DE
L'ELECTRICITE A PARTIR DU SOLEIL ...
l'énergie solaire, des informations et des réalisations
INTRODUCTION
Face aux
prévisions d’épuisement inéluctable des ressources mondiales en énergie fossile
(pétrole, gaz, charbon...), en énergie d’origine thermonucléaire (uranium,
plutonium...), face aux multiples crises pétrolières, économiques, aux
changements climatiques dus à l’effet de serre, la science s’est tout
naturellement intéressée aux ressources dites
" renouvelables " et notamment vers la plus ancienne, le
soleil, qui déverse chaque jour l’équivalent de 100 000 milliards de TEP
(tonnes équivalent pétrole). Cette valeur est à comparer aux 9,58 milliards
de TEP que représente la consommation annuelle mondiale en énergie primaire
(1998) (8).
Considéré dans
l’Antiquité comme un dieu, le soleil est aujourd’hui réduit au statut
d’énergie, une énergie qu’il nous faut apprendre à capter, à transformer, à
stocker... capter cette énergie solaire et la transformer directement en
électricité par effet photovoltaïque est une alternative.
Quelques dates
importantes dans l’histoire du photovoltaïque :
1839 : Le physicien français
Edmond Beckerel découvre l’effet photovoltaïque.
1875 : Werner Von Siemens
expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet
photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à
1954 : Trois chercheurs
américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule
photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante
cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.
1958 : Une cellule avec un
rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par
des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.
1973 : La première maison
alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de
Delaware.
1983 : La première voiture
alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de
Nous décrirons successivement dans les pages qui
suivent :
·
les
principes de base qui régissent le fonctionnement de la cellule photovoltaïque
(PV) et plus particulièrement de la cellule photovoltaïque à base de silicium,
- les modes de
fabrication des cellules photovoltaïques,
- les modes de
fabrication des cellules photovoltaïques et le marché.
Le lecteur
trouvera également :
- un glossaire,
- la bibliographie,
- quelques pages
questions / réponses FAQ (fréquent asked questions) très souvent
posées concernant l'électricité solaire.
Ces pages ne sont
en aucun cas un document scientifique fondamental mais plutôt un document de
vulgarisation et de " premier contact " avec l’effet
photovoltaïque.
Les
cellules photovoltaïques
L’effet
photovoltaïque
Lorsqu’un
matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement
sont " bombardés " par les photons constituant la lumière;
sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques
supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être
" arrachés / décrochés " :
si l’électron revient à son état initial, l’agitation de l’électron se traduit
par un échauffement du matériau. L’énergie cinétique du photon est transformée
en énergie thermique.
par contre, dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne
revient pas à son état initial. Les électrons " décrochés "
créent une tension électrique continue faible.
Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée
en énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque.
L’effet
photovoltaïque constitue la conversion directe de l'énergie du rayonnement
solaire en énergie électrique. Le terme photovoltaïque vient du grec
" phos, photos " qui désigne la lumière et de
" voltaïque ", mot dérivé du physicien italien Alessandro
VOLTA, connu pour ses travaux sur l’électricité.
Le
principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque au silicium
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Source
non précisée |
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Phographie 1 - Une cellule photovoltaïque |
Dès qu’elle est
éclairée, une cellule photovoltaïque, appelée également photopile, génère un
courant électrique continu à ses bornes, sous une tension électrique. Son
principe de fonctionnement (illustré ci-dessous) est simple : il consiste à
convertir l'énergie cinétique des photons (particules de lumière par exemple
composant du rayonnement solaire) en énergie électrique (Schéma
1 - Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque).
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Source
(14) |
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Schéma 1 - Principe de fonctionnement
d’une cellule photovoltaïque |
En première
approximation, on peut considérer ce système comme un générateur de courant
continu. Il convient de noter que ce générateur ne possède aucune pièce mobile.
Les cellules
photovoltaïques (PV) sont réalisées à partir de matériaux semi-conducteurs, et
en particulier le silicium à partir duquel la majorité des cellules PV sont
fabriquées (99 % des cellules fabriquées en 2001) (6).
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Source
(71) |
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Figure 1 - Les différents types de cellules PV |
Le silicium est
l’un des éléments les plus abondants sur
Dans un matériau
semi-conducteur, la situation électrique est intermédiaire entre un isolant
électrique et un conducteur électrique : les électrons de valence ne peuvent
circuler que si on leur apporte une énergie pour les libérer de leurs atomes
(énergie solaire par exemple), c’est à dire que le matériau semi-conducteur
devient conducteur seulement si on lui apporte de l’énergie.
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Source
(61) |
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Schéma 2 - Représentation d’une photopile en
silicium parfait |
Les électrons tournent
autour des noyaux, dans la cellule photovoltaïque, sous l’effet de la lumière,
les électrons de la couche supérieure des atomes sont
" arrachés " sous l’action du choc d’un photon lumineux
(cf. Schéma 2). Les électrons " décrochés " des atomes
créent ainsi un courant continu directement utilisable aux bornes de la
cellule, sous une tension électrique continue (tension de circuit ouvert de
l’ordre de 0,4 à 0,6 Volt pour les cellules photovoltaïques au silicium
monocristallin, dans des conditions de fonctionnement standards (STC).
Le fonctionnement
des cellules photovoltaïques au silicium repose sur les propriétés
électroniques de ce matériau, dont les atomes sont parfaitement rangés en
lignes et en colonnes et liés les uns aux autres par quatre paires d’électrons
périphériques : le silicium est dit tétravalent.
En outre, on
améliore sa conduction en dopant ce cristal, c'est-à-dire en ajoutant, dans le
réseau cristallin, des atomes étrangers (impuretés) de même taille, en petit
nombre, qui possèdent un nombre d’électrons périphériques juste inférieur ou
juste supérieur aux 4 électrons de valence du silicium.
Pour expliquer ce
phénomène, nous avons reproduit une partie d’un site Internet
(http: / / www.bonhomme-gildas.fr).
Le modèle des
bandes d’énergie :
Pour des atomes à
4 électrons de valence (structure en ns² np²) tel que le silicium ou le
carbone, on a deux ensembles de niveaux d’énergies très proches les uns des
autres. Ces deux ensembles forment deux bandes d’énergie : une bande liante
contenant 2 n niveaux (pouvant recevoir 4 n électrons) et une bande anti-liante
à 2 n niveaux également :
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Source
(61) |
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Bande
de conduction vide (bande non saturée en électrons). Eg Bande de
valence (saturée à 4 n électrons). |
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Schéma 3 |
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Source
(61) |
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Schéma 4 |
Eg est la valeur
de l’écart entre les 2 bandes (gap). Les isolants correspondent à Eg > 5 eV
et les semi-conducteurs à Eg < 5 eV. En effet, si Eg n’est pas trop grand et
si un photon est absorbé par le matériau (ou si la température augmente) un
électron peut " sauter " la bande d’énergie Eg et " peupler
" la bande de conduction.
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Source
(66) |
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Schéma 3 |
Le
dopage d’une cellule PV au silicium
En quittant la
bande
de valence, l’électron
laisse un " trou "
qui va se comporter comme une charge positive, et qui va se
recombiner avec
le premier électron qu’il rencontrera. Il suffit donc de créer un champ
électrique qui sépare les électrons des trous afin d’éviter qu’ils se
recombinent, ce qui a également pour effet de créer un courant électrique.
L’un des moyens
le plus employés généralement est de créer une jonction
" P-N ", obtenue en " dopant " le
semi-conducteur, c’est à dire en y introduisant de faibles quantités d’un autre
matériau appelé impureté :
si les atomes
d’un matériau tel que le phosphore contiennent plus d’électrons que le matériau
semi-conducteur avec lequel il sera mélangé et qu’il dopera, le semi conducteur
dopé contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type " N ".
Le dopage " N " consiste donc par exemple à ajouter au
semi-conducteur des atomes possédant 5 électrons périphériques (phosphore par
exemple). Quatre de ces électrons vont participer à la structure et un électron
supplémentaire va se retrouver libre et pouvoir se déplacer. Ce sont des
porteurs de charges mobiles. Ce dopage se fait sur la face avant exposée à la
lumière ;
si, au contraire,
les atomes d’impureté - bore par exemple - contiennent
moins d’électrons que le matériau semi-conducteur avec lequel il sera mélangé
et qu’il dopera .(comme le bore), le semi conducteur dopé sera déficitaire en
électrons : il sera dit de type " P ". Le dopage
" P " consiste donc par exemple à ajouter au silicium des
atomes possédant 3 électrons de valence (bore par exemple). Ceux-ci participent
à la structure, mais un " trou " est créé par chaque atome étranger
puisqu’il lui manque un électron périphérique. Ce dopage se fait sur la face
arrière du semi-conducteur.
En
" liant " solidairement un cristal N et un cristal P, on
crée une jonction P-N, au sein de laquelle il est possible de faire apparaître
un champ électrique interne pour entraîner vers le circuit extérieur les
charges électriques libérées sous illumination. Ainsi, sous l’action du choc du
photon, l’électron en excès sur l’atome d’impureté N est arraché, créant un
" trou électronique " (cf. Schéma 2).
L’électron
arraché est capté naturellement par l’atome d’impureté P qui est déficitaire en
électrons, créant ainsi une " bosse électronique ". La
liaison est alors devenue instable électroniquement et aura tendance à revenir
à son état d’équilibre électronique initial - le
" trou " précédemment créé sera comblé par un électron et
ainsi de suite, créant donc une circulation d’électrons, et donc un courant
électrique (cf. Schéma 5).
La
technologie d’une cellule PV
Description
d'une cellule PV
Les technologies
utilisées par les différents fabricants varient, mais les caractéristiques de
base des composants d’une cellule sont les mêmes.
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Source
Ecosystemes |
Source
Photowatt |
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Schéma 5 - Schéma de description d’une cellule
photovoltaïque |
Photographie 2 - Photographie d’une cellule
photovoltaïque polycristalline |
Pratiquement,
- une couche
"anti-reflet" sur la face avant dont le but est de faciliter au
maximum la pénétration d’un maximum de photons à travers la surface et de
réduire les pertes par réflexion ;
- une grille
conductrice avant " collectrice des électrons " qui
doit également être liée au silicium et ne pas être sensible à la
corrosion ;
- une couche dopée N
avec porteurs de charge libres négatifs (électrons) ;
- une couche dopée P
avec porteurs de charge positifs (trous) ;
- une surface de
contact conductrice en métal " collectrice des
électrons ", ayant une bonne conductivité ainsi qu'un bon
accrochage sur le silicium ;
Remarques :
Afin que la
collecte des électrons soit la meilleure possible, il conviendra de réaliser
une " grille collectrice avant " sur
Les
caractéristiques énergétiques d’une cellule PV
Comme dans tous
les systèmes énergétiques, l’énergie disponible aux bornes d’une cellule PV est
fonction de l’énergie entrante et des pertes, ce que l’on peut écrire de la
manière suivante :
E électrique = E lumineuse - P
thermique (Equation 1)
Avec :
Eélectrique
:
L’énergie disponible aux bornes de
Elumineuse
:
L’énergie incidente (flux lumineux).
Pthermique
: les
pertes thermiques (par convection, rayonnement et conduction).
Le
rendement d’une cellule PV
Le rendement
d'une photopile est le rapport entre l'énergie électrique (Wh ou J) qu'elle
fournit et l'énergie du rayonnement (visible ou invisible à l’œil, lumineux ou
solaire) (Wh ou J) reçue ou incidente, c’est à dire le rapport :
= E électrique / E
lumineuse (Equation 2)
L'énergie
électrique disponible aux bornes d’une cellule photovoltaïque est fonction des
caractéristiques du type de rayonnement - de la répartition
spectrale, de l’angle d’incidence - de la quantité d'énergie reçue,
de la surface de la cellule, de ses caractéristiques dimensionnelles, de la forme
de la cellule, et des conditions ambiantes de fonctionnement de
En pratique, les
cellules photovoltaïques ne transforment qu’une partie de l’énergie incidente
en électricité.
La
réponse spectrale
Comme l’œil, une
cellule photovoltaïque (PV) n'utilise pas indifféremment toutes les longueurs
d'onde du spectre solaire. On appelle réponse spectrale d’une cellule
photovoltaïque l'efficacité avec laquelle elle transforme l’énergie d’un
rayonnement d’une certaine longueur d'onde en énergie électrique. Cette
efficacité dépend essentiellement des caractéristiques du matériau constituant
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Source Ecosystemes |
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Figure 3 – Réponse spectrale d’une cellule PV au silicium
comparée au rayonnement solaire au sol |
Ainsi, lorsqu'une
cellule PV est soumise au rayonnement solaire, seule une partie du rayonnement
solaire sera transformée en électricité. Le rayonnement solaire est réparti sur
une plage de longueurs d'onde débutant en deçà de l'ultraviolet (longueurs
d'onde inférieures à 0,4 microns) et s’étendant au delà de l’infrarouge
(longueurs d'onde supérieures à 0,7 microns). L'œil n'est sensible qu'aux
longueurs d'onde comprises entre ces deux valeurs. Comme l'œil la cellule n'est
sensible qu’a une partie du rayonnement solaire - celle comprise
entre 0,35 et 1,1 microns - partie du rayonnement solaire essentiellement
visible, et une partie du rayonnement ultraviolet (de 0,35 à 0,4 µm) et du
rayonnement infrarouge (de 0,7 à 1,1 µm).
Source
Emcore |
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Figure 4 – Réponse spectrale d’une cellule PV couches minces
en fonction de la longeur d'onde du rayonnement incident |
Cette sélection
des longueurs d’onde s’explique par le fait que le photon doit avoir
suffisamment d'énergie pour arracher un électron.
Bien que le
photon ait par définition une masse nulle, il a cependant une énergie : une
énergie cinétique. Cette énergie (l’énergie de rayonnement) est de la
forme :
E = h .
(Equation 3)
E (J) Joule :
Energie cinétique d’un photon de longueur d’onde
h = 6,626 . 10-34
J . s : Constante de Planck
(Hz)
Hertz : Fréquence du rayonnement, liée à la longueur d'onde par la
relation suivante :
.
= c
(Equation 4)
c
(m / s) = 3 . 108 m / s :
Célérité de la lumière dans le vide.
E = h . c /
(Equation 5)
L’énergie
d’arrachement des électrons est donc inversement proportionnelle à la longueur
d’onde du photon.
Pour qu'un
électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un
semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir
une énergie minimum pour qu'il puisse atteindre les niveaux énergétiques
supérieurs (bande de conduction).
C'est l'énergie
du "band gap", Eg, en électronvolt (eV)
(1 eV = 160,217 . 10-21 Joule = 44,505 . 10-24
Wh). Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et s’étend
de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV
(1,76 . 10-19 Joules) pour le silicium cristallin (c-Si),
et de 1,7 eV (2,72 . 10-19 Joule) pour le silicium amorphe
(a-Si). Ainsi, pour pouvoir générer de l'électricitéles , les photons doivent
avoir suffisamment d'énergie pour " décrocher " un électron
de la couche " N ".
Dans le cas du
silicium, l'énergie minimum nécessaire correspond à l’énergie de photons ayant
une longueur d'onde inférieure à 1,1 m.
En conséquence,
les photons de grandes longueurs d'onde ( > 1,1 m pour le
silicium), peu énergétiques, " décrochent " peu d’électrons
et sont donc peu générateurs d’électricité et peu efficaces et donc
inutilisables. Par contre, si la longueur d'onde du photon est très courte
( < 0,4 m), l'énergie du photon associée est très grande et
il sera absorbé près de la surface dans une région perturbée, peu propice à la
création, au " déplacement " d'électrons.
C’est la raison
pour laquelle
De plus, il faut
noter que le photon ne cède sous forme électrique qu’une fraction de son
énergie cinétique, l'énergie nécessaire à la libération d'un électron, le reste
étant dissipé sous forme de chaleur. Ainsi une part importante de l'énergie des
photons de courte longueur d'onde est perdue en chaleur dans
En conclusion, il
est intéressant de comparer les rendements des différentes technologies qui existent
actuellement (6).
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Type de cellule |
Rendement des cellules PV |
Domaines d’applications |
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théorique |
en laboratoire |
disponibles |
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Si
mono (silicium
monocristallin) |
27,0 % |
24,7 % |
14,0-16,0 % |
Modules
de grandes dimensions pour toits et façades, appareils de faibles puissances,
espace (satellites) |
|
Si
poly (silicium
polycristallin) |
27,0 % |
19,8 % |
12,0-14,0 % |
Modules
de grandes dimensions pour toits et façades, générateurs de toutes tailles
(reliés réseau ou sites isolés) |
|
Si
a (silicium
amorphe) |
25,0 % |
13,0 % |
6,0-8,0 % |
Appareils
de faible puissance production d’énergie embarquée (calculatrice montres...)
modules de grandes dimensions (intégration dans le bâtiment) |
|
GaAs |
29,0 % |
27,5 % |
18,0-20,0 % |
Systèmes
de concentrateur, espace (satellites). |
|
CIGS |
27,5 % |
18,2 % |
10,0-12,0 % |
Appareils
de faibles puissances, modules de grandes dimensions (intégration dans le
bâtiment) |
|
CdTe |
28,5 % |
16,0 % |
8,0 % |
Modules
de grandes dimensions (intégrations dans le bâtiment) |
|
Si
ruban (silicium en
ruban) |
27,0 % |
27,0 % |
9,0-11,0 % |
Module
non spécifique |
|
Tableau 1 - Rendement énergétique des différents
types de cellules photovoltaïques (6) |
||||
Les différences
de rendement sont dues essentiellement aux structures internes des matériaux
utilisés pour les différents types de cellules photovoltaïques et à leurs
caractéristiques intrinsèques. Les rendements indiqués dans ce tableau
correspondent très certainement à des conditions de fonctionnement standard en
laboratoire (STC) c’est-à-dire une répartition du rayonnement de type solaire AM = 1,5,
un rayonnement incident normal sur
La figure suivant
montre l’évolution des rendements au cours des dernières années :
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Source
(71) |
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Figure 5 – Evolution des rendements des différents types de
cellules et moduels PV entre 1982 et 1996 |
Les
caractéristiques électriques d’une cellule PV
La
courbe courant-tension d’une cellule PV
La courbe
caractéristique d'une cellule PV représente la variation du courant qu'elle
produit en fonction de la tension aux bornes de
Cette courbe est
établie dans des conditions ambiantes de fonctionnement données (répartition du
rayonnement donnée, rayonnement donné, cellule PV à une température donnée, air
ambiant circulant à une vitesse donnée). En effet, le fonctionnement des cellules
photovoltaïques dépend des conditions d’ensoleillement et de température à la
surface de
Nous verrons par
la suite l’influence de la température et de l’ensoleillement sur la courbe
courant-tension.
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Source
Ecosystemes |
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Figure 6 – Caractéristiques I = f(V) d’une cellule
PV au silicium |
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Source
Ecosystemes |
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Figure 7 – Caractéristiques I = f(V) d’une cellule
PV au silicium |
Tension de
circuit ouvert VCO (pour ICO = 0) :
Elle est fonction
des caractéristiques de la jonction électronique et des matériaux. Pour une
cellule donnée, elle ne varie presque pas avec l'intensité lumineuse, au moins
pour des éclairements supérieurs à 100 W / m2 (ce qui
correspond au rayonnement solaire sur terre d’une journée très couverte). On
l’obtient en branchant directement un voltmètre aux bornes de la cellule.
Courant de
court-circuit ICC (pour VCC = 0) :
Il est
directement proportionnel à l'énergie rayonnante reçue, c'est-à-dire à
l'éclairement G (W / m²), à la température ambiante, à la vitesse de
circulation de l'air ambiant. Il est également directement fonction de la
surface de
Dans les cellules
PV au silicium,
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Source
Ecosystemes |
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Figure 8 - Courant généré par une cellule PV
idéale en fonction de la tension aux bornes de |
Une cellule PV
idéale présenterait, pour un éclairement, une température et une vitesse de
circulation de l’air ambiant donnés, une courbe en forme de marche : le courant
restant constant jusqu'à la tension de circuit ouvert, puis la tension
demeurant constante jusqu’à un courant nul, le courant passe brusquement du
courant de court-circuit Icc à 0.
Note : Vous trouverez en
annexe un chapitre sur les équations caractéristiques d’une
cellule PV et le schéma électrique équivalent qui représentent ces courbes.
La
puissance caractéristique d’une cellule PV
Dans des
conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température, vitesse
de circulation de l'air ambiant, etc..), la puissance électrique P (W)
disponible aux bornes d'une cellule PV est égale au produit du courant continu
fourni I par une tension continue donnée V :
P = V . I
(Equation 6)
P (W),
Watt : Puissance mesurée aux bornes de
U (V),
Volt : Tension mesurée aux bornes de
I (A),
Ampère : Intensité mesurée aux bornes de
La puissance
max :
Pour une cellule
solaire idéale, la puissance maximum Pmax idéale correspondrait donc
à la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le courant de
court-circuit ICC (c'est-à-dire à la surface du rectangle OABC) :
P max idéale = VCO .
ICC (Equation 7)
Pmax idéale
(W), Watt : Puissance mesurée aux bornes de
VCO
(V), Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de
ICC
(A), Ampère : Intensité de court-circuit mesurée aux bornes de
|
Source
Ecosystemes |
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Figure 10 (fig 7) - Courant généré par une cellule
PV en fonction de la tension aux bornes de |
En pratique, la
courbe caractéristique d'une cellule PV est plus "arrondie", et la
tension au point de puissance maximum VPmax est inférieure à la
tension de circuit ouvert VCO, de même que le courant fourni IPmax
est inférieur, pour cette même tension, au courant de court-circuit ICC.
Le facteur de
forme :
On appelle
facteur de forme f le rapport entre la puissance maximum fournie par
f = Pmax / (VC0
. ICC)
(Equation 8)
f (-) :
Facteur de forme
Pmax
(W) Watt : Puissance maximale aux bornes de
VCO
(V) Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de
ICC
(A) Ampère : Intensité de court-circuit mesurée aux bornes de
Le facteur de
forme f est de l’ordre de 70 % pour une cellule de fabrication
industrielle.
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Source
n.c.inconnue |
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Source
Ecosystemes |
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Figure 11 - Courbe courant en fonction de la
tension, et courbes d’isopuissances |
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Figure 12 - Courbes de puissances en fonction de
la tension aux bornes de la cellule PV |
De plus, nous
avons représenté les courbes d'isopuissances qui sont des hyperboles dans
l'espace (I,V) (Figure 7 - Courbe courant en fonction de la tension,
et courbes d’isopuissances). Ces courbes sont intéressantes car elles
permettent de voir les limites du module pour des conditions de fonctionnement
données.
La figure
suivante représente les courbes des puissances où sont également symbolysés les
points de puissance max pour différentes valeurs d’éclairement (Figure
8 - Courbes de puissances).
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Source
Ecosystemes |
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Figure 13 - Les courbes d’isopuisssances Les
courbes d’isopuisssances en fonction de la tension et les courbes de
puissance en fonction de la tension |
Les courbes
d’isopuissance, de puissance et la courbe de puissance max sont représentées
dans le repère I = f (U) (cf. Figure 9).
La puissance
crête d’une cellule PV
Dans le cas
d’utilisation de photopiles avec le rayonnement solaire, la puissance crête
d'une photopile, aussi nommée puissance "catalogue", notée Wc
(Watt crête) ou Wp (Watt peak), représente la puissance électrique
maximum délivrée dans les conditions suivantes dites conditions standard :
- éclairement solaire
de 1 kW / m2 (correspondant à peu près à une
exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à midi par temps clair
d'été) ;
- température de
- répartition spectrale
du rayonnement dit AM.1,5
(correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir
traversé une atmosphère de masse 1 à 45 °);
Note : la masse d’air optique
Lors de sa
traversée de l’atmosphère le rayonnement solaire direct (provenant du disque
solaire) est affaibli par absorption et diffusion sur les molécules gazeuses et
les particules atmosphériques. Cet affaiblissement du rayonnement (extinction)
est fonction du nombre de ces particules et molécules et également de la
longueur du trajet parcouru par les photons avant de parvenir sur
L’influence
de l’éclairement et de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV
Dans le cas
d’application solaire de cellules PV, les caractéristiques standard des
cellules PV (puissance crête, Icc, Vco) sont indiquées
dans le cas de tests de fonctionnement standard en laboratoire (STC) c’est à
dire une répartition du rayonnement de type solaire AM = 1,5, un
rayonnement incident normal sur
L’influence
de l'éclairement solaire sur le fonctionnement d’une cellule PV
L’énergie
électrique produite par une cellule photovoltaïque dépend de l'éclairement
qu'elle reçoit sur sa surface. La figure suivante représente la caractéristique
courant-tension d'une cellule PV solaire en fonction de l'éclairement, à une
température et une vitesse de circulation de l’air ambiant constantes. On
remarque que
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Source
Ecosystèmes |
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Figure 14 – Caractéristique courant-tension d’une cellule PV
à température constante en fonction de l’éclairement |
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Source
Ecosystèmes |
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Figure 15 - Influence de l’irradiation- Puissance
en fonction de la tension. |
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Source
Ecosystèmes |
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Figure 16 - Influence de
l’irradiation - Rendement en fonction de la température . |
L’influence
de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV
Les
caractéristiques électriques d'une cellule PV dépendent de la température de
jonction au niveau de la surface exposée. Le comportement de
Les courbes
suivantes représentent l'évolution du courant et de la tension en fonction de
la température de jonction de la cellule, les autres conditions extérieures
restant fixes :
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Source
Photowatt |
Source
Photowatt |
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Figure 17 - Ta tension Vco en fonction de la
température |
Figure 18 - Intensité ICC en fonction
de la température |
Lorsque la
température augmente, la tension diminue alors que le courant augmente.
Dans le cas de
cellules au silicium, le courant augmente d'environ 0,025 mA / cm2 .
°C alors que la tension décroît de 2,2 mV / °C. La baisse globale de
puissance est d'environ de 0,4 % / °C. Ainsi, plus la température
augmente et moins la cellule est performante.
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Source
Ecosystèmes |
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Figure 19 - Caractéristique courant-tension d’une
cellule PV à éclairement constant en fonction de la température |
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Source
Ecosystèmes |
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Figure 20 - Influence de la
température - Puissance en fonction de la tension. |
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Source
Ecosystèmes |
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Figure 21 - Influence de la
température - Rendement en fonction de la l’irradiation. |
Le calcul de
la température d’équilibre d’une cellule PV
La température
d’équilibre d’une cellule PV est fonction des apports énergétiques (le
rayonnement incident), de l’énergie électrique extraite (la production
électrique consommée), et des pertes thermiques fonction de la convection
environnante.
On peut calculer
la température d’équilibre d’une cellule PV avec la formule suivante :
Tc = Ta + k
. Ps
(Equation 9)
Tc
(K), degré Kelvin : température d’équilibre de la cellule.
Ta
(K), degré Kelvin) : température ambiante.
k
(W / m . K),
Watt / m² . degré . Kelvin : Coefficient
d’échauffement de déperdition.
Ps
(W), Watt : Puissance de rayonnement solaire incident en kW / m².
Les
caractéristiques thermiques de la majorité des modules photovoltaïques disponibles
sur le marché sont très voisines.
Dans le cas
d’utilisation de cellules PV au sol, le coefficient k dépend davantage de
l’angle d’inclinaison des cellules avec l’horizontale, de leur distance au sol,
de la vitesse de circulation de l’air ambiant (du vent) que du type
d’encapsulation utilisé. Ainsi, en pratique, pour des modules identiques, k
varie de 20 K / W . m² pour des modules inclinés à 10 ° et
placés à
L’influence
de la température et du rayonnement sur le fonctionnement d’une cellule PV
Dans le cas
d’utilisation de cellules PV avec le rayonnement solaire, les conditions
ambiantes extérieures (température, rayonnement solaire, vitesse de circulation
de l’air ambiant - vitesse du vent) varient en permanence..
Pour le calcul
d’une installation solaire, il faut donc tenir compte du fait que l’éclairement
et la température varient simultanément. Ce point est très souvent négligé lors
du dimensionnement d’ensembles solaires photovoltaïques.
Lors du
dimensionnement d'une installation solaire, il conviendra donc de tenir compte
des conditions et des variations climatiques du site choisi.
Les
association de cellules PV
En fait,
l’association de cellules PV est analogue à l’association de générateurs de
courant :
en série, leurs
tensions s’ajoutent,
en parallèle,
leurs courants s’ajoutent.
Cependant, leur
fonctionnement est altéré si l’une des cellules associées est occultée (ombre
par exemple).
L’association
en série de cellules PV
Si on assemble en série des
cellules, la tension aux bornes de l’assemblage est égal à la somme des
tensions délivrées par chacune des cellules.
U =
Uc
(Equation 10)
U (V), Volt : Tension aux bornes
de l’assemblage.
UC (V), Volt : Tension
aux bornes de la cellule d’indice " c ".
Dans ce cas, le courant qui
traverse les cellules est le même mais les cellules peuvent fonctionner à des
tensions différentes.
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Source
Ecosystemes |
Source
Ecosystemes |
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Figure 22 -Fonctionnement de cellules en série,
caractéristiques courant -tension de l'ensemble |
Figure 23 -Fonctionnement de 4 cellules en série,
l’une d’entre elles étant occultée partiellement |
Si une cellule
est occultée (si elle ne reçoit plus qu’une faible partie de l’énergie solaire
reçue par les cellules voisines), elle ne peut délivrer qu’un courant limité.
Elle fonctionne donc en inverse (comme un récepteur soumis à une tension
inverse de celle produite en direct) par rapport aux autres cellules du module
qui elles, délivrent un courant supérieur à ce courant limité. En fonctionnant
ainsi, un échauffement de la cellule apparaît et peut provoquer le claquage de
la cellule.
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Source
Ecosystemes |
Source
Ecosystemes |
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Schéma 1 – Schéma électrique équivalent du montage série |
Schéma 1 – Schéma électrique équivalent du montage série |
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Les recherches
sur ce sujet ont montré que dans le cas de cellules PV au silicium, au-delà
d’une tension inverse de 20 V, la probabilité de claquage d’une cellule
(destruction de la jonction électrique) devient importante. Pour limiter la
tension inverse maximum susceptible de se développer aux bornes d’une cellule, les fabricants de modules photovoltaïques
placent donc une diode parallèle, appelée diode by-pass, toutes les 18 à 36
cellules (selon les applications).
L’association
parallèle de cellules PV
Dans le cas d’un
montage en parallèle, le courant de l’ensemble sera égal à la somme des
courants produits par chacune des cellules.
I = Ic
(Equation 11)
I(A), Ampère :
Courant circulant dans l’assemblage.
IC
(A), Ampère : Courant circulant dans chaque cellule d’indice
" c ".
Dans le cas d’une
association en parallèle, les cellules délivrent la même tension mais elles
peuvent fonctionner avec des courants différents.
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Source
Ecosystemes |
Source
Ecosystemes |
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Figure 24 - Courbe caractéristique d’un montage
parallèle, une cellue étant occultée |
Figure 25 - Courbe caractéristique d’un montage
parallèle, une cellue étant occultée |
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Source
Ecosystemes |
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Figure 25 - Courbe caractéristique d’un montage
parallèle, une cellue étant occultée |
Cependant, si une
ou plusieurs cellules sont occultées, les autres deviennent réceptrices car la
tension de fonctionnement est supérieure à la tension de circuit ouvert. Bien
qu’une cellule puisse dissiper un courant important, il est préférable de
disposer d’une diode anti-retour, laquelle empêche également de gaspiller dans
une autre cellule occultée une partie de la puissance produite par les cellules
fonctionnant normalement. Pour limiter ces pertes et protéger les cellules, on
place donc une diode en série, appelée diode série, toutes les n cellules (n
étant fonction des caractéristiques du montage).
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Source
Ecosystemes |
Source
Ecosystemes |
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Schéma 2 - Schéma électrique équivalent du montage
parallèle |
Schéma 2 - Schéma électrique équivalent du montage
parallèle |
Afin de limiter
les pertes de puissance au niveau de ces diodes, les fabriquants emploient
généralement des diodes de type Schotty (par exemple les séries 1 N 5817,
18 et 19 pour des courants de l’ordre de
Utilisation
des diodes by-pass et séries
Les diodes by-pass
de protection d’association de cellules en série sont montées :
- par les fabricants
lors de l’association des cellules en série (pour protéger les cellules).
Elles seront inserrées dans les boîtes de connection des cellules sur
chaque module lors de leurs fabrication.
- par les installateurs
lors de l’association de modules en série dans les boîtes de jonction.
Les diodes séries
de protection d’association en parallèle :
- ne sont pas montées
par les fabricants lors de l’association des cellules en parallèle (il
n’est pas nécessaire de protéger une cellule occultée dans un module
compte tenu des faibles courants mis en jeu)
- sont montées par les
installateurs lors de l’association de modules en parallèle dans les
boîtes de jonction pour les modules occultés dans un ensemble de modules.
LES
MODULES PHOTOVOLTAIQUES
Une cellule seule
dite " nue " est souvent peu utilisable en l'état : sa
faible épaisseur la rend très fragile d'une part, sa tension et son courant
très faibles la rendent inutilisable directement dans des applications
électriques courantes d'autre part.
Les tensions de
fonctionnement des équipements électriques sont normalisées (12, 24, 48V,
etc...) et une seule cellule PV ne permet pas de les alimenter directement.
Ainsi, afin d’accroître la puissance disponible et l’énergie produite par des
cellules PV, les fabricants assemblent en série et en parallèle les cellules
PV.
La tension
désirée est atteinte en connectant plusieurs cellules en série. Pour obtenir la
puissance désirée, plusieurs de ces séries de cellules peuvent être montées en
parallèle. Ces enchaînements sont ensuite protégés sous un conditionnement
conférant à l'ensemble une bonne résistance mécanique et une protection
efficace face aux agressions extérieures.
Les panneaux
rectangulaires ainsi obtenus sont appelés " modules photovoltaïques ".
Note : Parfois,
certain fabricants appellent " modules " un panneau de 50
Wc.
La
technologie
Les
modules PV
Une cellule
photovoltaïque seule étant peu utilisable, il faut donc l’encapsuler et ainsi
la protéger des agressions extérieures.
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Source
Siemens |
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Figure 26 - Vue en coupe d’un module PV |
L’opération
d’encapsulation consiste à recouvrir de verre ou de résine (matériaux qui
doivent supporter de grandes chaleurs et garantir des coefficients de
transmission élevés) la face exposée au soleil ; la face arrière est
recouverte de verre ou de Tedlar (verre + matériau organique).
Les cellules
assemblées en série / parallèle sont " noyées "
dans un matériau organique transparent, en général de l’E.V.A. (Ethylène de
Vinyle d’Acétate); l’ensemble est étanchéifié par un joint latéral en silicone
et les deux extrémités du module sont ramenées vers une boîte de connexion
nécessaire pour le raccordement vers l’utilisation, le tout étant serti parfois
dans un cadre (sinon ils sont dit " laminate ").
Ces opérations
sont essentielles car dans le cas d’applications extraterrestres par exemple
(satellites), le module devra résister à des températures extrêmes, au vide,
aux impacts de météorites ; dans le cas d’applications extérieures
terrestres (installations de production d’énergie à partir de l’énergie
solaire), les modules devront résister aux agressions atmosphériques,
températures, vent, pluie, grêle, charge de neige, érosion par le sable en
suspension dans le vent, corrosion marine…Malgré ces précautions, des
déséquilibres générés par des occultations parasites de certaines cellules
peuvent survenir au sein d’un module. Pour y faire face, on a introduit dans le
système des diodes de protection (cf. chapitre précédent).Les protections
électriques conseillées ne seront valables que si les diodes parallèles peuvent
supporter le courant de toute la branche susceptible de débiter dans la
branche.
Les
modules PV à concentration
Les modules que
nous venons de voir sont les plus courants, ils sont appelés "modules
solaires PV plan" ou simplement "panneaux solaires PV plan".
Afin d'améliorer
la productivité des cellules photovoltaïque PV (kWh d'électricité produite /
par m² de cellules) ou (kWh d'électricité produite / par coût unitaire des
cellules) différentes approches sont explorées.
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Source
: http://www.eren.doe.gov/state_energy/contact.cfm |
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Source
: Green Energy Technologies |
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Figure 26b - Vue en coupe d’un module PV à
concentration |
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Figure 26a - Vue en coupe d’un module PV à
concentration en Arizona (USA) |
La première,
consiste a chercher à produire des cellules moins chères, c'est le thème des
développements de nouveaux matériaux semi conducteurs, cependant le principe,
la physique fondamentale même de conversion du rayonnement en électricité
limite le procédé.
La seconde
démarche consiste a augmenter le rendement en diminuant les pertes des cellules
photovoltaïque en réduisant soit les pertes par réflexion du rayonnement
incident (en utilisant des couches anti reflets), soit en réduisant les pertes
par convection (en isolant la cellule, en la faisant fonctionner à plus basse
température en la réfrigérant, en la plaçant dans un capteur sous vide, ...).
Ces démarches sont cependant très limitées ....
La troisième
démarche consiste à augmenter le rayonnement incident sur la cellule par un
dispositif de concentration (lentilles optiques, lentilles de Fresnel, ..). Par
exemple, en utilisant des lentilles doublant le rayonnement incident sur
des cellules on augmente de presque du double la puissance délivrée aux bornes
de la cellule photovoltaïque. Le coût de ces lentilles de doublement du
rayonnement est très inférieur au coût du doublement de la surface des cellules
photovoltaïque qui produirait la puissance !!!
Deux
inconvénients importants pénalisent le procédé, d'une part les dispositifs de
concentration ne fonctionnent pas avec le rayonnement solaire diffus (diffus du
ciel et diffus du sol) et ces rayonnements solaires représentent bien souvent
40 à 60 % du rayonnement solaire global, d'autre part, le dispositif de
concentration doit être pourvu d'un système de poursuite pour assurer
convenablement la focalisation du rayonnement solaire direct sur la cellule (et
non pas en avant ou sur le coté), enfin sous ces concentrations les
températures atteintes par les cellules peuvent être importantes (pensez à la
loupe) et il sera souvent utile de prévoir des systèmes de réfrigération qui
peuvent s'avérer plus coûteux que le gain d'énergie produite.
Les
modules PV double face
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Source :
Krasnoe Znamya |
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Figure 26b
- Face avant et arrière d’un module PV double face 36 Vcc |
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Certain fabricants
proposent des panneaux solaires comportant
des cellules solaires sur les deux faces, sur la face avant exposée au
soleil et sur la face arriére du panneau. Les cellules
sont en général montées sur une vitre, encapsulées dans un cadre aluminium. Ces
panneaux sont adapté aux sites ayant des albédo importants des lacs, mers, les
déserts, les surfaces enneigées. Des essais à Krasnoe Znamya ont montré que
l'énergie annuelle produite était 10 % supérieure à l'énergie produite par un
panneaux solaire simple face.
Ceci n'est pas
surprenant car l'albedo de la neige, de surface aquatiques est de l'ordre de
0,75 à 0,90. C'est une idée intéressante mais le gain de 10 % est certainement
faible en comparaison du surcoût par rapport a un panneau simple face.
La puissance du
module double face est le double de la puissance du même module simple face
mais l'énergie moyenne annuelle produite par le module double face n'est que
supérieure que de 10 % plus élevée à celle produite par le même module
simple face (le cout d'investissement par contre a presque doublé !!). Ceci est
un bon exemple de la nécessité de l'optimisation technico éconmique et de la
nécéssité de savoir si le but d'une installation solaire photovoltaïque est
l'obtention d'une puissance instantanée (ce qui est très rarement le cas
lorsque l'installation comporte un stockage électrique type batterie
électrochimique) ou l'obtention d'énergie.
Ne serait'il pas
plus intéressant financièrement de mettre devant le panneaux une surface
réfléchissante (par exemple une feuille de mylar avec un facteur réfléchissant
de 90%) qui réfléchirait une partie du flux solaire et augmenterait donc le
flux incident sur le panneau et en conséquence l'énergie produite ? Le coût
d'un tel miroir est négligeable en comparaison d'une augmentation de s la
surface de panneaux ou d'équiper de cellules l'arrière de panneaux.
Toutes ces idées
sont explorées et nombre d'expériences ont été réalisées.
Caractéristiques
nominales des modules PV
Le fabricant
accompagne son module :
d’une fiche
rendant compte des contrôles auxquels il a été soumis,
d’une fiche
indiquant les caractéristiques du module notamment :
- les caractéristiques
du module (poids, dimensions, surface, points de fixation...),
- les courbes
caractéristiques courant = f (tension) dans les conditions de
fonctionnement standard (STC),
- quelques
caractéristiques électriques :
- la tension de circuit
ouvert mesurée aux bornes de
- l’intensité de
court-circuit mesurée aux bornes de
- la puissance
nominale, puissance maximale mesurée aux bornes de
- la tension de puissance
nominale, puissance maximale aux bornes de
- l’intensité de
puissance nominale, puissance maximale aux bornes de
Par extension et
par facilité, les professionnels caractérisent un module PV simplement par :
- La puissance nominale aux
conditions de fonctionnement standard (STC); Pnominale = Pmax
(W) Watt,
- La tension nominale du module
PV (en général 12, 24, 48 Vcc; Vnominale (V) Volt).
Notes :
les
caractéristiques des modules sont souvent exprimées aux conditions de test
standard (STC) en laboratoire, c’est-à-dire à une répartition du rayonnement de
type solaire AM = 1,5, un rayonnement incident normal sur
" NOCT "
(Nominal Operating Cell Temperature) est la température de la cellule (module
ou du module) fonctionnant sous 800 W / m² de
rayonnement, + 20 °C de température ambiante et 1 m / s de
circulation de l’air environnant ambiant.
La
fiabilité, normes
Les modules sont
en général conçus avec une garantie d’au moins 10 ans (pour les modules en
silicium tout au moins), une durée de vie de 25 ans et parfois davantage. Ils
répondent aux normes éditées par l’U.T.E. (Union Technique de l’Electricité)
ainsi qu’à celles du CELAR (Centre d’Etudes et de l’Armement) et plus
généralement aux spécifications d’ISPRA / EEC Nr 503. Certains
fabricants homologuent leur modules suivant les normes GAM T 13 au CELAR.
Chaleur
humide : température + 40 °C
humidité relative
95 %
durée 112 jours
Stockage
haute température : température + 100 °C
durée 2000 h
Essai
composite climatique :
Variation rapide de température : température basse –
température
haute + 85 °C
durée 200 cycles
Brouillard salin : température + 35 °C
Vieillissement sous éclairement : énergie reçue de l’ordre de 20 000
kWh / m2 correspondant à environ 10 ans de fonctionnement
sous climat tropical.
Robustesse des sorties : norme NFC 60 612.
Résistance à l’impact : test du pendule, avec bille dureté Rockwell R 62,
diamètre
Charge
statique : charge uniforme de 2500 N / m2.
En France, ces
essais sont réalisés essentiellement au L.C.I.E. (Laboratoire Central des
Industries Electriques).
Les
autres essais
Par ailleurs, les
fabricants réalisent parfois leurs essais personnels.
Chaque module est
essayé avec un simulateur solaire permettant d’atteindre une précision de mieux
de 5 %. Ils contrôlent leur production en continu; des échantillons sont
régulièrement prélevés aux différents stades de la production pour des
essais :
en chaleur sèche,
en chaleur
humide,
en variation
rapide de température sous éclairement. Une fiche d’identification et de
certifications accompagne chaque module fabriqué.
De plus, un certain
nombre de modules installés dans des sites réels en France et à l’étranger sont
suivis, ce qui permet aux fabricants de comparer leur évolution à celle des
modules soumis à des essais de vieillissement accéléré.
Fiches
techniques de modules photovoltaïques solaires
EXEMPLE DE FICHE TECHNIQUE D'UN MODULE PV
|
Intelligent module design The module is designed for easy interconnection to achieve voltage and
current configurations for grid-connected systems as well as stand-alone
systems. The high output of the MS011/MS/001 reduces the number of modules
required to achieve a desired power output. This means: fewer overall attachment points fewer terminal boxes easier assembly and cabling reduced installation costs Well suited for most solar applications, the modules are able to
withstand some of the harshest environments in the world and continue to
perform efficiently. |
Photographie
3 - Caractéristiques du module |
|
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Figure 27 - Caractéristiques du module |
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Module 100 |
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Electrical Parameters
(1) |
12V |
24V |
||
|
Maximum power rating |
Pmax |
Watts |
100 |
|
|
Minimum power rating |
Pmin |
[Watts |
90 |
|
|
Rated current |
Imp |
Amps |
5.9 |
2.95 |
|
Rated voltage |
Vmp |
Volts |
17.0 |
34.0 |
|
Short circuit current |
Isc |
Amps |
6.5 |
3.25 |
|
Open circuit voltage |
Voc |
Volts |
21.0 |
42.0 |
|
Thermal Parameters |
||||
|
Nominal operating cell temperature (2) °C |
45 +-2 |
|||
|
Change of Isc with temperature, |
+1.2mA/°C (+0.04%/°K) |
|||
|
Change of Voc with temperature |
0.0775 Volts/°C (-0.34%/°K |
|||
|
Qualification Test
Parameters (3) |
||||
|
Temperature cycling range |
[°C] |
-40 to +85 |
||
|
Humidity, freeze, damp heat condition |
[% RH |
85 |
||
|
Maximum system voltage |
Volts |
1000 per ISPRA (EC), 600 per UL 1703 |
||
|
Wind loading or surface pressure |
N/m²] (PSF) |
2400 (50) |
||
|
Maximum distortion (4) |
degrees] |
1.2 |
||
|
Hailstone impact withstand |
mm @ m/s] |
25 @ 23 - (1.0 @ 52) |
||
|
Physical Parameters |
||||
|
Number of series cells |
72 |
|
||
|
Length |
mm] (in) |
1316 (51.8) |
|
|
|
Width |
mm] (in) |
660 (25.98) |
|
|
|
Depth (w/o box) |
mm] (in) |
40 (1.6) |
|
|
|
Weight |
kg (lbs) |
11.5 (25.1) |
|
|
|
Warranty (5) |
||||
|
Power >= 90% of minimum power |
Years |
10 |
||
|
Power >= 80% of minimum power |
Years |
25 |
||
|
1 - Determined
under standard test conditions (STC): Irradiance = 1000w/m² cell
temperature = 25 °C; solar spectral irradiance per 3 - Qualification Tests performed as per CEC 503 Test
Specification, to ensure durability and performance in outdoor conditions. 4 - Diagonal lifting of module corner with three corners
fixed. 5 - To original consumer purchaser. See full Limited
Warranty for all conditions. Tableau 2 - Caractéristiques du
module |
Le lecteur
trouvera en annexes les fiches techniques de quelques modules photovoltaïques
(un module de 55 Wc (42), un de 80 Wc, un de 100 Wc (42), un de 110 Wc (42) et un module de 120 Wc (41)
ECOSYSTEMES
Consultants
Energie / Environnement / Développement / Transfert de technologie