Comment se comporte un panneau photovoltaïque lorsqu'il est soumis à un ombrage ? De combien diminuent les performances si une ou plusieurs cellules d'un module photovoltaïque sont couvertes ou ombragées par des arbres ou des cheminées ? Quelle est la fonction des diodes de dérivation ? Expliquons l'effet hotspot sur les panneaux photovoltaïques et comment il se forme.
La diode de dérivation protège le panneau photovoltaïque des éventuelles ruptures des cellules photovoltaïques en cas d'ombrage partiel. Dans les panneaux commerciaux, une diode de dérivation est installée toutes les 18 cellules photovoltaïques. Par exemple, si nous achetons un module solaire photovoltaïque avec un total de 36 cellules photovoltaïques, au moins 2 diodes de dérivation seront contenues dans le boîtier de connexion (junction box). Lorsqu'aucune diode de dérivation n'est utilisée, ou si elles sont défectueuses, en cas d'ombrage, nous observerons la surchauffe et la rupture des cellules photovoltaïques. Cela est défini comme l'effet hotspot (point chaud).
Rapport sur les résultats d'une expérience pratique
Que se passe-t-il si un panneau photovoltaïque est partiellement ombragé ?
Pour répondre à cette question, nous devons connaître le comportement électrique d'une cellule photovoltaïque. Une cellule photovoltaïque a un comportement électrique similaire à celui d'une diode. En effet, l'effet photovoltaïque de la jonction électronique PN est exploité. Cela se traduit par un graphique similaire à celui d'une diode. En cas de fonctionnement normal, la cellule photovoltaïque génère une tension positive aux bornes de l'anode (face argentée non exposée à la lumière) et le courant circule du cathode vers l'anode, c’est-à-dire dans le sens opposé à celui obtenu lorsqu'une diode est polarisée directement. Si la cellule est ombragée à un pourcentage proportionnel à la surface, le courant se réduit de ce pourcentage de manière linéaire. Lorsque la cellule est totalement ombragée, elle cesse de générer du courant. Lorsqu'une cellule est connectée électriquement en série avec d'autres cellules photovoltaïques et est soumise à un ombrage à 100 %, son courant généré est nul. Les autres cellules, n'étant pas ombragées, produisent un courant et une tension qui polarisent inversement la cellule photovoltaïque ombragée. La cellule ombragée s'oppose au flux de courant avec sa résistance qui génère une tension dans le sens opposé à celle générée par les autres cellules. Si un courant de 1A circule dans les cellules et qu'aucune diode de dérivation n'a été insérée, en supposant une résistance de 10 ohms dans la cellule ombragée, la tension totale de 18 cellules en série sera d'environ
(0,5V x 17 cellules) – (1A x 10 ohms) = 8,5V – 10V = -1,5V
La puissance dissipée dans la cellule ombragée équivaut à 10W. Cette puissance est suffisante pour surchauffer la cellule photovoltaïque totalement ombragée. Mais que se passerait-il si le courant était de 3A ? La tension aux bornes de la cellule ombragée serait de 30V, et la puissance dissipée de 90W. Cette puissance surchaufferait la cellule au point de la détruire. Un phénomène dit "Hot Spot" se créerait. Pour pallier cet inconvénient, des diodes de dérivation ont été introduites. Ces diodes sont normalement polarisées inversement, c’est-à-dire que le cathode est connecté à l'anode de la cellule photovoltaïque numéro 18 et l'anode est connectée au cathode de la cellule photovoltaïque numéro 1. Lorsque la tension entre l'anode et le cathode de la diode de dérivation dépasse le seuil de 0,3V (si une diode Schottky est utilisée), ce qui correspond à une tension négative entre la cellule 1 et 18, la diode entre en conduction et fait circuler le courant entre l'anode et le cathode. Ce comportement a pour effet de limiter la tension négative aux bornes de la cellule ombragée. Dans ce cas, la cellule ombragée pourra générer un maximum de
(8,5V + 0,3V) = -8,8V
pour tout courant circulant dans les cellules. Cela limitera également la puissance maximale à 26,4W. Cet effet peut être observé uniquement en cas de charge externe appliquée au panneau photovoltaïque. Le courant de court-circuit Isc correspondra à celui nominal. La tension de circuit ouvert Voc correspondra à la somme des tensions des cellules non ombragées.
Source: http://www.sciamannalucio.it