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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Testeur de cellules solaires. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Vous pouvez utiliser des cellules solaires comme n'importe quelle autre source d'énergie. Chacun d'eux est conçu pour maintenir une certaine intensité de courant à une tension donnée. Cependant, contrairement aux alimentations électriques conventionnelles, les caractéristiques de sortie d'une cellule solaire dépendent de la quantité de lumière incidente. Par exemple, un nuage entrant peut réduire la puissance de sortie de plus de 50 %.
De plus, toutes les cellules ne délivrent pas la même puissance dans les mêmes conditions d'éclairage, même si les cellules sont de taille et de conception identiques. Des écarts dans les régimes technologiques peuvent entraîner une dispersion notable des courants de sortie des éléments d'un lot. Ces facteurs doivent être pris en compte lors de la conception et de la fabrication de structures avec des cellules solaires. Par conséquent, si vous souhaitez tirer le meilleur parti des convertisseurs photovoltaïques, vous devez vérifier tous les éléments. Pour mieux comprendre quels paramètres sont soumis à vérification, nous considérons d'abord les caractéristiques d'une cellule solaire au silicium. Caractéristiques du convertisseur photoélectrique Chaque fois que vous travaillez avec une source d'alimentation, il est nécessaire d'imaginer quelle est la relation entre la tension et le courant, ainsi que leur dépendance à la charge. Dans la plupart des cas, la relation est déterminée par la loi d'Ohm. Malheureusement, les cellules solaires au silicium sont des dispositifs non linéaires et leur comportement ne peut être décrit par une simple formule. Au lieu de cela, une famille de courbes faciles à comprendre (Figure 1) peut être utilisée pour expliquer les caractéristiques de l'élément.
100 mW/cm2 correspondent à l'énergie d'éclairement créée par le flux direct du rayonnement solaire à la surface de la terre et au niveau de la mer à midi par ciel dégagé ; 75 mW/cm2 correspondent à 3/4 ; 50 mW/cm2 - 1/2 ; 25 mW/cm2 est 1/4 de cet éclairement. Il est possible d'étudier plus en détail les caractéristiques courant-tension (Fig. 1) à l'aide du circuit illustré à la Fig. 2. Le circuit mesure les tensions de sortie et le courant traversant une charge résistive variable. Nous supposerons que l'intensité lumineuse reste constante pendant la mesure. Tout d'abord, utilisez le potentiomètre pour régler la valeur de résistance maximale. Dans ce cas, en fait, il n'y a pas de courant dans le circuit et la tension de sortie résultante peut être considérée comme égale à la tension à vide, qui est la tension que l'élément génère lorsqu'aucune charge ne lui est connectée. Elle est d'environ 600 mV (0,6 V). L'amplitude de cette tension peut varier légèrement lors du passage d'un élément à un autre dans un lot et d'un fabricant à un autre. Au fur et à mesure que la résistance de la résistance diminue, l'élément est de plus en plus chargé. Comme avec une batterie classique, cela entraîne une augmentation de la consommation de courant. Dans le même temps, la tension de sortie chute légèrement, comme il se doit avec une alimentation non régulée. Jusqu'à présent, ce n'est pas surprenant. Puis quelque chose d'étrange se produit. Une situation est atteinte où le courant de sortie n'augmente plus lorsque la résistance de charge diminue. Rien ne peut provoquer une augmentation du courant, pas même un court-circuit. En pratique, ce courant est appelé à juste titre courant de court-circuit. Essentiellement, le générateur solaire est devenu une source de courant continu. La question se pose : qu'en est-il de la tension ? La tension diminuera constamment proportionnellement à l'augmentation de la charge.
Dès que la résistance de charge devient nulle, la tension tombe à zéro. Soit dit en passant, un court-circuit du convertisseur photoélectrique n'entraîne pas sa défaillance. La quantité de courant qu'un élément peut développer dépend de l'intensité de la lumière. Pour la première mesure, nous avons arbitrairement choisi le niveau d'éclairement le plus élevé, qui correspond à la courbe supérieure (Fig. 1). Chaque courbe suivante a été obtenue sur le même élément avec une diminution progressive de l'intensité lumineuse. courbe de puissance S'il était nécessaire de tracer la puissance de sortie en fonction de la tension, le résultat pourrait être quelque chose de similaire à celui illustré à la Fig. 3. À une extrémité du graphique, il y a un courant maximum à tension nulle. Bien sûr, aucune puissance n'est libérée à ce stade en raison du manque de tension. À l'autre extrémité du graphique, il y a une tension maximale à courant nul, ce qui fait qu'aucune puissance n'est libérée non plus. Entre ces deux limites, lors du fonctionnement du convertisseur photovoltaïque, de la puissance est libérée dans la charge, et la puissance crête n'est libérée qu'en un point. C'est en elle que la combinaison de tous les facteurs assure la sélection de la plus grande énergie de la cellule solaire. La puissance de crête correspond à une tension d'environ 450 mV (0,45 V), qui a coïncidé par coïncidence avec l'inflexion de la courbe de courant illustrée à la Fig. 1. Le fait que la famille de courbes de courant ait la même forme signifie que nous obtiendrons toujours la puissance maximale à la même tension, quelle que soit la luminosité du soleil. Bien entendu, la puissance réelle dépendra de l'intensité du rayonnement solaire à un instant donné, cependant, la puissance crête sera observée à la même tension. Ainsi, afin d'évaluer correctement la qualité d'une cellule solaire au silicium, il est nécessaire de la charger pour que la tension de sortie soit de 0,45 V, puis de mesurer la puissance de sortie. Cette méthode est efficace non seulement pour comparer des éléments entre eux dans les mêmes conditions, mais également pour évaluer la qualité d'un élément individuel.
Développement du schéma de test Comme déjà mentionné, pour tester les cellules solaires, vous pouvez utiliser le circuit illustré à la Fig. 2. Soit dit en passant, il s'agit d'un moyen rapide et facile, selon lequel, après avoir connecté l'élément au circuit spécifié, il vous suffit de régler la tension appropriée à l'aide d'un potentiomètre et de prendre des mesures à partir d'appareils qui mesurent la tension et le courant. En multipliant la tension et le courant, vous pouvez obtenir la quantité de puissance. Cependant, tous les éléments sont légèrement différents et, par conséquent, les résistances correspondant à la puissance de crête des éléments individuels seront également différentes. Et conformément à cela, il est nécessaire de changer la résistance de charge à chaque fois afin de rétablir la tension de fonctionnement requise. De plus, l'énergie générée par la cellule solaire est complètement dissipée dans le potentiomètre, provoquant son échauffement et son instabilité. La solution racine à ce problème serait de remplacer la résistance de charge dans le circuit. Quoi de mieux qu'un transistor ? C'est un excellent remplacement. Dans cette application particulière, le transistor peut être considéré comme une résistance dynamique. Un petit courant de base de transistor, réglé comme indiqué sur la fig. 4 provoque une modification significative du courant de collecteur. Le courant de base modifie en fait la résistance du transistor, qui à son tour est utilisé comme charge pour la cellule solaire.
Malheureusement, le transistor présente le même inconvénient que le potentiomètre, c'est-à-dire la nécessité d'ajuster le courant de base lors du changement de l'élément testé. Cette opération n'est pas difficile avec un petit nombre d'éléments, mais supposons que vous deviez vérifier 30, 40 éléments ou plus. Cela prendra trop de temps. Ce serait bien de trouver un moyen d'ajuster automatiquement le courant de base sans avoir à le régler manuellement à chaque fois. Il serait hautement souhaitable d'avoir un régulateur de tension parallèle. Un régulateur de tension parallèle est un régulateur entouré d'une boucle de rétroaction qui utilise la tension d'entrée pour contrôler le courant de base. Quelle que soit la tension d'entrée initiale, le régulateur shunt modifie sa résistance shunt afin que la tension de sortie soit maintenue au niveau souhaité. Le principe de fonctionnement du circuit En conséquence, nous arrivons au schéma illustré à la Fig. 5, qui utilise un amplificateur opérationnel pour contrôler le courant de base du transistor. La résistance de 220 ohms sert à limiter le courant de base. Le régulateur compare la tension d'entrée du convertisseur photovoltaïque avec une tension de référence. Habituellement, un circuit à diode Zener est utilisé comme source de tension de référence. Cependant, dans notre cas, il faudrait une diode Zener avec une tension de stabilisation extrêmement basse, de préférence inférieure à 1 V. Malheureusement, les diodes Zener pour de telles tensions sont soit très sensibles aux changements de température, soit coûteuses (généralement les deux). D'autre part, une diode au silicium polarisée en direct peut servir d'excellente référence de basse tension.
La diode D1, dont la polarisation directe est réglée par la résistance R1, détermine la plage de tension du régulateur, limitant la tension aux bornes de la résistance de réglage "d'étalonnage". La tension de référence du curseur de ce potentiomètre est envoyée à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur. La tension du convertisseur photoélectrique est appliquée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur à travers la résistance R3. La résistance R4 définit le gain de l'amplificateur opérationnel (dans ce cas, il est de 100). En raison de sa particularité, l'amplificateur opérationnel tente d'égaliser la tension sur ses entrées inverseuses et non inverseuses en contrôlant le courant traversant le transistor régulateur shunt Q1. Le transistor réduit la tension d'entrée à une valeur telle qu'elle devienne égale à la tension à la prise de la résistance VR1. Cette tension peut être ajustée entre 0 et 0,7 V. Cependant, un transistor ne peut pas avoir de manière réaliste une résistance nulle, ce qui est nécessaire pour ramener la tension à zéro. Peu importe vos efforts, le transistor aura toujours une petite tension résiduelle d'environ 150 mV. Cela limite la plage de régulation entre 0,15 et 0,7 V. Appareils de controle La tension sur la cellule solaire est mesurée avec un voltmètre M1, et le courant traversant le transistor shunt est mesuré avec un ampèremètre M2. La puissance (en watts) est déterminée en multipliant les lectures des deux appareils. Le voltmètre est connecté directement à l'élément. Il s'agit d'un indicateur de panneau de 1 mA avec une résistance de limitation en série qui lui permet d'afficher 1 V à pleine échelle. D'autre part, un amplificateur opérationnel est utilisé avec l'ampèremètre M2 pour mesurer le courant. Le circuit est conçu de sorte que le courant d'émetteur du transistor Q1 doit traverser la résistance R13. Ce courant correspond au courant généré par la cellule solaire. Lorsque le courant traverse la résistance R13, une petite chute de tension est créée. Il est amplifié par un amplificateur différentiel dont les entrées inverseuse et non inverseuse sont alimentées respectivement par les résistances R6 et R7. La valeur du gain est contrôlée par les résistances R8-R10. La résistance R8 est connectée en permanence entre la sortie et l'entrée inverseuse. Sa résistance est de 3 MΩ et la valeur de gain correspondante est de 300. Lorsqu'un courant de 13 mA traverse la résistance R100, la tension de sortie de l'amplificateur est de 1 V. La tension de sortie de l'amplificateur différentiel est mesurée avec un voltmètre identique à M1. Cet instrument est calibré en unités de courant. Dans notre cas, une tension de 1 V correspond à un courant de 100 mA. Lorsque la résistance R8 est connectée en parallèle avec la résistance R10, le gain diminue jusqu'à 60. Dans ce cas, une tension de 1 V en sortie de l'amplificateur correspond à un courant de 500 mA traversant R13. Ainsi, nous avons élargi la gamme des courants mesurés, couvrant des valeurs de 100 à 500 mA. De même, lorsque la résistance R9 est connectée en parallèle à la résistance R8, des courants dans la plage de 0 à 3 A peuvent être mesurés. Conception du testeur Bien que le testeur de cellules solaires puisse être fabriqué de n'importe quelle manière, le câblage imprimé est fortement recommandé. La carte de circuit imprimé est représentée sur la fig. 6. Placez les détails du circuit selon la fig. 7 et soudez-les en respectant la polarité des semi-conducteurs. Notez que le transistor shunt Q1 est situé du côté feuille de la carte. Le transistor doit être soigneusement vissé sur une grande pastille de cuivre qui agit comme un dissipateur thermique. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'isoler le boîtier du transistor.
Idéalement, les résistances R6 et R7 devraient former un cadeau assorti. Cependant, les résistances de précision sont chères et difficiles à obtenir. Par conséquent, je recommande de prendre un petit groupe de résistances de 10 kΩ et de les mesurer avec un multimètre numérique. Il ne faut pas longtemps pour trouver deux résistances correspondantes. Les composants restants peuvent être utilisés comme résistances R2 et R3. D'autre part, la résistance R13 n'est pas une résistance ordinaire. Je doute que vous puissiez trouver une telle résistance dans un magasin général. Mais il peut être réalisé à partir d'un morceau de fil de 10 cm de long et de 0,26 mm de diamètre, qui est généralement utilisé pour les bobinages. Enroulez le fil autour du cadre (crayon) de sorte que la bobine résultante s'adapte exactement sur la planche. La précision de la mesure du courant dépend de la précision de la sélection de la valeur de la résistance R13. Afin d'augmenter la précision, vous pouvez commencer avec un morceau de fil d'un peu plus de 10 cm et le raccourcir, en contrôlant la quantité de courant à l'aide de l'ampèremètre M2. Les deux jauges, la commande "calibrage" et le sélecteur de gamme, sont logées avec la carte de circuit imprimé dans tout logement approprié. Lors de la connexion de ces composants, la polarité doit être respectée. Pour alimenter l'instrument, deux alimentations de 12 volts avec des fils positifs et négatifs et un fil de terre commun sont nécessaires. Le type de sources d'alimentation et l'amplitude de la tension ne sont pas critiques. Si vous le souhaitez, le testeur peut être alimenté à l'aide de deux piles de 9 volts pour les récepteurs à transistor. Un schéma de l'une des sources d'alimentation possibles est illustré à la fig. 8.
La chose la plus difficile à trouver ou à fabriquer est probablement un support avec un dispositif de contact pour les cellules solaires. Ici, vous devez faire preuve d'imagination vous-même. Une plaque plate en aluminium un peu plus grande que la cellule elle-même peut servir de bonne électrode pour établir une connexion avec le contact arrière de la cellule, tandis qu'une sonde volt-ohmmètre établira un excellent contact avec l'avant de la cellule. Pour automatiser les tests, vous devrez peut-être acheter ou fabriquer une pince spéciale. Comme je l'ai dit, il faudra un peu d'imagination et de compréhension de ce qui est exactement nécessaire.
Travailler avec le testeur Le testeur est très facile à utiliser. Il est nécessaire de connecter l'élément au circuit, de l'éclairer et de prendre des mesures. Le contact arrière de l'élément est une électrode positive et est connecté à l'entrée positive du testeur. La grille de collecte de courant sur la surface avant de l'élément est une électrode négative et est connectée à la sortie mise à la terre du testeur. Il est nécessaire d'assurer un contact fiable avec les électrodes de l'élément. Comme nous avons affaire à une tension assez faible, même une petite résistance de contact peut entraîner une différence significative dans les lectures. Pour assurer une connexion fiable, il est nécessaire que les contacts soient suffisamment bien plaqués contre l'élément. Cependant, une pression excessive doit être évitée car les éléments sont très fins, cassants et se cassent facilement ! C'est là qu'un dispositif de contact d'élément bien conçu devient utile. Le régulateur "d'étalonnage" définit la tension de fonctionnement à laquelle la puissance est mesurée. Il est généralement réglé une fois à 450 mV. Cependant, si nécessaire, la tension de fonctionnement peut être modifiée. En bref, si vous avez un testeur, vous ne pouvez pas deviner les paramètres des éléments, mais les mesurer. Auteur : Byers T.
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