Caractéristiques I-V des cellules solaires et courbe I-V des cellules solaires
Les courbes caractéristiques I-V des cellules solaires montrent les caractéristiques de courant et de tension (I-V) d’une cellule photovoltaïque (PV), d’un module ou d’un ensemble. Elles fournissent une description détaillée de la capacité de conversion d’énergie solaire et de l’efficacité de l’appareil. Connaître les caractéristiques électriques I-V (en particulier Pmax) d’une cellule ou d’un panneau solaire est essentiel pour déterminer les performances de sortie et l’efficacité solaire de l’appareil.
Les cellules solaires photovoltaïques convertissent la lumière rayonnante du soleil directement en électricité. Avec une demande croissante pour une source d’énergie propre et le potentiel du soleil comme source d’énergie gratuite, la conversion de l’énergie solaire, faisant partie d’un mélange de sources d’énergie renouvelables, devient de plus en plus importante. En conséquence, la demande pour des cellules solaires efficaces, qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité, croît plus rapidement que jamais.
Les cellules photovoltaïques (PV) sont presque entièrement fabriquées à partir de silicium semi-conducteur, traité en un matériau cristallin extrêmement pur qui absorbe les photons de la lumière solaire. Les photons frappent les atomes de silicium, libérant des électrons, ce qui provoque un courant électrique lorsque la cellule photoconductrice est connectée à une charge externe, par exemple une batterie. Il existe plusieurs mesures différentes que nous pouvons effectuer pour déterminer les performances de la cellule solaire, telles que sa puissance de sortie et son efficacité photovoltaïque.
Les principales caractéristiques électriques d’une cellule ou d’un module PV se résument dans la relation entre le courant et la tension produite sur une courbe de caractéristiques I-V classique d’une cellule solaire. L’intensité du rayonnement solaire (ensoleillement) qui frappe la cellule contrôle le courant (I), tandis qu’une augmentation de la température de la cellule solaire réduit sa tension (V).
Courbe caractéristique I-V des cellules solaires
Le graphique ci-dessus montre les caractéristiques courant-tension (I-V) d’une cellule PV en silicium typique fonctionnant dans des conditions normales. La puissance délivrée par une cellule ou un panneau solaire unique est le produit de son courant de sortie et de sa tension (I x V). Si la multiplication est effectuée, point par point, pour toutes les tensions, allant des conditions de court-circuit aux conditions de circuit ouvert, la courbe de puissance ci-dessus est obtenue pour un niveau de radiation donné.
Avec la cellule solaire en circuit ouvert, c’est-à-dire non connectée à aucune charge, le courant sera à son minimum (zéro) et la tension à travers la cellule est à son maximum, connu sous le nom de tension à circuit ouvert des cellules solaires, ou Voc. À l’autre extrême, lorsque la cellule solaire est en court-circuit, c’est-à-dire que les fils positifs et négatifs sont connectés ensemble, la tension à travers la cellule est à son minimum (zéro), mais le courant sortant de la cellule atteint son maximum, connu sous le nom de courant de court-circuit des cellules solaires, ou Isc.
Caractéristiques I-V des panneaux solaires
Ensuite, l’étendue de la courbe des caractéristiques I-V des cellules solaires va du courant de court-circuit (Isc) à zéro volts de sortie, jusqu’à zéro courant à la pleine tension à circuit ouvert (Voc). En d’autres termes, la tension maximale disponible d’une cellule est à circuit ouvert et le courant maximum à circuit fermé. Bien sûr, aucune de ces deux conditions ne génère de puissance électrique, mais il doit y avoir un point quelque part entre ces deux conditions où la cellule solaire génère une puissance maximale.
Cependant, il existe une combinaison particulière de courant et de tension pour laquelle l’énergie atteint sa valeur maximale, à Imp et Vmp. En d’autres termes, le point où la cellule génère une puissance électrique maximale, cela est montré dans la partie supérieure droite du rectangle vert. C’est le point de puissance maximale ou MPP. Par conséquent, le fonctionnement idéal d’une cellule photovoltaïque (ou panneau) est défini comme étant au point de puissance maximale.
Le point de puissance maximale (MPP) d’une cellule solaire est positionné près de la courbure dans la courbe des caractéristiques I-V. Les valeurs correspondantes de Vmp et Imp peuvent être estimées à partir de la tension à circuit ouvert et du courant de court-circuit : Vmp ≅ (0,8–0,90)Voc et Imp ≅ (0,85–0,95)Isc. Étant donné que la tension et le courant de sortie d’une cellule solaire dépendent tous deux de la température, la puissance de sortie réelle variera avec les changements de température ambiante.
Caractéristiques électriques d’un ensemble photovoltaïque
Jusqu’à présent, nous avons examiné la courbe caractéristique I-V d’une seule cellule ou panneau solaire. Cependant, un ensemble photovoltaïque est composé de panneaux PV plus petits interconnectés. La courbe I-V d’un ensemble PV est donc simplement une version agrandie de la courbe caractéristique I-V d’une seule cellule solaire.
Les panneaux photovoltaïques peuvent être câblés ou connectés ensemble en séries ou en parallèles, ou les deux, pour augmenter la tension ou la capacité de courant de l’ensemble solaire. Si les panneaux de l’ensemble sont connectés en série, alors la tension augmente; et s’ils sont connectés en parallèle, le courant augmente. La puissance électrique en Watts, générée par ces différentes combinaisons photovoltaïques sera toujours le produit de la tension multipliée par le courant (P = V x I). Peu importe comment les panneaux solaires sont connectés, le coin supérieur droit sera toujours le point de puissance maximale (MPP) de l’ensemble.
Les caractéristiques électriques d’un ensemble photovoltaïque se résument dans la relation entre le courant de sortie et la tension. La quantité et l’intensité de l’ensoleillement (irradiance solaire) contrôlent le montant du courant de sortie (I), et la température de fonctionnement des cellules solaires affecte la tension de sortie (V) de l’ensemble PV. Les courbes caractéristiques I-V des cellules solaires, qui résument la relation entre le courant et la tension, sont généralement fournies par le fabricant des panneaux.
Paramètres d’un ensemble solaire
- VOC = tension à circuit ouvert – Ceci est la tension maximale que l’ensemble fournit lorsque les connecteurs ne sont pas connectés à une charge (état de circuit ouvert).
- ISC = courant de court-circuit – Le courant maximum fourni par l’ensemble PV lorsque les connecteurs de sortie sont courts (état de court-circuit).
- MPP = point de puissance maximale – Ceci fait référence au point où la puissance fournie par l’ensemble connecté à une charge (batteries, onduleurs) est à sa valeur maximale, où MPP = Imp x Vmp.
- FF = facteur de remplissage – Le facteur de remplissage est la relation entre la puissance maximale que l’ensemble peut réellement fournir dans des conditions normales de fonctionnement et le produit de la tension à circuit ouvert multipliée par le courant de court-circuit (VOC x ISC).
- %eff = pourcentage d’efficacité – L’efficacité d’un ensemble photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique maximale que l’ensemble peut produire par rapport à la quantité d’irradiance solaire frappant l’ensemble.
Les courbes caractéristiques I-V des cellules solaires sont des graphiques de la tension de sortie par rapport au courant pour différents niveaux d’ensoleillement et de température et peuvent en dire beaucoup sur la capacité d’une cellule ou d’un panneau PV à convertir la lumière du soleil en électricité. Les valeurs les plus importantes pour calculer la puissance d’un panneau particulier sont la tension et le courant à puissance maximale. Bien que certains panneaux solaires soient classés à des tensions légèrement plus élevées ou plus basses que d’autres de la même valeur en watts, cette différence de watts affecte la quantité de courant disponible et donc le point de puissance maximale du panneau.
Les courbes des caractéristiques I-V photovoltaïques fournissent les informations nécessaires pour configurer un ensemble solaire afin qu’il puisse fonctionner aussi près que possible de son 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 un rayonnement solaire équivalent à 1000 watts par mètre carré, soit 1000 W/m2 ou 1 kW/m2.
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