Regroupement (série et parallèle)

Les regroupements série-parallèle sont utilisés pour avoir une tension importante car on a vu précédemment que l’association en série des photopiles délivre une tension égale à la somme des tensions individuelles et un courant égal à celui d’une seule cellule.
La caractéristique d’un groupement de deux modules solaires est représentée sur la figure I.13, ce qui peut être généralisé sur une gamme de Ns modules solaires en série. Ce genre de groupement augmente le courant.
Pour avoir la puissance des générateurs photovoltaïques intéressants, on est obligé de grouper les cellules photovoltaïques en série et en parallèle pour obtenir un générateur mixte équivalent. L’équation relative à un groupement mixte formé par la mise en série de Ns cellules et de Np parallèles est la suivante :

Caractéristique puissance-tension

La puissance est le produit de la tension par l’intensité (P = U*I), donc on peut tracer la caractéristique puissance-tension de la cellule pour mieux localiser le PMPP (maximum power point).

Protection des cellules PV

Pour protéger les cellules contre l’humidité on l’encapsule dans un polymère EVA (éthylènevynil acétate).Aussi, un verre sert à protéger sur la surface avant trempées à haute transmission et de bonne résistance mécanique, et sur la surface arrière d’une ou de Polyéthylène.

Diodes antiparallèles ou diode Anti-Retour

Diodes anti-retour

Les diodes anti-retour sont nécessaires pour le branchement entre les panneaux. On sai t que le courant circule naturellement du point de tension le plus fort vers le plus faible. Donc, lorsque le photogénérateur se trouve dans l’obscurité (la nuit notamment), la tension de la batterie dépasse la tension délivrée par le photogénérateur, le courant passerait alors de la batterie vers le photogénérateur. D’où l’importance des diodes anti-retour.

Diode by-pass

La diode by -pass à pour rôle de protéger les cellules à l’ombre car à cause de l’association en série dans un générateur PV, une cellule à l’ombre doit supporter une surchauffe qui peut entraîner sa destruction. On place généralement la diode by -pass en dérivation afin de limiter le courant en situation déséquilibre car sans ces diodes le panneau risquerait de prendre feu à cause de l’échauffement de la cellule occultée qui n’arrivera pas à dissiper la puissance à se s bornes.
Aussi, lorsque tout le module est à l’ombre, une batterie bien chargée pourrait débiter dans celui-ci, ce qui serait dangereux pour la structure des photodiodes quasiment incapables de dissiper de l’énergie. On introduit une diode anti-retour sur la borne + du module pour être à l’abri d’un tel ennui.
N.B : Les diodes anti -retour et by-pass a une influence sur la tension (c’est -à-dire que la tension pourra chuter 0,6 V environ. On doit prendre en compte ses deux diodes dans le rendement de conversion des modules.
Les constructeurs de modules implantent généralement entre 2 et 5 dio des by-pass par modules. Chacune des diodes by -pass est associée à un sous-réseau de cellules du module.
Lorsqu’une des cellules du sous-réseau est ombragée, la diode by-pass devient passante, c’està dire que le courant circule dans la diode en isolant ainsi du circuit électrique le sous-réseau de cellule associé.

Module photovoltaïque 

Les cellules solaires sont assemblées en série et/ou parallèle pour produire plus de puissance et forment un module puis panneau. Des modules de plus en plus puissantes sont disponibles sur le marché, en particulier pour la connexion du réseau, mais il y’a tout de même une limite liée au poids et à la manipulation. Donc pour constituer un générateur de puissance élevée, on réunit systématiquement plusieurs modules photovoltaïques et on les câble entre eux avant de les relier au reste du système.

Nombre de cellules par module 

Une cellule au silicium cristallin délivre une tension de circuit ouvert de 0.50V à 0.60 V environ dans les conditions STC décrit précédemment. Son point de puissance maximale dans ce cas est situé entre 0,46 W et 0,47 W.
Si on suppose que notre panneau doive pouvoir charger une batterie 12V jusqu’à sa tension maximale d’environ 14V. Les pertes lors des câblage est de 2 à 3V .Aussi, du fait des élévations de température, il faut disposer d’un panneau fournissant au minimum 16 -17 V à sa puissance maximale. Si on fait la calcule c’est-à-dire on divise 16,5 par 0,46, on trouvera le nombre arrondi de 36, valeur courante comme nombre de cellules en série des panneaux usuels du marché. Cela permet de disposer les photopiles d’un module en 4 rangées de 9. En pratique, les modèles les plus courants de 12V comportent 32 à 44 cellules, suivant la valeur exacte de la tension de chaque cellule et de la température d’utilisation.

Panneau solaire

Un module est un ensemble de cellules élémentaires regroupées en série et/ou en parallèle pour produire une puissance suffisante.
Un panneau se compose de modules interconnectés en série/parallèle pour avoir la puissance requise. Pour chaque panneau on peut avoir autant de sorties que de modules. Pour cela une boite de dérivation est nécessaire afin de les regrouper (figure I.21).
La boite de dérivation fixée sur une structure du montage a comme rôle d’effectuer les connections entre les modules pour obtenir une puissance optimale en sortie. Une boite de dérivation est composée également d’un circuit imprimé sur le quel se trouvent :
 Des diodes schotcky séries, placées sur un radiateur, sur chaque entrée qui empêchent aux batteries de se décharger dans les panneaux.
 Des fusibles de protections qui empêcheront aux batteries de se décharger dans les modules en cas de destruction des diodes antiparallèles.
 Des diodes lumineuses, en parallèle sur chaque fusible de protection. Ces diodes permettent de contrôler individuellement chaque branche des modules. Par exemple, une boite à 4 entrées de 24 Volts sera constituée de deux branches de deux modules, il y aura donc deux diodes qui permettront de constater le fonctionnement de chaque branche.
 Une protection parafoudre (Transil ou VDR) en sortie de la boîte.

Système de régulation

Le régulateur de charge/décharge est l’électronique entièrement automatique à laquelle sont reliés le panneau photovoltaïque, la batterie, ainsi que les équipements destinataires de l’électricité solaire.
Le régulateur de charge est un élément d’un système photovoltaïque, son rôle est de contrôler la charge et la décharge d’une batterie afin d’en maxi miser la durée de vie. Ses fonction principal est de réduire le courant lorsque la batterie est presque entièrement chargée.
Lorsqu’une batterie se rapproche d’un état de charge complète, de petites bulles commencent à se former sur les électrodes positives. A partir de ce moment, il vaut mieux réduire le courant de charge non seulement pour éviter des dégâts mais aussi afin de mieux atteindre l’état de charge complète. Un courant trop élevé peut provoquer une déformation des électrodes à l’intérieur, ce qui pourrait créer un court-circuit.
La tension aux bornes de la batterie est l’indication sur laquelle s’appliquera le régulateur pour assurer sa fonction. Le régulateur mesure en permanence cette tension et la compare à deux seuils de tension prérégler : seuil haut et seuil bas.

Régulation de décharge

La régulation de décharge s’effectue par un comparateur qui compare la tension de la batterie à un seuil de tension préréglé bas et transmet l’information à un circuit de commande. Ce dernier arrête de décharge lorsque la tension par élément dépasse la tension de seuil.

STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME

Introduction

Comme nous le savons, les installations photovoltaïques ne fournissent de l’énergie que durant la journée. Pendant la nuit et par temps couvert, la fourniture d’énergie est nulle ou insignifiante. Les batteries sont donc nécessaires pour stocker u ne partie de l’énergie produite et aussi pour pouvoir l’utiliser lorsque la production photovoltaïque est insuffisante afin de couvrir les besoins énergétiques des consommateurs.

Les technologies de stockage d’énergie électrique PV

Le stockage correspond à la conservation de l’énergie produite par le générateur PV pour pouvoir l’utiliser ultérieurement. Suivant les conditions météorologiques, le stockage de l’énergie électrique a pour rôle de :
 Fournir à l’installation de l’électricité lorsque le générateur PV n’en produit pas (la nuit ou par mauvais temps par exemple).
 Fournir à l’installation des puissances plus importantes que celles fournies par le générateur PV.
L’énergie solaire n’étant pas disponible la nuit, il est donc nécessaire d’équiper les systèmes PV non connecté au réseau par des batteries d’accumulateurs qui permettent de stocker l’énergie et de la restituer en temps voulu. La présence des batteries exige l’utilisation d’une unité dédiée à la gestion de l’énergie. En effet, ces dernières possèdent deux tensions critiques (tension de surcharge et tension de décharge profonde) qui doivent être respectées sous pêne d’usure prématurée, ou pire, leur détérioration.
Il existe de nombreux moyens de stocker de l’électricité, qui passent quasiment tous par sa conversion en une autre forme d’énergie plus aisée à confiner, telle l’énergie chimique par exemple. Seuls le stockage électromagnétique et le stockage électrostatique stockent l’électricité sous forme de charges électriques.

Régime de recharge en technique photovoltaïque

En technique PV, les régulateurs de charge/décharge photovoltaïque ont certains traits communs avec les régulateurs de charge à deux étapes que celle à trois étapes. Dans ce cas, on parlera de régime modifié à deux étapes, car au cours des durées changeantes, le courant disponible généré par le générateur photovoltaïque est variable, la tension de la batterie étant elle fixée par la vigueur du régime (Figure II.4).
Les constructeurs de batteries et de chargeurs de batteries se réfèrent généralement au régime classique à trois étapes ou au régime à deux étapes.

Batteries au plomb 

Une batterie au plomb est composée de plusieurs éléments d’accumulateurs montés en série.
Sa tension est toujours multiple de 2 volts environ. La batterie au plomb acide est la forme de stockage de l’énergie électrique la plus courante, en raison de son coût qui est relativement faible et d’une large disponibilité. .
En réalité, une batterie de 12 volts chargée affichera une tension de 12,8 à 13,2 volts ; si la tension d’une batterie chargée est inférieure à 11,4 volts, la batterie sera en fin de vie. Même non branchée, une batterie au plomb se décharge lentement du fait de diverses réactions chimiques parallèles présentes, qui peuvent conduire à la « sulfatation » de la borne positive (poudre blanchâtre).
La capacité d’une batterie est donnée en Ah (ampère-heure). Deux éléments associés en série doubleront la tension disponible, pour une même capacité, mais deux éléments associés en parallèle doubleront la capacité de la batterie pour une tension disponible inchangée.

Batteries « tubulaires »

Les batteries tubulaires sont vendues sous forme d’élément de 2V de plusieurs centaines d’A/h. Les batteries tubulaires stationnaires sont caractérisées par une grande réserve d’électrolyte au dessus des électrodes ce qui permet un entretien moins fréquent, ainsi que par une hauteur importante de fond de la batterie sous les plaques qui permet d’éviter le court circuit provoqué par les déchets de plaques. Elles sont souvent utilisées en tant que batteries stationnaires, mais elles possèdent en plus de très bonnes caractéristiques en cyclage profond (10 à 15 ans d’espérance de vie en application photovoltaïque). Par rapport aux autres batteries ouvertes, les batteries tubulair es souffrent plus de lastratification de l’électrolyte à cause de leur hauteur.

Table des matières
GLOSSAIRE
NOMENCLATURE
LISTE DES FIGURES 
LISTE DES TABLEAUX 
LISTE DES ANNEXES 
INTRODUCTION 
CHAPITRE I. GENERALITES SUR L’ENERGIE ELECTRIQUE PHOTOVOLTAÏQUE 
I.1. Introduction
I.2. L’effet photovoltaïque *2+*3+*4+*15+
I.2.1. Définition et principe
I.3. Rayonnement solaire
I.3.1. Spectre du rayonnement
I.3.2. Constante solaire et « valeur du Soleil »
I.3.3. Différents types de rayonnement
I.3.4. Nombre d’air masse
I.3.5. Durée d’insolation
I.4. Cellule PV
I.4.1. Fabrication d’une cellule PV
I.4.2. Fonctionnement d’une cellule PV
I.4.3. Types de cellule photovoltaïque
I.5. Association des cellules PV
I.5.1. Regroupement en série
I.5.2. Regroupement en parallèle
I.5.3. Regroupement (série et parallèle)
I.5.4. Caractéristiques de la cellule PV
I.6. Protection des cellules PV
I.6.1. Diodes antiparallèles ou diode Anti-Retour
I.6.2. Diode by-pass
I.7. Module photovoltaïque
I.7.1. Nombre de cellules par module
I.7.2. Montages des modules photovoltaïques
I.7.3. Caractéristiques d’un module PV
I.8. Description des éléments d’un régime photovoltaïque (3)
I.8.1. Panneau solaire
I.8.2. Système de régulation
I.8.3. Système de stockage
I.8.4. Système de conversion
I.9. Avantages et inconvénients de l’énergie PV *6+*8+
I.9.1. Avantages
I.9.2. Inconvénients
I.10. Conclusion
CHAPITRE II. STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME
II.1. Introduction
II.2. Les technologies de stockage d’énergie électrique PV *9+*10+
II.3. Batteries
II.3.1. Définition
II.3.2. Principe de fonctionnement
II.3.3. Caractéristiques
II.3.4. Régime standard de recharge des batteries
II.3.5. Régime de recharge en technique photovoltaïque
II.4. Différentes types de batteries
II.4.1. Batteries au plomb
II.4.2. Les batteries au lithium
II.4.3. Batteries Nickel-Cadmium
II.5. CONCLUSION
CHAPITRE III. MODELISATION D’UN REGIME PHOTOVOLTAIQUE ET DU SYSTEME DE STOCKAGE 
III.1. Introduction
III.2. Modèle de rayonnement solaire
III.2.1. Rayonnement solaire sur un plan horizontal
III.2.2. Rayonnement solaire sur un plan incliné
III.3. Modélisation du champ photovoltaïque
III.3.1. Modélisation d’une cellule solaire
III.3.2. Caractéristique I=f (V) d’une cellule solaire
III.3.3. Paramètres caractéristiques d’une cellule solaire
III.3.4. Groupement des cellules solaires
III.4. Facteurs limitatifs du rendement
III.4.1. Influence de l’éclairement
III.4.2. Influence de la résistance série RS
III.4.3. Influence de la résistance parallèle RP
III.4.4. Influence de la température
III.5. Modélisation d’une Batterie *10+*13+
III.5.1. Modèle de la charge de Batterie
III.5.2. Modèle de la décharge de Batterie
III.5.3. La tension de la Batterie
III.5.4. Courant de Batterie
III.5.5. Rendement de la Batterie
III.5.6. Couplage Direct entre un GPV et une Batterie
III.6. CONCLUSION
CHAPITRE IV. AUTOMATISATION DE LA CONNEXION DES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES
ET MESURES DES CARACTERISTIQUES DU MODULE
IV.1. Introduction
IV.2. Caractérisation du module PV utilisé
IV.3. Principe de regroupement des cellules par section
IV.4. Dispositif expérimental pour les mesures des caractéristiques électriques
IV.5. Caractéristiques courant-tension et puissance-tension
IV.5.1. Tension de circuit ouvert
IV.5.2. Courant de court-circuit
IV.5.3. Méthode de définition des caractéristiques I(V) de sortie
IV.6. CONCLUSION
CHAPITRE V. ETUDE PAR SIMULATION DU SYSTEME PV/BATTERIE 
V.1. Introduction
V.2. L’outil Matlab/Simulink *6+
V.3. Le générateur photovoltaïque « G PV »
V.3.1. Modèle de la cellule PV
V.3.2. Comparaison des résultats
V.4. Simulation de la recharge directe de la batterie
V.4.1. Caractéristique de la batterie au plomb acide à simuler
V.5. Résultats de la simulation
V.6. Interprétation des résultats
V.7. Conclusion
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES
ANNEXES