Le réseau solaire photovoltaïque
Si les panneaux solaires photovoltaïques sont composés de cellules photovoltaïques individuelles reliées entre elles, alors leRéseau solaire photovoltaïque, également simplement appelé unPanneaux solairesest un système composé d’un groupe de panneaux solaires reliés entre eux.
Un réseau photovoltaïque est donc composé de plusieurs panneaux solaires électriquement câblés ensemble pour former une installation photovoltaïque beaucoup plus grande (système photovoltaïque) appelée un réseau, et en général, plus la surface totale de l’ensemble est grande, plus il produira d’électricité solaire.
Un système photovoltaïque complet utilise un réseau photovoltaïque comme source principale pour la production de l’alimentation électrique. La quantité d’énergie solaire produite par un seul panneau ou module photovoltaïque n’est pas suffisante pour un usage général.
La plupart des fabricants produisent un panneau photovoltaïque standard avec une tension de sortie de 12V ou 24V. En connectant de nombreux panneaux PV individuels en série (pour une tension plus élevée) et en parallèle (pour une demande de courant plus élevée), le réseau PV produira la puissance désirée.
Un réseau solaire photovoltaïque
Les cellules et panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie solaire en électricité à courant continu (CC). La connexion des panneaux solaires dans un seul réseau photovoltaïque est la même que celle des cellules photovoltaïques dans un seul panneau.
Les panneaux d’un réseau peuvent être connectés électriquement entre eux en série, en parallèle ou dans un mélange des deux, mais en général, une connexion série est choisie pour augmenter la tension de sortie. Par exemple, lorsque deux panneaux solaires sont câblés ensemble en série, leur tension est doublée tandis que le courant reste le même.
La taille d’un réseau photovoltaïque peut consister en quelques modules ou panneaux photovoltaïques individuels connectés ensemble dans un environnement urbain et montés sur un toit, ou bien plusieurs centaines de panneaux photovoltaïques interconnectés ensemble dans un champ pour alimenter toute une ville ou un quartier. La flexibilité du système photovoltaïque modulaire (système photovoltaïque) permet aux concepteurs de créer des systèmes solaires capables de répondre à une grande variété de besoins électriques, qu’ils soient grands ou petits.
Il est important de noter que les panneaux ou modules photovoltaïques de différents fabricants ne doivent pas être mélangés en un seul réseau, même si leur puissance, leur tension ou leur courant de sortie sont nominalement similaires. Cela s’explique par le fait que les différences dans les courbes caractéristiques des cellules solaires I-V ainsi que leur réponse spectrale sont susceptibles de provoquer des pertes supplémentaires par décalage au sein du réseau, réduisant ainsi son efficacité globale.
Les caractéristiques électriques d’un réseau photovoltaïque
Les caractéristiques électriques d’un réseau photovoltaïque sont résumées dans la relation entre le courant de sortie et la tension. La quantité et l’intensité de l’insolation solaire (irradiance solaire) contrôlent la quantité de courant de sortie (I), et la température de fonctionnement des cellules solaires influence la tension de sortie (V) de la chaîne photovoltaïque. Les courbes de panneaux photovoltaïques (I-V) qui résument la relation entre le courant et la tension sont données par les fabricants et sont données comme suit :
Paramètres des panneaux solaires
VOC = tension en circuit ouvert :– C’est la tension maximale que le réseau fournit lorsque les bornes ne sont pas connectées à une charge (une condition de circuit ouvert). Cette valeur est bien plus élevée que Vmax, ce qui concerne le fonctionnement du réseau PV fixé par la charge. Cette valeur dépend du nombre de panneaux photovoltaïques reliés en série.
ISC = courant de court-circuit– Le courant maximal fourni par le réseau PV lorsque les connecteurs de sortie sont en court-circuit (une condition de court-circuit). Cette valeur est bien plus élevée que celle d’Imax, ce qui correspond au courant normal du circuit de fonctionnement.
Pmax = point de puissance maximale– Cela concerne le point où l’alimentation fournie par l’ensemble connecté à la charge (batteries, onduleurs) est à sa valeur maximale, où Pmax = Imax x Vmax. La puissance maximale d’un réseau photovoltaïque est mesurée en Watts (W) ou en Watts de crête (Wp).
FF = facteur de remplissage –Le facteur de remplissage est la relation entre la puissance maximale que le réseau peut réellement fournir dans des conditions normales de fonctionnement et le produit de la tension en circuit ouvert multipliée par le courant de court-circuit, (Voc x Isc). Cette valeur du facteur de remplissage donne une idée de la qualité de l’ensemble et plus le facteur de remplissage est proche de 1 (unité), plus l’ensemble peut fournir d’énergie. Les valeurs typiques se situent entre 0,7 et 0,8.
% eff = % d’efficacité –L’efficacité d’un réseau photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique maximale que le réseau peut produire et la quantité d’irradiance solaire frappant le panneau. L’efficacité d’un panneau solaire typique est normalement faible, autour de 10 à 12 %, selon le type de cellules (monocristallines, polycristallines, amorphes ou à couche fine) utilisées.
Les courbes de caractéristiques des I-V photovoltaïques fournissent les informations nécessaires pour configurer des systèmes pouvant fonctionner aussi près que possible du point de puissance maximale. Le point de puissance de crête est mesuré lorsque le module photovoltaïque produit sa puissance maximale exposée au rayonnement solaire, équivalente à 1000 watts par mètre carré, soit 1000 W/m2 ou 1 kW/m2. Considérez le circuit ci-dessous.
Connexions de panneaux photovoltaïques
Ce simple réseau photovoltaïque ci-dessus se compose de quatre modules photovoltaïques comme illustré, produisant deux branches parallèles dans lesquelles deux panneaux photovoltaïques sont connectés électriquement ensemble pour former un circuit en série. La tension de sortie de l’ensemble sera donc égale à la connexion en série des panneaux photovoltaïques, et dans notre exemple ci-dessus, elle est calculée comme : Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
Le courant de sortie sera égal à la somme des courants de branche parallèle. Si l’on suppose que chaque panneau PV produit 3,75 ampères en plein soleil, le courant total ( IT ) sera égal à : IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 ampères. Ensuite, la puissance maximale du réseau photovoltaïque en plein soleil peut être calculée comme suit : Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
Le réseau PV atteint son maximum de 180 watts en plein soleil car la puissance maximale de chaque panneau ou module PV est équivalente à 45 watts (12V x 3,75A). Cependant, en raison des différents niveaux de rayonnement solaire, de l’effet de température, des pertes électriques, etc., la puissance maximale réelle est généralement bien inférieure aux 180 watts calculés. Ensuite, nous pouvons présenter nos caractéristiques de la centrale photovoltaïque comme étant :
Caractéristiques des réseaux photovoltaïques
Diodes de dérivation dans les réseaux photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques et les diodes sont tous deux des dispositifs semi-conducteurs fabriqués à partir d’un matériau en silicium de type P et d’un matériau de silicium de type N fusionnés ensemble. Contrairement à une cellule photovoltaïque qui génère une tension lorsqu’elle est exposée à la lumière, les diodes à jonction PN agissent comme une vanne électrique unidirectionnelle à semi-conducteur qui ne laisse circuler que le courant électrique dans une seule direction.
L’avantage est que les diodes peuvent être utilisées pour bloquer le flux de courant électrique provenant d’autres parties d’un circuit solaire électrique. Lorsqu’elles sont utilisées dans un réseau solaire photovoltaïque, ces types de diodes au silicium sont généralement appelés diodes de blocage.
Dans le tutoriel précédent sur les panneaux photovoltaïques, nous avons vu que les « diodes de dérivation » sont utilisées en parallèle avec une ou plusieurs cellules solaires photovoltaïques pour empêcher le ou les courants provenant de cellules photovoltaïques bonnes et bien exposées au soleil de surchauffer et de brûler les cellules PV faibles ou partiellement ombrées en fournissant un passage de courant autour de la cellule défectueuse. Les diodes de blocage sont utilisées différemment des diodes de dérivation.
Les diodes de dérivation sont généralement connectées en « parallèle » à une cellule ou un panneau PV pour dévier le courant autour de celle-ci, tandis que les diodes de blocage sont connectées en « série » avec les panneaux PV pour empêcher le courant de revenir vers elles. Les diodes de blocage sont donc différentes des diodes de dérivation, bien que dans la plupart des cas la diode soit physiquement la même, mais elles sont installées différemment et ont un usage différent. Considérez notre installation solaire photovoltaïque ci-dessous.
Diodes dans les réseaux photovoltaïques
Comme nous l’avons dit plus tôt, les diodes sont des dispositifs qui ne permettent au courant de circuler que dans une seule direction. Les diodes colorées en vert sont les diodes de dérivation familières, une en parallèle avec chaque panneau PV pour fournir un chemin à faible résistance autour du panneau. Cependant, les deux diodes colorées en rouge sont appelées les « diodes de blocage », une en série avec chaque branche de série. Ces diodes de blocage garantissent que le courant électrique ne circule QUE HORS de l’ensemble en série vers la charge externe, le contrôleur ou les batteries.
La raison est d’empêcher le courant généré par les autres panneaux photovoltaïques connectés parallèlement dans le même réseau de revenir à travers un réseau plus faible (ombré) et aussi d’empêcher les batteries entièrement chargées de se décharger ou de se vider à travers le réseau PV la nuit. Ainsi, lorsque plusieurs panneaux PV sont connectés en parallèle, des diodes de blocage doivent être utilisées dans chaque branche parallèle connectée.
De manière générale, les diodes de blocage sont utilisées dans les réseaux PV lorsqu’il y a deux branches parallèles ou plus, ou s’il est possible qu’une partie de l’ensemble devienne partiellement ombragée pendant la journée lorsque le soleil se déplace dans le ciel. La taille et le type de diode de blocage utilisés dépendent du type de réseau photovoltaïque. Deux types de diodes sont disponibles pour les réseaux solaires : la diode au silicium à jonction PN et la diode barrière Schottky. Les deux sont disponibles avec une large gamme de courants.
La diode barrière Schottky a une chute de tension directe beaucoup plus faible, d’environ 0,4 volt, contrairement à la chute de 0,7 volt des diodes PN pour un dispositif en silicium. Cette chute de tension plus faible permet d’économiser une cellule PV complète dans chaque branche en série du panneau solaire, ce qui rend le réseau plus efficace car moins de puissance est dissipée dans la diode de blocage. La plupart des fabricants incluent des diodes de blocage dans leurs modules PV, simplifiant ainsi la conception.
Construisez votre propre réseau photovoltaïque
La quantité de rayonnement solaire reçue et la demande énergétique quotidienne sont les deux facteurs déterminants dans la conception des installations photovoltaïques et des systèmes solaires. Le réseau photovoltaïque doit être dimensionné pour répondre à la demande de charge et prendre en compte les pertes du système, tandis que l’ombrage d’une partie du panneau solaire réduira significativement la production de l’ensemble du système.
Si les panneaux solaires sont connectés électriquement en série, le courant sera le même dans chaque panneau et, si les panneaux sont partiellement ombrés, ils ne peuvent pas produire la même quantité de courant. De plus, les panneaux photovoltaïques ombragés dissipent l’énergie et la gaspillent sous forme de chaleur plutôt que de la générer, et l’utilisation de diodes de dérivation aide à prévenir de tels problèmes en fournissant un chemin de courant alternatif.
Les diodes de blocage ne sont pas nécessaires dans un système entièrement connecté en série, mais doivent être utilisées pour empêcher un flux inverse de courant des batteries vers le réseau pendant la nuit ou lorsque l’irradiance solaire est faible. D’autres conditions climatiques, en dehors de la lumière du soleil, doivent être prises en compte dans toute conception.
Puisque la tension de sortie d’une cellule solaire en silicium est un paramètre lié à la température, le concepteur doit être conscient des températures quotidiennes en vigueur, tant des variations extrêmes (élevée et basse) que des variations saisonnières. De plus, la pluie et les chutes de neige doivent être prises en compte dans la conception de la structure de montage. La charge éolienne est particulièrement importante dans les installations au sommet des montagnes.
Dans notre prochain tutoriel sur « L’énergie solaire », nous verrons comment utiliser des réseaux photovoltaïques à semi-conducteurs et des panneaux solaires dans le cadre d’un système photovoltaïque autonome pour produire de l’électricité destinée à des applications hors réseau.
Si les panneaux solaires photovoltaïques sont composés de cellules photovoltaïques individuelles reliées entre elles, alors leRéseau solaire photovoltaïque, également simplement appelé unPanneaux solairesest un système composé d’un groupe de panneaux solaires reliés entre eux.
Un réseau photovoltaïque est donc composé de plusieurs panneaux solaires électriquement câblés ensemble pour former une installation photovoltaïque beaucoup plus grande (système photovoltaïque) appelée un réseau, et en général, plus la surface totale de l’ensemble est grande, plus il produira d’électricité solaire.
Un système photovoltaïque complet utilise un réseau photovoltaïque comme source principale pour la production de l’alimentation électrique. La quantité d’énergie solaire produite par un seul panneau ou module photovoltaïque n’est pas suffisante pour un usage général.
La plupart des fabricants produisent un panneau photovoltaïque standard avec une tension de sortie de 12V ou 24V. En connectant de nombreux panneaux PV individuels en série (pour une tension plus élevée) et en parallèle (pour une demande de courant plus élevée), le réseau PV produira la puissance désirée.
Un réseau solaire photovoltaïque
Les cellules et panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie solaire en électricité à courant continu (CC). La connexion des panneaux solaires dans un seul réseau photovoltaïque est la même que celle des cellules photovoltaïques dans un seul panneau.
Les panneaux d’un réseau peuvent être connectés électriquement entre eux en série, en parallèle ou dans un mélange des deux, mais en général, une connexion série est choisie pour augmenter la tension de sortie. Par exemple, lorsque deux panneaux solaires sont câblés ensemble en série, leur tension est doublée tandis que le courant reste le même.
La taille d’un réseau photovoltaïque peut consister en quelques modules ou panneaux photovoltaïques individuels connectés ensemble dans un environnement urbain et montés sur un toit, ou bien plusieurs centaines de panneaux photovoltaïques interconnectés ensemble dans un champ pour alimenter toute une ville ou un quartier. La flexibilité du système photovoltaïque modulaire (système photovoltaïque) permet aux concepteurs de créer des systèmes solaires capables de répondre à une grande variété de besoins électriques, qu’ils soient grands ou petits.
Il est important de noter que les panneaux ou modules photovoltaïques de différents fabricants ne doivent pas être mélangés en un seul réseau, même si leur puissance, leur tension ou leur courant de sortie sont nominalement similaires. Cela s’explique par le fait que les différences dans les courbes caractéristiques des cellules solaires I-V ainsi que leur réponse spectrale sont susceptibles de provoquer des pertes supplémentaires par décalage au sein du réseau, réduisant ainsi son efficacité globale.
Les caractéristiques électriques d’un réseau photovoltaïque
Les caractéristiques électriques d’un réseau photovoltaïque sont résumées dans la relation entre le courant de sortie et la tension. La quantité et l’intensité de l’insolation solaire (irradiance solaire) contrôlent la quantité de courant de sortie (I), et la température de fonctionnement des cellules solaires influence la tension de sortie (V) de la chaîne photovoltaïque. Les courbes de panneaux photovoltaïques (I-V) qui résument la relation entre le courant et la tension sont données par les fabricants et sont données comme suit :
Paramètres des panneaux solaires
VOC = tension en circuit ouvert :– C’est la tension maximale que le réseau fournit lorsque les bornes ne sont pas connectées à une charge (une condition de circuit ouvert). Cette valeur est bien plus élevée que Vmax, ce qui concerne le fonctionnement du réseau PV fixé par la charge. Cette valeur dépend du nombre de panneaux photovoltaïques reliés en série.
ISC = courant de court-circuit– Le courant maximal fourni par le réseau PV lorsque les connecteurs de sortie sont en court-circuit (une condition de court-circuit). Cette valeur est bien plus élevée que celle d’Imax, ce qui correspond au courant normal du circuit de fonctionnement.
Pmax = point de puissance maximale– Cela concerne le point où l’alimentation fournie par l’ensemble connecté à la charge (batteries, onduleurs) est à sa valeur maximale, où Pmax = Imax x Vmax. La puissance maximale d’un réseau photovoltaïque est mesurée en Watts (W) ou en Watts de crête (Wp).
FF = facteur de remplissage –Le facteur de remplissage est la relation entre la puissance maximale que le réseau peut réellement fournir dans des conditions normales de fonctionnement et le produit de la tension en circuit ouvert multipliée par le courant de court-circuit, (Voc x Isc). Cette valeur du facteur de remplissage donne une idée de la qualité de l’ensemble et plus le facteur de remplissage est proche de 1 (unité), plus l’ensemble peut fournir d’énergie. Les valeurs typiques se situent entre 0,7 et 0,8.
% eff = % d’efficacité –L’efficacité d’un réseau photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique maximale que le réseau peut produire et la quantité d’irradiance solaire frappant le panneau. L’efficacité d’un panneau solaire typique est normalement faible, autour de 10 à 12 %, selon le type de cellules (monocristallines, polycristallines, amorphes ou à couche fine) utilisées.
Les courbes de caractéristiques des I-V photovoltaïques fournissent les informations nécessaires pour configurer des systèmes pouvant fonctionner aussi près que possible du point de puissance maximale. Le point de puissance de crête est mesuré lorsque le module photovoltaïque produit sa puissance maximale exposée au rayonnement solaire, équivalente à 1000 watts par mètre carré, soit 1000 W/m2 ou 1 kW/m2. Considérez le circuit ci-dessous.
Connexions de panneaux photovoltaïques
Ce simple réseau photovoltaïque ci-dessus se compose de quatre modules photovoltaïques comme illustré, produisant deux branches parallèles dans lesquelles deux panneaux photovoltaïques sont connectés électriquement ensemble pour former un circuit en série. La tension de sortie de l’ensemble sera donc égale à la connexion en série des panneaux photovoltaïques, et dans notre exemple ci-dessus, elle est calculée comme : Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
Le courant de sortie sera égal à la somme des courants de branche parallèle. Si l’on suppose que chaque panneau PV produit 3,75 ampères en plein soleil, le courant total ( IT ) sera égal à : IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 ampères. Ensuite, la puissance maximale du réseau photovoltaïque en plein soleil peut être calculée comme suit : Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
Le réseau PV atteint son maximum de 180 watts en plein soleil car la puissance maximale de chaque panneau ou module PV est équivalente à 45 watts (12V x 3,75A). Cependant, en raison des différents niveaux de rayonnement solaire, de l’effet de température, des pertes électriques, etc., la puissance maximale réelle est généralement bien inférieure aux 180 watts calculés. Ensuite, nous pouvons présenter nos caractéristiques de la centrale photovoltaïque comme étant :
Caractéristiques des réseaux photovoltaïques
Diodes de dérivation dans les réseaux photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques et les diodes sont tous deux des dispositifs semi-conducteurs fabriqués à partir d’un matériau en silicium de type P et d’un matériau de silicium de type N fusionnés ensemble. Contrairement à une cellule photovoltaïque qui génère une tension lorsqu’elle est exposée à la lumière, les diodes à jonction PN agissent comme une vanne électrique unidirectionnelle à semi-conducteur qui ne laisse circuler que le courant électrique dans une seule direction.
L’avantage est que les diodes peuvent être utilisées pour bloquer le flux de courant électrique provenant d’autres parties d’un circuit solaire électrique. Lorsqu’elles sont utilisées dans un réseau solaire photovoltaïque, ces types de diodes au silicium sont généralement appelés diodes de blocage.
Dans le tutoriel précédent sur les panneaux photovoltaïques, nous avons vu que les « diodes de dérivation » sont utilisées en parallèle avec une ou plusieurs cellules solaires photovoltaïques pour empêcher le ou les courants provenant de cellules photovoltaïques bonnes et bien exposées au soleil de surchauffer et de brûler les cellules PV faibles ou partiellement ombrées en fournissant un passage de courant autour de la cellule défectueuse. Les diodes de blocage sont utilisées différemment des diodes de dérivation.
Les diodes de dérivation sont généralement connectées en « parallèle » à une cellule ou un panneau PV pour dévier le courant autour de celle-ci, tandis que les diodes de blocage sont connectées en « série » avec les panneaux PV pour empêcher le courant de revenir vers elles. Les diodes de blocage sont donc différentes des diodes de dérivation, bien que dans la plupart des cas la diode soit physiquement la même, mais elles sont installées différemment et ont un usage différent. Considérez notre installation solaire photovoltaïque ci-dessous.
Diodes dans les réseaux photovoltaïques
Comme nous l’avons dit plus tôt, les diodes sont des dispositifs qui ne permettent au courant de circuler que dans une seule direction. Les diodes colorées en vert sont les diodes de dérivation familières, une en parallèle avec chaque panneau PV pour fournir un chemin à faible résistance autour du panneau. Cependant, les deux diodes colorées en rouge sont appelées les « diodes de blocage », une en série avec chaque branche de série. Ces diodes de blocage garantissent que le courant électrique ne circule QUE HORS de l’ensemble en série vers la charge externe, le contrôleur ou les batteries.
La raison est d’empêcher le courant généré par les autres panneaux photovoltaïques connectés parallèlement dans le même réseau de revenir à travers un réseau plus faible (ombré) et aussi d’empêcher les batteries entièrement chargées de se décharger ou de se vider à travers le réseau PV la nuit. Ainsi, lorsque plusieurs panneaux PV sont connectés en parallèle, des diodes de blocage doivent être utilisées dans chaque branche parallèle connectée.
De manière générale, les diodes de blocage sont utilisées dans les réseaux PV lorsqu’il y a deux branches parallèles ou plus, ou s’il est possible qu’une partie de l’ensemble devienne partiellement ombragée pendant la journée lorsque le soleil se déplace dans le ciel. La taille et le type de diode de blocage utilisés dépendent du type de réseau photovoltaïque. Deux types de diodes sont disponibles pour les réseaux solaires : la diode au silicium à jonction PN et la diode barrière Schottky. Les deux sont disponibles avec une large gamme de courants.
La diode barrière Schottky a une chute de tension directe beaucoup plus faible, d’environ 0,4 volt, contrairement à la chute de 0,7 volt des diodes PN pour un dispositif en silicium. Cette chute de tension plus faible permet d’économiser une cellule PV complète dans chaque branche en série du panneau solaire, ce qui rend le réseau plus efficace car moins de puissance est dissipée dans la diode de blocage. La plupart des fabricants incluent des diodes de blocage dans leurs modules PV, simplifiant ainsi la conception.
Construisez votre propre réseau photovoltaïque
La quantité de rayonnement solaire reçue et la demande énergétique quotidienne sont les deux facteurs déterminants dans la conception des installations photovoltaïques et des systèmes solaires. Le réseau photovoltaïque doit être dimensionné pour répondre à la demande de charge et prendre en compte les pertes du système, tandis que l’ombrage d’une partie du panneau solaire réduira significativement la production de l’ensemble du système.
Si les panneaux solaires sont connectés électriquement en série, le courant sera le même dans chaque panneau et, si les panneaux sont partiellement ombrés, ils ne peuvent pas produire la même quantité de courant. De plus, les panneaux photovoltaïques ombragés dissipent l’énergie et la gaspillent sous forme de chaleur plutôt que de la générer, et l’utilisation de diodes de dérivation aide à prévenir de tels problèmes en fournissant un chemin de courant alternatif.
Les diodes de blocage ne sont pas nécessaires dans un système entièrement connecté en série, mais doivent être utilisées pour empêcher un flux inverse de courant des batteries vers le réseau pendant la nuit ou lorsque l’irradiance solaire est faible. D’autres conditions climatiques, en dehors de la lumière du soleil, doivent être prises en compte dans toute conception.
Puisque la tension de sortie d’une cellule solaire en silicium est un paramètre lié à la température, le concepteur doit être conscient des températures quotidiennes en vigueur, tant des variations extrêmes (élevée et basse) que des variations saisonnières. De plus, la pluie et les chutes de neige doivent être prises en compte dans la conception de la structure de montage. La charge éolienne est particulièrement importante dans les installations au sommet des montagnes.
Dans notre prochain tutoriel sur « L’énergie solaire », nous verrons comment utiliser des réseaux photovoltaïques à semi-conducteurs et des panneaux solaires dans le cadre d’un système photovoltaïque autonome pour produire de l’électricité destinée à des applications hors réseau.