit,

produit un courant dans la charge comme montre a la figure (1.6)

Figure (1.6) : l’effet photovoltaïque_ la lumière incident déplace

I.5 Caractéristique d’un module solaire:

I.5.1 Caractéristique courant-tension I(V) [10] :

C'est une caractéristique fondamentale du module solaire type MSX62 d’un nombre de

cellule (Ns=36) définissant cet élément comme générateur. Elle est identique à celle d'une

jonction P-N avec un sens bloqué, mais décalé le long de l'axe du courant d'une quantité

directement proportionnelle à l'éclairement. Elle se trace sous un éclairement fixe et une

température constante figure (1.7.1).

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Figure (1.7.1) Caractéristique I(V) d'un module solaire, T=25°C[10].

I.5.2 Caractéristique puissance-tension P(V) [10].:

La puissance débitée par le module photovoltaïque dépend du point de fonctionnement

de cette dernière ; c’est le produit de l’intensité de courant et de la tension entre ses bornes

figure (1.7.2). Le point « M » représente la puissance maximale débitée par le module.

Figure (1.7.2) Caractéristiques P (V) d'un panneau solaire, T=25°C[10].

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I.6 Zones de fonctionnement du module solaire [10].:

La caractéristique fondamentale du générateur photovoltaïque donnée pour un

éclairement et une température donnée, n’impose ni le courant ni la tension de

fonctionnement; seule la courbe I V est fixée. C’est la valeur de la charge aux bornes du

générateur qui va déterminer le point de fonctionnement du système photovoltaïque. La figure

(1.8) représente trois zones essentielles :

- La zone (I) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, le

générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.

- La zone (II) : correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire entre les

deux zones, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point

optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé.

- La zone (III) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tension

presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension

Figure (1.8) : Les différentes zones de la caractéristique I (V), T=25°C[10].

I.7 Modélisation des cellules photovoltaïques[12].

Pour développer un circuit équivalent précis pour une cellule PV, il est nécessaire de

comprendre la configuration physique des éléments de la cellule aussi bien que les

caractéristiques électriques de chaque élément. Selon cette philosophie plusieurs modèles

électriques ont été proposés pour représenter la cellule photovoltaïque.

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I.7.1 Les différentes modèles électriques d’une cellule photovoltaïque [12]. :

Parmi ces modèles on peut citer les suivants :

I.7.1.1 Modèle a sept paramètres (7p) [12].:

Figure (1.9.1) Modèle à 7 paramètres[12].

Les paramètres de ce circuit sont :

IL = courant photonique.

I01 = courant inverse de saturation de la diode 1.

I02 = courant inverse de saturation de la diode 2.

γ1= A1 (NCS), le facteur de qualité de la diode 1.


A1 et A2 : sont les facteurs d’accomplissement des diodes 1 et 2.

NCS = Nombre des cellules en série.

RS = la résistance série.

RSH = la résistance shunt.

L’équation I (V) caractéristique de ce circuit est :

L’équation I (V) caractéristique de ce circuit est :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷1 − 𝐼𝐷2 −(𝑉+𝐼𝑅𝑆 )

𝑅𝑆𝐻 (I. 2)

𝐼𝐷1 = 𝐼01 𝑒𝑥𝑝 𝑞

𝛾1𝑘𝑇𝐶× 𝑉 + 𝐼𝑅𝑆 − 1 (I. 3)

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𝛾2𝑘𝑇𝑐× 𝑉 + 𝐼𝑅𝑆 − 1 (I. 4)

Substituer (II.3) et (II.4) dans (II.2) donne :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝑂1 exp q(V+IR S )

γ1kTc −1 (I. 5)

I.7.1.2. Modèle a six paramètres (6P) [12].:

Figure (1.9.2) Modèle a six paramètres[12].

Les six paramètres de ce circuit sont :


I01 = courant de saturation de la diode 1.





Rs = la résistance série.

Les relations courant-tension pour ce circuit sont les suivant:

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷1 − 𝐼𝐷2 (I. 6)


𝛾1𝑘𝑇𝑐× 𝑉 + 𝐼𝑅𝑆 − 1 (I. 7)

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𝛾2𝑘𝑇𝐶× 𝑉 + 𝐼𝑅𝑆 − 1 (I. 8)

Remplaçant (II.7) et (II.8) dans (II.6) nous obtenons :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼01 𝑒𝑥𝑝 𝑞 𝑉+𝐼𝑅𝑆

𝛾1𝐾𝑇𝐶 − 1 − 𝐼02 𝑒𝑥𝑝

𝑞 𝑉+𝐼𝑅𝑆

𝛾2𝑘𝑇𝐶 − 1 (I. 9)

I.7.1.3 Modèle a cinq paramètres (5P) [12]. :

Figure (1.9.3) Modèle à 5 paramètres[12].

Le circuit équivalent de ce modèle est obtenu en utilisons une simplification au circuit de

modèle à six paramètres représenté sur la figure (1.9.3). Cette simplification se traduit à supposer

que la résistance série est négligeable. Avec une résistance série nulle, le circuit équivalent sera

représentée comme suit (figure (1.9.3)).

Les cinq paramètres de ce modèle sont :







L’équation générale de ce modèle est :

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𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷1 − 𝐼𝐷2 (I. 10)

𝐼𝐷1 = 𝐼01 𝑒𝑥𝑝 𝑞𝑉

𝛾1𝑘𝑇𝐶 − 1 (I. 11)

𝐼𝐷2 = 𝐼02 𝑒𝑥𝑝 𝑞𝑉

𝛾2𝑘𝑇𝐶 − 1 (I. 12)

Remplaçant (II.11) et (II.12) dans (II.10) nous obtenons :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼01 𝑒𝑥𝑝 𝑞𝑉

𝛾1𝑘𝑇𝐶 − 1 − 𝐼02 𝑒𝑥𝑝

𝑞𝑉

𝛾2𝑘𝑇𝑐 − 1 (I. 13)

I.7.1.4. Modèle a quatre paramètres (4P) [12].:

Figure (1.9.4) Modèle a 4 paramètres[12].

Les quatre paramètres de ce modèle sont :

IL = le courant photonique

I0 =courant de saturation inverse

γ = facteur de qualité

Rs =la résistance séries

Les différentes équations décrivant ce modèle seront détaillées par la suite.

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I.7.1.5 Modèle a trois paramètres (3P) [12].:

Si on suppose que la résistance série est nulle (comme pour le circuit à cinq

paramètres) le circuit à 4 paramètres se réduit à un circuit à trois paramètres représenté par la

figure (1.9.5). Ce circuit équivalent est considéré comme idéal.

Figure (1.9.5) Modèle a 3 paramètres[12].

Les trois paramètres de ce circuit sont :

IL = le courant photonique

I0 =courant de saturation inverse

γ = facteur de qualité

Les relations courant-tension de ce circuit sont :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷 (I. 14)

𝐼𝐷 = 𝐼0 𝑒𝑥𝑝 𝑞𝑉

𝛾𝑘𝑇𝑐 − 1 (I. 15)

Si on remplace (II.15) dans (II.14) on obtient :

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 𝑒𝑥𝑝 𝑞𝑉

𝛾𝑘𝑇𝑐 − 1 (I. 16)

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I.8 Liaison des cellules photovoltaïque :

I.8.1 Groupement en série [11].:

Dans un groupement en série figure (1.10.1), les cellules sont traversées par le même

courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par l'addition des

tensions à courant donné. La figure (1.10.2) montre la caractéristique résultante (Is, Vs)

obtenue par l’associant en série (indice s) de ns cellules identiques (Icc, Vco).

Avec :

Iscc=Icc: le courant de court-circuit.

Vsco=nsVco: la tension de circuit ouvert

Figure (1.10.1) Association des modules en série [11].

Figure (1.10.2) Caractéristique résultante d'un groupement en série de ns cellules

identiques[11].

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I.8.2 Groupement en parallèle [11]:

Dans un groupement de cellules connectées en parallèle figure (1.11.1), les cellules

étant soumises à la même tension, les intensités s'additionnent : la caractéristique résultante

est obtenue par addition de courants à tension donnée. La figure (1.11.2) montre la

caractéristique résultante (Ipcc, Vpco) obtenue en associant en parallèle (indice p) np cellules

identiques (Icc,Vco).

Ipcc= npIcc:le courant de court-circuit.

Vpco=Vco:la tension de circuit ouvert

Figure (1.11.1) Association des modules en parallèle [11].

Figure (1.11.2) Caractéristique résultante d'un groupement en parallèle de ns cellules

identiques[11].

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I.8.3 Groupement mixte (série-parallèle) [11]:

Le générateur photovoltaïque est constitué d’un réseau série-parallèle de nombreux

modules photovoltaïques regroupés par panneaux photovoltaïques figure (1.12.1). La

caractéristique électrique globale courant/tension du GPV 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, ainsi que l’illustre la figure (I.12.2), 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=n s.Vco: tension du circuit ouvert du module résultant.

Figure (1.12.1) Association mixte des modules [11].

Figure (1.12.2) Caractéristique résultante d'un groupement mixte [11].

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Les générateurs photovoltaïques sont alors réalisés en vue d’augmenter la tension

(Groupement en série) ou augmenter le courant (Groupement en parallèle) par l’association

d’un grand nombre de cellules élémentaires de même technologie et de caractéristiques

identiques. Le câblage série-parallèle est donc utilisé pour obtenir un module PV (ou panneau

PV) aux caractéristiques souhaitées (courant et tension suffisants) .

I.9 Conclusion :

L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable qui provient de la

conversion de la lumière du soleil en électricité au sein des matériaux bien particuliers

tels que les semi-conducteurs (le silicium, le Germanium, l’Arséniure des Galium,…).et dans

ce chapitre , nous avans étudie la caractérisation du modèle de la photopile parait intéressant,

et les caractéristique I(V), P(V) a différentes zones de fonctionnement, et le principe d’une

cellule photovoltaïque, et Les différentes modèles électriques d’une cellule photovoltaïque,

et Groupement de générateur photovoltaïque.

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