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ENERGIE SOLAIREPHOTOVOLTAIQUE

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TABLE DES MATIERESI- INTRODUCTIONII- LE RAYONNEMENT SOLAIRE.21 : Concepts de base.211 : Energie et puissance.212 : Le rayonnement solaire.213 : Air masse et constante solaire

22 : Effets géométriques.221 : Variations horaires et saisonnières.222 : La fenêtre solaire.223 : Orientation des modules.23 : Effets atmosphériques.24 : Spectre solaire.241 : Diagramme Longueur d'onde/Energie242 : Effets de l'atmosphère.243 : Sensibilité des matériels solaires avec le spectre solaire.25 : Types de modules solaires251 : Modules fixes.252 : Système avec poursuite solaire - Positionnement dynamique.

253 : Modules sous concentration.26 : Rayonnement solaire.261 : Données météo.262 : Notion de "Heures de puissance crête".III-LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES31 : Réponse d'une cellule solaire.311 : L'effet photovoltaïque.3111 : Historique et état actuel.3112 : Rappel sur les propriétés des semi-conducteurs.3113 : Rendement max théorique - rendement réel.3114 : Schéma équivalent d'une cellule solaire*) Schéma équivalent simplifié.*) Schéma équivalent

a) Courant de court-circuit (Isc)b) Tension en circuit ouvertc) Point de puissance maximaled) Résistance sériee) Résistance shunt.312 : Caractéristique courant/tension (I/V).313 : Point de fonctionnement et charge.314 : Variation due à l'énergie incidente.315 : Variation due à la température3151 : Notion de NOCT.3152 : Facteur de correction de température.316 : Performance d'une cellule solaire.

3161: Le rendement.*) Variation du rendement avec la température.3162 : Le facteur de forme.-2-


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3163 : Module solaire Si cristallin et Si amorphe.31631 : Si cristallin et Si amorphe.3164 : Autres technologies.32 : Procédés de fabrication.321 : Procédé Czochralski.322 : Procédé ruban.323 : Procédé dendrites.

324 : Méthode de coulage des lingots.325 : Procédé couche mince:silicium amorphe hydrogéné.33 : Notion de cellule, module, panneau solaire, système solaire.IV- LE GENERATEUR SOLAIRE.41 : Les modules solaires en série.411 : Modules identiques.412 : Modules non identiques.42 : Les modules en parallèle.421 : Modules identiques.422 : Modules non identiques.43 : Le panneau photovoltaïque.44 : Diodes de protection.

441 : Diodes de blocage.442 : Diodes by-pass.45 : Spécification des performances d'un module solaire.451 : Conditions imposées.452 : Spécifications des constructeurs.46 : Fiabilité du module (test).47 : Choisir un panneau solaire.471 : Critères de sélection.472 : Exemples.V- LES COMPOSANTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE.51 : Définition du système :52 : Les récepteurs électriques ou charges électriques.53 : Les systèmes de stockage.

531 : La batterie.5311 : La capacité.5312 : Rendement faradique ; Rendement en tension.5313 : Profondeur de décharge maximum.5314 : Durée de vie.5315 : Influence avec la température.5316 : Taux de charge/décharge.5317 : Taux d'autodécharge.5318 : Densité.5319 : Taille, poids et nature.53110 : Coût.53111 : Sécurité.

532 : Critères de sélection d'une batterie.533 : Spécification et données d'un constructeur de batterie.54 : Le régulateur.541 : Les différents types de régulateurs.Régulateur SERIE.-3-


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Régulateur SHUNT.Régulateur à commande séquentielle.55 : Onduleurs.551 : Onduleurs isolés.552 : Onduleurs synchrones.553 : Onduleurs des pompes solairesVI- LE DIMENSIONNEMENT.

61 : La procédure de dimensionnement.62 : Le pré dimensionnement.621 : Module solaire622 : Batterie.63 : Dimensionnement des installations PV couplées réseau sans batterie de stockage.64 : Di A O ou dimensionnement assisté par ordinateur.641: SIZEPV642 : PV Designer643 : PVSYST644 : DIMSOL et SOLHYBRI (logiciel France Telecom)645 : ConclusionVII - CABLAGE.

71 : Les normes électriques.72 : Les fils électriques.73 : Taille des conducteurs électriques.731 : Chute de tension.732 : Courant de surcharge, de court-circuit, pouvoir de coupure.74 : Notion de connectique électrique adaptée aux systèmes PV.Notion de corrosion électrochimique75 : Mise à la terre ± Plan de masse751 : Conformité avec la norme.752 : Courant de fuite.76 : Protection contre les surtensions atmosphériques.761 : Généralité.762 : Mise à la terre.

7621 : Exemple : Station Telecom763 : Parafoudres - Eclateurs - Varistances - Diodes.77 : Les instruments de contrôle.771 : Les matérielsVIII - LA MAINTENANCE81 : Maintenance et sécurité82 : La maintenance821 : Le câblage822 : Le module solaire*) inspection visuelle*) mesure électrique823 : La batterie.

*) batterie étanche-4-


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*) batterie fermée824 : L'électronique*) le régulateur*) les appareils électriques.83 : Cas d'école d'une installation défectueuse.Jeu questions/réponses entre moniteur et stagiaireIX - PROGRES A ATTENDRE

91 : Nouveau matériau et procédé de fabrication des modules solaires92 : Nouvelles formes de stockageX ± TPAnnexe I : Fiche technique du module solaire SHELL SM55Annexe II : Accumulateur tubulaire plomb ouvert HawkerAnnexe III : Guide d'exploitation des batteries Pb ouvert à plaques tubulaires positivesAnnexe IV : Technical manual batteries Ni-Cd SUNICA SAFTAnnexe V : Données ensoleillement pour la France valeurs non garanties.Annexe VI : Arrêté du 13 mars 2002Annexe VII : Exemple de données météo pour Nantes tirées de Météonorm et des données NASAAnnexe VIII : Surface solar energy data set : Bretagne/Normandie.

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I - INTRODUCTION.Les chapitres suivants:- Le rayonnement solaire.- Les cellules solaires.- Le générateur solaire.- Les composants d'un système PV.- Le dimensionnement.

- Les notions de câblage et montage.- La maintenance.- Les perspectives.seront étudiés dans le cours.Les systèmes hybrides à savoir : PV/éolien. - PV/groupe électrogène. - PV/éolien/GE nesont abordés que très succinctement.Pour l'énergie solaire PV couplée au réseau électrique, seuls les textes réglementairesfrançais seront abordés.Ne sont pas abordés les différentes méthodes de calcul de transformation de l'énergieradiative du soleil du plan horizontal au plan incliné.

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II- LE RAYONNEMENT SOLAIRE.21 : Concepts de base.211 : Energie et puissance.L'énergie correspond à une certaine aptitude à faire un certain travail; elle s'exprime enKWH ou en Joule.La puissance = Energie

Tempselle s'exprime en Watt ou KW212 : Le rayonnement solaire.Le soleil est une source d'énergie énorme. A un instant donné, l'énergie solaire à la surface17de la terre peut atteindre environ 1,2 10 Watts.31 KW = 10 W61 MW = 10 W9

Pyranométre Kipp & Zonen constitué de 1001 GW = 10 Wthermocouples imprimés sur un substrat céramique121 TW = 10 WLe flux énergétique reçu sur une surface est la quantité d'énergie solaire disponible suruneunité de surface, elle s'exprime en KW/m² ,W/m²,cal/cm²,langley (US). Elle se mesure avec unpyranomètre, un solarimètre ou avec des cellules solaires de référence.1 langley = 1 cal/cm² = 0.01163 KWH/m²

Soleil :

Masse : 2.1030 Kg soit 350.000 fois la masse de la terre15Perte de masse : 133. 10 kg/anDiamètre : 1,4 millions de kms soit 109 diamètres terrestres.Température de surface : 5900 degrés kelvinPuissance rayonnée : 360.1018 MW => 62000.000 MW/m2Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère terrestre : I°= 1367 W/m2Puissance moyenne du rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère sur le"disque de notre planète" P°= 170.000 TW

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Le rayonnement solaire sur terre varie avec la position du soleil dans le ciel,donc avec lessaisons et avec les conditions météorologiques (ciel clair, nuage, neige...). La position du soleil dansle ciel change constamment pendant la journée, position caractérisée par l'élévation ou altitude etl'azimut.

a= altitude du soleil ou élévation : angle du plan avec le plan horizontala = azimut : angle de ce plan par rapport au sud ; l'

zimut du soleil est l'

ngle mesuré dans le sensdes aiguilles d'une montre entre le nord géographique et le point de l'horizon directement sous lesoleil ; pour un site à l'est l'

zimut vaut 90 degré et pour un site au sud l'

zimut vaut180 degré.213 : Air masse et constante solaireUne cellule solaire qui en dehors de l'atmosphère terrestre serait placée perpendiculairementaux rayons du soleil recevrait une quantité quasi constante d'énergie appelée constant

e solaire.

Prenant pour référence unité l'ép

isseur verticale de l'

tmosphère réduite à 7.8 kms et enntcette couche plane (terre plate), la longueur du trajet d'un rayon solaire incliné par rapport àl'horizont

le d'un angle a est donné par la formule :OM=OA/sin aSi OA = 1 on parle de nombre d' ir masse ou masse atmosphérique et on désigne par masseatmosphérique ou nombre d'

ir masse.M=1/sinaPar définition, hors de l' tmosphère m = 0 (AM=0)

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pour a= 90° m=1a= 45° m=1,41a= 20° m=2,92à une pression p différente de 1013 mbar et à une altitude z exprimée en km on appellera par masseatmosphérique ou nombre d' ir-m sse :m = p/1013 . 1/sin a .e(-z/7.8)

p= pression atmospérique et z en kms

Le nombre d'AM utilisé par les constructeurs de modules solaires dans leur spécification techniqueest de 1,5, ce qui correspond à un angle a de 42° environ.Air-masse/lieu/saison

Constante solaire en fonction de l'ép isseur d' tmosphère traversée :ME (W/m²)

01253

1931

1.5834

2755

Ce sont les valeurs normalisées mais dans la réalité la valeur de l'écl irement énergétiqu

obaldépend des paramètres qui caractérisent les composants de l' tmosphère (humidité, coefficit dediffusion moléculaire).Pour AM=1.5 , la constante solaire peut varier de 760 W/m² dans une atmosphère polluée à-9-


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876 W/m² pour un ciel très clair.Les applications terrestres des photopiles sont conditionnées et doivent prendre enconsidération :* les effets géométriques mettant en cause la rotation de la terre sur son axe et saposition par rapport au soleil (révolution orbitale).* les effets atmosphériques (conditions climatiques).

22 : Effets géométriques.221 : Variations horaires et saisonnières.La rotation de la terre sur son axe entraîne des variations de la puissance reçuependant le jour pour un endroit donné et rien pendant la nuit. La puissance reçue varie aussi avec lessaisons.

222: La fenêtre solaire.La fenêtre solaire représente la surface effective à travers laquelle passe lerayonnement solaire significatif pendant une année et pour un endroit spécifique. Cette notion estutilisée pour déterminer et mettre en évidence les problèmes d'ombre dans un système PV.

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223 : Orientation des modules.Pour un bon fonctionnement d'un système PV et son optimisation, l'orientation desmodules est importante et elle dépend de :- la latitude (lieu d'installation).- du type de système PV (par ex pompage de l'eau, éclairage) et de sa duréed'utilisation pendant l'année.Si le générateur solaire est raccordé sur un réseau électrique local, l'angle d'orientatio

n desmodules sera plutôt celui qui correspondra au maximum d'énergie captée pour une année. Si legénérateur solaire est utilisé pour fournir une énergie constante pour tous les mois del'année, l'anglechoisi sera celui correspondant au niveau d'ensoleillement du mois le plus défavorable. Dans ce caslà on privilégie une orientation optimisée pour l'hiver sachant que les surplus sont principalementl'été. Il n'y a pas de surplus dans un système PV raccordé au réseau électrique, celui-ciit office derécepteur de grosse capacité pouvant absorber toutes les pointes du générateur solaire.

Pour l'hémisphère nord, les modules solaires seront placés plein sud et plein nord pourl'hémisphère sud.

b: angle par rapport à l'horizontalg: .................au sud ou azimut23 : Effets atmosphériques.La présence de l'atmosphère associée aux effets climatiques atténue et change la naturede l'énergiesolaire. Il y a des phénomènes de réflexion, absorption, et réfraction du rayonnement solaire.

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.a: rayonnement extra-terrestreb: ........... Solaire directc: ........... Réfléchid: ........... Diffuse: ........... Globala) Rayonnement extra-terrestre.

C'est l'énergie (1353 W/m²) en provenance directe du soleil traversant chaque seconde unesurface placée hors de l'atmosphère perpendiculairement aux rayons solaires.b) Rayonnement solaire directC'est le rayonnement provenant directement du disque solaire qui ayant traversél'atmosphère arrive en un point donné à la surface de la terre.c) Rayonnement réfléchi.C'est le rayonnement solaire provenant de la surface terrestre et des objets environnantsaprès réflexion ou diffusion. L'Albedo est défini comme étant le rapport entre rayonnement réfléchiet rayonnement direct ou plus exactement c'est la valeur moyenne du rapport du f

lux réfléchi / fluxincident pour toutes les longueurs d'onde et tous les angles d'incidence. La neige favorise l'albédo.d) Rayonnement diffus du ciel.C'est le rayonnement solaire provenant de la voûte céleste après diffusion et réflexionpar lesconstituants de l'atmosphère, à l'exception de l'angle solide limité au disque solaire.e) Rayonnement diffuségal à c+df) Rayonnement globalC'est le rayonnement total reçu par un plan horizontal, c'est aussi la somme du rayonnement

direct et du rayonnement diffus.24 : Spectre solaire.241 : Diagramme longueur d'onde/énergie pour AM distinct

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__UV___ __visible_____ _infrarouge_ W = h.µ = h. c/l et l = c/µ-34* h = constante de Planck (6,62 10 )* µ = fréquence

* l = longueur d'onde et c = vitesse de la lumière.L'énergie solaire est composée de 7% d'UV (ultraviolet), 47% de lumière visible et 46%d'IR (infrarouge).Les UV sont filtrés par la couche d'ozone dans la haute atmosphère.242 : Effets de l'atmosphère.

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L'atmosphère joue le rôle de filtre du rayonnement solaire extra-terrestre. Certaineslongueurs d'onde de la lumière incidente peuvent être absorbées plus que les autres et le cheminparcouru par le rayonnement varie tout au long de la journée et de l'année (voir § 222). La nature del'atmosphère, ses dimensions : épaisseur et teneur de ses éléments chimiques constitutif

s (pollutionlocale) varie avec la latitude et pour une latitude donnée avec le site choisi. La valeur de m=1.5 (§213) correspond à une atmosphère standard donc à une distribution spectrale déterminée etc'est lavaleur retenue par les fabricants de modules solaires dans l'élaboration de leursfiches techniques.243 : Sensibilité des matériels solaires avec le spectre solaire.Les modules solaires commerciaux utilisent principalement deux technologies: lesphotopiles au silicium cristallin et les photopiles couche mince dont le silicium amorphe.

doc : Solems

25 : Types de modules solaires251 : Modules fixes.C'est la configuration la plus classique, les modules sont installés sur des supports fixes avecune position fixe elle aussi (voir § 223).Certains supports fixes permettent cependant unréajustement de l'angle d'orientation suivant les saisons (manoeuvrables par boulons 2 à 3 fois paran). Les matériaux métalliques utilisés pour la fabrication des supports ne doivent pas altérerphysiquement et chimiquement les modules (acier inox, alu anodisé, acier galvanisé).

Université Lisbonne doc : A .Ringnet

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252 : Système avec poursuite solaire - Positionnement dynamique.Des systèmes de poursuite solaire un axe ( d'est en ouest) ou 2 axes peuvent augmenter defaçon assez significative la production d'énergie électrique de 20 à 40% suivant le lieu d'installation, production d'autant plus importante si le système de poursuite est passif et neconsomme aucune

énergie électrique propre . Ces matériels sont surtout utilisés aux USA pour des systèmescouplésau réseau électrique local et pour le pompage solaire où il est intéressant d'avoir une énergie la plusconstante possible durant la journée. On parle dans ce cas d'application "au fil du soleil" donc sanssystème de stockage électrique de l'énergie.

doc : Arco Solar : The 1MWc Californian Hesperia station connectée au réseau californien Southern California EdisonCompany - Production de 3 millions de KWH par an

doc : Arco Solar News Vol6 N°1The 6.5 MWc solar central station on the Carrissa Plains ,elle fournissait plusde 12 millions de KWH par an et étaitconnectée au réseau californien PG and E (Pacific Gas and Electric company)Vieillissement prématuré des modules du aux réflecteurs latéraux

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Systéme de poursuite 2 axesDoc : Université politechnique de Madrid

Systéme de poursuite 1 axeDoc : Université politechnique de Madrid

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253 : Modules sous concentration.

doc : Midway Labs

Doc : Ecole technique supérieure des Ingenieurs de télécommunications de l'UniversitéPo ytechnique de MadridDans ce cas, on utilise des systèmes optiques pour concentrer l'énergie incidente su

r des cellulessolaires de haut rendement. Des considérations de coût et de mise en oeuvre doiventalors êtreétablies pour le concentrateur, les cellules solaires et les systèmes à concentrationde lumièredoivent être accompagnés de système de poursuite solaire car dans ce cas, c'est la seule composantedu rayonnement solaire, à savoir le rayonnement direct, qui peut contribuer à l'amélioration durendement énergétique global du système. Ces systèmes sont plus particulièrement utilisésur lesapplications installées aux faibles latitudes et ne sont peu ou pas utilisées en Eur

ope; ils sontcependant plus particulièrement utilisés et testés aux USA mais il semblerait que descompagnieseuropéennes s'y intèressent plus actuellement.26: Rayonnement solaire.261: Données météo.Dans les stations météorologiques françaises on enregistre le rayonnement solaire diffus etglobal sur une surface horizontale avec un pyromètre. Un récapitulatif plus directement exploitablepeut être fourni par:- 17 -


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* Atlas énergétique du rayonnement solaire pour la FRANCE (1978) de JF TRICAUD(CNRS) Edition PYC.* Atlas Européen de l'énergie solaire UE* Logiciel Meteonorm* Données NASA* Censolar* Météo France pour la France

* World Distribution of Solar Radiation de l'Université du Wisconsin (USA)262 : Notion de "Heures de puissance crête".Le flux énergétique du rayonnement solaire varie au cours de la journée, il s'exprimeenKW/m2. La puissance crête d'un module (voir §45) est la puissance délivrée par le module solairesous certaines conditions (E=1 KW/m2 , T=25° , AM=1,5) que l'on peut qualifier d'optimale maispas très réaliste; c'est une donnée constructeur.Pour un endroit donné, le nombre d'heures de puissance crête qui est une notion très pratiquecorrespond au temps en heures où l'ensoleillement constant et virtuel de 1KW/m2 fo

urnirait lamême énergie.

Cette notion est très utilisée chez les anglo-saxons et sa connaissance permet de quantifierrapidement les possibilités offertes par le générateur solaire. Un module de 50Wc fournira 150 WHdans un site correspondant à un ensoleillement de 3 heures de puissance crête.

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III- LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUESLes cellules photovoltaïques (photon : grain de lumière et volt: unité de tension)convertissent directement l'énergie lumineuse en électricité courant continu basse tension. Commel'énergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires.31: Réponse d'une cellule solaire.311: L'effet photovoltaïque.

C'est la transformation d'un rayonnement lumineux en énergie électrique.3111 : Historique et état actuel.

module RTC 3Wc de 1967 (40 cellules de 3cm de diamètre) doc : A Ringnet

En plaçant deux électrodes métalliques dans un liquide conducteur et en exposant l'ensemble aurayonnement solaire, on peut mesurer une faible tension. C'est ainsi que fut découvert l'effetphotovoltaïque en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond BECQUEREL,père de HenriBecquerel, le découvreur de la radioactivité en 1896. Ce fut donc la première fois que

l'énergiesolaire fut transformée en énergie électrique puis dans les années 1880,l'américain Charles FRITTSmit au point les premières cellules solaires au sélénium. Déjà, à cette époque, Charles FRenvisageait qu'un jour les cellules solaires installées sur les maisons fourniraient un type nouveaud'électricité décentralisé. Les investigations sur le silicium,les tentatives pour l'isoler,lepurifier,mettre en oeuvre ses propriétés physiques commencèrent avant 1910 ,Einstein en expliquales mécanismes en 1912 mais ce n'est qu'entre 1930 et 1945 qu'un premier procédé industriel depurification par refroidissement progressif du silicium fondu fut mis au point.

Mais ce fut legermanium qui beaucoup plus facile à purifier qui fut utilisé pour la fabrication des jonctions semiconductrices du type p-n. Essayant de trouver une solution pourla production d'énergie pourl'alimentation des systèmes téléphoniques en zone rurale et donc isolés du réseau électriq généralDarryl Chapin des laboratoires américains Bell travaillait sur les méthodes qui permettraientd'augmenter les performances de la cellule au sélénium qui ne pouvait transformer que 1% del'énergie solaire en électricité. D'un autre côté, Carl Fuller, ingénieur chimiste, lui aui des

laboratoires Bell travaillait sur le silicium en vue de fabriquer des diodes deplus hautesperformances et c'est en ajoutant des impuretés au silicium qu'il découvrit accidentellement que laquantité d'électricité produite était plus importante que celle produite par les cellulesphotovoltaïques existantes .Les efforts conjoints de Chapin et Fuller permirent à ces deuxchercheurs d'annoncer au public en mai 1954 que des cellules solaires à base de silicium avaient étéobtenues avec un rendement de 6%. Bien que ces deux scientifiques arrivèrent par la suite àfabriquer en laboratoire des cellules à 15% de rendement, ils rencontrèrent des obst

acles- 19 -


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économiques et les laboratoires Bell abandonnèrent leurs efforts de recherche pour diminuer lescoûts de fabrication.

Ce fut ensuite les seules applications spatiales qui purent utiliser économiquement les photopiles ausilicium et c'est ainsi qu'en 1958 Vanguard I fut le premier engin spatial d'une

série à être équipésolaire. Les premières applications terrestres commencèrent vers les années 1965-1970(la sociétéfrançaise RTC construisait des modules de 3Wc dès 1967) mais ce sont les chocs pétroliers desannées 74 qui stimulèrent l'investissement et qui permirent une industrialisation plus importante descellules solaires photovoltaïques. La commande des modules pour la construction des centralesaméricaines supérieures à 1MWcrête (6,5 MWc pour celle de Carrisa Plains) permit à l'industrieaméricaine (Arco Solar, filiale de Atlantic Richfield Company notamment) d'accroître

sa capacitéde production qui par contre coup stimula toute l'industrie photovoltaïque mondiale.L'industrie des semi-conducteurs contribua très largement au développement des cellules solaires.Une cellule solaire classique n'est qu'une grande diode au silicium ayant la surface de la totalité dela plaquette sur laquelle elle est déposée. La taille des photopiles accompagna la taille des wafers del'industrie des circuits intégrés. On est passé de wafers de 2 pouces dans les années 1970 puis 3pouces à la fin des années 70 puis 4 pouces au début des années 1980 puis maintenant ona sur le

marché des lingots cristallins parallélépipédiques de 10 cm,12.5cm et même 15cm de côté.

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Station expérimentale FT/RD LannionEn 1975, les ventes mondiales totalisaient 78 kilowatts à un prix de 45$ le watt , en 1983les ventes atteignaient 15,5 MW à un prix de 9$ le watt ,en 1993 les ventes dépassaient les 60MWcavec un prix de 3 à 6$ environ et en 2000 on atteignait les 280MWc . Deux types de technologie se

partagent la quasi-totalité du marché mondial: les photopiles couches minces et lesphotopilescristallines avec toujours le silicium comme matériau semi-conducteur. Les photopiles couchesminces utilisent en grande majorité le silicium amorphe hydrogéné et les photopiles cristallinesutilisent le silicium monocristallin et polycristallin.Toutes ces différentes technologies coexistent avec, pour l'instant, un avantage de fiabilité et derendement pour les photopiles cristallines mais avec un potentiel de coût bas pour les photopilescouches minces (type d'industrialisation en continu plus aisé et donc potentiel de

robotisation plusélevé). Actuellement, les rendements module empruntant le silicium cristallin tournent autour de15% et plus (les rendements cellules sont plus élevés) et les rendements module empruntant latechnologie silicium couches minces autour de 6 à 10% suivant le matériau semi-conducteur utiliséet le nombre de couches.

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la production totale mondiale en 2002 est de 561 MWc,en 2003 de 745 MWc

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Puissance PV installée dans l'Union européenne en 2001

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Photopiles flexibles ,rouleau Unisolar

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Module grande taille cellule 15cmx15cm Astropower

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3112 : Rappel sur les propriétés des semi-conducteurs.Un matériau cristallin idéal est caractérisé par une position précise des atomes avec lequel ilest constitué. Une structure cristalline est composée de sous structures toutes identiques dont pourchacune la forme et la position des atomes est bien définie dans un plan géométrique donné.

A faible température, les électrons dans un cristal occupent le plus bas possible niveaud'énergie. A première vue, on pourrait s'attendre a ce que l'état d'équilibre d'un cristal serait celuidans lequel les électrons sont tous dans le niveau d'énergie permis le plus bas. Enréalité c'estdifférent. Le principe d'exclusion de Pauli montre que chaque niveau d'énergie permis peut êtreoccupé au moins par deux électrons chacun de spin opposé. Cela veut dire que, à faible température,tous les états disponibles dans un cristal et cela jusqu'à un certain niveau d'énergie seront occupés

par deux électrons. Ce niveau d'énergie est appelé niveau de Fermi (Ef).Fonction de distribution Fermi-Dirac.1F(E) = -------------(E-Ef) / kT1+ek : constante de BoltzmannT : température absolue

Prés du zéro absolu, f(E) vaut 1 pour une énergie égale à Ef et vaut 0 en dessous de Ef. Quand latempérature augmente,il y a changement de la distribution avec des états d'énergie plus hauts que Efqui ont un probabilité finie d'occupation et des états d'énergie plus bas que Ef qui o

nt une probabilitéfinie d'être vide.

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Métaux- Isolants- Semi-conducteurs.

les rectangles représentent les bandes permises

- Les métaux ont une structure électronique telle que Ef se trouve dans une bande permise.- Les isolants ont une bande complète occupée par des électrons et un intervalle d'énerg

ieimportant entre une bande et celle de niveau immédiatement supérieur qui elle, est dépourvued'électrons à basse température. Ef se trouve dans la bande interdite. Une bande ou il n'y a pasd'électrons ne peut forcement pas contribuer à une migration d'électrons. Et bien quecela puisseparaître plus surprenant, il en ait de même pour une bande pleine d'électrons. Pour qu'il y aitmigration d'électrons, l'électron doit extraire de l'énergie d'un champ appliqué. Dans une bandetoute remplie d'électrons ce n'est pas possible car il n'y a pas de niveaux d'énergi

e vacants auvoisinage de l'électron excité. Ainsi un isolant ne peut conduire l'électricité alors qu'un métal peut lefaire car les niveaux d'énergie vacants sont nombreux. Pour les isolants, la largeur de bandeinterdite s'é ève à plusieurs électronvolts (>2-3 eV)- Un semi-conducteur est un isolant avec un intervalle de bande interdite plus étroit (1-2eV).A faible température il ne conduit pas. A température plus élevée,il y a suffisamment de possibilitésdues à la fonction de distribution FERMI-DIRAC pour permettre que quelques niveaux dans labande originellement complètement pleine (bande de valence) soient maintenant vaca

nts et quequelques uns dans la bande immédiatement supérieure (bande de conduction) soient occupés. Lesélectrons dans la bande de conduction avec une abondance d'états d'énergie dans le voisinagepeuvent contribué à la migration d'électrons. Comme il y a maintenant des niveaux inoccupés dansla bande de valence, une contribution supplémentaire vient aussi des électrons danscette bande.--> Notion d'électrons / trousFaisons l'analogie avec un parking à deux étages :

(a)

(b)- 27 -


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Pour le cas (a) toutes les voitures sont au rez-de-chaussée et comme le garage est pleinaucune voiture ne peut se déplacer.Dans le cas (b), si on monte une voiture à l'étage supérieur, cette voiture peut se déplacerlibrement, cela correspond à un électron dans la bande de conduction et cela va permettre le

mouvement des voitures dans l'étage du bas qui lui correspond au mouvement dans la bande devalence. Au lieu de considérer le mouvement des voitures de l'étage du bas comme lerésultat desmouvements des voitures, il faut considérer que c'est le mouvement dû à une position de voitureabsente. Le courant dans un semi-conducteur peut être assimilé comme la somme des électrons enmouvement dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. Pour créer dans lesilicium des possibilités de mouvement d'électrons donc des possibilités de production d'électricité,

on va le doper c'est-à-dire lui introduire des impuretés ou atomes d'un autre matériau qui n'a pas lemême nombre d'électrons de valence que le silicium. Si l'on introduit du phosphore qui possède 5électrons de valence alors que le silicium n'en a que 4, on va créer des électrons libres et on aurafabriqué une couche n, de la même façon, en introduisant des atomes de bore, qui n'ont que 3électrons de valence, on va créer des trous (l'atome de silicium a 4 électrons de valence, il peut selier avec 4 autres atomes) et on aura fabriqué une couche p. Le dopage aboutit donc à produire desporteurs de charge (électrons ou trous) qui vont pouvoir circuler. Le dopage avec

une impuretécomportant un électron de valence en plus est un dopage de type n pour négatif (l'électron estnégatif). Le dopage avec une impureté comportant un électron de valence en moins entraîne unexcédent de trous et porte le nom de dopage p (pour positif comme la charge du trou).Schéma d'une photopile cristalline.

Une photopile est la juxtaposition d'un semi-conducteur dopé p (bore par exemple)avec unautre dopé n (phosphore par exemple). A la jonction des deux couches un champ électr

ique s'estdonc formé. Ce champ électrique existe même si la photopile est dans l'obscurité. Sous unensoleillement plus ou moins important les photons ou grains de lumière venant avec une énergie- 28 -


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W = h x µ suffisante entre en collision avec les atomes de silicium et parviennent à délocaliser desélectrons de la couche de valence et donc à créer des paires d'électrons trous qui pourdes raisonsd'équilibre de répartition ont tendance à se diriger vers la zone de jonction. Là, sousl'action d'unchamp électrique, les paires se séparent, les électrons de dirigeant du côté p et les trou

s du côté n ;les grilles métalliques à l'avant et à l'arrière de la photopile collectent les électronset les trous quivont donc fournir à un circuit extérieur le courant électrique ainsi produit. Si le photon est trèsénergétique (s'il possède plus d'énergie que nécessaire pour libérer un électron (il ne po tout demême extraire qu'un seul électron, l'énergie excédentaire sera perdu en chaleur).

3113 Rendement max théorique - rendement réel.Le rendement théorique maximum est de 44 % pour le silicium cristallin, ce chiffre est

fonction du type de semi-conducteur utilisé et est directement lié au "band gap", le silicium n'estpas le meilleur matériau, son "band gap" est de 1.10 ev, celui de l'arséniure de gallium (Ga As) a un"band gap" quasi optimal de 1.4 ev. Le rendement commercial des cellules monocristallines est del'ordre de 12 à 17 % maximum.

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Les principales pertes sont dues à :- absorption incomplète des photons. Seuls ceux dont l'énergie h.µ > Ef sont absorbés.- les photons d'énergie h.µ >> Ef voient la part d'énergie supérieure à Ef perdue en chaleur,d'où l'importance du choix d'un semi-conducteur à haut Ef pour un rendement élevé.- réflexion optique à la surface des cellules, c'est la raison pour laquelle une couche antireflet (SiO2, Al2O3...) est déposée à la surface des cellules.

- la collecte des paires d'électrons trous n'est pas optimum, certaines paires d'électrons trousse recombinent avant d'atteindre la jonction.- la grille en face avant ne favorise pas la transmission optique maximale du rayonnementsolaire. Sa forme géométrique est cependant très optimisée par les constructeurs. Chez certains lagrille est faite par laser pour en diminuer la surface ;- le facteur de tension limité par Vco ; pour le silicium, la valeur maximale estde 0.7 voltspar rapport au 1,1 volt ne représente que 0,7/1,1 soit 60 %, 40 % sont donc perdus de ce fait.

- le facteur de forme.- pertes dues à la résistance série (résistance de contact des deux grilles).

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Diagramme des pertes d'énergie dans une cellule au silicium cristallin3114 : Schéma équivalent d'une cellule solaire*) Schéma équivalent simplifié.

Une cellule solaire a pour équivalent :Une source de courant constant en parallèle avec une diode.- 31 -


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La caractéristique courant/tension est donc :Constante fonction de l'éclairement+Caractéristique d'une jonction (diode parallèle)=PHOTOPILE*) Schéma équivalent

Iph = Photo courantId = Courant diodeRsh = Résistance shuntRs = résistance sérieV : tension aux bornes de la celluleI : courant délivré par la celluleAvec un tel schéma électrique équivalent on peut écrire:(1) I = Iph - Id - Vd/Rsh(2) Id = I0.(e

qVd/nkT

- 1)

q : charge électrique élémentairek : constante de BoltzmannT : température

(3) Vd = V + Rs.I(3) dans (1)(4) I = Iph - Id - (V+RsI)( Rsh )(2) dans (4)qVd/nkT

(5)I = Iph - Io.(e- 1) - (V+RsI)( Rsh )(3) dans (5)q(V+RsI/nKT)(6) I = Iph -.Io(e-1) - (V+RsI)( Rsh )en négligeant l'effet de Rs et Rsh,on obtient :qV/nKT

(7) I = Iph ± Io.e(

-1)

I = f(V) : on obtient une équation caractérisant une jonction p-n éclairée.

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a) Courant de court-circuit (Isc)on fait V = 0qV+RsI/nKT

de (6) : I +(V+RsI) =Iph - Io.(e( Rsh )RsI/nKT

Isc(1+Rs) = Iph - Io(e-1)Rsh

(8)

Rsh>>Rs et Iph>>Io(eIsc = Iph

RsI/nKT

-1)

-1)

b) Tension en circuit ouverton fait I=0 dans l'équation (6)qV+RsI/nKT

(V+RsI) = Iph - Io(e-1)( Rsh )I = 0 et V/Rsh >IoqV/nKTIph/Io = eqV/nKT = ln(Iph/Io)(9) Voc = nKT/q.ln(Iph/Io)Voc est déterminé par les propriétés du semi-conducteur car il dépend de Io qui lui-même dd

de la densité de courant de saturation du matériau utilisé.

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c) Point de puissance maximaleIl est défini sur la courbe I =f(V) par le couple (Imax,Vmax) tel que le produit est maximum.Mathématiquement,on obtient ce point de la façon suivante:qV/kT-1* I = Iph - Io e

* dP = d (V.I) = 0d'aprés le calcul,on obtient :* Imax = Iph (1+Io/Iph).(qVm/kT . 1/1+qVm/kT))* Vmax = Vo - kT/q ln(1+qVm/kT)c) Résistance sérieLa résistance série a pour effet de diminuer Isc et Pmax, par contre Vco n'est pas affecté

e) Résistance shunt.L'effet de Rsh est d'augmenter la pente de la caractéristiqueI = F(V) dans la zone ou la cellule fonctionne comme générateur de courant quasi-constant. Pmax et

FF (facteur de forme voir §3162) sont affectés.

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312: Caractéristique courant/tension (I/V).Ce graphe est obtenu pratiquement en connectant un module solaire à une résistancevariable et en mesurant simultanément le courant et la tension aux bornes du module.

1 : courant de court-circuit2 : tension en circuit ouvert

3 : point de puissance maximumI varie de 0 à Icc Icc: courant de court-circuit R=0V varie de 0 à Voc Voc: tension en circuit ouvert R=infinià Icc * la charge est nulle ( court-circuit: R=0)* le courant est max* la tension est nulleà Voc * la charge est infinie R=infini* le courant est nul* la tension est maximum.P=U.I la puissance délivrée par un module solaire représentant le produit de U et I varie pourchaque point de la courbe. Pour pouvoir retirer le maximum de puissance d'un mod

ule solaire celuici doit travailler au point de puissance maximum correspondantau produit U.I max. Pmax, Icc, Vocsont des paramètres spécifiés par le constructeur. Ces valeurs sont données pour un ensoleillement,une température de fonctionnement et un air masse donné.313: Point de fonctionnement et charge.C'est la charge (le récepteur connecté au module) qui détermine le point de fonctionnement.Pour une charge résistive (la plus simple) le graphe représentant les variations U/I est unedroite dont la pente est fonction de la valeur de la résistance.

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Courbe U/I sur charge résistive

314: Variation due à l'énergie incidente..

graphe courant/tension/ensoleillement

La variation d'énergie incidente (ensoleillement) entraîne une variation du courantproportionnel à l'énergie incidente et une variation de la tension relativement faible. Ce phénomènephysique est intéressant lors de la recharge de batteries.Le courant de court-circuit est directement proportionnel au rayonnement incident. Latension circuit ouvert augmente rapidement pour des faibles niveaux d'éclairementet ensuiteaugmente faiblement avec l'éclairement.

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doc : Université Science Angers ± laboratoire POMA-CNRS

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Exemple de type de charge connectée

Exemples de charges pouvant être connectée :- charge résistive lampe à incandescence- pompe volumétrique A- pompe centrifuge B et C- batterie

On remarque avec ce graphe que pour une charge donnée, les variations d'ensoleillement entraînentdes points de puissance max eux aussi différents et induisent la notion d'adaptateur de charge ouconvertisseur DC/DC avec fonction MPPT: maximum power point tracker). Dans le cas d'utilisationde l'énergie solaire pour la recharge de batteries, c'est à dire une charge à tensionquasi constante ,lanécessité d'un convertisseur MPPT est bien moins évidente. Le nombre de cellules solaires misesdans un module et connectées en série a été défini par les constructeurs de photopiles enfonction

des caractéristiques électriques de recharge des batteries 12V; leur nombre varie autour de 36 à 40cellules.315: Variation due à la température

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si température augmente:- puissance diminue- rendement diminue- durée de vie diminue- courant augmente faiblement- tension diminue rapidementquand la température augmente (en été) la tension diminue mais la tension nécessaire à la

recharge d'une batterie diminue aussi, les variations vont dans le même sens maisne sont paslinéaires :70 mv/°c/pour 36 cellules solaires18 à 30 mv/°c/ pour une batterie Pb/acide 12volts3151 : Notion de NOCT.Les conditions de test standard (STC:Standard Test Conditions) mandatées par le DOE/JPL2(Department of Energy/Jet Propulsy Laboratory) sont 1 KW/M ,AM 1,5, température de cellule de25 °.

Les conditions de fonctionnement standard (SOC: Standard Operating conditions) prennent2en compte les circonstances micro climatologiques et sont données pour E=800W/M ;températurede l'air 20°; vitesse du vent de 1m/s et le module solaire en circuit ouvert.NOCT: Nominal Operating Cell Temperature. Le NOCT ou température nominale de lacellule en fonctionnement est la température atteinte par la cellule quand elle est en service sous lesconditions de fonctionnement standard (SOC).Le NOCT d'un module installé dans un champ solaire pourra varier de 20 à 40° au dessus dela température ambiante, en fonction du type de module utilisé (constructeur différent

), de lamanière dont le module est monté et de la quantité d'énergie qu'il reçoit. En pratique, le NOCT estde 25° supérieur a celui donné dans la configuration de test standard (STC) et cela apourconséquence que la puissance crête réelle du module en fonctionnement dans un champ solaire estplus faible que celle donnée à la configuration de test standard.(voir Annexe I data sheet du moduleShell SM55)2

*) STC: NOCT:25°C; E=1kw/m ;AM1,5 P crête=40Wc2*) NOCT:45°C; E=1kw/m ;AM1,5 Pc=40-0,004.(45-25)=36,8Wc2*) NOCT:45°C; E=0,8kw/m ;AM1,5 Pc=36,8.0,8=29,4Wc3152 : Facteur de correction de température.Pour les modules cristallins , on peut appliquer les formules suivantes :Diminution de la tension :ΔV = Voc ± 0.002417 x N x (Tc-25)Augmentation du courant :ΔI = Isc x 0.0002977 x (Tc-25)N : nombre de cellules en sériesTc : température des cellules en degré °C

courant ,tension, donc puissance varie avec la température; pour les cellules au siliciumcristallin le facteur de correction de température est de -0,4% /°c (-0,004/°c) pour c


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e qui concerne lapuissance crête donnée par le constructeur.A 45°C on a -0,004*(45-25)=-0,08. Un module de 100Wc deviendra un module de 100(0,08*100)=92Wc.En pratique, l'impact de la température sur la puissance d'un module solaire est plusimportante pour les générateurs solaires de grande dimension et dont la tension est

plus grande. Surles petits systèmes chargeant les batteries, la notion de NOCT est souvent omise sachant que la- 40 -


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tension aux points de fonctionnement du module ne descendra jamais au dessous de celle nécessaireà un cycle de charge. Cependant, il s'agira d'être vigilant car sous faible ensoleillement, legénérateur solaire de qualité doit encore fournir une certaine puissance.Certains constructeurs de modules solaires donnent la puissance de leurs modules aux STC

et SOC conditions. Si la seule puissance connue est celle du STC, le concepteurdevra en tenircompte dans le calcul du dimensionnement car c'est la seule température de la cellule enfonctionnement qui conditionne la puissance délivrée par le générateur solaire.316: Performance d'une cellule solaire.Elle est donnée par le rendement de conversion énergétique et le facteur de forme.3161: Le rendement.Le rendement des cellules solaires cristallines commerciales varie de 10 à 17% (le plus élevépour les cellules monocristallines) et celui des cellules couche mince (monocouche) de 4 à 10%. Un

rendement de 38% a déjà été obtenu en laboratoire pour des cellules de faible surface et sousconcentration lumineuse (Boeing USA). BP a atteint un record d'efficacité de 18.3% pour unecellule 125 x 125 mm. La société Sharp a atteint un rendement de conversion module de 17.4%(module NT-167AK).*) Variation du rendement avec la température.

3162: Le facteur de forme.FF=Ipm x Vpm/(Icc x Vco) = Pmax/Icc*Vco3163: Technologie des modules solaires31631 : Si cristallin et Si amorphe.

Cell 1 : Si cristallinCell 2 : Si amorphe

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Diagrammes U-I Si cristallin/Si amorphe

Un FF idéal aurait pour valeur 13164 : Autres technologiesGaAs : arséniure de galliumCd-Te : tellure de cadmiumCIS : cuivre indium sélénium

TiO2 : bioxyde de titanePhotopile organique32: Procédés de fabrication.Les cellules dites" épaisses", quelques centaines de microns sont les plus anciennes, ce sontles cellules au silicium cristallin; leur rendement et fiabilité sont reconnues, elles bénéficient d'unstade d'étude et développement plus ancien que les cellules couche mince qui ne nécessitent quequelques microns de matière active et qui ont fait leur apparition dans le grand public avec lescalculettes solaires.

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321 : Procédé Czochralski.C'était le procédé utilisé pour la fabrication de silicium monocristallin de forme cylindrique.On met une petite quantité de polysilicium dans un creuset que l'on place dans unfour pour obtenirdu silicium fondu. Une seule particule solide de silicium cristallin est plongé dans un bain de

silicium fondu et en tournant lentement et en tirant vers le haut on obtient lebarreau de monocristalqui sera utilisé pour la fabrication des cellules solaires. Ce procédé souffre d'être coûteux en énergieet des pertes importantes interviennent lors du sciage.322: Procédé ruban.C'est une technique peu employée dans l'industrie photovoltaïque, elle offre pourtantl'avantage d'être beaucoup plus économique en matériau semi-conducteur car aucun sciage n'estnécessaire. La difficulté majeure est de trouver le support du ruban pendant l'opération de tirage

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323: Procédé dendrites.C'est un procédé ruban différent utilisant les propriétés physiques de la tension de surfaceplutôt que la capillarité utilisée dans le procédé ruban classique.324: Méthode de coulage des lingots.On fabrique des lingots de silicium cristallin de section carrée qui une fois sciée, autorise un

taux de foisonnement plus important et donc aussi un rendement surfacique plus élevé. Chaqueconstructeur essaie de développer ses propres procédés dans le but d'améliorer le rendement deconversion énergétique des cellules et d'abaisser les coûts de fabrication.325: Procédé couche mince:silicium amorphe hydrogéné.Il est obtenu par décomposition, en décharge luminescente (création d'un plasma) de silaneSiH4 ou de disilane Si2 H6 sur un substrat porté à 250°C. Le matériau obtenu contient 8 à15 %d'hydrogène,et offre une bande interdite de 1,75 eV. La technique de fabrication SOLEMS est

schématisée dans la figure ci-dessous :

Placé dans un bâti à vide le substrat (verre recouvert de SnO2) est chauffé entre 200 et250°C. Trois réservoirs, qu'on peut isoler ou mettre en communication avec le bâti à travers lesvannes V1, V2, V3 contiennent respectivement à l'état gazeux, le silane,SiH4,le diborane B2H6 etla phosphine PH3.Enfin un générateur à haute fréquence permet d'ioniser le gaz ou le mélange degaz injecté dans l'enceinte,donc de créer le plasma.On ouvre simultanément les vannes V1 et V2, ce qui donne un mélange de SiH4 et deB2H6 Le plasma contient Si,B et H et se dépose sur le substrat pour y former la couche P de la

jonction.On ferme V2 : seul reste le silane qui forme la couche intrinsèque.- 44 -


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On ouvre maintenant V3, pour obtenir un mélange de silane et de phosphine, conduisant audépôt de la couche semi-conductrice N.33: Notion de cellule, module, panneau solaire, système solaire.La cellule solaire, de forme ronde ou carrée (carrée : on augmente le taux de foisonnement)est l'élément de base, un ensemble de cellules forment un module solaire, dans un mo

dule lescellules sont reliées électriquement entre elles et encapsulées, donc protégées des agents extérieurs.Plusieurs modules forment un panneau solaire. Plusieurs panneaux forment un système solaireauquel viennent s'ajouter des protections, un régulateur, un système de stockage del'énergie(batterie) des appareils de contrôle et de mesure, un onduleur ...A : cellule solaireB : module solaireC : panneau solaireD : champ solaire

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IV- LE GENERATEUR SOLAIRE.41: Les modules solaires en série.411: Modules identiques.

V = Va + VbI = I1 + I2412: Modules non identiques.

V = Va + VbI # I1 # I2Les tensions s'additionnentLe courant est limité par le module de plus faible courant connecté en série.42: Les modules en parallèle.421: Modules identiques.

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V = Va = VbI = I1 + I2422: Modules non identiques.

I = I1 + I2V # Va # VbLa tension en circuit ouvert des modules est approximativement égal à la moyenne des

tensions en circuit ouvert des deux modules.43: Le panneau photovoltaïque.L'assemblage série/parallèle de modules solaires est étudié spécifiquement pour chaqueapplication électrique. On obtient alors une tension et un courant précis en relation avec le systèmeélectrique à alimenter. Pour recharger une batterie de 12 volt nominal, 36 à 40 cellules formant lemodule de base seront nécessaires pour une charge optimisée durant toute l'année. Deux oumultiples de deux modules seront nécessaires pour la charge de batteries 24 volts. Un générateursolaire de 3 KWc/48v= nécessitera 15 branches parallèles de 4 modules en série de 50Wc

rêtechacun.

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44: Diodes de protection.Rappel: la diode est un élément semi-conducteur qui ne permet le passage du courantélectrique que dans un seul sens.Schéma U/I d'une diode:

441: Diodes de blocage.

Doc France Telecom : diodes de blocage schottky dans boitier

Les diodes de blocage ou diodes série sont placées en série avec un module ou unebranche de modules câblés en série afin d'empêcher tout courant électrique de retourner vers lesmodules. Pour les systèmes solaires connectés à une batterie, la diode de blocage empêche lacirculation d'un courant inverse dans le sens batterie vers panneau durant la nuit.La chute de tension aux bornes de la diode dépend du type utilisé:- diode schottky pour les systèmes BT, la chute est réduite à 0,4V max- diode germanium ou silicium pour les systèmes de tension plus élevée.

La diode série devra être choisie pour pouvoir supporter le courant de court-circuit d'unebranche série et la tension en circuit ouvert de la branche à protéger. (En pratique 1,5 fois cettevaleur pour facteur de sécurité avec radiateurs de dissipation de chaleur correctement dimensionnéssi nécessaire).- 48 -


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Quand le panneau solaire comporte de multiples branches, les diodes série installées surchaque branche empêcheront, en cas de défaut sur une branche, le passage d'un courant destructeurvenant des branches saines.

Fiche technique d'une diode Schottky

IFav : I forward averageVRWM : voltage reverse working maximumVFM : maximum peak forward voltageIRM :

Maximum peak reverse currentIFSM : maximum peak non repetitive forward current

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442: Diodes by-pass.

Les diodes by-pass sont utilisées pour empêcher les phénomènes de point chaud et pourminimiser les pertes dans une branche série dans le cas ou une cellule,un groupe de cellules ou unmodule se trouve en position circuit ouvert(coupure ou ombre portée). La diode by-pass est encore

appelée diode shunt car elle shunte les cellules correspondant à la partie non éclairée. Les autrescellules continuent à produire l'énergie correspondant à la partie éclairée du module. Enconditionnormale de fonctionnement les diodes shunt ne conduisent aucun courant.

En théorie, chaque cellule du module solaire devrait avoir une diode shunt en parallèle pour uneprotection maximum.

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La diode shunt ou by-pass devra être choisie de telle sorte que son courant nominal moyensoit supérieur au courant de court-circuit du module protégé. La diode devra aussi supporter unetension inverse supérieure à la tension en circuit ouvert de la branche série.

La figure ci-dessus illustre les caractéristiques courant/tension d'un module phot

ovoltaïqueet le même module avec une diode connectée en parallèle. Le changement important qui s'opère surles caractéristiques I-V du module est dans le quadrant II. Au fur et à mesure que la tension décroîtà partir de o volt (augmente dans un sens négatif) le courant qui peut passer par la cellule estpratiquement égal au courant de court-circuit du cadran I jusqu'à ce que la tensionde seuil soitatteinte. Au seuil de tension, approximativement 30V sur le schéma, un courant très élevé peutpasser par les modules. La tension étant de polarité opposée, la puissance est alors d

issipée dans lescellules, contrairement au fonctionnement normal. La cellule joue alors le rôle de récepteur et nonde générateur. Plus la tension de seuil est importante, plus la puissance dissipée dans le module estgrande.Exemple : un générateur de 3 branches parallèle et 4 branches série

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Dans l'exemple ci dessus, 2 modules sont en défaut et considérés comme des circuitsouverts. Sans protection, le module sain du groupe contenant les deux modules en défaut risque defonctionner à un niveau de courant supérieur à celui de son courant de court-circuit.Afin deconduire le courant en excès, le module travaillera à sa tension de défaut et au courant indiqué par

la ligne en pointillé. Comme de l'énergie est dissipée dans les cellules, il y aura élévation detempérature, ce qui se remarque bien avec une caméra infrarouge et suivant les puissances mises enjeu cela peut aller jusqu'à la détérioration des cellules et même jusqu'au feu (cas extrême surcentrale US).Afin d'éliminer de tels inconvénients, des diodes shunts sont placées en parallèle aveclesmodules ou une série de cellules pour shunter le courant,ceci quand la tension dumodule solaire estnégative. Comme on peut le voir sur le dessin ci-dessus, un fort courant passera d

ans le module etla diode mais la chute de tension et donc la puissance dissipée sera réduite au minimumExemple de module M55 Siemens Solar :

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MODULES SHARP (années 1990)

45: Spécification des performances d'un module solaire.451: Conditions imposées.Les spécifications électriques d'un module solaire (tension en circuit ouvert, courant de courtcircuit, tension et courant au point de fonctionnement maximum, puissance crête) s

ont données sousdes conditions définies :*) Conditions de test standard (STC) pour E = 1000 W par m2, Température de cellule 25°,Air masse = 1,5.*) Les conditions de fonctionnement standard (SOC) pour E = 1000 W/m2, Température decellule = NOCT et Air masse = 1.5*) Les conditions de fonctionnement nominal (NOC) pour E = 800 W/m2, Température decellule = NOCT et Air Masse = 1.5452 : Spécifications des constructeurs.

Les spécifications des constructeurs utilisent des conditions de test standard.La répartition spectrale de l'éc airement énergétique solaire de référence qui a été adoptpour la France (norme NFC57-100) puis par la CEI est une répartition de l'éc

airement énergétiquesolaire total (direct et diffus) correspondant artificiellement à un éclairement de1000W/m² avecune traversée AM=1.5 d'atmosphère sur une surface plane inclinée de 37° par rapport àl'horizonta e,avec un albédo (facteur de réflexion au sol) de 0.2 et avec les conditions- 53 -


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météorologiques suivantes :* hauteur d'eau condensable : 1.42cm* hauteur réduite d'ozone : 034 cm* trouble atmosphérique : 0.27µm à 0.50 µmil faut remarquer que cette norme NFC-5700 ne reflète pas totalement la réalité puisqu'on associearbitrairement à AM=1.5 une constante solaire de 1000W/m² (réalité 834W/m² voir 2.1.3).

46 : Fiabilité du module (test).Les tests sont effectués selon la norme NF C 57-100 et les spécifications sont celles del'ISPRA (pour l'Europe) ou JPL/DOE (Jet Propulsion Laboratory/Department of Energy USA). Cesont des tests:Isolement électrique : 2000 V 10 Mégohms,Impact : bille en acier trempé, diamètre 40mm, hauteur de 1mCyclage thermique :-40° C à +85° C 200 cyclesStockage humide : + 3000 h à +55°C, 95% RHStockage sec : +3000 h à +100°Brouillard salin : + 96h (NFC 20611)

Charge statique : 2500 N/m2Température : -40° à +75° CHumidité relative : 0 à 100 %Vent établi : 180 Km/h47 : Choisir un panneau solaire471 : Critères de sélection :Les caractéristiques courant/tension du module, la fiabilité à long terme (technologie matureou récente), la densité énergétique, la performance aux températures élevées, la stabilitéperformances électriques et mécaniques, les dimensions et poids, la qualité du cadre (autoporteur ounon), la qualité de réalisation de la boîte de connections, la facilité de pose des diodes, la renommée

du constructeur, le coût et la garantie sont les principaux critères de sélection.472 : Exemples

Electrificateur de clôture Source DOE

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Signalisation source : DOE

Pompe solaire Source DOE

toit d'éco e source DOE

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Station téléphone mobile France Telecom sud de la France Source : A Ringnet

toit solaire 2KWc raccordé EDF Ouest de la France Source A RingnetProduction annuelle : 2000 KWH pour surface de 0.5x39 soit 19.5 m²

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Signalisation maritime Source DOE

Petit Centre France Telecom CORSE Plateau d'Eze (mise en service 1978) avec un taux de panne due àl'a imentation électrique très faible. Source : A Ringnet

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Source : Astier Electronique Plaque de rue éclairée toute la nuit.

Source : A Ringnet Sac à dos solaire pour voyage en Annapurna

Source : Général Motors Sunraycer moteur 3KWMagnequench brushless motor de poids 11livres,a parcouru en 44heures et 54 minutes la distance entre Darwin et Adélaïde (nord et sud de l'Austra ie)

à la moyenne de 41 miles/h

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Source : Husqvarna Tondeuse à gazon solaire.

horloge solaire : Où sont les cellules ? (non visibles sur la tranche du support plastique)

Satellite japonais d'observation de Mars

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Mars Spirit en action

Deux robots envoyés par la NASA ont « atterri » avec succès à la surface de Mars, le premier le 3janvier 2004 et le second le 24 janvier 2004. L'é ectricité solaire a été une des clés deréussite decette mission d'exp oration la plus précise jamais envoyée à cette distance.

Ce robot envoyé par la NASA sur la planète rouge (Mars) a envoyé ses premières images seulementtrois heures après « atterrissage ». La surface active de panneaux solaires est de 1.3m². C'est unsystème triple jonction (3 couches de cellules). Chaque couche est formée de différents matériaux :gallium-indium-phosphore,gallium-arsenic et germanium. Le système peut fournir 900WH par jourmartien et 600WH par jour en fin de mission du au changement de saison et à la poussièreaccumulée. Le robot a besoin de 100 Watts pour ses activités. Sous illumination maximale, le

système solaire fournit une puissance de 140Watts pendant 4 heures par jour martien.

Doc : Mr Jean Jules Bert : pompe solaire pour 250 personnes en Haïti ± île de la Gonave ±

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V- LES COMPOSANTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE :51 : Définition du système :Le système PV gère l'énergie produite.Dans un système autonome, le panneau solaire fournit l'électricité qui est stockée dansunebatterie et gérée par un régulateur qui protège la batterie de la surcharge et décharge profonde. Des

récepteurs électriques peuvent être connectés directement au panneau solaire ou à la batterie ou àtravers le régulateur de tension. Un convertisseur =/= peut être utilisé si le système a des récepteursqui fonctionnent à des tensions continues différentes. Un convertisseur continu alternatif ouonduleur (voir § 5.5) fournira le 230V alternatif qui alimentera les récepteurs classiques 230V. Tousces éléments seront interconnectés dans un tableau électrique avec protection adéquate selonl'application des règles de sécurité et normes en vigueur.52 : Les récepteurs électriques ou charges électriques :

Les charges électriques déterminent à la fois le type, la taille et la performance dusystèmephotovoltaïque. Le coût du KWH solaire étant encore à ce jour élevé, les concepteurs de syesPV s'efforceront à privilégier le rendement énergétique global. Exemple : une lampe fluoconsomme 4 fois moins d'énergie à puissance lumineuse égale qu'une lampe filament. Leséquipements électriques fonctionnant en courant continu peuvent simplifier le systèmePV et ontsouvent un rendement énergétique favorable mais les matériels sont moins répandus sur le marché,souvent plus chers et même quelquefois inexistants pour une application donnée. L'arrivée sur lemarché d'onduleurs intelligents, fiables, au rendement de conversion énergétique impor

tant surtoute la plage de puissance peut favoriser l'option "tout 230v". Suite à une panne ou défaillance d'unde ces appareils, le remplacement est plus aisé et souvent moins onéreux que le matériel équivalentBT. Dans ce cas, le dimensionnement revêt toute son importance car la surconsommation sera aussià éviter. Le bilan énergétique global par rapport à une installation BT n'est pas toujours plusdéfavorable car le transport de l'énergie en BT s'accompagne de pertes importantes (voir § 731). Lecouplage PV/GE est facilité par le choix d'une installation 230V.

521 : Le réseau en temps que charge ou récepteurLe réseau de distribution électrique d'un pays peut servir de charge. On parle alors de solairecouplé réseau.5211 : CADRE LEGISLATIF POUR LA FRANCELoi n° 2000-18 du 10 février 2000Dans cette loi, l'artic e 10 prévoit la poursuite d'un cadre légal d'ob igation d'achat pocertaines installations et selon les conditions fixées par décret. L'artic e 10 indique qu'EDF esttenue de conclure un contrat d'achat de l'é ectricité produite par les installations dont la puissanceinstallée par site n'excède pas 12 mégawatts qui utilisent des énergies renouvelables¼Décret n° 2000-877 du 7 septembre 2000

Un producteur demandant à bénéficier de l'ob igation d'achat doit être titulaire d'uneautorisation d'exp oiter ou d'un récépissé de déclaration¼Décret n°2000-1196 du 6 décembre 2000


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Ce décret prévu à l'artic e 10 alinéa 3 de la loi, fixe par catégorie d'insta ations, lesitesde puissance des installations pouvant bénéficier de l'ob igation d'achat.Décret n°2001-410 du 10 mai 2001Ce décret prévu à l'artic e 10 alinéa 4 de la loi, précise les obligations qui s'imposent producteurs bénéficiant de l'ob igation d'achat, ainsi que les conditions dans lesquelles les ministres

chargés de l'économie et de l'énergie arrêtent, après avis de la commission de régulationl'é ectricité, es conditions d'achat de l'é ectricité ainsi produite.- 61 -


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Arrêté du 13 mars 2002,publié le 14 mars 2002,fixant les conditions d'achat de l'é ectriciproduite par les installations utilisant l'énergie radiative du soleil.¼La puissance crête d'une installation bénéficiant des tarifs de l'annexe 1 est limitée à1 . 5 KWc pour les logements individuels2. 1000KWc pour les bâtiments professionnels et les logements collectifs3. 150 KWc pour les autres casANNEXE 1

Tarifs mentionnés à l'artic e 5 de l'arretéL'énergie active fournie par le producteur est facturée à l'acheteur sur la base des tarifs cidessous exprimés en c€/kwh hors TVA.En métropole continentale : 15.25En Corse, dans les départements d'outre-mer et dans la collectivité territoriale de Saint-pierreet Miquelon : 30.50

53 : Les systèmes de stockage.531 : La batterie.La batterie permet le stockage de l'énergie électrique produite par les modules solaires. Ce

ne peut être qu'un stockage court terme et tout stockage inter saisonnier (été pour l'hiver) ne peutêtre envisagé dans l'état actuel d'avancement technologique des batteries Pb/acide, Cd/Ni,Su/Na...Ce n'est pas l'élément le plus fiable dans une installation photovoltaïque mais une bonne gestion enlimitera la faiblesse intrinsèque. Une batterie au Pb/acide qui est la batterie la plus courammentutilisée dans les installations photovoltaïques ne doit jamais être laissée dans un état de déchargeprofond pendant une longue période.( Nota :les valeurs chiffrées citées dans ce document sont des ordres de grandeur ,pour les valeurs

exactes, il faut se référer aux notices techniques des différents constructeurs de batterie)5311 : La capacité.La capacité représente la quantité d'électricité qu'une batterie peut délivrer pendant unepériode de temps donné sous un régime de décharge et une température ambiante donnée. Lacapacité diminue avec la température, avec des taux de décharge plus élevé et avec l'âge.les'exprime en A/H (ampère-heure).5312 : Rendement faradique ; Rendement en tension.Le rendement faradique est le rapport entre le courant fourni lors de la chargeet celuirestitué lors de la décharge.

Le rendement en tension est le rapport entre la tension délivrée par la batterie lors de ladécharge et la tension de charge.5313 : Profondeur de décharge maximum.La profondeur de décharge maximum représente le maximum en pourcentage de la capaciténominale au-delà de laquelle la décharge n'est plus souhaitable. Dans une installation solaire,ladécharge journalière moyenne correspond au déficit entre la production et la consommationjournalière (idem pour décharge saisonnière). La profondeur de décharge maximum se situera enhiver, son seuil ne doit pas être dépassé et il se situe en général entre 50 et 80% de lacapacité pour

les batteries Pb/acide généralement utilisées dans les installations photovoltaïques (voir noticeconstructeur).La profondeur de décharge maximum autorisée est bien supérieure à la profo


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ndeur dedécharge journalière qui n'est que de quelques % de la capacité nominale et elle dépendaussi de latempérature d'utilisation la plus basse.- 62 -


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5314 : Durée de vie.Elle est caractérisée par le nombre de cycles charge /décharge qu'elle supporte tout en gardant sacapacité. On peut alors parler d'ampère-heure cycle. La batterie STECO 3000 (voir noticeconstructeur en annexe) de 105 Ah sous 12V autorise 30000 ampère-heure cycle soit600 cycles à

50% de décharge ou 1000 cycles à 30% de décharge. La performance en cyclage dépend de laprofondeur de décharge; pour cette raison, dans une installation PV, le taux de décharge journalierne doit guère dépasser les 10% de la capacité.5315 : Influence avec la température.Une température élevée augmente la capacité mais diminue la durée de vie, elle augmenteaussi la consommation d'électrolyte. L'autodécharge augmente avec la température. Il estsouhaitable qu'une batterie Pb/acide soit mise en service dans un local ou les variations detempérature ne sont pas trop importantes. Les tensions de floating, d'éga

isation et de fin de charge

varient avec la température (de 2 à 5mV/°C/élét 2V, en fonction du type de batterie utilis)5316 : Taux de charge/décharge.Le taux de charge ou décharge s'exprime en C/X , X : chiffre entre 1 et 20. X=10 correspondau taux de charge/décharge standard des batteries stationnaires Pb/acide.Pour une batterie Pb/acide :

La réaction chimique est la suivante :Pb + PbO2 +2H2SO4 décharge_ 2PbSO4 + 2H2OChargeLes batteries libèrent d'abord de l'oxygène puis de l'hydrogène quand elles atteignent la

tension de pleine charge; quand le taux de charge est élevé,l'oxygène et l'hydrogène n'ont pas letemps de se recombiner pour former de l'eau. Pour cette raison, les batteries doivent être installéesdans un local ventilé et aucune flamme ou étincelle du au soudage ou meulage n'est autorisé dans lelocal réservé à la batterie.Le taux de charge max est donné par le constructeur de batterie, tout taux de charge inférieurpeut être envisagé.- 63 -


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Notion de floating : une batterie exploitée en floating ne fournit aucun courant,elle reçoit uncourant nécessaire et suffisant pour la maintenir en pleine charge (2.20 V/elét2V).Le courant defloating est inférieur au 1/1000 de la capacité pour une batterie chargée, il est significatif de l'état devieillissement de la batterie et augmente avec celui-ci.

Notion d'égalisation: une batterie exploitée en égalisation est une batterie qui reçoituncourant de charge ou d'égalisation (on égalise les densités des différents éléments de latterie) nedépassant pas I.C/10 et dont la tension ne dépasse pas un certain seuil de charge.Une batterie solaire ne travaille ni en floating ni en égalisation de façon permanente, lacharge est variable, elle dépend de la taille du générateur solaire, de la nature de l'ensoleillement quivarie au cours de la journée et des caractéristiques électriques du régulateur de charge utilisé.5317 : Taux d'autodécharge.

C'est le taux en pourcentage d'énergie perdue quand la batterie est au repos. Un tauxd'autodécharge trop élevé diminue les performances d'un système PV. Il est fonction de la naturedes matériels utilisés dans la fabrication des plaques positives et négatives de la batterie; les plaquesutilisant le Pb calcium induisent un taux d'autodécharge plus faible que celles utilisant le Pbantimoine. Pour exemple, la batterie STECO 3000 conserve 75% de sa charge après 6moisd'isolement.5318 : Densité.La densité de l'électrolyte d'une batterie mesurée avec un densimètre, composée d'acide

sulfurique est très représentative du taux de charge, en général 1.28 pour une batteriebien chargée à1.18 pour une batterie déchargée à 80% (voir spécification du constructeur et variationavetempérature). Lors de la mesure des densités, les règles de sécurité inhérentes à ce genremanipulation doivent être scrupuleusement observées (local ventilé et aucune flamme ni fumeurs àproximité, manipulateur habillé de vêtement anti- électricité statique).5319 : Taille, poids et nature.Les batteries sont en général des éléments lourds, difficilement transportables. Les batteriesétanches sont de maintenance et d'installation plus aisée. Le rapport poids/énergie et

volume/énergieest et reste élevé malgré les efforts des constructeurs dans ce domaine et ce quelquesoit latechnologie utilisée. Par exemple, c'est principalement la raison du faible développement duvéhicule électrique.53110 : Coût.C'est souvent le coût qui détermine le choix de la batterie. Bien que les batteriesCad/nickeloffrent de bien meilleures performances que les batteries Pb/acide, elles sont très peu utilisées dansles applications PV classiques car leur coût initial est bien plus élevé. Par contre,elles conviennent

parfaitement pour des applications où la température ambiante est très basse.53111 : Sécurité.L'installation et la maintenance des batteries doivent s'accompagner du plus gra


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nd soin. Lesfusibles utilisés aux bornes des batteries sont des fusibles à haut pouvoir de coupure et quand un despôles de la batterie est mis à la terre,un fusible HPC au moins doit être connecté entre la terre et labatterie.

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Schéma:

Ventilation forcée pour les salles renfermant les batteries non étanches.532 : Critères de sélection d'une batterie.- caractéristiques de charge, résistance interne- autonomie, maximum de profondeur de décharge- taux de décharge max, d'autodécharge

- température du lieu d'installation- durée de vie estimée- périodicité et nature de la maintenance- Type: étanche ou pas- poids, taille, densité de stockage énergétique- visualisation aisée ou non du niveau d'électrolyte- Etat des bornes de connexion (connexion aisée ou pas)- Réputation du constructeur, coût et garantie.533 : Spécification et données d'un constructeur de batterie.L'étude sera limitée à la description de la fiche technique de la batterie stationnaire à plaquepositive tubulaire Hawker. (Voir annexe I) et à la batterie Cd/Ni Sunica SAFT

54 : Le régulateur.541 : Les différents types de régulateurs.Très peu de systèmes PV peuvent se passer de régulateur de charge, cela peut cependant seconcevoir pour de petits systèmes ou la charge électrique est faible et constante et où le courant decharge est limité à C/50 pour une batterie classique et C/100 pour une batterie étanche ou encoredans certains cas particuliers si la batterie est du type Cad/Ni , batterie quipeut supporter unecharge permanente du générateur solaire.Le régulateur a pour fonction de gérer la charge et décharge batterie, il permet doncun

transfert optimum d'énergie entre le générateur solaire et la batterie tout en minimisant le cyclage eten protégeant la batterie de la surcharge ce qui provoquerait un vieillissement prématuré.Rappel sur le principe de régulation en courant et en tension de la charge des batteries.Classiquement, quand une batterie est déchargée, la recharge s'effectue d'abord en limitationde courant IC/10 puis quand la tension augmente la limitation s'effectue ensuite en tension (2,4V/élément de 2 volts pour batterie Pb/acide). Avec les générateurs solaires la limitation en courant

s'auto effectue par les caractéristiques du générateur solaire (I solaire max < I.C/10 de la batterie).- 65 -


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542 : Principe de charge des batteries au Pb/acide

Source : Trace Engineering

Les régulateurs de charge contrôlent dans le temps la tension batterie, son courantentrant, sortant etla température.

Régulateur SERIE

(Doc: The solar electric house)

Cerégulateurpossèdeunélémentdecommutation(relais,transistor

bipolaire,mosfet,thyristor...) qui est placé entre le panneau solaire et la batterie,il est commandé parune électronique qui contrôle la tension et courant batterie. L'avantage de ce typede régulateur estqu'il puisse facilement commuter de forts courants sans dissipation interne d'énergie, que la diodede blocage n'est pas toujours nécessaire. Par contre, l'inconvénient est que l'é

ément decommutation si c'est un relais électromécanique est un élément à durée de vie limitée et qchute de tension est inévitable lors de l'utilisation de composants électroniques comme élément decommutation.- 66 -


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Régulateur SHUNT

(Doc: The solar electric house)

Source : Générateurs solaires d'é ectricité de Solar Power Corporation

Certains constructeurs de régulateurs intègrent la fonction test des différents seuils

detension que mesure le régulateur et ce, sans appareil de mesure spécifique. Pour y parvenir, lors dela fonction test, la charge est déconnectée et les modules solaires joue le rôle d'alimentationstabilisée, ils se trouvent mis en position circuit ouvert donc à tension la plus élevée. Les différentsseuils de tension sont testés au moyen de voyants éteints ou allumés. Cette particularité, trop peuutilisée par les constructeurs de régulateurs, apporte une réelle aide à l'exploitationsurtout quand lavérification des installations est effectuée par un personnel peu qualifié ou dans un

site très isolé etsans appareil de mesure externe.Quand la tension du module devient plus élevée que celle de la batterie, la chargecommence; quand la tension de la batterie atteint un niveau haut, le transistordu régulateur conduit(mode shunt) et court-circuite à travers une résistance ou directement (technique shunt à découpagede type PWM) le module solaire. Dés que la tension batterie diminue au dessous d'un certain seuille transistor se retrouve bloqué et aucun courant ne traverse la résistance shunt, toute l'énergieproduite par le module solaire va à la batterie.

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Régulateur à commande séquentielle

Source : Solar cells Martin A.GREEN

Ces régulateurs sont utilisés pour les gros systèmes PV. Le champ solaire est divisé ensousensembles qui sont contrôlés séparément. Quand l'état de charge est atteint, un puis plusi

eurs sousensembles sont déconnectés, l'inverse est aussi vrai, le ou les sous modules sont reconnectés quandl'état de charge de la batterie diminue et qu'une recharge est nécessaire. Un des avantages de ce typede régulateur est qu'une panne dans une branche n'affecte pas le bon fonctionnement des autresbranches ; l'élément de commutation d'une branche est souvent un thyristor qui biendimensionnéest un commutateur très fiable, il joue aussi le rôle de diode anti-retour.Les options.- Limiteur de décharge : coupe la charge en cas de tension batterie basse (protect

ion de labatterie).- Voltmètre, ampèremètre, ampèreheuremètre.- carte ampéreheuremétrique gérant les charges, décharges avec facteur de correction : lerégulateur mesure le courant de décharge et autorise la recharge proportionnelle à ladécharge.- Compensation en température des seuils de détection de tension batterie.- Alarme ou téléalarme autorisée.- Protection efficace contre les surtensions atmosphériques et immunités des seuilsdedétection vis à vis des transitoires.- Fonction MPPT (maximum power point tracker). Bien que le nombre de cellules

connectées en série dans un module solaire soit calculé initialement pour la rechargede batteries(30 à 40 cellules suivant les constructeurs) le transfert d'énergie n'est pas optimum suivant qu'on estau début ou en fin de charge. Avec le régulateur MPPT qui est un convertisseur à découpageDC/DC de puissance on palie à cet inconvénient .Par contre, il faut compter avec leproprerendement du convertisseur, sa fiabilité, son coût et sa disponibilité sur une gamme de puissanceétendue. Il est intéressant d'uti iser cet équipement quand la distance modules solaires/batterie est

importante. Le transfert d'énergie

peut s'effectuer

à plus haute tension et donc à perte optimisée. Onpourrait très bien mettre 10 modules PV en série pour recharger une batterie de 12v.

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55 : OnduleurL'ondu eur est un convertisseur DC/AC 230V.Onduleur synchrone/ Onduleur isolé.551 : Onduleur isolé :L'ondu eur isolé transforme le courant continu stocké dans une batterie en un courantalternatif 230V/50Hz, il doit avoir les qualités suivantes :- pertes à vide et en charge faibles

- rendement optimum sur toute la gamme de puissance- fiabilité importante- stabilité en fréquence- aptitude à fournir des surcharges transitoires (démarrage de moteurs par exemple)- faible taux de distorsion harmonique- réversible (fonction chargeur)- reconnaissance d'une charge électrique même faible donc mise en marche automatique- intégration de la fonction régulateur et gestion d'une autre source alternative (stationhybride).Les progrès des onduleurs se sont accompagnés du progrès de l'é

ectronique de puissance etdes microprocesseurs (transistors Mosfets ;IGBT,transfo HF).

A l'heure actuelle l'ondu

eur est très utilisé pour l'é

ectrification des sites isolés, ceacilitel'uti

isation de tous les appareils électriques conventionnels.

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Nature du signal électrique

RMS : root mean square ou valeur efficace552 : Onduleur synchrone :L'ondu eur synchrone est utilisé pour réinjecter au fil du soleil sur un réseau électriquel'énergie provenant des modules solaires. Il intègre obligatoirement la fonction MPT et pour le

couplage au réseau EDF français il doit en ce qui concerne la protection de découplage êtreconforme à la norme allemande DIN VDE 0126 (obligation législative).

Principe onduleur synchrone

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Fonction de transfert

Principe du découpage haute fréquence :En découpant à haute fréquence la tension du générateur solaire, on construit une tensionsinusoïdale Pendant la durée de conduction des commutateurs électroniques (transistors bipolaires,transistors MOS, IGBT) l'énergie provient du générateur solaire et du condensateur. Pend

ant lapériode de non conduction, l'énergie produite par le générateur est emmagasinée dans decondensateur.

Modulation M=1

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Modulation M= 0.5Les transistors Q1 et Q4 réalisent l'a ternance positive et les transistors Q2 et Q3l'a ternance négative.

553 : Onduleur utilisé pour les pompes solaires centrifuges immergées.Ce sont des onduleurs triphasés à fréquence variable. La fréquence et donc la vitesse dumoteur immergé varie avec l'intensité du rayonnement solaire incident (démarrage de la p

ompesous faible ensoleillement).- 72 -


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Doc : Université polytechnique de MadridL'étude pratique de la performance hydraulique et électrique se fait sur banc de testComposé de :- un réservoir- des manométres controlant la pression donc simulant une hauteur manométrique- un débimétre- votmétre, ampéremetre, wattmétre et acquisition de données

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VI- LE DIMENSIONNEMENT.61 : La procédure de dimensionnement.Si l'énergie solaire photovoltaïque est gratuite hors frais d'investissement et de maintenance,elle est aussi mesurée par la taille du générateur.Les étapes de la procédure de dimensionnement sont les suivantes:- quantifier la demande électrique moyenne, journalière et mensuelle.

- déterminer l'énergie solaire incidente.- déterminer et quantifier le stockage batterie.- calculer la charge électrique et l'énergie solaire du mois le plus défavorable.- calculer la puissance électrique du générateur solaire et sa surface.- choisir le régulateur puis l'onduleur si nécessaire.- estimer la durée de vie des différents éléments du système- analyse économique.La procédure de dimensionnement étudiée ici ne s'applique qu'au système générateursolaire/batterie de stockage,elle est un peu différente si le système de productiond'énergieélectrique est hybride ou composé d'un système PV fonctionnant au fil du soleil,donc sans batterie

de stockage.62 : Le pré dimensionnement.C'est un dimensionnement grossier mais qui peut être, dans bien des cas, suffisammentreprésentatif pour concevoir bon nombre d'installations solaires.Exemple de la valeur du gisement solaire de Lannion sur 3 années consécut

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