Cours Energie Solaire

Ali NEJMI

Version 2011

Energies Renouvelables

Génie Electrique

Plan du cours

Energies Renouvelables _ A.NEJMI2

1. Energie : définitions et généralités2. L’énergie photovoltaïque3. L’énergie éolienne4. L’énergie hydraulique5. Dispositifs de stockage de l’énergie

électrique6. Gestion de l’énergie électrique

1. Définitions- Généralités


Qu’est ce que l’énergie ?

La définition que nous donne le « petit Robert » est la suivante : «propriété d’un système physique capable de produire du travail».

D’un point de vue de la physique, l’énergie est une grandeur physique qui peut être mise en évidence lorsque l’état, l’apparence de la nature d’un objet technique changent soit spontanément, soit de façon provoquée.

Un système possède une énergie s’il est capable d’avoir un effet sur son environnement.


L’énergie existe sous beaucoup de formes différentes. La difficulté avec la notion d’énergie est que nous pouvons observer la source de l’énergie (le pétrole, le soleil, la nourriture,…) ou bien l’effet produit par l’énergie (une plante qui grandit, une machine qui fonctionne correctement, un vélo qui roule,…) mais nous ne voyons jamais l’énergie elle-même.


La différence entre source d’énergie et forme d’énergie:

1.La source d’énergie est ce qui va être utilisé pour fournir de l’énergie. Il Peut s’agir d’une matière (pétrole, charbon,…), d’un rayonnement comme la lumière du soleil ou encore d’une force comme celle du vent ou des cours d’eau.

2.La forme d’énergie est la forme sous laquelle l’énergie se présente pour être utilisée. Exemple: une voiture utilise l’essence comme source d’énergie sous forme mécanique pour rouler (effet).

3. On parlera d’effet utile de l’énergie pour désigner ce qui est l’effet recherché de l’utilisation d’énergie. Par exemple, le fait que les machines tournent est un effet utile de l’énergie électrique. La croissance des plantes est l’effet utile de l’utilisation de la lumière du soleil.


Les sept formes d’énergies différentes:

1.L’énergie sous forme rayonnante : c’est l’énergie qui existe dans les rayons (ou « ondes électromagnétiques»), comme la lumière ou encore les rayons ultra-violets, les rayons infrarouges, etc. Cette forme d’énergie est en fait très utilisée par la nature : sans le soleil et sa lumière il n’y aurait pas de vie telle que nous la connaissons sur la terre.

2.L’énergie sous forme mécanique : c’est l’énergie du mouvement des objets solides matériels.

3. L’énergie sous forme chimique: l’énergie qui est emmagasinée dans les constituants chimiques artificiels mais aussi dans les produits naturels (corps humains, photosynthèse, piles électrique..)


4. L’énergie sous forme thermique : c’est l’énergie qui existe sous forme de chaleur. Elle peut provenir de nombreuses sources, comme le feu, la combustion du pétrole ou du charbon, le fond de la terre…

5. L’énergie sous forme électrique : cette énergie provient de centrales où on transforme l’énergie hydraulique, chimique ou nucléaire en énergie électrique.

6. L’énergie sous forme nucléaire : lorsque l’on casse certaines liaisons atomiques, une formidable quantité d’énergie est dégagée. C’est cette énergie nucléaire que l’on utilise dans les centrales nucléaires pour la transformer en électricité (ou en bombe!!).

7. L’énergie sous forme hydraulique : c’est l’énergie du mouvement des fluides, tels que les cours d’eau, les mouvements de la mer (vagues, marées, courants de profondeur), mais aussi le vent.


La transformation de l’énergie:

Les formes d’énergie sont transformables les unes dans les autres: les centrales nucléaires transforment l’énergie nucléaire en énergie thermique convertie en énergie mécanique, cette dernière est transformée en énergie électrique…etc.

Ces transformations nécessitent toujours un intermédiaire (machine): moteur, génératrice, turbine…


Il existe différentes formes de transfert d’énergie.

Par travail de forces en mécanique, de forces électriques ou électromagnétiques

Par chaleur Par rayonnement

Sur un plan physique, l’énergie se conserve lors de son transfert.


Les centrales hydrauliques:

E potentielle → E cinétique → E mécanique → E électrique


Les centrales thermiques:

E chimiqueE nucléaire → E thermique → E cinétique → E électriqueE solaire


Nom Nom anglais(1) Symbole Équivalence

joule joule J≡ 1 kg·m2/s2 = 1 W·s

erg (CGS) erg erg≡ 1 g cm2/s2 = 10-7 J

électron-volt electronvolt eV≡ 1,602 176 53×10-19 J

calorie I.T.calorie (international)

calIT ≡ 4,1868 J


Quelques unités pour l’énergie électrique:

Wh = 3600 W.s : Unité donnée à l’équivalent d’énergie consommée à raison de 1W pendant une heure. (On utilise souvent kWh).

Exemple:Calculer l’énergie (en kWh) consommée, pendant

3.5 heures, par une charge de 1.5 kW. Un cheval-vapeur électrique : 1ch = 736

watts (puissance) Un âne-vapeur : 250 watts


ENERGIES NON RENOUVELABLES ET RENOUVELABLES

1. ÉNERGIES NON RENOUVELABLES

Les énergies non renouvelables ou énergies fossiles sont celles qui sont présentes en quantités limitées sur terre.

Leur processus (naturel) de fabrication a pris des milliers (voire des millions) d’années. C’est ce qui nous empêche d’en «fabriquer », il n’est pas possible de faire du pétrole, du gaz naturel ou du charbon.

A chaque utilisation du pétrole, du gaz naturel ou du charbon, les réserves naturelles diminuent.

Ces énergies fossiles sont constituées principalement de carbone: leur combustion dégage du dioxyde du carbone et CO2.


• Avantages des énergies non renouvelables :

• Bien implantées• Facilement transportables• Permettent des tarifs plutôt bas• Bon rendement

• Inconvénients : • Présentes en quantité limitée : elles vont s’épuiser

un jour• Ne sont pas réparties équitablement sur terre.• Leur combustion produit des gaz ou des déchets

radioactifs néfastes pour l'homme et l'environnement


2. ENERGIES RENOUVELABLES: Une des solutions pour remédier aux problèmes

d’énergies fossiles est l’utilisation de sources d’énergies propres et qui ne s’épuisent pas : les sources d’énergies renouvelables.

Définition d’une énergie renouvelable: Une source d’énergie qui n’est pas diminuée par son

utilisation. La ressource se renouvelle sans arrêt, il n’y a donc

pas de risque d’en manquer pour les générations futures.

Une énergie propre.Exemples: Energies solaire, éolienne (vent), hydraulique, biogaz

(biomasse), marrées (vagues), hydrogène (pile à combustible), géothermie (chaleur de la terre)…


Les sources renouvelables

Le soleil: énergie solaire

Partie de l’énergie du soleil transférée par rayonnement

L’eau : énergie hydraulique

L’énergie potentielle de gravitation que possède une quantité d’eau à une certaine hauteur

Le vent: énergie éolienne

Energie cinétique des particules d’air dont le déplacement constitue le vent


La biomasse: énergie verte

Energie chimique stockée par les matières vivantes animales ou végétales

La terre : énergie géothermique

Energie thermique que possèdent certaines réserves d’eau chaude dans la terre

Les marées: énergie marémotrice

Energie des masses d’eau des mers et des océans liée au phénomène des marées


Avantages :• Énergies inépuisables à l’échelle humaine• Gratuites• Peu ou pas polluante (propre)

Inconvénients • Difficiles à transporter• Nécessité d’un emplacement adapté pour leur

utilisation• La plupart des installations restent

relativement coûteuses• Aléatoire (soleil, vent, marrées)• Faible rendement

2. Energie photovoltaïque


- Source de l’énergie solaire - Principe de la cellule

photovoltaïque - Différents types d’installations

photovoltaïques - Exemple de dimensionnement

d’une centrale photovoltaïque

Panneaux photovoltaïque du plus grand bateau solaire d'Europe en 2007 (180 places)

Energie Solaire


1. Définitions et Généralités: Le rayonnement solaire constitue la ressource

énergétique la mieux partagée sur la terre et la plus abondante :

« La quantité d’énergie libérée par le soleil (captée par la planète terre) pendant une heure pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an. »

Une partie de ce rayonnement peut être exploitée pour produire directement de la chaleur (solaire thermique) ou de l’électricité : c’est l’énergie solaire photovoltaïque.


Four Global Sun Oven

Parabole solaire Alsol 1.4

L'énergie thermique peut être utilisée directement ou indirectement :

• directement pour chauffer des locaux ou de l'eau sanitaire (panneaux solaires chauffants) ou des aliments (fours solaires),• indirectement pour la production de vapeur d'un fluide caloporteur pour entraîner des turbines et ainsi obtenir une énergie électrique (énergie solaire thermodynamique

Energie solaire thermique


ORIGINE DE L’ENERGIE SOLAIRE :

L’énergie solaire a pour origine les réactions de fusion thermonucléaires qui se produisent à l’intérieur du Soleil. Ces réactions confèrent au Soleil une puissance totale de 3.845 1026 W entraînant chaque seconde la conversion d’une masse de 4.3 109 kg en énergie (masse du soleil étant de 1.99 1030 kg). Le flux de puissance émis par le Soleil est de 63 MW/m2.

Le cœur du Soleil est un réacteur stabilisé et autocontrôlé. L’énergie y est produite par la conversion nucléaire de l’hydrogène en hélium.

La fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. La fusion de noyaux légers dégage d’énormes quantités d’énergie (mc²) provenant de l’attraction entre les nucléons due à l’interaction forte


Image satellitaire du soleil


Schéma simplifié des principales zones solaires.


Éclipse totale du Soleil du 11 août 1999. Une telle éclipse est un moment privilégié d’observation de la couronne solaire.


L’ équation nucléaire fondamentale de son fonctionnement:

Les quatre protons (de l’hydrogène) ayant une masse supérieure à celle du noyau d’hélium4 de 0,7%, ce défaut de masse se retrouve dans l’énergie du rayonnement. C’est ainsi que le Soleil brille.


L’énergie engendrée sous forme de rayons gamma sert à maintenir chaude la chaudière solaire, ce qui lui évite de s’effondrer, et à la faire briller.

L’énergie, sous forme de photons, filtre vers la surface. Elle est diffusée, absorbée, réémise par les ions et les électrons. Seuls les neutrinos traversent en droite ligne le Soleil, en deux secondes environ.

L’hydrogène: un combustible efficace, puisque 1 gramme d’hydrogène produit 6,6·1018 ergs, ce qui en fait un combustible des millions de fois plus énergétique que le pétrole.

600 millions de tonnes d'hydrogène (sur les 2×1027 tonnes du Soleil) sont ainsi transformées en hélium chaque seconde, dont 4 millions se transforment en énergie.


Cette énergie est rayonnée depuis le soleil dans toutes les directions selon la relation de Planck:

Cette énergie traverse, en plus, une distance de 150 million km pour atteindre la terre.

: Constante de Planck: Constante de Boltzmann

W/m²/unité de longueur d’onde en mètre)


Spectre de l’irradiation solaire pour différentes températures


Energie solaire intercepté au niveau de la terre:

L’énergie intéressante dans le domaine photovoltaïque est celle qui pourrait être utilisée sur la Terre, par captage direct, à des fins de production d’électricité. Cette énergie est transmise à la planète à travers l’espace par les ondes électromagnétiques rayonnées par le Soleil.

Le flux d’énergie solaire reçu annuellement sur Terre représente environ 15 000 fois la consommation d’énergie mondiale.

Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord externe de l'atmosphère terrestre (pour une distance moyenne Terre-soleil de 150 Millions de km), c’est ce que l’on appelle la constante solaire égale à 1367W/m².


En traversant l’atmosphère, le rayonnement solaire subit une atténuation dont les causes sont l’absorption par les gaz et la diffusion moléculaire ou particulaire. Ces phénomènes dépendent directement du rapport existant entre la longueur d’onde de la lumière incidente et la dimension des particules présentes dans l’atmosphère:

Direct : Le rayonnement direct est reçu directement du soleil,

sans diffusion par l’atmosphère. Ses rayons sont parallèles entre eux.

Diffus : Le rayonnement diffus est celui qui est dispersé par les

molécules de l’atmosphère et par les particules en suspension. Sa structure varie en fonction des conditions météorologiques


Composantes du rayonnement solaire au sol


Quelques définitions:

Rayonnement solaire: puissance /m² reçue par une surface donnée. (en W/m²)

Irradiation solaire : énergie/m² reçue par une surface pendant une journée, un mois ou une année. (en Wh/m²).

Exemple: Calculer l’irradiation solaire reçue par une

surface de 20m², pendant une année, pour un ensoleillement moyen de 500W/m² (pour une moyenne de 10 heures par jour).


Composantes du rayonnement solaire reçu au sol:

Intensités approximatives du rayonnement solaire:


La part d'énergie reçue sur la surface de la terre dépend de l'épaisseur de l’atmosphère à traverser. Celle-ci est caractérisée par le nombre de masse d'air AM (Anglais: Air Mass).

Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer à midi dans un ciel clair est de 1000 W/m2 et est décrit en tant que rayonnement de la masse d'air "1" (ou AM1).

Lorsque le soleil se déplace plus bas dans le ciel, la lumière traverse une plus grande épaisseur d'air, perdant plus d'énergie. L'énergie disponible est donc inférieure à 1000 W/m2.

Lorsque le terrain est accidenté, le rayonnement global doit tenir compte d’un autre composant qui n’est pas lié aux phénomènes atmosphériques : l’albédo. Celui-ci étant la partie réfléchie par le sol.


Outre l’incidence de l’atmosphère, l’irradiation solaire dépend :

o de l’orientation et l’inclinaison de la surface,o de la latitude du lieu et son degré de pollution,o de la période de l’année,o de l’instant considéré dans la journée,o de la nature des couches nuageuses.

La combinaison de tous ces paramètres produit la variabilité dans l'espace et le temps de l'irradiation journalière. Des cartes météorologiques sont établies et nous renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou bien sur une année.


Des cartes météorologiques sont établies et nous renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou bien sur une année.


SECTEURS D’APPLICATIONS:

Satellite Hubble avec ses panneaux solaires Véhicule solaire Honda lors du World Solar Challenge d’Australie

Cellule, Panneau, Champ Photovoltaïques


L'énergie solaire photovoltaïque : l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque.

Plusieurs cellules sont reliées entre elles et forment un panneau solaire (ou module) photovoltaïque.

Plusieurs modules qui sont regroupés dans une centrale solaire photovoltaïque sont appelés champ photovoltaïque.


Champ photovoltaïque


La variation du coût des modules solaires en $/watt


Cellule photovoltaïque:Histoire:1954: Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et

Prince, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.

1958: Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.

1973: La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware/USA.

1983: La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie.


Il existe un grand nombre de technologies mettant en œuvre l'effet photovoltaïque. Beaucoup sont encore en phase de recherche et développement.

Les principales technologies industrialisées en quantité à ce jour sont : le silicium mono ou poly-cristallin (plus de 80% de la production mondiale) et le silicium en couche mince à base de silicium amorphe ou CIS (Cuivre Indium Sélénium).


Les modules photovoltaïques au siliciumProcessus de fabrication


Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel. Le silicium est fabriqué à partir de sable quartzeux (dioxyde de silicium).

Le silicium chauffé dans un four électrique à une température de 1700 °C. Divers traitements du sable permettent de purifier le silicium. Le produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique qui se présente sous forme liquide, puis coulé sous forme de lingot suivant le processus pour la cristallisation du silicium, et découpé sous forme de fines plaquettes rondes de 200 à 400 μm d’épaisseur (wafers).


Par la suite, ce silicium pur va être enrichi en éléments dopants (P, As, Sb ou B) lors de l'étape de dopage, afin de pouvoir le transformer en semi-conducteur de type P ou N. La diffusion d’éléments dopants (bore, phosphore) modifie l’équilibre électronique de ces plaquettes (wafers), ce qui les transforme en cellules sensibles à la lumière.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner pendant plus de deux ans pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.


Cellule monocristalline et polycristaline:Les cellules PV au silicium cristallin (mono ou multi)

représentent la majorité de la production mondiale (29 et 51% de la production mondiale).

Cellule monocristalline:Du silicium à l'état brut est fondu pour créer un

barreau. Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé, on obtient un monocristal. Un Wafer (tranche de silicium) est alors découpé dans le barreau de silicium. Après divers traitements (traitement de surface à l'acide, dopage et création de la jonction P-N, dépôt de couche anti-reflet, pose des collecteurs), le wafer devient cellule. Les cellules sont rondes ou presque carrées et, vues de près, elles ont une couleur uniforme. Elles ont un rendement de 12 à 18%, mais la méthode de production est laborieuse.


Le silicium utilisé dans la production des cellules doit être d’une extrême pureté. Pour donner un ordre de grandeur :1 seul atome étranger pour 1 milliard d’atome de

siliciumCellule monocristalline

Panneau solaire en silicium monocristallin


Cellule poly-cristalline:

Les panneaux PV avec des cellules polycristallines sont élaborés à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vus de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux.

Elles ont un rendement de 11 à 15%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules monocristallines. Ces cellules, grâce à leur potentiel de gain de productivité, se sont aujourd'hui imposées. L'avantage de ces cellules par rapport au silicium monocristallin est qu'elles produisent peu de déchets de coupe et qu'elles nécessitent 2 à 3 fois moins d'énergie pour leur fabrication. Le wafer est scié dans un barreau de silicium dont le refroidissement forcé a crée une structure poly-cristalline. Durée de vie estimée : 30 ans.


Panneau PV au silicium polycristallin


Cellule amorphe:

Les modules photovoltaïques amorphes ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n'est que 6 à 8% actuellement.

Cette technologie permet d'utiliser des couches très minces de silicium qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide.

La dénomination amorphe signifie qu’à la différence des matériaux cristallins, ce silicium ne possède pas d’organisation atomique régulière. Le rendement de ces panneaux est moins bon que celui des technologies polycristallines ou monocristallines.


Cependant, le silicium amorphe permet de produire des panneaux de grandes surface à bas coût en utilisant peu de matière première.

Panneau PV au silicium amorphe


Définitions:Un cristal est un solide avec des façades

polygonales, plus ou moins brillant, à structure régulière et périodique, formée d'un empilement ordonné d'un grand nombre d'atomes, de molécules ou d'ions.

En chimie, un composé amorphe est un composé dans lequel les atomes ne respectent aucun ordre à moyenne et grande distance, ce qui le distingue des composés cristallisés. Les verres sont des composés amorphes.

Silicium polycristallin Silicium monocristallin Silicium amorphe



Comparatif des différentes technologies:


Principe de fonctionnement des cellulesStructure de la matière

Les quarks n’existent pas en dehors des nucléons

les quarks up (notés u), de charge électrique +2/3 de la charge d'un électron,

les quarks down (notés d), de charge électrique -1/3 de la charge d'un électron.



ELECTRONLes électrons sont répartis par couches.

Chaque couche ne peut comporter qu'un nombre limité d'électrons. Par exemple la couche K qui est la plus proche du noyau est saturée avec 2 électrons.

Répartition en couches.Les électrons se répartissent autour du noyau

sur plusieurs couches du centre vers l'extérieur:

La couche K:La couche K: 2 électrons au maximum.

La couche L:La couche L: 8 électrons au maximum.

La couche M:La couche M: 18 électrons au maximum.


Les électrons sont répartis sur des bandes d’énergie quantifiés (bandes d’énergies permises) séparées par des bandes d’énergies interdites (pas d’électrons).

C’est sur la couche la plus à l'extérieur (couche de valence) que les électrons ont le moins d’attraction avec le noyau, ce qui permet les liaisons avec les atomes voisins autorisant la cohésion de la matière.

La couche de valence de la plupart des atomes

n'est pas complète (sauf pour les gaz rares), elle peut ainsi accepter (provisoirement) des électrons, ou éventuellement en perdre.


Bandes d’énergie:Pour chacun des matériaux isolants, semi-

conducteurs et conducteurs, il existe des domaines ou bandes d’énergie qui seront soit permis soit interdits. Les énergies que peut prendre un électron de la couche périphérique de l’atome se répartissent entre deux bandes.

Bande de valence (couche périphérique)Bande dans laquelle se trouvent tous les électrons

qui participent aux liaisons de valence. Le niveau d’énergie maximal de la bande de valence est : EV.

Bande de conductionC’est la bande où se trouvent les électrons qui

participent à la conduction électrique. Son niveau d’énergie maximal est : EC.


Ces deux bandes sont séparées par la bande interdite d’énergie EG que l’on appelle aussi gap.

Pour qu’un électron de valence atteigne la bande de conduction, il faut lui fournir une énergie au moins égale à la largeur de la bande interdite.


Isolants : la largeur de la bande interdite est très grande (supérieure à 2 eV et généralement de l’ordre de 6 eV), c’est pourquoi les électrons situés sur la bande de valence n’arriveront jamais au niveau de la bande de conduction.

Semi-conducteurs: la bande interdite à une largeur inférieure à 2 eV (de 0,6 à 1,5 eV en général), donc l’agitation thermique peut suffire à provoquer une transition entre la bande de valence et la bande de conduction.

L’électron qui passe dans la bande de conduction laisse un espace vide appelé “trou” dans la bande de valence. Ce qui est intéressant, c’est qu’un autre électron de la bande de valence (ou d’un atome voisin) peut dès lors combler ce trou laissant ainsi derrière lui un autre trou : un courant de trous.


Physique des semi-conducteurs:

Contrairement aux conducteurs qui possèdent un grand nombre d’électrons libres et aux isolants (ou diélectriques) qui en possèdent très peu, les semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire.

Ces éléments se trouvent dans la quatrième colonne du tableau périodique des éléments ou table de Mendeleïev


Dans les semi-conducteurs, les atomes sont étroitement liés les uns aux autres (liaison covalente). Ces liaisons assurent la cohésion du matériau et empêchent les électrons de transporter le courant électrique.

Ce phénomène n’est vrai qu’à température thermodynamique nulle (0 K soit -273.15 °C).

Suite à une simple agitation thermique quelques électrons peuvent quitter leur couche et devenir ainsi des électrons libres.

Le Silicium:Le semi-conducteur généralement le plus utilisé dans

le milieu de la fabrication des cellules photovoltaïques.C’est l’élément le plus abondant sur la Terre après

l’oxygène (27.6%).


Cristal du Silicium:Dans le cristal de silicium, chaque atome est lié

à 4 atomes voisins avec lesquels il partage les quatre électrons de sa couche M.

Atome du Silicium (14 e-)


Porteurs de charge:La conduction dans un semi-conducteur est due

au déplacement de deux types de charges : o Les électrons libres o Les trous Le trou peut donc se déplacer de proche en

proche en étant comblé par un électron d’un atome voisin ce qui créera un nouveau trou.

Il faut toutefois se méfier de l’importance que l’on donne au mot conduction (1 e- de 1012). En effet, cette conductivité est encore faible. Par exemple, à 27 °C, le silicium est encore 29'400'000’000 fois moins conducteur que le cuivre...


Semi-conducteurs de type N et P :Pour une meilleure conduction, on introduit des

atomes d’impuretés dans le semi-conducteur (1 atome par 106): améliorer la conductivité.

Type N :Un semi-conducteur dopé N (négatif) possède un

surplus d’électrons.On introduit au sein de la structure cristalline du

semi-conducteur un petit nombre d’atomes étrangers appartenant à la cinquième colonne (5 e- de valence) de la table de Mendeleïev (Le Phosphore est le plus utilisé).

Un électron libre/atome est ainsi capable de se déplacer à l’intérieur du cristal ( une énergie de 0,04eV est suffisante pour le libérer).


L’insertion de ce type d’impuretés se traduit également par la création d’un niveau d’énergie ED proche de la bande de conduction. Dans ce cas, un faible apport d’énergie suffit pour faire passer les électrons du niveau ED dans la bande de conduction.

A la température ambiante, tous les électrons excédentaires sont sur la bande de conduction.

Silicium de type N


Type P : Un semi-conducteur dopé P (positif) possède quant à

lui un manque d’électrons.On introduit un faible nombre d’atomes étrangers

appartenant à la troisième colonne de la table de Mendeleïev (3e- de valence). Le Bore est le plus utilisé.

Donc il y a apparition d’un trou non comblé.

L’insertion de ce type d’impureté se traduit par la création d’un niveau d’énergie EA proche de la bande de valence. Un faible apport d’énergie contribue à ce que les électrons de valences atteignent le niveau d’énergie EA.


Silicium de type P

Quel que soit le type du semi-conducteur (N ou P), on constate que l’ajout de ces impuretés entraîne la diminution de la largeur de la bande interdite :

o Semi-conducteur intrinsèque : ΔE = EG

o Semi-conducteur type N : ΔE = EG - ED

o Semi-conducteur type P : ΔE = EG - EA


Les atomes de type N sont appelés donneurs (d’e-) et ceux de type P accepteurs (d’e-).

Le dopage augmente la conductivité du Silicium de 108 fois.


Principe de fonctionnement d’une cellule PV:

Une cellule PV comporte deux parties, l’une présentant un excès (N) d’électrons et l’autre un déficit (P) en électrons (un excès en trous) : principe de la diode.

Donc la cellule solaire est une diode de grandes dimensions.

L’effet photovoltaïque permet de convertir l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par la libération de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière (photons).

les électrons en excès dans le matériau N diffusent dans le matériau P. La zone initialement dopée N devient chargée positivement, et la zone initialement dopée P chargée négativement.

Il se crée donc une jonction P-N : un champ électrique qui va s’opposer aux mouvement des charges.


La diffusion crée un courant électrique net que l’on nomme généralement courant de diffusion (Id) allant de la partie P vers la partie N.

Les charges qui franchissent la jonction ne peuvent généralement aller bien loin car les électrons mobiles passant de la zone N à P sont vite piégés par les trous situés à proximité de la jonction. Ceci est aussi vrai pour les trous passant de P à N piégés eux par les électrons.


Cellule photovoltaïque


Interaction entre la lumière et la matière:

L’équilibre de la jonction PN, qui n’est autre que le constituant de la diode en électronique, est rompu lorsque celle-ci reçoit des photons.

Les photons sont des particules d’énergie élémentaire. Ils sont une sorte de concentré de l’énergie et de la quantité de mouvement des rayonnements électromagnétiques.

Ils se déplacent à la vitesse de la lumière: 300'000’000 m/s.

En résumé: le photon est une particule de masse et de charge nulles associée à un rayonnement électromagnétique.


L’énergie du rayonnement d’une onde électromagnétique (EM) étant :

Où : Ey : Énergie du rayonnement d’une onde EM

[J] ou [eV] f : Fréquence de l’onde EM [Hz] h : Constante de Planck

[J/Hz] ou [eV/Hz]

HzeV

HzJh

eVouJfhEy

15

34

10136.4

10626.6


La longueur de l’onde EM étant de :Où :

: Longueur d’onde [m] c : Vitesse de la lumière dans le vide

[m/s]

Si les photons, lors de cette interaction avec le semi-conducteur, ont une énergie suffisante, égale à la largeur de la bande interdite EG, ils pourront faire passer des électrons de la bande de valence à la zone de conduction, soit dans la partie P ou N, créant ainsi de nouvelles paires d’électrons libres-trous.

Si l’énergie du photon est très grande devant EG , le reste d’énergie est perdue sous forme de chaleur.

mfc


Deux exemples donnant un ordre de grandeur des fréquences du rayonnement mis en jeu :

Silicium cristallin (c - Si) :

Silicium amorphe (a - Si) :

mfc

HzhyEf

eVGE

11.112108.270

8103

12108.2701510136.4

12.1

12.1

mfc

HzhyEf

eVGE

69.012102.435

8103

12102.4351510136.4

8.1

8.1


On remarque qu’une grande partie du spectre du rayonnement solaire est absorbé par ces semi-conducteurs:

Rayonnement solaire en fonction des longueurs d’onde


CARACTÉRISTIQUES D’UNE CELLULE

Lorsqu’une cellule est illuminée, un courant appelé photocourant (IE) est produit . Ce courant est proportionnel au rayonnement solaire.

Lorsque la tension augmente une partie de ce courant est dissipée dans la jonction (caractéristique de la diode).

Donc le courant de la cellule (ayant reçu une irradiation solaire) peut s’écrire:


On définit le courant de court-circuit lorsque U=O : Icc = IE

donc le courant de court-circuit est proportionnel au rayonnement solaire. Il varie peu avec la température.

On définit aussi la tension à vide (circuit ouvert, I=0) :

Uo = (kT/q).ln(IE/Is)

donc la tension à vide varie sensiblement avec la température et peu avec le rayonnement solaire. Mais le courant Is varie exponentiellement avec T (double toutes les 10 °K), donc Uo diminue avec la température.

Uo et Icc sont deux paramètres importants caractérisant une cellule photovoltaïque.


Donc on peut représenter la caractéristique de la cellule dans les quatre quadrants (avec et sans lumière).

• Sans lumière : la cellule est équivalente à une diode

• Avec la lumière : la caractéristique est décalée vers le bas de la valeur de Icc.


Une cellule photovoltaïque peut être donc vue comme la combinaison d’une diode dite d’obscurité et d’une source de courant dont l’intensité est proportionnelle au rayonnement solaire capté.

Deux résistances sont introduite pour tenir compte des pertes internes :

• Rs : représente la résistance qui tient compte des pertes ohmiques du matériau, des métallisations et du contact métal/semi-conducteurs,

• Rp : représente quant à elle une résistance provenant de courants parasites entre le dessus et le dessous de la cellule, par le bord en particulier et à l’intérieur du matériau par les inhomogénéités ou impuretés.


Une cellule photovoltaïque peut donc être schématisée de la forme suivante:

Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque


Le courant et la tension de la charge sont donnés par :

On peut faire une première approximation en négligeant Rs et Rp:

[ ]

1 [ ]T

jE ob j s

p

U

Uob s

UI I I A et U U R I V

R

avec

I I e A

1

[ ]

T

U

UE s

j

I I I e A

U U V


I : Courant traversant la charge [A]U : Tension aux bornes de la charge [V]IE : Courant de la source de courant [A]

Uj: Tension inverse de la diode d’obscurité [V]

Rs : Résistance série (pertes ohmiques) [Ω]

Rp: Résistance parallèle (courants parasites) [Ω]

Iob : Courant de la diode d’obscurité [A]

Is : Valeur asymptotique du courant de fuite [A]

UT : Tension thermodynamique de la diode = kT/q = 26 [mV] à 300K k : constante de Boltzmann = 1.38.10-23

q : charge élémentaire = 1.602.10-19 C T : température absolue en K.


L’allure de la caractéristique courant/tension et puissance/tension d’une cellule photovoltaïque réelle:

Caractéristique courant et puissance/tension d’une cellule photovoltaïque

Point de la puissance maximale


La courbe de puissance passe par un maximum (MPP) correspondant tension UM (environ 0,48 V), et un courant IM.

Plus une cellule sera de bonne qualité, plus la courbe courant/tension sera carrée.

On peut donc dire que les caractéristiques

techniques principales fournies par un fabricant de cellules photovoltaïques sont :

o La tension de sortie [V]o La puissance crête délivrée par une cellule

[kWc]o Les dimensions [m2]


La définition de la puissance d’une cellule en watt-crête fournie par le constructeur correspond à la puissance maximale fournie par une cellule photovoltaïque, à midi lors d’une journée ensoleillée.

Normalisation : Les conditions standards de qualification des cellules photovoltaïques sont : un éclairement de 1000W/m² et une température de 25°C.

Les constructeurs de panneaux solaires spécifient les performances de leur matériel dans les conditions normalisées citées ci-dessus (S.T.C. : Standard Test Conditions).


Caractéristique courant/tension en fonction de l’éclairement:

Points de la Puissance maximale


Caractéristique courant/tension en fonction de la température:



L’augmentation de la température provoque les phénomènes suivants :

• Légère augmentation du courant de court-circuit

• Diminution de la tension à vide de 1.8 à 2 , due à l’augmentation du courant de la diode d’obscurité

• Diminution de l’efficacité optimale d’environ 0.06% /°C

• Accroissement de la résistance série.

20.002 mA cm C

mV C


Variation de la caractéristique puissance/tension avec la température


Rayonnement solaire :


TECHNOLOGIE DES CELLULES:Une cellule photovoltaïque se compose des

éléments suivants :o Un matériau semi-conducteur de type Po Un matériau semi-conducteur de type No Une métallisation arrièreo Un contact de grille de surfaceo Une couche anti-reflet (le silicium réfléchit 30% de

la lumière reçue)


Association de cellules : le panneau solaire

La tension et le courant produits par une cellule photovoltaïque étant limités, une association de plusieurs cellules est indispensable: panneau photovoltaïque. Les premier panneaux ont été conçus pour recharger des batteries au plomb de 12V.

Exemple:Un panneau de recharge de batterie de 12V

fonctionnant à 16V (à puissance maximale) doit comprendre 36 cellules en série (0,45V à puissance maximale).


Mise en série:Les ns cellules (supposées identiques) sont

traversées par le même courant.


Mise en parallèle:Les np cellules (supposées identiques) ont la

même tension.


Couplage des modules photovoltaïques avec la charge:

Pour s’assurer que les cellules travaillent à leur puissance maximale, il faut veiller à ce que la charge impose ce point de fonctionnement optimal.

Dans le cas d’une charge de type « batterie », c’est elle qui fixe la tension, dès lors la tension de la batterie sera choisie en conséquence.

Dans le cas du branchement d’une charge résistive, il faut que l’impédance de la charge évolue pour que les modules restent à leur point de fonctionnement optimal. Si ce n’est pas le cas, il est parfois utile de coupler un adaptateur de charge (maximum power tracker)

Un adaptateur de charge est un dispositif électronique qui crée une impédance fictive pour que le point de fonctionnement des modules soit toujours à puissance optimale.


dans un groupement série, la cellule de plus faible courant photovoltaïque impose celui-ci à l'ensemble du groupement, une propriété qui peut pénaliser très fortement la conversion globale si elle n'est pas prise en compte.

Si plusieurs cellules sont branchées en série, il faudra toujours prendre soin à ne pas laisser l’une d’entre elle se trouver à l’ombre. Dans ce cas, pratiquement aucun courant ne traverserait le système.

Pour éviter cela, il faut disposer une diode Dp connectée en parallèle, appelée "diode by-pass", aux bornes d'un groupement élémentaire de 30 à 40 cellules au silicium au maximum.

une diode anti-retour Dr doit protéger des voies en parallèle des courants inverses (retour du courant dans le panneau).


Panneau PV parallèle/série avec diodes de protection


Un module PV est caractérisé par sa puissance (Wc), sa tension (généralement 12V) et sa surface.

Généralement, les rendements de conversion photoélectriques vont de 6 à 14% (marché).


Watt crête = Puissance électrique du module dans les conditions suivantes:

• Irradiation solaire de 1000 W/m²• T° de jonction de 25°C• Charge optimale

En d’autres termes, 1 Wc délivre une puissance électrique de 1 W quand il est soumis à un ensoleillement de 1000 W/m².

Exemple : 1 module de 1 Wc qui reçoit 55 kWh d’irradiation solaire dans les conditions standards, produira 55 Wh d’électricité.


APPLICATION

Systèmes en îlotage pour électrification rurale (individuel ou collectif)

Systèmes pour applications isolées (télécommunication)

Systèmes pour le pompage solaireSystèmes connectés au réseauSystèmes « mobiles »


Composants d’un système photovoltaïque


Batteries :Les batteries sont utilisées pour stocker

l’énergie électrique sous une forme chimique. Elles restituent l’énergie électrique au besoin selon ses caractéristiques:

• Capacité de stockage • Tension nominale (V)• Durée de vie (Nombre de cycles)• Courant de charge et de décharge (A)


Notion de « capacité » d’une batterie d’accumulateurs La capacité d'une batterie ne se présente pas de la même façon que la capacité d'un réservoir. Plus la rapidité de la décharge est importante, plus la capacité réelle de la batterie sera faible. Ainsi une batterie référencée sous la dénomination 68 Ah C100 aura réellement une capacité théorique nominale Cn de 68 Ah en 100 heures, 55 Ah en 20 heures et 50 Ah en 10 heures. Si on décharge cette batterie sous une intensité de 5 A la décharge ne durera que 10 heures et enfin 100 heures sous une intensité de 0,68 A (0,68 × 100 = 68 Ah).

• Ne jamais dépasser la décharge dite profonde d’une batterie. • Pour une longévité optimum de la batterie il faut la dimensionner pour que les décharges journalières ne dépassent pas 16% de la capacité nominale C100. • D’après la NF C 15-100 le courant de court circuit d’une batterie est : Icc = 10 × Cn


Régulateur de charge:Le régulateur de charge a pour fonction principale

de protéger la batterie contre les surcharges et les décharges profondes. Il est un élément essentiel pour la durée de vie de la batterie.

On dimensionne le régulateur pour un courant de l’ordre 1,5 fois le courant donné par la puissance crête des panneaux.

Convertisseur :Un convertisseur est parfois utilisé pour transformer

la forme d’électricité.• Onduleur CC/AC : Courant continu -> Courant

alternatif.• Convertisseur CC/CC : Dispositif électronique qui

permet de modifier la tension.


Systèmes PV dans le bâtiment :

Installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau


Energie solaire

Energie électrique

Panneauxsolaires

Batterie

(stockage)

Energie électrique

Site isolé

Constitution d’un système PV Isolé (Autonome)

Régulateur

Cette batterie pourait être par exemple une pile à combustible.



Installation de panneaux solaires par Total au Maroc dans le cadre d’un programme d’électrification rurale.


Les installations de type autonome sont une alternative intéressante lorsque le raccordement au réseau est trop coûteux ou déraisonnable. Ce type d’installation est particulièrement adapté à la production d’électricité dans des points éloignés du réseau tels les chalets de montagne ou de vacances, les villages difficiles d’accès, etc.

Les installations autonomes sont composées de trois éléments essentiels et de deux autres optionnels :

• Les panneaux photovoltaïques : Produit de l’énergie électrique

• L’armoire de régulation : Gère le système• Les batteries d’accumulateur : Stocke l’énergie• L’onduleur : Transforme

l’énergieDans cette configuration, le système travaille avec un

stockage intermédiaire sur batteries. Si l’on supprime celles-ci, on parle de travail au fil du Soleil.


Installation photovoltaïque autonome


Méthode de dimensionnement : Méthodologie

Calculer les besoins énergétiques des utilisateurs (puissance, énergie journalière).

Choix de la tension de fonctionnement.Calculer la puissance Wc nécessaire.Calculer l’énergie solaire disponible sur la base de

l’irradiation solaire moyenne journalière.Dimensionner les panneaux solaires (Wc, nombre,

série, //…)Calculer la capacité en batterie nécessaire en fonction

du degré d’autonomie souhaité.Choisir le régulateur de charge permettant de supporter

les intensités maximales.Dimensionner le circuit électrique et les convertisseurs.

Estimation des besoins journaliers en électricité ( en Wh/j) :

Etablir un bilan énergétique des appareils à alimenter:

• Tension d’alimentation: 12V, 24V, 48V, 220V….• Puissance instantanée• Nombre d’heures d’utilisation par jour Charge totale journalière CTJ en Wh/jourEstimation de la capacité de stockage requise (en

Ah) en fonction de l’autonomie désirée :• Durée d’autonomie des batteries afin d’alimenter

les récepteurs sans l’aide des modules photovoltaïques : nombre de jours d’autonomie (j).

• On fixe un degré de décharge des batterie à ne pas dépasser: ( 50 à 70%)


Cbatt(A.h)>=CTJ(Wh).autonomie(j)/[(tension(V).Degré de décharge batt(%)]

Estimation de l’irradiation journalière (en Wh/j/m²) A l’aide de cartes ou de logiciels, on peut déterminer l’irradiation journalière minimum (journée d’hiver) Ejmin (Wh/j/m²)

Détermination de la puissance crête Pc Pc= CTJ(Wh)/[Ejmin(kWh/m²).Kbatt. Kelec] avec Kbatt: rendement énergétique des batteies 70% Kelec: rendement énergétique des autres

composants électroniques :90%


Orientation en inclinaison des panneaux PV

La position apparente du Soleil varie pendant la journée et les saisons. À un moment donné, cette position peut être déterminée par deux angles :

• La hauteur HS• L’azimut AZ


La Hauteur : l’angle entre la ligne soleil-terre et le plan horizontal du site.

Azimut: l’angle mesuré dans le sens des aiguilles d’une montre entre le point cardinal Sud (dans l’hémisphère nord) ou Nord (dans l’hémisphère sud) et la projection sur le plan horizontal local de la droite reliant la Terre au Soleil.


En relevant ces coordonnées heure par heure, on peut tracer la course apparente du soleil et dessiner un diagramme solaire. En voici un exemple pour une latitude donnée dans l’hémisphère nord



La distance de la terre par rapport au soleil est donnée par la formule suivante:

n: nombre de jour de l’année, 1 janvier=1

Les panneaux photovoltaïques doivent donc être orienté de préférence plein Sud avec généralement des écarts jusqu’à 30° par rapport à l’axe Sud.

L’angle d’inclinaison du panneau est quant à lui idéal entre 30° et 50°.

MasquesL’emplacement des cellules photovoltaïques doit être

le plus possible éloigné des zones d’ombre. Que ce soit des masques lointains, comme une montagne, un immeuble ou un grand arbre ou proches comme une cheminée, ou la végétation saisonnière. En effet, si une des cellules composant un panneau photovoltaïque (couplage en série) se retrouve à l’ombre, pratiquement aucun courant ne traverserait le système dû à l’existence de la diode d’ombre.


Exemple: Dimensionner une installation PV pour l’alimentation

d’un village rural composé d’un ensemble de 30 maisons dont les caractéristiques sont données ci-après:

• L’irradiation solaire journalière minimale (hiver) est de : 3500Wh/m² par jour.

• Une autonomie de 2 jours est souhaitée.


Désign. Q. / foyerPuiss uni

Durée (heure)Coef. sim.

[W] (CS)

lampes éco 8 11 5 0.4

TV + radio 1 100 4 0.8

frigos 1 50 24 0.5

Cours Energie Solaire

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