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Cellule réelle à jonction PN
Nous ne rappelons pas ici le principe et les équations fondamentales de la jonction PN décrits largement par ailleurs pour les semi-conducteurs. Nous nous limitons au rappel du principe et des équations nécessaires au fonctionnement de la cellule photovoltaïque.
Jonction PN
Elle résulte de la juxtaposition dans un même matériau semi-conducteur de deux zones ; l’une de type P (majoritaire en trous, minoritaire en électrons) et l’autre de type N (majoritaire en électrons, minoritaire en trous). Dès la juxtaposition, des courants de diffusion de trous et d’électrons se développent autour de la jonction et créent, au voisinage immédiat de celle-ci, une barrière de potentiel qui s’oppose aux courants de diffusion des porteurs majoritaires de chaque zone. Lorsque l’équilibre est atteint, le champ électrique créé par la barrière de potentiel est suffisant pour équilibrer les courants de diffusion des porteurs majoritaires et des porteurs minoritaires, par suite de la largeur très faible de la jonction (de 0,2 à quelques micromètres), d’où un courant global de diffusion nul. Les niveaux d’énergie au voisinage de la jonction sont alors donnés par la Figure 1-6.
Au niveau de la jonction, la bande d’énergie est centrée autour du niveau de Fermi EF, et il existe, autour de cette énergie, une largeur de bande interdite séparant la bande de valence et la bande de conduction. Pour créer un courant dans la jonction PN, il est nécessaire :
soit d’abaisser la barrière de potentiel en polarisant la jonction (effet utilisé pour les diodes de redressement) ;
soit d’apporter une énergie supplémentaire aux porteurs dans la bande de valence (énergie thermique, énergie lumineuse…) ;
et de collecter rapidement les charges ayant traversé la bande interdite avant leur recombinaison.
Remarquons que, si la température augmente, les électrons remplissent progressivement tous les états d’énergie et peuvent, pour une température donnée, annuler la bande interdite donc l’effet jonction PN (cas du silicium à 400 °C). Cette remarque est importante pour les cellules photovoltaïques à jonction PN dont le rendement diminue avec l’élévation de la température.
En polarisation directe, la barrière de potentiel est abaissée et un courant de porteurs majoritaires important peut se développer. En polarisation inverse, le courant de porteurs minoritaires est très faible et varie très peu avec la tension appliquée tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage (diode Zener). Ce courant inverse est par contre très sensible à la température au niveau de la jonction.
Caractéristique réelle – Rendement
Le schéma équivalent de la cellule photovoltaïque réelle tient compte d’effets résistifs parasites dus à la fabrication et représentés sur le schéma équivalent par deux résistances :
une résistance série Rs représentant les diverses résistances de contacts et de connexions ;
une résistance Rsh (shunt) en parallèle sur le générateur de courant qui caractérise les divers courants de fuite dus à la diode et aux effets de bords de la jonction.
L’équation caractéristique de la cellule réelle est alors donnée par :
La caractéristique réelle et le schéma équivalent de la cellule sont représentés sur la Figure 1-11. Les valeurs respectives des divers éléments du schéma équivalent déterminent les performances de la cellule réelle.
La cellule PV est un générateur de puissance finie dont le maximum pour un éclairement donné est situé en M0 de coordonnées V opt et I opt correspondant au point de contact avec l’hyperbole d’isopuissance. La Figure 1-12 donne le réseau de caractéristiques réelles paramétrées en éclairement. L’influence de la température sera précisée au niveau du module PV.
Le rendement de la cellule PV dépend du matériau utilisé et des pertes. Le choix du matériau résulte d’un compromis entre la tension de sortie de la cellule liée à la largeur de la bande interdite E g (tension de sortie E g /e) et le nombre et l’énergie des photons du rayonnement solaire. À partir des courbes caractéristiques du rayonnement solaire et du calcul du courant de la cellule idéale, on a tracé le rendement théorique de cette cellule (figure 1-13) qui présente un maximum de l’ordre de 43 % pour des largeurs de bande interdite E g de 1 à 1,5 eV. Le silicium avec 1,1 eV reste encore actuellement le matériau le plus utilisé. Ce compromis tient compte des pertes dues à l’absorption incomplète des photons et à l’excès d’énergie des photons très énergétiques (ultraviolet). D’autres facteurs diminuent encore le rendement de la cellule réelle comme :
la recombinaison électron-trou (rendement de collecte) ;
la forme de la caractéristique réelle qui n’est pas rectangulaire (facteur de courbe) ;
la tension de sortie réelle inférieure à la tension Eg/e (facteur de tension) ;
les résistances série et shunt ;
la réflexion à la surface du matériau ou de son encapsulage.
Le rendement des cellules industrielles au silicium reste encore faible (inférieur à 15 %), mais de grands espoirs sont permis grâce à l’obtention en laboratoire de rendements supérieurs à 25 % avec des matériaux (AsGa) et des technologies différentes (multicouches) [1].
Générateur PV (GPV)
La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur électrique de très faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. En effet, une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension très faible, par principe, puisqu’il s’agit d’une tension de jonction. Les générateurs photovoltaïques sont, par conséquent, réalisés par association d’un grand nombre de cellules élémentaires.
Ces cellules sont commercialisées sous la forme de modules photovoltaïques associant, généralement en série pour élever la tension, un certain nombre de cellules élémentaires de technologie et caractéristiques identiques. Suivant les besoins de l’utilisation, ces modules sont ensuite associés en réseau série-parallèle de façon à obtenir la tension et le courant désirés. Cette association doit être réalisée en respectant des critères précis, en raison des déséquilibres apparaissant dans un réseau de photopiles en fonctionnement. En effet, bien que choisies théoriquement identiques, les nombreuses cellules qui constituent le générateur présentent des caractéristiques différentes du fait des dispersions de construction inévitables, mais aussi d’un éclairement et d’une température non uniformes sur l’ensemble du réseau. La mise en place de dispositifs de protection efficaces contre les effets négatifs de ces déséquilibres sur le comportement et la fiabilité doit être prévue.
Dans ce paragraphe consacré au générateur photovoltaïque, nous nous proposons de développer les différents aspects concernant sa constitution, sa modélisation et sa mise en œuvre pour en effectuer une utilisation optimale.
Constitution des GPV
Association de cellules PV en série ; déséquilibres et protection
Dans un groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par addition des tensions à courant donné.
La Figure 1-14 montre la caractéristique résultante (Iscc, Vsco) obtenue en associant en série (indice s) ns cellules identiques (Icc, Vco) : Fig. 1-14 : Caractéristique résultante d’un groupement en série de ns cellules identiques
Considérons maintenant deux cellules connectées en série cF et cf (F = forte, f = faible) présentant des caractéristiques différentes; la caractéristique résultante de ce groupement est représentée Figure 1-15. Les deux cellules étant parcourues par le même courant, la cellule la plus faible cf peut fonctionner en récepteur par application d’une tension négative pour certaines valeurs du courant, donc de la charge. Le cas le plus défavorable apparaît lorsque le groupement est mis en court-circuit : Vcf = – VcF. Considérons maintenant un groupement de ns – 1 cellules de type cF en série avec cf : dans le cas le plus défavorable du générateur en court-circuit, la cellule cf subit la tension (ns – 1)×VcF appliquée en inverse ; elle peut donc dissiper une puissance importante et être détruite si la contrainte thermique est trop forte ou si la tension d’avalanche est dépassée. Pour éviter cela, il suffit de disposer une diode Dp connectée en parallèle, appelée également diode bypass, aux bornes d’un groupement élémentaire de cellules en série. L’amorçage spontané de cette diode parallèle, dès apparition d’une tension en inverse aux bornes de ce groupement, limite cette dernière à la valeur Vd de la tension directe de conduction de la diode choisie et la puissance dissipée à Vd×Is. La Figure 1-16 illustre ce principe et le nombre de cellules de ce groupement élémentaire est choisi de façon à ne pas dépasser la tension d’avalanche relative à la technologie des cellules utilisées, soit 30 à 40 pour des cellules au silicium. De nombreux modules commercialisés incluent maintenant ces diodes parallèles de protection contre les tensions inverses.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. GENERALITE
1.1. Introduction
1.2. Cellule PV
1.2.1. Potentiel solaire
1.2.2. Cellule PV idéale
1.2.3. Cellule réelle à jonction PN
1.3. Générateur PV (GPV)
1.3.1. Constitution des GPV
1.3.2. Mise en oeuvre d’un GPV
1.4. Systèmes PV
1.4.1. Structure générale d’un système PV
1.4.2. Couplage direct à une charge à courant continu adaptée
1.4.3. Adaptation à l’alimentation d’une charge quelconque
1.4.4. Adaptation de la structure du générateur
CHAPITRE 2. ASPECT DE LA CONCEPTION DU SYSTEME SUIVEUR
2.1. Présentation de l’étude
2.1.1. Diagramme sagittal et fonction d’usage
2.1.2. Analyse fonctionnelle
2.1.3. Intérêt des suiveurs
2.1.4. Présentation comparées pour un système fixe et avec suiveur
2.2. Principe de la poursuite du soleil
2.2.1. Notion de coordonnées solaires
2.2.2. Orientation des panneaux
2.3. Aspect matériel pour la conception
2.3.1. Partie mécanique
2.3.2. Partie électronique
CHAPITRE 3. MODELISATION ET COMMANDE DU SYSTEME
3.1. Choix du moteur
3.2. Étude du variateur de vitesse
3.2.1. Principe de la commande
3.2.2. Principe du hacheur
3.2.3. Modélisation du convertisseur
3.2.4. Modélisation du moteur
3.2.5. Modélisation de la charge
3.3. Simulation
3.3.1. Asservissement en courant
3.3.2. Régulation en vitesse
3.4. Perspective
3.4.1. Présentation
3.4.2. But et principe
CONCLUSION
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE
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