Tรฉlรฉcharger le fichier pdf d’un mรฉmoire de fin d’รฉtudes
Cellule rรฉelle ร jonction PN
Nous ne rappelons pas ici le principe et les รฉquations fondamentales de la jonction PN dรฉcrits largement par ailleurs pour les semi-conducteurs. Nous nous limitons au rappel du principe et des รฉquations nรฉcessaires au fonctionnement de la cellule photovoltaรฏque.
Jonction PN
Elle rรฉsulte de la juxtaposition dans un mรชme matรฉriau semi-conducteur de deux zones ; lโune de type P (majoritaire en trous, minoritaire en รฉlectrons) et lโautre de type N (majoritaire en รฉlectrons, minoritaire en trous). Dรจs la juxtaposition, des courants de diffusion de trous et dโรฉlectrons se dรฉveloppent autour de la jonction et crรฉent, au voisinage immรฉdiat de celle-ci, une barriรจre de potentiel qui sโoppose aux courants de diffusion des porteurs majoritaires de chaque zone. Lorsque lโรฉquilibre est atteint, le champ รฉlectrique crรฉรฉ par la barriรจre de potentiel est suffisant pour รฉquilibrer les courants de diffusion des porteurs majoritaires et des porteurs minoritaires, par suite de la largeur trรจs faible de la jonction (de 0,2 ร quelques micromรจtres), dโoรน un courant global de diffusion nul. Les niveaux dโรฉnergie au voisinage de la jonction sont alors donnรฉs par la Figure 1-6.
Au niveau de la jonction, la bande dโรฉnergie est centrรฉe autour du niveau de Fermi EF, et il existe, autour de cette รฉnergie, une largeur de bande interdite sรฉparant la bande de valence et la bande de conduction. Pour crรฉer un courant dans la jonction PN, il est nรฉcessaire :
๏จ soit dโabaisser la barriรจre de potentiel en polarisant la jonction (effet utilisรฉ pour les diodes de redressement) ;
๏จ soit dโapporter une รฉnergie supplรฉmentaire aux porteurs dans la bande de valence (รฉnergie thermique, รฉnergie lumineuse…) ;
๏จ et de collecter rapidement les charges ayant traversรฉ la bande interdite avant leur recombinaison.
Remarquons que, si la tempรฉrature augmente, les รฉlectrons remplissent progressivement tous les รฉtats dโรฉnergie et peuvent, pour une tempรฉrature donnรฉe, annuler la bande interdite donc lโeffet jonction PN (cas du silicium ร 400 ยฐC). Cette remarque est importante pour les cellules photovoltaรฏques ร jonction PN dont le rendement diminue avec lโรฉlรฉvation de la tempรฉrature.
En polarisation directe, la barriรจre de potentiel est abaissรฉe et un courant de porteurs majoritaires important peut se dรฉvelopper. En polarisation inverse, le courant de porteurs minoritaires est trรจs faible et varie trรจs peu avec la tension appliquรฉe tant que cette tension est infรฉrieure ร la tension de claquage (diode Zener). Ce courant inverse est par contre trรจs sensible ร la tempรฉrature au niveau de la jonction.
Caractรฉristique rรฉelle โ Rendement
Le schรฉma รฉquivalent de la cellule photovoltaรฏque rรฉelle tient compte dโeffets rรฉsistifs parasites dus ร la fabrication et reprรฉsentรฉs sur le schรฉma รฉquivalent par deux rรฉsistances :
๏จ une rรฉsistance sรฉrie Rs reprรฉsentant les diverses rรฉsistances de contacts et de connexions ;
๏จ une rรฉsistance Rsh (shunt) en parallรจle sur le gรฉnรฉrateur de courant qui caractรฉrise les divers courants de fuite dus ร la diode et aux effets de bords de la jonction.
Lโรฉquation caractรฉristique de la cellule rรฉelle est alors donnรฉe par :
La caractรฉristique rรฉelle et le schรฉma รฉquivalent de la cellule sont reprรฉsentรฉs sur la Figure 1-11. Les valeurs respectives des divers รฉlรฉments du schรฉma รฉquivalent dรฉterminent les performances de la cellule rรฉelle.
La cellule PV est un gรฉnรฉrateur de puissance finie dont le maximum pour un รฉclairement donnรฉ est situรฉ en M0 de coordonnรฉes V opt et I opt correspondant au point de contact avec lโhyperbole dโisopuissance. La Figure 1-12 donne le rรฉseau de caractรฉristiques rรฉelles paramรฉtrรฉes en รฉclairement. Lโinfluence de la tempรฉrature sera prรฉcisรฉe au niveau du module PV.
Le rendement de la cellule PV dรฉpend du matรฉriau utilisรฉ et des pertes. Le choix du matรฉriau rรฉsulte dโun compromis entre la tension de sortie de la cellule liรฉe ร la largeur de la bande interdite E g (tension de sortie E g /e) et le nombre et lโรฉnergie des photons du rayonnement solaire. ร partir des courbes caractรฉristiques du rayonnement solaire et du calcul du courant de la cellule idรฉale, on a tracรฉ le rendement thรฉorique de cette cellule (figure 1-13) qui prรฉsente un maximum de lโordre de 43 % pour des largeurs de bande interdite E g de 1 ร 1,5 eV. Le silicium avec 1,1 eV reste encore actuellement le matรฉriau le plus utilisรฉ. Ce compromis tient compte des pertes dues ร lโabsorption incomplรจte des photons et ร lโexcรจs dโรฉnergie des photons trรจs รฉnergรฉtiques (ultraviolet). Dโautres facteurs diminuent encore le rendement de la cellule rรฉelle comme :
๏จ la recombinaison รฉlectron-trou (rendement de collecte) ;
๏จ la forme de la caractรฉristique rรฉelle qui nโest pas rectangulaire (facteur de courbe) ;
๏จ la tension de sortie rรฉelle infรฉrieure ร la tension Eg/e (facteur de tension) ;
๏จ les rรฉsistances sรฉrie et shunt ;
๏จ la rรฉflexion ร la surface du matรฉriau ou de son encapsulage.
Le rendement des cellules industrielles au silicium reste encore faible (infรฉrieur ร 15 %), mais de grands espoirs sont permis grรขce ร lโobtention en laboratoire de rendements supรฉrieurs ร 25 % avec des matรฉriaux (AsGa) et des technologies diffรฉrentes (multicouches) [1].
Gรฉnรฉrateur PV (GPV)
La cellule photovoltaรฏque รฉlรฉmentaire constitue un gรฉnรฉrateur รฉlectrique de trรจs faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. En effet, une cellule รฉlรฉmentaire de quelques dizaines de centimรจtres carrรฉs dรฉlivre, au maximum, quelques watts sous une tension trรจs faible, par principe, puisquโil sโagit dโune tension de jonction. Les gรฉnรฉrateurs photovoltaรฏques sont, par consรฉquent, rรฉalisรฉs par association dโun grand nombre de cellules รฉlรฉmentaires.
Ces cellules sont commercialisรฉes sous la forme de modules photovoltaรฏques associant, gรฉnรฉralement en sรฉrie pour รฉlever la tension, un certain nombre de cellules รฉlรฉmentaires de technologie et caractรฉristiques identiques. Suivant les besoins de lโutilisation, ces modules sont ensuite associรฉs en rรฉseau sรฉrie-parallรจle de faรงon ร obtenir la tension et le courant dรฉsirรฉs. Cette association doit รชtre rรฉalisรฉe en respectant des critรจres prรฉcis, en raison des dรฉsรฉquilibres apparaissant dans un rรฉseau de photopiles en fonctionnement. En effet, bien que choisies thรฉoriquement identiques, les nombreuses cellules qui constituent le gรฉnรฉrateur prรฉsentent des caractรฉristiques diffรฉrentes du fait des dispersions de construction inรฉvitables, mais aussi dโun รฉclairement et dโune tempรฉrature non uniformes sur lโensemble du rรฉseau. La mise en place de dispositifs de protection efficaces contre les effets nรฉgatifs de ces dรฉsรฉquilibres sur le comportement et la fiabilitรฉ doit รชtre prรฉvue.
Dans ce paragraphe consacrรฉ au gรฉnรฉrateur photovoltaรฏque, nous nous proposons de dรฉvelopper les diffรฉrents aspects concernant sa constitution, sa modรฉlisation et sa mise en ลuvre pour en effectuer une utilisation optimale.
Constitution des GPV
Association de cellules PV en sรฉrie ; dรฉsรฉquilibres et protection
Dans un groupement en sรฉrie, les cellules sont traversรฉes par le mรชme courant et la caractรฉristique rรฉsultante du groupement en sรฉrie est obtenue par addition des tensions ร courant donnรฉ.
La Figure 1-14 montre la caractรฉristique rรฉsultante (Iscc, Vsco) obtenue en associant en sรฉrie (indice s) ns cellules identiques (Icc, Vco) : Fig. 1-14 : Caractรฉristique rรฉsultante dโun groupement en sรฉrie de ns cellules identiques
Considรฉrons maintenant deux cellules connectรฉes en sรฉrie cF et cf (F = forte, f = faible) prรฉsentant des caractรฉristiques diffรฉrentes; la caractรฉristique rรฉsultante de ce groupement est reprรฉsentรฉe Figure 1-15. Les deux cellules รฉtant parcourues par le mรชme courant, la cellule la plus faible cf peut fonctionner en rรฉcepteur par application dโune tension nรฉgative pour certaines valeurs du courant, donc de la charge. Le cas le plus dรฉfavorable apparaรฎt lorsque le groupement est mis en court-circuit : Vcf = โ VcF. Considรฉrons maintenant un groupement de ns โ 1 cellules de type cF en sรฉrie avec cf : dans le cas le plus dรฉfavorable du gรฉnรฉrateur en court-circuit, la cellule cf subit la tension (ns โ 1)รVcF appliquรฉe en inverse ; elle peut donc dissiper une puissance importante et รชtre dรฉtruite si la contrainte thermique est trop forte ou si la tension dโavalanche est dรฉpassรฉe. Pour รฉviter cela, il suffit de disposer une diode Dp connectรฉe en parallรจle, appelรฉe รฉgalement diode bypass, aux bornes dโun groupement รฉlรฉmentaire de cellules en sรฉrie. Lโamorรงage spontanรฉ de cette diode parallรจle, dรจs apparition dโune tension en inverse aux bornes de ce groupement, limite cette derniรจre ร la valeur Vd de la tension directe de conduction de la diode choisie et la puissance dissipรฉe ร VdรIs. La Figure 1-16 illustre ce principe et le nombre de cellules de ce groupement รฉlรฉmentaire est choisi de faรงon ร ne pas dรฉpasser la tension dโavalanche relative ร la technologie des cellules utilisรฉes, soit 30 ร 40 pour des cellules au silicium. De nombreux modules commercialisรฉs incluent maintenant ces diodes parallรจles de protection contre les tensions inverses.
|
Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. GENERALITE
1.1. Introduction
1.2. Cellule PV
1.2.1. Potentiel solaire
1.2.2. Cellule PV idรฉale
1.2.3. Cellule rรฉelle ร jonction PN
1.3. Gรฉnรฉrateur PV (GPV)
1.3.1. Constitution des GPV
1.3.2. Mise en oeuvre dโun GPV
1.4. Systรจmes PV
1.4.1. Structure gรฉnรฉrale dโun systรจme PV
1.4.2. Couplage direct ร une charge ร courant continu adaptรฉe
1.4.3. Adaptation ร lโalimentation dโune charge quelconque
1.4.4. Adaptation de la structure du gรฉnรฉrateur
CHAPITRE 2. ASPECT DE LA CONCEPTION DU SYSTEME SUIVEUR
2.1. Prรฉsentation de lโรฉtude
2.1.1. Diagramme sagittal et fonction dโusage
2.1.2. Analyse fonctionnelle
2.1.3. Intรฉrรชt des suiveurs
2.1.4. Prรฉsentation comparรฉes pour un systรจme fixe et avec suiveur
2.2. Principe de la poursuite du soleil
2.2.1. Notion de coordonnรฉes solaires
2.2.2. Orientation des panneaux
2.3. Aspect matรฉriel pour la conception
2.3.1. Partie mรฉcanique
2.3.2. Partie รฉlectronique
CHAPITRE 3. MODELISATION ET COMMANDE DU SYSTEME
3.1. Choix du moteur
3.2. รtude du variateur de vitesse
3.2.1. Principe de la commande
3.2.2. Principe du hacheur
3.2.3. Modรฉlisation du convertisseur
3.2.4. Modรฉlisation du moteur
3.2.5. Modรฉlisation de la charge
3.3. Simulation
3.3.1. Asservissement en courant
3.3.2. Rรฉgulation en vitesse
3.4. Perspective
3.4.1. Prรฉsentation
3.4.2. But et principe
CONCLUSION
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE
Tรฉlรฉcharger le rapport complet