Comment connecter des panneaux solaires : Configurations en série, en parallèle et série-parallèle

Configuration en série, en parallèle et série-parallèle des champs photovoltaïques

Qu'est-ce qu'un champ photovoltaïque solaire ?

Un module photovoltaïque solaire est disponible dans une plage de 3 W_c à 300 W_c. Mais souvent, nous avons besoin d'une puissance allant de kW à MW. Pour atteindre une telle puissance élevée, il faut connecter N modules en série et en parallèle.

Une chaîne de modules PV

Lorsque N modules PV sont connectés en série, l'ensemble de la chaîne de modules connectés en série est appelé chaîne de modules PV. Les modules sont connectés en série pour augmenter la tension du système. La figure suivante montre un schéma de modules PV connectés en série, en parallèle et en série-parallèle.

Champ de modules PV

Pour augmenter le courant, N modules PV sont connectés en parallèle. Une telle connexion de modules en combinaison série et parallèle est connue sous le nom de « champ photovoltaïque solaire » ou « champ de modules PV ». Un schéma d'un champ de modules PV solaires connecté en configuration série-parallèle est montré dans la figure ci-dessous.

Cellule de module solaire :

La cellule solaire est un dispositif à deux bornes. L'une est positive (anode) et l'autre négative (cathode). Un arrangement de cellules solaires est appelé module solaire ou panneau solaire, tandis qu'un arrangement de panneaux solaires est appelé champ photovoltaïque.

Il est important de noter qu'avec l'augmentation des connexions en série et en parallèle des modules, la puissance des modules s'additionne également.

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Connexion en série des modules

Parfois, la tension système requise pour une centrale électrique est bien supérieure à ce qu'un seul module PV peut produire. Dans de tels cas, N modules PV sont connectés en série pour fournir le niveau de tension requis. Cette connexion en série des modules PV est similaire à celle de N cellules dans un module pour obtenir le niveau de tension requis. La figure suivante montre des panneaux PV connectés en configuration série.

Avec cette connexion en série, non seulement la tension mais aussi la puissance générée par le module augmente. Pour ce faire, la borne négative d'un module est connectée à la borne positive de l'autre module.

Si un module a une tension à vide V_OC1 de 20 V et un autre connecté en série a V_OC2 de 20 V, alors la tension à vide totale de la chaîne est la somme des deux tensions

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

Il est important de noter que la sommation des tensions au point de puissance maximale est également applicable dans le cas d'un champ PV.

Calcul du nombre de modules requis en série et de leur puissance totale

Pour calculer le nombre de modules PV à connecter en série, la tension requise du champ PV doit être connue. Nous verrons également la puissance totale générée par le champ PV. Notez que tous les modules sont identiques avec les mêmes paramètres.

Étape 1 : Noter l'exigence de tension du champ PV

Puisque nous devons connecter N modules en série, nous devons connaître la tension requise provenant du champ PV

• Tension à vide du champ PV V_OCA
• Tension du champ PV au point de puissance maximale V_MA

Étape 2 : Noter les paramètres du module PV à connecter dans la chaîne série

Les paramètres du module PV comme le courant et la tension au point de puissance maximale et d'autres paramètres comme V_OC, I_SC, et P_M doivent également être notés.

Étape 3 : Calculer le nombre de modules à connecter en série

Pour calculer le nombre de modules « N », la tension totale du champ est divisée par la tension du module individuel. Puisque le module PV est censé fonctionner sous STC, le rapport de la tension du champ au point de puissance maximale V_MA à la tension du module au point de puissance maximale V_M est pris.

Un calcul similaire pour la tension à vide du PV peut également être effectué, c.-à-d. le rapport de la tension du champ à vide V_OCA à la tension du module à vide V_OC. Notez que la valeur de « N » peut être un nombre non entier, il faut donc prendre l'entier supérieur et ainsi la valeur de V_MA et V_OCA augmentera également par rapport à ce qui était souhaité.

Étape 4 : Calculer la puissance totale du champ PV

La puissance totale du champ PV est la somme de la puissance maximale des modules individuels connectés en série. Si P_M est la puissance maximale d'un seul module et « N » le nombre de modules connectés en série, alors la puissance totale du champ PV P_MA est N × P_M.

Nous pouvons également calculer la puissance du champ par le produit de la tension et du courant du champ PV au point de puissance maximale, c.-à-d.

V_MA × I_MA

Exemple :

Pour comprendre ces étapes de manière plus mathématique, prenons l'exemple d'une centrale de 2 MW, dans laquelle un grand nombre de modules PV sont connectés en série. L'onduleur de 2 MW peut accepter une tension d'entrée de 600 V à 900 V.

Déterminer le nombre de modules à connecter en série pour obtenir une tension au point de puissance maximale de 800 V. Déterminer également la puissance délivrée par ce champ PV. Les paramètres du module PV unique sont les suivants ;

• Tension à vide V_OC = 35 V
• Tension au point de puissance maximale V_M = 29 V
• Courant de court-circuit I_SC = 7,2 A
• Courant au point de puissance maximale I_M = 6,4 A

Étape 1 : Noter l'exigence de tension du champ PV

• Tension à vide du champ PV V_OCA = Non donnée
• Tension du champ PV au point de puissance maximale V_MA = 800 V

Étape 2 : Noter les paramètres du module PV à connecter dans la chaîne série

Tension à vide V_OC = 35 V

Tension au point de puissance maximale V_M = 29 V

Courant de court-circuit I_SC = 7,2 A

Courant au point de puissance maximale I_M = 6,4 A

Puissance maximale P_M

P_M = V_M x I_M

= 29 V x 6,4 A

P_M = 185,6 W

Étape 3 : Calculer le nombre de modules à connecter en série

N = V_MA / V_M

N = 800 / 29

N = 27,58 (Valeur entière supérieure 28)

Prendre la valeur entière supérieure 28 modules. En raison de la valeur entière supérieure de N, la valeur de V_MA et V_OCA augmentera également.

V_MA = V_M × N

= 29 × 28

= 812 V

Étape 4 : Calculer la puissance totale du champ PV

P_MA = N × P_M

= 28 × 185,6

= 5196,8 W

Ainsi, nous avons besoin de 28 modules PV connectés en série avec une puissance totale de 5196,8 W pour obtenir la tension maximale désirée du champ PV de 800 V.

Déséquilibre dans les modules PV connectés en série

La puissance maximale dans le module PV est le produit de la tension et du courant au point de puissance maximale. Lorsque les modules ne sont pas connectés en série, la puissance produite par un module individuel est différente. Prenons l'exemple du tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1

Modules	VM en Volts	IM en Ampère	PM en Watt
Module A	16	4,1	65,6
Module B	15,5	4,1	63,55
Module C	15,3	4,1	62,73
Total	En série = 46,8	En série = 4,1	191,88

Si les trois modules du tableau 1 sont connectés en série, leur tension s'additionne mais le courant reste le même en considérant que tous les modules sont identiques avec la même valeur de I_M = 4,1 A.

La différence de tensions des modules A, B et C connectés en série n'entraîne pas de perte de puissance produite par le champ de modules PV en considérant que tous les modules sont identiques avec la même valeur de I_M = 4,1 A.

Mais si la capacité de production de courant des modules connectés en série n'est pas identique, alors le courant traversant les modules PV connectés en série sera égal au courant le plus faible produit par un module dans la chaîne. Prenons l'exemple du tableau 2 ci-dessous.

Tableau 2

Modules	VM en Volts	IM en Ampère	PM en Watt
Module A	16	4,1	65,6
Module B	15,5	3,2	49,6
Module C	15,3	4,1	62,73
Total	En série = 46,8	En série = 3,2	177,93

Si tous les modules du tableau 2 sont connectés en série, alors le courant traversant les modules connectés en série est déterminé par le module avec le courant le plus faible. Dans ce cas, le module B a le courant le plus faible de 3,2 A comparé aux modules A et C.

Ainsi, le courant traversant ces trois modules connectés en série est de 3,2 A. Comparez maintenant les tableaux 1 et 2 et la puissance totale produite par les deux. En raison de modules aux courants non identiques dans le tableau 2, la puissance totale produite est de 177,93 W, ce qui est inférieur à la puissance totale produite par les modules du tableau 1, soit 191,88 W.

Nous pouvons voir qu'en raison du déséquilibre de courant, la puissance de sortie produite par les modules connectés en série est largement affectée. Donc, dans la connexion en série des modules, le déséquilibre de tension n'est pas un problème mais le déséquilibre de courant entraîne une perte de puissance. Par conséquent, des modules avec des valeurs de courant différentes ne doivent pas être connectés en série.

Connexion en parallèle des modules

Parfois, pour augmenter la puissance du système solaire PV, au lieu d'augmenter la tension en connectant les modules en série, le courant est augmenté en connectant les modules en parallèle. Le courant dans la combinaison parallèle du champ de modules PV est la somme des courants individuels des modules.

La tension dans la combinaison parallèle des modules reste la même que celle de la tension individuelle du module en considérant que tous les modules ont une tension identique.

La combinaison parallèle est réalisée en connectant la borne positive d'un module à la borne positive du module suivant et la borne négative à la borne négative du module suivant comme montré dans la figure suivante. La figure suivante montre des panneaux solaires connectés en configuration parallèle.

Si le courant I_M1 est le courant au point de puissance maximale d'un module et I_M2 est le courant au point de puissance maximale de l'autre module, alors le courant total du module connecté en parallèle sera I_M1 + I_M2. Si nous continuons d'ajouter des modules en parallèle, le courant continue de s'additionner. Cela s'applique également au courant de court-circuit Isc.

Calcul du nombre de modules requis en parallèle et de leur puissance totale

Pour calculer le nombre de modules PV à connecter en parallèle, le courant requis du champ PV doit être donné. Nous verrons également la puissance totale générée par le champ PV. Notez que tous les modules sont identiques avec les mêmes paramètres.

Étape 1 : Noter l'exigence de courant du champ PV

Puisque nous devons connecter N modules en parallèle, nous devons connaître le courant requis provenant du champ PV

• Courant de court-circuit du champ PV I_SCA
• Courant du champ PV au point de puissance maximale I_MA

Étape 2 : Noter les paramètres du module PV à connecter en parallèle

Les paramètres du module PV comme le courant et la tension au point de puissance maximale et d'autres paramètres comme V_OC, I_SC, et P_M doivent également être notés.

Étape 3 : Calculer le nombre de modules à connecter en parallèle

Pour calculer le nombre de modules N, le courant total du champ est divisé par le courant d'un module individuel. Puisque le module PV est censé fonctionner sous STC, le rapport du courant du champ au point de puissance maximale I_MA au courant du module au point de puissance maximale I_M est pris.

Un calcul similaire pour le courant de court-circuit du PV peut également être effectué, c.-à-d. le rapport du courant de court-circuit du champ I_SCA au courant de court-circuit du module I_SC.

Notez que la valeur de N peut être un nombre non entier, il faut donc prendre l'entier supérieur et ainsi la valeur de I_MA et I_SCA augmentera également par rapport à ce qui était souhaité.

Étape 4 : Calculer la puissance totale du champ PV

La puissance totale du champ PV est la somme de la puissance maximale des modules individuels connectés en parallèle. Si P_M est la puissance maximale d'un seul module et « N » le nombre de modules connectés en parallèle, alors la puissance totale du champ PV P_MA est N × P_M. Nous pouvons également calculer la puissance du champ par le produit de la tension et du courant du champ PV au point de puissance maximale, c.-à-d. V_MA × I_MA.

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Exemple :

Prenons un exemple, calculons le nombre de modules requis en parallèle pour obtenir un courant au point de puissance maximale I_MA de 40 A. La tension système requise est de 14 V. Les paramètres du module PV unique sont les suivants ;

• Tension à vide V_OC = 18 V
• Tension au point de puissance maximale V_M = 14 V
• Courant de court-circuit I_SC = 6,5 A
• Courant au point de puissance maximale I_M = 6 A

Étape 1 : Noter l'exigence de courant du champ PV

• Courant de court-circuit du champ PV I_SCA = Non donné
• Courant du champ PV au point de puissance maximale I_MA = 40 A

Étape 2 : Noter les paramètres du module PV à connecter en parallèle

Tension à vide V_OC = 18 V

Tension au point de puissance maximale V_M = 14 V

Courant de court-circuit I_SC = 6,5 A

Courant au point de puissance maximale I_M = 6 A

Puissance maximale :

P_M = V_M x I_M

P_M = 14V x 6A

P_M = 84 W

Étape 3 : Calculer le nombre de modules à connecter en parallèle

N = I_MA / I_M

= 40 / 6

N = 6,66 (Valeur entière supérieure 7)

Prendre la valeur entière supérieure 7 modules. En raison de la valeur entière supérieure de N, la valeur de I_MA et I_SCA augmentera également.

I_MA = I_M × N

= 6 × 7

I_MA = 42 A

Étape 4 : Calculer la puissance totale du champ PV

P_MA = N × P_M

= 7 × 84

P_MA = 588 W

Ainsi, nous avons besoin de 7 modules PV connectés en parallèle avec une puissance totale de 588 W pour obtenir le courant maximal désiré du champ PV de 40 A.

Déséquilibre dans les modules PV connectés en parallèle

Dans une connexion en parallèle, le problème de déséquilibre de courant n'est pas un problème mais le déséquilibre de tension est un problème. Dans les modules connectés en parallèle, la tension restera la même si les modules ont des valeurs de tension identiques.

Mais si la valeur de tension des modules connectés en parallèle est différente, alors la tension du système est déterminée par le module ayant la valeur de tension la plus faible, entraînant une perte de puissance.

L'effet du déséquilibre de tension n'est pas aussi sévère que le déséquilibre de courant, mais il faut faire attention lors du choix des modules. Il est recommandé que pour la combinaison en série, des modules de même valeur de courant et pour la combinaison en parallèle, des modules de même valeur de tension soient privilégiés.

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Connexion série-parallèle des modules – Combinaison mixte

Lorsque nous avons besoin de générer une grande puissance dans une gamme de Giga-watts pour de grandes centrales PV, nous devons connecter les modules en série et en parallèle. Dans les grandes centrales PV, d'abord les modules sont connectés en série, connu sous le nom de « chaîne de modules PV » pour obtenir le niveau de tension requis.

Ensuite, plusieurs de ces chaînes sont connectées en parallèle pour obtenir le niveau de courant requis pour le système. La figure suivante montre la connexion des modules en série et en parallèle. Pour simplifier, regardez à droite dans la figure suivante.

Le module 1 et le module 2 sont connectés en série, appelons cela la chaîne 1. La tension à vide de la chaîne 1 V_OC1 s'additionne, c.-à-d.

V_OC1 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Alors que le courant de court-circuit de la chaîne 1 I_SC1 est le même, c.-à-d.

I_SC1 = I_SC

De même pour la chaîne 1, les modules 3 et 4 forment la chaîne 2. La tension à vide de la chaîne 2 V_OC2 s'additionne, c.-à-d.

V_OC2 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Alors que le courant de court-circuit de la chaîne 2 I_SC2 est le même, c.-à-d.

I_SC2 = I_SC

Maintenant, la chaîne 1 et la chaîne 2 sont connectées en parallèle, la tension reste la même mais le courant s'additionne, c.-à-d. tension à vide du champ de modules PV

V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2V_OC

Et courant de court-circuit du champ de modules PV

I_SCA = I_SC1 + I_SC2 = I_SC + I_SC = 2I_SC

Le même calcul s'applique pour la tension et le courant au point de puissance maximale.

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Calcul du nombre de modules requis en série-parallèle et de leur puissance totale

Ici, pour le calcul du nombre de modules requis en série et en parallèle, et de la puissance, nous avons supposé que tous les modules ont des paramètres identiques. Notez que ;

• N_S = Nombre de modules en série
• N_P = Nombre de modules en parallèle

Étape 1 : Noter les exigences de courant, tension et puissance du champ PV

• Puissance du champ PV P_MA
• Tension du champ PV au point de puissance maximale V_MA
• Courant du champ PV au point de puissance maximale I_MA

Étape 2 : Noter les paramètres du module PV

Les paramètres du module PV comme le courant et la tension au point de puissance maximale et d'autres paramètres comme V_OC, I_SC, et P_M doivent également être notés.

Étape 3 : Calculer le nombre de modules à connecter en série et en parallèle

Pour calculer le nombre de modules en série N_s, la tension totale du champ est divisée par la tension d'un module individuel. Puisque le module PV est censé fonctionner sous STC, le rapport de la tension du champ au point de puissance maximale V_MA à la tension du module au point de puissance maximale V_M est pris.

De même, pour calculer le nombre de modules en parallèle N_p, le courant total du champ est divisé par le courant d'un module individuel. Puisque le module PV est censé fonctionner sous STC, le rapport du courant du champ au point de puissance maximale I_MA au courant du module au point de puissance maximale I_M est pris.

Des calculs similaires pour la tension à vide et le courant de court-circuit peuvent être effectués. Notez que la valeur de N_s et N_P peut être un nombre non entier, il faut donc prendre l'entier supérieur et ainsi la valeur de I_MA, I_SCA, V_MA, et V_OCA augmentera également par rapport à ce qui était souhaité.

Étape 4 : Calculer la puissance totale du champ PV

La puissance totale du champ PV est la somme de la puissance maximale des modules individuels connectés en série et en parallèle.

Si P_M est la puissance maximale d'un seul module, et N_S le nombre de modules connectés en série et N_P le nombre de modules connectés en parallèle, alors la puissance totale du champ PV

P_MA = N_P × N_S × P_M

Nous pouvons également calculer la puissance du champ par le produit de la tension et du courant du champ PV au point de puissance maximale, c.-à-d.

V_MA × I_MA

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Exemple :

Prenons maintenant un exemple pour la combinaison mixte. Nous devons déterminer le nombre de modules requis pour un champ PV ayant les paramètres suivants ;

• Puissance du champ P_MA = 40 kW
• Tension au point de puissance maximale du champ V_MA = 400 V
• Courant au point de puissance maximale du champ I_MA = 100 A
• Le module pour la conception du champ a les paramètres suivants ;
• Tension au point de puissance maximale du module V_M = 70 V
• Courant au point de puissance maximale du module I_M = 17 A

Étape 1 : Noter les exigences de courant, tension et puissance du champ PV

• Puissance du champ PV P_MA = 40 kW
• Tension du champ PV au point de puissance maximale V_MA = 400 V
• Courant du champ PV au point de puissance maximale I_MA = 100 A

Étape 2 : Noter les paramètres du module PV

Tension au point de puissance maximale du module V_M = 70 V

Courant au point de puissance maximale du module I_M = 17 A

Puissance maximale P_M :

P_M = V_M x I_M

P_M = 70V x 17A

P_M = 1190 W

Étape 3 : Calculer le nombre de modules à connecter en série et en parallèle

N_S = V_MA / V_M

N_S = 400 / 70

N_S = 5,71 (Valeur entière supérieure 6)

Prendre la valeur entière supérieure 6 modules. En raison de la valeur entière supérieure de N_S, la valeur de V_MA et V_OCA augmentera également.

V_MA = V_M × N_S

= 70 × 6

V_MA = 420 V

Maintenant,

N_P = I_MA / I_M

N_P = 100 / 17

N_P = 5,88 (Valeur entière supérieure 6)

Prendre la valeur entière supérieure 6 modules. En raison de la valeur entière supérieure de N_P, la valeur de I_MA et I_SCA augmentera également.

I_MA = I_M × N_P

I_MA = 17 × 6

I_MA = 102 A

Étape 4 : Calculer la puissance totale du champ PV

P_MA = N_S × N_P × P_M

= 6 × 6 × 1190

P_MA = 42840 W

Ainsi, nous avons besoin de 36 modules PV. Une chaîne de six modules connectés en série et six telles chaînes connectées en parallèle, avec une puissance totale de 42840 W pour obtenir le courant maximal désiré du champ PV de 100 A et la tension de 400 V.

Notez qu'en raison de la valeur entière supérieure de 6, le courant et la tension maximaux du champ PV sont respectivement de 102 A et 420 V.

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Conclusion

Dans cet article, une étude approfondie du module et du champ photovoltaïque solaire a été réalisée. Le besoin, la structure et la conception des modules pour des niveaux de puissance plus élevés ont été étudiés. Cela incluait également une procédure de mesure des paramètres et une explication des diodes de dérivation et de blocage pour la sécurité du module.

Nous avons également vu une explication du champ de modules PV ainsi que son besoin et sa combinaison de connexion. Le calcul et la procédure pour la conception des connexions en série, en parallèle et mixtes ont été détaillés ainsi que l'étude du déséquilibre de tension et de courant des modules. Une telle étude du module et du champ photovoltaïque est une exigence indispensable pour un concepteur de système PV.

L'article donne une compréhension significative de la conception des composants importants (modules et champ) dans le système PV, qui peut être utilisée pour réaliser une conception correcte, efficace et fiable dans un système PV.