Cellule réelle à jonction PN

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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 potentielst 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 I-6.
Au niveau de la jonction, la bande d’énergie est centrée autour du niveau de Fermi E , F 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 dansla bande de valence (énergie thermique, énergie lumineuse…) ;
– et de collecter rapidement les charges ayant traversé la bandeinterdite 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 jonc tion PN dont le rendement diminue avec l’élévation de la température.

Générateur PV (GPV)

La cellule photovoltaïque élémentaire constitue ungénérateurélectrique de très faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. En effet, unecellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrésdélivre, au maximum, quelques watts sous unetension 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 demodulesphotovoltaïques associant, généralement en série pour élever latension, un certain nombre de cellules élémentaires de technologieet caractéristiques identiques. Suivant les besoins de l’utilisation,ces modules sont ensuite associés en réseau série-parallèle defaçon à obtenir la tension et le courant désirés. Cette associationdoit être réalisée en pectantres des critères précis, en raison desdéséquilibres apparaissant dans un réseau de phot piles en fonctionnement. En effet, bien que choisies théoriquement identiques,les nombreuses cellules qui constituent le générateur présententdes caractéristiques différentes du fait des dispersions deconstruction inévitables, mais aussi d’un éclairement et d’une empérature non uniformes sur l’ensemble du réseau. La mise en place de dispositifs de protection efficaces contre les effets négatifs deces déséquilibres sur le comportement et la fiabilité doit êtreprévue.
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 pouren effectuer une utilisation optimale.

Constitution des GPV

Association de cellules PV en série ; déséquilibres et protections
Dans un groupement en série, les cellules sont traversées parle même courant et la caractéristique résultante du groupementen série tesobtenue par addition des tensions à courant donné.
La Figure I-14 montre la caractéristique résultante I(scc, Vsco) obtenueen associant en série (indices) ns cellules identiques (Icc,Vco) :
Considérons maintenant deux cellules connectées ensérie cFet cf (F = forte, f = faible) présentant des caractéristiques différentes; la cactéristique résultante de ce groupement est représentée Figure I-15.Les deux cellules étantparcourues par le mêmecourant, la cellule la plus faible cf peut fonctionner en récepteurpar application d’une tension négative pour certaines valeurs ducourant, donc de la charge.Le cas le plus défavorable apparaîtlorsque le groupement est mis en court-circuit : Vcf = – V cF.Considérons maintenant un groupement de ns – 1 cellules de type cF en série avec cf : dans le cas le plus défavorable du générateuren court-circuit, lacellule cf subit la tension (ns – 1) V cF appliquéeen inverse ; elle peut donc dissiper une puissance importante etêtre détruite si la contrainte thermique est trop forte ou si la tension d’avalanche est dépassée. Pour éviter cela, il suffit de disposerune diode Dp connectée en parallèle, appelée également diodeby-pass, aux bornes d’un groupement élémentaire de cellules ensérie. L’amorçage spontané de cette diode parallèle, dès apparitiond’une tension en inverse aux bornes de ce groupement, limite cettedernière à la valeur Vd de la tension directe de conduction de ladiode choisie et la puissance dissipée à VdIs. La Figure I-16 illustrece principe et le nombre de cellules de ce groupement élémentaireestchoisi de façon à ne pas dépasser la tension d’avalanche relative à la technologie des c ellules utilisées, soit 30 à 40 pour des cellules au silicium. De nombreux modules commercialisés incluentmaintenant ces diodes parallèles de protection contre les tensionsinverses.

Caractéristique électrique courant/tension du GPV

Le GPV est constitué d’un réseau série-parallèle denombreux modules photovoltaïques regroupés parpanneaux photovoltaïques. La caractéristique électrique globalecourant/tension du générateur photovoltaïquese déduit donc théoriquement de la combinaison des caractéristiques des ns × np cellules élémentaires supposées identiques qui le composent pardeux affinités de rapport ns parallèlement à l’axe des tensions etde rapport np parallèlement à l’axe des courants, ains i que l’illustre la Figure I-18, ns et np étant respectivement les nombres totaux decellulesen série et en parallèle.
En pratique, cette caractéristique combine les caractéristiquesdisparates de modules soumis à des éclairements et à des températures différents car non uniformes sur l’ensemble d’un générateur de plusieurs mètres carrés regroupant plusieurs panneaux,mais conserve l’allure fondamentale classique de celle d’unecellule élémentaire avec des valeurs de tension et de courant plusélevées tant ueq les déséquilibres inévitables restent assez faiblespour que les diodes de protection n’agissent pas. L’influence del’éclairement et de la température sur les courants et tensionscaractéristiques I ,V reste la même que pour la celluleélémentaire.
En revanche, dès que des déséquilibres importants pparaissent,l’action de certaines diodes de protection séries ou parallèles modifie otablement cette allure classique, laissant apparaître desirrégularités ou cassures typiques ainsi qu’illustré sur les Figures I-18et I-19. Sur cet exemple réel (FigI-19), les déséquilibres sont dusà un groupe de modules devenus faibles avec le vieillissement, combiné avec un dépôt de poussière important sur un générateur installé depuis 10 ans[1].

Analyse de la caractéristique électrique statique du GPV

Rappelons tout d’abord que le générateur photovoltaïque est detype générateur à courant continu. Cependant, sa caractéristiqueélectrique, sur laquelle évolue le point de fonctionnement, dépendde la température et surtout de l’éclairement et, par conséquent,varie dans le temps. À température et éclairement donnés, cettecaractéristique présente trois zones principales (FigI-20, I-21, I-22, I-23, I-24 et I-25):
– une large zone de tension à partir de la tension nu lle dans laquelle ce générateur se comporte en générateur de courant ;
– une zone beaucoup plus étroite de tension, proche de la tension de circuit ouvert, dans laquelle il apparaît comme un générateur de tension présentant une résistance série non négligeable ;
– une zone intermédiaire dans laquelle se situe le point de fonctionnement pour lequel le générateur délivre une puissance maximalerelativement à la caractéristique considérée, donc relativement à desconditions d’éclairement et de température données. Ce point de puissance maximale (Im, Vm) est défini par le point de contact entre la caractéristique etl’hyperbole d’iso puissance Pm = VmIm tracée dans le plan (Ip, Vp).
Remarquons qu’en tout point de la caractéristique du générateur,son impédance différentielleZ est négative et qu’au point de puissance maximale défini par: d v d i 0 V I  cette impédance différentielle vaut : d d
Insistons sur le caractère relatif aux conditions de cette puissancemaximale. Aucune puissance maximale absolue ou nominale ne peut êtredéfinie de façon absolue pour un générateur, en raison dela dépendance des conditions de gisement solaire offertes par le sited’installation. C’est pourquoi on définit la puissance maximale relative délivrée par un GPV soumis à un éclairement solaire de 1000 W/m² à une température de 300 °K, appeléepuissance crête Pc du générateur. Cette grandeur permet de caractériser et de comparer les performances de différentes technologies,et d’évaluer la quantité de cellules installées dans une technologiedonnée pour détermin le coût d’un générateur.

Structure générale d’un système PV

La structure générale des systèmes PV terrestresdécoule à la fois du caractère aléatoire de la production de la puissance électrique disponible et des propriétés particulières du GPV, en fonction des besoins des différentesapplications.
Un problème fondamental est, naturellement, celui du choix d’un fonctionnement au fil du soleil ou de l’utilisation d’un stockage del ’énergie électrique sous forme électrochimique.
Dans la pratique, ce type de stockage, malgré les progrès importants réalisés, présente de nombreux inconvénients : entretien etdurée de vie des batteries, gestion du stockage, mauvais rendement énergétique et surcoût. Aussi, chaque fois que l’applicationle permet, privilégie-t-on le fonctionnement au fil du soleil, préférantrecourir, si la continuité du service est nécessaire, à une autreforme de stockage. On stockera par exemple de l’eau ou du froiddans les applications de pompage ou de réfrigération.
La structure des systèmes photovoltaïques terrestres (FigI-23) traduit, de manière très générale, les différentes possibilités offertesauoncepteur : couplage direct à une charge adaptée ou couplageavec adaptateur d’impédance, fonctionnement au fil du soleil ou avecstockage d’énergie électrique.

Couplage direct à une charge à courant continu adaptée

L’analyse d’un réseau de caractéristiques PV permetde définir (cf. FigI-20) une zone optimale de fonctionnement qui se caractérise par une tension à peu près constante lorsqueles conditions extérieures varient. Quelques charges typiques à courant continu peuvent satisfaire ce critère: accumulateurs électrochimiques, électrolyseurs, moteur électrique à courant continu.
En dehors du cas particulier de l’utilisation d’acc umulateurs, ilfaut remarquer que le choix d’un couplage direct à la charge implique un fonctionnement au fil du soleil, à puissance essentiellement variable au cours de la journée. Ce couplage impliquedonc l’acceptation d’une adaptation forcément non parfaite surtoute la plage de fonctionnement.

Adaptation à l’alimentation d’une charge quelconque

En général peude charges électriques présentent lescaractéristiques autorisant unealimentation directe par GPV: charge à courant a lternatif ou caractéristique mal adaptée. Une adaptationd’impédance doit être réalisée en insérant entre le générateur et lacharge électrique un dispositif adaptateur d’impédance qui peut êtreconsidéré comme un quadripôle actif dont la commande agit entemps réel, de manière que l’adaptateur d’impédance présente toujours à ses bornes d’entréel’impédance optimale correspondant auxconditions extérieures. (cf. FigI-22).
On peut distinguer deux composantes caractérisant l’adaptation :
– l’adaptateur, constitué par un convertisseur statique de puissance dont la structure est choisie de manière qu’il modifie efficacement la forme
sous laquelle se présente l’énergie électrique(conversion continu/continu ou conversion continu/alternatif) ;
– la commande en temps réel de l’adaptateur réalisantla poursuite du point optimal, dont le choix est basé sur l’analyse du fonctionnement du système global au regard des critères de performances techniques et économiques de l’application. Elle peut faire appel à des procédés automatiques et d’optimisation très diversdes plus simples aux plus complexes.

Adaptateur continu/continu

L’adaptation continu/continu effectuée dans le but d’alimenter unecharge électrique à courant continu mal adaptée à un couplage directrepose sur l’utilisation de structures de type hacheurs non réversibles analogues à celles utilisées, par exemple, dans les alimentationsà découpage: hacheur série dévolteur buck),( hacheur parallèle survolteur (boost), hacheur dévolteur-survolteur à bobine intermédiaire(buck-boost).

Adaptateur continu/alternatif

Ce type d’adaptation, bien connu également, fait appel à des structures de convertisseurs continu/alternatif de type onduleur. On peutdistinguer aujourd’hui trois grands types de structures utilisées enmilieu industriel :
– les onduleurs à source de courant;
– les onduleurs à source de tension et modulation de largeurd’impulsion ;
– les onduleurs à résonance.

Couplage du convertisseur au GPV

Les règles classiques d’association des circuits électriquesimpliquent que chacune des structures de convertisseur cité précédemment estptea à régler le transfert d’énergie entre des circuitsélectriques présentant des propriétésnstantanéesi données sur leplan de leur impédance instantanée (source de tension ou de courant) et de leur réversibilité instantanée (réversibilité en tension ouen courant). De fait, le GPV ne présente, naturellement, aucune de ces propriétés.
De plus, en raison de leur fonctionnement en commutation, cesconvertisseurs statiques sont générateurs de perturbations susceptibles de uiren au bon fonctionnement du générateur tant sur leplan électrique qu’énergétiqu.Sur le plan énergétique, les ondulations de la tension ou du courant à l’entrée de certainsconvertisseurs se traduisent par une oscillation du point de fonctionnement sur la caractéristique autour du point de puissanceoptimale qui implique une dégradation de la conversion PV.
Aussi est-il indispensable de disposer, en sortie du générateur eten tête du convertisseur adaptateur, un filtre de puissanceconvenablement choisi et dimensionné en fonction de la nature duconvertisseur. Notons que son dimensionnement reste délicat, carle calcul doit prendre en compte, d’une part, l’ oscillation renvoyéepar le convertisseur qui dépend, notamment, du point de fonctionnement de celui-ci, d’autre part, l’impédance différentielle du GPV qui varie très fortement autour du pointoptimal et en fonction de l’éclairement.

Commande de l’adaptation d’impédance

Dans la plupart des systèmes PV, le coût du générateur seul représente plus de 50% du coût total de l’installation.De ce fait, l’objectif principal du concepteur est de définir desstratégies de fonctionnement conduisant à une réalisation qui minimise la puissance photovoltaïque crête installée, pour satisfaire lervices rendu requis par l’application dans les conditions de gisement solaire offertes par le site d’installation. Il s’agit donc d’optimiser le traitement global de l’énergie électrique au sein du systèmeet, en particulier, au niveau du générateur, en plaçant celui-ci à chaque instant à son point optimal de fonctionnement grâce à un système de pou rsuite de type MPPT.
Les cas de figure sont naturellement très variés mais deuxgrands types de systèmes peuvent être distingués :
– le fonctionnement au fil du soleil dans lequel la ou les charges connectées au générateur consomment à chaque instan toute la puissance produite par le générateur et fonctionnen doncà puissance variable en fonction des aléas météorologiques ;
– le fonctionnement avec stockage d’énergie électriqu dans des batteriesd’accumulateursélectrochimiquespermettantune consommation régulière ou à la demande des charges . La batterieest alors insérée en général entre le générateur etchargesles.
Dans tous les cas, l’installation doit être capable d’absorber à chaque instant la puissance optimale disponible au niveau du générateur, une partie de l’énergie étant éventuellement stockée enprésence de batterie.

Adaptation de la structure du générateur

Le problème d’adaptation ne se pose pas seulement par rapportà la charge du générateur. En effet, le point de fonctionnementoptimal propre à chaque module dépend de l’éclairement et dela température de celui-ci. On peut espérer satisfaire l’uniformitéde ces conditions dans un générateur plan de petite surface. Enrevanche dans les générateurs de grande surface, ou présentantune forme non plane, il est préférable de subdiviser le générateuren plusieurs sections présentant un éclairement et une températurerelativement uniformes et d’associer à chacune un adaptateurcont inu/continu. Ces adaptateurs, de type hacheur dévolteur ou survolteur munis d’un système de poursuite, permettent un fonctionnement découplé optimal de chaque section. Leur interconnexionconduit au générateur complet avec une meilleure exploitationdel’énergie solaire. De tels adaptateurs sont aujourd’hui disponiblesdans le commerce.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I. GENERALITES
I.1. Introduction
I.2. Cellule PV
I.2.1. Potentiel solaire
I.2.2. Cellule PV idéale
I.2.3. Cellule réelle à jonction PN
I.3. Générateur PV (GPV)
I.3.1. Constitution des GPV
I.3.2. Mise en œuvre d’un GPV
I.4. Systèmes PV
I.4.1. Structure générale d’un système PV
I.4.2. Couplage direct à une charge à courant continu adaptée
I.4.3. Adaptation à l’alimentation d’une charge quelconque
I.4.4. Adaptation de la structure du générateur
CHAPITRE II. ASPECT DE LA CONCEPTION DU SYSTEME SUIVEUR
II.1. Présentation de l’étude
II.1.1. Diagramme sagittal et fonction d’usage
II.1.2. Analyse fonctionnelle
II.1.3. Intérêt des suiveurs
II.1.4. Présentation comparées pour un système fixe et avec suiveur
II.2. Principe de la poursuite du soleil
II.2.1. Notion de coordonnées solaires
II.2.2. Orientation des panneaux
II.3. Aspect matériel pour la conception
II.3.1. Partie mécanique
II.3.2. Partie électronique
CHAPITRE III. MODELISATION ET COMMANDE DU SYSTEME
III.1. Choix du moteur
III.2. Étude du variateur de vitesse
III.2.1. La commande MLI
III.2.2. Principe du hacheur
III.3. Modélisations
III.3.1. Modélisation du convertisseur
III.3.2. Modélisation du moteur
III.3.3. Modélisation de la charge
III.4. Élaboration de la commande :
III.4.1. Présentation et principe de la commande numérique
III.4.2. Transposition en numérique
III.4.3. Asservissement de courant
III.4.4. Régulation de vitesse
III.4.5. Évaluation des performances du processus
III.5. Perspective
III.5.1. Présentation
III.5.2. But et principe
CONCLUSION
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE

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