Calcul et conception de modules et de réseaux solaires photovoltaïques

Déterminer le nombre de cellules dans un module, mesurer les paramètres du module et calculer le courant de court-circuit, la tension en circuit ouvert et les caractéristiques V-I du module solaire et du réseau

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

La puissance requise par nos charges quotidiennes varie en plusieurs watts ou parfois en kilo-Watts. Une seule cellule solaire ne peut pas produire suffisamment d'énergie pour répondre à une telle demande de charge, elle peut difficilement produire de l'énergie dans une plage de 0,1 à 3 watts selon la zone de la cellule. Dans le cas des centrales électriques connectées au réseau et industrielles, nous avons besoin d'une puissance de l'ordre du mégawatt ou même du gigawatt.

Ainsi, une seule cellule photovoltaïque n'est pas capable d'une demande aussi élevée. Ainsi, pour répondre à ces exigences élevées, des cellules solaires sont disposées et connectées électriquement. Une telle connexion et un tel agencement de cellules solaires sont appelés modules PV. Ces modules photovoltaïques permettent de répondre à une demande plus importante que ce qu'une seule cellule pourrait fournir.

Lorsque le rayonnement solaire tombe sur une seule cellule solaire, un potentiel est produit à travers celle-ci à deux bornes, l'anode et la cathode (c'est-à-dire que l'anode est la borne positive et la cathode est la borne négative). Pour augmenter le potentiel de la puissance requise, un nombre N de cellules sont connectées en série. La borne négative d'une cellule est connectée à la borne positive de l'autre cellule, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Lorsque nous connectons un nombre N de cellules solaires en série, nous obtenons deux bornes et la tension entre ces deux bornes est la somme des tensions des cellules connectées en série. Par exemple, si la tension d'une seule cellule est de 0,3 V et que 10 de ces cellules sont connectées en série, la tension totale aux bornes de la chaîne sera de 0,3 V × 10 =3 Volts.

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Si 40 cellules de 0,6 V sont connectées en série, la tension totale serait de 0,6 V × 40 =24 volts. Il est important de noter que lorsque les cellules sont connectées en série, la tension s'ajoute tandis que le courant reste le même.

De même, lorsque les cellules sont connectées en parallèle, le courant des cellules individuelles est ajouté. La borne d'anode d'une cellule est connectée à la borne d'anode de la cellule suivante et de même, la borne de cathode est connectée à la borne de cathode de la cellule suivante, comme illustré à la figure 2.

Contrairement à la connexion en série, la tension totale de la chaîne en connexion parallèle reste inchangée. Par exemple, si une cellule a une capacité de production de courant de 2 A et 5 de ces cellules solaires sont connectées en parallèle. Alors la capacité totale de production de courant de la cellule sera de 2 A × 5 =10 A.

Les paramètres du module PV sont mentionnés par les fabricants dans les conditions de test standard (STC), c'est-à-dire une température de 25 °C et un rayonnement de 1 000 W/m ² . Dans la plupart du temps et des endroits, les conditions spécifiées dans STC ne se produisent pas. Cela se produit parce que le rayonnement solaire est toujours inférieur à 1 000 W/m ² et la température de fonctionnement de la cellule est supérieure à 25 °C, cette incertitude se traduit par une puissance de sortie réduite du module PV.

Comme nous l'avons vu précédemment, le module PV est composé du nombre de cellules solaires. Par conséquent, ses paramètres et facteurs affectant la production d'électricité sont similaires à ceux de la cellule solaire qui nous avons déjà couvert dans notre article précédent. Nous ne couvrirons donc plus cette partie ici.

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Déterminer le nombre de cellules dans un module

L'une des exigences de base du module PV est de fournir une tension suffisante pour charger les batteries des différents niveaux de tension sous le rayonnement solaire quotidien. Cela implique que la tension du module doit être plus élevée pour charger les batteries pendant le faible rayonnement solaire et les températures élevées.

Les modules PV sont conçus pour fournir les tensions dans le multiple du niveau de batterie de 12 V, c'est-à-dire 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, etc. Pour charger une batterie 12 V via un module PV, nous avons besoin d'un module ayant V_M de 15 V et pour une batterie de 24 V, nous avons besoin d'un module avec V_M de 30 V et ainsi de suite. D'autres appareils utilisés dans le système PV sont rendus compatibles pour fonctionner avec un niveau de tension de batterie.

Pour fournir le niveau de tension requis, nous devons connecter les cellules en série. Selon les différentes technologies utilisées dans la cellule PV, le nombre de cellules devant être connectées en série sera différent. Le nombre de cellules à connecter en série dépend de la tension au point de puissance maximale, c'est-à-dire V_M de la cellule individuelle et la chute de tension qui se produit en raison d'une augmentation de la température de la cellule au-dessus de STC.

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Exemple :

Comprenons cela avec un exemple, un module PV doit être conçu avec des cellules solaires pour charger une batterie de 12 V. La tension en circuit ouvert V_{OC de la cellule est de 0,89 V et la tension au point de puissance maximale VM est de 0,79 V.}

La température de fonctionnement des cellules est de 60 °C et il y a une diminution de la tension de 2 mV pour chaque degré Celsius d'augmentation de la température. Combien de cellules doivent être connectées en série pour charger la batterie ?

Étape 1 : Trouvez la tension au point de puissance maximale V_M =0,79 V .

Si V_M n'est pas spécifié alors prenez V_M comme 80 à 85 % de V_OC .

Étape 2 : Trouvez la perte de tension sous température de fonctionnement, c'est-à-dire à 60 °C.

Élévation de la température au-dessus de STC =Température de fonctionnement – Température à STC.

Augmentation de température au-dessus de STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Par conséquent, perte de tension due à une élévation de température au-dessus de STC :

Perte de tension =35 °C × 0,002 V =0,07 V

Étape 3 :Détermination de la tension dans les conditions de fonctionnement.

La tension dans les conditions de fonctionnement =Tension à STC (V_M ) - perte de tension due à une augmentation de la température au-dessus de STC.

Par conséquent, la tension dans les conditions de fonctionnement =0,79 V - 0,07 V =0,72 V

Étape 4 : Déterminer la tension de module PV requise pour charger la batterie.

Pour charger une batterie de 12 V, nous avons besoin que la tension du module soit d'environ 15 V.

Étape 5 : Déterminer le nombre de cellules à connecter en série.

Le nombre de cellules connectées en série =Tension du module PV / Tension en condition de fonctionnement.

Nombre de cellules connectées en série =15 V / 0,72 V =20,83 soit environ 21 cellules

Ainsi, nous avons besoin de 21 cellules connectées en série pour charger une batterie 12V . Il est important de noter que pour différentes technologies de cellules solaires, nous aurons besoin d'un nombre différent de cellules en série pour la même tension de sortie. Une photo réelle du module PV composé d'un nombre N de cellules connectées électriquement est illustrée à la figure 3 ci-dessous.

Paramètres du module de mesure

Pour la mesure des paramètres de module comme V_OC , je_SC , V_M, et je_M nous avons besoin d'un voltmètre et ampèremètre ou multimètre , rhéostat , et fils de connexion.

Mesure de la tension en circuit ouvert (V_OC ):

Lors de la mesure du V_OC , à vide doit être connecté entre les deux bornes du module. Pour trouver la tension en circuit ouvert d'un module photovoltaïque via un multimère , suivez les étapes simples suivantes.

• Réglez le bouton du multimètre sur la mesure de tension continue et sélectionnez la plage de mesure de tension en conséquence, c'est-à-dire 6 V, 12 V, 24 V, etc.
• Assurez-vous qu'une sonde est connectée au port COM du multimètre et une autre au port de mesure de tension.
• Après avoir sélectionné le mode et la gamme, connectez les sondes du multimètre aux deux bornes du module PV et observez la lecture sur l'écran.
• Assurez-vous que la sonde positive (port de mesure de tension) est connectée à la borne positive et la sonde négative (port COM) à la borne négative. Si les sondes sont connectées dans l'autre sens, cela donnera une lecture négative.
• La lecture sur l'écran du multimètre est la tension en circuit ouvert V_OC du module photovoltaïque.

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Mesure du courant de court-circuit (I_SC ):

Lors de la mesure de l'I_SC , à vide doit être connecté entre les deux bornes du module.

Pour trouver le courant de court-circuit d'un module photovoltaïque via multimère , suivez les étapes simples suivantes.

• Réglez le bouton du multimètre sur la mesure du courant et sélectionnez la plage de mesure du courant en conséquence, c'est-à-dire généralement entre 0,1 et 10 A.
• Assurez-vous qu'une sonde est connectée au port COM du multimètre et une autre au port de mesure actuel.
• Après avoir sélectionné le mode et la gamme, connectez les sondes du multimètre aux deux bornes du module PV et observez la lecture sur l'écran.
• Assurez-vous que la sonde positive est connectée à la borne positive (port de mesure de courant) et la sonde négative (port COM) à la borne négative. Si les sondes sont connectées dans l'autre sens, cela donnera une lecture négative.
• La lecture observée sur l'affichage du multimètre est le courant de court-circuit I_SC du module photovoltaïque.

Mesure de la courbe I-V :

Pour mesurer la courbe I-V, le module solaire PV doit être connecté en série avec la résistance variable comme indiqué dans la figure ci-dessous.

La borne négative du module est connectée à la borne positive de l'ampèremètre et le voltmètre est directement connecté à travers le module PV, comme illustré à la figure 4.

Si sans le savoir les connexions sont faites à l'envers alors la lecture obtenue aura un signe négatif, reconnectez les compteurs pour obtenir des valeurs correctes. Une fois cela fait, ajustez correctement la résistance variable (rhéostat) d'un côté afin que la tension soit maximale et que le courant soit minimal.

Notez les valeurs de courant et de tension à cette position du rhéostat. Maintenant, faites glisser lentement le rhéostat de l'autre côté et notez les lectures pour chaque réglage de glissière jusqu'à ce que le rhéostat soit complètement court-circuité. Calculez la puissance pour chaque valeur de tension et de courant en utilisant l'équation ci-dessous.

P =V × I

Ainsi, en utilisant ces valeurs mesurées, tous les autres paramètres du module PV peuvent être obtenus.

Modules avec une puissance supérieure 

L'une des cellules les plus courantes disponibles sur le marché est la technologie "Crystalline Silicon Cell". Ces cellules sont disponibles dans une zone de 12,5 × 12,5 cm ² et 15 ×15 cm ² . Il est difficile de trouver des cellules au-delà de cette zone sur le marché, la plupart des grandes centrales solaires utilisent des modules avec ces zones de cellules.

Mais combien de puissance plus élevée ce module peut-il donc fournir et comment peut-il obtenir une puissance plus élevée par module ? Un module PV typiquement conçu a un V_M de 15 V pour charger une batterie de 12 V. Pour obtenir cette tension, 32 à 36 cellules sont connectées en série en fonction de leur température de fonctionnement et de la tension de crête V_M d'une cellule individuelle.

Le courant produit par les cellules dépend de la zone, de la quantité de lumière qui tombe dessus, de l'angle de la lumière qui tombe dessus et de la densité du courant. La cellule de silicium cristallin a une densité de courant J_SC dans une plage de 30 mA/cm ² à 35 mA/cm ² .

Prenons la densité de courant de 30 mA/cm ² pour notre exemple. Puis le courant de court-circuit pour une surface de 12,5 × 12,5 cm ² peut être calculé comme ;

Je_SC =J_SC × Surface =30 mA/cm ² × 12,5 × 12,5 cm ² =4,68 A

De même, pour 15 ×15 cm ² le courant de court-circuit est calculé comme ;

Je_SC =J_SC × Surface =30 mA/cm ² × 15 × 15 cm ² =6,75 A

Pour la plupart des fabricants, le I_M est d'environ 90 à 95 % de I_SC . Pour notre exemple, prenons I_M comme 95 % de I_SC .

Je_M =0,95 × I_SC

Puis le I_M pour une surface de 12,5 × 12,5 cm ² peut être calculé comme ;

Je_M =0,95 × 4,68 A =4,446 A

De même, pour 15 ×15 cm ² Je_M est calculé comme ;

Je_M =0,95 × 6,75 A =6,412 A

Nous pouvons maintenant déterminer la puissance de crête maximale pour ces deux cellules ;

P_M =V_M × Je_M

P_M =15 V × 4,446 A =66,69 W (pour une surface de 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =15 V × 6,412 A =96,18 W (pour une surface de 15 × 15 cm ² )

Par conséquent, en utilisant la meilleure technologie cellulaire disponible ayant une surface de 12,5 × 12,5 et 15 × 15 cm ² nous obtenons une puissance de sortie de 66,69 W et 96,18 W respectivement (considérant I_M être à 95 % de l'I_SC et densité de courant de 30 mA/cm ² ).

Pour augmenter la tension et le courant du module, plus de cellules doivent être connectées en série et en parallèle respectivement, cela augmentera la puissance globale du module plus que ce que nous avons calculé .

Exemple :

Maintenant, pour une meilleure compréhension, concevons un module photovoltaïque capable de fournir une tension à la puissance maximale V_M de 45 V sous STC et 33,5 V sous une température de fonctionnement de 60 °C. Nous utiliserons les cellules ayant une tension en circuit ouvert V_OC de 0,64 V, ayant une diminution de 0,004 V de V_M par °C d'augmentation de température.

Étape 1 : Trouver la tension au point de puissance maximale V_M .

Si V_M n'est pas spécifié alors prenez V_M comme 80 à 85 % de V_OC

Supposons V_M =0,85 × V_CO =0,85 × 0,64 V =0,544 V

Étape 2 : Trouvez la perte de tension sous la température de fonctionnement, c'est-à-dire à 60  ^o C.

Élévation de la température au-dessus de STC =Température de fonctionnement – Température à STC.

Augmentation de température au-dessus de STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Par conséquent, la perte de tension due à l'augmentation de la température au-dessus de STC =35 °C × 0,004 V =0,14 V

Étape 3 : Détermination de la tension en condition de fonctionnement

La tension dans les conditions de fonctionnement =Tension à STC (V_M ) - perte de tension due à une augmentation de la température au-dessus de STC.

Par conséquent, la tension dans les conditions de fonctionnement =0,544 V - 0,14 V =0,404 V

Étape 4 : Déterminer la tension de module PV requise

nous avons besoin que la tension du module soit d'environ 33,5 V.

Étape 5 : Déterminer le nombre de cellules à connecter en série

Le nombre de cellules connectées en série =Tension du module PV / Tension en condition de fonctionnement.

Nombre de cellules connectées en série =33,5 V / 0,404 V =82,92 soit environ 83 cellules.

Calculons maintenant la puissance que ces 83 cellules peuvent produire sous STC, avec V_M =45 V, et prenons les mêmes valeurs de courant pour deux cellules de l'exemple précédent.

Je_M =4,446 A (pour une surface de 12,5 × 12,5 cm ² )

Je_M =6,412 A (pour une surface de 15 × 15 cm ² )

Nous pouvons maintenant déterminer la puissance de crête maximale pour ces deux cellules à une tension de 45 V ;

P_M =V_M × Je_M

P_M =45 V × 4,446 A =200,07 W (pour une surface de 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =45 V × 6,412 A =288,54 W (pour une surface de 15 × 15 cm ² )

Ainsi, selon l'exigence d'une grande puissance, de telles cellules de plus grandes surfaces sont connectées en série et en parallèle pour former un module PV. De plus, ces modules photovoltaïques peuvent être connectés en série et en parallèle pour former un générateur photovoltaïque qui génère de l'énergie en MW.

Diodes de blocage et de dérivation

Diode de dérivation

Toutes les cellules connectées en série dans le module PV sont identiques, elles produisent toutes du courant lorsque la lumière tombe dessus. Mais si l'une des cellules solaires est ombragée par un objet, la lumière tombant dessus est interrompue et elle produit un courant plus faible ou presque pas de courant en raison de cette interruption de la lumière tombant sur la cellule.

Cette cellule agira désormais comme une résistance au flux de courant dans la chaîne de série des cellules. Il agira comme une charge et la puissance générée par d'autres cellules se dissipera dans la cellule ombragée, provoquant une augmentation de la température de la cellule et la formation d'un point chaud. Cela peut même entraîner la rupture de la vitre du module, des incendies et des accidents dans le système.

Les diodes de dérivation sont utilisées pour éviter de telles catastrophes dans notre système conçu. Comme le montre la figure 5, la diode de dérivation est connectée en parallèle à la cellule solaire avec une polarité opposée.

Dans des conditions normales sans ombrage, la diode de dérivation est polarisée en inverse et agit comme un circuit ouvert. Mais si un ombrage se produit dans la chaîne de cellules connectées en série, la cellule ombrée sera polarisée en inverse et cela agira comme une polarisation directe vers la diode de dérivation car elle est connectée avec une polarité opposée à la cellule solaire.

Maintenant, la diode de dérivation de cette cellule ombragée transportera le courant à travers elle plutôt que la cellule ombrée. Ainsi, la diode contourne la cellule évite les dommages causés par la surchauffe d'où le nom de diode de dérivation. Idéalement, il devrait y avoir une diode par cellule solaire dans un module, mais en pratique, pour rendre le module rentable, une diode de dérivation est connectée pour une combinaison en série de 10 à 15 cellules.

Diode de blocage

Dans un système hors réseau, les modules sont utilisés pour alimenter la charge et charger la batterie. Pendant la nuit, lorsqu'il n'y a pas de lumière solaire, le module ne produit aucune énergie et les batteries de charge commencent à alimenter la charge et le module PV. L'alimentation électrique du module PV est une perte de puissance. Pour éviter la perte, une diode est placée pour bloquer le flux de courant de la batterie au module PV. Ainsi, c'est grâce à cette diode que la perte de puissance est évitée en bloquant le passage du courant de la batterie vers le module.

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Connexion série, parallèle et série-parallèle de panneaux solaires et de panneaux

Nous avons déjà très bien expliqué ce sujet dans notre article précédent intitulé Connexion série, parallèle et série-parallèle de panneaux PV . Vous pourrez câbler des chaînes de modules solaires et un réseau en série, un réseau parallèle ou une combinaison de chaînes et de réseaux en série et parallèles.