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Influence des paramètres internes et externes de la cellule PV sur les caractéristiques I=f(V) et P=f(V)

HADJAMMAR Sidali

Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene BP 32 EL ALIA, BAB EZZOUAR / ALGER

PG Instrumentation (Systèmes de Conversion des Énergies Renouvelables) hadjammarsidali@gmail.com

Résumé- Nous allons présenter dans cet article

l’influence des paramètres internes et externes au panneau photovoltaïque sur les caractéristiques I=f(v) et P=f(v).

Abstract- In this paper we have to go for a better

understanding of the influence of extern and intern factors on I=f (v) and P=f (v) characteristics.

I. INTRODUCTION

L’utilisation de l’énergie solaire de nature aléatoire nécessite un fonctionnement optimal et cela en augmentant son rendement. L’association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donne lieu à un générateur photovoltaïque (GPV) qui a une caractéristique statique courant-tension I=f(v) non linéaire et présentant un point de puissance maximale [1]-[2]. Cette caractéristique dépend du niveau d’éclairement et de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l’ensemble. Le point de fonctionnement du GPV peut donc varier entre les points

extrêmes correspondant au courant de court-circuit ccI

et la tension en circuit ouvert coV [1].

La modélisation du générateur photovoltaïque est une étape importante dans l’analyse et l’évaluation des performances des systèmes photovoltaïques.

II. MODELE DE LA CELLULE PV

Le modèle de la cellule est déduit du circuit électrique équivalent. De nombreux modèles mathématiques existent et sont utilisés pour la représentation du comportement fortement non linéaire de la cellule photovoltaïque résultant des jonctions semi-conductrices [3]-[7]. Nous représenterons dans notre travail le modèle à deux exponentielles. Ce modèle prend en considération les résistances internes de la cellule PV, et il se compose d’une source

de courant phI qui modélise la conversion du flux

lumineux en énergie électrique, une résistance parallèle

pR résultant des fuites par l’effet de bord autour de la

cellule PV, une résistance sR représentant les diverses

résistance de contact et de connexion, et deux diodes en parallèle, qui modélisent la jonction PN [3].

Fig. 1. Schéma équivalent à deux diodes.

Le courant généré par le module est donné par l’équation (1) suivante :

p

sss

ssph

R

IRV

KTA

IRVqI

KTA

IRVqIII

+−

−

+−

−

+−= 1)

)(exp(1)

)(exp(

2121

(1)

phI : Photo-courant de la cellule.

1sI ,

2sI : Courants de saturation des diodes.

T : Température.

1A , 1A : Facteurs d’idéalité.

q : Charge élémentaire ( Cq1910.6.1 −

= ).

K : Constante de Boltzmann ( KJK /10.38.1 38−

= ).

sR : Résistance série.

pR : Résistance parallèle.

Nous distinguons sur le schéma électrique équivalent que la cellule se traduit en un schéma bloc qui comporte quatre variables. Les deux variables d’entrée sont la température et l’éclairement, tandis que les variables de sortie sont le courant fourni par la cellule, et la tension à ses bornes.

- 2 -

Fig. 2. Schéma bloc d’une cellule PV.

Afin de déterminer le comportement du système PV face aux différents changements climatiques et variations des résistances, qui définissent les différents phénomènes se produisant à l’intérieur de la cellule, nous effectuons la simulation à l’aide du logiciel «MATLAB/SIMULINK». Pour cela, nous avons un panneau solaire composé de 36 cellules en série. Nous avons implanté le modèle du générateur photovoltaïque dans l’environnement « MATLAB/SIMULINK » puis nous avons simulé caractéristiques I=f(v) et P=f(v). La figure 3 représente le schéma bloc du panneau solaire sous SMULINK modélisant l’équation mathématique (1).

Fig. 3. Modèle SIMULINK du panneau solaire.

Pour une température T=25°C et un éclairement E=1000 w/m², nous avons obtenu les caractéristiques I=f(v) et P=f(v) suivantes :

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

V(v)

P(w

) ,

I(A

)

P=f(V)

I=f(V)

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

Fig. 4. Caractéristiques I=f(v) et P=f(v) de la cellule PV.

Les courbes des caractéristiques I=f(v) et P=f(v) d’un panneau solaire représentent respectivement la variation du courant qu’il produit et la variation de la puissance en fonction de la tension aux bornes du panneau depuis le court-circuit jusqu’au circuit ouvert. Le fonctionnement du panneau photovoltaïque se traduit par trois zones. La première zone où le courant est presque constant donne des puissances faibles, des courants élevés et des tensions petites. Dans la seconde zone donne des puissances faibles, des courants petits et des tensions élevées. Le fonctionnement dans la troisième zone donne des puissances élevées, des courants et des tensions acceptables [8]. A partir des caractéristiques I=f(v) et P=f(v), nous

déterminons la tension de circuit ouvert coV =24.7 v, le

courant de court circuit ccI = 3.248 A, la puissance

maximale mP =62.21 w, le courant pour lequel, la

puissance est maximale mI =3.08 A et la tension pour

laquelle la tension est maximale mV =20.19 v.

III. INFLUENCE DES PARAMETRES CLIMATIQUES SUR LES CARACTERISTIQUES I=F(V) ET P=F(V)

L’influence de la température et de l’éclairement sur les caractéristiques I=f(v) et P=f(v) est représentée sur les figures 5 et 6.

GPV

E

T V I

- 3 -

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5I=f(V)

V(v)

I(A

)

1000w/m²,60°C

1000w/m²,25°C

1000w/m²,0°C

1000w/m²,-10°C

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

40

50

60

70P=f(V)

V(v)

P(w

)

1000w/m²,60°C

1000w/m²,25°C

1000w/m²,0°C

1000w/m²,-10°C

Fig. 5. Influence de la température.

D’après la figure 5, la tension de circuit ouvert diminue considérablement avec l’accroissement de la température de même pour la puissance maximale, mais la variation est moins importante. Par contre, nous remarquons un léger accroissement du courant de court circuit avec l’augmentation de la température. D’où la variation de la température agit sur la tension de circuit ouvert.

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5I=f(V)

V(v)

I(A

)

1000w/m²,25°C

800w/m²,25°C

600w/m²,25°C

400w/m²,25°C

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70P=f(V)

V(v)

P(w

)

1000w/m²,25°C

800w/m²,25°C

600w/m²,25°C

400w/m²,25°C

Fig. 6. Influence de l’éclairement.

Concernant la variation de l’éclairement, sur la figure 6, nous remarquons que pour une température T=25°C, l’augmentation de l’éclairement conduit à l’accroissement de la puissance maximale et à une légère augmentation de la tension de circuit ouvert. Le courant de court circuit augmente considérablement avec l’accroissement de l’éclairement. Donc l’éclairement agit sur le courant de court circuit.

IV. INFLUENCE DES RESISTANCES RS ET RP SUR LES CARACTERISTIQUES I=F(V) ET P=F(V)

L’influence des résistances sR et pR sur les

caractéristiques I=f(v) et P=f(v) est représentée sur les figures 7 et 8.

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5I=f(V)

V(v)

I(A

)

0 Ohm

0.015 Ohm

0.03 Ohm

0.05 Ohm

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70P=f(V)

V(v)

P(w

)

0 Ohm

0.015 Ohm

0.03 Ohm

0.05 Ohm

Fig. 7. Influence de

sR .

D’après la figure 7, et sous un éclairement E=1000w/m² et une température de T=25°C nous constatons que la puissance maximale diminue de manière significative

lorsque la résistance sR augmente, de même pour le

courant de court circuit. Alors que, la tension de circuit ouvert diminue légèrement. Donc, la résistance série agit sur le courant de court circuit.

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5I=f(V)

V(v)

I(A

)

4 Ohm

15 Ohm

30 Ohm

1 kOhm

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70P=f(V)

V(v)

P(w

)

4 Ohm

15 Ohm

30 Ohm

1 kOhm

Fig. 8. Influence de

pR .

Sur la figure 8, nous constatons que pour un éclairement E=1000w/m² et une température de T=25°C, l’augmentation de la résistance parallèle conduit à un accroissement léger de la puissance maximale.

V. CONCLUSION

Dans cet article, nous avons utilisé le modèle mathématiques à deux exponentielles, de la cellule photovoltaïque et aussi établi son modèle de simulation avec le logiciel «MATLAB/SIMULINK». Nous avons constaté que le fonctionnement du générateur photovoltaïque dépend fortement des conditions météorologiques classés comme paramètres externes (température, éclairement) et du vieillissement de l’ensemble qui se traduit par les paramètres internes

(sR ,

pR ). En fait, la variation des valeurs optimales

( mV , mI ) sur les caractéristiques I=f(v) et P=f(v) du

générateur photovoltaïque observée sur les différentes courbes explique l’influence des paramètres sus cités. Au vu de ces constatations, en utilisant une base de données météorologiques (Eclairement et température) nous pouvons prévoir la production de l’énergie électrique sur une période bien définie.

VI. REFERENCES

[1] M. Angel Cid Pastor, « Conception et réalisation de modules photovoltaïques électroniques », Thèse de Doctorat – École doctorale GEET 2006.

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[2] R. Kiranmayi, K. Vijaya Kumar Reddy, M. Vijaya Kumar, « Modeling and a MPPT Method for Solar Cells », Journal of Enginnering and Applied sciences – Medwell Journals 2008.

[3] Y. Pankow, « Étude de l’intégration de la

production décentralisée dans un réseau basse tension. Application aux générateurs photovoltaïques », Thèse de doctorat – Centre national de recherche technologique de Lille.

[4] L. Protin and S. Astier, « Convertisseurs

photovoltaïques », Techniques de l'ingénieur – D3360, 1996.

[5] R. A. Messenger, J. Ventre, « Photovoltaic

Systems Engineering » SE, CRC Press 2004. [6] J. Royer, T. Djiako, E. Shiller, B.S. Sy, « Le

pompage photovoltaïque », IEPF/Université d’Ottawa/ EIER/ CREPA 2004.

[7] M. L. Louazene, «Étude technico-économique

d'un système de pompage photovoltaïque sur le site de Ouargla », Mémoire de Magister – Université El Hadj Lakhdar; Batna 2008.

[8] R. Maouedj, « Application de l’énergie

photovoltaïque au pompage hydraulique sur les sites de Tlemcen et de Bouzereah », Mémoire de Magister – Université Abou Bekr Belkaïd, Décembre 2005.