CONVERSION DE LENERGIE SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE PANNEAUX SOLAIRE Mot cl©s Quelle approche...

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  • CONVERSION DE LENERGIE SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE PANNEAUX SOLAIRE Mot cls Quelle approche : partir de quelle entre ? nergie solaire, efficacit conversion Rayonnement onde/corpuscule, nergie Rendement et efficacit de la chane ? Effet photovoltaque Physique des matriaux SC Caractristiques lectriques Approche composant diple gnrateur
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  • UN CONVERTISSEUR OPPORTUN QUI PERMET conformment au programme ; De faire de la physique De faire de lapproche fonctionnelle lectrique Du dimensionnement partir dun cahier des charges et de conditions (surface des panneaux, puissance maxi dsire, conditions dexploitation.) Contrairement au rgulateur ou au convertisseur DC/AC o lon doit se contenter dune dfinition fonctionnelle lectrique : reconnaissance des signaux dentre et de sortie, bilan de puissancesans connaissance de la technique ou technologie de cette transformation ;
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  • CARACTERISTIQUE DU DIPOLE On sait que cest un gnrateur : protocole pour relever la caractristique et courbe de puissance Identification des paramtres dinfluence tude de documentation technique Confirmation de la nature de la conversion Mise en vidence de la faiblesse de la puissance Comment sopre la conversion ? Comment est-ce fabriqu ? PHYSIQUE TECHNOLOGIE Ce qui induit le questionnement
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  • CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (2) I cc V c0 V pv I pv 5 10 15 20 Sa tension vide : Vco. tension gnre par une cellule claire non raccorde. Son courant court-circuit : Icc. courant gnr par une cellule claire raccorde elle- mme. Son point de puissance maximal : MPP (en anglais : maximal power point) obtenu pour une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appels aussi Vmpp, Impp). Cest la puissance crte des constructeurs
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  • CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (3) V pv I cc V c0 I pv Influence de la temprature Une augmentation de la temprature va rduire la puissance (MPP ou PPM en franais) disponible en diminuant un peu la tension des cellules. I pv Icc est directement proportionnel lclairement mais la f.e.m. reste quasiment indpendante sauf trs faible clairement o elle peut tre plus beaucoup plus faible Influence de lclairement Photomtrique ou radiomtrique ?
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  • EFFET PHOTOVOLTAIQUE (1) Les mots cls : panneau solaire : assemblages sries et parallles de cellules photovoltaques PV (ou photopiles). Une cellule est un composant lectronique matriau semi- conducteur qui, expos la lumire (absorption des photons), produit de llectricit : effet photovoltaque Augmenter la conductibilit par dopage Mcanique quantique, thorie des bandes et le modle corpusculaire de la lumire qui permettent dexpliquer ce comportement des semi-conducteurs
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  • EFFET PHOTOVOLTAIQUE (2) Energie en ev Niveau de Fermi MtalIsolantSemi conducteur Bande de valence (lectrons lis cohsion du solide) Eg : Energie de Gap Bande de conduction (lectrons libres) Etat fondamental Etat excit par rayonnement E = h > Eg Eg = 1,1 ev pour le Si - lectron libre - - + + + trou Eg E =h.v=h.c/ en Joules et en ev si divis par 1,6 10 -19. Quand un paquet de photons heurte la cellule, il peut transmettre son nergie aux lectrons des semi-conducteurs.
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  • EFFET PHOTOVOLTAIQUE (4) Production paire lectron-trou Effet de jonction pn et apparition dune f.e.m. PN + - EiEi
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  • EFFET PHOTOVOLTAIQUE (5) Lorsque la jonction est expose un rayonnement, les photons incidents dont lnergie est suffisante peuvent crer des paires lectrons-trous dans les zones N et P. PN + - EiEi
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  • EFFET PHOTOVOLTAIQUE (6) PN + - EiEi + + + + + + + - - - - - - - V A I I e-
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  • COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (1) Caractristique dune cellule. i Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q4Q4 Jonction en direct RECEPTEUR DIODE CLASSIQUE DEGRADEE GENERATEUR PHOTOPILE OU CELLULE PHOTOVOLTAIQUE Icc Ev Convention u i P N Jonction en inverse RECEPTEUR PHOTODIODE u > 0 i> 0 PN + V + mA u u
  • COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(2) Une cellule solaire ou photovoltaque nest rien dautre quune photodiode, avec des amliorations, qui fonctionne sans polarisation extrieure et qui dbite son photocourant dans une charge. La caractristique courant - tension est reprsent en Q4. u i Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q4Q4 Icc Ev u >0 i 0 i >0 mA + V + u i Q1Q1 Q2Q2 Q3Q3 Q4Q4 Icc Ev Changement de convention : convention gnrateur inversion des quadrants haut bas
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  • COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(3) La puissance fournie par cette pile scrit sous la forme : P = u.i = u.[ I ph - I s (e qu/kT - 1 ) ] o I ph est le photocourant et lexpression I s.(e qu/kT - 1 ) reprsente la caractristique de la diode. La rsistance shunt Rsh matrialise le courant de fuite au niveau de la jonction. La rsistance srie Rs reprsente la rsistivit de ses grilles. Les rsistances shunt et srie modifient la forme de la caractristique, en accentuant les pentes Iph Effet photovoltaque Effet de jonction
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  • Une cellule constitue donc un gnrateur de trs faible puissance, insuffisant pour des applications lectriquesautres que de la dtection. Les modules ou panneaux solaires sont donc raliss par association, en srie et/ou en parallle, de cellules lmentaires. La connexion en srie augmente la tension pour un mme courant. COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (4)
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  • COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (5) La connexion en parallle augmente le courant pour une tension identique
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  • COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (6) Les caractristiques globales dun panneau PV se dduisent donc dune combinaison des caractristiques des constituants des ns*np. Cest la caractristique du panneau donc de lassociation des cellules que lon peut relever FAIRE RETROUVER aux lves la caractristique du panneau connaissant le nombre de cellules et leurs associations Diodes by- pass
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  • COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (7) Des rsultats exprimentaux
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  • Cellules PV Silicium Composites 25 % Cristallin Monocristallin 17 % Polycristallin 15% Amorphe 8% Monocristallin Polycristallin RENDEMENT DE LA CONVERSION (1) On est sauv !! Dautant plus que lnergie solaire est gratuite Rendement faible !! ENERGIE SOLAIRE Cellules PV ENERGIE ELECTRIQUE TRES GRANDE !! Les constructeurs indiquent des rendements trs dcevants IMMENSE !!
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  • RENDEMENT DE LA CONVERSION (2) INTERACTION RAYONNEMENT / MATIERE Dtermination des limites physiques (rendement maximum thorique ou rel). Energie Solaire Cellule(s) photo-voltaque Energie Electrique E = h. E = q.V E = I.V. t Pourquoi le rendement est-il si faible ?
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  • RENDEMENT DE LA CONVERSION (3) Pas deffet photovoltaque Effet photovoltaque possible f en Hz E en ev 1,1 ev Photons incidents max 1,12 m 2,65 10 14 Hz
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  • RENDEMENT DE LA CONVERSION (4) Pas deffet photovoltaque Effet photovoltaque possible f en Hz E en ev 1,1 ev Photons incidents max 1,12 m 2,65 10 14 Hz Photons efficaces Photons inefficaces Paires lectrons-trous libres Rflexion Photons utilisables donc dnergie suffisante Transmission Absorption Porteurs pigs (recombins) Porteurs libres disponibles I Le rendement quantique rapport du nombre de porteurs disponibles sur le nombre de photons incidents est mauvais. Le rendement nergtique est encore beaucoup plus faible. V Pas deffet photovoltaque
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  • RENDEMENT DE LA CONVERSION (5) PHOTONS DENERGIE SUFFISANTE Porteurs libres disponible s Cellules photovoltaques Photons rflchis 3 5 % Photons transmis trop faible 18 22 % Photons absorbs dissipation thermique 28 32 % Recombinaisons des paires lectrons-trous 8 10 % 15 18 % Courant de fuite et rsistances de jonction mtal-SC 8 17 % pour le silicium !
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  • ECLAIREMENT (1) Le soleil est un immense racteur de fusion thermo- nuclaire. La quantit dnergie libre par le soleil et capte par la plante terre pendant une heure pourrait suffire couvrir les besoins nergtiques mondiaux pendant un an.
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  • ECLAIREMENT (2) On dfinit : L'clairement ou irradiance comme une puissance reue par une surface. Il s'exprime en W/m 2 (watt par mtre carr). Le S.I. (systme international dunits) recommande dutiliser le symbole E. L'irradiation solaire ou rayonnement solaire est l'nergie reue par une surface. Elle s'exprime en J m -2 (joule par mtre carr). L'ISES (International Solar Energy Society) recommande le symbole H. D'autres units plus courantes sont le kWh/m 2 (kilowattheure par mtre carr) bien que ce dernier ne doive pas tre utilis puisque n'appartenant pas au systme international d'units (SI).
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  • ECLAIREMENT (3) L'clairement solaire direct extra-atmosphrique est la constante solaire. Au sol, le rayonnement solaire global (G) reu par une surface plane d'inclinaison quelconque est constitue de 3 composants principaux. L'paisseur de latmosphre traverser est caractrise par le nombre de masse d'air AM qui dpend de linclinaison du soleil. Normalisation : Les conditions standards de qualification des modules photovoltaques sont : un spectre AM1.5 sous un clairement de 1000W/m et une temprature de 25C. Les constructeurs de panneaux solaires spcifient les performances de leur matriel dans les conditions normalises cites ci-dessus (S.T.C. : Standard Test Conditions). Cela correspond un ensoleillement fort, le soleil au znith, le ciel parfaitement dgag (un ciel sur la plage de Nice en mai-juin).
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  • ECLAIR