Cellules photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques sont le composant principal des modules solaires. Il existe deux types courants de cellules photovoltaïques en production : les cellules pleines et les demi-cellules.
① Cellule pleine
Une cellule pleine est fabriquée entièrement à partir d’une seule plaquette de silicium cristallin. Son processus de fabrication est relativement simple, ce qui réduit son coût.
② Demi-cellule
Une demi-cellule est une plaquette de silicium cristallin coupée en deux, puis les deux moitiés sont connectées pour former la cellule photovoltaïque.
Technologie demi-cellule
La technologie demi-cellule consiste à couper les cellules photovoltaïques standard en deux. Contrairement aux modules photovoltaïques classiques de 60 ou 72 cellules, ces modules comportent 120 ou 144 demi-cellules, tout en conservant le même design et les mêmes dimensions que les modules conventionnels.
Cette technologie utilise généralement une découpe laser pour diviser les cellules photovoltaïques de taille standard en deux, dans une direction perpendiculaire aux lignes de grille principales de la cellule, puis soude les deux moitiés en série.
Comme les modules conventionnels, les modules demi-cellules sont encapsulés avec du verre trempé, de l’EVA et un film arrière. Les modules solaires classiques contiennent généralement 60 cellules solaires connectées en série, chaque cellule ayant une tension de 0,5 à 0,6 V. Lorsque les cellules sont connectées en série, la tension augmente, ce qui donne une tension de fonctionnement de 30 à 35 V pour un module de 60 cellules.
Lorsqu’elles sont connectées comme dans les modules standard, les demi-cellules produisent un courant réduit de moitié et une tension doublée, tandis que la résistance reste inchangée (comme illustré dans la figure ci-dessous).
Pour garantir une tension et un courant de sortie constants par rapport aux modules conventionnels, les modules demi-cellules adoptent généralement une conception en configuration série-parallèle, créant ainsi deux modules plus petits connectés en parallèle.
Comme illustré dans le schéma ci-dessus, la tension en circuit ouvert d'une demi-cellule est identique à celle d'une cellule pleine. Lorsque le nombre de demi-cellules est doublé, chaque partie du module contient le même nombre de cellules qu’un module à cellules pleines. Après avoir connecté les deux parties en parallèle, la tension reste identique à celle de chaque partie individuelle, ce qui signifie que la tension de sortie totale reste inchangée par rapport au module à cellules pleines.
Étant donné que les modules demi-cellules sont deux fois plus petits que les cellules conventionnelles, chaque demi-cellule transporte un courant réduit de moitié par rapport à une cellule pleine. En concevant le module avec deux moitiés en parallèle, le courant de sortie est rétabli à la même valeur que celle d’un module à cellules pleines.
La résistance d’une demi-cellule est la moitié de celle d’une cellule pleine, de sorte que chaque partie connectée en parallèle présente une résistance équivalant à la moitié de celle d’un module à cellules pleines. Lorsque ces deux parties, chacune ayant une résistance réduite de moitié, sont connectées en parallèle, la résistance totale du circuit est réduite au quart de la résistance d’un module à cellules pleines.
Avantages du design demi-cellule
i) Réduction des pertes de conditionnement
a. Le courant interne et la résistance des lignes sont réduits, ce qui entraîne une diminution des pertes de puissance internes. Étant donné que la perte de puissance est proportionnelle au courant, un courant divisé par deux et une résistance divisée par quatre dans les modules demi-cellules entraînent une réduction des pertes de puissance par un facteur de 4, augmentant ainsi la puissance de sortie et la production d’énergie.
b. À mesure que les pertes internes diminuent, la température de fonctionnement du module et de la boîte de jonction baisse également. En conditions extérieures, la température des modules demi-cellules est inférieure d’environ 1,6°C à celle des modules à cellules pleines, ce qui améliore l’efficacité de conversion photovoltaïque du module.
c. Même si les deux moitiés ne sont pas connectées en parallèle et que toutes les demi-cellules sont connectées pour fonctionner comme un panneau solaire standard, le courant serait divisé par deux tandis que la résistance resterait inchangée, réduisant ainsi la consommation d’énergie à un quart.
ii) Meilleure tolérance à l’ombrage et réduction du risque de point chaud
a. Les modules demi-cellules offrent une meilleure résistance aux effets de l’ombrage par rapport aux modules solaires standard.
b. Contrairement aux modules standard qui comportent 3 chaînes de cellules, les modules demi-cellules en possèdent 6, formant ainsi un panneau à 6 chaînes. Si une petite partie du module est ombragée (par exemple, par des feuilles d’arbre, des fientes d’oiseaux, etc.), seule une chaîne sera affectée. Cependant, grâce au design des diodes de dérivation (indiqué en rouge dans le schéma ci-dessous), cette défaillance n’affecte pas les autres chaînes de cellules, minimisant ainsi l’impact de l’ombrage.
c. Les 6 chaînes de cellules indépendantes des modules demi-cellules sont équipées de 3 diodes de dérivation, offrant une meilleure tolérance locale à l’ombrage. Même si la moitié du module est ombragée, l’autre moitié peut toujours fonctionner.
iii) Courant réduit diminuant la température des points chauds
a. Les modules demi-cellules répartissent le courant interne de manière plus homogène dans le système, améliorant ainsi leurs performances, leur durée de vie et leur tolérance à l’ombrage.
b. Lorsqu’une cellule d’une chaîne est ombragée, cette cellule spécifique forme un point chaud dans le circuit. Une température élevée prolongée causée par ce point chaud peut potentiellement endommager le module. Comme les modules demi-cellules possèdent deux fois plus de chaînes que les modules conventionnels, la chaleur générée au niveau du point chaud est répartie sur un plus grand nombre de chaînes. En conséquence, la température du point chaud est réduite de moitié, minimisant ainsi les dommages au module. Cela renforce la capacité du module à résister aux dommages liés aux points chauds et améliore sa durée de vie globale.
iv) Tolérance accrue à l’ombrage réduisant les pertes de puissance
a. Dans une installation photovoltaïque, plusieurs modules sont généralement connectés en série, et ces chaînes de modules sont ensuite connectées en parallèle. Le courant circule séquentiellement à travers chaque module de la chaîne en série.
b. Dans les conceptions de modules traditionnels, si un module subit une perte de puissance due à l’ombrage, cela affecte tous les modules de la chaîne en série. Cependant, dans la conception des modules demi-cellules (comme illustré dans le schéma ci-dessus), les diodes de dérivation limitent la perte de puissance à la seule partie ombragée du module, au lieu d’affecter l’ensemble du module. Ces diodes créent un chemin alternatif permettant au courant de circuler à travers les parties non ombragées du module, empêchant ainsi le courant de passer par les sections ombragées. Cela réduit l’impact de l’ombrage et améliore la performance globale du module.
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