mon-fourgon-aménagé

1 . Panneau photovoltaïque et régulateur :

          Les différents types de panneaux

          Le fonctionnement d'un panneau photovoltaïque

          Constitution d'une cellule

          Composition d'un panneau photovoltaïque

          Précautions d'utilisation

          Conclusions

          Détermination du choix d'un panneau

        ( voir article   Régulateur pour panneau solaire   )    

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Les différents types de panneaux :  On distingue actuellement 3 principaux types de panneaux photovoltaïques, qui sont différenciés par le type de cellules qui les composent . Toutes les cellules sont produites à base de silicium, mais les méthodes de fabrication diffèrent et leur donnent des caractéristiques très différentes, notamment en termes de productivité .

En fonction des matériaux utilisés et de la technique de construction, les panneaux photovoltaïques auront des rendements différents .
Sur le marché grand public on trouve trois familles, mais pour les véhicules de loisirs, seulement le monocristallin et le polycristallin sont proposés en raison de leur rapport prix/rendement :

• monocristallin : c'est la technologie la plus performante en terme de rendement (15 à 22%) car ils sont fabriqués à partir de tranches de cristal pur; facile à reconnaître, les cellules sont octogonales et d'une couleur foncée, grise ou bleu marine .
• polycristallin : dans ce cas les cristaux sont reconstitués à partir de chutes de cristaux . Leur rendement est un plus faible (10 à 15%), les meilleurs disposent d'un rendement de 15% : reconnaissables par leur aspect bleuté scintillant et les cellules sont de forme rectangulaire .
• amorphe : ici ce ne sont pas des cristaux mais des atomes organisés en couche homogène, les cellules sont produites à partir d'un "gaz de silicium" . Le rendement est beaucoup plus faible, de l'ordre de 5 à 10%, c'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires", reconnaissable par leur teinte grise très foncée .

Un rendement de 10% signifie que pour une puissance de 1000 W (rayonnement solaire) qui arriverait sur le panneau, celui-ci produirait une puissance électrique de 100 Watts .

Concernant le coût, plus le rendement est élevé plus le coût l'est aussi, ceci s'explique par les difficultés de mise en oeuvre de la fabrication.

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Le fonctionnement d'un panneau photovoltaïque :

L’énergie solaire photopile ou photovoltaïque est le résultat de la conversion de la lumière du soleil en électricité par l’intermédiaire de matériaux semi-conducteurs, recouverts d’une mince couche métallique telle que le silicium :

- une couche dopée Positivement (avec un matériau comme le Bore qui possède moins d'électrons que le Silicium),

- une couche dopée Négativement (avec du Phosphore par exemple qui possède plus d'électrons que le Silicium) .

Lorsqu'un photon de la lumière arrive, son énergie crée une rupture entre un atome de silicium et un électron, modifiant les charges électriques . C'est ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque . Les atomes, chargés positivement, vont alors dans la zone P et les électrons, chargés négativement, dans la zone N . Une différence de potentiel électrique, c'est-à-dire une tension électrique, est ainsi créée .

Le silicium : c'est l'élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%) ; il n'existe pas à l'état libre mais sous forme de composés : de dioxyde silice (dans le sable, le quartz, etc ...) ou de silicates (dans les feldspath, la kaolinite, etc...) ,

Le photon : c'est une particule élémentaire qui constitue le rayonnement électromagnétique comme celui de la lumière visible : porteur d'énergie, le photon peut extraire des charges électriques des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium .

Ainsi, et contrairement aux capteurs thermiques qui produisent de la chaleur (chauffe-eau, capteur plan, capteur tubulaire…), les panneaux solaires photovoltaïques produisent du courant électrique quand ils sont exposés à la lumière, par cette conversion photovoltaïque.

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Constitution d'une cellule :

                                     Photo 01 :     le croquis ci-dessus montre la production d’électricité :

Les cellules photovoltaïques sont composées de plusieurs couches.

La couche supérieure est composée de silicium dopé par un élément contenant plus d'électrons que lui . Cette couche contient donc plus d'électrons qu'une couche de silicium pur, cette couche est appelée semi-conducteur de type N .

La couche inférieure est composée de silicium dopé par un élément contenant moins d'électrons que lui . La couche contient donc moins d'électrons qu'une couche de silicium pur, elle est appelée semi-conducteur de type P .

La mise en contact de ces deux couches met en place une jonction PN qui permet le passage des électrons d'une couche à l'autre . Lorsque le lumière (les photons plus particulièrement) arrive sur le module photovoltaïque, il se crée un apport d'énergie qui vient arracher un électron de la couche N, qui vient ensuite se placer dans la couche P . 

                                   Photo 02 :     le croquis ci-dessus montre la structure d'une cellule

En conséquence à cela, les charges à l’intérieur de la cellule sont modifiées . Des électrodes sont placées sur les couches, la cathode (pôle positif) est située au dessus de la couche N et l’anode au dessous de la couche P : il y a création d’une différence de potentiel électrique (tension) et formation d’un courant électrique .

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Composition d'un panneau photovoltaïque :

Un panneau photovoltaïque est composé de plusieurs cellules branchées en série et/ou en parallèle, chacune d'elles délivrant une tension de 0.5V à 0.6V . Ces cellules sont soudées les unes aux autres, traditionnellement sur leur face avant (il existe aussi des panneaux dont les soudures sont faites sur la face arrière, ces panneaux sont appelés "back contact", ils offrent en général un rendement supérieur de 10% grâce à la surface économisée sur la face avant) .

Une analogie avec la batterie d'accumulateurs au plomb de 12V peut être faite dans laquelle chaque élément (accumulateur) au nombre de 6 est constitué d'un ensemble de plusieurs plaques soudées en parallèle pour augmenter le courant débité donc la capacité de la batterie; ensuite ces 6 éléments de 2V chacun sont soudés en série pour fournir une batterie de 12 V .

L'analogie s'arrête là car une batterie d'accumulateurs stocke de l'énergie alors qu'un panneau photovoltaïque fournit une énergie à l'instant t fonction de l'ensoleillement, une énergie nulle lorsque le panneau est masqué .

                                   Photo 03 :     cellule de forme octogonale d'un panneau monocristallin

Un panneau constitué de 20 cellules photovoltaïques va donc délivrer une tension U de 12V, et cela quelque soit l'ensoleillement . Mais pour faire fonctionner des appareils électriques, c'est la puissance P (en Watt) qui détermine l'énergie électrique . Comme la puissance est égale au produit de cette tension par le courant produit ( P = U × I ) , c'est donc l'intensité du panneau qui déterminera l'énergie électrique et par voie de conséquence c'est l'intensité qui variera en fonction de l'ensoleillement .

L'intensité délivrée par une cellule dépend directement de l'irradiation solaire . Dans les conditions optimales d'irradiation (1000W/m²), un panneau solaire de 100W produira un courant de 6A avec une tension de 16,7V. S'il est peu illuminé, le panneau solaire délivrera un courant de très faible intensité .

L'irradiation : Dans le domaine de la physique, c'est une émission de rayons (notamment lumineux) d'un corps ou une propagation par rayonnement .

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Les fabricants de panneaux photovoltaïques utilisent souvent ce terme pour désigner la puissance maximale donnée par leurs panneaux solaires . Le kilowatt crête ou Watt crête (Wc) correspond à la puissance de pointe (terme anglais « Kilowatt Peak » formé à partir du mot « peak » signifiant point culminant/pic) . Cette valeur indique la puissance atteinte par un panneau solaire exposé à un rayonnement solaire maximal (dans des conditions de test standard prédéfinies) . Une de ces conditions standard est un rayonnement solaire optimal de 1 000 watts par mètre carré, ce qui, en France, correspond aux heures autour de midi d'une belle journée d'été .

La  « puissance crête  »  est désignée par la plupart des fabricants par le terme de « valeur nominale »  ou  « puissance nominale » . Puisqu’elle est basée sur des mesures effectuées dans des conditions optimales, la puissance crête ne correspond pas à la puissance enregistrée dans des conditions réelles de rayonnement . Elle est inférieure d’environ 15 à 20% en raison du fort échauffement des cellules solaires enregistré dans la pratique .

Précautions d'utilisation :

L'énergie produite dans des conditions réelles sera en général nettement inférieure à celle qui aurait été produite dans des conditions standards. Elle dépendra essentiellement de 3 facteurs :

• l'état du panneau, propreté et ombrage,
• le rayonnement global journalier, c'est-à-dire l'ensoleillement,
• la température du panneau .

a)  L'état des panneaux :

Des pertes énergétiques peuvent survenir sur les panneaux solaires photovoltaïques, ce qui peut affecter leur rendement . Ces pertes énergétiques peuvent par exemple être des pertes par ombrage si l’environnement du panneau solaire photovoltaïque inclut des bâtiments, des arbres ou des murs qui produisent des ombres sur le panneau, affectant ainsi directement l’énergie collectée . De même, les dépôts de poussière ou de saleté sur les panneaux solaires photovoltaïques peuvent occasionner une réduction de la tension et du courant produit par le générateur photovoltaïque .

Il est important de maintenir un état d'extrême grande propreté pour un rendement maximal du panneau sachant que le rendement maximal sera atteint lorsque le soleil se trouve au zénith c'est-à-dire un rayonnement perpendiculaire à la surface du panneau : l'angle d'incidence optimal est donc de 90° .

b)  Le rayonnement :

Le rendement des panneaux solaires dépend donc de leur orientation : l'angle d'incidence des rayons du soleil détermine le rendement du panneau solaire .

                           Photo 04 : suivant l'angle d'incidence, la quantité de lumière reçue au m² varie .

         a) le soleil est au zénith, perpendiculaire au panneau photovoltaïque, la réception est maximale à 100%,

         b) un faible angle d'incidence et la réception n'est plus que 90% de la lumière émise,

         c) un grand angle d'incidence et la réception est de 33% .

C'est ce qui explique qu'il fait plus chaud en été parce que la surface chauffée par un même faisceau de lumière est moins grande (mais pas que ...) . Le sol reçoit donc jusqu'à trois fois plus de chaleur en été qu'en hiver .

Les journées étant jusqu'à deux fois plus longues, cela fait jusqu'à cinq fois plus d'énergie reçue au solstice d'été par rapport au solstice d'hiver . (voir photo 05 et 06)

(a)                                                                                   (b)
Photos 05 et 06 :   (a) en rouge, déplacement du soleil au 21 juin (été), en vert le déplacement au 21 décembre (hiver) et en bleu lors de l'équinoxe . (b) représentation du soleil, sa position sa hauteur en fonction des périodes de l'année .

Quand la somme de l'angle d'inclinaison du panneau photovoltaïque et de l'angle zénithal est égale à 90° le panneau solaire est en orientation optimale sur le plan vertical .

Si l'angle d'incidence est de 90 ° :  ................. le rendement est de 100%

Si l'angle d'incidence est de 55 ° :  ................. le rendement est de 82%

Si l'angle d'incidence est de 30 ° :  ................. le rendement est de 50%

Mais malheureusement le 100% nos camping-cars ne l'obtiennent qu'en été car nos panneaux solaires ne sont pas orientables et inclinables comme les paraboles de nos réceptions satellites !

Angle d'incidence :  c'est l'angle formé par le plan du panneau solaire et les rayons du soleil,  l'angle incident optimal étant de 90° .                       

Angle d'inclinaison : synonyme du terme "angle d'irradiation", c'est l'angle formé par le plan du panneau solaire et l'horizontale .                        

Angle zénithal :  c'est l'angle formé par les rayons solaires et l'horizontale ; il varie en fonction de la hauteur du soleil au dessus de l'horizon.

                   Photo 07 : fourgon aménagé équipé de 4 panneaux photovoltaïques de 100 watts chacun .
                                     Observez les 36 cellules par panneau solaire .

                        

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Un générateur photovoltaïque est un générateur dont la caractéristique est fortement non linéaire .

En conséquence, pour un même éclairement, la puissance délivrée sera différente selon la charge .

Un contrôleur MPPT permet donc de piloter le "convertisseur statique" reliant la charge, la batterie de la cellule par exemple, ainsi que le panneau photovoltaïque de manière à fournir en permanence le maximum de puissance à la batterie .

Le régulateur MPPT traque avec une grande rapidité et une grande précision la tension Vmp du panneau solaire . Il balaye une plage de tension en entrée pour déterminer constamment à quel point se trouve la puissance maximale délivrée par le panneau .

Rappel :

la puissance électrique P est fonction de l'intensité I et de la tension U et est égale au produit U x I . Ainsi, on maximise la puissance P si on arrive à maximiser les deux variables I et U . De plus, avec une intensité I donnée, on peut faire varier la tension U en faisant varier la résistance R, selon la Loi d'Ohm où U = R x I .

Dans le cas d'un panneau solaire, l'intensité maximale possible I est dépendante de la puissance lumineuse reçue par la cellule photovoltaïque . Tant que la charge ne dépasse pas la capacité de la cellule, l'intensité I est maximisée par l'ensoleillement reçu . Quand la charge augmente trop, l'intensité I baisse, jusqu'à zéro . Dans ce cas, la puissance de sortie est elle aussi nulle . Pour maximiser la puissance P, on va faire varier la tension U circulant dans la cellule, et atteindre la tension U la plus haute possible sans faire baisser l'intensité I .

On parle d'ailleurs pour les panneaux photovoltaïques de "générateurs non linéaires" .

  fig.01 :  le graphe ci-dessus représente la recherche du point où la puissance est maximale et les valeurs aux trois points sont les suivantes :

- Point A :                      I = 2.6A  et  V = 14.5V   ====>     P = 37.70 W

- Point B :                      I = 1.9A  et  V = 19.0V   ====>     P = 36.10 W

- Point MPPT :              I = 2.5A  et  V = 18.0V   ====>     P = 45.00 W

Comme le montre le graphe ci-dessus, le point de tracking ou le point de puissance maximale, ne sera pas le point A où la tension U est plus élevé ni le point B où l'intensité du courant électrique est importante mais le point MPP (point de tracking), meilleur compromis où le produit  U x I  fournira la puissance maximale à la charge, soit 45,00 watts .

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