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Les technologies dans le domaine du solaire photovoltaïque ont beaucoup évolué depuis ces dernières années. Les modules sont de plus en plus performants, leur puissance et leur rendement ne cessent d’augmenter.
Parmi les technologies les plus répandues, l’utilisation des demi-cellules est devenue très prisée.
1. Le solaire photovoltaïque :
♦ De plus en plus de fabricants proposent désormais des modules dotés de demi-cellules (120, 132, 144 demi-cellules…).
♦ L’utilisation de demi-cellules offre un gain de puissance et un gain de performances de 2 à 4 %. Les rendements sont aussi plus élevés et la longévité est augmentée.
♦ Ce type de technologie domine actuellement le marché.
✦ Conception
❖ La technologie demi-cellules n’impacte pas le process de fabrication des cellules en lui-même, une fois les lingots de silicium cristallin obtenus par purification et cristallisation, ils sont découpés en plaquettes de silicium appelés wafers. Ces étapes ne sont pas modifiées.
❖ La technologie demi-cellules nécessite toutefois une étape supplémentaire dans le processus de fabrication.
‣ Pour concevoir des demi-cellules, les cellules doivent être divisées et coupées au laser en deux parts égales.
‣ La cellule photovoltaïque étant réduite de moitié, l’intensité de courant électrique générée est également divisée par deux. Logique, puisque la surface est deux fois moins importante…
✦ Types de connexion
❖ Les demi-cellules sont reliées en série, or dans ce type de montage si l’intensité est égale à l’intensité de courant d’une seule demi-cellule, la tension, quant à elle, s’accumule. L’intensité est par conséquent réduite de moitié par rapport à une cellule entière, par contre il y a deux fois plus de cellules, la tension devrait être multipliée par deux… Aïe ! Ce n’est pas l’objectif !
❖ Pour contrer ce phénomène, ces séries, qui sont des chaînes de cellules, sont doublées et assemblées en parallèle en deux « lots » distincts. Ce montage en parallèle permet cette fois d’accumuler l’intensité du courant de chaque chaîne et non la tension, seule l’intensité est finalement doublée. Chaque module comporte ainsi non plus 3 chaînes de cellules connectées en série, mais deux ensembles connectés en parallèle, chacun étant constitué de 3 chaînes connectées en série, soit 6 chaînes au total.
❖ Grâce à la technologie demi-cellules, le module est similaire à deux modules juxtaposés structurellement, à la fois distincts et solidaires.
❖ En bref, la tension et l’intensité du courant résultants en sortie sont identiques à ceux d’un module standard composé de cellules entières, par contre l’intensité du courant interne est divisée par deux (debit d’électrons en circulation).
➥ Voir article Composition et assemblage d’un module photovoltaïque
💡 Montage en série / parallèle
⤷ Une connexion en série permet d’augmenter la tension (mesurée en Volts) pour une intensité de courant identique (mesurée en ampères). Les tensions (U) s’additionnent tandis que l’intensité (I) est la même en tous points. Il y a unicité de l’ampérage. Cela signifie aussi que l’intensité la plus faible prime.
⤷ A contrario une connexion en parallèle augmente l’intensité du courant pour une tension identique, l’intensité résultante est alors la somme des intensités.
2. La technologie demi-cellules : les avantages
♦ Si l’utilisation des demi-cellules se généralise de plus en plus, cette technologie désormais si privilégiée est signe d’avantages indubitables, faisons le point…
✦ Réduction des pertes résistives
❖ Le courant généré (flux d’électrons) par les cellules photovoltaïques circule via des conducteurs métalliques, il s’agit d’une grille conductrice en face avant constituée de fils métalliques appelés doigts (les plus fins) et barres omnibus (les plus épais en perpendiculaire des doigts), et généralement d’une plaque conductrice en face arrière. Or, tout conducteur électrique impose une résistance à la circulation du courant (électrons), le flux du courant dans le matériau conducteur génère un échauffement, la dissipation de cette chaleur (effet joule) induit une déperdition d’énergie et donc une chute de tension, on parle de pertes résistives en ligne. Ainsi toute circulation du courant consomme de l’énergie et plus la distance à parcourir est longue, plus la perte d’énergie est grande.
❖ Les pertes résistives sont incontournables, toutefois la technologie en demi-cellule permet de limiter ces pertes. Les cellules étant divisées en deux demi-cellules distinctes, l’intensité du courant en circulation interne est également diminuée de moitié et le trajet du courant généré se trouve d’autant raccourci, les pertes résistives sont par conséquent plus faibles.
❖ Limiter les pertes résistives implique une réduction de la perte de puissance des modules, ils sont donc plus performants et leur rendement est plus élevé. La technologie demi-cellule permet donc une meilleure production en énergie.
❖ Cette réduction des pertes résistives est d’autant plus perceptible lorsque l’intensité de rayonnement solaire est grande (courant de plus forte intensité) et lorsque la température en surface est élevée. Cette configuration en demi-cellules permet d’augmenter l’efficacité et les performances.
✦ Impact de l’ombrage réduit
❖ Comme expliqué précédemment, un module à demi-cellules est constitué de deux ensembles de 3 chaînes de cellules, le module est ainsi divisé en une partie « supérieure » et « inférieure » (ou droite et gauche si l’orientation est horizontale (paysage)). Il y a deux fois plus de chaînes que dans un module « standard ». Cette configuration de montage permet de limiter les pertes de puissance et de production liées à un ombrage. Si une partie est ombragée, alors l’autre partie continue à produire de manière optimale sans être impactée.
❖ Au sein d’une des deux parties du module, si l’une des 3 chaînes est impactée par un ombrage (ombrage sur une ou plusieurs cellules), alors les deux autres chaînes continueront à produire sans aucun impact. Ainsi, sur l’ensemble du module, seul un sixième des cellules seront impactées grâce à la diode by-pass associée qui isolera cette chaîne. En effet, chaque chaîne de cellules est associée à une diode by-pass, si une chaîne est déficiente (ombre ou défaillance), la diode permet de détourner le courant provenant des autres cellules, le courant circule dans la diode, la chaîne de cellules associée à la diode est ainsi isolée du circuit électrique. Le reste des cellules fournit sa pleine puissance, la diode by-pass devient passante.
❖ En résumé, si la moitié d’un module est impactée par un ombrage, l’autre moitié fonctionne sans la moindre altération au niveau de la production. De même, si une cellule isolée ou une chaîne de cellules est ombragée, alors la puissance et la production ne seront réduites que d’un sixième (contre un tiers pour un module « standard » qui comporte deux fois moins de chaines de cellules). Certes l’ombrage a toujours un impact significatif sur la production photovoltaïque, toutefois la technologie demi-cellules et les configurations de connexion des cellules (montage en série et parallèle avec diodes by-pass) offrent une meilleure tolérance à l’ombre partielle et permettent de limiter les pertes de production.
✦ Diminution de l’effet Hot Spot
❖ Si une cellule est défaillante ou ombragée, le courant qu’elle génère est limité et moindre. Il y a diminution de la puissance (P) fournie, l’intensité (I) se trouve alors aussi diminuée (P=U×I). Cette cellule agit comme un obstacle à la circulation du courant, la tension à ses bornes augmente et s’inverse (inversion de polarité). Soumise à une tension inverse à la tension des autres cellules en série, la cellule défaillante en production se comporte comme un récepteur et non plus comme un générateur de courant. Au lieu de produire de l’énergie, elle absorbe et dissipe l’énergie des autres cellules sous forme de chaleur par effet joule. Un phénomène de surchauffe se produit, on parle de l’effet Hot spot (effet point chaud). Lorsque la tension inverse subie devient trop élevée, le phénomène Hot Spot peut entraîner des dégradations irréversibles, voire la destruction de la cellule (et du module). Les modules à demi-cellules étant composés de 6 chaînes au lieu de trois, grâce aux diodes by-pass qui permettent d’isoler toute chaîne défectueuse, les risques d’effet Hot Spot sont de facto plus limités.
❖ Chaque demi-cellule offrant une surface réduite de moitié et donc une production deux fois moins élevée, cela induit également une diminution de la chaleur générée. La température interne de chaque cellule est abaissée réduisant ainsi l’effet Hot Spot et les éventuels dommages et dégradations.
La configuration en demi-cellule des modules permet d’atteindre de meilleures performances globales, la puissance générée et la production électrique sont moins impactées par les masques d’ombre, les montées en température et les éventuelles défaillances des cellules. Outre les performances améliorées et les risques de dégradation limités, l’ensemble des facteurs évoqués augmente la longévité des modules.
Acsolue Energie et son partenaire installateur proposent des systèmes photovoltaïques uniquement dotés de modules demi-cellules. Comme un et un font deux, deux cellules valent mieux qu’une ! 😉
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