Coefficient de Température d’une Cellule PV
Chez Cours d’Énergie Alternative, on nous pose souvent des questions sur la connexion des panneaux solaires photovoltaïques en série ou en parallèle pour obtenir plus de puissance. Mais la tension maximale d’un panneau ou d’un ensemble “perçue” par un contrôleur de charge n’est pas seulement la tension nominale du fabricant, 12V, 24V, etc., mais est une combinaison de sa tension en circuit ouvert, VOC, et de son coefficient de température.
Un certain nombre de facteurs peuvent affecter les performances réelles d’un panneau photovoltaïque, déviant ainsi de sa valeur théorique, et l’un de ces facteurs est le Coefficient de Température, ou plus précisément le Coefficient de Température de la Tension en Circuit Ouvert, donné soit en pourcentage de VOC par degré C (%/oC), soit en volts par degré C (V/oC).
Il est également évident qu’il existe d’autres facteurs influençant les performances d’un module (ou d’un ensemble) photovoltaïque tels que : types photovoltaïques (monocristallin, polycristallin), la quantité d’irradiance solaire (en W/m2), l’impédance de charge connectée (Z) pour un transfert de puissance maximal, ainsi que l’âge du panneau PV, car les performances des panneaux diminuent avec le temps, etc.
Le coefficient de température d’une cellule solaire est la quantité par laquelle sa tension de sortie, son courant ou sa puissance changent en raison d’un changement physique dans les conditions de température ambiante qui l’entourent, avant que l’ensemble ne commence à se réchauffer.
Plus précisément, le ratio du changement de performance électrique lorsque la température du panneau (ou de l’ensemble) PV est diminuée (ou augmentée) par des multiples de 1oC, par rapport à sa température de référence STC de 25oC.
Par exemple, un Coefficient de Température de 0.25% par oC signifie que pour chaque changement de température de 1oC, la tension, le courant ou la puissance de sortie du panneau changera d’un quart de pour cent.
Ainsi, pour chaque changement de température de 1oC au-dessus de 25oC (plus chaud), le panneau PV perd temporairement 0.25% de sa tension. Mais également, pour chaque 1oC en dessous de 25oC (plus froid), la tension du panneau PV augmente de 0.25%. Cela signifie qu’en temps chaud, une VOC plus basse et donc une VMP plus basse, tandis qu’en temps froid, une VOC plus élevée et une VMP plus élevée.
Estimer la variation de température à laquelle un panneau PV, un module ou un ensemble fonctionne aide à déterminer les tensions ajustées à la température du panneau. Les valeurs exactes de température dépendraient de votre emplacement.
Les photovoltaïques et les panneaux sont des dispositifs qui produisent de l’électricité en courant continu en proportion directe avec la quantité de radiation solaire qui tombe sur leur surface. Par conséquent, la puissance de sortie d’un panneau PV peut être calculée sur une gamme de différentes conditions d’éclairage.
Nous savons d’après des tutoriels précédents qu’un panneau PV est composé de nombreuses cellules photovoltaïques individuelles câblées ensemble pour produire une puissance nominale, exprimée en watts, en plein soleil (1000W/m2). Nous savons également que plusieurs panneaux PV peuvent être connectés ensemble pour former un ensemble PV qui peut produire plus de puissance solaire qu’un seul panneau solaire.
Une cellule solaire photovoltaïque produit un courant sur une gamme de tensions allant de 0V (court-circuit) à sa tension maximale en circuit ouvert à VOC. Étant donné qu’une cellule PV ne produit aucune tension lorsqu’elle est court-circuitée, puisque ISC x 0 volts = 0 watts. Elle ne produit également aucun courant lorsqu’elle est en circuit ouvert, car 0 ampères x VOC = 0 watts, la puissance de sortie maximale d’une cellule PV (ou d’un panneau) doit donc se produire à une certaine combinaison de courant et de tension en plein soleil.
Considérez la courbe des caractéristiques I-V d’une cellule solaire typique comme montré ci-dessous.
Courbe Caractéristique I-V d’une Cellule Solaire
Le graphique ci-dessus montre les courbes caractéristiques courant-tension (I-V) d’une cellule PV en silicium typique fonctionnant sous des conditions solaires normales. Avec la cellule PV ouverte, c’est-à-dire non connectée à aucune charge, le courant de la cellule (I) sera à sa valeur minimale (zéro), mais la tension à travers la cellule sera à son maximum, VOC.
À l’autre extrême, lorsque la cellule solaire est court-circuitée, c’est-à-dire lorsque les bornes positive et négative sont connectées ensemble, la tension (V) à travers la cellule sera à son minimum (zéro) mais le courant circulant dans la cellule sera à son maximum, ISC.
Cependant, le paramètre d’intérêt pour nous ici est celui donné pour la tension à circuit ouvert, VOC, car c’est la tension maximale générée par une cellule PV, un panneau, un module ou un ensemble, lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil sans charge, ou avec une très légère charge sur un contrôleur, une batterie ou un onduleur. La tension d’une cellule PV est directement affectée par sa température de fonctionnement.
Coefficient de Température de la Tension à Circuit Ouvert
Les caractéristiques de fonctionnement électrique d’un panneau ou module photovoltaïque particulier, indiquées par le fabricant, se rapportent lorsque le panneau fonctionne à une température ambiante de 25oC. Mais la tension à circuit ouvert d’un panneau PV augmentera à mesure que la température des panneaux diminue. Le résultat est que des conditions de surtension pourraient survenir lorsque plusieurs panneaux sont connectés ensemble en série, ce qui peut endommager des contrôleurs de charge ou des onduleurs connectés.
Étant donné que la température a un effet significatif sur la sortie d’un panneau photovoltaïque, les fabricants spécifient un paramètre de “coefficient de température” pour chaque panneau, qui indique le pourcentage de changement de tension (ou de millivolts de changement de tension) par 1oC de changement de température du panneau au-dessus ou en dessous de la cote standard de 25oC.
Bien que les contrôleurs de charge soient des composants essentiels dans tout système PV autonome ou basé sur batterie, car ils empêchent les modules ou ensembles de panneaux PV de surcharger les batteries tout en optimisant simultanément le courant de charge, il y a une limite à la tension d’entrée maximale qui peut être appliquée.
Considérez l’étiquette du Renogy 100 Watt, Panneau Solaire 12 Volt ci-dessous.
Courbe Caractéristique I-V de la Cellule Solaire
À une STC standard (Conditions de Test Standard) d’une température de cellule PV (T) de 25oC, une irradiance de 1000 W/m2 et avec une Masse d’Air de 1.5 (AM = 1.5), le panneau solaire produira une puissance maximale continue (PMAX) de 100 Watts.
Ces 100 watts de puissance de sortie produite par le panneau PV est le produit de sa tension et de son courant à son point de puissance maximal, soit : P = V x I. L’étiquette Renogy nous indique que VMP = 16.0 volts et IMP = 6.25 ampères.
Ainsi, 16.0 x 6.25 = 100 watts.
L’étiquette Renogy indique également que la tension à circuit ouvert, VOC, sera de 20.0 volts lorsque les bornes des panneaux sont dans une condition de circuit ouvert sans charge, soit 4.0 volts de plus que sa valeur VMP.
Mais plus intéressant encore, elle nous indique que le coefficient de température du panneau PV est de : -0.30% par oC de VOC.
Bien que l’étiquette des spécifications électriques du panneau ne précise pas la plage de température de fonctionnement, la plupart des panneaux standard d’un bon fabricant peuvent facilement fonctionner à des températures comprises entre -40oC et +85oC (-40 à 185oF).
Il est évident que -40oC représente des conditions arctiques, mais supposons que la température la plus basse pour un site donné descend à ce -40oC (-40oF), si seulement pour quelques jours ensoleillés. Quelle serait la tension de sortie maximale du panneau à cette température plus basse ? (Vous pouvez trouver les températures maximales basses et élevées de votre emplacement en ligne.)
- VOC du panneau PV Renogy ci-dessus à STC (25oC) est donné comme : 20V
- Différence de température entre STC et la valeur de température la plus basse = 25oC – (-40oC) = 65oC
- Le coefficient de température du panneau PV est donné comme : 0.30% par oC de VOC
- Si VOC = 20V, alors (20/100) x 0.3% = 0.06 volts de changement par degré de changement de température
- L’augmentation de VOC à cette température de -40oC est : 65oC x 0.06 = 3.9 volts
- Ainsi, la valeur de tension VOC des panneaux à notre température de -40oC sera 20V + 3.9V = 23.9V
- C’est-à-dire : 20 x [1 + ((-65/100) x -0.3)] = 23.9 volts
Ainsi, bien que ce Renogy 100 Watt Panneau Solaire est référencé et vendu comme un panneau 12V, sa valeur VMP est de 16.0 volts, sa valeur VOC à STC est de 20.0 volts, mais sa valeur à des températures extrêmes froides est de 23.9 volts, soit 3.9 volts de plus que sa valeur VOC nominale, et le double de celle de sa valeur standard de 12 volts, comme montré.
Courbes de Tension des Panneaux PV
Nous pouvons donc voir qu’une tension à circuit ouvert d’un panneau PV augmentera à mesure que la température ambiante diminue, basée sur la température de référence standard STC de 25oC.
Il en va de même pour VOC qui diminuera à mesure que la température ambiante augmente. Par exemple, à la température de fonctionnement maximale de +85oC, VOC = 16.4 volts. Une plage de tension de 7.5V (23.9 – 16.4) sur la plage de température de fonctionnement des panneaux PV.
Bien que la sortie de courant des panneaux varie légèrement avec les changements de température ambiante, ce sont les extrêmes de tension qui nous intéresseront car c’est cela qui détermine le nombre de panneaux PV par chaîne série en fonction du modèle de contrôleur de charge (ou d’onduleur) utilisé.
Par exemple, supposons que nous ayons un contrôleur de charge ayant une tension d’entrée maximale d’ensemble de 110 VDC. Au départ, vous pourriez penser que vous pourriez utiliser 9 panneaux en série de 12V car 12 x 9 = 108 volts. Ou en regardant la valeur VOC des panneaux donnée comme 20 volts, vous pourriez utiliser 5 panneaux en série par chaîne car 20 x 5 = 100 volts. Mais cela pourrait ne pas être le cas, alors examinons cela de plus près.
Le nombre maximum de panneaux PV Renogy ci-dessus que nous pouvons utiliser dans une chaîne série, basé sur la tension d’entrée maximale de 110 V du contrôleur de charge serait :
Trois panneaux en série par chaîne : VOC(MAX) = 23.9 V x 3 = 71.7V = Ok et dans la limite de 110V.
Quatre panneaux en série par chaîne : VOC(MAX) = 23.9 V x 4 = 95.6V = Ok et dans la limite de 110V.
Cinq panneaux en série par chaîne : VOC(MAX) = 23.9 V x 5 = 119.5V = Non Ok, tension trop élevée.
Il est donc clair qu’en utilisant notre exemple Panneau PV Renogy 100W, 12V ci-dessus, quatre panneaux par chaîne série est le maximum que nous pourrions utiliser pour notre contrôleur de charge donné, avec un coefficient de température de 0.3%/oC. Ainsi, les valeurs minimales de VMP et maximales de VOC définissent la “fenêtre de tension” dans laquelle le contrôleur de charge (ou l’onduleur) peut fonctionner. Dans notre exemple simple, ceci est 16 à 23.9 = 7.9 volts par panneau.
Que vous décidiez d’acheter un contrôleur de charge (ou un onduleur) en premier et ensuite de calculer le nombre de panneaux nécessaires en utilisant les tensions ajustées à la température de l’ensemble, ou de calculer la tension maximale à circuit ouvert de tous vos panneaux connectés utilisant leur coefficient de température pour une certaine zone de toit et trouver un contrôleur adéquat pour correspondre à la tension. Connaitre la température la plus basse possible et ajuster la valeur de VOC du panneau empêchera tout voltage DC d’ensemble élevé inattendu d’endommager votre contrôleur de charge ou votre onduleur connectés.
Résumé du Tutoriel
Nous avons vu ici que les spécifications électriques et les informations fournies sur l’étiquette ou le nom du panneau photovoltaïque se rapportent à ses performances sous des conditions de test standard (STC). C’est-à-dire une irradiation solaire de 1 000 watts par mètre carré et une température de cellule de 25oC (77oF). Malheureusement, comme beaucoup de choses, ces conditions standards ne sont pas typiques des conditions réelles que votre panneau doit supporter lorsqu’il est fixé à votre toit ou dans votre jardin.
En général, les trois seules valeurs de fonctionnement données sur l’étiquette ou le nom de la caractéristique I-V de la cellule solaire sont son courant de court-circuit, ISC quand V = 0, sa tension à circuit ouvert, VOC quand I = 0, et son point de puissance maximale, PMPP pour les valeurs de IMPP et VMPP. Mais nous devons également tenir compte des coefficients de température de la tension et du courant dans ses conditions extrêmes.
La tension de sortie d’un panneau PV est directement affectée par sa température de fonctionnement. À mesure que la température des panneaux augmente ou diminue, sa tension terminale est également affectée pour une situation de charge donnée. La spécification la plus couramment utilisée en conjonction avec la tension à circuit ouvert pour calculer la tension de fonctionnement maximale d’un système est son coefficient de température.
Appliquer les valeurs du coefficient de température d’un panneau nous permet de calculer le changement possible maximal en pourcentage qu’un panneau pourrait fournir en fonction de la température ambiante la plus froide historique pour un emplacement donné, et comme nous l’avons vu, cela pourrait presque doubler la tension que nous attendions.
Le coefficient de température d’un panneau ou module PV particulier ne se limite pas seulement à sa tension à circuit ouvert VOC, mais peut également être utilisé pour traduire les courant et puissance à des températures différentes. Cependant, puisque le coefficient de température pour le courant est généralement beaucoup plus faible que pour la tension, 0.04%/oC selon notre exemple d’étiquette, les effets du changement de température sur le courant sont très faibles.
Néanmoins, calculer le coefficient de température de la tension à circuit ouvert est un moyen de déterminer la tension maximale absolue à la température annuelle la plus basse possible de votre emplacement, et permet de calculer la réduction de la tension des panneaux ou de l’ensemble à des températures extrêmes.