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Conversion de l’énergie solaire – Etienne TISSERAND I – Gisement solaire 1) Terminologie et définitions

a) Puissance

Grandeur Puissance instantanée Puissance moyenne sur une durée D Puissance-crête

Définition p(t) ∫=)D(

dt)t(pD

1)D(P

Pc C’est la puissance d’un générateur dans des conditions optimales d’utilisation

Unité watt (W) watt (W) watt-crête (Wc)

b) Energie L’énergie fournie par un générateur pendant une durée D est définie par :

)D(P.Ddt)t(p)D(E)D(

== ∫

L’unité de l’énergie est le joule (J) qui correspond à l’énergie fournie pendant 1 s par un générateur de 1 W. En électricité on utilise généralement le watt.heure (Wh) qui correspond à l’énergie fournie pendant 1 h par un générateur de 1 W.

1 Wh 3600 J ou 3,6 kJ 1 kWh 3,6 MJ

Lorsque le générateur délivre une tension constante, il est souvent pratique d’exprimer l’énergie fournie en ampère.heure (Ah) sous la tension nominale.

c) Flux énergétique d’un rayonnement Le flux énergétique Fe correspond à la puissance du rayonnement exprimée en W

d) Densité spectrale de puissance d’un rayonnement La densité spectrale DSP(λ) correspond à la répartition de la puissance en fonction de la longueur d’onde du rayonnement. Elle est exprimée en W/nm ou en W/µm. Le flux Fe correspond à l’intégration de la densité spectrale de puissance selon l’équation :

∫λ

λλ= d)(DSPFe

e) Flux lumineux d’un rayonnement Le flux lumineux Fl est une puissance exprimée en lumen. Cette mesure prend en compte la courbe de sensibilité chromatique de l’œil pour apprécier le niveau visuel d’un rayonnement lumineux. Par exemple un flux énergétique de 1 W produit dans l’infrarouge un flux lumineux nul, alors qu’il produit un flux lumineux de 683 lumens s’il se situe à environ 555 nm, là où l’œil est le plus sensible en lumière du jour. Le flux lumineux est obtenu en évaluant l’intégrale de la DSP(λ) pondérée par la courbe de sensibilité spectrale K(λ) (figure ci-contre)

∫λ

λλλ= d)(K)(DSPFl

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

300 400 500 600 700 800

Lumen/W

(nm)

Sensibilité spectrale K()

Efficacité photopiqueEfficacité scotopique

f) Notes

L’efficacité lumineuse d’une source est définie par le rapport e

l

F

F en lm/W. Elle vaut environ 93 lm/W pour le

rayonnement solaire direct. Cette définition est différente du rendement énergétique d’une source de lumière (une ampoule par exemple)

qui est défini par le rapport P

Fl en lm/W où P est la puissance électrique consommée par la source.

g) Eclairements énergétiques et lumineux

On considère une surface S illuminée uniformément par un rayonnement de lumière

L’éclairement énergétique de cette surface est défini par : S

Fee =φ (W/m2)

L’éclairement lumineux de cette surface est défini par : S

Fll =φ (lm/m2 ou lux)

Exemples Eclairement lφ (lux) Exemples Eclairement lφ (lux)

Solaire, ciel clair à midi 100 000 Salle de classe (fluo) 500 Solaire, nuageux à midi 3000 Eclairage urbain 40

Aube claire 1000

2) Ensoleillement de la terre

L’énergie solaire reçue sur terre est > 10000 consommation mondiale

a) Le cycle des saisons La Terre effectue une rotation autour du soleil en une année selon une trajectoire légèrement elliptique dans laquelle le soleil occupe un des foyers. Le plan de cette trajectoire est appelé plan de l’écliptique. La Terre tourne sur elle-même à raison d’un tour par jour selon un axe de rotation incliné de 23,4° par rapport à la normale du plan de l’écliptique L’inclinaison de l’axe terrestre est responsable du cycle des saisons et des variations annuelles des durées jour-nuit.

b) Course apparente du soleil pour un point de l’hémisphère nord

c) Définitions

Latitude : angle ϕ d’un parallèle terrestre repéré par rapport à l’équateur

La latitude varie de 0° à 90 ° vers le pôle nord (N) et de 0° à 90 ° vers le pôle sud (S) Le plan équatorial est à une latitude de 0°

Longitude : angle θ d’un méridien terrestre repéré par rapport au méridien de Greenwich La longitude varie de 0° à 180 ° suivant chacune des directions est (E) et ouest (W). A Nancy : N'4048°=ϕ et E'96°=θ

Midi solaire (ou midi vrai) : c’est l'heure où le soleil est le plus haut dans le ciel (culmination) et où l'ombre d'un objet est la plus courte. C’est donc le moment où le méridien du point considéré est exactement face au soleil. A midi vrai la direction de l’ombre indique le nord.

Zénith : c’est la direction dans le ciel représentative de la verticale ascendante d’un point du sol. Hauteur h du soleil : c’est l’angle que fait la direction du soleil avec le plan horizontal.

3) Caractéristiques du rayonnement solaire

a) Irradiance spectrale solaire Il s’agit de la densité spectrale d’un éclairement énergétique. Elle est exprimée en W/m2/µm ou en W/m2/nm

L’énergie lumineuse reçue par la terre est constituée de : 3% d’ultra-violets 42% de lumière visible 55% d’infra-rouges

2000

1600

1200

800

400

200

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

Longueur d’onde (µm)

Irradiance spectrale du rayonnement solaire (W/m2/µm)

Spectre hors atmosphère

Spectre au niveau de la mer par temps clair

UV Visible IR

b) Types de rayonnement

On peut distinguer trois types de rayonnement :

Le rayonnement incident direct que l’on observe par temps clair Le rayonnement diffusé par le ciel et les nuages Le rayonnement réfléchi par les éléments au sol (mur, pavé, neige…)

Sol

Rayonnement direct

Rayonnement réfléchi

Rayonnement diffus

L'albédo est une grandeur sans dimension qui correspond au rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface à l'énergie solaire incidente. On utilise une échelle graduée de 0 à 1, avec 0 correspondant au noir, pour un corps sans

aucune réflexion, et 1 au miroir parfait, pour un corps n'absorbant rien du rayonnement électromagnétique visible qu'il reçoit.

Surface Albédo Surface Albédo Surface de lac 0,02 à 0,04 Sable léger et sec 0,25 à 0,45

Forêt de conifères 0,05 à 0,15 Glace environ 0,60 Surface de la mer 0,05 à 0,15 Neige tassée 0,40 à 0,70

Sol sombre 0,05 à 0,15 Neige fraîche 0,75 à 0,90 Cultures 0,15 à 0,25 Miroir 1

Remarques

Un panneau solaire disposé à l’horizontale reçoit principalement les rayonnements direct et diffus. Un panneau solaire incliné reçoit les rayonnements direct, diffus et en partie réfléchi.

c) Air Mass coefficient (AMx)

La terre est entourée d’une couche atmosphérique d’épaisseur e que l’on considère constante. Evaluation de l’épaisseur e : la pression atmosphère au niveau de la mer est d’environ 1 kg/cm2 ce qui représente le poids d’une colonne d’air de 1 cm2 de section et de 10 km de hauteur. La lumière solaire reçue hors atmosphère n’a pas subi d’absorption, ce cas idéal est qualifié de AM0 pour indiquer que les rayons n’ont pas traversé la couche atmosphérique. L’irradiance spectrale du rayonnement reçu au sol dépend de l’absorption lumineuse qui croit avec la distance e’

parcourue dans l’air par les rayons. On note x le rapport e

'ex =

L’irradiance dépend donc de la saison, de la hauteur du soleil et de la latitude du point considéré. Lorsque le soleil est au zénith les rayons

parcourent la distance e dans l’air avant d’atteindre le sol. Cette condition particulière est dénommée AM1.

Le coefficient AM1,5 correspond aux latitudes moyennes (France) autour de 48°

Dans le cas général l’air mass coefficient est noté AMx. Il qualifie l’irradiance et le spectre reçus au sol au point terrestre considéré.

Eclairement direct disponible sur un plan normal au rayonnement

AM0 AM1 AM1,5 Eclairement ΦΦΦΦ (W/m2) 1350 1000 833

En ajoutant le rayonnement diffus, le rayonnement global reçu pour un coefficient AM1,5 est proche de 1 kW/m2. Ce rayonnement a été normalisé à la valeur ΦΦΦΦref = 1 kW/m2 et sert de niveau et de spectre de référence. Il correspond à un éclairement lumineux d’environ 100 000 lux. 4) Orientation et inclinaison d’un panneau solaire dans l’hémisphère nord

a) Eclairement d’un plan non perpendiculaire au rayonnement On considère un plan dont la normale fait un angle γ avec la direction

du rayonnement.

On a )cos(

dS'dS

γ=

Si Φ est l’éclairement d’une surface normale au rayonnement alors l’éclairement du plan vaut :

)cos(' γΦ=Φ

98,0)10cos( =° ; 94,0)20cos( =° ; 86,0)30cos( =°

Atmosphère e' e

dS’ dS

γ

b) Orientation et inclinaison optimales d’un panneau On considère un point de l’hémisphère nord de latitude ϕ et un panneau dont l’orientation et l’inclinaison sont fixes.

Orientation Angle d’inclinaison (par rapport au sol horizontal)

α

Sol

Panneau solaire

L’orientation la plus favorable est plein sud

L’inclinaison moyenne la plus favorable pour une utilisation annuelle à Nancy est °≈α 34

c) Influence conjointe de l’orientation et de l’inclinaison – Utilisation d’un abaque

Disque de rayonnement solaire relatif valable pour des lieux en France (latitude proche de 45 °N)

c) Lorsque la solution optimale n’est pas

possible Une orientation et une inclinaison différentes des valeurs optimales ne sont pas toujours catastrophiques comme le montre la figure ci-contre sur laquelle sont indiqués en % les rendements d’exposition.

4) Données d’ensoleillement en France

a) Durée moyenne annuelle d’ensoleillement b) Gisement solaire (énergie solaire totale reçue*)

* Energie lumineuse reçue en moyenne par une surface orientée au sud et inclinée d’un angle égal à la latitude du lieu

Les données d’ensoleillement peuvent être estimées par le logiciel en ligne PVGIS (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?lang=fr&map=europe)

II – Photodiode – Photocellule 1) Photodiode

a) Principe de fonctionnement simplifié d’une photodiode

Zone de déplétion

Jonction PN P

N

E

Jonction PN à l’équilibre

Energie

Bde de valence

Bde de conduction

Wg

La zone de déplétion d’une jonction PN est le siège d’un champ électrique et elle est très pauvre en porteurs de charges mobiles. Elle est constituée d’atomes de silicium pour lesquels les électrons sont dans la bande de valence c’est à dire

que leur niveau d’énergie est trop faible pour participer à la conduction. Ces électrons restent liés au noyau des atomes. Pour qu’ils puissent participer à la création d’un courant électrique il faut que les électrons atteignent la bande d’énergie dite de conduction. La bande de conduction et la bande de valence sont séparées par un intervalle d’énergie Wg appelé bande interdite (gap). Cet intervalle correspond à 1,12 eV dans le cas du silicium cristallin. Note : 1 eV = 1,6.10-19 J Lorsque qu’un photon lumineux d’énergie hν supérieure à Wg atteint la zone de déplétion son énergie est absorbée au bénéfice d’un électron qui passe dans la bande de conduction. Il se créé ainsi une paire électrons-trous constituant des porteurs mobiles. Grâce au champ électrique de la jonction, ces porteurs sont drainés de part et d’autre : les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P il y a création d’un photo courant IP. On notera que ce photocourant circule à l’intérieur de la photodiode dans le sens NP c’est à dire en inverse du sens de ID la photodiode travaille en générateur.

b) Caractéristique courant-tension d’une photodiode en mode photovoltaïque En faisant varier l’éclairement lumineux atteignant la jonction (Φ3 > Φ2 > Φ1), on relève le réseau de courbes caractéristiques suivant

ICC

U (V)

I

UCO = 0,5 à 0,6 V 0

à Φ1

à Φ2

à Φ3

La valeur CCI correspond au courant I de la photodiode en court-circuit ( 0U = )

La valeur COU (autour de 0,5 à 0,6 V) correspond à la tension aux bornes de la photodiode en circuit ouvert

L’équation mathématique exprimant I en fonction de U s’écrit :

−−Φ= 1)

V

Uexp(I)(II

TSCC (1)

avec mV 25q

kTVT ≈= à K 300T = et SI un paramètre proportionnel à la surface de la jonction et qui croît avec la

température. Ordre de grandeur IS = 10-12 A

CCI est proportionnel à l’éclairement ΦΦΦΦ et à la surface S de captation lumineuse. On écrit :

S)T(I CC ⋅Φ⋅γ= (2)

)T(γ est le coefficient de sensibilité de la photodiode. Il dépend faiblement de la température et vaut environ 0,35 A/W

pour du silicium cristallin.

01)V

Uexp(II

T

COSCC =

−−

≈

+=

S

CCT

S

CCTCO I

IlnV1

I

IlnVU

COU est proportionnel au logarithme de l’éclairement

2) Structure d’une photocellule

Une photocellule est une photodiode à la géométrie adaptée pour :

offrir une jonction PN dont la surface de captation lumineuse est importante

disposer d’une structure de collecte des porteurs électriques

Structure d’une photocellule [le photovoltaïque pour tous - Anthony F. et al.]

U

I

L’électrode négative se trouve généralement sur la face exposée à l’éclairement. Elle est ajourée pour permettre aux rayons lumineux d’atteindre la jonction.

Les photocellules commerciales utilisent du silicium cristallin (mono ou poly-cristallin) ou amorphe. Une couche antireflet est déposée sur la surface supérieure de manière à réduire la réflexion vitreuse qui peut

atteindre 40 % sans ce traitement. Il est possible de réduire le coefficient de réflectivité à moins de 4 % en ajoutant la texturisation de la surface

de silicium si celui-ci est du type monocristallin. La texturisation fait apparaître des pyramides de quelques microns de hauteur en surface qui joue le rôle de piège lumineux.

Evaluation du courant CCI débité par une photocellule en Si cristallin d’un diamètre D de 100 mm dans les conditions

STC ( 2ref W/m1000=Φ )

La surface de la cellule vaut 22

cm 5,784

DS =π=

En utilisant la relation (2) nous avons : A 74,2105,78100035,0I 4CC =⋅⋅⋅≈ −

3) Puissance d’une photocellule

a) Puissance délivrée à une charge On considère la cas général d’une photocellule éclairée par un flux lumineux constant qui alimente une charge RL. Le point de fonctionnement Q du système correspond au point d’intersection entre la courbe caractéristique de la

photocellule et la droite LR

UI = imposée par la charge. Le point de fonctionnement Q dépend donc du choix de RL.

La puissance d’un générateur continu délivrant un courant I sous une tension U est égale à IUP ⋅= . Cette puissance est nulle lorsque I = 0 (photocellule en circuit ouvert) ou lorsque U = O (photocellule en court-circuit). Entre ces deux limites la puissance délivrée par la photodiode passe par un maximum. Pour optimiser la production d’une photocellule il convient d’extraire cette puissance maximale en choisissant la résistance de charge appropriée.

U

I

Charge RL

U

I

Hyperboles d’isopuissance (UI=Cste)

Um

Im Qm ICC

UCO

1/Ropt 0

ICC

U

I

Um UCO

1/RL

0

Q

Courbe de puissance U.I

b) Puissance maximale (MPP : Maximal Power Point)

En considérant la courbe caractéristique pour un éclairement Φ donné, la puissance électrique maximale mP délivrée

correspond au point d’intersection limite entre la caractéristique et l’hyperbole d’isopuissance m

mm U

PI =

On note Qm de coordonnées (Um,Im) : le point de puissance maximale (MPP)

On note m

mopt I

UR = la résistance de charge optimale qui permet de placer le point de fonctionnement en Qm.

c) Facteur de forme (fill factor) d’un photocellule

La puissance mP est égale à la surface du rectangle

mm IU ⋅ Elle sera d’autant plus importante que la courbe

caractéristique présente une forme « à l’équerre » Pour évaluer cette propriété on définit le facteur de forme

de la photodiode par le rapport 1IU

IUFF

CCCO

mm <⋅⋅

=

U

I

Um

Im Qm ICC

UCO 0

4) Rendement d’une photocellule

a) Définition Le rendement de conversion photoélectrique d’une photocellule est défini par :

Φ⋅

=ηS

Pm ou Φ⋅

⋅=ηS

P100(%) m

où mP (W) est la puissance maximale de la cellule obtenue sous l’éclairement Φ (W/m2)

S (m2) est la surface de la cellule

b) Rendements comparés des différents types de silicium

amorphe Siη linolycristalp Siη linonocristalm Siη

6 % à 8 % 11 % à 15 % 13 % à 19 %

12,5 à 16,6 m2/kWc 6,7 à 9 m2/kWc 5,3 à 7,7 m2/kWc 5) Influence de l’éclairement Considérons le cas d’une photocellule monocristalline carrée de 100 cm2 exposée à différents niveaux d’éclairement. Le courant ICC étant proportionnel à Φ on relève les caractéristiques suivantes.

U (V)

I (A)

0,6

3 Φ=1000 W/m2

0

2

1

Φ=750 W/m2

Φ=500 W/m2

Φ=250 W/m2

Notes Sous de faibles niveaux d’éclairement (Φ < 50 W/m2), la tension U

des cellules cristallines (et notamment des polycristallines) baisse de manière importante. Les cellules cristallines sont donc mal adaptées à l’éclairage artificiel en intérieur. Dans de telles situations il convient d’utiliser des cellules en silicium amorphe dont la tension U reste proche de 0,6 V même sous faibles éclairements.

On constate que le MPP (Qm) se déplace lorsque Φ varie. Ainsi la résistance Ropt adaptée pour un éclairement de 1000 W/m2, sera beaucoup trop faible pour extraire la puissance maximale lorsque Φ tombe à 250 W/m2.

Les convertisseurs associés aux modules PV (onduleur, régulateur…) sont dotés d’un suivi automatique de MPP.

6) Influence de la température Les caractéristiques électriques d’un semiconducteur sont très sensibles à la température. La température réduit légèrement la largeur de bande interdite du silicium. Le photocourant augmente donc légèrement avec la température sous l’action des photons de longueurs d‘onde plus grande . Par contre le courant direct ID de la diode augmente rapidement avec la température (augmentation du courant IS dans la loi (1’). Il s’en suit une diminution d’environ 2 mV/°C de la tension en circuit ouvert de la photocellule. Globalement la puissance maximale disponible dans les conditions STC chute d’environ 0,5 % par degré.

U (V)

I (A)

0,6

3

0

2

1

0,4 0,2

T= 0°C

T= 80°C

T= 20°C

7) Réponse spectrale des photocellules

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

1

Sensibilité relative

Silicium amorphe

Silicium cristallin

Oeil λ (µm)

Le silicium amorphe à une bonne sensibilité dans le spectre visible et notamment dans le bleu et le violet. Il s’avère bien adapté aux éclairages artificiels.

Le silicium cristallin présente une réponse spectrale étendue avec de bonnes performances dans le rouge et l’infrarouge proche. Il est par conséquent bien adapté à l’éclairage solaire.

7) Modèle électrique d’une photocellule

a) Schéma équivalent d’une photocellule éclairée

U

I Φ

RL A

B

U

I

ID ICC

Rp

Rs

RL

+ A

B -

V

Dans le schéma équivalent d’une photocellule réelle, apparaissent deux résistances parasites.

Rp (appelée résistance parallèle ou shunt) correspond à la résistance de fuite entre les zones p et n de la jonction.

Rs (ou résistance série) correspond à la résistance des électrodes et du matériau. Il s’en suit que la tension U appliquée à la charge est inférieure à la tension V aux bornes de la jonction.

b) Influence des résistances parasites

Etablissons l’équation I = f(U) en tenant compte des résistances parasités. Nous avons :

Le courant de la diode classique :

−= 1)

V

Vexp(II

TSD ;

pDCC R

VIII −−= et IRUV s+=

Ce qui donne :

p

s

T

sSCC R

IRU1

V

IRUexpIII

+−

−

+−= (3)

Si 0Rs = et ∞=pR on retrouve l’équation (1’) de la photodiode idéale.

c) Effet de sR seule ( ∞=pR )

(3)

−=

+−≈

−

+−=

TT

sSCC

T

sSCC

T

sSCC V

Uexp

V

IRexpII

V

IRUexpII1

V

IRUexpIII

La tension en circuit ouvert ne dépend pas de sR : 0I =

≈

S

CCTCO I

IlnVU

Le courant de court-circuit est également peu affecté si sR est de faible valeur 0U = CCII ≈

Entre ces deux limites, la présence de sR déforme la caractéristique courant-tension de la photocellule.

d) Effet de pR seule ( 0Rs = )

(3) pT

SCC

mV100U

pTSCC R

U

V

UexpII

R

U1

V

UexpIII −

−≈−

−

−=

>

le courant en court-circuit n’est pas modifié La tension en circuit ouvert est diminuée (en effet RP constitue une charge)

ICC

U (V)

I

0,6

Rs=0

Rs=0,025 Ω

Rs=0,05 Ω

ICC

U (V)

I

0,6

Rp=infini

Rp=4 Ω

Rp=2 Ω

Effet de la résistance parasite Rs Effet de la résistance parasite Rp

Notes

Une cellule polycristalline présente une résistance Rp plus faible (donc plus gênante) qu’une cellule monocristalline. III – Module photovoltaïque La constitution d’un module photovoltaïque résulte de l’association en série et en parallèle de plusieurs photocellules identiques de manière à délivrer une puissance électrique suffisante. 1) Association série de photocellules

a) Cas de photocellules identiques soumises au même éclairement

Dans une association série le même courant I traverse les photocellules. Lorsque celles-ci sont identiques et soumises au même éclairement, leurs courbes caractéristiques coïncident. La courbe caractéristique résultante correspond à une construction graphique additionnant les tensions en abscisse.

U I

RL

Ui +

-

+

- N photocellules

ICC

U (V)

I

NUi Ui

1/Ropt

La résistance de charge optimale doit être N fois la résistance de charge optimale d’une seule photocellule. Dans le cas où le module est en court circuit (charge nulle ou très faible) nous avons :

i ; 0UIIet 0 U iCC ∀=⇒==

b) Cas d’un groupement série déséquilibré – Hot spot

Le module est déséquilibré lorsque les courbes caractéristiques des photocellules ne sont pas identiques. Ce cas se rencontre lorsqu’une photocellule est endommagée ou moins éclairée que les autres. Cette situation est fréquente lorsque le module est partiellement ombragé. Considérons par exemple le cas de deux photocellules en série dont l’une est sous éclairée par rapport à l’autre.

U = 0

I

Ui

+

-

+

-

2

1 Ui

U (V)

I

Ui

1

2

-Ui

3

Le courant circulant dans les deux cellules étant identique, ce courant est amoindri par la cellule la moins performante (cellule 2). Dans le cas où le module est en court circuit (charge nulle ou très faible) nous voyons apparaître une tension inverse aux bornes de la cellule 2. De ce fait cette cellule travaille en mode récepteur et consomme la puissance Ui.I délivrée par la cellule 1. Il peut résulter alors un échauffement excessif de la cellule 2 qui risque d’être détériorée. Ce phénomène est appelé "hot spot". En conclusion le phénomène de hot spot peut se manifester en cas de déséquilibre d’un groupement série de photocellules et notamment lorsque le module est en court-circuit ou que sa charge est de faible valeur.

c) Protection par diode by-pass dans un groupement série Une manière de protéger les photocellules du phénomène de hot spot est de placer une diode en parallèle sur chacune d’elle de manière à limiter à 0,6 V les éventuelles tensions inverses.

I

0,6 V V +

-

+

-

2

1 0,6 V

En pratique on utilise une diode by pass de protection en parallèle sur un ensemble de plusieurs photocellules en série. 2) Association parallèle de photocellules

a) Cas de photocellules identiques soumises au même éclairement Dans une association parallèle la même tension U est délivrée par les photocellules. Lorsque celles-ci sont identiques et soumises au même éclairement, leurs courbes caractéristiques coïncident. La courbe caractéristique résultante correspond à une construction graphique additionnant les courants en ordonnée.

U

I

RL

I i

+

-

+

-

N photocellules

I i

U (V)

I

I i

1/Ropt

NI i

La résistance de charge optimale doit être 1/N fois la résistance de charge optimale d’une seule photocellule. Dans le cas où le module est en circuit ouvert (charge infinie ou très élevée) nous avons :

i ; 0IUet U 0 I iCO ∀=⇒==

b) Cas d’un groupement parallèle déséquilibré – Hot spot

U

I = 0

I i

+

-

+

-

I i

1 2

U (V)

I

I i

-I i

1

2

3

Dans le cas où le module est en circuit ouvert (charge infinie ou très élevée) le courant débitée par la cellule 1 est consommée par la cellule 2 moins performante. De ce fait cette cellule travaille en mode récepteur et consomme la puissance U.Ii délivrée par la cellule 1. Il peut résulter alors un échauffement excessif de la cellule 2 qui risque d’être détériorée. Ce phénomène est appelé "hot spot".

En conclusion le phénomène de hot spot peut se manifester en cas de déséquilibre d’un groupement parallèle de photocellules et notamment lorsque le module est en circuit ouvert ou que sa charge est de valeur élevée.

c) Protection par diode dans un groupement parallèle

-

+

On place une diode en série sur chaque branche d’un groupement parallèle de manière à éviter le retour du courant dans une branche de moindre performance ou lorsque celle-ci risque de se trouver à l’ombre. En pratique on utilise une diode de protection en série sur un ensemble de plusieurs branches parallèles.

Exemple de protection

-

+

3) Exploitation

a) Production raccordée au réseau

(source ADEME)

b) Exploitation en site isolé

Les potentiels sont flottants EB

+

-

Charge

+

+

-

-

Ré

gu

late

ur

de

cha

rge

U

E

Batterie

IV - Annexes

Constante Symbole Valeur de Planck h h = 6,62 10-34 m2kg/s de Boltzmann k k = 1,38 10-23 J/K Célérité de la lumière c c = 3 108 m/s Charge de l’électron e -1,6 10-19 C

STC : Standard Test Conditions (T = 25 °C, éclairement de référence : 1 kW/m2, spectre AM 1,5) NOCT : Normal operating Cell Temperature : température normale de la cellule en fonctionnement

Les accumulateurs électriques

Capacités d’un accumulateur Capacité C (Ah) : Il s’agit de la capacité maximale de l’accumulateur (valeur fournie par le constructeur) Capacité Cn (Ah) : En pratique, la capacité réelle est inférieure à C car elle dépend du courant débité. En général C n’est atteinte que dans le cas de décharges très lentes (courant faible). On définit Cn comme étant la capacité réelle de l’accumulateur lorsque la décharge dure n heures Pour un même accumulateur on peut avoir par exemple :

C10 = 40 Ah (capacité réelle obtenue pour un courant de décharge de 4 A durant 10 h) C20 = 50 Ah (capacité réelle obtenue pour un courant de décharge de 2,5 A durant 20 h)

I - Accumulateurs au plomb

1) Les grands types A électrolyte liquide (plaques minces ou épaisses) AGM ( Absorbed Glass Mat Batteries) : ce sont des batteries étanches sans entretien Gel : ce sont des batteries à électrolyte gélifié

2) Evolution de la tension d’une cellule au plomb en décharge sous courant constant

Tension (V)

Durée (h)

2 4 6 8 10 12 0

2,4

2,2

2,0

1,8

1,6

Autodécharge l’autodécharge d’un accumulateur au plomb avoisine en moyenne 10 %/mois à 20 °C. L’autodécharge augmente fortement avec la température. Il convient d’entreposer les batteries non utilisées à l’état chargé dans un endroit frais.

3) Chronogramme d’une recharge optimale (pour une cellule de 2 V)

1Phase boost : charge sous courant constant 5

CI 0 =

jusqu’à 80 % de la capacité C 2Phase d’absorption : charge sous tension constante

V 35,2U0 ≈ de 80 % à 100 % de C

3Phase floating : charge de maintien sous tension

constante légèrement inférieure à 2,35 V

4) Utilisation appropriée des batteries au plomb en fonction de leur technologie

--- -- - -/+ + ++ +++

A proscrire A éviter Inadapté Bof Eventuellement Adapté Très adapté

Types de plaques

Types d'électrolyte

Servitude Démarrage Décharge à

50% Décharge

profonde (80%) Décharge

complète (100%) Minces Liquide - - - +++ - - - - - - - - - Epaisses Liquide ++ +- 350 cycles - - - - - - Epaisses AGM +++ ++ 450 cycles 275 cycles 200 Epaisses Gel +++ + 650 cycles 420 cycles 350

II - Accumulateurs au nickel

1) Les grands types Ni-Cd : Nickel-Cadmium Ni-MH : Nickel-Métal Hydrure

2) Evolutions typiques de la tension en phase de décharge et de recharge sous courant constant

Tension (V)

Durée 0

1,35

1,2

1,0

Tension (V)

t 0

1,5

1,35

1,0

Fin de charge

Risque de surchauffe

Courbe de décharge d’un accumulateur au nickel en utilisation

Courbe de charge d’un accumulateur au nickel sous courant constant

III - Accumulateurs au lithium

1) Evolution typique de la tension en phase de décharge Tension (V)

Capacité (%)

20 40 60 80 100 0

4,4

3,8

3,4

3,0

0 Courbe de décharge d’un accumulateur au lithium en utilisation

2) Chronogramme d’une recharge optimale

IV - Tableau récapitulatif des différentes technologies d’accumulateurs électriques C : capacité de l’accumulateur en Ah

Type Plomb-acide Ni-Cd

(nickel-cadmium) Ni-MH

(nickel-métal hydrure) Lithium ion

Tension d’une cellule standard (V)

Empty < nom. < Full 1,8 < 2,1 < 2,35 1 < 1,2 < 1,35 1 < 1,2 < 1,35 3,4 < 3,7 < 4,2

Energie massique (Wh/kg)

30 à 50 45 à 80 60 à 110 90 à 180

Nb moyen de recharges

500 à 1200 1500 500 à 1000 > 1000

Autodécharge/mois 3 à 15 % > 20 % 20 à 30 % 2 % Effet mémoire Aucun Marqué Très faible Aucun

Précautions

Supportent très mal les décharges profondes

La tension de décharge ne doit pas descendre en dessous

de 1,8 V

Doivent être stockés dans un état déchargé.

La tension de décharge ne doit pas descendre en dessous de 1 V

Plus longue durée de vie pour des cycles décharge-recharge partielle La tension de décharge ne doit pas

descendre en dessous de 2,5 V

Mode de recharge optimal

De 0 à 0,8C à 5

CI 0 =

pendant 4 h A tension constante pour

achever la charge A tension constante pour

maintenir la charge

Lente à 10

CI 0 = (10 à 14 h)

Rapide à 1

CI 0 = (1 h)

Rapide de 0 à 0,8C à 2 à 1

CI 0 = ( 1

à 2 h) Puis lente sous tension constante 4,2

V

Comportement en fin de charge

Lorsque U dépasse 2,35 dégagement gazeux

0dt

)t(dU <

Risque de surchauffe dt

)t(dU faiblement négatif

Risque de surchauffe

Le courant de charge devient très faible

Détection de fin de charge

Lorsque U atteint 2,35 Lorsque dt

)t(dU devient négatif

Lorsque dt

)t(dU devient négatif

Plus facile à détecter en charge rapide

Lorsque le courant de charge passe en dessous de 0,03C

L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique qui diminue la capacité des accumulateurs si ceux-ci ne sont pas complétement déchargés avant d’être rechargé