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L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

1

Partie III : Solaire photovoltaïquePartie III : Solaire photovoltaïque

Une technologie encore jeune L'effet photoélectrique

1839 : Découvert par Antoine César Becquerel et son fils Edmond (Fr)

1886 : Étudié par Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894, All) 1905 : Expliqué par Albert Einstein (1879-1955)

Les systèmes photovoltaïques 1954 : Première cellule réalisée aux États-Unis d'Amérique pour

les besoins spatiaux (laboratoires Bell) (Pearson, Chapin, Fuller). Rendement : 6%

1958 : Premier satellite artificiel équipé de cellules solaires →(Vanguard I)

1973 : Crise pétrolière. Développement des systèmes solaires 1985 : Université de Nouvelle-Galles du Sud (Australie) : Piles

de rendement 20% 1994 : NREL : pile de rendement 30%

Aujourd'hui Gros travail de recherche partout dans le monde Technologie qui commence approche de la viabilité

économique


2

1. Physique de la conversion photovoltaïque

2. Cellule photovoltaïque

3. Module photovoltaïque

4. Les différents types de cellules

5. Système photovoltaïque

6. Dimensionnement

7. Aspects environnementaux

8. Quelques applications

9. Marché et perspectives

Partie III : Solaire photovoltaïquePartie III : Solaire photovoltaïque


3

Phénomène prédominant aux énergies élevées (10 keV < E < 100 keV, γ, X)

Un photon γ est absorbé par un atome, qui émet alors un électron.

Impossible à observer avec de la lumière visible sur un atome isolé.

Effet photoélectrique dans un cristal Pour 2 atomes pris isolément, leurs électrons ont des niveaux d’énergie

discrets. Lorsque ces deux atomes sont suffisamment rapprochés pour interagir, il se produit une division et un recouvrement de leurs niveaux d’énergie

Dans un matériau solide, ce phénomène s’amplifie : Structures de bande continues, avec une alternance de bandes permises et

de bandes interdites.

L'effet photoélectriqueL'effet photoélectrique

E e=E −E l

Eγ : Énergie du photon incident

El : Énergie de liaison

Ee : Énergie de l'électron émis

III.1 Physique de la conversion photovoltaïque III.1 Physique de la conversion photovoltaïque

Illustration : Ch. Dang Ngoc Chan


4

Effet photoélectrique dans un cristalEffet photoélectrique dans un cristal

Les couches sont remplies en partant du bas (plus faible énergie)

Le dernier électron a une énergie dite "de Fermi"

La répartition des bandes dépend du matériaux et de la température

Source : Bernard BOITTIAUX, Polytech-Lille



5

L’interaction entre un photon du rayonnement solaire et un électron du matériau solide dépend de cette structure de bande.

3 types de matériaux, selon leur structure de bandes d’énergie : les conducteurs (métal) les isolants les semi-conducteurs




6

Conducteurs : toutes les longueurs d’onde peuvent être absorbées Bons conducteurs électriques et thermiques Matériaux de couleur sombre ou réfléchissants (si polis) Les photons absorbés sont transformés en chaleur

(phonons = vibration du cristal)




7

Isolant : le photon n’interagit avec l’électron que s’il peut fournir à ce dernier une énergie supérieure à la largeur de la bande interdite (ou gap) E

g (λ < 0,25 μm, soit E > 5 eV (rayonnement UV))

Le rayonnement solaire se trouve à des énergies majoritairement inférieures.pas d'absorption (< 3 eV)




8

Semi-conducteur : largeur de bande interdite plus faible que pour les isolants (entre 0,6 à 2 eV). Possibilité de production électrons de conduction si le photon est suffisamment

énergétique




9

Lorsque le photon incident présente une énergie suffisante (> Eg), un électron de la bande de valence bascule dans la bande de conduction où il se comporte comme un électron libre et peut se déplacer dans le cristal.

Il laisse un vide (« trou ») dans la bande de valence. Il est chargé positivement. Lui aussi se déplace dans le cristal, à une vitesse différente de celle de l'électron.

On parle de paire "électron/trou". Si un électron rencontre un trou, il peut y avoir recombinaison. L'électron libère

alors de énergie sous forme thermique.


Effet photoélectrique dans un semi-conducteurEffet photoélectrique dans un semi-conducteur


10

Zone utile du spectre solaireZone utile du spectre solaire

Si Eph

< Eg : pas d'effet photoélectrique (Zone I)

Si Eph

> Eg : une partie seulement de l'énergie du photon libère un

électron (Zone III). Le reste est dissipé en chaleur (Zone II)

Ici, la zone utile (III) représente 48% de l'énergie solaire incidente.

Ceci est la borne maximale du rendement de cette cellule photovoltaïque.



11

La largeur de bande dépend fortement du réseau cristallin (nature et qualité). Des impuretés, même en très faible concentration, font apparaître de

nombreuses bandes parasites qui rendent les cristaux conducteurs.

La qualité d'un semi-conducteur dépend de sa pureté.

Les principaux semi-conducteurs Éléments purs: Germanium (32Ge), Silicium (14Si) Éléments composés cristallins:

Composés de gallium (GaAs, GaN, GaSb, GaP), d'indium (InAs, InP, InSb), d'aluminium (AlAs, AlP, AlSb)

CdTe, CuTe, CuS, ZnSe, ZnTe, MgS, CuBr, CuCl, CuI

Éléments non-cristallins : Silicium amorphe, polymères semi-conducteurs, verres semi-conducteurs (GeS),

Chalcogénures (alliages d'antimoine, tellure ou sélénium), semi-conducteurs organiques (anthracène C

14H

10, naphtalène C

10H

8, coronène C

24H

12)

Pour les applications solaires, le gap est compris entre 1 et 1,8 eV Silicium cristallin (c-Si) : 1,12 eV Arséniure de Gallium (GaAs) : 1,35 eV Silicium amorphe (a-Si) : 1,7 eV


Les matériaux semi-conducteursLes matériaux semi-conducteurs


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Rendement théorique maximal selon le matériauRendement théorique maximal selon le matériau

Source : Techniques de l'ingénieur



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Création d'un champ électrique dans une celluleCréation d'un champ électrique dans une cellule

Le dopage des se mi-conducteurs Il crée un champ électrique au sein du matériau.

Le phosphore possède 5 électrons de valence. Dans le réseau cristallin de

Si, l'un de ces 5 électrons est de trop. C'est le dopage N. Cet électron reste

libre dans la bande de conduction.

À température ambiante, le Si dopé au phosphore à 1 ppm présente 5x1016

électrons de conduction / cm3 >> nombre de porteurs intrinsèques (c-à-d. du

Si pur à T ambiante) (1,6x1010 électrons de conduction / cm3)

III.2 Cellule photovoltaïque III.2 Cellule photovoltaïque


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Création d'un champ électrique dans une celluleCréation d'un champ électrique dans une cellule

Le dopage P Le bore possède 3 électrons de valence. Dans le réseau cristallin de Si, l'une

des liaisons est déficitaire en électrons. Il s'agit d'un trou positif. C'est le dopage

P. Un électron de la bande de valence peut le combler, ce qui libère un autre

trou.



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La jonction PNLa jonction PN

On accole deux semi-conducteurs de même bande interdite Eg et de types N et P

Au point de contact, à l'équilibre, il y a recombinaison des paires électron-trou. Alors, les porteurs ne peuvent plus se déplacer. Il y création d’une "barrière de potentiel" au niveau de la zone de déplétion

Création d'une différence de potentiel électrostatique (champ électrique) : Non mesurable avec un voltmètre car n'est pas créée par un courant.



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Collecte des porteurs de chargeCollecte des porteurs de charge

Lorsque la cellule est éclairée, des paires électron/trou sont créées. Le champ électrostatique au niveau de la jonction, pousse les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P. Une différence de potentiel apparaît alors.

En circuit ouvert, les électrons s'accumulent du côté N et les trous du côté P jusqu'à compenser le champ électrique de la jonction. La tension aux bornes de la jonction est alors maximale.



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La cellule PV sous éclairementLa cellule PV sous éclairement

En circuit fermé, les électrons produits sont drainés du côté N sous l’action du champ électrique exercé par la jonction PN et les trous sont drainés du côté P. Dès que les porteurs de charge se trouvent dans une zone de leur type, ils ne risquent plus de se recombiner autrement que par les défauts du réseau ou de la surface.

A la surface, les électrons sont collectés par une grille métallique.



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Structure de la cellule PV à jonction PNStructure de la cellule PV à jonction PNIII.2 Cellule photovoltaïque III.2 Cellule photovoltaïque


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Caractéristique de la jonction PN (= diode)Caractéristique de la jonction PN (= diode)

Is : Courant (inverse) de saturation (A) (10-12 à 10-15 A)

VT : potentiel thermique (V) = kB.T/e (0,25 mV à 20 °C)

η : facteur d'idéalité, dépendant du matériau (0 : diode idéale, 1 pour le Si ou le Ge)

I d U = I s⋅[exp U⋅V T −1]



Convention récepteur


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et si on éclaire la jonction...et si on éclaire la jonction...

Courant de court-circuit (ou photocourant) IPH

Il est proportionnel au nombre de porteurs générés et drainés par unité de temps.

Le coefficient α dépend faiblement de la température T, et est de l’ordre de 0,35 A/W pour le silicium cristallin. Pour un rayonnement incident de 1000 W/m2, et une cellule de 10 cm de diamètre, le photocourant vaudra environ 2,8 A.

Caractéristique courant/tension Modèle simple (généralement considéré) :

+

_

VP IP

Quadrant III : photorésistance

Quadrant IV : générateur photovoltaïque

I PH=⋅G⋅S

I p= I PH−I D

I pV =⋅G⋅S−I s⋅exp V⋅V T −1


Convention récepteur



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Tension de circuit ouvert

Cellule idéale

V co=⋅V T⋅ln I PHI s

1



et si on éclaire la jonction...et si on éclaire la jonction...


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Caractéristique d'une cellule réelleCaractéristique d'une cellule réelle

Rs : Résistance série due aux différents contacts

Rsh : Résistance de shunt due aux fuites de courant

a : Générateur de courant

b : générateur de tension

c : Zone de variation rapide de l'impédance interne

I pV p=⋅G⋅S− I s⋅expV pI p⋅R s

⋅V T−1−V pI p⋅R s

R sh




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Puissance de la cellule (optimale)Facteur de forme FF ("fill factor")

Rapport entre la puissance optimale et le produit Icc x Vco

Pour les bonnes cellules, FF > 70 % Pour les cellules au Si cristallin : Icc = 3 A, Vco = 0,6 V

Influence de Rs et Rsh

Rs joue sur le facteur de forme

P fournie= I opt⋅V opt

FF=I opt⋅V opt

I cc⋅V co

P fournie=FF⋅I cc⋅V co


Caractéristique d'une cellule réelleCaractéristique d'une cellule réelle


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Rendement de le cellule idéaleRendement de le cellule idéale

Facteurs réduisant le rendement : Recombinaison électron-trou (rendement de collecte) Forme de la caractéristique réelle (non rectangulaire) Résistances Rs et Rsh Réflexions à la surface de la cellule

Caractéristique réelle

en fonction de l'éclairement

a : hors atmosphèreb : au solc : au sol avec pertes thermiques



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Groupement de cellulesGroupement de cellules

Deux possibilités:En série

Addition des tensions Nécessité d'une protection

pour éviter qu'une pile fonctionne en récepteur (point chaud)

Diodes placées en parallèle


Source : B. Equer, 1993

III.3 Module photovoltaïque III.3 Module photovoltaïque


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En parallèle Addition des courants Nécessité d'une protection pour

éviter qu'une pile fonctionne en récepteur

Diodes placées en série




Groupement de cellulesGroupement de cellulesIII.3 Module photovoltaïque III.3 Module photovoltaïque


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Effet d'ombrageEffet d'ombrageEn raison de la structure des modules

(montage en série), un petit ombrage peut réduire fortement la puissance fournie. À droite : réduction de la puissance par 2

Il faut éviter absolument les ombrages, même minimes !



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Effet de la températureEffet de la température

Is, IPH et VT varient avec la température :

Augmenter la température diminue la tension de circuit ouvert Vco et accroît légèrement le courant de court-circuit.

La puissance maximale diminue envion de 0,4 à 0,5 % par degré supplémentaire pour les cellules en Si cristallin. Une cellule à 50 °C fournira une puissance inférieure

de 10 % à sa puissance nominale.

Il faut éviter que les cellules ne chauffent !

avec :

Eg : largeur de la bande interdite (gap)

Ns : nombre de cellules en série dans le module multiplié par le nombre de modules en série

μi,cc : coeff. de variation du courant de court-circuit avec la température (A/s)

I sI s , ref

= TT ref

3

⋅exp E g⋅N s

⋅V T ref

⋅1−T ref

T I PH=

GG ref

⋅ I PH ,refI , cc⋅T−T ref

V T=k B⋅T

eI ,cc=

dI ccdT



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Température de celluleTempérature de cellule

Peut se calculer en réalisant un bilan thermique à la surface de la cellule

La température de cellule vaut :

τα est souvent de l'ordre de 0,9. Le dernier facteur est donc assez proche de 1.

Température normale de fonctionnement de cellule (NOCT : Normal Operating Cell Temperature) Définie sous G = 800 W/m2, T

amb = 20 °C, vent :1 m/s et en condition de circuit ouvert

Permet d'en déduire /UταL (supposé invariant)

P fournie=Pincidente−pertes c⋅G=⋅G−U L⋅T c−T amb

T c=T ambG⋅U L

⋅1−c

U L

=T C NOCT

−T ambNOCT

GNOCT



30

Rafraîchissement de modulesRafraîchissement de modules

Pour optimiser le rendement du panneau solaire, certains architectes pensent à la cogénération !

En faisant circuler de l'air sous des modules PV installés en toiture, on rafraîchit les cellules ce qui améliore leur rendement électrique. La chaleur récupérée peut servir pour le préchauffage du bâtiment.

Office du tourisme d'Alès (30) →

Ventilation naturelle (ou forcée) des cellulesPossibilité de récupérer cette chaleur :

Source : Revue « Plein soleil »



31

Quelques grandeurs caractéristiques des modulesQuelques grandeurs caractéristiques des modules

Puissance crête (unité : watt-crête, Wc)

= puissance maximale produite par le module dans les conditions de référence.

Les conditions de référence (STC : Standard Test Conditions) (Norme CEN) : Éclairement : G

ref = 1000 W/m2

Masse d'air optique : AM 1,5 Température de jonction : 25 °C

Rendement

Le rendement de référence est calculé... dans les conditions de référence.

module=P fournie

P incidente

=I opt⋅V opt

G⋅S



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Exemple de données techniquesExemple de données techniques

Module Shell SQ8036 cellules connectées en série

Dimensions : 1200 x 527 mm

4 x 9 cellules



33

Exemple de caractéristiques tension-courantExemple de caractéristiques tension-courantIII.3 Module photovoltaïque III.3 Module photovoltaïque


34

Les technologies au siliciumLes technologies au silicium

Le silicium cristalin 90 % des cellules commercialisées Rendement théorique limité à 30 %

Mono-cristallin Généralement obtenu par tirage (procédé

Czochralski) puis sciage pour donner des wafers Très pur et prix élevé (qualité électronique : Si-EG) Rendement jusqu'à 20 % (25% en laboratoire) Bleu sombre

Poly-cristallin Produit à partir des chutes de Si mono-cristallin Moins cher à produire Rendement jusqu'à 15 % Bleu irisé

"Cristalline Silicon on Glass" (CSG) Développé par CSG Solar (All.) Couche mince (1,5 m) déposée sur une plaque μ

de verre, puis technique de l'imprimante à jet d'encre

Rendement de 7 % (9 % en labo.) Utilise 100 fois moins de Si qu'une cellule

classique →

III.4 Les différentes technologies de cellules III.4 Les différentes technologies de cellules


35

Les technologies au siliciumLes technologies au silicium

Hybride Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) de Sanyo Si-monocristallin entre deux couches minces de Si-amorphe Rendement de cellule : 18,4%, se dégrade peu avec la

température

Si amorphe Perd des parts de marché en raison de l'amélioration des

techniques de production du Si cristallin Production simple à basse température Rendement de conversion faible (environ 6 %) Utilisé sur des applications de faible puissance : calculatrices,

etc. Gris/Brun sombre

Si amorphe en couche mince Production par dépôt de Si (SiH

4) sur du verre.

Procédé simple et cellule bon marché. Durée de vie des cellules limitée Meilleur pouvoir d'absorption mais rendement de conversion

faible (jusqu'à 9 %) Déposé sur un support plastique, la cellule devient flexible (p.

ex. membrane Evalon Solar) → Représente l'avenir de la filière amorphe

Source : R. Swanson 2006



36

Autres technologiesAutres technologies

Cellules CIS/CIGS Cuivre Indium (Galium) Sélénium Dépôt en couche mince sur une vitre. Bon marché. Rendement commercial 11% (19% en labo) Noir Flexible

Cellules multi-jonctions Technologie spatiale Superposition de matériaux de gaps différents Triple jonction GaInP

2/GaAs/Ge/Ge

(Société Spectrolab) → Triple jonction Si-a/SiGe/SiGe

(Société United Solar Ovonic) Rendement jusqu'à 28 %



37

Autres technologiesAutres technologies Couche mince CdTe

En fort développement (First solar) Jonction CdTe/CdS Moins cher et meilleur rendement (10%) que Si

amorphe Toxique par le cadmium : recyclage indispensable Utilisable dans le secteur spatial car résistance aux

radiations de haute énergie →

Cellules organiques Développé par la société Konarka → Procédé type imprimerie Rendements faibles (5%)

Cellules solaire à colorant (dite "de Grätzel" ou Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) ) Principe de la photosynthèse (électrochimie) → Composée de colorants organiques déposés sur une

couche de TiO2

Rendement jusqu'à 15 %, indépendant de la température

Possibilité de réaliser des verres photovoltaïques transparents ou colorés



38

Évolution des rendements par technologieÉvolution des rendements par technologie

Source : NREL



39

RécapitulatifRécapitulatif

Rendements théoriques maximaux : Simple jonction : 37 % Jonction multiple : 90 %

Banc de test au CEA/Cadarache →


Technologie Rendement commercial Rendement en laboratoireCellules organiques 5,0% 5,7%Si Cristallin couche mince (CSG) 7,0% 16,5%Cellule de Graezel 8,4% 11,0%Si amorphe 5-9 % 12,1%CdTe 6-9 % 16,5%CIS 9-11 % 19,9%Si polycristallin 11-15 % 20,3%Si monocristallin 12-20 % 27,6%Cellule multijonction 25-30 % 40,7%


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1er cas : Génération isolée1er cas : Génération isolée

Structure DC Structure DC/AC

Cas peu répandu (< 1% des surfaces) Un ou plusieurs modules Une batterie d'accumulateurs Un régulateur de charge

et éventuellement Un convertisseurs DC/AC (onduleur) Un générateur d'appoint (groupe électrogène)

III.5 Système photovoltaïque III.5 Système photovoltaïque


41

2ème cas : Génération raccordée au réseau2ème cas : Génération raccordée au réseau

1 seul compteur 2 compteurs

Un ou plusieurs modules Un convertisseurs DC/AC (onduleur) avec fonction Maximal

Power Point Tracking Un ou deux compteurs selon le montage utilisé Pour un site sécurisé, on peut ajouter une batterie et un onduleur

spécifique



42

Champ de modulesChamp de modules

Exactement comme les cellules d'un module, les modules d'un champ sont montés en série ou en parallèle avec diodes de protection.



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Maximal Power Point Tracking (MPPT)Maximal Power Point Tracking (MPPT)

Entre une source non linéaire et une charge arbitraire, le MPPT, sert à optimiser la puissance délivrée

Principe de fonctionnement : recherche du coude de la caractéristique P-V par

tâtonnement successif

Limites : cas de caractéristiques avec plusieurs maximums (dû aux diodes de

protection), variations brutales de l'éclairement, oscillation de la production due à

la recherche (induit des pertes)



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Batterie solaireBatterie solaire

Fonctionne en charge et décharge de manière régulière et fréquente (tous les jours)

Batterie à décharge profonde (ou stationnaire), à alliage de Pb ou plus rarement NiCd (plus cher)

Longue durée de vie, faible autodécharge, grande capacité, faible résistance interne

Ne peuvent pas produire de courants forts (contrairement aux batteries d'automobiles)

Soc : état de charge



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Régulateur de chargeRégulateur de charge

Il contrôle l'état de la batterie. Fonctions anti-surcharge et anti-décharge

profonde. Sur les régulateurs les plus haut de gamme,

gestion des processus de recharge, technique de modulation de largeur d'impulsion (Pulse Width Modulation, PWM)

Optimisation de la charge d'une batterie par modulation de largeur d'impulsion

Régulateur solaire



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OnduleurOnduleur

Transforme le courant continu de tension et d'intensité variables en courant alternatif répondant aux normes imposées par le responsable du réseau ou les appareils consommateurs.

Assure la protection de découplage lors de coupures de réseau.

Système de puissance minimale détectée pour éviter de consommer en permanence (impulsion test envoyée périodiquement)

Onduleur solaire Sunny Boy

Rendement = f(Pout)



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Les appareils consommateursLes appareils consommateurs

En raison du coût élevé des modules, il est indispensable de limiter au maximum les consommations électriques.

L'électricité solaire est à réserver aux usages spécifiques (i.e. non thermiques)

On choisit des appareils indispensables. On choisit des appareils à haut rendement.

• Lampe basse consommation

• Appareil classés A

On les utilise raisonnablement.


Étiquette énergie d'un lave-vaisselle


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Rendement global du systèmeRendement global du système

C'est le produit des rendements de tous les intermédiaires

Rendement d'adaptation (point de fonctionnement optimal) : 80 % Rendement des câbles du panneau PV à l'accumulateur : 97 % Rendement du régulateur de charge : 98 % Rendement de l'accumulateur (stockage/déstockage) : 90 % Rendement des câbles entre l'accumulateur et les appareils : 97 % Rendement de l'onduleur : 90 %

Pour un système isolé avec batteries : 66 %

Pour un système isolé avec batterie et onduleur : 60 %

Pour un système sur le réseau : 68 %



49

Connaissance de la ressource solaireConnaissance de la ressource solaire

La durée d'ensoleillement et l'effet cosinus sont importants.

Un système de suivi pour maintenir un cosinus = 1 est idéal. En pratique, suivi uniquement sur centrales solaires.Les modules intégrés au bâti sont fixes.

Orientation optimale pour favoriser

les mois les moins ensoleillésLatitude Inclinaison

0 à 15 ° 15 °

15 à 22,5 ° Latitude + 5°

22,5 à 35° Latitude + 10°

35 à 50 ° Latitude + 15°

Au delà Latitude + 20°

En France, l'optimum est donc à 60°.

III.6 Dimensionnement III.6 Dimensionnement

Système de suivi à deux axesSource : Exosun


50

Évaluation du rayonnement captéÉvaluation du rayonnement capté

L'orientation et l'inclinaison optimales doivent être corrigés en fonction de l'existence de masques.

Par rapport au rayonnement reçu sur plan horizontal, l'inclinaison choisie amplifie le rayonnement reçu en hiver et réduit le rayonnement reçu en été . On peut définir un coefficient d'amplification. La valeur de ce coefficient dépend du jour de l'année et de la latitude.

Coefficient d'amplification selon l'inclinaison et la saison



51

La ressource sur notre planèteLa ressource sur notre planèteIII.6 Dimensionnement III.6 Dimensionnement


52

Méthode simplifiée de dimensionnementMéthode simplifiée de dimensionnement

Objectif (I = installation isolée, C = Connecté au réseau)

Équilibre entre la satisfaction de la demande d'électricité et la puissance

installée (panneaux et batteries) (I)

Production maximale (C)

Méthode1. Quelle ressource ?

Statistiques d'ensoleillement direct moyen au point d'installation prévu sur 12

mois (en Wh/j/m2)

2. Quels besoins énergétiques ? (I) Évaluation de la consommation journalière des différents appareils qui seront

alimentés par le module PV (y compris l'éventuel convertisseur).

3. Selon les tensions d'alimentation des appareils consommateurs, on

choisira la tension des modules la plus adaptée. (I)



53


4. Calculs géométriques Il permettent d'évaluer l'éclairement reçu à tout moment de l'année et de

déceler les masques existants, en fonction de la position et de l'orientation

retenue pour chaque panneau.



54


5. Nombre d'heures équivalentes à 1000 W/m2

6. Evaluation de la production électrique quotidienne en multipliant la

puissance crête d'un panneau par n

7. Réduction cette production par un facteur de pertes de 20 % (ou plus ?)

(salissure des panneaux, pertes joules dans les câblages, rendement de

la batterie ou de l'onduleur)

8. Dimensionnement des panneaux (I)

Il est réalisé à partir du mois le plus défavorable (hiver). On choisit le nombre de

panneaux qui permet d'assurer la demande à ce moment-là.

Wh/j/m2

Wh/j/m2

h/j



55


9. Dimensionnement de la batterie (I)

10. Dimensionnement des onduleurs (C)• On utilise un logiciel spécifique (p.ex.

Sunny Design)

• Généralement, on sous-dimensionne un peu pour éviter de faire fonctionner les onduleurs à mi-charge la plupart du temps

• Le raccordement des modules est lié au choix de l'onduleur et aux risques de masques

C : Capacité (Ah)

A : Durée d'autonomie désirée (j)

D : demande journalière (Wh/j)

L : Limite de décharge profonde (entre 60 et 80 %)

U : tension nominale de la batterie (V)

C=A⋅DL⋅U



56

Données d'inventaire de modules PVDonnées d'inventaire de modules PV

Module PV (Filière ‘silicium cristallin’) Préparation du silicium

Production de silicium de qualité métallurgique (Si-MG) (pureté 98 %) par réduction du quartz (silice) dans un four électrique à arc en présence de charbon, charbon de bois, coke, pétrole.

Production de silicium de qualité électronique (Si-EG) (pureté 99,99999 %) par mélange de poudre de Si-MG à de l'acide chlorhydrique.

Le trichlorosilane gazeux est distillé plusieurs fois pour éliminer les impuretés métalliques.

Mélangé à de l'hydrogène et chauffé, le Si ultra-pur se dépose sur une surface chaude.

Production de silicium de qualité solaire (Si-SG) (pureté 99,999%) par un procédé spécifique, moins coûteux et gourmand en énergie que le précédent pour des rendements photoélectriques analogues. (sable fondu traité à l'acide chlorhydrique puis divers procédés de purification)

Si 3HCl SiHCl3 H2

SiHCl3 H2 Si 3HCl

SiO 22CSi2CO

Si3HCl SiHCl 3H 2

III.7 Aspect environnemental III.7 Aspect environnemental

SiHCl 3


57

Données d'inventaire de modules PVDonnées d'inventaire de modules PV Moulage des lingots

Silicium monocristallin : Tirage par procédé Czochralski

(lingots monocristallins de 30 cm de diamètre et 1 m de long) Silicium polycristallin :

Silicium fondu dans des creusets parallélépipédiques, puis cristallisation orientée.

Fabrication des cellules Formation des plaquettes (sciage des lingots) (épaisseur entre 200 et 400 μm) Nettoyage avec une base caustique (soude ou potasse) Dopage des plaquettes par diffusion thermique (très énergivore) Couche antireflet (TiO2), dépose d’une grille de collecte sur la face avant Test des cellules

Fabrication des modules Interconnexion, et encapsulation des cellules

III.7 Aspect environnemental III.7 Aspect environnemental


58

Système étudié : 3 kWc raccordé au réseau, intégré au bâtiment (sans batterie)

(Source : Guiavarch & Peuportier, CEP/Ecole des Mines de Paris)

Etapes considérées Préparation du silicium, fabrication des cellules et des modules PV Montage et intégration au bâtiment Fabrication de l’onduleur et de l’installation électrique Phase d’utilisation et d’entretien Dépose et gestion des déchets

Deux technologies de module : silicium polycristallin / monocristallin Inventaire fonction du type d’intégration

Toiture terrasse (capteur fixé par des socles en béton) Surimposition de façade, ou intégration en façade Surimposition de toiture, ou intégration en toiture

Hypothèses :

- Énergie produite = 100 kWh/m2/an (moyenne en Île-de-France, rendement onduleur inclus)

- Durée de vie des modules = 30 ans

- Puissance crête d’un m2 de module : 136 W (monocristallin) et 125 W (polycristallin)

- Énergie primaire correspondant à la production d’un kWh :

6,76 kWhEP / kWh électrique (valeur élevée pouvant être discutée)

Analyse de cycle de vie de systèmes PVAnalyse de cycle de vie de systèmes PVIII.7 Aspect environnemental III.7 Aspect environnemental


59

Capteur placé en toiture-terrasse Indicateurs d'impacts pour le capteur

Bilan énergétique du capteur

Analyse de cycle de vie de systèmes PVAnalyse de cycle de vie de systèmes PVIII.7 Aspect environnemental III.7 Aspect environnemental


60

Horodateur autonome (7,5 W)

Véhicule solaire "Solelhada" des élèves de l'ENSEEIHT (1,2 kWc, η = 15 %)

Calculatrice solaire

Alimentation de satellitePlate-forme pétrolière

Applications autonomes ou isoléesApplications autonomes ou isoléesIII.8 Quelques applications III.8 Quelques applications


61

Maison à énergie positive en Allemagne Centrale solaire (Portugal)

Logements sociaux (Toit bleu à Montreuil 22 kWc)

Applications connectées au réseauApplications connectées au réseauIII.8 Quelques applications III.8 Quelques applications


62

Intégration en façade

Exemple d'intégration au bâtimentExemple d'intégration au bâtimentIII.8 Quelques applications III.8 Quelques applications


63

Intégration en toiture : tuile photovoltaïque

Exemple d'intégration au bâtimentExemple d'intégration au bâtimentIII.8 Quelques applications III.8 Quelques applications


64

Exemple d'intégration au bâtimentExemple d'intégration au bâtiment

Panneaux semi-transparents servant de protection solaire

III.8 Quelques applications III.8 Quelques applications


65

Développement très rapide du marché des panneaux PV 22 900 MWc cumulés dans le monde en 2009, dont 15 860 MWc en UE (69 %) 7 192 MWc installés dans le monde en 2009, dont 5 485 MWc en UE (76 %) Dynamisme lié aux fortes incitations publiques, notamment en Allemagne et en

France. En 2009, fort ralentissement en Espagne, fort démarrage en Italie, République tchèque, et Belgique

Les objectifs européens (3 000 MWc) pour 2010 ont été atteints en... 2006 (!) Fort développement des centrales photovoltaïques (Espagne, Allemagne) 99,2 % des installations sont connectées au réseau

Fin de la pénurie de modules Pénurie de 2005 à 2008 dû à une non-anticipation du boom du PV (lié aux

subventions)⇒ Les industriels ont rattrapé leur retard en 2009 (surproduction même !)

⇒ Forte baisse des prix du silicium (500 $/kg en 2008, 200 $/kg en 2009)

Consommation de 50 % (!) de tout le silicium produit par la filière PV

Prix des installations PV (en 2009) 4-5 € / Wc pour les systèmes connectés au réseau (en baisse) 10 € / Wc pour les systèmes isolés (intègre les batteries) Prix très variables selon la taille du système (effet d'économie d'échelle)

La situation actuelleLa situation actuelleIII.9 Marché et perspectives III.9 Marché et perspectives


66

Puissance PV installée dans le mondePuissance PV installée dans le monde

Source : EPIA

III.9 Marché et perspectives III.9 Marché et perspectives


67

Évolution du coût des panneauxÉvolution du coût des panneaux

Source : R. Swanson 2006



68

Coût de l'électricité photovoltaïqueCoût de l'électricité photovoltaïque

Source : Ph. Malbranche, INES-CEA



69

Principaux fabricants (prod. en MWc/ part de marché 2009) First Solar (1110/9%) (États-Unis) (technologie du CdTe en couche mince) Suntech Power (704/5,7%) (Chine) Sharp (595/4,8%) (Japon) Q-Cells (586/4,8%) (Allemagne) Yingli Green Energy (525/4,2%) (Chine)

Tendance actuelle Arrivée des fabricants chinois et taiwanais Fort développement des couches minces Internalisation de la production de Si-SG par la construction d'usines

Forte R&D pour améliorer les rendements des modules pour commercialisation À venir : les cellules de Graetzel qui atteignent déjà 11 % de rendement en

laboratoire Des centres de recherche dédiés (INES, Chambéry - CEA/CNRS)

Les industrielsLes industrielsIII.9 Marché et perspectives III.9 Marché et perspectives


70

Beaucoup de constructions (très forte progression) Les plus grandes sont en Espagne (60 MWc), Portugal et Allemagne

Centrales photovoltaïquesCentrales photovoltaïques

Parc photovoltaïque d'Olmedilla de Alarcon (Espagne) 60 MW


Source : www.pvresources.com

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