PHOTOVOLTAÏQUE POUR UNE INSTRUMENTATION D ’ ESSAIS EN VOL
2.1.2. C OMPORTEMENT D ’ UN PANNEAU PHOTOVOLTAÏQUE
2.1.2.1. M
ODELISATION D’
UNE CELLULEUne cellule solaire est donc une jonction PN, c’est-à-dire une diode. La caractéristique d’une telle jonction lorsqu’elle est éclairée est présentée Figure 44 en convention récepteur. Dans le cadrant IV, le système fonctionne en générateur dont le courant de court-circuit est proportionnel à l’éclairement et dont la tension à vide est celle de la diode en polarisation directe [130].
Figure 44. Caractéristique électrique d'une jonction PN éclairée par un rayonnement E. La courbe passant par zéro représente la caractéristique avec un éclairement nul [130].
Le modèle électrique d’une cellule photovoltaïque est présenté Figure 45 où ICC est le courant de court-circuit de la cellule. Ce modèle fait apparaître les résistances parasites RS et RSH qui sont souvent ignorées (RS = 0 et RSH = ∞).
Figure 45. Modèle électrique d'une cellule photovoltaïque.
2.1.2.2. C
ARACTERISTIQUE D’
UN PANNEAU SOLAIRELes cellules photovoltaïques sont ensuite connectées en série pour former une branche de tension plus élevée (la tension de circuit ouvert typique d’une cellule en silicium est de VOC = 0,6V) et ces branches sont ensuite
45 connectées en parallèle. Lorsque les cellules ainsi associées sont identiques, soumises au même éclairement et à la même température, le panneau photovoltaïque se comporte dans son ensemble comme une seule cellule. Sa tension de circuit ouvert est égale à la tension de circuit ouvert d’une branche et son courant de court-circuit est la somme des courants de court-circuit de chaque branche.
La caractéristique électrique typique d’un module photovoltaïque est visible Figure 46, et est de la même forme que la caractéristique d’une diode, mais lue en convention générateur. Le point remarquable de cette caractéristique est le point de puissance maximale (MPP, Maximum Power Point) : c’est à ce point de fonctionnement qu’un système de gestion d’un module photovoltaïque cherchera à se positionner pour utiliser de manière optimale cette source d’énergie. Pour la technologie silicium, la tension VMP du MPP est typiquement de l’ordre de 0,8 VOC.
Figure 46. Caractéristique I(V) et P(V) d'un panneau solaire. ICC est le courant de court-circuit, VCO la tension de circuit ouvert et IMP et VMP respectivement le courant et la tension au point de puissance maximum [131].
Le paramètre essentiel de mesure de la performance d’une technologie photovoltaïque est le rendement de conversion. Le rendement de conversion est défini comme le rapport entre la puissance électrique produite au point de puissance maximum sur la puissance lumineuse reçue par le module.
Comme nous le verrons un peu plus en détail, le rendement de conversion d’un panneau solaire varie en fonction de plusieurs paramètres : température, intensité de l’éclairement (appelée irradiance et mesurée en W/m²), spectre du rayonnement, etc. Afin de pouvoir comparer entre elles les différentes technologies, des conditions standards de test (STC, Standard Tests Conditions) ont été définies :
Le spectre du rayonnement incident est le spectre du soleil reçu sur Terre (voir Figure 47). L’irradiance reçue est de 1000 W/m².
La température du panneau est de 25°C.
Le rayonnement solaire étant modifié par l’épaisseur de la couche atmosphérique qu’il traverse (par absorption et diffusion), les STC considèrent un rayonnement traversant une densité atmosphérique AM 1,5 (Air Mass) (voir Figure 47 et Figure 48). Cette valeur correspond globalement aux conditions d’un module placé aux latitudes tempérées (Europe, Etats-Unis, Chine). La densité atmosphérique au niveau de l’équateur pendant un équinoxe serait AM1 et dans l’espace AM0 (pas d’atmosphère à traverser).
Premier cas d’étude : récupérateur photovoltaïque pour une instrumentation d’essais en vol
46 Figure 47. Distribution spectrale du rayonnement d'un
corps noir, du rayonnement du soleil dans l'espace (AM0) et du rayonnement du soleil reçu sur terre
(AM1,5) [132].
Figure 48. Illustration du rayonnement (direct et diffusé) reçu par un panneau orienté à 37° de manière à ce que le
rayonnement direct soit perpendiculaire à la surface du panneau (conditions correspondantes à AM1,5) [132].
2.1.3. P
ERFORMANCES D’
UN PANNEAU SOLAIRELa caractéristique d’un panneau photovoltaïque varie en fonction des conditions physiques auxquelles il est soumis. Nous expliquons dans cette partie l’effet de la variation de l’irradiance, de la température et de l’ombrage d’une partie du module photovoltaïque sur les performances d’un tel module.
2.1.3.1. E
FFET DE L’
IRRADIANCEL’irradiance est la puissance lumineuse reçue par le panneau, par unité de surface. On considère que sous les latitudes tempérées, l’irradiance maximale est de 1000W/m², ce qui correspond aux conditions idéales autour du solstice d’été. L’irradiance varie grandement en fonction des conditions météorologiques, lors d’un temps nuageux en hiver, elle peut chuter jusqu’à 30W/m².
La caractéristique typique d’une cellule photovoltaïque en fonction de l’irradiance est donnée Figure 49.
Figure 49. Evolution de la caractéristique d'une cellule solaire en fonction de l'irradiance [129].
La tension générée par la cellule varie peu, alors que le courant, et donc la puissance générée, diminuent avec l’irradiance. Il est logique que la puissance produite diminue lorsque l’irradiance baisse puisque c’est la puissance reçue par le module qui diminue. Mais le rendement de conversion de la cellule est également lié à l’irradiance et pour plusieurs technologies de cellules photovoltaïques, ce rendement est d’autant plus faible que la luminosité est basse (pour les cellules en Silicium cristallin notamment, voir Figure 50).
47 Figure 50. Evolution du rendement de conversion de cellules en silicium cristallin venant de deux fournisseurs
différents en fonction de l’irradiance [133].
En revanche, pour d’autres technologies comme le silicium amorphe, le rendement de conversion varie peu ou pas avec l’irradiance (voir Figure 51). Cela peut être important pour le choix d’un panneau solaire devant être utilisé à faible luminosité : une technologie ayant un faible rendement, mais indépendant de l’irradiance, peut devenir un meilleur choix à faible luminosité.
Figure 51. Le rendement de conversion des cellules photovoltaïques évolue différemment en fonction de la technologie de la cellule [133].
2.1.3.2. E
FFET DE L’
OMBRAGE PARTIELComme nous l’avons vu, une diminution de l’irradiance provoque une baisse du courant maximal d’une cellule. Un panneau solaire étant constitué de plusieurs branches de cellules photovoltaïques connectées en série, une diminution de l’irradiance sur une seule cellule pénalisera le courant de toute la branche, faisant drastiquement baisser le rendement du panneau considéré.
Ce point est un problème important pour les grandes installations photovoltaïques où de la poussière ou des déchets, comme des feuilles mortes, peuvent réduire la puissance générée. La solution la plus courante est de placer une diode de « bypass » parallèle aux cellules, ce qui permet de garder un courant maximal constant dans la zone ombragée. Dans le cas d’une installation aéronautique, la question n’est pas prioritaire.
Premier cas d’étude : récupérateur photovoltaïque pour une instrumentation d’essais en vol
48
2.1.3.3. E
FFET DE LAT
EMPERATURELe rendement d’une cellule photovoltaïque dépend de sa température, et ce rendement est plus faible aux températures élevées qu’aux températures basses. La relation entre température et rendement est souvent considérée comme étant linéaire selon l’équation suivante [134] :
1 β T T
Avec η le rendement de la cellule photovoltaïque, ηTref le rendement à la température de référence Tref, T la température et βref le coefficient de température de la cellule photovoltaïque. Ce dernier coefficient dépend principalement du matériau et est fourni par le constructeur.
En s’intéressant à la caractéristique typique d’une cellule photovoltaïque à différentes températures, on note que c’est la tension de circuit ouvert, et donc la tension du point de puissance maximum, qui est affectée, le courant de court-circuit variant peu (Figure 52).
Figure 52. Evolution de la caractéristique d'une cellule photovoltaïque en fonction de la température [129]. Cet effet est problématique pour de nombreuses applications solaires : puisque l’installation est exposée au soleil et que le rendement de conversion de la puissance reçue n’est pas de 100%, une bonne partie de cette puissance est transformée en chaleur, ce qui va élever la température du module et réduire son rendement.
En revanche, pour une application aéronautique, la température à l’altitude de croisière d’un avion étant aux alentours de -50°C, le rendement du panneau solaire n’en sera qu’augmenté.