Conception Modules & Réseaux Photovoltaïques : Nombre de Cellules, Paramètres & Calculs de Performance

Détermination du Nombre de Cellules dans un Module, Mesure des Paramètres du Module et Calcul du Courant de Court-Circuit, Tension à Vide & Caractéristiques V-I de Module & Réseau Solaire

Qu'est-ce qu'un Module Photovoltaïque Solaire ?

La puissance requise par nos charges quotidiennes varie de quelques watts à parfois des kilowatts. Une seule cellule solaire ne peut pas produire assez de puissance pour satisfaire une telle demande, elle produit difficilement une puissance de 0,1 à 3 watts selon la surface de la cellule. Dans le cas des installations raccordées au réseau et des centrales industrielles, nous avons besoin de puissance dans la gamme des mégawatts, voire des gigawatts.

Ainsi, une seule cellule PV n'est pas capable de répondre à de telles demandes élevées. Pour répondre à ces demandes, les cellules solaires sont agencées et connectées électriquement. Une telle connexion et agencement de cellules solaires sont appelés modules PV. Ces modules PV permettent de fournir une demande plus importante que ce qu'une seule cellule pourrait fournir.

Lorsque le rayonnement solaire tombe sur une seule cellule solaire, une tension est produite entre ses deux bornes anode et cathode (l'anode est la borne positive et la cathode la borne négative). Pour augmenter la tension pour la puissance requise, N cellules sont connectées en série. La borne négative d'une cellule est connectée à la borne positive de l'autre cellule comme montré dans la figure ci-dessous.

Lorsque nous connectons N cellules solaires en série, nous obtenons deux bornes et la tension aux bornes de 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 telles cellules sont connectées en série, la tension totale aux bornes de la chaîne sera de 0,3 V × 10 = 3 Volts.

• Article connexe : Comment Concevoir et Installer un Système PV Solaire ?

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'additionne tandis que le courant reste le même.

De même, lorsque les cellules sont connectées en parallèle, le courant des cellules individuelles s'additionne. La borne anode d'une cellule est connectée à la borne anode de la cellule suivante et de même, la borne cathode est connectée à la borne cathode de la cellule suivante comme montré 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 que 5 telles cellules solaires sont connectées en parallèle. Alors la capacité totale de production de courant de la chaîne sera de 2 A × 5 = 10 A.

Les paramètres du module PV sont mentionnés par les fabricants sous Conditions de Test Standard (STC) c'est-à-dire température de 25 °C et rayonnement de 1000 W/m². Dans la plupart des cas et lieux, les conditions spécifiées sous STC ne se produisent pas. Cela se produit parce que le rayonnement solaire est toujours inférieur à 1000 W/m² et la température de fonctionnement de la cellule est supérieure à 25 °C, cette incertitude résultant en une puissance de sortie réduite du module PV.

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

• Article connexe : Guide Complet sur l'Installation de Panneaux Solaires. Procédure Pas à Pas avec Exemples

Détermination du Nombre de Cellules dans un Module

L'une des exigences de base du module PV est de fournir une tension suffisante pour charger des batteries de 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 les faibles rayonnements solaires et températures élevées.

Les modules PV sont conçus pour fournir des tensions en multiples du niveau de batterie 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 24 V, nous avons besoin d'un module avec V_M de 30 V et ainsi de suite. Les autres dispositifs utilisés dans le système PV sont conçus pour être compatibles avec un niveau de tension de batterie.

Pour fournir le niveau de tension requis, nous devons connecter des cellules en série. Selon les différentes technologies utilisées dans la cellule PV, le nombre de cellules requises à connecter en série différera. Le nombre de cellules à connecter en série dépend de la tension au point de puissance maximum c'est-à-dire V_M de la cellule individuelle et de la chute de tension due à l'augmentation de la température de la cellule au-dessus des STC.

• Article connexe : Composants de Base Nécessaires pour l'Installation d'un Système de Panneaux Solaires

Exemple :

Comprenons ceci avec un exemple : un module PV doit être conçu avec des cellules solaires pour charger une batterie de 12 V. La tension à vide V_OC de la cellule est de 0,89 V et la tension au point de puissance maximum V_M est de 0,79 V.

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

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

Si V_M n'est pas spécifié, prendre V_M comme 80 à 85% de V_OC.

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

Augmentation de température au-dessus des STC = Température de fonctionnement – Température aux STC.

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

Donc, perte de tension due à l'augmentation de température au-dessus des STC :

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

Étape 3 : Déterminer la tension en condition de fonctionnement.

La tension en condition de fonctionnement = Tension aux STC (V_M) – perte de tension due à l'augmentation de température au-dessus des STC.

Donc, Tension en condition 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 d'une tension de module d'environ 15 V.

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

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

Nombre de cellules 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 de N cellules électriquement connectées est montrée figure 3 ci-dessous.

Mesure des Paramètres du Module

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

Mesure de la Tension à Vide (V_OC) :

Lors de la mesure de V_OC, aucune charge ne doit être connectée aux deux bornes du module. Pour trouver la tension à vide d'un module photovoltaïque via multimètre, suivez les étapes simples suivantes.

• Réglez le bouton du multimètre sur mesure de tension DC et sélectionnez la plage pour la 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 l'autre au port de mesure de tension.
• Après avoir sélectionné le mode et la plage, connectez les sondes du multimètre aux deux bornes du module PV et observez la lecture sur l'affichage.
• Assurez-vous que la sonde positive (port mesure tension) est connectée à la borne positive et la sonde négative (port COM) à la borne négative. Si les sondes sont connectées inversement, cela donnera une lecture négative.
• La lecture sur l'affichage du multimètre est la tension à vide V_OC du module PV.

Article connexe :

• Paramètres d'une Cellule Solaire et Caractéristiques d'un Panneau PV
• Comment Concevoir une Pompe à Eau DC Alimentée par Photovoltaïque Solaire ?

Mesure du Courant de Court-Circuit (I_SC) :

Lors de la mesure de I_SC, aucune charge ne doit être connectée aux deux bornes du module.

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

• Réglez le bouton du multimètre sur mesure de courant et sélectionnez la plage pour la mesure de 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 l'autre au port de mesure de courant.
• Après avoir sélectionné le mode et la plage, connectez les sondes du multimètre aux deux bornes du module PV et observez la lecture sur l'affichage.
• Assurez-vous que la sonde positive est connectée à la borne positive (port mesure courant) et la sonde négative (port COM) à la borne négative. Si les sondes sont connectées inversement, cela donnera une lecture négative.
• La lecture observée sur l'affichage du multimètre est le courant de court-circuit I_SC du module PV.

Mesure de la Courbe I-V :

Pour mesurer la courbe I-V, le module PV solaire doit être connecté en série avec la résistance variable comme montré 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 aux bornes du module PV comme montré figure 4.

Si par inadvertance les connexions sont faites inversement, les lectures obtenues auront un signe négatif, reconnectez les appareils pour obtenir les valeurs correctes. Une fois fait correctement, ajustez la résistance variable (rhéostat) d'un côté pour que la tension soit maximale et le courant minimal.

Notez les valeurs de courant et tension à cette position du rhéostat. Faites maintenant glisser lentement le rhéostat de l'autre côté et notez les lectures pour chaque ajustement de glissement jusqu'à ce que le rhéostat soit complètement en court-circuit. Calculez la puissance pour chaque valeur de tension et 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 de Puissance Supérieure

L'une des cellules les plus courantes disponibles sur le marché est la technologie « Cellule Silicium Cristallin ». Ces cellules sont disponibles dans des surfaces de 12,5 × 12,5 cm² et 15 × 15 cm². Il est difficile de trouver des cellules au-delà de cette surface sur le marché, la plupart des grandes centrales solaires utilisent des modules avec ces surfaces de cellules.

Mais quelle puissance plus élevée ce module peut-il fournir et comment 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 selon leur température de fonctionnement et la tension de pointe V_M d'une cellule individuelle.

Le courant produit par les cellules dépend de la surface, de la quantité de lumière tombant dessus, de l'angle d'incidence de la lumière, et de la densité de courant. La Cellule Silicium Cristallin a une densité de courant J_SC dans une gamme de 30 mA/cm² à 35 mA/cm².

Prenons une densité de courant de 30 mA/cm² pour notre exemple. Alors le courant de court-circuit pour une surface de 12,5 × 12,5 cm² peut être calculé comme :

I_SC = J_SC × Surface = 30 mA/cm² × 12,5 × 12,5 cm² = 4,68 A

De même, pour 15 × 15 cm², le courant de court-circuit est calculé comme :

I_SC = J_SC × Surface = 30 mA/cm² × 15 × 15 cm² = 6,75 A

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

I_M = 0,95 × I_SC

Alors I_M pour une surface de 12,5 × 12,5 cm² peut être calculé comme :

I_M = 0,95 × 4,68 A = 4,446 A

De même, pour 15 × 15 cm², I_M est calculé comme :

I_M = 0,95 × 6,75 A = 6,412 A

Maintenant nous pouvons déterminer la puissance de pointe maximale pour ces deux cellules :

P_M = V_M × I_M

P_M = 15 V × 4,446 A = 66,69 W (pour une surface de 12,5 × 12,5 cm²)

P_M = 15 V × 6,412 A = 96,18 W (pour une surface de 15 × 15 cm²)

Par conséquent, en utilisant la meilleure technologie de cellule disponible ayant une surface de 12,5 × 12,5 et 15 × 15 cm², nous obtenons une puissance de sortie de 66,69 W et 96,18 W respectivement (en considérant I_M à 95 % de I_SC et densité de courant de 30 mA/cm²).

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

Exemple :

Pour une meilleure compréhension, concevons un module PV qui peut fournir une tension au point de puissance maximum V_M de 45 V sous STC et 33,5 V sous 60 °C température de fonctionnement. Nous utiliserons des cellules ayant une tension à vide V_OC de 0,64 V, avec une diminution de 0,004 V de V_M par °C d'augmentation de température.

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

Si V_M n'est pas spécifié, prendre V_M comme 80 à 85% de V_OC

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

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

Augmentation de température au-dessus des STC = Température de fonctionnement – Température aux STC.

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

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

Étape 3 : Déterminer la tension en condition de fonctionnement

La tension en condition de fonctionnement = Tension aux STC (V_M) – perte de tension due à l'augmentation de température au-dessus des STC.

Donc, Tension en condition de fonctionnement = 0,544 V – 0,14 V = 0,404 V

Étape 4 : Déterminer la tension de module PV requise

Nous avons besoin d'une tension de module d'environ 33,5 V.

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

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

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

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

I_M = 4,446 A (pour une surface de 12,5 × 12,5 cm²)

I_M = 6,412 A (pour une surface de 15 × 15 cm²)

Maintenant nous pouvons déterminer la puissance de pointe maximale pour ces deux cellules à une tension de 45 V :

P_M = V_M × I_M

P_M = 45 V × 4,446 A = 200,07 W (pour une surface de 12,5 × 12,5 cm²)

P_M = 45 V × 6,412 A = 288,54 W (pour une surface de 15 × 15 cm²)

Ainsi, selon les besoins de 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 PV peuvent être connectés en série et en parallèle pour former un réseau PV qui génère de la puissance en MW.

Diodes de Blocage et de Dérivation (Bypass)

Diode de Dérivation (Bypass)

Toutes les cellules connectées en série dans le module PV sont identiques, elles produisent toutes du courant quand 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 nul à cause de cette interruption de lumière sur la cellule.

Cette cellule agit maintenant comme une résistance au passage du courant dans la chaîne série des cellules. Elle agira comme une charge et la puissance générée par les autres cellules sera dissipée dans la cellule ombragée causant l'élévation de la température de la cellule et formant un point chaud. Cela peut même entraîner la rupture du verre 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 montré figure 5, la diode de dérivation est connectée en parallèle à la cellule solaire avec une polarité opposée.

En conditions normales sans ombrage, la diode de dérivation est polarisée inverse agissant comme un circuit ouvert. Mais si l'ombrage se produit dans la chaîne série de cellules, la cellule ombragée sera polarisée inverse et cela agira comme une polarisation directe pour 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 fera passer le courant à travers elle plutôt que la cellule ombragée. Ainsi, la diode dérivate la cellule évite les dommages causés par la surchauffe d'où le nom diode de dérivation. Idéalement, il devrait y avoir une diode par cellule solaire dans un module, mais pratiquement pour rendre le module rentable, une diode de dérivation est connectée pour une combinaison série de 10-15 cellules.

Diode de Blocage

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

Article connexe :

Connexion Série, Parallèle & Série-Parallèle de Panneaux Solaires & Réseau

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