Rôles des diodes by-pass présentes sur les modules photovoltaïques
Les modules photovoltaïques sont munis de diodes by-pass. Celles-ci se trouvent dans le boitier de connexion à l’arrière des modules :
Le rôle des diodes by-pass est double :
Comme les cellules du module sont connectées en série, la cellule qui débite le moins de courant impose ce courant aux autres cellules. Par conséquent, la puissance fournie par les autres cellules (non-ombragées) diminue aussi.
En première approximation, on peut considérer que la puissance générée par les cellules non-ombragée est égale à la puissance de la cellule ombragée (cette approximation est d’autant plus vraie que le pourcentage de cellule ombragée est important).
Considérons que la cellule ombragée délivre 1 W. Du coup, toutes les autres cellules fournissent aussi 1 W :
Les constructeurs de modules implantent généralement entre 2 et 5 diodes by-pass par modules (dans le boitier de connexion du module). Chacune des diodes by-pass est associée à un sous-réseau de cellules du module. Lorsqu’une des cellules du sous-réseau est ombragée, la diode by-pass devient passante, c’est-à -dire que le courant circule dans la diode en isolant ainsi du circuit électrique le sous-réseau de cellule associé.
Considérons que notre module photovoltaïque dispose de 3 diodes by-pass (D1, D2 et D3), chacune étant associée à un sous-réseau de 20 cellules. Supposons que la cellule ombragée appartienne au sous-réseau n°1. La diode by-pass D1 va donc court-circuiter le sous-réseau n°1 en laissant passer le courant directement vers le sous-réseau n°2 :
Le rôle des diodes by-pass est double :
- Protéger les cellules contre le phénomène de point chaud (hot spot)
- Améliorer la performance des modules soumis à l’ombrage
Modules en fonctionnement normal
En fonctionnement normal, c’est-à -dire sans effet d’ombrage, toutes les cellules photovoltaïques composant le module fournissent leur maximum de puissance. Dans ce cas, toutes les cellules fournissent 3 W chacune :
Modules ombragés sans diode by-pass
Lorsqu’une des cellules est ombragée, cela correspond à une sous-irradiation de la cellule. Cela se traduit par une diminution du courant débité par la cellule ombragée, et par conséquent par une diminution de la puissance fournie (P=U×I).Comme les cellules du module sont connectées en série, la cellule qui débite le moins de courant impose ce courant aux autres cellules. Par conséquent, la puissance fournie par les autres cellules (non-ombragées) diminue aussi.
En première approximation, on peut considérer que la puissance générée par les cellules non-ombragée est égale à la puissance de la cellule ombragée (cette approximation est d’autant plus vraie que le pourcentage de cellule ombragée est important).
Considérons que la cellule ombragée délivre 1 W. Du coup, toutes les autres cellules fournissent aussi 1 W :
Modules ombragés avec diodes by-pass
Pour éviter les effets indésirables du phénomène "point chaud" (Hot-Spot), les fabricants ont implantés des diodes dites by-pass dont le principe est de court-circuiter les cellules ombragées.Les constructeurs de modules implantent généralement entre 2 et 5 diodes by-pass par modules (dans le boitier de connexion du module). Chacune des diodes by-pass est associée à un sous-réseau de cellules du module. Lorsqu’une des cellules du sous-réseau est ombragée, la diode by-pass devient passante, c’est-à -dire que le courant circule dans la diode en isolant ainsi du circuit électrique le sous-réseau de cellule associé.
Considérons que notre module photovoltaïque dispose de 3 diodes by-pass (D1, D2 et D3), chacune étant associée à un sous-réseau de 20 cellules. Supposons que la cellule ombragée appartienne au sous-réseau n°1. La diode by-pass D1 va donc court-circuiter le sous-réseau n°1 en laissant passer le courant directement vers le sous-réseau n°2 :
L’effet immédiat est que les 20 cellules du sous-réseau n°1 ne fonctionnent plus : elles délivrent 0 W.
Cependant, les 40 cellules restantes ne sont plus affectées par la cellule ombragée : elles fournissent leur pleine puissance, c’est-à -dire 3 W.
Par conséquent, la puissance du module est de 40 × 3 = 120 W.
La présence des diodes by-pass a donc permis d’améliorer la performance du module.
Idéalement, il faudrait une diode by-pass en parallèle sur chaque cellule.
Pour des raisons technico-économiques, le nombre de diodes by-pass sur un module est généralement limité à 5.
Cependant, les 40 cellules restantes ne sont plus affectées par la cellule ombragée : elles fournissent leur pleine puissance, c’est-à -dire 3 W.
Par conséquent, la puissance du module est de 40 × 3 = 120 W.
La présence des diodes by-pass a donc permis d’améliorer la performance du module.
Idéalement, il faudrait une diode by-pass en parallèle sur chaque cellule.
Pour des raisons technico-économiques, le nombre de diodes by-pass sur un module est généralement limité à 5.
Homogénéités des cellules
Cet exemple montre qu’une cellule ombragée affecte les cellules voisines connectées en série.
Ce phénomène se produit plus généralement lorsque les cellules en séries ne sont pas identiques. D’où l’importance pour les fabricants de modules de toujours appariées des cellules photovoltaïques équivalentes.
De même, connecter en série des modules qui n’auraient pas la même orientation et inclinaison présenterait les mêmes conséquences (perte de puissance).
Cet exemple montre qu’une cellule ombragée affecte les cellules voisines connectées en série.
Ce phénomène se produit plus généralement lorsque les cellules en séries ne sont pas identiques. D’où l’importance pour les fabricants de modules de toujours appariées des cellules photovoltaïques équivalentes.
De même, connecter en série des modules qui n’auraient pas la même orientation et inclinaison présenterait les mêmes conséquences (perte de puissance).
Par ailleurs, il peut se produire une inversion de polarité aux bornes de la cellule ombragée (la tension change de signe).
Concrètement, cela signifie que le produit U×I change de signe aussi : la cellule ne se comporte plus comme un générateur mais comme un récepteur.
En d’autres termes, elle se comporte comme un dipôle qui dissipe de l’énergie électrique (au lieu d’en produire) sous forme de chaleur.
Par suite, la cellule s’échauffent ce qui peut endommager irrémédiablement la cellule.
Ce phénomène d’échauffement de la cellule s’appelle un point chaud (ou Hot-Spot en Anglais).
Nous voyons à travers cet exemple que l’ombre est un ennemi redoutable pour un module photovoltaïque : perte importante de puissance et échauffement des cellules.