BDPV - Suivi de production
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De la cellule au module :
Tous les modules PV, quelque soit leur technologie fonctionnent grace au meme principe : l effet photoelectique. Je ne vais pas entrer dans les details car cela est abondamment discute sur Internet : voir par exemple article de Wikipedia :
WIKI
Le principe est simple : sous l action de la lumiere, les electrons du conducteur sont mis en mouvement.
Je rappellerais juste les points importants :
� Les electrons ne sont emis que si la frequence de la lumiere est suffisamment elevee et depasse une frequence limite appelee frequence seuil.
� Cette frequence seuil depend du materiau et est directement liee a l'energie de liaison des electrons qui peuvent etre emis.
� Le nombre d'electrons emis lors de l'exposition a la lumiere, qui determine l'intensite du courant electrique, est proportionnel a l'intensite de la source lumineuse.
� L'energie cinetique des electrons emis depend lineairement de la frequence de la lumiere incidente.
� Le phenomene d'emission photoelectrique se produit dans un delais extremement petit inferieur a 10-9 s apres l'eclairage, ce qui rend le phenomene quasi instantane.
Pour prendre une image, considerons le saut a la perche. L electron est le sportif, la perche est le photon (lumiere) et la barre en hauteur est le seuil de passage. Si la perche est trop courte (l energie du photon est insuffisante, la frequence est pas bonne), l electron ne passera pas. Ensuite, plus y a de perches (de photons), plus on pourra faire passer d electrons.
La comprehension de l existence de ce seuil est fondamental pour la suite de l expose. Sa principale consequence est que si un courant existe alors il aura une tension bien definie et pas n importe quoi et que l on passera directement d une tension nulle a cette tension particuliere.
Maintenant que l on a mis en mouvement les electrons, il faut les canaliser. C est le role de la cellule photoelectrique. La encore, je vous renvoie a Internet, par exemple l article de Wikipedia :
WIKI
Si on reprend l image du saut a la perche, faut imaginer qu en plus la piste conduisant a la barre est en pente, ce qui oblige les electrons a aller tous dans le meme sens. Dans la pratique, on cree un sandwich de materiau, l un dope positivement, l autre negativement, ce qui cree un champ electrique (la pente de mon image) obligeant les electrons a aller dans la meme direction.
Notre cellule etant creee, elle n est pas utilisable tel quel car sa tension et son courant sont trop faibles. En effet sa tension est directement determinee par le seuil que l on a vu a peine (0,6V pour le Silicium) et son courant par sa surface et la purete du materiau (plus la surface de la cellule est grande, plus elle captera de lumiere, plus son courant sera important. Actuellement, on trouve des cellules de 6 , soit 156mm de cote qui donne un courant de l ordre de 8,0A).
Tous les modules sont constitues de cellules elementaires qui sont rassemblees en serie et/ou en parallele suivant le constructeur pour former un module. Les caracteristiques du module sont donc entierement definies par celles de la cellule elementaire (je neglige pour simplifier les petits fils, soudures et diodes qui permettent d assembler les cellules).
Il est ainsi assez facile de determiner les caracteristiques moyennes d un module si on sait comment sont connecte les cellules. Par exemple considerons un module de 50 cellules de 6 en serie (5 colonnes de 10 cellules). Sa tension sera de 50x0,6 = 30V et son courant de 8,0A.
La description que je viens de faire n a pas tenue compte d un facteur important : la temperature. Son role est tres important au niveau de la cellule. C est assez facile a comprendre si on regarde ce qui se passe au niveau des atomes. La temperature, c est de la chaleur ce qui se traduit par de l agitation et du desordre au niveau atomique. Au zero absolu, tout le monde est bien a sa place, tout le monde marche au pas comme un regiment a l armee. Mais avec l elevation de la temperature, le regiment se transforme en une foule desordonnee, il y a de la bousculade. La consequence sur mon image de saut a la perche, c est qu il arrive que des electrons possedent deja un peu plus d energie lors du saut, ce qui revient a dire que pour eux la barre est un peu moins haute que prevue. Par consequent, la tension de la cellule diminue un peu puisque celle-ci est directement liee a la hauteur de la barre. Le courant lui augmente un tout petit peu car certains electrons qui n avaient pas l energie suffisante arrivent tout de meme a passer. On peut se demander d ou vient la chaleur ? Et bien simplement de tous les photons qui n ont pu etre a absorbes par les electrons et qui ont simplement a bouscules le reseau cristallin.
Le champ PV :
Une installation photoelectrique est constituee de plusieurs modules connectes en serie et/ou en parallele. Le but est d obtenir au final une tension et un courant eleve afin d avoir de la puissance. En faisant cela, on ne fait qu augmenter la surface exposee au Soleil, mais on ne change rien par rapport a notre petite cellule elementaire de base. Ainsi les proprietes enoncees au debut de cet expose sont toujours d actualite :
- Des la premiere lumiere, le champ PV aura une tension non nulle voisine de sa tension en circuit ouvert.
- Plus il y aura de lumiere, plus le courant sera eleve et plus la puissance sera importante.
- Plus la temperature augmente, plus la tension diminue.
Considerons l exemple suivant : 12 modules Biohaus Biosol 180P6+ Indach en serie avec un onduleur Diehl Platinum 2100. Les donnees techniques sont resumees dans le tableau suivant :
Le module est constitue de 50 cellules en serie de 6 , la tension est bien de l ordre de 30V comme dans l exemple vu plus haut. Le courant est de 7,73A, c est une cellule polycristalline qui a un courant plus faible qu une cellule monocristalline.
Le diagramme MPPT de l onduleur est le suivant (voir le precedent document pour plus d explication a ce sujet) :
- La zone jaune correspond a l'intervalle de tension dans laquelle l'onduleur recherche le point de puissance maximal (MPPT).
- La zone rose correspond a l'intervalle de tension maximale supportee par l'onduleur.
- Les barres horizontales indiquent les plages de tension generees par les modules en fonction de la temperature entre -10oC (point le plus a droite en bleu) et +70oC (point le plus a gauche en rouge). De haut en bas, les barres indiquent :
--- Uoc pour un ensoleillement de 100W/m2
--- Uoc pour un ensoleillement de 1000W/m2
--- Umpp pour un ensoleillement de 100W/m2
--- Umpp pour un ensoleillement de 1000W/m2
- La barre verticale noire indique la tension MPP dans les conditions STC.
- La barre horizontale jaune indique le courant maximal supporte par l'onduleur. La barre rouge se trouvant dessus indique le courant genere par les modules dans les conditions STC.
- La barre verticale rouge indique la tension de fonctionnement optimale de l'onduleur.
Sont indiquees en rouge les valeurs minimales des tensions MPP et en bleu les valeurs maximales des tensions en circuit ouvert a chaque fois pour une irradiation de 100 et 1000W/m2. En noir sont indiquees les tensions MPPT de l'onduleur et la tension MPP dans les conditions STC.
Donc globalement, le point de fonctionnement va se deplacer de 196V pour un ensoleillement de 100W/m2 avec une temperature de 70oC a 350V pour un ensoleillement de 1000W/m2 avec une temperature de 10oC. La plage de l onduleur etant de [206 ; 390]V, il n y a pas de probleme.
Voyons ce qui c est passe pour un jour particulier (2 fevrier 2008) :
- Au niveau des tensions DC et AC :
- au niveau des courants DC et AC :
Des le demarrage de l onduleur, la tension DC est deja bien elevee (la tension AC etant elle toujours autour de 230V, la tension du reseau) bien que le courant est quasi nul. Il est maximum en milieu de journee vers 12h30 a environ 5,4A ce qui correspond a un ensoleillement d environ 750W/m2.
Si on regarde les puissances obtenues, on voit un graphique en tout point similaire a celui des courants :
Enfin, on peut regarder la courbe de rendement de l onduleur :
En rouge le rendement de l onduleur : Puissance AC/Puissance DC et en bleu le rapport de la puissance DC par rapport a la puissance nominale de l onduleur (1900W). On constate que tant que la puissance en entree est superieure a 25% de la puissance nominale, l onduleur tourne autour de 93% qui est proche de son rendement Europeen.
Et pour finir, un graphique qui illustre l effet de la temperature et des ombres :
On observe tres nettement une tension plus elevee le matin, de meme a partir de 16h00 juste avant une chute brutale due a l ombre d un bout de cheminee.
Je devrais en fait supprimer le mot "chute" puisque ces coefficients refletent une variation positive ou negative d'une grandeur.
j'ai ete surpris de voire que les coefficients C1 et C2 de la caracteristique d"un module suivant le modele de �RAUSCHENBACH restent constant quelque soit l'eclairement et la temperature.
Cela veut donc dire que la forme de la courbe ne varie jamais mais qu'elle se deplace de haut en bas en fonction de l'eclairement et de gauche a droite en fonction de la temperature
Merci a Ir83 pour son aide a la comprehension d'un systeme photovoltaique
Cordialement