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Ali NEJMI
Version 2011
Energies Renouvelables
Génie Electrique

Plan du cours
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
2
1. Energie : définitions et généralités
2. L’énergie photovoltaïque
3. L’énergie éolienne
4. L’énergie hydraulique
5. Dispositifs de stockage de l’énergie électrique
6. Gestion de l’énergie électrique

1. Définitions- Généralités
3
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.

4
⚫L’énergie existe sous beaucoup de formes
difficulté avec la notion d’énergie
différentes. La
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.

5
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 é
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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
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7
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!!).
mouvement des fluides, tels que les cours d’eau,
mouvements de la mer (vagues, marées, courants
7. L’énergie sous forme hydraulique : c’est l’énergie du
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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…
8

⚫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.
9

Les centrales hydrauliques:
10
E potentielle → E cinétique → E mécanique → E électrique

Les centrales thermiques:
11
E chimique
E thermique → E cinétique → E électrique
E nucléaire →
E 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
calorie I.T. calorie calIT ≡ 4,1868 J
12

Quelques unités pour l’énergie électrique:
13
⚫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.
1ch = 736 watts
⚫Un cheval-vapeur électrique :
(puissance)
⚫Un âne-vapeur : 250 watts

ENERGIES NON RENOUVELABLES ET RENOUVELABLES
14
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
15

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)…
16

Les sources renouvelables
17
Le soleil: énergie solaire
Partie de l’énergie du soleil transférée par rayonnement
L’eau : énergie hydraulique
quantité
L’énergie potentielle de gravitation que possède une
d’eau à une certaine hauteur
particules d’air dont le déplacement
Le vent: énergie éolienne
Energie cinétique des
constitue le vent

La biomasse: énergie verte
18
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
mers et des océans liée au
Les marées: énergie marémotrice
Energie des masses d’eau des
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
19

20

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)
21

Energie Solaire
22
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
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lectricité : c’est l’énergie solaire

23
Four Global Sun Oven
Parabole solaire Alsol 1.4
L'énergie
utilisée
thermique peut être
directement ou
indirectement :
• directement
locaux ou
pour chauffer des
de l'eau sanitaire
(panneaux solaires chauffants) ou
des aliments (fours solaires),
• indirectement pour la production de
vapeur d'un fluide caloporteur pour
entraîner
obtenir
des turbines et ainsi
une énergie électrique
(énergie solaire thermodynamique
Energie solaire thermique

24
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.
autocontrôlé. L’énergie y est produite par
⚫Le cœur du Soleil est un réacteur stabilisé et
la
conversion nucléaire de l’hydrogène en hélium.
⚫La fusion nucléaire est un processus où deux
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Image
satellitaire du
soleil
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26

Schéma simplifié des principales zones solaires.
27

Éclipse totale
du Soleil du 11
août 1999.
Une telle
éclipse est un
moment
privilégié
d’observation
de la couronne
solaire.
28

29

⚫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.
30

⚫ 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.
31

Cette énergie est rayonnée depuis le soleil dans toutes les
directions selon la relation de Planck:
: Constante de Planck
: Constante de Boltzmann
Cette énergie traverse, en plus, une distance de 150 million
km pour atteindre la terre.
W/m²/unité de longueur d’onde
en mètre)
32

Spectre de l’irradiation solaire pour différentes
températures
33

34
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
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35

36
⚫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
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37
Composantes du rayonnement solaire au sol

Quelques définitions:
reçue par une
⚫Rayonnement solaire: puissance /m²
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).
38 Energies Renouvelables _ A.NEJMI

39
Composantes du rayonnement solaire reçu au sol:
Intensités approximatives du rayonnement solaire:

40
⚫ 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
: l’albédo. Celui-ci
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étant la partie réfléchie par le sol.

41

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.
42

Des cartes météorologiques sont établies et nous
renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou bien sur
une année.
43

SECTEURS D’APPLICATIONS:
Satellite Hubble avec ses panneaux solaires
44
Véhicule solaire Honda lors du World Solar
Challenge d’Australie

Cellule, Panneau, Champ
Photovoltaïques
solaire photovoltaïque : l'électricité
⚫ L'énergie
produite par transformation
solaire avec
d'une
une
partie du
cellule
rayonnement
photovoltaïque.
reliées
solaire
entre elles et
(ou module)
⚫ Plusieurs cellules sont
forment un panneau
photovoltaïque.
45
⚫ Plusieurs modules qui sont regroupés dans une
centrale solaire photovoltaïque sont appelés
champ photovoltaïque.

Champ photovoltaïque
46

La variation du coût des modules solaires en $/watt
47

A.NEJMI
48
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
AE
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⚫ 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).
49

Les modules photovoltaïques au silicium
⚫Processus de fabrication
50

51

52
⚫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
seulement.
chimiquement
Ce silicium est ensuite
et aboutit au silicium de
98%
purifié
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
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enouvelables _ A.NEJMI

53

⚫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.
54

55
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
barreau
de silicium) est alors découpé dans le
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
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18%, mais la méthode de production est laborieuse.

56
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⚫Le silicium utilisé dans la production des cellules doit
être d’une extrême pureté. Pour donner un ordre de
grandeur :
1 seul atome étrang d’atome de silicium
Cellule monocristalline
Panneau solaire en silicium monocristallin

57
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
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crée une structure poly-cristalline. Durée de vie

Panneau PV au silicium polycristallin
58

Cellule amorphe:
59
⚫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
60

Définitions:
61
⚫Un cristal
polygonales,
est un solide
plus ou moins
avec
brillant,
des façades
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
62

Comparatif des différentes technologies:
63

Principe de fonctionnement des cellules
Structure de la matière
64

Quarks
⚫ 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.
65

ELECTRON
⚫Les 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:
2 électrons au maximum.
⚫La couche L:
⚫La couche M:
66

67
⚫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
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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 conduction
⚫C’est la bande où se trouvent les électrons qui
participent à la conduction électrique. Son niveau
d’énergie maximal est : EC.
68

⚫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.
69

⚫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
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Physique des semi-conducteurs:
71
⚫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

72

⚫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
73
l’ox
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).A.NEJMI

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-)
74

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...
75

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).
déplacer à l’intérieur du cristal ( une énergie
⚫Un électron libre/atome est ainsi capable de se
de
76 0,0E
4
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M
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I
ur 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
77

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.
78

A.NEJMI
79
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 :
o Semi-conducteur type P :
ΔE = EG - ED
ΔE =
E
EG
ner-
gie
E
s A
Renouvelables _

80
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.
8
⚫
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tiIon P-N : un champ électrique qui
va s’opposer aux mouvement des charges.

82
⚫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
de
électrons mobiles passant
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.

83

Cellule photovoltaïque
84

85
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
éle
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86
⚫L’énergie du rayonnement d’une onde
électromagnétique (EM) étant :
[Hz]
[J/Hz] ou
f : Fréquence de l’onde EM
h : Constante de Planck
[eV/Hz]
y
h  6.626  1034
J Hz
 4.136  1015
eV Hz
Où :
Ey : Énergie du rayonnement d’une onde EM [J] ou
[eV]
E  h  fJ ou eV

: 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.
8
⚫
7
Si E
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est très grande devant E , le
G
 m 
c
f
⚫La longueur de l’onde EM étant de:
Où :


Deux exemples donnant un ordre de grandeur des
fréquences du rayonnement mis en jeu :
f
h
 1.11 m
3  108
270.8  1012
  c 

4.136  1015
E
f  y  1.12  270.8  1012 Hz
⚫Silicium cristallin (c - Si)E:  1.12 eV
G

f
88
h
 0.69 m
3  108
435.2  1012
  c 

4.136  1015
E
f  y  1.8  435.2  1012 Hz
⚫Silicium amorphe (a - Si) :
EG  1.8 eV


grande partie
qu’une du spectre du
solaire est absorbé par ces semi-
⚫ On remarque
rayonnement
conducteurs:
Rayonnement solaire en fonction des longueurs d’onde
89

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:
90

⚫ 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.
91

⚫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.
92

⚫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.
93

⚫Une cellule photovoltaïque peut donc être
schématisée de la forme suivante:
Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
94

⚫Le courant et la tension de la charge sont donnés
par :
s
négligeant R et R :
E ob
95
p
U
ob s
A
R
avec
[A]
 U 
 
 T 
I I I 
Uj
et U Uj Rs I [V]




I I  e 1
 
 
U
E ps A
 
 T 
⚫On peut faire une prem
U
iè reapproximation en
 
I  I  I  e 1
 
 
U U j [V]

96
Courant traversant la charge
Tension aux bornes de la charge
Courant de la source de courant
Tension inverse de la diode d’obscurité
I :
[A]
U :
[V]
IE :
[A]
Uj:
[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]
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I odynamique de la diode

⚫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
97

⚫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 :
98
o La tension de sortie
o La puissance crête délivrée par une cellule
o Les dimensions
[V]
[kWc]
[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.
99
⚫ Les constructeurs de panneaux spécifient les
solaires
dans
de leur matériel
citées ci-dessus (S.T.C. :
les conditions
Standard Test
performances
normalisées
Conditions).

Caractéristique courant/tension en fonction de
l’éclairement:
Points de la
Puissance
maximale
100

Caractéristique courant/tension en fonction de la
température:
Points de la
Puissance
maximale
101

à l’augmentation du courant de la
, due
diode
d’obscurité
• Diminution de l’efficacité optimale d’environ 0.06%
/°C
• Accroissement de la résistance série.
⚫L’augmentation de la température provoque les
phénomènes suivants :
• Légère augmentation du courant de cour0t-.0c0i2rcmuAitcm2
C
• Diminution de la tension à vide de 1.8 à
mV
2 C
102

Variation de la caractéristique puissance/tension avec la
température
Points de la
Puissance
maximale
Rayonnement solaire :
103

TECHNOLOGIE DES CELLULES:
⚫Une cellule photovoltaïque se compose des éléments
suivants :
oUn matériau semi-conducteur de type P
oUn matériau semi-conducteur de type N
oUne métallisation arrière
oUn contact de grille de surface
oUne couche anti-reflet (le silicium réfléchit 30% de la
lumière reçue)
104

Association de cellules : le panneau
solaire
105
⚫ 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
fonctionnant à 16V (à puissance maximale)
de recharge de batterie de 12V
doit
comprendre 36 cellules en série (0,45V à puissance
maximale).

sont
Mise en série:
⚫Les ns cellules (supposées identiques)
traversées par le même courant.
106

Mise en parallèle:
⚫Les np cellules (supposées identiques) ont la même
tension.
107

108

109

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
110 crée
Energu
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Ac
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e
EJMIfictive pour que le point de
fonctionnement des modules soit toujours à puissance

111
⚫ dans un groupement série, la cellule de plus faible courant
photovoltaïque impose celui-ci
groupement, une propriété qui
à l'ensemble du
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 PV parallèle/série avec diodes de protection
112

⚫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).
113

⚫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.
114

APPLICATION
⚫Systèmes en îlotage pour électrification rurale
(individuel ou collectif)
⚫Systèmes pour applications isolées
(télécommunication)
⚫Systèmes pour le pompage solaire
⚫Systèmes connectés au réseau
⚫Systèmes « mobiles »
115

⚫Composants d’un système photovoltaïque
116

Batteries :
117
⚫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)

118
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
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JM
C
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119
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
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tension.

Systèmes PV dans le bâtiment :
120

121

122

123

Installations électriques photovoltaïques
raccordées au réseau
124

125

Energie
solaire
Energie
électrique
Panneaux
solaires
Batterie
(stockage)
Energie
électrique
Site isolé
Constitution d’un système PV Isolé (Autonome)
Régulateur
Cette batterie pourait être par exemple une pile
à combustible.
126

Installation de panneaux solaires par Total au Maroc dans le cadre d’un programme d’électrification
rurale.
127

⚫ 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 :
: Produit de
: Gère le système
: Stocke l’énergie
: Transforme
• Les panneaux photovoltaïques
l’énergie électrique
• L’armoire de régulation
• Les batteries d’accumulateur
• L’onduleur
l’énergie
12
⚫
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tJ
io
MI
n, le système travaille avec un
stockage intermédiaire sur batteries. Si l’on supprime

129
Installation photovoltaïque autonome

Méthode de dimensionnement :
Méthodologie
utilisateurs
⚫ Calculer les besoins énergétiques des
(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.
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lIectrique 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/jour
⚫Estimation de la capacité de stockage requise (en Ah)
en fonction de l’autonomie désirée :
• Durée d’autonomie des batteries
d’alimenter les récepteurs
modules photovoltaïques :
sans
nombre
l’aide
de
afin
des
jours
d’autonomie (j).
• On fixe un degré de décharge des batterie à ne
à 70%)
Enp
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131

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%
132

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
133

⚫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.
134

⚫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
135

136

La distance de la terre par rapport au soleil
est donnée par la formule suivante:
137
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°.
Masques
⚫L’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
138 l’ex
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A.d
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JM
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I ’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.
139
Désign. Q. / foyer
Puiss 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

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