Constitution et modélisation des caractéristiques de performance du module PV

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Caractéristique du rayonnement solaire

Absorption dans l’atmosphère

Comme le rayonnement solaire passe à travers l’atmosphère, des gaz, et des poussières, gaz spécifiques, notamment l’ozone (O3), le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O), ont une très grande absorption qui donne une fosse profonde de la courbe spectrale de rayonnement. Par exemple, une grande partie de la lumière infrarouge lointaine au-dessus de 2μm est absorbée par la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone. De même, la lumière ultra-violette inférieure à 0,3μm est absorbée par l’ozone. Le principal facteur de réduction de la puissance du rayonnement solaire est l’absorption et la diffusion de la lumière due à des molécules d’air et la poussière. Ce processus d’absorption ne produit pas des creux profonds dans l’éclairement énergétique spectral, mais provoque plutôt une fonction de réduction de la puissance sur la longueur du trajet à travers l’atmosphère. Lorsque le soleil est à son zénith, l’absorption due à ces éléments atmosphériques provoque une diminution relativement uniforme à travers le spectre visible, de sorte que la lumière incidente est blanche. Cependant, pour des longueurs de trajet plus longues, la lumière de haute énergie (longueur d’onde inférieure) est plus efficacement absorbée et dispersée.

Masse d’Air

La masse d’air est la longueur du trajet de la lumière à travers l’atmosphère normalisée par rapport à la longueur du trajet le plus court possible. La masse d’air est définie comme suit: AM= (I-1)
Où θ est l’angle de la verticale
Lorsque le soleil est au zénith, la masse d’air est de 1.
A la surface de la Terre, le spectre solaire n’est plus le même que dans l’espace, car il est pondéré par l’absorption des molécules présentes dans l’atmosphère (O3, CO2, H2O, …). Les conditions climatiques ainsi que la présence de particules influencent également la valeur réelle du spectre. Pour pouvoir comparer les performances des cellules solaires et qualifier les différents spectres solaires utilisés, la notion d’air-masse (AM), ou « masse atmosphérique» a été créée. Sa valeur dépend de la pression, de l’altitude et de l’angle d’incidence des rayons lumineux. [3]

Le spectre solaire

L’énergie du soleil est produite par réactions de fusion thermonucléaire. Cette énergie est émise dans l’espace sous forme d’ondes électromagnétique. Le spectre de ce rayonnement correspond à l’émission d’un corps noir porté à 5800°K, dont le maximum est dans le domaine du visible. L’énergie qui nous vient du soleil représente la quasi-totalité de l’énergie disponible sur terre. Une courbe standard, compilée selon les données recueillies par les satellites, est désignée sous le nom d’AM0. Sa distribution en énergie est répartie à la figure (I-1) [4] :
Ultraviolet UV 200 < l < 400 nm 6.4%
Visible 400 < l < 800 nm 48.0%
Infrarouge IR 800 < l < 1400 nm 45.6%
L’énergie de chaque photon est reliée à la fréquence ou à la longueur d’onde λ selon l’équation suivante : Eph=hγ= (I-2)
h: constante de Planck c : vitesse de la lumière γ : fréquence
λ : longueur d’onde

Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Structure

L’énergie solaire est l’énergie que dispense le soleil par son rayonnement. Parmi les techniques existantes pour capter directement une partie de cette énergie, les cellules solaires sont sans doute les plus utilisées.
Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, l’effet photovoltaïque permet la transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Albert Einstein expliqua le phénomène photoélectrique en 1912, mais il fallut attendre le début des années 50 pour sa mise en application pratique dans la réalisation d’une cellule PV en silicium d’un rendement de 4,5%. Ce principe repose sur la technologie des semi-conducteurs.
Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui ont la particularité d’orienter la circulation des électrons pour transformer leur mouvement en électricité. Elles sont réalisées à l’aide de matériaux semi-conducteurs (silicium), c’est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants. Les cellules à elles seules ne produisent qu’une faible puissance électrique typiquement de l’ordre de 1 à 3 Watt avec une tension de moins de 1 Volt.
La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones dopées différemment du même matériau (homojonction p-n) ou entre deux matériaux différents (hétérojonction). Chacune des régions est reliée à une électrode métallique au moyen d’un contact ohmique de faible résistance. Le but de la structure photovoltaïque, c’est de créer un champ électrique interne. [6]

La conversion photovoltaïque

La conversion photovoltaïque utilisée dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse (photon) des rayons solaires en électricité, par le biais du déplacement de charges électriques dans un matériau semi-conducteur (le silicium).
Lorsque les photons heurtent une surface mince de ce matériau, ils transforment leur énergie aux électrons de la matière. Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique.
L’énergie produite par l’absorption d’un photon dans un matériau se traduit du point de vue électrique par la réaction d’une paire électron-trou. Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit d’électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient positivement et la zone initialement dopée p chargée négativement.
Cette réaction entraine une différence de répartition des charges créant ainsi une différence de potentiel électrique, c’est l’effet photovoltaïque. Le fait d’avoir associé deux types de matériau pour créer une jonction permet de pouvoir récupérer les charges avant que ces derniers ne soient recombinés dans le matériau qui redevient alors neutre. La présence de la jonction PN permet ainsi de maintenir une circulation de courant jusqu’à ses bornes. Le nombre de photon par unité de longueur d’onde est une donnée à connaitre pour les applications photovoltaïques pour estimer l’énergie totale disponible. La longueur d’onde correspondant au maximum de photons est de l’ordre de 650-670nm.
Le courant produit par un capteur PV est donc beaucoup plus faible que la quantité de photon arrivant sur le matériau car plusieurs conditions doivent être réunies pour que réellement l’énergie du photon se traduise en courant.
La transformation de l’énergie solaire en énergie électrique est basée sur les trois mécanismes suivants (figure. I-2):
 absorption des photons incidents (si l’énergie du photon est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif;
 conversion de l’énergie du photon en énergie électrique ; ce qui correspond à la création de paires électrons-trous dans le matériau semi-conducteur;
 collecte des particules générées dans le dispositif.

Schémas équivalents d’une cellule photovoltaïque

Cas d’une cellule idéale

Le fonctionnement d’une cellule solaire peut être modélisé en considérant le schéma électronique équivalent ci-dessous (figure I-3). Nous pouvons considérer le cas d’une cellule idéale comprenant d’une source de courant et une diode en parallèle. La source de courant Iph représente le photo-courant (générer) et la branche de diode un courant ID.
Le courant délivré par la cellule photovoltaïque éclairée sur une charge R s’écrit:
I=Iph – ID (I-3)
ID=Is.[exp )-1] (I-4)
I=Iph – Is.[exp( )-1] (I-5)
Iph : photo-Courant généré.
ID : courant traversant la diode
IS : Courant de saturation
V : tension à la borne de la diode
q : charge de l’électron
k : constante de Boltzman
T : température absolue en kelvin

La filière du silicium cristallin

Les technologies cristallines se déclinent sous forme monocristallines et polycristallines. Leur différence est due à un processus de fabrication distinct décrit ci-dessous (cylindres ou lingot). Le silicium sur toutes ses formes domine le marché des applications terrestres. Le silicium cristallin représente aujourd’hui environ 85% du marché des matériaux utilisés dans la fabrication des panneaux.

Les cellules monocristallines

C’est la filière historique du photovoltaïque. Les cellules monocristallines (aspect uniforme gris bleuté ou noir) sont les photopiles de la première génération Elles sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en une seule pièce. Elles ont un bon rendement compris entre 12% et 16% mais la méthode de production est laborieuse et très coûteuse [11]. Cette filière présente deux inconvénients :
 rendement faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus,
 baisse du rendement quand la température augmente.

Les cellules polycristallines

Ces cellules (généralement bleu aspect d’une mosaïque) sont élaborées à partir d’un bloc de silicium composé de cristaux multiples : elles constituent 56,4% des modules fabriqués. Le silicium polycristallin a un rendement se situant entre 11% et 13%, plus faible que les cellules monocristallines mais leur coût de production est moindre. La majeure partie de ce matériau est produite par des procédés de solidification unidirectionnelle.
Le silicium polycristallin est le matériau le plus répandu pour les panneaux solaires commerciaux grâce à son faible coût et son rendement intéressant.

La filière du silicium amorphe

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé ou marron. C’est la cellule que l’on trouve le plus souvent dans les produits de consommation comme les calculatrices et les montres dites « solaires ». Ses avantages sont les suivants :
• elle réagisse mieux à des températures élevées ou à une lumière diffuse ;
• contrairement aux autres techniques, elle a un coût moins cher à cause de son rendement faible compris entre 8% et 10% ;
• malgré son faible rendement, cette technologie possède les coûts de fabrication les plus bas grâce à la faible quantité de matériau nécessaire et à son procédé de fabrication basse température.

La filière des couches minces

La filière des matériaux en couche mince est dominée par le Cu (In, Ga) Se2, ou CIGS, avec un record à 20,3 %. Depuis son arrivée sur le marché, cette filière est en pleine expansion. Elle présente, en effet, des performances équivalentes au silicium poly cristallin avec un coût inférieur grâce à un dépôt rapide nécessitant peu d’énergie (par rapport au silicium poly cristallin) et avec la possibilité de couvrir de grandes surfaces. Par ailleurs, les cellules en couches minces présentent un grand intérêt pour des applications photovoltaïques flexibles.

Constitution et modélisation des caractéristiques de performance d’un module photovoltaïque

Structure d’un module photovoltaïque

Par définition c’est un assemble de photopiles assemblés pour générer une puissance électrique suffisante lors de son exposition à la lumière figure (I-8). En effet, une photopile seule ne génère qu’une puissance faible de 1 à 3 W selon les technologies [12]. Le meilleur rendement de l’effet photovoltaïque est obtenu pour un groupement de plusieurs cellules en parallèle ou en série. Seul ce groupement demande des précautions particulières pour éviter de provoquer sa dégradation. Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. Ces cellules sont protégées de l’humidité par encapsulation dans un polymère EVA (Ethyléne-Vinil- Acétate) figure (I-8) et protégées sur la surface avant d’un verre, trempé à haute transmission et de bonne résistance mécanique, et sur la surface arrière d’un verre ou d’un film en fluorure polyvinylique [13].

Etat de l’art

Un module photovoltaïque présente des pertes angulaires liées à son comportement nominal. On compte plusieurs facteurs: la radiation directe, la radiation diffuse, l’angle d’incidence de la radiation, la situation géographique et la saleté (poussière). Ce dernier facteur a une influence variable sur le module PV (selon qu’elle soit modérée ou élevée) et peut affecter grandement sa performance surtout dans les zones désertiques. De telles zones d’implantation ont comme inconvénient d’accélérer les phénomènes d’encrassement par le sable et la poussière [16]. Des études menées par Nimmo et Seid [17] indiquent qu’une couche de poussière de 4mm (d’épaisseur) par mètre carré diminue la conversion d’énergie solaire de 40% plus de six mois. En Arizona, la poussière se déposant chaque mois atteint environ 4 fois cette épaisseur. Les taux de dépôts sont encore plus élevés au Moyen-Orient, en Australie et en Inde. Hottel et Woertz [18] ont été parmi les pionniers de l’enquête sur l’impact de la poussière sur les systèmes photovoltaïques. Les paramètres des modules se réduisent rapidement avec l’accumulation de poussière sur la surface des panneaux photovoltaïques. L’information sur le type de poussière est nécessaire pour quantifier son effet sur la puissance pouvant être générée. Les auteurs de l’article ont déduit que la dégradation du rendement photovoltaïque ne dépend pas uniquement de la densité de poussière accumulée mais également du type de poussière et du dimensionnement. Il est à ajouter que les particules de poussière les plus fines ont d’avantage un effet négatif sur le rendement que les particules les plus grosses. Cela est due au fait que les particules fines se dispersent de manière plus uniforme en laissant moins d’espace entre elles pour permettre à la lumière de s’introduire. Les auteurs ont monté aussi que la pente des courbes correspondant à des particules fines est légèrement supérieure à celle des grosses particules, ce qui rend le rendement des cellules photovoltaïques plus sensibles à l’accumulation de poussière des particules du premier type [19]. La quantité de poussière déposée sur une superficie dépend de plusieurs facteurs tels que la poussière dans l’atmosphère, l’orientation et l’inclinaison des dispositifs, la localisation géographique, la direction et l’intensité du vent, la saison [20].
Comme conséquence de cette forte dépendance, l’estimation des quantités de poussière est très difficile durant certaines saisons de l’année. Pour des modules avec un angle d’incidence normale au soleil, les dépôts de saleté produisent une perte maximale de 3% dans l’intensité du courant de court-circuit durant les périodes pluvieuses. Les modules récupèrent 1% de leur puissance lorsqu’il pleut [21].

Impact de la poussière sur les caractéristiques de performance

Comme un exemple pratique, nous présentons ici l’influence de la poussière sur les caractéristiques de performance de quelques modules PV pendant leur exposition en milieu naturel.

Description de base des modules de test

Nous disposons dans cette partie deux modules identiques en paire. Ils sont de marques SPEC comportant chacun 36 cellules en monocristallin rectangulaire (102,6×99,6cm2) avec une puissance crête de 150W. Le tableau (II-1) nous donne les caractéristiques techniques du module fourni par les constructeurs.

Table des matières

Introduction Générale
Perspectives de l’énergie photovoltaïque
Problématique
Objectifs et Plan de travail
Chapitre I-Généralités sur le fonctionnement photovoltaïque
I-1 Introduction
I-2 Le rayonnement solaire
I-2-1 Le soleil
I-2-2 Caractéristiques du rayonnement solaire
I-2-2-1 Absorption dans l’atmosphère
I-2-2-2 Masse d’Air
I-2-2-3 Le spectre solaire
I-3 Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
I-3-1 Structure
I-3-2 La conversion photovoltaïque
I-4 Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
I-4-1 Cas d’une cellule idéale
I-4-2 Cas d’une cellule photovoltaïque réelle
I-5 Les différentes filières photovoltaïque
I-5-1 La filière du silicium cristallin
I-5-2 La filière du silicium amorphe
I-5-3 La filière des couches minces
I-6 Constitution et modélisation des caractéristiques de performance du module PV
I-6-1 Structure
I-6-2 Les caractéristiques de performance du module
I-7 Influence des éléments extérieurs sur le module PV
I-7-1 L’équation caractéristique du module PV
I-7-2 Influence de l’ensoleillent
I-7-3 Influence de la température
I-7-4 Influence de la résistance série
I-7-5 Influence de la résistance shunt
I-8Conclusion
Chapitre II-Impact de la poussière sur la performance des modules
II-1 Introduction
II-2 Etat de l’art
II-3 Impact sur les caractéristiques de performance
II-3-1Description des modules test
II-3-2 Etude expérimentale
II-3-3 Présentation des résultats
II-3-4 Gain de puissance
II-4 variation des caractéristiques de performance des modules en fonction de la densité de poussière .
II-4-1 Condition de mesure et Méthodologie
II-4-2 Présentation des résultats et commentaires
II-5 Modélisation de l’impact de la densité de poussière sur les caractéristiques du module PV
II-6 Conclusion
Conclusion Générale
Référence Bibliographique

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