Les Diodes de Contournement dans les Panneaux Solaires
Les diodes de contournement sont connectées en parallèle aux cellules solaires pour fournir un chemin alternatif pour le courant lorsque la tension à travers une cellule est négative en raison de l’ombre ou d’un dysfonctionnement.
Cette utilisation des diodes de contournement dans les panneaux solaires permet à une série (appelée une chaîne) de cellules ou de panneaux connectés de continuer à fournir de l’énergie à une tension réduite plutôt que de ne fournir aucune énergie du tout.
Les diodes de contournement sont connectées en polarité inverse entre une cellule solaire (ou un panneau) et ses bornes de sortie positive et négative, sans effet sur sa sortie. Idéalement, il y aurait une diode de contournement pour chaque cellule solaire, mais cela peut être plutôt coûteux, donc généralement une diode est utilisée par petit groupe de cellules en série.
Un « panneau solaire » est construit à partir de cellules solaires individuelles, et les cellules solaires sont fabriquées à partir de couches de matériaux semiconducteurs en silicium. Une couche de silicium est traitée avec une substance pour créer un excès d’électrons. Cela devient la couche négative ou de type N. L’autre couche est traitée pour créer une déficience d’électrons, et devient la couche positive ou de type P, similaire aux transistors et diodes.
Lorsqu’elles sont assemblées ensemble avec des conducteurs, cette configuration en silicium devient un semiconducteur à jonction PN sensible à la lumière. En fait, les cellules solaires photovoltaïques, ou PV comme on les appelle plus couramment, ne sont rien de plus que de grandes diodes photosensibles plates.
Les cellules solaires photovoltaïques convertissent la lumière photonique autour de la jonction PN directement en électricité sans pièces mobiles ou mécaniques. Les cellules photovoltaïques produisent de l’énergie à partir de la lumière du soleil, pas à partir de chaleur. En fait, elles sont plus efficaces lorsqu’elles sont froides !
Lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil (ou à une autre source de lumière intense), la tension produite par une seule cellule solaire est d’environ 0,58 volts CC, avec le flux de courant (ampères) étant proportionnel à l’énergie lumineuse (photons). Dans la plupart des cellules photovoltaïques, la tension est presque constante, et le courant est proportionnel à la taille de la cellule et à l’intensité de la lumière.
Le circuit équivalent d’un PV, montré à gauche, est celui d’une batterie avec une résistance interne en série, RINTERNE, semblable à n’importe quelle autre batterie conventionnelle. Cependant, en raison des variations de résistance interne, la tension de la cellule et donc le courant disponible variera entre les cellules photovoltaïques de taille et de structure équivalentes, connectées à la même charge, et sous la même source de lumière, alors cela doit être pris en compte dans les assemblages de panneaux solaires que vous achetez.
La plaquette de silicium de la cellule solaire photovoltaïque qui fait face à la lumière du soleil est composée des contacts électriques et est recouverte d’un revêtement antireflet qui aide à absorber la lumière du soleil plus efficacement. Les contacts électriques fournissent la connexion entre le matériau semi-conducteur et la charge électrique externe, telle qu’une ampoule ou une batterie.
Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule photovoltaïque, des photons frappent la surface du matériau semi-conducteur et libèrent des électrons de leurs liaisons atomiques. Lors de la fabrication, certains produits chimiques de dopage sont ajoutés à la composition du semi-conducteur pour aider à établir un chemin pour les électrons libérés. Ces chemins créent un flux d’électrons formant un courant électrique qui commence à circuler sur la surface de la cellule solaire photovoltaïque.
Des bandes métalliques sont placées à la surface d’une cellule photovoltaïque pour collecter les électrons qui forment la connexion positive (+) de la cellule. L’arrière de la cellule, le côté opposé à la lumière du soleil, se compose d’une couche de métal en aluminium ou en molybdène, qui forme la connexion négative (–) à la cellule. Ainsi, une cellule solaire photovoltaïque possède deux connexions électriques pour le flux de courant conventionnel, une positive et une négative, comme indiqué.
Construction de la Cellule Solaire Photovoltaïque
Lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil, les cellules solaires photovoltaïques (PV) produisent de l’énergie CC, tout comme une batterie ou une cellule. Sans circuit ou charge externe connectée à ses bornes, soit IO = 0, la plupart des cellules solaires photovoltaïques produisent une tension « à vide » maximum VOUT d’environ 0,5 à 0,6 volts, beaucoup moins qu’une cellule de batterie sèche standard de 1,5 V. Mais, tout comme les batteries, des tensions plus élevées peuvent être obtenues en connectant plusieurs cellules photovoltaïques en série.
Lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil, une cellule photovoltaïque produit un courant (I) proportionnel au niveau de lumière tombant sur sa surface. Le courant maximum qu’une cellule PV peut produire, appelé son courant de court-circuit ISC, se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées ensemble, mais dans ces conditions de courant maximum, sa tension aux bornes serait nulle, VOUT = 0. Ensuite, la tension de sortie d’une cellule photovoltaïque dépend beaucoup des exigences de courant de charge de ISC à IO. Cela signifie qu’une cellule photovoltaïque est essentiellement un dispositif de faible tension à courant élevé.
La sortie de courant (et de puissance) d’une cellule photovoltaïque est proportionnelle à l’intensité de la lumière du soleil frappant la surface de la cellule. Par exemple, les jours nuageux ou ternes réduisent l’efficacité d’une cellule photovoltaïque, donc le courant maximum qu’elle pourrait fournir à une charge donnée serait faible, mais la cellule serait toujours capable de fournir la pleine tension de sortie. Pour augmenter les exigences en courant de la charge, une radiation solaire plus intense et plus importante serait nécessaire pour fournir la pleine puissance.
Cependant, il existe une limite physique au courant maximum qu’une seule cellule solaire photovoltaïque peut fournir en raison de sa taille (surface) peu importe à quel point la radiation solaire est intense ou lumineuse. Ceci est appelé le courant maximum délivrable et est symbolisé comme IMAX.
La valeur de IMAX d’une seule cellule solaire photovoltaïque dépend de la taille ou de la surface de la cellule (en particulier de la jonction PN), de la quantité de lumière directe frappant la cellule, de son efficacité à convertir cette énergie solaire en courant, et bien sûr, du type de matériau semi-conducteur dont la cellule est fabriquée, en silicium, en arsenure de gallium, en sulfure de cadmium ou en tellurure de cadmium, etc.
Donc, lors de la sélection des diodes de blocage ou des diodes de contournement à connecter aux cellules ou aux panneaux solaires, cette valeur de courant maximum, IMAX, doit être prise en compte.
Diodes dans les Réseaux Photovoltaïques
La diode à jonction PN agit comme une vanne électrique à état solide dans un sens qui ne permet que le passage du courant électrique dans une seule direction. L’avantage de cela est que les diodes peuvent être utilisées pour bloquer le flux de courant électrique provenant d’autres parties d’un circuit électrique solaire. Lorsqu’elles sont utilisées avec un panneau solaire photovoltaïque, ces types de diodes en silicium sont généralement appelés diodes de blocage.
Les diodes de contournement sont utilisées en parallèle avec une ou plusieurs cellules solaires photovoltaïques pour empêcher le(s) courant(s) provenant de cellules solaires bien exposées à la lumière du soleil de surchauffer et de brûler des cellules solaires plus faibles ou partiellement ombragées en fournissant un chemin de courant autour de la cellule défectueuse. Les diodes de blocage sont utilisées différemment des diodes de contournement.
Les diodes de contournement dans les panneaux solaires sont connectées en « parallèle » avec une cellule ou un panneau photovoltaïque pour dériver le courant autour d’elle, tandis que les diodes de blocage sont connectées en « série » avec les panneaux PV pour empêcher le courant de revenir en arrière. Les diodes de blocage sont donc différentes des diodes de contournement, bien que dans la plupart des cas la diode soit physiquement la même, elles sont installées différemment et servent un but différent. Considérons notre réseau solaire photovoltaïque ci-dessous.
Diodes de Contournement 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 un seul sens. Les diodes en vert ci-dessus sont des « diodes de contournement », une en parallèle avec chaque panneau solaire pour fournir un chemin de faible résistance. Les diodes de contournement dans les panneaux solaires et les réseaux doivent pouvoir transporter en toute sécurité ce courant de court-circuit.
Les deux diodes en rouge sont appelées « diodes de blocage », une en série avec chaque branche série. Les diodes de blocage sont différentes des diodes de contournement, mais dans la plupart des cas, les deux diodes sont physiquement les mêmes. Cependant, elles sont installées différemment et servent un but différent.
Ces diodes de blocage, également appelées diodes de série ou diodes d’isolement, garantissent que le courant électrique ne circule que dans une seule direction « HORS » de l’ensemble de la série vers la charge externe, le contrôleur ou les batteries.
La raison en est d’empêcher le courant généré par les autres panneaux PV connectés en parallèle dans le même réseau de revenir à travers un réseau plus faible (ombragé) et également d’empêcher les batteries entièrement chargées de se décharger ou de se vider dans le réseau la nuit. Ainsi, lorsque plusieurs panneaux solaires sont connectés en parallèle, des diodes de blocage devraient être utilisées dans κάθε branche connectée en parallèle.
De manière générale, les diodes de blocage sont utilisées dans les réseaux photovoltaïques lorsqu’il y a deux ou plusieurs branches parallèles ou lorsqu’il existe une possibilité que certaines parties du réseau deviennent partiellement ombragées pendant la journée alors que le soleil se déplace dans le ciel. La taille et le type de diode de blocage utilisée dépendent du type de réseau photovoltaïque.
Deux types de diodes sont disponibles en tant que diodes de contournement dans les panneaux et réseaux solaires : la diode en silicium à jonction PN et la diode Schottky. Les deux sont disponibles avec une large gamme de valeurs de courant. La diode Schottky a une chute de tension directe beaucoup plus faible d’environ 0,4 volts par rapport à la chute de 0,7 volts des diodes PN pour un dispositif en silicium.
Cette chute de tension plus faible permet d’économiser une cellule photovoltaïque entière dans chaque branche série du réseau solaire, ce qui rend donc le réseau plus efficace car moins de puissance est dissipée dans la diode de blocage. La plupart des fabricants incluent à la fois des diodes de blocage et des diodes de contournement dans leurs panneaux solaires, simplifiant la conception.