DEPARTEMENT : GENIE ELECTRIQUE
RAPPORT DU PROJET DE FIN D’ETUDE
Présenté en vue de l’obtention du Diplôme Universitaire de Technologie en
Génie électrique.
Sous le thème
Maximisation de puissance d’un panneau solaire par un système
d’orientation automatique
Réaliser par :
Encadré par :
OUCHAIB Aboubaker
Mr. OUBALI Hassan
MOUHTAINE Safiya
Année universitaire : 2021/2022
E.S.T.BP 33/S AGADIR/Tel: 05 28 23 25 83 Fax: 22 78 24/Site Web: www.esta.ac.ma
Remerciements
Nous
tenons
à
exprimer
nos
sincères
remerciements
à
notre
encadrant Monsieur OUBALI Hassan, Professeur à l’école supérieur de
technologie, qui nous a donné l’opportunité de découvrir un sujet riche
et très important sans oublier ses encouragements, ses conseils et son
aide.
Un grand merci à Monsieur OUBELLA Mhend, Professeur à l’école
supérieur de technologie ses conseils et son temps qu’il nous a consacré
afin
de
nous
guider
et
de
répondre
à
tous
nos
questions.
Nous remercions par ailleurs vivement les membres du jury de nous
avoir fait l’honneur de juger notre travail et d’assister à notre soutenance
En fin, nous exprimons nos vives gratitudes au département de génie
électrique et tous ceux qui nous aident de prés et de loi.
Table des matières
Liste des figures
Abréviations
PS : Panneau solaire.
PV : Photovoltaïque.
GPV : Générateur photovoltaïque
Introduction générale
Actuellement, la plus grande partie de l’énergie consommée provient de l’utilisation des
combustibles fossiles comme le pétrole, le gaz naturel ou encore l’énergie nucléaire. Cette
utilisation massive de ces ressources mènera certainement à l’épuisement total de ces
réserves. En plus, tout le monde est convaincu du danger de ce processus sur l’environnement.
Les énergies renouvelables surtout l’énergie solaire représente une solution de
remplacement par excellence et elle est de plus en plus utilisée de nos jours. Elle apparaît
comme une source importante telle que la quantité d'énergie solaire qui arrive à la surface de
la terre dans un jour est dix fois plus grande que celle consommée. Les premières applications
des suiveurs solaires remontent vers les années 1750 où le principe repose sur l’utilisation de
l’héliostat. La rotation du miroir de l’héliostat est assurée par un mécanisme d’horlogerie dont
la plus ancienne mention du système se trouve dans des publications datant de 1742 du
physicien néerlandais Willem Jacob ’s Gravesande. La quantité de l’énergie reçue par un
photovoltaïque fixe est variable par rapport à la position de soleil.
Notre travail est consacré à maximiser le rendement énergétique d’un panneau solaire
photovoltaïque, et nous avons partagé ce mémoire en trois chapitres :
 le premier chapitre dans lequel nous décrivons l’effet photovoltaïque et son principe
de fonctionnement.
 le deuxième chapitre qui est dédié à la description du matériel.
 le troisième chapitre qui est consacré à la réalisation du suiveur solaire.
CHAPITRE I :
Généralités sur les PS et
l’énergie PV
1. Introduction :
L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière de soleil en
électricité au sein d’un matériau semi-conducteur comme le Silicium, ce matériau
photosensible a la propriété de libérer des électrons sous l’influence d’une énergie externe.
Cette énergie apportée par les photons arrache les électrons en introduisent un courant
électrique : c’est l’effet photovoltaïque. Dans ce chapitre nous allons commencer par des
généralités sur l’énergie photovoltaïque, Nous présentons ensuite la modélisation de la chaîne
de conversion photovoltaïque en décrivons les modèles mathématiques utilisés. Aussi, nous
allons voir l'influence de la température et de l'éclairement sur le rendement photovoltaïque.
2. L’effet photovoltaïque :
L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Becquerel. Un
panneau solaire fonctionne par l’effet photovoltaïque c'est-à-dire par la création d'une force
électromotrice liée à l'absorption d'énergie lumineuse dans un solide. C’est le seul moyen
connu actuellement pour convertir directement la lumière en électricité. La cellule
photovoltaïque constitue l’élément de base des panneaux solaires photovoltaïques. Il s’agit
d’un dispositif semi-conducteur à base de silicium délivrant une tension de l’ordre de 0,5 à
0,6V. La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de deux couches de silicium (matériau
semi-conducteur) :
- une couche dopée avec du bore qui possède moins d'électrons que le silicium, cette zone
est donc dopée positivement (zone P),
- une couche dopée avec du phosphore qui possède plus d'électrons que le silicium, cette
zone est donc dopée négativement (zone N).
Lorsqu'un photon de la lumière arrive, son énergie crée une rupture entre un atome de
silicium et un électron, modifiant les charges électriques. Les atomes, chargés positivement,
vont alors dans la zone P et les électrons, chargés négativement, dans la zone N. Une
différence de potentiel électrique, c'est-à-dire une tension électrique, est ainsi créée. C'est ce
qu'on appelle l'effet photovoltaïque A la surface, le contact électrique (électrode négative) est
établi par la grille afin de permettre à la lumière du soleil de passer à travers les contacts et de
pénétrer dans le silicium. Les cellules solaires sont recouvertes d’une couche antireflet qui
protège la cellule et réduit les pertes par réflexion. C’est une couche qui donne aux cellules
solaires leur aspect bleu foncé.
Fig.1.1.Coupe transversale d’une cellule PV typique.
3. Les panneaux solaires :
Un PS est un dispositif destiné à récupérer le rayonnement solaire pour le
transformer
en énergie qui
peut
être
de
l’énergie
thermique
ou
de
l’énergie
électrique.
Les PS sont les éléments de base qui composent la plupart des équipements de
production d’énergie solaire. Il existe 3 grands types de PS :
o
les PS thermiques
o
les PS photovoltaïques
o
les panneaux photovoltaïques thermiques
4. Les PS photovoltaïques :
Appelés aussi modules photovoltaïques, son principe de fonctionnement est de
transformer la lumière produite par le soleil en électricité qui peut être directement utilisée.
Ces panneaux sont un assemblage de cellules photovoltaïques qui comprennent :
o
des PS transformant la lumière en courant électrique
o
un onduleur pour convertir cette électricité en courant alternatif
o
un transformateur
o
un compteur
Il y a actuellement 3 principaux types de PV, qui sont différenciés par le type de cellules
qui les composent :
o
les cellules monocristallines
o
les cellules polycristallines
o
les cellules amorphes
a. Les panneaux photovoltaïques monocristallins :
Les panneaux solaires monocristallins sont des panneaux photovoltaïques fabriqués à
base de silicium pur. Ils présentent un rendement le plus élevé [18 à 24%.]. Les panneaux
solaires monocristallins sont notamment recommandés dans les zones à fort ensoleillement.
Fig.1.2 : Panneau monocristallins
b. Les panneaux photovoltaïques poly cristallins :
Aujourd'hui, ce sont les panneaux photovoltaïques les plus utilisés au monde en offrant un
meilleur compromis entre prix et performance ils présentent un taux de rendement [14à18%].
Alors que les cellules d'un panneau solaire monocristallin sont constituées d'un seul cristal de
silicium de grande taille, les cellules du panneau solaire poly cristallin sont issues de la fonte
de chutes de silicium monocristallin. Les morceaux sont chauffés, fondus puis refroidis et
assemblés pour créer une cellule. L'ensemble des cellules rassemblées forme un panneau poly
cristallin.
Fig.1.3 : Panneau poly cristallins
c. Les panneaux solaires amorphes :
Enfin, il y a les panneaux photovoltaïques à base de cellules amorphes. Elles sont
produites à partir de « gaz de silicium ».Ce type de cellules, sont adaptés aux régions à faible
ensoleillement. Celui-lui, possède le moins bon rendement [5 à 7%]. Ce type de silicium est
moins cher que les siliciums cristallins, ils représentent aujourd'hui environ 10 % du marché
des panneaux photovoltaïques. On les différencie grâce à leur couleur gris foncé uniforme.
Fig.1.4 : Panneau amorphes
5. REGROUPEMENT DES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES :
a. Cellules mise en série :
Une association de NS cellules en série permet d’augmenter la tension du générateur
photovoltaïque (GPV). Les cellules sont alors traversées par le même courant et la
caractéristique résultant du groupement série est obtenue par addition des tensions
élémentaires de chaque cellule, L’équation ci-dessous résume les caractéristiques électriques
d’une association série de NS cellules.
V’CO = NS .VCO
VCO : la tension du circuit ouvert
Ce système d’association est généralement le plus communément et utilisé pour les
modules photovoltaïques du commerce. Comme la surface des cellules devient de plus
importante, le courant par une seule cellule augmente régulièrement au fur et à mesure de
l’évolution
technologique
alors
que
sa
tension
reste
toujours
très
faible.
L’association en série permet ainsi d’augmenter la tension de l’ensemble et donc
d’accroître la puissance de l’ensemble. Les panneaux commerciaux constitués de cellules
de première génération sont habituellement réalisés en associant 36 cellules en série
(Vcons = 0.6 V *36= 21.6V) afin d’obtenir une tension optimale du panneau V
celle d’une tension de batterie.
op
proche de
Fig.1.5 : Caractéristiques résultantes d’un groupement de NS cellules en série
b. Cellules Mise en parallèle :
D’autre part, une association parallèle de NP cellules est possible et permet d’accroître le
courant de sortie de générateur ainsi créé. Dans un groupement de cellules identiques
connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique
résultant du groupement est obtenue par addition des courants. L’équation ci-dessous résume
à son tour les caractéristiques électriques d’une association parallèle de NP cellules.
I’CC = Np. ICC
Icc : le courant de court-circuit
Figure I.12 : Caractéristiques résultantes d’un groupement de Np cellules en parallèle
c. Regroupement (série et parallèle) :
On utilise généralement ce type d’association pour en tirer une tension importante
puisque l’association en série des photopiles délivre une tension égale à la somme des
tensions individuelles et un courant égal à celui d’une seule cellule. La caractéristique d’un
groupement de deux modules solaires est représentée ci-dessous, ce qui peut être généralisé
sur une gamme de Ns modules solaires en série. Ce genre de groupement augmente le
courant. Afin d’obtenir des puissances de quelques kW, sous une tension convenable, il est
nécessaire d’associer les modules en panneaux et de monter les panneaux en rangées de
panneaux série et parallèle pour former ce que l’on appelle un générateur photovoltaïque.
6. CARACTERISTIQUE
ELECTRIQUE
D’UNE
CELLULE
PHOTOVOLTAIQUE :
La figure ci-dessous présente le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque sous
éclairement. Il correspond à un générateur de courant monté en parallèle avec une diode.
Deux résistances parasites sont introduites dans ce schéma.
On modélise donc cette perte de tension par une résistance en série RS et les courants de
fuite par une résistance en parallèle RP.
Fig.1.7 : Schéma électrique équivalent d’une cellule PV
Donc on a :
On remplaçants Ip et Id par leur valeur on obtient :
Avec :

I : Le courant fourni par la cellule.

IPH : Le photo-courant dépendant de l’éclairement (G).

I0 : Le courant de saturation de la diode.

K : constante de Boltzmann (1,381 .10^-23 joule/Kelvin). 𝒆𝒙 = 𝒏 𝒌 𝒒 𝑻 I

q : charge d'électron =1,602 .10^-19 C.

n : Le facteur de qualité de diode.

T : La température de cellule en kelvin.
7. Caractéristiques électrique de générateur photovoltaïque :
a. Caractéristique courant – tension :
La caractéristique courant-tension, illustrée dans la figure (1.8), décrit le comportement de la
cellule photovoltaïque sous l’influence des conditions standard (niveau d’éclairement
1000W/m2 et température ambiant 25° C).
Fig.1.8 : Caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque
Avec :

GPV : le générateur photovoltaïque

M : le courant de court-circuit Icc

A : la puissance maximale

S : la tension de circuit ouvert Voc
La courbe caractéristique d’une cellule PV (figure 1.8) représente la variation du courant
qu’elle produit en fonction de la tension à ses bornes, depuis le court-circuit, point M (tension
nulle correspondant au courant maximum produit) jusqu’au circuit ouvert, point S, (courant
nul pour une tension maximale aux bornes de la cellule).
La courbe de la cellule solaire I=f(V) passe par trois points essentiels qui sont (figure 1.8) :
Le courant de court-circuit Icc en M ;
La tension de circuit ouvert Voc en S ;
La puissance maximale en A ;
En effet, la caractéristique de la cellule solaire I(V), se divise en trois parties :
• La zone (MN) se distingue par le courant qui reste constant, quelle que soit la tension. Dans
cette zone, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.
• La zone (PS) se distingue par une variation du courant correspondant à une tension presque
constante, et c’est dans cette région, que le générateur est assimilable à un générateur de
tension.
• La zone (NP) correspond au coude de la caractéristique. C’est la région intermédiaire entre
les deux zones précédentes, et elle représente la région préférée pour le fonctionnement (le
point optimal peut être déterminé).
Cette caractéristique I = f (V) se met sous la forme mathématique à partir des équations
précédentes comme suit :
Le courant de court-circuit Icc de la cellule photovoltaïque est exprimé par l’expression
suivante, lorsque la tension est nulle (V=0) :
A un niveau d’éclairement standard (1 kW/m2), l’effet de la résistance série est négligeable
(point M de la figure (1.8). Dans ce cas, le courant de court-circuit peut être considéré comme
étant équivalent au photo-courant 𝐼𝑝ℎ, c'est-à-dire proportionnel à l’éclairement.
Tension de circuit ouvert Dans le cas du circuit ouvert, la tension du circuit ouvert peut être
exprimée analytiquement selon la formule suivante :
b. Le rendement de conversion :
ɳ définit le rendement énergétique d’une cellule par le rapport entre la puissance
maximale fournie par la cellule et la puissance incidente:
Avec :

Pm= Im.Vm, est la puissance maximale

E : l’éclairement en W/m2

S : est la surface de ce module

Im : courant maximal

Vm : tension maximal
c. La puissance délivrée par une cellule photovoltaïque:
La partie intéressante de la caractéristique courant-tension pour l’utilisateur c’est celle qui
génère de l’énergie, donc ne sera ni au point de tension de circuit ouvert, ni au point de courtcircuit, qui ne génère aucune énergie puisque la puissance est le produit du courant par la
tension, donc la puissance maximale génère par la cellule.
La puissance du panneau constitué des cellules parallèles :
La puissance du panneau constitué des cellules série :
La puissance du panneau constitué des cellules série et parallèle :
Fig.1.9 : caractéristique I=f(v).
Fig.1.10 : caractéristique P=f(v).
Avec :

Pm : la puissance maximale.

Im : le courant maximale.

Vm : la tension maximale.

Ns : le nombre des cellules associé en série.

Np : le nombre des cellules associé en parallèle.
8. MODULE PHOTOVOLTAIQUE :
Pour produire plus de puissance, les cellules solaires sont assemblées pour former un
module. Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même
courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. Ces
cellules sont protégées de l’humidité par encapsulation dans un polymère EVA (éthylènevynil- acétate) et protégé sur la surface avant d’un verre, trempé à haute transmission et de
bonne résistance mécanique, et sur la surface arrière d’une ou de polyéthylène.
Fig.1.11 : Module photovoltaïque
9. AJUSTEMENT DES MODULES :
a. L’orientation des modules :
L’orientation des modules doit être plein sud pour les sites de l’hémisphère Nord et plein
nord pour les sites de l’hémisphère sud. L’utilisation d’une boussole est fortement
recommandée pour éviter toute approximation qui risquerait d’introduire une perte de
puissance consécutive à une mauvaise orientation.
b. Angle d’incidence du rayonnement solaire direct tombant sur un plan
quelconque :
Comme mentionné auparavant, l’énergie fournie par le panneau PV dépend fortement de
la quantité d’éclairement solaire absorbée par ce dernier. Cette quantité dépend de
l'orientation du panneau par rapport au soleil. Pour collecter le maximum d'énergie, le
panneau PV doit être constamment orienté perpendiculairement aux rayons solaires.
Fig1.12 : Dépendance des performances d’un panneau PV de l’angle α
Avec : α l’angle formé entre le plan du panneau et les rayons lumineux incidents, l’angle
optimal correspond à un angle de 90° comme indiqué dans la figure 1.13. Chaque fois que cet
angle diminue ou augmente, la surface (m²) du panneau exposée aux rayons diminue et donc
en partant de la puissance produite, le rendement diminue aussi, d’où l’importance de
l'orientation
des
panneaux
par
rapport
à
la
position
du
Soleil.
Le rendement en puissance solaire exploitée peut être calculé à l’aide de l’équation suivante :
RN = sin(α) * 100
Fig.1.13 : Rendement en puissance solaire exploitée en fonction de l'angle α des rayons solaires
10.LES
PARAMETRES
QUI
INFLUENT
CARACTRISTIQUE I= f (v) et P = f(v) :
SUR
LA
a. Influence de l’éclairement sur un PV :
Les figures 1.14 et 1.15 présentons un exemple des courbes pour différents niveaux de
rayonnement
:
Nous avons fixé la température pour différents éclairements.
Fig.1.14 : La caractéristique I=f(v) en fonction de l’éclairement
Fig.1.15 : La caractéristique P=f(v) en fonction de l’éclairement
Pour la figure 1.14 on remarque que pour l'éclairement G=1000 w/m2 le courant Isc=4.8A, et
pour G=800w/m2 le courant Isc=3.84A on peut voir que le courant subit une variation
Importante, quand l'éclairement augmente le courant de court-circuit augmente, mais par
contre la tension varie légèrement.
b. Influence de la température sur un PV :
Nous présentons ci-dessous les caractéristiques I-V et P-V figure 1.16 et 1.17 d’un module
photovoltaïque pour un niveau d’ensoleillement G donné et pour différentes températures:
Fig.1.16 : La caractéristique de I=f(V) en fonction de température
Fig.1.17 : La caractéristique de P= f(V) en fonction de température
Pour la figure 1.16 Nous remarquons que le courant dépend de la température puisque le
Courant augmente légèrement à mesure que la température augmente, on constate que la
Température influe négativement sur la tension de circuit ouvert. Quand la température
augmente la tension de circuit ouvert diminue. Et par contre la puissance maximale du
générateur subit une diminution lorsque la température augmente figure 1.17.
11.L’intérêt des panneaux mobiles par rapport aux panneaux fixes :
Au cours de la journée, le soleil se déplace continuellement, alors qu’un générateur
photovoltaïque est fixe dans sa position, perdant ainsi une considérable quantité d’énergie, qui
pourrait être disponible. Dans une installation fixe, l’énergie rendue par les modules PV est
maximale seulement à midi comme indiqué sur la figure 1.18. Pour cela si les modules PV
sont toujours orientés vers le soleil, c’est comme s’il y avait constamment la condition
correspondante à midi, la puissance générée est toujours celle maximale. Les modules
photovoltaïques placés sur des suiveurs de soleil ont un rendement énergétique qui augmente
de manière appréciable par rapport aux installations fixes. Au cours d’une journée
complètement ensoleillée, un système fixe de 1 kW bien orienté, produit 5,5 kWh d’énergie,
alors que le même système avec suiveur, dans les mêmes conditions d’ensoleillement, produit
11 kWh d’énergie.
Fig.1.18: Diagramme de comparaison entre la production avec suiveur et la production avec système fixe.
12.CONCLUSION :
Actuellement, l’électricité solaire photovoltaïque est l’une des disciplines mondiales les
plus importantes dans le développement durable. Malgré la maîtrise de la technologie de
fabrication des cellules solaires et de leur encapsulation, les installations photovoltaïques sont
encore ;
chères.
Les graphes dans le chapitre confirment l’importance d’un suiveur par rapport à un
panneau fixe, en termes de production annuelle d’énergie électrique. Les chapitres suivants
contiendront le processus de la fabrication d’un suiveur solaire en plus le matériel utilisé.