Energies renouvelables et efficacité énergétique

Click here to load reader

  • date post

    24-Oct-2021
  • Category

    Documents

  • view

    0
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Energies renouvelables et efficacité énergétique

solaire thermique pour eau chaude sanitaire d’une
collectivité.
-BOUALAM Zaineb - Mme. EL HOUCIMI Rajae : encadrant industriel
- Mr. BOUMHAOUT Mustapha : encadrant universitaire
Soutenu le 2/06/2021 devant la commission d’examen :
Mr. MARKAZI RACHID Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur
Mr. KRIRIM Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur
Période de stage du 5 Avril 2021 au 31 Mai 2021
1
Remerciement
EN PRÉAMBULE à CE TRAVAIL, JE TIENS à ADRESSER MES SINCèRES
REMERCIEMENTS à MLLE .EL HOUCIMI RAJAE POUR SON ACCUEIL ET LA CONFIANCE
S’IL M’ACCORDÉE DÉS MON ARRIVÉE DANS L’AGENCE, ET POUR L’ÉQUIPE DE LA
SOCIÉTÉ ENERGYTECH POUR M’AVOIR INTÉGRÉ RAPIDEMENT AU SEIN DE
L’ENTREPRISE ET M’AVOIR ACCORDÉ TOUTE LEURS CONFIANCES, POUR LE TEMPS
QU’ILS M’ONT CONSACRÉ TOUT AU LONG DE CETTE PÉRIODE, SACHANT RÉPONDRE à
TOUTES MES INTERROGATIONS.
MES PREMIERS REMERCIEMENTS à ALLAH LE TOUT PUISSANT, QUI A GUIDÉ MES PAS
DEPUIS L’AUBE DE MA VIE.
JE REMERCIE AUSSI LES MEMBRES DE JURY, MR MARKAZI RACHID ET MR.KRIRIM
PROFESSEURS à L’ÉCOLE SUPÉRIEURE DE TECHNOLOGIE DE GUELMIM D’AVOIR
ACCEPTÉ D’ÉLABORER ET JUGER CE TRAVAIL.
J’EXPRIME MA PROFONDE GRATITUDE ÉGALEMENT à TOUS MES PROFESSEURS D’ESTG,
POUR LEURS EFFORTS FOURNIS ET LA QUALITÉ D’ENSEIGNEMEN
2
Introduction
Dans le cadre de notre formation à l’Ecole Supérieur de Technologie, j’ai effectué un stage durant
deux mois ( ../04/2021 au ../05/2021)au sein de La société ENERGYTECH situé à Agadir .
Dans ce rapport je vais parler de Etude et dimensionnement d’une installation solaire thermique
pour eau chaude sanitaire d’une collectivité .
Le premier chapitre est consacré à une présentation générale sur la société ENERGYTECH de ses
activités et ses produits.
Le deuxième chapitre est consacré à une étudesur géneralités sur les systéme photovoltaïque et
chauffe-eau solaire .
Dans le troisième chapitre, je présenterai Dimensionnement d’une installation solaire thermique
pour eau chaude sanitaire d’une collectivité.
Ce rapport permettra donc de découvrir d’une façon globale de la société ENERGYTECH .
3
Sommaire :
REMERCIEMENT
I. Présentation de la société Energytech ............................ 13
II. Service études ................................................................... 13
Chapitre 2:géneralités sur les systéme photovoltaïque et chauffe-eau solaire ..... 16
I. Le systeme photovoltaïque .................................................. 17
Introduction ....................................................................... 17
2. Conversion photovoltaïque ........................................... 18
C) La Jonction PN .......................................................... 20
D) Effet photovoltaïque ................................................. 20
F) Les types des cellules photovoltaïques.................... 22
i. Cellule en silicium monocristallin ........................... 22
ii. Cellule en poly-cristallin .......................................... 23
iii. Cellule amorphe ..................................................... 23
i. Système photovoltaïque d’alimentation électrique ... 26
ii. Système P.V raccordé au réseau ................................ 27
II. Le chauffe-eau solaire ............................................................. 27
Introduction ............................................................................. 27
B) Les capteurs sous vide ou tubulaires ................................... 28
2. Chauffe-eau solire individuel ................................................ 30
A ) Chauffe-eau solaire à élément séparés .......................... 31
i . à convection naturelle ( en thermosiphon ) ............... 31
ii . à convection forcée .................................................... 32
3. Chauffes eau Solaire Collectifs ................................................. 33
A) Les acteurs principaux pour les installations solaires collectives…33
B ) les etapes de dimensionnement de chauffe-eau solaire collectif. 35
III. Fonctionnement général d’une installation .............................. 35
1 . Le captage ........................................................... 36
2 . Le transfert de l’énergie et le stockage ............. 40
A ) Le stockage ................................................................... 40
4 . Schéma bilan d’une installation en général ........... 42
Chapitre 3 : dimensionnement d’une installation solaire thermique pour eau chaude sanitaire d’une
collectivité… ............................................................................................. 43
5
3 . Estimation de la puissance crête du générateur photovoltaïque ............ 46
4 . Estimation de nombre des panneaux ....................................................... 46
5. dimensiennement et choix de l’onduleur.................................................. 46
6. Simulation de la production mensuelle de l’installation à l’aide du logiciel PVgis… ..... 47
7. Estimation budgétaire de la centrale ....................................................................... 47
II. dimensionnement d’une installation de chauffe-eau collectif ............................... 48
1) Estimer la superficie des plaques solaires nécessaires pour chauffer de l’eau ........... 48
2) Dimensionnement de l’échangeur de chaleur ...................................................... 50
3) Dimensionnement de la pompe de circulation et la vase d’expansion .................... 50
4) Estimation budgétaire de l’installation ..................................................................... 51
Conclusion ...................................................................................................................... 53
Figure 2: Domaine d'intervention de la société ENERGYTECH
Figure 3 : structure basique d’une cellule solaire.
Figure 4 : le semi-conducteur (silicium).
Figure 5 : dopage de semi-conducteur de type n.
Figure 6 : dopage de semi-conducteur de type p
Figure 7 : La jonction p-n
Figure 8 : l`effet photovoltaïque.
Figure 9 : le principe de fonctionnement d`une cellule PV
Figure 10: Cellule photovoltaïque monocristalline.
Figure 11 : Cellule photovoltaïque poly-cristallin.
Figure12 : Cellule photovoltaïque amorphe.
Figure 13 : Module photovoltaïque.
Figure 15 : Panneau photovoltaïque.
Figure 17 : Système hybride solaire / éolien.
Figure 18: Système photovoltaïque raccordé au réseau.
Figure 19 : catégories des CES .
Figure 20 :les composants de capteur solaire.
Figure 21 : capteur sous vide .
Figure 22 : les positions des capteurs.
Figure 23 : types des capteurs .
7
Figure 25 : chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés à convection naturelle.
Figure 26 : chauffe-eau solaire à éléments séparés à convection forcée.
Figure 27 : Production centralisée et distribution directe.
Figure 28 : Production centralisée et distribution par boucle de circulation.
Figure 29 : Appoint décentralisé avec distribution par boucle .
Figure 30 : les etapes de dimensionnement
Figure 31 : l’installation de production d’eau chaude sanitaire .
Figure 32 : coupe d’un captur solaire plan .
Figure 33 : les variations du rendement instantané en fonction de la température réduite pour
plusieurs types de capteurs.
Figure 37 : météo menuselle PVSyst .
Figure 38 : données climatique RETScreen .
Figure 39 : orientation PVSyst .
Figure 41 : principe de fonctionnement d’onduleur
Figure 42 : production énergitique mensuelle .
Figure 43 :relation de efficacité solaire
Figure 44 : relation de couverture solaire .
Figure 45 : pressure loss en fonction de volume flow .
8
Tableau 3 : budgé de installation chauffe –eau solaire collectif .
9
Introduction :
La production d’énergie est un défi de grande importance pour les années à venir
effet, les besoins énergétique des sociétés industrialisées ne cessent d’augmenter. Par ailleurs,
les pays en voie de développement auront besoin plus en plus d’énergie pour mener à bien
leur développement, un grande partie de la production mondiale d’énergie est assuré à partir
de source fossile.
La consommation mondiale d’électricité observée durant ces dernières décennies est
fortement liée au développement de l’industrie, du transport et des moyens de
communications. De nos jours, une grande partie de la production électrique est produite à
partir de ressources non renouvelables comme le charbon, le gaz naturel, le pétrole et
l’uranium. Leur vitesse de régénération est extrêmement lente à l’échelle humaine. Ce qui
entrainera à plus ou moins courte échéance un risque non nul d’épuisement de ces ressources.
D’autant plus que la demande ne cesse de croître et dès à présent à être supérieure à
l’offre, se traduisant par exemple par une forte fluctuation du prix mondial du pétrole.
On distingue plusieurs types de sources d’énergies renouvelables: l’énergie
hydroélectrique, l’énergie géothermique, l’énergie éolienne, l’énergie de la biomasse et
l’énergie photovoltaïque, Aujourd’hui, les énergies renouvelables deviennent progressivement
des énergies à part entière, rivalisant avec des énergies fossiles du point de vue coût et
performance de production. Cependant, leur système de conversion de l’énergie en électricité
souffre souvent d’un manque d’optimisation qui en fait encore des systèmes trop chers, et
présentant des déficiences importantes en rendement et en fiabilité. Pour cela, bien qu’il existe
de plus en plus de travaux de recherches prouvant la viabilité de sources comme, par exemple,
l’énergie photovoltaïque (PV) ou l’énergie éolienne, beaucoup de réticentes existent encore
10
pour installer ces systèmes à grande échelle, autant en production de masse que chez des
particuliers.
Bien que l’énergie photovoltaïque soit connue depuis de nombreuses années comme
source pouvant produire de l’énergie électrique allant de quelques milliwatts au mégawatt, il
est solution attrayante comme remplacement ou complément des sources conventionnelles
d'approvisionnement en électricité en raison de ses nombreux avantages :
- la production de cette électricité renouvelable n'émet pas de gaz à effet de serre, il faut
cependant réduire l’impact environnemental de la fabrication du système.
- la lumière du soleil étant disponible partout et quasi-inépuisable, l'énergie photovoltaïque
est exploitable aussi bien en montagne, dans un village isolé que dans le centre d'une grande
ville, et aussi bien au sud que dans le nord.
- l'électricité photovoltaïque peut être produite au plus près de son lieu de consommation, de
manière décentralisée, directement chez l'utilisateur, ce qui la rend accessible à une grande
partie de la population mondiale
11
12
I . Présentation de la société ENERGYTECH
La société ENERGYTECH a été fondée le 19/05/2014, résultat de l’union entre trois
associés dans des différents domaines liés au bâtiment et d’une véritable passion pour la
fourniture, l’étude, la conception et la réalisation des installations des systèmes énergétiques.
Leurs savoir-faire et leurs compétences reposent sur les compétences de ses équipes que ça soit
dans d’études, ou sur terrain. Des personnels expérimentés, sérieux et motivés sont la clé de
réussite de chaque société.
Leur philosophie est de Réaliser des prestations de qualité dans une recherche constante de la
satisfaction du client.
La figure ci-dessous représente l‘organigramme de la société ENERGYTECH
Figure 1: Organigramme de la société ENERGYTECH
II. Service études :
La société ENERGYTECH dispose d’un bureau d’études interne ou j’ai passé ma
période de stage. Il prend en charge la réalisation des études techniques aux différents stades
d’avancement des projets, des devis estimatif et quantitatif, la reprographie des documents
13
électricité et automartisme
techniques, la veille technologique. Ce bureau d’étude apporte une assistance technique aux
conducteurs des travaux, et à la maîtrise d’œuvre désignée par le client.
Le Bureau d’Études a aussi la responsabilité de proposer des solutions (figure 2) efficace
dans tous les domaines d’intervention.
Figure 2: Domaine d'intervention de la société ENERGYTECH
La société ENERGYTECH collabore avec les marques de fabrication et distribution des
matériels, pour répondre aux besoins de leurs clients que ça soit au niveau de climatisation, froid,
chauffage et ventilation ou au niveau d’électricité et plomberie
III. Fiche technique de la société ENERGYTECH :
Le tableau Ci-dessous représente la fiche technique de la société ENERGYTECH :
solutions energytech
Activité Fourniture, Etude, Conception, et Réalisation de climatisation, Ventilation, Froid, Electricité et Solaire
Directeur générale EL BOURKI HICHAM
Date de création 19/05/2014
Capitale 100.000 DHs
N°RC 27545
Introduction :
L’effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français A. Becquerel en 1839. Le mot «
photovoltaïque » vient du mot « photo » (du grec « phos » qui signifie « lumière ») et du mot «
Volt » (patronyme du physicien Alessandro Volta qui a contribué de manière très importante à la
recherche en électricité).
Le développement des cellules solaires a suivi les progrès de l’industrie des semiconducteurs, en
particulier ceux de l’industrie du silicium qui constitue le principal matériau à partir duquel sont
fabriquées les cellules. Les premières cellules ont été conçues pour permettre une alimentation
électrique fonctionnant plusieurs années sur les satellites. De grandes sociétés de l’électronique
se sont au début intéressées à cette technologie pour alimenter des sites isolés (mesures,
télécommunications, balises…) avant que les successifs chocs pétroliers relancent leur intérêt
dans les années soixante-dix. A partir de cette période, des sociétés spécialisées dans ce domaine
se sont créées, tout d’abord aux USA, ensuite au Japon et en Europe.
La technologie des cellules au silicium est maintenant bien maîtrisée et les nouveaux
développements se concentrent sur l’amélioration du rendement et l’abaissement des coûts de
fabrication. En parallèle avec ces produits existants, de nouvelles cellules, utilisant des
phénomènes proches de la photosynthèse, pourraient apparaître sur le marché dans la prochaine
décennie si les développements prometteurs obtenus en laboratoire se concrétisent par des
produits industriels
1. La cellule photovoltaïque :
La cellule photovoltaïque ou encore photopile est le plus petit élément d’une installation
photovoltaïque. Elle est composée de matériaux semi-conducteurs et transforme directement
l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Les cellules photovoltaïques sont constituées :
D’une fine couche semi-conductrice (matériau possédant une bande interdite, qui joue le
rôle de barrière d’énergie que les électrons ne peuvent pas franchir sans excitation extérieure,
et dont il est possible de faire varier les propriétés électriques) tel que le silicium, qui est un
matériau présentant une conductivité relativement bonne.
D’une couche antireflet permettant une pénétration maximale des rayons solaires.
D’une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d’un métal conducteur sur le dessous ou
anode.
Les plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissantes
juste en dessous de semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps dans
17
Figure 3 : structure basique d’une cellule solaire.
Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui
consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la
lumière. La tension générée peut varier entre 0.3V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de
sa disposition ainsi que de la température et du vieillissement de la cellule.
2. Conversion photovoltaïque :
A) Semi-conducteur :
Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité électrique est intermédiaire
entre celle des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de valence du silicium
permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les
électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique.
Figure 4 : le semi-conducteur (silicium).
18
Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce
procédé est appelé dopage.
i. Dopage de type N :
On remplace un atome de silicium par un atone pentavalent (phosphore p). Quatre
d’entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième reste
disponible, il sera excité vers la bande de conduction très facilement par l’agitation thermique.
D’où le nombre d’électron libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou
est très inférieur au nombre d’électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif).
Figure 5 : dopage de semi-conducteur de type n.
ii. Dopage de type P :
De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les
liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se
déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant.
Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque,
on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore B.
19
C) La Jonction PN :
Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N. Lors de
cet assemblage les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone de
jonction où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition. Il ne reste donc plus
que les ions dans cette zone qui vont créer un champ électrique interne au niveau de la
jonction et qui empêche les charges libres restantes dans chaque zone de traverser la jonction
pour se recombiner.
D) Effet photovoltaïque :
20
La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet photovoltaïque, c’est-à-
dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charges (électrons et trous) dans un
matériau. Lorsqu’un semi-conducteur est illuminé avec un rayonnement de longueur d’onde
appropriée (l’énergie des photons doit être au moins égale à celle du gap énergétique du
matériau), l’énergie des photons absorbée permet des transitions électroniques depuis la bande
de valence vers la bande de conduction du semiconducteur, générant ainsi des paires électrons-
trous, qui peuvent contribuer au transport du courant (photoconductivité) par le matériau
lorsqu’on le polarise.
Si on illumine maintenant une jonction PN représenté sur la figure, les paires électrons-trous qui
sont créés dans la zone de charge d’espace de la jonction sont immédiatement séparées par le
champ électrique qui règne dans cette région, et entraînées dans les zones neutres de chaque
côté de la jonction. Si le dispositif est isolé, il apparaît une différence de potentiel aux bornes de la
jonction (photo tension), s’il est connecté à une charge électrique extérieure, on observe le
passage d’un courant alors qu’on n’applique aucune tension au dispositif. C’est le principe de base
d’une cellule photovoltaïque.
E) Principe de fonctionnement :
Pour créer un courant électrique dans un semi-conducteur, il faut lui fournir une énergie qui
permet d’extraire des électrons de la bande de valence pour les transférer dans la bande de
conduction, soit une énergie supérieure au gap de la bande interdite. La lumière dont les photons
transportent une énergie : E = hυ permet d’atteindre cet effet : c’est l’effet photovoltaïque.
La lumière pénétrant dans un semi-conducteur permet donc, si son énergie est supérieure au gap
de faire passer le semi-conducteur de l’état isolant à l’état conducteur, ce phénomène augmente
lorsque la température du semi-conducteur s’élève. Lorsqu’un électron est extrait de la bande de
valence pour passer dans la bande de conduction, il laisse derrière lui une vacance ou un trou à sa
place, alors un autre électron proche de la bande de valence peut combler ce trou et laisser
derrière lui à son tour un trou, on aura ainsi établi un courant de trous. Les deux types de courant
ne seront pas différenciés, on parlera simplement de courant, qu’il s’agisse d’électrons ou de
trous.
21
De même on dit que l’absorption de l’énergie des photons par le semi-conducteur crée des paires
de porteurs électron-trou. L’effet photoélectrique modifie simplement la conductivité électrique
de certains semi-conducteurs, ceci est utilisé pour fabriquer des résistances dépendant de la
lumière, composants largement utilisés dans les appareils photographiques et partout où la
lumière doit être mesurée. Pour transformer le semiconducteur photosensible de composant
passif en composant actif, il faut pouvoir générer un courant de porteurs, donc apporter une force
qui obligera les électrons et les trous à s’écouler dans deux directions opposées. Cette force sera
réalisée par un champ électrique interne provenant du dopage du semi-conducteur.
Figure 9 : le principe de fonctionnement d`une cellule PV.
F) Les types des cellules photovoltaïques :
Les différentes techniques utilisées de nos jours, ont permis de mettre au point divers types de
cellules au silicium : monocristallin, poly-cristallin, amorphe. Il existe aussi d'autres types de
cellules qui utilisent d'autres types de matériaux.
i. Cellule en silicium monocristallin :
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grandes
dimensions. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules
sont en général d'un bleu uniforme. Les cellules monocristallines sont les plus commercialisés
offrant un bon rendement électrique compris entre 10% et 17%, mais font appel à une méthode
de production plus complexe et donc coûteuse.
En effet, l’obtention d’un cristal pur nécessite une grande quantité d’énergie.
22
ii. Cellule en poly-cristallin :
Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux.
La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés
par les différents cristaux. Les cellules poly-cristallines ont un rendement électrique compris
entre 11% et 15%. Leur procédé de fabrication consomme moins d’énergie. Elles ont ainsi un coût
de
production plus faible mais un rendement légèrement inférieur à celui des cellules
monocristallines.
iii. Cellule amorphe :
23
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La
cellule est marronne. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires »,leurs coûts
de fabrication sont les plus intéressants, mais elles ont un rendement compris entre 5 et 7%.
Figure12 : Cellule photovoltaïque amorphe.
La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance
vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule
élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés, délivre au maximum, quelques watts
sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire…