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Effet du niveau d'éclairement sur une cellule photovoltaïque

Niveau d'éclairement : définition


Le niveau d’éclairement correspond à l’intensité lumineuse incidente perpendiculairement à la surface de la cellule photovoltaïque. Il s’agit d’une puissance et se mesure en W/m² (watt par m²). On notera Pi le niveau d’éclairement de la cellule (ou du module).



Rappel sur l’unité de puissance : Watt (W)


Une puissance est une quantité d’énergie fournie pendant une durée. Elle s’exprime en W qui est équivalent à J/s (joule par seconde). Le joule étant une unité d’énergie, 1 W correspond donc à 1 joule d’énergie fournie pendant 1 seconde.

Pour donner un ordre de grandeur, 1 joule est l’énergie qu’il faudrait fournir pour soulever une masse de 1 kg sur une hauteur de 10 centimètres, sur Terre. Si cette masse de 1 kg est soulevée sur 10 centimètres en 1 seconde, alors la puissance fournie est de 1 W. Si cette même masse de 1 kg est soulevée sur 10 centimètres en 2 secondes, alors la puissance fournie est de 0.5 W (mais l’énergie fournie est toujours de 1 J).

La puissance est toujours associée à un type d’énergie (énergie électrique, énergie hydraulique, énergie radiative, etc.) mais s’exprime toujours en W.


Lorsque l’origine de l’éclairement est le soleil, on parle de rayonnement solaire.

Au niveau de la surface supérieure de l’atmosphère terrestre, le rayonnement reçu face au soleil est de l’ordre de 1367 W/m². Au sol, cette valeur est dégradée par des relations géométriques et par les propriétés physiques de l’atmosphère, qui limitent la quantité disponible sous nos latitudes à environ 1000 W/m² dans les meilleures conditions.

A la surface terrestre, une cellule photovoltaïque peut recevoir un rayonnement incident qui présente 3 origines :
  • Le rayonnement solaire direct.
  • Le rayonnement diffus qui est le rayonnement issue de toute la voute céleste. Le spectre du rayonnement diffus est plus riche en bleu que le rayonnement direct. Les cellules photovoltaïques sont bien sensibles au rayonnement diffus de la voute céleste, ce qui leur permet de produit de l'électricité même lorsqu'elle ne sont pas soumis au rayonnement solaire direct.
  • Le rayonnement réfléchi par les obstacles tels que le sol ou les nuages. Ce rayonnement est appelé l’albédo. L’albédo d’un obstacle se quantifie par un coefficient d’albédo sans dimension compris entre 0 et 1. Ce coefficient est la fraction de l’énergie solaire réfléchie par rapport à l’énergie solaire incidente. Un corps noir disposerait donc d’un coefficient d’albédo égal à 0 (aucun rayonnement n’est réfléchi), alors qu’un miroir présenterait un coefficient d’albédo égal à 1(tout le rayonnement incident est réfléchi).
Type de surface Valeur du coefficient d’albédo
Herbe Entre 0.15 et 0.26
Neige Entre 0.55 et 0.82
Asphalte Entre 0.09 et 0.18
Béton Entre 0.25 et 0.35
Tuiles rouges ≈0.33
Aluminium ≈0.85
Acier galvanisé ≈0.35
Valeurs moyennes du coefficient d'albedo en fonction du type de surface
Dans le calcul du niveau d’éclairement, il faut donc considérer le rayonnement direct, le rayonnement diffus et l’albédo.

Par conséquent, le niveau d’éclairement peut atteindre des valeurs supérieures à 1000 W/m² de rayonnement solaire énoncé précédemment (direct et diffus). On estime que le niveau d’éclairement total (c’est-à-dire la somme des 3 rayonnements directs, diffus et albédo) permet d’atteindre une valeur maximale de 1250 W/m².

Représentation des 3 rayonnements auxquels est soumis une cellule photovoltaïque
Représentation des 3 rayonnements auxquels est soumis une cellule photovoltaïque


Exemple 1


Ci-dessous un ciel très nuageux aux alentours d’Avignon le 5 décembre 2010 à 13 h 00.

Mesure du niveau d'éclairement avec un solarimètre, sous un ciel couvert
Mesure du niveau d'éclairement avec un solarimètre, sous un ciel couvert


Le rayonnement direct est nul. Le rayonnement en provenance des nuages est un rayonnement diffus. On mesure 23 W/m² de rayonnement diffus (photo de gauche). Le rayonnement en provenance du sol (albédos) est de 5 W/m² (photo de droite).

Exemple 2


Ci-dessous un ciel très clair aux alentours d’Avignon (même endroit que précédemment) le 11 décembre 2010 à 15 h 00.

Mesure du niveau d'éclairement avec un solarimètre, sous un ciel dégagé
Mesure du niveau d'éclairement avec un solarimètre, sous un ciel dégagé


Le rayonnement global (direct + diffus) mesurée est de 820 W/m² (photo de gauche). Le rayonnement en provenance du sol (albédos) est de 74 W/m² (photo de droite).

Effet du niveau d'éclairement sur une cellule


Effet du niveau d'éclairement sur une cellule Le courant débité par une cellule dépend fortement du niveau d’éclairement. On constate expérimentalement que le courant de court-circuit est directement proportionnel à l’éclairement. Quant à la tension, celle-ci est peu sensible aux variations du niveau d’éclairement.

Sur l’exemple ci-contre, lorsque le niveau d’éclairement est divisé par 2 (il passe de 1000 W/m² à 500 W/m²), on constate que le courant de court-circuit Icc est aussi divisé par 2 (il passe de 5 A à 2.5 A) et la tension en circuit ouvert Uco diminue de 4 %.

Au cours d’une journée, le niveau d’éclairement d’une cellule va varier entre 0 W/m² et 1000 W/m². Il est donc important de connaître l’évolution des caractéristiques courant-tension en fonction du niveau d’éclairement, ainsi qu’illustré sur le graphe ci-dessous :

Caractéristiques courant-tension d'une cellule photovoltaïque pour différents niveaux d'éclairement
Caractéristiques courant-tension d'une cellule photovoltaïque pour différents niveaux d'éclairement