Download - CONVERSION DE LENERGIE SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE PANNEAUX SOLAIRE Mot clés Quelle approche : partir de quelle entrée ? Énergie solaire, efficacité

CONVERSION DE L’ENERGIE SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE

PANNEAUX SOLAIRE

Mot clés

Quelle approche : partir de quelle entrée ?

Énergie solaire, efficacité

conversion

Rayonnement – onde/corpuscule, énergie…

Rendement et efficacité de la chaîne ?

Effet photovoltaïque

Physique des matériaux SC

Caractéristiquesélectriques

Approche composant

dipôle générateur

UN CONVERTISSEUR OPPORTUN QUI PERMET …

conformément au programme ;

•De faire de la physique

•De faire de l’approche fonctionnelle électrique

•Du dimensionnement à partir d’un cahier des charges et de conditions (surface des panneaux, puissance maxi désirée, conditions d’exploitation….)

Contrairement au régulateur ou au convertisseur DC/AC où l’on doit se contenter d’une définition fonctionnelle électrique : reconnaissance des signaux d’entrée et de sortie, bilan de puissance…sans connaissance de la technique ou technologie de cette transformation ;

CARACTERISTIQUE DU DIPOLE

On sait que c’est un générateur : protocole pour relever la caractéristique et courbe de puissance

Identification des paramètres d’influence

Étude de documentation technique

Confirmation de la nature de la conversion

Mise en évidence de la « faiblesse » de la puissance

Comment s’opère la conversion ?

Comment est-ce fabriqué ?

PHYSIQUE

TECHNOLOGIE

Ce qui induit le questionnement

CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (2)

Icc

Vc0

Vpv

Ipv

5 10 15 20

•Sa tension à vide : Vco. tension générée par une cellule éclairée non raccordée.

•Son courant court-circuit : Icc. courant généré par une cellule éclairée raccordée à elle-même.

Son point de puissance maximal : MPP (en anglais : maximal power point) obtenu pour une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appelés aussi Vmpp, Impp).

C’est la puissance crête des constructeurs

CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (3)

Vpv

Icc

Vc0

Ipv Influence de la température

Une augmentation de la température va réduire la puissance (MPP ou PPM en français) disponible en diminuant un peu la tension des cellules.

Ipv

Icc est directement proportionnel à l’éclairement mais la f.e.m. reste quasiment indépendante sauf à très faible éclairement où elle peut être plus beaucoup plus faible

Influence de l’éclairement

Photométrique ou

radiomètrique ?

EFFET PHOTOVOLTAIQUE (1)

Les mots clés :

panneau solaire : assemblages séries et parallèles de cellules photovoltaïques PV (ou photopiles).

Une cellule est un « composant électronique » à matériau semi-conducteur qui, exposé à la lumière (absorption des photons), produit de l’électricité : effet photovoltaïque

Augmenter la conductibilité par dopage

Mécanique quantique, théorie « des bandes » et le modèle corpusculaire de la lumière qui permettent d’expliquer ce comportement des semi-conducteurs


Energie en ev

Niveau de Fermi

Métal Isolant Semi conducteur

Bande de valence (électrons liés cohésion du solide)

Eg : Energie de Gap Bande de conduction (électrons libres)

Etat fondamental Etat excité par rayonnement

E = h > Eg

Eg = 1,1 ev pour le Si

- électron libre

- -

+ +

+ trou

Eg

E =h.v=h.c/λ en Joules et en ev si divisé par 1,6 10-19.Quand un paquet de photons « heurte » la cellule, il peut transmettre son énergie aux électrons des semi-conducteurs.


Production paire électron-trou

Effet de jonction pn et apparition d’une f.e.m.

P N+-

Ei


Lorsque la jonction est exposée à un rayonnement, les photons incidents dont l’énergie est suffisante peuvent créer des paires électrons-trous dans les zones N et P.

P N+-

Ei


P N+-

Ei

+

+

+

+++

+

-

-

-

--

-

-

V

A

I

I

e-

e-

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (1)

Caractéristique d’une cellule. i

Q1Q2

Q3Q4

Jonction en direct

RECEPTEURDIODE CLASSIQUE

DEGRADEE

GENERATEURPHOTOPILE

OU CELLULE PHOTOVOLTAIQUE

Icc

Ev

Convention

u

iP

N

Jonction en inverse

RECEPTEURPHOTODIODE

u > 0

i> 0 P N

+

V+

mA

u

u <0

i <0 P N

mA+

V+

mA+

u >0

i <0

V+

P N

PHOTOPILE = JONCTION PN sensible à la lumière

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(2)

Une cellule solaire ou photovoltaïque n’est rien d’autre qu’une photodiode, avec des améliorations, qui fonctionne sans polarisation extérieure et qui débite son photocourant dans une charge. La caractéristique courant - tension est représenté en Q4.

u

i

Q1Q2

Q3 Q4

Icc

Ev

u >0

i <0

mA

+

V+

u >0

i >0

mA+

V+

u

i

Q1Q2

Q3 Q4

Icc

Ev

Changement de convention :

convention générateur inversion des

quadrants haut bas

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(3)

La puissance fournie par « cette pile » s’écrit sous la forme :

P = u.i = u.[ Iph - Is (e qu/kT - 1 ) ]

où Iph est le photocourant et l’expression Is.(e qu/kT - 1 ) représente la

caractéristique de la diode.

La résistance shunt Rsh matérialise le courant de fuite au niveau de la jonction.

La résistance série Rs représente la résistivité de ses grilles.

Les résistances shunt et série modifient la forme de la caractéristique, en accentuant les pentes

Iph

Effet photovoltaïque

Effet de jonction

Une cellule constitue donc un générateur de très faible puissance, insuffisant pour des applications électriques…autres que de la détection.

Les modules ou panneaux solaires sont donc réalisés par association, en série et/ou en parallèle, de cellules élémentaires. La connexion en série augmente la tension pour un même courant.



La connexion en parallèle augmente le courant pour une tension identique


Les caractéristiques globales d’un panneau PV se déduisent donc d’une combinaison des caractéristiques des constituants des ns*np. C’est la caractéristique du panneau donc de l’association des cellules que l’on peut relever…

FAIRE RETROUVER aux élèves la

caractéristique du panneau connaissant le nombre de cellules et leurs associations

Diodes by-pass

I = f(U) très nuageux avril 2012

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Vpv en V

I pv

en m

A P =f(U) très nuageux

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0 5 10 15 20 25

Vpc en V

P e

n W


Des résultats expérimentaux

I= f(U) pleine lumière avril 2012

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 5 10 15 20 25

Tension Upv V

Inte

ns

ité

Ipv

mA

P = f(U)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25

Tension Vpv en V

Pu

isa

nc

e P

pv

en

W

Cellules PV

Silicium

Composites 25 %

Cristallin

Monocristallin 17 %

Polycristallin 15%

Amorphe 8%

Monocristallin

Polycristallin

RENDEMENT DE LA CONVERSION (1)

On est sauvé !! D’autant plus que l’énergie solaire est gratuite …

Rendement faible !!

ENERGIE SOLAIRE Cellules

PV

ENERGIE ELECTRIQUE

TRES GRANDE !!

Les constructeurs indiquent des rendements très décevants…

IMMENSE !!


INTERACTION RAYONNEMENT / MATIERE

Détermination des limites physiques (rendement maximum théorique ou réel).

Energie Solaire

Cellule(s)photo-voltaïque

Energie Electrique

E = h.E = q.VE = I.V.t

Pourquoi le rendement est-il si faible ?


Pas d’effet photovoltaïque Effet photovoltaïque

possible

f en Hz

E en ev

1,1 evPhotons

incidents

max

1,12 µm

2,65 1014 Hz


Pas d’effet photovoltaïque Effet photovoltaïque possible

f en Hz

E en ev

1,1 evPhotons

incidents

max

1,12 µm

2,65 1014 Hz

Photons efficaces

Photons inefficaces

Paires électrons-trous libérées

Réflexion

Photons utilisablesdonc d’énergie suffisante

Transmission

Absorption

AbsorptionPorteurs piégés

(recombinés)Porteurs libres

disponibles

I

Le rendement quantique rapport du nombre de porteurs disponibles sur le nombre de photons incidents est mauvais. Le rendement « énergétique »

est encore beaucoup plus faible.

V

Pas d’effet photovoltaïque


PHOTONS D’ENERGIE SUFFISANTE

Porteurs libresdisponiblesCellules photovoltaïques

Photons réfléchis

3 à 5 %

Photonstransmis

trop faible

18 à 22 %

Photonsabsorbés

dissipation thermique

28 à 32 %

Recombinaisons des paires

électrons-trous

8 à 10 %15 à 18 %

Courant de fuite et

résistances de jonction métal-SC

8 à 17 % pour le silicium !

ECLAIREMENT (1)

Le soleil est un immense réacteur de fusion thermo-nucléaire.

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

ECLAIREMENT (2)

On définit :

L'éclairement ou irradiance comme une puissance reçue par une surface. Il s'exprime en W/m2 (watt par mètre carré).

Le S.I. (système international d’unités) recommande d’utiliser le symbole E.

L'irradiation solaire ou rayonnement solaire est l'énergie reçue par une surface . Elle s'exprime en J m-2 (joule par mètre carré).

L'ISES (International Solar Energy Society) recommande le symbole H. D'autres unités plus courantes sont le kWh/m2 (kilowattheure par mètre carré) bien que ce dernier ne doive pas être utilisé puisque n'appartenant pas au système international d'unités (SI).

ECLAIREMENT (3)

L'éclairement solaire direct extra-atmosphérique est la constante solaire.

Au sol, le rayonnement solaire global (G) reçu par une surface plane d'inclinaison quelconque est constituée de 3 composants principaux.

L'épaisseur de l’atmosphère à traverser est caractérisée par le nombre de masse d'air AM qui

dépend de l’inclinaison du soleil.

Normalisation : Les conditions standards de qualification des modules photovoltaïques sont : un spectre AM1.5 sous 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).

Cela correspond à un ensoleillement fort, le soleil au zénith, le ciel parfaitement dégagé (un ciel sur la plage de Nice en mai-juin).

ECLAIREMENT (4)

La répartition du rayonnement solaire sur la Terre est loin d’être uniforme dans l’espace et dans le temps, mais la quantité d’énergie reçue annuellement par un endroit donné est en fait presque constante, autrement dit un même lieu reçoit tous les ans à peu près la même quantité totale d’énergie.

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

L’énergie solaire moyenne captée dépend de la

surface des panneaux et du lieu et de l’orientation

ECLAIREMENT (5)

La meilleure inclinaison des panneaux solaires photovoltaïques pour un usage est celle de la latitude de l’endroit où sont installés les capteurs (donc environ 45° en France).

Ce sont souvent les dispositions constructives de l’habitation qui déterminent l’inclinaison.

Il existe des systèmes qui permettent d’optimiser l’orientation des panneaux : suiveur ou traqueur solaires (belle régulation à faire : asservissement de position à 1 ou 2 dimensions (axes)).

Le dimensionnement de l’installation doit tenir compte de ces paramètres : éclairement moyen (météo), rendement maximum des panneaux, puissance crête, orientation, besoins nécessaires…

Pour les panneaux solaires du marché, on parle de 120 à 150 Wcrete par m² sous les STC

La puissance disponible pour les applications est très aléatoire : il faut impérativement disposer d’une réserve d’énergie renouvelable par le solaire qui puisse assurer l’alimentation en puissance.