Le Panneau Photovoltaïque Convertit la Lumière en Électricité
Nous avons précédemment constaté que les cellules photovoltaïques utilisent la lumière pour générer de l’énergie électrique et qu’il existe plusieurs types de technologies photovoltaïques disponibles, y compris les cellules monocristallines, polycristallines et en film mince, qui peuvent toutes être utilisées pour produire un Panneau Photovoltaïque.
La puissance électrique en Watts, générée par différentes cellules photovoltaïques lorsqu’elles sont exposées à la lumière directe du soleil, est à peu près la même pour chaque panneau et est donnée comme le produit de la tension multipliée par le courant. C’est-à-dire : Puissance (P) = Volts (V) x Ampères (I).
La quantité de puissance électrique générée par une cellule photovoltaïque individuelle à ses bornes de sortie dépend de la quantité de rayonnement solaire qui frappe sa jonction PN, ainsi que du pourcentage de rayonnement solaire qu’elle convertit réellement en électricité, en d’autres termes, son efficacité.
Tension de la Cellule Solaire
Une cellule photovoltaïque unique peut produire une “Tension de Circuit Ouvert” (VOC) d’environ 0.5 à 0.6 volts à 25oC (habituellement autour de 0.58V), quelle que soit sa taille. Cette tension de cellule reste assez constante tant qu’il y a suffisamment d’irradiation lumineuse, allant d’une lumière faible à un soleil éclatant. Une tension de circuit ouvert signifie que la cellule PV n’est pas connectée à une charge externe et ne produit donc aucun flux de courant.
Lorsque connectée à une charge externe, comme une lampe, la tension de sortie de la cellule individuelle chute à environ 0.46 volts ou 460 mV (460 millivolts) lorsque le courant électrique commence à circuler. La sortie de la cellule restera autour de ce niveau de tension, peu importe l’intensité du soleil. Une baisse de la tension de sortie est causée par la résistance et les pertes de puissance à l’intérieur de la structure des cellules, ainsi que par les conducteurs métalliques déposés sur la surface des cellules.
La température affecte également la tension de sortie d’un photovoltaïque. Plus la température est élevée, plus la tension de sortie de la cellule diminue à mesure que la cellule se dégrade sous des conditions chaudes. Ainsi, en plein soleil, la tension de sortie réduit d’environ 5 % pour chaque augmentation de 25°C de la température de la cellule. Par conséquent, des panneaux solaires et des modules avec davantage de cellules photovoltaïques sont recommandés pour les climats très chauds par rapport à ceux utilisés dans des régions plus froides afin de compenser les pertes de puissance de sortie dues à des températures élevées.
Courant de la Cellule Solaire
Contrairement à la tension des cellules photovoltaïques, le courant CC de sortie (I) varie cependant en relation directe avec la quantité ou l’intensité de la lumière du soleil (énergie photonique) tombant sur la face de la cellule PV.
De plus, le courant de sortie est directement proportionnel à la surface de la cellule, car plus la cellule est grande, plus la quantité d’énergie lumineuse qu’elle reçoit est importante. Ainsi, plus la lumière du soleil pénètre dans le matériau semi-conducteur à base de silicium, plus elle produit de courant. Les cellules photovoltaïques avec de fortes sorties de courant sont généralement plus désirables, mais plus la sortie de courant est élevée, plus leur coût sera élevé.
Puissance de Sortie du Panneau PV
Nous avons dit précédemment que la puissance de sortie d’une cellule photovoltaïque est exprimée en watts et est égale au produit de la tension multipliée par le courant (V x I), et cela est vrai. La tension de fonctionnement optimale d’une cellule PV sous charge est d’environ 0.46 volts à des températures de fonctionnement normales, générant un courant de plein soleil d’environ trois ampères.
Ainsi, la puissance de sortie d’une cellule photovoltaïque typique peut être calculée comme suit : puissance (P) égale tension multipliée par courant = V x I = 0.46 x 3 = 1.38 watts. Bien que cette quantité d’énergie solaire puisse suffire à alimenter un petit appareil électronique, comme un chargeur de téléphone ou une lumière de jardin décorative, 1.38 watts ne sont vraiment pas suffisants pour réaliser un travail utile.
Cependant, des cellules photovoltaïques individuelles peuvent être électriquement connectées ensemble en série (dans une chaîne) pour atteindre la tension souhaitée, puisque les tensions en série s’additionnent, ou connectées en parallèle (côte à côte) pour atteindre le courant souhaité, car les courants en parallèle s’additionnent.
Ensuite, toute combinaison de deux cellules PV ou plus peut être interconnectée soit en série et/ou en parallèle pour donner la tension, le courant et la puissance de sortie souhaités, produisant ainsi un panneau photovoltaïque. Dans l’usage pratique, la cellule photovoltaïque fonctionne dans la partie linéaire de sa courbe de caractéristique I-V et fournit approximativement le même courant qu’en court-circuit. La puissance fournie par le panneau PV à une batterie et à une charge connectées en parallèle avec le panneau est : P = V x I.
Par exemple, si nous connectons en série dix cellules PV de 0.46 volts provenant de notre dernier exemple pour produire un panneau photovoltaïque, la nouvelle tension de sortie serait de 0.46 x 10 soit 4.6 volts, mais le courant reste le même à 3A (circuit en série). Cependant, la puissance totale de sortie a également augmenté d’un facteur dix pour atteindre 13.8 watts de puissance de pointe.
Des cellules photovoltaïques individuelles peuvent être connectées ensemble pour produire un plus grand “panneau photovoltaïque” ou module solaire, comme on les appelle également, avec des puissances de sortie de 50 à plus de 200 watts de pointe possibles. En pratique, pour améliorer l’efficacité et la praticité, plusieurs cellules PV sont câblées ensemble dans une combinaison en série et/ou en parallèle pour produire la tension requise et la puissance de sortie de pointe.
Combien de cellules sont nécessaires pour un Panneau Photovoltaïque
Le nombre de cellules PV individuelles requises pour compléter un panneau photovoltaïque solaire dépend vraiment de la quantité d’énergie dont vous avez besoin et du type de cellules PV utilisées, qu’elles soient monocristallines, polycristallines ou en film mince.
Les panneaux photovoltaïques existent sous toutes sortes de configurations et de tailles pour vous aider à répondre à vos besoins énergétiques solaires. La plupart des fabricants de panneaux PV produisent des panneaux solaires standard avec une tension de sortie de 12 volts et de 24 volts. La conception de ces panneaux photovoltaïques solaires standard consiste généralement en 36 cellules de silicium cristallin, qui ont évolué à partir de la nécessité de charger une batterie de 12 volts.
Un panneau photovoltaïque solaire typique de 12 volts donne environ 18.5 à 20.8 volts de sortie de pointe (en supposant une tension de cellule de 0.58V), en utilisant respectivement 32 ou 36 cellules individuelles connectées ensemble dans un agencement en série, ce qui est plus que suffisant pour charger une batterie standard de 12 volts. Des panneaux de 24 volts et 36 volts sont également disponibles pour charger de grands bancs de batteries à cycle profond, et comme les panneaux photovoltaïques sont fabriqués à partir de la même cellule PV de base, ils sont tous notés à peu près au même courant CC.
S’il est nécessaire d’obtenir un panneau solaire de sortie de 24 volts, alors il y aura 64 ou 72 cellules individuelles au sein d’un seul panneau solaire. Pour obtenir la sortie de 24 volts requise, deux panneaux de 12 volts sont effectivement câblés ensemble en série, généralement avec un cavalier, permettant au panneau solaire de produire les 24 volts requis. Les panneaux solaires de 24 volts ont une tension de circuit ouvert beaucoup plus élevée ( VOC) dans les moyennes à hautes 30, et ont une valeur de puissance de pointe plus élevée, à partir de 150 watts et plus.
Panneau Photovoltaïque Connecté en Série
Les cellules solaires photovoltaïques sont dites connectées en “série” lorsqu’elles sont enchaînées ensemble en une seule ligne. Comme le courant généré par la première cellule n’a pas d’autre direction, il doit également passer par la seconde cellule, la troisième, et ainsi de suite.
Nous pouvons donc voir que les cellules solaires en série ont un Courant Commun qui les traverse, car le courant qui passe à travers une cellule PV doit également passer à travers les autres de sorte qu’il ne peut suivre qu’un seul chemin. Ainsi, la quantité de courant qui circule à travers un ensemble de cellules photovoltaïques en série est la même à tous les points d’un circuit en série.
Panneaux Photovoltaïques ou modules solaires sont composés de plusieurs cellules qui sont enchaînées ensemble en série et encapsulées dans un boîtier respectueux de l’environnement, produisant un module solaire unique avec une tension de sortie plus élevée qu’avec simplement une seule cellule PV, comme le montre.
Cellules Photovoltaïques Connectées en Série
Dans notre exemple ci-dessus, quatre cellules photovoltaïques solaires sont connectées ensemble dans une combinaison en série. Si nous supposons que la tension de sortie produite par chaque cellule PV individuelle dans la chaîne est de 0.5 volts, alors la tension de sortie combinée sera la somme des tensions de sortie des cellules individuelles et cela se calcule comme suit :
VTOTAL = V1 + V2 + V3 + V4 = 0.5V + 0.5V + 0.5V + 0.5V = 2.0V
Pour les cellules connectées en série, le courant de sortie combiné est le même que celui produit par chaque cellule, alors : I1 = I2 = I3 = I4 = ICELLULE. La puissance combinée est la somme des puissances des cellules individuelles ou le produit de la tension multipliée par le courant, comme vu précédemment.
Il existe un inconvénient majeur à l’égard des cellules solaires connectées en série. Un effet indésirable se produit lorsqu’une cellule solaire devient défectueuse, endommagée ou est partiellement ou totalement ombragée par la lumière du soleil. Même si une seule cellule solaire est (partiellement) ombragée, l’effet est le même que si TOUTES les cellules connectées en série sont ombragées, ce qui entraîne une perte totale de la puissance de sortie.
Il y a aussi le risque que l’ensemble du courant des autres cellules passe à travers la cellule ombragée, provoquant ainsi des dommages par surchauffe appelés “chaleur de point chaud”. Il est donc important pour le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque connecté en série d’éviter même de légers ombrages sur ses cellules. Pour éviter des dommages électriques aux cellules, un soi-disant diode de contournement est connectée en parallèle avec chaque cellule PV, comme indiqué, une diode de contournement pour chaque cellule solaire.
Protection par Diode de Contournement
La présence de la diode de contournement limite la tension à travers la cellule défectueuse lorsqu’elle est en condition de polarisation inverse pour laisser passer un courant. La diode de contournement conduit, permettant ainsi au courant des bonnes cellules solaires de passer à travers elle et dans le circuit externe connecté.
La sur-tension inverse maximale développée à travers la cellule ombragée est réduite à l’équivalent d’une seule chute de tension de diode, de sorte que de plus grandes différences de tensions ne peuvent pas se produire dans la direction du courant inverse à travers la cellule. Ainsi, tous les courants élevés sont limités et contrôlés, empêchant la surchauffe due à une dissipation de puissance réduite. Idéalement, nous devrions avoir une diode de contournement pour chaque cellule PV individuelle, mais en pratique, il existe une diode de contournement pour plusieurs cellules.
Panneau Photovoltaïque Connecté en Parallèle
Les cellules photovoltaïques solaires sont dites connectées ensemble en “parallèle” lorsque leurs bornes respectives sont connectées à chaque borne de l’autre cellule PV ou cellules. Contrairement à la configuration en série précédente, dans les circuits en parallèle, le courant peut emprunter plus d’un chemin et, parce qu’il y a de multiples chemins, le courant n’est pas le même à tous les points d’un circuit en parallèle. Cependant, la tension générée à travers toutes les cellules d’un circuit en parallèle est la même. Ainsi, Cellules Photovoltaïques en Parallèle présentent une Tension Commune entre elles, ce qui est vrai pour tous les éléments en parallèle.
Cellules Photovoltaïques Connectées en Parallèle
Dans notre exemple ci-dessus, les quatre cellules photovoltaïques solaires sont connectées ensemble dans une combinaison parallèle. Pour les cellules connectées en parallèle, la tension de sortie combinée est la même que celle produite par chaque cellule, alors : V1 = V2 = V3 = V4 = VCELLULE.
Si nous supposons que le courant de sortie produit par chaque cellule PV individuelle dans la chaîne est de 1.0 ampère, alors le courant de sortie combiné sera la somme des courants de sortie des cellules individuelles et cela se calcule comme suit :
ITOTAL = I1 + I2 + I3 + I4 = 1.0A + 1.0A + 1.0A + 1.0A = 4.0A
Nous pouvons donc utiliser des cellules solaires photovoltaïques connectées en parallèle pour augmenter la sortie de courant. La puissance combinée est la somme des puissances des cellules individuelles ou le produit de la tension multipliée par le courant.
Nous avons précédemment mentionné qu’il peut y avoir un décalage de courant pour les cellules solaires connectées en série en raison de l’ombrage ou d’une cellule photovoltaïque défectueuse. Cela entraîne un biais des bonnes cellules sur la cellule défectueuse, provoquant la dissipation d’importantes quantités d’énergie électrique dans la cellule défectueuse.
Cette situation entraîne ce qu’on appelle généralement “la chauffe de point chaud” à l’intérieur de la cellule défectueuse (mauvaise), endommageant gravement le panneau solaire. Dans un panneau photovoltaïque solaire connecté en parallèle, un décalage de tension peut être plus drastique.
Si nous utilisons des cellules solaires nominalement identiques pour fabriquer notre panneau solaire photovoltaïque, alors pourquoi existe-t-il un décalage de tension des cellules ? Dans notre simple exemple parallèle ci-dessus, nous avons supposé que chaque cellule génère 0.5 volts, mais ce n’est pas toujours le cas. En cas de faibles sorties de courant (jours nuageux), ce décalage de tensions n’est généralement pas un problème.
Cependant, à mesure que le courant du panneau augmente, la cellule défectueuse cesse de produire de l’énergie et maintenant dissipe ou consomme de l’énergie, réduisant la tension de sortie du panneau solaire. Tout comme les cellules connectées en série, les effets dus à l’ombrage des cellules, la dégradation des cellules, les dommages, etc., signifient qu’en pratique, nous pouvons avoir des décalages entre les cellules PV.
Une connexion parallèle est moins sensible à ce type de décalage d’ombrage, car c’est un décalage de tension qui crée un plus gros problème. Alors pourquoi ne pas connecter principalement les cellules dans des panneaux photovoltaïques et des modules en parallèle, car en réalité, la plupart des cellules sont connectées en série, car nous devons augmenter la tension de sortie.
Le panneau photovoltaïque solaire préféré pour la plupart des applications de charge solaire est un module à 36 cellules, qui délivre environ 21 volts en tension de circuit ouvert, en supposant une tension de cellule de pointe de 0.58 volts, réduisant jusqu’à environ 16.5 volts sous conditions de pleine charge.
Un panneau solaire à 36 cellules est meilleur pour des climats très chauds afin de compenser la perte de puissance de sortie due aux températures de fonctionnement plus élevées. N’oubliez pas qu’un panneau solaire photovoltaïque est exposé au soleil toute la journée ! De plus, la tension supplémentaire compense les pertes de tension dans le système avec de longs câbles.
Panneau Photovoltaïque Typique à 36 Cellules
Nous avons précédemment indiqué que la Cellule Solaire Photovoltaïque individuelle est le bloc de construction de base d’un panneau ou module photovoltaïque complet et l’un des grands avantages de la construction de panneaux solaires est qu’ils peuvent être fabriqués pour satisfaire exactement aux exigences de tension et de courant nécessaires à votre projet particulier en ajustant le type et la quantité des cellules.
Les cellules photovoltaïques peuvent être connectées en parallèle pour atteindre le courant souhaité, ou connectées en série pour atteindre la tension souhaitée, puis placées dans un boîtier couvert de verre et hermétiquement scellé pour une protection contre la corrosion, l’humidité, la pollution et les intempéries.
Le Panneau Photovoltaïque peut être utilisé seul ou connecté ensemble en parallèle et série avec d’autres panneaux solaires et modules pour produire un plus grand réseau solaire avec une plus grande sortie de courant et de tension. Ces réseaux peuvent ensuite être disposés comme des panneaux sur les toits ou les murs d’un bâtiment pour alimenter l’énergie électrique générée directement dans le bâtiment. Avec la dernière technologie photovoltaïque, des cellules peuvent également être intégrées dans les tuiles de toiture elles-mêmes. Des groupes de cellules solaires PV peuvent être ajoutés ensemble pour fournir des niveaux de puissance croissants.
Dans le prochain tutoriel sur “L’Énergie Solaire”, nous verrons que pour maintenir la puissance de sortie maximale et améliorer l’efficacité d’un panneau photovoltaïque, le panneau PV doit constamment faire face au soleil. Cela peut être réalisé facilement en utilisant une simple technique appelée Orientation de Panneau Solaire pour suivre automatiquement le mouvement du soleil à travers le ciel entre le matin et la fin de la nuit, ou en réglant manuellement l’angle du panneau PV vers le soleil et en l’ajustant chaque jour.