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- L’énergie Solaire -
Application au Photovoltaïque
A. Benabou
2011-2012
2
PLAN
Introduction
I. L’énergie solaire
II. Le photovoltaïque
III. Systèmes photovoltaïques
3
Introduction
• Energie solaire photovoltaïque
• Historique
4
Energie solaire photovoltaïque
• Classée dans les «Energies Renouvelables»
– Source illimitée (ou qui se renouvelle),
– Non polluant,
– Exploitation à dégâts écologiques « minimaux »
• Le solaire est une source d’énergie :
– Abondante,
– La mieux répartie sur terre
5
Rayonnement au sol en kWh/m² par an
(source : Gregor Czisch, ISET)
6
• Notions essentielles :
– Eclairement ou irradiance :
• puissance reçue par unité de surface en W/m2
– Irradiation ou rayonnement :
• énergie reçue par unité de surface en Wh/m2
– Puissance et énergie :
• 1J = 1W*1s
• 1kWh = 1000W*3600s = 3,6MJ
Energie solaire photovoltaïque
7
Energie solaire photovoltaïque
• Quelques chiffres :
– L’énergie libérée par le soleil pendant 1h, et captée au
sol (1.1018 kWh / an), suffirait à pourvoir les besoins
énergétiques mondiaux pendant un an (chiffres en 2000
: 10 Gtep ou 1,16.1014 kWh)
(1 Tep = 11 628 kWh)
8
Energie solaire photovoltaïque
• Constante solaire :
– 1367 W/m2 (puissance moyenne perçue par le bord
externe de l’atmosphère terrestre pour une distance
Terre-Soleil de 150 Millions de km)
• Irradiance au niveau du sol :
– 0 à 1000 W/m2 avec une moyenne de 190 W/m2 sur
l’année
9
Définition de la constante solaire
R
1367 W/m2
10
• Exploitation de cette énergie :
– Utilisation passive (éclairage et chauffage)
– Solaire thermique (production d’eau chaude)
– Solaire photovoltaïque
• Comment convertir cette énergie :
– Semi-conducteurs capable de convertir la lumière en
énergie électrique
(filière à taux de croissance élevé, chute des coûts de
production, …)
Energie solaire photovoltaïque
11
Bref historique
• Effet photovoltaïque découvert en 1839 par
A. Becquerel
• Phénomène exploité tardivement (au début
de l’ère spatiale, années 50)
• Les recherches d’après-guerre ont permis
d’améliorer leurs performances (1er satellite
équipé en 1958)
• Crise des années 70 : gouvernements et
industriels investissent dans le PV (terrestre
en particulier)
12
I. L’énergie solaire
• Le rayonnement solaire
• Le rayonnement sur terre
13
I-1. Le rayonnement solaire
• Energie solaire = quasi-totalité de l’énergie
disponible sur terre
– lumière, chaleur mais aussi biomasse, vents, courants
océaniques, etc …
– Énergie produite par fusion thermonucléaire
• L’atmosphère capte 1367 W/m2 dont une
partie n’arrive pas au sol (absorption et
diffusion)
• L’irradiance au niveau de la mer à midi dans
un ciel clair est de 1000 W/m2
14
I-1. Le rayonnement solaire
• Masse d’air (Air Mass) :
– Rapport entre l’épaisseur traversée par le
rayonnement direct et l’épaisseur traversée à la
verticale du lieu.
α
sin
OA
OB 
A B
O Sol
Atmosphère
a
α
sin
1
OA
OB
Mass
Air 
15
I-1. Le rayonnement solaire
• Quelques points :
– Soleil au zénith : AM1
– Soleil à 30° : AM2
– Soleil à 41,8° : AM1,5
– Rayonnement solaire extra-terrestre : AM0
• Qualification standard des modules PV :
– Spectre AM1,5 sous un éclairement de 1000W/m² et
une température de 25°C
(S.T.C. : Standard Test Conditions)
16
I-1. Le rayonnement solaire
• Rayonnement global :
– Rayonnement direct
• Reçu directement par le soleil, sans diffusion
– Rayonnement diffus
• Lumière diffusée dans l’atmosphère : dépend des
conditions météo (air, nuages, poussières, …)
– L’albédo
• Partie réfléchie sur le sol : dépend de l’environnement
(neige, asphalte, …)
17
Composantes du rayonnement solaire
Atmosphère
Albédo
Direct Diffus
Global
(environ1000 W/m2
par ciel clair)
Rayonnement capté par
l’atmosphère : 1367 W/m2
18
Effet cosinus
Atmosphère
Direct normal : 1000 W/m2
Au sol : 700 W/m2
45
19
I-1. Le rayonnement solaire
• L’orientation des panneaux dépendra
grandement de l’environnement :
– Sur un site à ciel couvert, le rayonnement diffus peut
être plus important que le rayonnement direct : une
installation horizontale s’avère plus judicieuse !
20
I-1. Le rayonnement solaire
• Énergie portés par les photons :
avec : h la constante de Planck
C la vitesse de la lumière
l la longueur d’onde
• Distribution de l’énergie d’une courbe AM0 :
– ultraviolet UV 0,20 < l < 0,38 mm 6,4 %
– visible 0,38 < l < 0,78 mm 48,0 %
– infrarouge IR 0,78 < l < 10 mm 45,6 %
λ
hC
E 
21
• Spectre AM1,5 :
– Atténuation due à l’atmosphère (41,8° d’élévation)
– Référence pour la
mesure des cellules
photovoltaïques
I-1. Le rayonnement solaire
22
I-2. Le rayonnement sur terre
• Concevoir un système photovoltaïque
nécessite de connaître le rayonnement
solaire sur le site considéré :
– énergie solaire élevée → moins de panneaux
– étude de la part d’énergie diffusée :
• 50 % en régions tempérées
• 30 à 45 % en régions ensoleillées et montagne
• 15 à 20 % dans les pays du sud
– autres paramètres : température, saison, humidité,
albédo, etc …
• Recourt à des statistiques issues de mesures
23
I-2. Le rayonnement sur terre
• Grandeurs utiles :
– Rayonnement cumulé
• Dimensionnement d’un système PV est souvent basé
sur des moyennes mensuelles issues de l’intégration
du rayonnement solaire global sur une journée (Wh/m2
et par jour)
– Rayonnement instantané
• Certains cas particuliers nécessitent de connaître le
profil instantané du rayonnement : obstacles par
exemple
24
I-2. Le rayonnement sur terre
• Influence de la latitude
(source : Energie Solaire Photovoltaïque
- Anne Labouret, Michel Villoz)
25
I-2. Le rayonnement sur terre
• L’ensoleillement chute au-delà de 45°N
– exemple : entre l’Écosse (55°N) et l’Espagne (40°N) le
rayonnement journalier est multiplié par 2 en moyenne et par 4
en décembre !
• Influence des saisons :
– exemple : à faibles latitudes (entre 15°S et 15°N) le
dimensionnement fait sur une valeur constante de rayonnement
– à forte latitude le dimensionnement se fait en fonction de
l’ensoleillement le plus faible (si utilisation annuelle)
26
I-2. Le rayonnement sur terre
• Influence de l’exposition
(source : Energie Solaire Photovoltaïque
- Anne Labouret, Michel Villoz)
27
I-2. Le rayonnement sur terre
• Paramètres les plus importants :
– latitude, saisons et exposition
– d’autres facteurs peuvent intervenir (montagne, bord
de mer, pollution, etc …)
• Altitude, albédo et autres facteurs
– Altitude : rayonnement plus élevé
– Albédo : neige (0,82) – asphalte (0,1) – herbe (0,2) –
béton (0,3) – envir. urbain (0,18)
– Nébulosité : baisse avec l’altitude
28
II. Le photovoltaïque
• Conversion de la lumière en électricité
• Technologies des cellules solaires
• Propriétés des cellules solaires
29
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Mis en évidence en 1839 par A. Becquerel :
– variation de la conductivité d’un matériau sous l’effet de
la lumière
• Un système photovoltaïque est un
convertisseur d’énergie (≠ d’une pile =
stockage de l’énergie)
30
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• 3 phénomènes sont mis en jeu :
– Absorption de la lumière dans la matière
– Transfert d’énergie photons → charges électriques
– Collecte des charges
• Nécessité d’un matériau avec les propriétés
optiques et électriques adéquates
31
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• 3 évènements optiques :
– Réflexion
– Transmission
– Absorption
• Part absorbée :
– souvent convertie en chaleur (rayonnement
infrarouge)
– dans un matériau PV, une partie sera convertie
en énergie électrique
Inc.
Ab.
Trans.
Inc. = Ab. + Ref. + Trans.
32
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• L’énergie restante à la profondeur z dans un
matériau suit la loi :
• L’énergie absorbée dans un matériau de
profondeur d vaut :
• Le coefficient d’absorption a dépend :
– du matériau
– de la longueur d’onde de l’énergie incidente
α.z
ince
E
E(z) 

 
α.d
inc
α.d
inc
inc
abs e
-
1
E
e
E
-
E
E 



33
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Quelques exemples :
– Silicium cristallin :
• sur une tranche d’épaisseur 100 mm, la totalité de
l’énergie incidente est absorbée
– Silicium amorphe :
• une couche de 1 mm suffit pour capter la totalité du
rayonnement
Données pour l=0,59mm :
5,4.104
Arséniure de gallium
2,4.104
Silicium amorphe
4,5.103
Silicium cristallin
a (cm-1)
Matériau
5,4.104
Arséniure de gallium
2,4.104
Silicium amorphe
4,5.103
Silicium cristallin
a (cm-1)
Matériau
34
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Des techniques supplémentaires permettent
d’améliorer le processus :
– Utilisation d’une couche d’aluminium réfléchissant
à l’arrière des couches actives (réduire les pertes
par transmission)
– Augmenter la diffusion en augmentant la rugosité
des couches actives
Rayonnement incident
Aluminium réfléchissant
Silicium rugueux
35
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Taux de réflexion :
– Silicium brut (n=3,75 pour l=0,6mm) : R=33% !!
• EVA (éthylène-vinyle-acétate), verre
protecteur et antireflet : exemple du silicium
cristallin
2
1
2
1
2
n
n
n
n
R 










Verre trempé (n=1,5)
Couche antireflet (n=2)
Cellules cristallines (n=3 à 4)
Résine EVA (n=1,5)
Revêtement arrière
36
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Transfert d’énergie des photons aux charges
électriques : utilisation de semi-conducteur :
– bande de valence : électrons impliqués dans les
liaisons covalentes (cohésion de la matière)
– bande de conduction : électrons impliqués dans
la conduction
– entre les deux : bande interdite (gap optique) qui
peut être franchie par un apport d’énergie
(thermique, photon, etc …)
37
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Processus :
Bande de
valence
Bande de
conduction
Eg : Bande
interdite
+
-
-
-
+
E1 = Eg E2 > Eg
Désexcitation
spontanée
38
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Collecte des charges par jonction P-N :
– excès d’électrons : dopés N (Phosphore)
– déficit d’électrons : dopé P (Bore)
• La mise en contact des deux parties crée un
champ électrique, et donc une tension
• Si on connecte une charge entre les deux
parties, il y a circulation de « charges »
39
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
Source :
Sharp Electronics France
40
II-1. Conversion de la lumière en
électricité
• Rendement maximal théorique
41
II-2. Technologies des cellules solaires
Cellules Panneaux
Photovoltaïques
Silicium
Composite
Cristallin
Amorphe
(SiGe, SiC, …)
Monocristallin
(GaAs)
Polycristallin
(CdS, CdTe, …)
Monocristallin
Polycristallin
42
II-2. Technologies des cellules solaires
• Grand nombre de technologies :
– La majorité est développée en laboratoire
– Technologies industrialisées :
• Silicium mono et polycrisallin (90% du marché en 2008)
• Silicium en couche mince amorphe
• Le dopage (ajout d’impuretés) du Silicium améliore sa
« photosensibilité »
(Découverte en 1954 dans les laboratoires Bell)
• découpe de « wafers », traitement de surface, dopage,
couche anti-reflet, etc …
43
II-2. Technologies des cellules solaires
• Cellules monocristallines en silicium
– élaborées à partir d’un même bloc de
cristal : long et coûteux (exigeant en
énergie !)
– apparence : couleur « bleu uniforme »
– durée de vie : environ 40 ans
– rendement : 12 à 18% (meilleur que
les cellules polycristallines)
44
II-2. Technologies des cellules solaires
• Cellules polycristallines en silicium
– à partir d’un bloc sous forme de
cristaux multiples (visibles à l’œil nu)
– coût de production plus faible que les
cellules monocristallines
– peu de déchets et moins d’énergie
(2 à 3 fois moins)
– durée de vie : environ 30 ans
– rendement : 11 à 15%
– meilleur rapport performances/prix
45
II-2. Technologies des cellules solaires
• Cellules amorphes en silicium
– coût de production le plus faible
– « feuilles » souples de cellules
– grandes surfaces à faible coût
– rendement : 6 à 8%
• Autres cellules amorphes :
– CIS (cuivre-indium-sélenium) ou CdTe
(tellure de cadmium)
– meilleures à faible lumière et en temp.
– rendement : 12%
46
II-2. Technologies des cellules solaires
• Cellules cristallines ou amorphes ?
– Cristallines :
• rendement plus élevé
• moyennes et fortes puissances
• fragilités du silicium (placé entre 2 plaques
de verre)
– Amorphes :
• moins chères
• faibles puissances (nécessite le double en
surface pour l’équivalent des cristallines)
• infrastructure d’installation moins lourde
47
II-2. Technologies des cellules solaires
Matériau Rendement Longévité Caractéristiques Principales utilisations
Silicium
monocristallin +++ +++ Très performant
Aérospatiale, modules pour
toits, façades,…
Silicium
polycristallin ++ +++
Adapté à la
production à grande
échelle
Modules pour toits, façades,
générateurs…
Amorphe + +
Peut fonctionner
sous la lumière
fluorescente
Appareils électroniques
(montres, calculatrices…),
intégration dans le bâtiment
Composite
monocrystallin
(GaAs)
+++ +++ Lourd, fissure
facilement
Aérospatiale
Composite
polycristallin (CdS,
CdTe, CulnGaSe2,
etc.)
+ +
Nécessite peu de
matériau mais
certains contiennent
des substances
polluantes
Appareils électroniques
(montres, calculatrices…),
intégration dans le bâtiment
Source : Sharp Electronics France
48
II-3. Propriétés des cellules solaires
DIODE
CELLULE PV
49
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Cellule PV idéale
Icc :courant de court-circuit
dû à l’éclairement
50
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Caractéristique réelle
Zone a : générateur de courant ICC
proportionnel à l’éclairement
Zone b : générateur de tension VC0
Zone c : l’impédance interne du
générateur varie rapidement
51
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Schéma équivalent « réaliste »
Rs : résistance qui représente les diverses
résistances de contacts et de connexions
Rsh : résistance qui caractérise les divers
courants de fuite
Rs = 0.5 à 2 W.cm2
Rsh = 2.103 à 2.104 W.cm2
52
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Caractéristiques mesurées
• Cellule solaire de 10 cm de côté (Silicium polycristallin)
à température constante 25°C en fonction de
l’éclairement
53
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Effet de la température
– Icc = constante
– Vc0 chute
54
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Caractéristique P = f(V)
55
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Assemblage des cellules
– ns cellules en série
– np cellules en parallèle
V nsV
Courant
Tension
Icc
Vc0 nsVc0
I
npI
Courant
Tension
Icc
Vc0
npIcc
56
II-3. Propriétés des cellules solaires
• Protection des cellules
– en série : ajout d’une diode
« by-pass » Dp en parallèle
des groupements de
cellules (30 à 40 max)
– en parallèle : ajout d’une
diode de non-retour Dr en
série avec les branches en
parallèle
57
III. Systèmes photovoltaïques
• Constituants d’un système photovoltaïque
• Système PV raccordé au réseau
• Système PV isolé
• MPPT
58
III-1. Constituants d’un système
photovoltaïque
• Synoptique général
Panneaux solaires
Onduleur
Utilisation
Batteries
Régulateur
59
III-1. Constituants d’un système
photovoltaïque
• Le « régulateur »
– Coupe la charge de la batterie une fois celle-ci
chargée
Panneau
solaire
Interrupteur Batterie Récepteurs
Délestage
Diode de
blocage
+
-
Régulateur shunt
Panneau
solaire
Interrupteur
Batterie Récepteurs
Délestage
Diode de
blocage
+
-
Régulateur série
60
III-1. Constituants d’un système
photovoltaïque
• Il existe des régulateurs plus performants :
– régulateur MLI (PWM)
• tension constante aux bornes de la batterie
– régulateur MPPT
• régulation de la tension (ou du courant) pour être au
maximum de puissance
61
III-1. Constituants d’un système
photovoltaïque
• Convertisseurs statiques :
– DC/DC : hacheur élévateur ou abaisseur
– DC/AC : onduleur
Hacheur élévateur
Hacheur abaisseur
Onduleur
62
III-1. Constituants d’un système
photovoltaïque
• Les batteries pour le solaire :
– Plomb-acide
– Cadmium-nickel (rarement utilisées car chères et
toxiques)
– Nickel-métal-hydrure
• Optimisation de la durée de vie (surtout
NiMH), protection contre l’oxydation, etc …
63
MPPT
• MPPT = Maximum Power Point Tracking
64
MPPT : Exemple d’algorithme
65
III-2. Système PV raccordé au réseau
66
III-2. Système PV raccordé au réseau
67
III-2. Système PV raccordé au réseau
• Prix de rachat
La plus grande centrale photovoltaïque
de France – inaugurée en Décembre
2006 à la réunion
68
III-3. Système PV isolé
69
III-4. Carte d’ensoleillement de la France
Source : ADEME
* Valeur de l'énergie du rayonnement
solaire reçu sur un plan d'inclinaison
égal à la latitude et orienté vers le sud.
70
III-4. Carte d’ensoleillement de la France
Energie journalière moyenne
reçue sur le territoire français
71
III-4. Carte d’ensoleillement de la France
L’énergie reçue annuellement dans la région de Lille est de
3kWh * 365 = 1100 kWh/m2
La consommation moyenne d’électricité d’un ménage (hors
chauffage) est de 3500 kWh/an
Une surface de capteurs photovoltaïques de 35m2 avec un
rendement de 10% suffirait à couvrir ces besoins
Exemple de la ville de Lille :
72
Autre application de l’énergie solaire

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  • 1. - L’énergie Solaire - Application au Photovoltaïque A. Benabou 2011-2012
  • 2. 2 PLAN Introduction I. L’énergie solaire II. Le photovoltaïque III. Systèmes photovoltaïques
  • 3. 3 Introduction • Energie solaire photovoltaïque • Historique
  • 4. 4 Energie solaire photovoltaïque • Classée dans les «Energies Renouvelables» – Source illimitée (ou qui se renouvelle), – Non polluant, – Exploitation à dégâts écologiques « minimaux » • Le solaire est une source d’énergie : – Abondante, – La mieux répartie sur terre
  • 5. 5 Rayonnement au sol en kWh/m² par an (source : Gregor Czisch, ISET)
  • 6. 6 • Notions essentielles : – Eclairement ou irradiance : • puissance reçue par unité de surface en W/m2 – Irradiation ou rayonnement : • énergie reçue par unité de surface en Wh/m2 – Puissance et énergie : • 1J = 1W*1s • 1kWh = 1000W*3600s = 3,6MJ Energie solaire photovoltaïque
  • 7. 7 Energie solaire photovoltaïque • Quelques chiffres : – L’énergie libérée par le soleil pendant 1h, et captée au sol (1.1018 kWh / an), suffirait à pourvoir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an (chiffres en 2000 : 10 Gtep ou 1,16.1014 kWh) (1 Tep = 11 628 kWh)
  • 8. 8 Energie solaire photovoltaïque • Constante solaire : – 1367 W/m2 (puissance moyenne perçue par le bord externe de l’atmosphère terrestre pour une distance Terre-Soleil de 150 Millions de km) • Irradiance au niveau du sol : – 0 à 1000 W/m2 avec une moyenne de 190 W/m2 sur l’année
  • 9. 9 Définition de la constante solaire R 1367 W/m2
  • 10. 10 • Exploitation de cette énergie : – Utilisation passive (éclairage et chauffage) – Solaire thermique (production d’eau chaude) – Solaire photovoltaïque • Comment convertir cette énergie : – Semi-conducteurs capable de convertir la lumière en énergie électrique (filière à taux de croissance élevé, chute des coûts de production, …) Energie solaire photovoltaïque
  • 11. 11 Bref historique • Effet photovoltaïque découvert en 1839 par A. Becquerel • Phénomène exploité tardivement (au début de l’ère spatiale, années 50) • Les recherches d’après-guerre ont permis d’améliorer leurs performances (1er satellite équipé en 1958) • Crise des années 70 : gouvernements et industriels investissent dans le PV (terrestre en particulier)
  • 12. 12 I. L’énergie solaire • Le rayonnement solaire • Le rayonnement sur terre
  • 13. 13 I-1. Le rayonnement solaire • Energie solaire = quasi-totalité de l’énergie disponible sur terre – lumière, chaleur mais aussi biomasse, vents, courants océaniques, etc … – Énergie produite par fusion thermonucléaire • L’atmosphère capte 1367 W/m2 dont une partie n’arrive pas au sol (absorption et diffusion) • L’irradiance au niveau de la mer à midi dans un ciel clair est de 1000 W/m2
  • 14. 14 I-1. Le rayonnement solaire • Masse d’air (Air Mass) : – Rapport entre l’épaisseur traversée par le rayonnement direct et l’épaisseur traversée à la verticale du lieu. α sin OA OB  A B O Sol Atmosphère a α sin 1 OA OB Mass Air 
  • 15. 15 I-1. Le rayonnement solaire • Quelques points : – Soleil au zénith : AM1 – Soleil à 30° : AM2 – Soleil à 41,8° : AM1,5 – Rayonnement solaire extra-terrestre : AM0 • Qualification standard des modules PV : – Spectre AM1,5 sous un éclairement de 1000W/m² et une température de 25°C (S.T.C. : Standard Test Conditions)
  • 16. 16 I-1. Le rayonnement solaire • Rayonnement global : – Rayonnement direct • Reçu directement par le soleil, sans diffusion – Rayonnement diffus • Lumière diffusée dans l’atmosphère : dépend des conditions météo (air, nuages, poussières, …) – L’albédo • Partie réfléchie sur le sol : dépend de l’environnement (neige, asphalte, …)
  • 17. 17 Composantes du rayonnement solaire Atmosphère Albédo Direct Diffus Global (environ1000 W/m2 par ciel clair) Rayonnement capté par l’atmosphère : 1367 W/m2
  • 18. 18 Effet cosinus Atmosphère Direct normal : 1000 W/m2 Au sol : 700 W/m2 45
  • 19. 19 I-1. Le rayonnement solaire • L’orientation des panneaux dépendra grandement de l’environnement : – Sur un site à ciel couvert, le rayonnement diffus peut être plus important que le rayonnement direct : une installation horizontale s’avère plus judicieuse !
  • 20. 20 I-1. Le rayonnement solaire • Énergie portés par les photons : avec : h la constante de Planck C la vitesse de la lumière l la longueur d’onde • Distribution de l’énergie d’une courbe AM0 : – ultraviolet UV 0,20 < l < 0,38 mm 6,4 % – visible 0,38 < l < 0,78 mm 48,0 % – infrarouge IR 0,78 < l < 10 mm 45,6 % λ hC E 
  • 21. 21 • Spectre AM1,5 : – Atténuation due à l’atmosphère (41,8° d’élévation) – Référence pour la mesure des cellules photovoltaïques I-1. Le rayonnement solaire
  • 22. 22 I-2. Le rayonnement sur terre • Concevoir un système photovoltaïque nécessite de connaître le rayonnement solaire sur le site considéré : – énergie solaire élevée → moins de panneaux – étude de la part d’énergie diffusée : • 50 % en régions tempérées • 30 à 45 % en régions ensoleillées et montagne • 15 à 20 % dans les pays du sud – autres paramètres : température, saison, humidité, albédo, etc … • Recourt à des statistiques issues de mesures
  • 23. 23 I-2. Le rayonnement sur terre • Grandeurs utiles : – Rayonnement cumulé • Dimensionnement d’un système PV est souvent basé sur des moyennes mensuelles issues de l’intégration du rayonnement solaire global sur une journée (Wh/m2 et par jour) – Rayonnement instantané • Certains cas particuliers nécessitent de connaître le profil instantané du rayonnement : obstacles par exemple
  • 24. 24 I-2. Le rayonnement sur terre • Influence de la latitude (source : Energie Solaire Photovoltaïque - Anne Labouret, Michel Villoz)
  • 25. 25 I-2. Le rayonnement sur terre • L’ensoleillement chute au-delà de 45°N – exemple : entre l’Écosse (55°N) et l’Espagne (40°N) le rayonnement journalier est multiplié par 2 en moyenne et par 4 en décembre ! • Influence des saisons : – exemple : à faibles latitudes (entre 15°S et 15°N) le dimensionnement fait sur une valeur constante de rayonnement – à forte latitude le dimensionnement se fait en fonction de l’ensoleillement le plus faible (si utilisation annuelle)
  • 26. 26 I-2. Le rayonnement sur terre • Influence de l’exposition (source : Energie Solaire Photovoltaïque - Anne Labouret, Michel Villoz)
  • 27. 27 I-2. Le rayonnement sur terre • Paramètres les plus importants : – latitude, saisons et exposition – d’autres facteurs peuvent intervenir (montagne, bord de mer, pollution, etc …) • Altitude, albédo et autres facteurs – Altitude : rayonnement plus élevé – Albédo : neige (0,82) – asphalte (0,1) – herbe (0,2) – béton (0,3) – envir. urbain (0,18) – Nébulosité : baisse avec l’altitude
  • 28. 28 II. Le photovoltaïque • Conversion de la lumière en électricité • Technologies des cellules solaires • Propriétés des cellules solaires
  • 29. 29 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Mis en évidence en 1839 par A. Becquerel : – variation de la conductivité d’un matériau sous l’effet de la lumière • Un système photovoltaïque est un convertisseur d’énergie (≠ d’une pile = stockage de l’énergie)
  • 30. 30 II-1. Conversion de la lumière en électricité • 3 phénomènes sont mis en jeu : – Absorption de la lumière dans la matière – Transfert d’énergie photons → charges électriques – Collecte des charges • Nécessité d’un matériau avec les propriétés optiques et électriques adéquates
  • 31. 31 II-1. Conversion de la lumière en électricité • 3 évènements optiques : – Réflexion – Transmission – Absorption • Part absorbée : – souvent convertie en chaleur (rayonnement infrarouge) – dans un matériau PV, une partie sera convertie en énergie électrique Inc. Ab. Trans. Inc. = Ab. + Ref. + Trans.
  • 32. 32 II-1. Conversion de la lumière en électricité • L’énergie restante à la profondeur z dans un matériau suit la loi : • L’énergie absorbée dans un matériau de profondeur d vaut : • Le coefficient d’absorption a dépend : – du matériau – de la longueur d’onde de l’énergie incidente α.z ince E E(z)     α.d inc α.d inc inc abs e - 1 E e E - E E    
  • 33. 33 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Quelques exemples : – Silicium cristallin : • sur une tranche d’épaisseur 100 mm, la totalité de l’énergie incidente est absorbée – Silicium amorphe : • une couche de 1 mm suffit pour capter la totalité du rayonnement Données pour l=0,59mm : 5,4.104 Arséniure de gallium 2,4.104 Silicium amorphe 4,5.103 Silicium cristallin a (cm-1) Matériau 5,4.104 Arséniure de gallium 2,4.104 Silicium amorphe 4,5.103 Silicium cristallin a (cm-1) Matériau
  • 34. 34 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Des techniques supplémentaires permettent d’améliorer le processus : – Utilisation d’une couche d’aluminium réfléchissant à l’arrière des couches actives (réduire les pertes par transmission) – Augmenter la diffusion en augmentant la rugosité des couches actives Rayonnement incident Aluminium réfléchissant Silicium rugueux
  • 35. 35 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Taux de réflexion : – Silicium brut (n=3,75 pour l=0,6mm) : R=33% !! • EVA (éthylène-vinyle-acétate), verre protecteur et antireflet : exemple du silicium cristallin 2 1 2 1 2 n n n n R            Verre trempé (n=1,5) Couche antireflet (n=2) Cellules cristallines (n=3 à 4) Résine EVA (n=1,5) Revêtement arrière
  • 36. 36 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Transfert d’énergie des photons aux charges électriques : utilisation de semi-conducteur : – bande de valence : électrons impliqués dans les liaisons covalentes (cohésion de la matière) – bande de conduction : électrons impliqués dans la conduction – entre les deux : bande interdite (gap optique) qui peut être franchie par un apport d’énergie (thermique, photon, etc …)
  • 37. 37 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Processus : Bande de valence Bande de conduction Eg : Bande interdite + - - - + E1 = Eg E2 > Eg Désexcitation spontanée
  • 38. 38 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Collecte des charges par jonction P-N : – excès d’électrons : dopés N (Phosphore) – déficit d’électrons : dopé P (Bore) • La mise en contact des deux parties crée un champ électrique, et donc une tension • Si on connecte une charge entre les deux parties, il y a circulation de « charges »
  • 39. 39 II-1. Conversion de la lumière en électricité Source : Sharp Electronics France
  • 40. 40 II-1. Conversion de la lumière en électricité • Rendement maximal théorique
  • 41. 41 II-2. Technologies des cellules solaires Cellules Panneaux Photovoltaïques Silicium Composite Cristallin Amorphe (SiGe, SiC, …) Monocristallin (GaAs) Polycristallin (CdS, CdTe, …) Monocristallin Polycristallin
  • 42. 42 II-2. Technologies des cellules solaires • Grand nombre de technologies : – La majorité est développée en laboratoire – Technologies industrialisées : • Silicium mono et polycrisallin (90% du marché en 2008) • Silicium en couche mince amorphe • Le dopage (ajout d’impuretés) du Silicium améliore sa « photosensibilité » (Découverte en 1954 dans les laboratoires Bell) • découpe de « wafers », traitement de surface, dopage, couche anti-reflet, etc …
  • 43. 43 II-2. Technologies des cellules solaires • Cellules monocristallines en silicium – élaborées à partir d’un même bloc de cristal : long et coûteux (exigeant en énergie !) – apparence : couleur « bleu uniforme » – durée de vie : environ 40 ans – rendement : 12 à 18% (meilleur que les cellules polycristallines)
  • 44. 44 II-2. Technologies des cellules solaires • Cellules polycristallines en silicium – à partir d’un bloc sous forme de cristaux multiples (visibles à l’œil nu) – coût de production plus faible que les cellules monocristallines – peu de déchets et moins d’énergie (2 à 3 fois moins) – durée de vie : environ 30 ans – rendement : 11 à 15% – meilleur rapport performances/prix
  • 45. 45 II-2. Technologies des cellules solaires • Cellules amorphes en silicium – coût de production le plus faible – « feuilles » souples de cellules – grandes surfaces à faible coût – rendement : 6 à 8% • Autres cellules amorphes : – CIS (cuivre-indium-sélenium) ou CdTe (tellure de cadmium) – meilleures à faible lumière et en temp. – rendement : 12%
  • 46. 46 II-2. Technologies des cellules solaires • Cellules cristallines ou amorphes ? – Cristallines : • rendement plus élevé • moyennes et fortes puissances • fragilités du silicium (placé entre 2 plaques de verre) – Amorphes : • moins chères • faibles puissances (nécessite le double en surface pour l’équivalent des cristallines) • infrastructure d’installation moins lourde
  • 47. 47 II-2. Technologies des cellules solaires Matériau Rendement Longévité Caractéristiques Principales utilisations Silicium monocristallin +++ +++ Très performant Aérospatiale, modules pour toits, façades,… Silicium polycristallin ++ +++ Adapté à la production à grande échelle Modules pour toits, façades, générateurs… Amorphe + + Peut fonctionner sous la lumière fluorescente Appareils électroniques (montres, calculatrices…), intégration dans le bâtiment Composite monocrystallin (GaAs) +++ +++ Lourd, fissure facilement Aérospatiale Composite polycristallin (CdS, CdTe, CulnGaSe2, etc.) + + Nécessite peu de matériau mais certains contiennent des substances polluantes Appareils électroniques (montres, calculatrices…), intégration dans le bâtiment Source : Sharp Electronics France
  • 48. 48 II-3. Propriétés des cellules solaires DIODE CELLULE PV
  • 49. 49 II-3. Propriétés des cellules solaires • Cellule PV idéale Icc :courant de court-circuit dû à l’éclairement
  • 50. 50 II-3. Propriétés des cellules solaires • Caractéristique réelle Zone a : générateur de courant ICC proportionnel à l’éclairement Zone b : générateur de tension VC0 Zone c : l’impédance interne du générateur varie rapidement
  • 51. 51 II-3. Propriétés des cellules solaires • Schéma équivalent « réaliste » Rs : résistance qui représente les diverses résistances de contacts et de connexions Rsh : résistance qui caractérise les divers courants de fuite Rs = 0.5 à 2 W.cm2 Rsh = 2.103 à 2.104 W.cm2
  • 52. 52 II-3. Propriétés des cellules solaires • Caractéristiques mesurées • Cellule solaire de 10 cm de côté (Silicium polycristallin) à température constante 25°C en fonction de l’éclairement
  • 53. 53 II-3. Propriétés des cellules solaires • Effet de la température – Icc = constante – Vc0 chute
  • 54. 54 II-3. Propriétés des cellules solaires • Caractéristique P = f(V)
  • 55. 55 II-3. Propriétés des cellules solaires • Assemblage des cellules – ns cellules en série – np cellules en parallèle V nsV Courant Tension Icc Vc0 nsVc0 I npI Courant Tension Icc Vc0 npIcc
  • 56. 56 II-3. Propriétés des cellules solaires • Protection des cellules – en série : ajout d’une diode « by-pass » Dp en parallèle des groupements de cellules (30 à 40 max) – en parallèle : ajout d’une diode de non-retour Dr en série avec les branches en parallèle
  • 57. 57 III. Systèmes photovoltaïques • Constituants d’un système photovoltaïque • Système PV raccordé au réseau • Système PV isolé • MPPT
  • 58. 58 III-1. Constituants d’un système photovoltaïque • Synoptique général Panneaux solaires Onduleur Utilisation Batteries Régulateur
  • 59. 59 III-1. Constituants d’un système photovoltaïque • Le « régulateur » – Coupe la charge de la batterie une fois celle-ci chargée Panneau solaire Interrupteur Batterie Récepteurs Délestage Diode de blocage + - Régulateur shunt Panneau solaire Interrupteur Batterie Récepteurs Délestage Diode de blocage + - Régulateur série
  • 60. 60 III-1. Constituants d’un système photovoltaïque • Il existe des régulateurs plus performants : – régulateur MLI (PWM) • tension constante aux bornes de la batterie – régulateur MPPT • régulation de la tension (ou du courant) pour être au maximum de puissance
  • 61. 61 III-1. Constituants d’un système photovoltaïque • Convertisseurs statiques : – DC/DC : hacheur élévateur ou abaisseur – DC/AC : onduleur Hacheur élévateur Hacheur abaisseur Onduleur
  • 62. 62 III-1. Constituants d’un système photovoltaïque • Les batteries pour le solaire : – Plomb-acide – Cadmium-nickel (rarement utilisées car chères et toxiques) – Nickel-métal-hydrure • Optimisation de la durée de vie (surtout NiMH), protection contre l’oxydation, etc …
  • 63. 63 MPPT • MPPT = Maximum Power Point Tracking
  • 64. 64 MPPT : Exemple d’algorithme
  • 65. 65 III-2. Système PV raccordé au réseau
  • 66. 66 III-2. Système PV raccordé au réseau
  • 67. 67 III-2. Système PV raccordé au réseau • Prix de rachat La plus grande centrale photovoltaïque de France – inaugurée en Décembre 2006 à la réunion
  • 69. 69 III-4. Carte d’ensoleillement de la France Source : ADEME * Valeur de l'énergie du rayonnement solaire reçu sur un plan d'inclinaison égal à la latitude et orienté vers le sud.
  • 70. 70 III-4. Carte d’ensoleillement de la France Energie journalière moyenne reçue sur le territoire français
  • 71. 71 III-4. Carte d’ensoleillement de la France L’énergie reçue annuellement dans la région de Lille est de 3kWh * 365 = 1100 kWh/m2 La consommation moyenne d’électricité d’un ménage (hors chauffage) est de 3500 kWh/an Une surface de capteurs photovoltaïques de 35m2 avec un rendement de 10% suffirait à couvrir ces besoins Exemple de la ville de Lille :
  • 72. 72 Autre application de l’énergie solaire