Le Système Photovoltaïque Solaire
Si les panneaux solaires photovoltaïques sont composés de cellules photovoltaïques individuelles reliées ensemble, alors le Système Photovoltaïque Solaire, également connu simplement sous le nom de Réseau Solaire, est un système constitué d’un ensemble de panneaux solaires connectés ensemble.
Un réseau photovoltaïque est donc constitué de plusieurs panneaux solaires électriquement câblés ensemble pour former une installation PV beaucoup plus grande (système PV) appelée un réseau, et en général, plus la surface totale du réseau est grande, plus elle produira d’électricité solaire.
Un système photovoltaïque complet utilise un réseau photovoltaïque comme principale source pour la génération de l’alimentation électrique. La quantité d’énergie solaire produite par un seul panneau ou module photovoltaïque n’est pas suffisante pour un usage général.
La plupart des fabricants produisent un panneau photovoltaïque standard avec une tension de sortie de 12V ou 24V. En connectant plusieurs panneaux PV individuels en série (pour un besoin de tension plus élevé) et en parallèle (pour un besoin de courant plus élevé), le réseau photovoltaïque produira la puissance de sortie désirée.
Un Réseau Solaire Photovoltaïque
Les cellules et panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie solaire en électricité en courant continu (CC). La connexion des panneaux solaires dans un réseau photovoltaïque unique est la même que celle des cellules PV dans un panneau unique.
Les panneaux d’un réseau peuvent être connectés électriquement en série, en parallèle ou en une combinaison des deux, mais en général, une connexion en série est choisie pour augmenter la tension de sortie. Par exemple, lorsque deux panneaux solaires sont câblés ensemble en série, leur tension est doublée alors que le courant reste le même.
La taille d’un réseau photovoltaïque peut consister en quelques modules ou panneaux PV individuels connectés ensemble dans un environnement urbain et montés sur un toit, ou peut consister en plusieurs centaines de panneaux PV interconnectés dans un champ pour fournir de l’énergie à une ville ou un quartier entier. La flexibilité du réseau photovoltaïque modulaire (système PV) permet aux concepteurs de créer des systèmes de production d’énergie solaire qui peuvent répondre à une grande variété de besoins électriques, qu’ils soient grands ou petits.
Il est important de noter que les panneaux ou modules photovoltaïques de différents fabricants ne doivent pas être mélangés dans un seul réseau, même si leurs puissances, tensions ou courants de sortie sont nominalement similaires. Cela est dû à des différences dans les courbes de caractéristiques I-V des cellules solaires, ainsi qu’à leur réponse spectrale qui sont susceptibles de provoquer des pertes de désaccord supplémentaires dans le réseau, réduisant ainsi son efficacité globale.
Les Caractéristiques Électriques d’un Réseau Photovoltaïque
Les caractéristiques électriques d’un réseau photovoltaïque sont résumées par la relation entre le courant de sortie et la tension. La quantité et l’intensité de l’insolation solaire (irradiance solaire) contrôlent la quantité de courant de sortie (I), et la température de fonctionnement des cellules solaires affecte la tension de sortie (V) du réseau PV. Les courbes (I-V) des panneaux photovoltaïques qui résument la relation entre le courant et la tension sont fournies par les fabricants :
Paramètres du Réseau Solaire
- VOC = tension à circuit ouvert : – Il s’agit de la tension maximale que le réseau fournit lorsque les bornes ne sont pas connectées à une charge (une condition de circuit ouvert). Cette valeur est bien plus élevée que Vmax qui se rapporte à l’opération du réseau PV réglé par la charge. Cette valeur dépend du nombre de panneaux PV connectés en série.
- ISC = courant de court-circuit – Le courant maximal fourni par le réseau photovoltaïque lorsque les connecteurs de sortie sont courts-circuités (une condition de court-circuit). Cette valeur est bien plus élevée que Imax qui se rapporte au courant de circuit normal.
- Pmax = point de puissance maximale – Cela se rapporte au point où la puissance fournie par le réseau connecté à la charge (batteries, onduleurs) est à sa valeur maximale, où : PMAX = IMAX x VMAX. Ainsi, le point de puissance maximale (MPP) d’un réseau photovoltaïque est mesuré en Watts (W), ou en Watts crête (Wp).
- FF = facteur de remplissage – Le facteur de remplissage est la relation entre la puissance maximale que le réseau peut effectivement fournir dans des conditions normales de fonctionnement et le produit de la tension à circuit ouvert multiplié par le courant de court-circuit, ( Voc x Isc ). Cette valeur de facteur de remplissage donne une idée de la qualité du réseau et plus le facteur de remplissage est proche de 1 (unité), plus le réseau peut fournir de puissance. Les valeurs typiques se situent entre 0,7 et 0,8.
- % eff = pourcentage d’efficacité – L’efficacité d’un réseau photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique maximale que le réseau peut produire par rapport à la quantité d’irradiance solaire frappant le réseau. L’efficacité d’un réseau solaire typique est généralement faible, autour de 10-12%, selon le type de cellules (monocristallin, polycristallin, amorphe ou film mince) utilisées.
Les courbes de caractéristiques photovoltaïques I-V fournissent les informations nécessaires aux concepteurs pour configurer des systèmes qui peuvent fonctionner aussi près que possible du point de puissance maximale. Le point de puissance maximale est mesuré lorsque le module PV produit sa quantité maximale de puissance lorsqu’il est exposé à une radiation solaire équivalente à 1000 watts par mètre carré, 1000 W/m2 ou 1 kW/m2. Considérez le circuit ci-dessous.
Connexions du Réseau Photovoltaïque
Ce simple réseau photovoltaïque ci-dessus se compose de quatre modules photovoltaïques comme indiqué, produisant deux branches parallèles dans lesquelles il y a deux panneaux PV qui sont électriquement connectés ensemble pour produire un circuit en série. La tension de sortie du réseau sera donc égale à la connexion en série des panneaux PV, et dans notre exemple ci-dessus, cela est calculé comme : Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
Le courant de sortie sera égal à la somme des courants des branches parallèles. Si nous supposons que chaque panneau PV produit 3,75 ampères en pleine lumière, le courant total (IT) sera égal à : IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 Amperes. Ensuite, la puissance maximale du réseau photovoltaïque en pleine lumière peut être calculée comme : Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
Le réseau PV atteint son maximum de 180 watts en pleine luminosité car la puissance de sortie maximale de chaque panneau ou module PV est égale à 45 watts (12V x 3,75A). Cependant, en raison de différents niveaux de radiation solaire, d’effets de température, de pertes électriques, etc., la puissance de sortie maximale réelle est généralement beaucoup plus faible que les 180 watts calculés. Ainsi, nous pouvons présenter les caractéristiques de notre réseau photovoltaïque comme étant.
Caractéristiques du Réseau Photovoltaïque
Diodes de Contournement dans les Réseaux Photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques et les diodes sont toutes deux des dispositifs semi-conducteurs fabriqués à partir d’un matériau de silicium de type P et d’un matériau de silicium de type N fusionnés ensemble. Contrairement à une cellule photovoltaïque qui génère une tension lorsqu’elle est exposée à la lumière, les diodes à jonction PN agissent comme des vannes électriques à état solide unidirectionnelles qui n’autorisent le passage du courant électrique que dans une seule direction.
L’avantage de cela est que les diodes peuvent être utilisées pour bloquer le flux de courant électrique d’autres parties d’un circuit solaire électrique. Lorsqu’elles sont utilisées dans un réseau solaire photovoltaïque, ces types de diodes en silicium sont généralement appelées diodes de blocage.
Dans le didacticiel précédent sur les panneaux photovoltaïques, nous avons vu qu’une diode de contournement peut être utilisée en parallèle avec une cellule ou plusieurs cellules photovoltaïques. L’ajout d’une diode empêche le(s) courant(s) de circuler à partir de cellules PV saines et bien exposées, surchauffant et grillant des cellules PV faibles ou partiellement ombragées en fournissant un chemin alternatif pour le courant autour de la cellule défectueuse. Les diodes de blocage sont utilisées différemment des diodes de contournement.
Les diodes de contournement sont généralement connectées en « parallèle » avec une cellule ou un panneau PV pour détourner le courant autour d’eux, tandis que les diodes de blocage sont connectées en « série » avec les panneaux PV pour empêcher le retour de courant dans ceux-ci. Les diodes de blocage sont donc différentes des diodes de contournement même si, dans la plupart des cas, la diode est physiquement la même, mais elles sont installées différemment et servent à des fins différentes. Considérez notre réseau solaire photovoltaïque ci-dessous.
Diodes dans les Réseaux Photovoltaïques
Comme nous l’avons dit précédemment, les diodes sont des dispositifs qui permettent au courant de circuler dans une seule direction. Les diodes colorées en vert sont les diodes de contournement familières, une en parallèle avec chaque panneau PV pour fournir un chemin de faible résistance autour du panneau. Cependant, les deux diodes colorées en rouge sont appelées « diodes de blocage », une en série avec chaque branche en série. Ces diodes de blocage garantissent que le courant électrique ne circule que de l’extérieur vers la charge, le contrôleur ou les batteries.
La raison en est d’empêcher le courant généré par les autres panneaux PV connectés en parallèle dans le même réseau de revenir par un réseau plus faible (ombragé) et également d’empêcher les batteries entièrement chargées de se décharger ou de se vider à travers le réseau PV la nuit. Ainsi, lorsque plusieurs panneaux PV sont connectés en parallèle, des diodes de blocage doivent être utilisées dans chaque branche connectée en parallèle.
En général, les diodes de blocage sont utilisées dans les réseaux PV lorsque plusieurs branches parallèles sont présentes ou lorsqu’il y a une possibilité que certaines parties du réseau deviennent partiellement ombragées pendant la journée à mesure que le soleil se déplace dans le ciel. La taille et le type de diode de blocage utilisée dépendent du type de réseau photovoltaïque. Deux types de diodes sont disponibles pour les réseaux d’énergie solaire : la diode en silicium à jonction PN et la diode à barrière Schottky. Les deux sont disponibles avec une large gamme de cotes de courant.
La diode à barrière Schottky a une chute de tension directe beaucoup plus faible d’environ 0,4 volts contre 0,7 volt pour une diode en silicium. Cette faible chute de tension permet d’économiser une cellule PV complète dans chaque branche série du réseau solaire, rendant ainsi le réseau plus efficace, car moins de puissance est dissipée dans la diode de blocage. La plupart des fabricants intègrent des diodes de blocage au sein de leurs modules PV, simplifiant ainsi la conception.
Construisez Votre Propre Réseau Photovoltaïque
La quantité de radiation solaire reçue et la demande d’énergie quotidienne sont les deux facteurs déterminants dans la conception du réseau photovoltaïque et des systèmes d’énergie solaire. Le réseau photovoltaïque doit être dimensionné pour répondre à la demande de charge et tenir compte de toutes les pertes du système, tandis que l’ombrage de toute partie du réseau solaire réduira considérablement la production de tout le système.
Si les panneaux solaires sont électriquement connectés ensemble en série, le courant sera le même dans chaque panneau, et si les panneaux sont partiellement ombragés, ils ne pourront pas produire la même quantité de courant. De plus, les panneaux PV ombragés dissiperont de l’énergie et gaspilleront comme chaleur plutôt que de la générer, et l’utilisation de diodes de contournement aidera à prévenir de tels problèmes en fournissant un chemin de courant alternatif.
Les diodes de blocage ne sont pas nécessaires dans un système entièrement connecté en série, mais doivent être utilisées pour empêcher un retour de courant des batteries vers le réseau pendant la nuit ou lorsque l’irradiance solaire est faible. D’autres conditions climatiques en dehors de la lumière du soleil doivent être prises en compte dans toute conception.
Étant donné que la tension de sortie des cellules solaires en silicium est un paramètre lié à la température, le concepteur doit être conscient des températures quotidiennes, des deux extrêmes (élevées et basses) et des variations saisonnières. De plus, la pluie et les chutes de neige doivent être prises en compte dans la conception de la structure de montage. Le chargement dû au vent est particulièrement important dans les installations en haut des montagnes.
Dans notre prochain didacticiel sur « L’énergie solaire », nous examinerons comment nous pouvons utiliser des réseaux photovoltaïques semi-conducteurs et des panneaux solaires dans le cadre d’un système PV autonome pour générer de la puissance pour des applications hors réseau.