Principe et technologie photovoltaïque

L’effet photovoltaïque

Il est la capacité de transformer l’énergie solaire en électricité. Ceci est possible grâce à l’utilisation de cellules photovoltaïques -PV-.

Une cellule PV (cf. Fig. P1) est capable de générer une tension comprise entre 0,5 V et 2 V suivant les matériaux utilisés et un courant directement dépendant de la surface (cellule de 5 ou 6 pouces).

Fig. P1 – Cellule photovoltaïque réalisée dans une plaquette de silicium (source Photowatt)

Ses caractéristiques s’expriment suivant une courbe courant - tension comme présentée sur la Figure P2.

Fig. P2 – Caractéristique typique d’une cellule photovoltaïque

L'effet photovoltaïque est fonction de deux grandeurs physiques (voir Fig. P3) : l'éclairement et la température :

• Lorsque l'éclairement E (W / m²) augmente, il en va de même pour le courant et la puissance produite par la cellule,
• lorsque la température T (°C) de la cellule augmente, la tension de sortie diminue de manière significative, le courant augmente légèrement, de sorte que globalement la puissance de sortie diminue.

Fig. P3 – L’éclairement et la température influent sur l’effet photovoltaïque

Pour exploiter plus facilement l’énergie générée par des cellules photovoltaïques, les fabricants proposent des associations série et/ou parallèle rassemblées dans des panneaux ou modules.

Les modules photovoltaïques

Ces associations de cellules (cf. Fig. P4) permettent d’élever la tension et le courant. Pour optimiser les caractéristiques des modules, ils sont constitués de cellules ayant des caractéristiques électriques proches.

Fig. P4 – Module photovoltaïque (source Photowatt)

Chaque module qui délivre une tension de quelques dizaines de volts, est caractérisé par sa puissance ayant pour unité le watt crête (Wc) ou watt peak (Wp) en anglais. Elle correspond à la puissance produite par une surface de un m² soumise à un éclairement de 1000 W/m² sous 25°C. Mais des modules identiques peuvent être de puissances différentes, habituellement la tolérance des puissances indiquées est de ± 3% (cf. tableau de la Figure P5). Le module de puissance typique 160 Wc regroupe l’ensemble des modules dont la puissance se situe entre 155 Wc (160 - 3%) et 165 Wc (160 + 3%).

Il est donc utile de comparer leur rendement qui est égal à leur puissance (W/m²) divisé par 1000 W/m².

Par exemple, un module de160 Wc a une superficie de 1,338 m². Sa puissance crête est donc de 160/1,338 soit 120 Wc/m².

D’où un rendement pour ce module de : 120/1000 = 12%

Cependant, l’association série de cellules photovoltaïques peut engendrer un phénomène destructeur, lorsque l’une d’entre elles est partiellement ombrée, appelé "Hot Spot". Celle-ci va fonctionner en récepteur et le courant qui va la traverser peut alors la détruire. Afin de supprimer ce risque, les fabricants intègrent des diodes ByPass qui court-circuitent les cellules endommagées. Les diodes

Bypass sont habituellement fixées dans le boîtier de raccordement situé à l’arrière du module et permettent de shunter 18 ou 22 cellules selon les fabricants.

Ces modules sont ensuite associés en série pour atteindre le niveau de tension désiré : ils forment des chaînes de modules ou "string". Puis les chaînes sont groupées en parallèle pour obtenir la puissance souhaitée et forment alors un champ photovoltaïque -champ PV- (PV array en anglais).

Au sein d'une chaîne, un module défectueux doit être remplacé par un module strictement identique, d'où l'importance de la pérénnité des fournisseurs choisis.

Enfin, le choix d’un matériel impose une sérieuse réflexion car il existe de plus en plus de fabricants de modules photovoltaïques à travers le monde, aussi l’installateur doit- il :

• s’assurer de la compatibilité des caractéristiques électriques avec le reste de l’installation (tension d’entrée de l’onduleur),
• ainsi que de leur conformité aux normes,
• mais aussi sélectionner ses fournisseurs pour leur pérennité afin de pouvoir assurer le remplacement d’un module défectueux qui devra être strictement identique à ceux déjà installés.

  Ce dernier point est important puisque l’installateur est responsable de la garantie donnée à son client.

Des appareils complémentaires : onduleur ou chargeur

Un générateur photovoltaïque a pour particularité de ne fournir de l’énergie sous la forme de courant continu et qu’en période d’ensoleillement.

De fait, si cette énergie doit être fournie au réseau de distribution il est nécessaire de transformer le courant continu en courant alternatif avec des convertisseurs ou onduleurs, et si l’objectif est d’en disposer en permanence il faut alors l’emmagasiner dans des accumulateurs au moyen de chargeur de batteries.