Paramètres d'une cellule solaire et caractéristiques d'un panneau PV

Paramètres et caractéristiques d'une cellule photovoltaïque

Qu'est-ce qu'une cellule solaire photovoltaïque ?

Une cellule solaire est un dispositif à semi-conducteur capable de convertir le rayonnement solaire en électricité. Sa capacité à convertir la lumière du soleil en électricité sans conversion intermédiaire le rend unique pour exploiter l'énergie solaire disponible en électricité utile. C'est pourquoi elles sont appelées cellules solaires photovoltaïques. La figure 1 montre une cellule solaire typique.

Divers facteurs régissent l'électricité générée par une cellule solaire, tels que ;

• L'intensité de la lumière :plus la lumière du soleil tombe sur la cellule, plus l'électricité générée par la cellule est élevée.
• Zone de la cellule :en augmentant la surface de la cellule, le courant généré par la cellule augmente également.
• L'angle d'incidence :si la lumière tombant sur la cellule est perpendiculaire à sa surface, la puissance générée par celle-ci est optimale. Idéalement, l'angle devrait être de 90 ^o mais en pratique, il devrait être aussi proche que 90 ^o .

La cellule solaire est un appareil à deux bornes. L'un est positif (anode) et l'autre négatif (cathode). Un agencement de cellules solaires est appelé module solaire ou panneau solaire, tandis que l'agencement de panneaux solaires est appelé réseau photovoltaïque.

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Fonctionnement d'une cellule solaire

La lumière du soleil est un groupe de photons ayant une quantité finie d'énergie. Pour la génération d'électricité par la cellule, celle-ci doit absorber l'énergie du photon. L'absorption dépend de l'énergie du photon et de l'énergie de bande interdite du matériau semi-conducteur solaire et elle est exprimée en électron-volt (eV).

Les photons sont absorbés par le matériau semi-conducteur, ce qui entraîne la génération de paires électron-trou, où les électrons sont de charge négative et les trous sont de charge positive. Lorsqu'une charge est connectée, il y a une séparation des électrons et des trous à la jonction, les trous se déplacent vers le côté anode et les électrons vers le côté cathode.

Ainsi, la séparation de ces deux charges crée une différence de potentiel électrique et nous obtenons une tension aux bornes de la cellule. Cette tension est utilisée pour conduire le courant dans le circuit.

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Paramètres des cellules solaires

La conversion de la lumière du soleil en électricité est déterminée par divers paramètres d'une cellule solaire. Pour comprendre ces paramètres, nous devons jeter un œil à la courbe I - V comme le montre la figure 2 ci-dessous. La courbe a été tracée sur la base des données du tableau 1.

Tableau 1

Ampères	V	Watts
0	VOC =11.4	0
0.2	11.06	2.21
0.4	10.59	4.24
0.5	10.24	5.12
0.6	9.54	5.72
0.61	9.39	5.73
JeM =0,62	VM =9.27	PM =5,75
0.63	9.08	5.72
0.64	8.72	5.58
ISC =0,65	0	0

Les paramètres de la cellule sont donnés par les fabricants lors du STC (Standard Test Condition). Sous STC, le rayonnement solaire correspondant est égal à 1 000 W/m ² et la température de fonctionnement de la cellule est égale à 25 ^o C. Les paramètres de la cellule solaire sont les suivants :

Courant de court-circuit (I_SC ):

Le courant de court-circuit est le courant maximal produit par la cellule solaire, il est mesuré en ampère (A) ou milli-ampère (mA). Comme on peut le voir dans le tableau 1 et la figure 2, la tension en circuit ouvert est nulle lorsque la cellule produit un courant maximal (I_SC =0,65 A).

La valeur du court-circuit dépend de la surface de la cellule, du rayonnement solaire tombant sur la cellule, de la technologie de la cellule, etc. Parfois, les fabricants donnent la densité de courant plutôt que la valeur du courant. La densité de courant est notée "J" et la densité de courant de court-circuit est notée "J_SC ”. La densité de courant de court-circuit est obtenue en divisant le courant de court-circuit par la surface des cellules solaires comme suit :

J_SC =I_SC / A

Prenons un exemple, une cellule solaire a une densité de courant de 40 mA/cm ² à STC et une surface de 200 cm ² . Ensuite, le courant de court-circuit peut être déterminé comme suit ;

Je_SC =Jsc × Aire =40 mA/cm ² × 200 cm ² =8000mA =8A

Tension en circuit ouvert (V_OC ):

La tension en circuit ouvert est la tension maximale que la cellule peut produire dans des conditions de circuit ouvert. Elle se mesure en volt (V) ou en millivolt (mV). Comme on peut le voir sur le tableau 1 et la figure 2, le courant de court-circuit est égal à zéro lorsque la cellule produit une tension maximale. La valeur de V_OC dépend de la technologie cellulaire et de la température de fonctionnement de la cellule.

Point de puissance maximal (P_M ):

Le point de puissance maximale représente la puissance maximale qu'une cellule solaire peut produire au STC (c'est-à-dire un rayonnement solaire de 1 000 W/m ² et température de fonctionnement de la cellule de 25 ^o C). Il est mesuré en W_Peak ou simplement W_P . Autre que STC, la cellule solaire a P_M à différentes valeurs de rayonnement et de température de fonctionnement de la cellule.

La cellule peut fonctionner à différentes combinaisons de courant et de tension. Mais il ne peut produire que la puissance maximale P_M à une combinaison particulière de tension et de courant. Comme le montre la figure 2, le point de puissance maximale se situe au coude de la courbe I - V et est le produit de I_M et V

P_M =Je_M × V_M =0,62 × 9,27 =5,75 W_P

Courant au point de puissance maximal (I_M ):

Il représente le courant que la cellule solaire produira lorsqu'elle fonctionnera au maximum de PowerPoint. Il est noté I_M et on voit sur la figure 2 que sa valeur est toujours inférieure au courant de court-circuit (I_SC ). Elle est mesurée en ampère (A) ou en milliampère (mA).

La tension au point de puissance maximale (V_M ):

Il représente la tension que la cellule solaire produira lorsqu'elle fonctionnera au maximum de PowerPoint. Il est noté V_M et on voit sur la figure 2 que sa valeur est toujours inférieure à la tension à vide (V_OC ). Elle est mesurée en volts (V) ou millivolts (mV).

Facteur de remplissage (FF) :

Il représente la zone couverte par I_M – V_M rectangle avec la zone couverte par I_SC – V_CO rectangle comme par les lignes en pointillés dans la figure 2. Le facteur de remplissage représente l'équerrage de la courbe I - V. Il est représenté en termes de pourcentage (%), plus le facteur de remplissage en pourcentage est élevé, meilleure est la cellule.

FF =P_M / (Je_SC ×V_OC )

Sur la base des données du tableau 1 et de la figure 2, nous pouvons déterminer le facteur de remplissage comme suit ;

FF =[5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 =77,59 %

Représenté en pourcentage en le multipliant par 100.

Efficacité (ƞ) :

• Une efficacité de cellule solaire est définie comme la puissance de sortie maximale (P_M ) divisé par la puissance d'entrée (P_IN ). Elle est mesurée en pourcentage (%), ce qui indique que ce pourcentage de puissance solaire d'entrée est converti en puissance électrique. La puissance d'entrée est la densité de puissance. Par conséquent, pour calculer l'efficacité, multipliez P_IN à STC par zone. L'efficacité peut être calculée comme suit :

ƞ =P_M / (P_IN × Zone)

Si la zone donnée de la cellule est de 0,01 m ² , P_M =5,75 W_P alors l'efficacité dans des conditions de test standard peut être donnée comme ;

ƞ =[5,75 W_P / (1 000 W/m ² × 0,01 m ² )] =57,5 %

Représenté en pourcentage en le multipliant par 100.

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Technologies photovoltaïques

Une grande variété de cellules solaires sont disponibles sur le marché, le nom de la technologie des cellules solaires dépend du matériau utilisé dans cette technologie. Par conséquent, différentes cellules ont des paramètres de cellule différents comme la densité de courant de court-circuit, l'efficacité, la tension en circuit ouvert, le facteur de remplissage, etc. Le tableau 2 suivant montre la liste des cellules disponibles dans le commerce et leur plage de valeurs de paramètres.

Tableau 2

Type de cellule	Efficacité (%)	Tension en circuit ouvert (V)	Densité de courant (mA/cm 2 )	Zone cellulaire (cm 2 )	Facteur de remplissage (FF)
Silicium monocristallin	14 – 17	0.55 – 0.68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Silicium multicristallin	14 – 16	0.55 – 0.65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Si amorphe	6 – 9	0.70 – 1.1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Tellurure de cadmium	8 – 11	0.80 – 1.0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Cuivre-indium-gallium-séléniure	8 – 11	0.50 – 0.7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Arséniure de gallium	30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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Facteurs affectant la puissance générée par les cellules solaires

Efficacité de conversion (ƞ) :

Toute la lumière qui tombe sur la cellule solaire n'est pas convertie en énergie électrique. L'efficacité de conversion est appelée le rapport entre l'énergie électrique générée et l'énergie lumineuse d'entrée. Nous ne pouvons pas modifier l'efficacité de la cellule, en fonction du processus de fabrication et du matériau utilisé et sa valeur reste fixe.

Puissance maximale de la cellule solaire P_M dépend de la tension qu'il développe aux bornes de la cellule et du courant qu'il peut fournir. La surface de la cellule est l'un des facteurs importants qui affectent la puissance de sortie développée par la cellule. La valeur de la puissance de sortie peut être déterminée pour une puissance d'entrée donnée en (W/m ² ), l'efficacité de conversion de la cellule en (%) et la surface de la cellule en (m ² ).

L'efficacité de la cellule solaire est donnée sous STC et la puissance d'entrée (P_IN ) est pris égal à 1 000 W/m ² . Ainsi, en utilisant la formule ci-dessous, nous pouvons déterminer la puissance de sortie générée pour différentes efficacités.

P_M =(P_IN × Surface) × ƞ

Disons que nous devons calculer la puissance de sortie à STC ayant des rendements de 30 % et 25 % et une surface de 0,01 m ² . Ainsi, pour 30% d'efficacité on obtient;

P_M =(1 000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,30 =3 W_P

Et pour 25 % d'efficacité, nous obtenons ;

P_M =(1 000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Quantité de lumière d'entrée :

L'intensité de la lumière tombant sur la cellule ne cesse de changer tout au long de la journée. En fonction de la lumière tombant sur la cellule, le courant et la tension de la cellule changent. Le courant généré par la cellule dépend directement de la lumière qui tombe dessus.

Du matin jusqu'à l'après-midi, la lumière tombant sur la cellule augmente, d'où le courant généré par la cellule augmente également. De l'après-midi au coucher du soleil, la lumière tombant sur la cellule diminue, donc le courant généré par la cellule diminue également. Il n'y a pas de variation majeure de la tension de sortie de la cellule car elle n'est pas affectée par la variation de la lumière du soleil.

Disons que nous devons calculer la puissance de sortie pour une cellule ayant une surface de 0,01 m ² pour une puissance d'entrée de 1 000 W/m ² et 800 W/m ² ayant un rendement de 25 %. Ainsi, pour une puissance absorbée de 1000 W/m ² nous obtenons la puissance de sortie comme suit :

P_M =(1 000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Et pour une puissance d'entrée de 800 W/m ² ;

P_M =(800 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2 W_P

Comme nous pouvons le voir, il y a une diminution de la puissance de sortie due à une diminution de la puissance d'entrée. Ainsi, la quantité d'énergie générée par la cellule est proportionnelle à la lumière du soleil.

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Zone de cellule :

Le courant de court-circuit de la cellule solaire dépend de la surface de la cellule. Le courant de sortie est directement proportionnel à la surface de la cellule. Plus la zone de cellule est grande, plus la quantité de courant généré est grande et vice versa. Par exemple, un 200 cm ² produit un courant de 2 A et un courant de 200 cm ² produira un courant de 4 A pour le même éclairement de 1 000 W/m ² .

Comme nous l'avons vu précédemment, la densité de courant est obtenue en divisant le courant par la surface de la cellule. La densité de courant (J_SC ) est fixe pour une intensité d'ensoleillement donnée et ne dépend pas de la zone. Prenons un exemple où nous devons calculer le courant de sortie de la cellule solaire ayant une surface de 20 cm ² et 50 cm ² .

Avoir une densité de courant constante de 35 mA/m ² . Le courant de sortie pour 20 cm ² peut être calculé comme suit ;

Je_SC =J_SC × Surface =35 mA/m ² × 20 cm ² =0,70 A

Le courant de sortie pour 50 cm ² peut être calculé comme suit ;

Je_SC =J_SC × Surface =35 mA/m ² × 50 cm ² =1,75 A

Ainsi, d'après le calcul ci-dessus, il est clair que plus la zone de cellule est grande, plus la valeur de courant est grande et plus la zone de cellule est petite, plus la valeur de courant est petite.

L'angle de la lumière (θ) :

La cellule solaire produit une puissance de sortie maximale pour un ensoleillement donné lorsque l'angle de la lumière et la cellule sont perpendiculaires l'un à l'autre (c'est-à-dire 90 ^o ) comme illustré à la figure 3. Lorsque l'angle d'incidence de la lumière est inférieur ou supérieur à 90 ^o comme le montre la figure 3, il produira une puissance de sortie inférieure à la capacité de puissance de sortie maximale de la cellule.

Lorsque la lumière tombe sur un angle supérieur ou inférieur à 90 ^o une partie de la lumière est réfléchie et la lumière utilisée par la cellule est inférieure à la lumière qui tombe dessus. Il en résulte une réduction de la puissance de sortie générée par la cellule. C'est pour cette raison que nous devons installer la cellule solaire à un angle perpendiculaire à la lumière tombante pour générer le maximum d'électricité possible.

Température de fonctionnement (T) :

Les fabricants fournissent la tension, le courant et la puissance nominale de la cellule au STC ayant une irradiance de 1 000 W/m ² et température de 25 ^o Mais en pratique, la température de la cellule solaire varie en raison de la température ambiante et de plus, les cellules sont enfermées dans du verre, ce qui augmente encore la température de la cellule solaire.

Ce changement de température affecte la tension, la puissance et l'efficacité de la cellule, l'augmentation de la température de la cellule au-dessus du STC réduit la sortie de ces paramètres. La diminution de ces paramètres diffère pour les différentes cellules solaires disponibles sur le marché.

Prenons un exemple pour comprendre la diminution de l'un des paramètres (c'est-à-dire la tension). Une cellule a une tension de sortie de 0,9 V à STC. La température de fonctionnement de la cellule est de 50 ^o C. La tension de sortie de la cellule diminue de 2,1 mV/ ^o C. quelle peut être la nouvelle valeur de la tension de sortie ?

ΔT =T_réel – T_norme =50 – 25 =25 ^o C

La tension de sortie réduite =Tension de circuit ouvert (V_OC ) à STC – (Diminution de la tension – ΔT) =0,9 – (2,1 × 10 ^-3 × 25) =0,84 V

D'après le calcul ci-dessus, on peut conclure qu'il y a une diminution de la tension de sortie si la température dépasse STC (c'est-à-dire au-dessus de 25 ^o C).

Conclusion

C'est grâce au développement de la technologie des semi-conducteurs que nous pouvons convertir l'abondante lumière solaire en électricité. Dans cet article, nous avons étudié le fonctionnement de la cellule solaire, différents types de cellules, ce sont divers paramètres comme la tension en circuit ouvert, le courant de court-circuit, etc. qui nous aident à comprendre les caractéristiques de la cellule. Les facteurs affectant la puissance générée par la cellule ont également été étudiés, notamment l'efficacité de la conversion de puissance, la quantité de lumière d'entrée, la surface de la cellule, etc. qui affectent les performances et nous aident à comprendre le comportement de la cellule dans un scénario différent. Avec la compréhension de la technologie des cellules solaires, nous pouvons l'utiliser de la meilleure façon possible pour répondre à nos besoins énergétiques quotidiens.