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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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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6
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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roduits naturels (corps humains,
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
les
de
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iI le vent.
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…
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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Les centrales hydrauliques:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
10
E potentielle → E cinétique → E mécanique → E électrique
Les centrales thermiques:
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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
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12
Quelques unités pour l’énergie électrique:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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
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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)…
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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Les sources renouvelables
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
19
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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)
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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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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25
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
26
Schéma simplifié des principales zones solaires.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
27
Éclipse totale
du Soleil du 11
août 1999.
Une telle
éclipse est un
moment
privilégié
d’observation
de la couronne
solaire.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
28
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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⚫ 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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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)
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
32
Spectre de l’irradiation solaire pour différentes
températures
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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st ce que l’on appelle la
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
sus
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Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
42
Des cartes météorologiques sont établies et nous
renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou bien sur
une année.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
43
SECTEURS D’APPLICATIONS:
Satellite Hubble avec ses panneaux solaires
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
45
⚫ Plusieurs modules qui sont regroupés dans une
centrale solaire photovoltaïque sont appelés
champ photovoltaïque.
Champ photovoltaïque
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
46
La variation du coût des modules solaires en $/watt
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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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).
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
49
Les modules photovoltaïques au silicium
⚫Processus de fabrication
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
50
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ 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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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I lles ont un rendement de 12 à
18%, mais la méthode de production est laborieuse.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
56
er pour 1 milliard
⚫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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JMI dont le refroidissement forcé a
crée une structure poly-cristalline. Durée de vie
Panneau PV au silicium polycristallin
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
58
Cellule amorphe:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
60
Définitions:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
62
Comparatif des différentes technologies:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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Principe de fonctionnement des cellules
Structure de la matière
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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:
8 électrons au maximum.
⚫La couche M:
18 électrons au maximum.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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I ter (provisoirement) des
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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sJMIcomblerce trou laissant ainsi
Physique des semi-conducteurs:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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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-)
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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...
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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Renouvelables _
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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Ec
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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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
par les électrons.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
83
Cellule photovoltaïque
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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Si E
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EJ
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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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
93
⚫Une cellule photovoltaïque peut donc être
schématisée de la forme suivante:
Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
94
⚫Le courant et la tension de la charge sont donnés
par :
s
négligeant R et R :
E ob
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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 :
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
100
Caractéristique courant/tension en fonction de la
température:
Points de la
Puissance
maximale
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
102
Variation de la caractéristique puissance/tension avec la
température
Points de la
Puissance
maximale
Rayonnement solaire :
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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)
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
104
Association de cellules : le panneau
solaire
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
106
Mise en parallèle:
⚫Les np cellules (supposées identiques) ont la même
tension.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
107
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
108
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
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EJMIfictive pour que le point de
fonctionnement des modules soit toujours à puissance
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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).
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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 »
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
115
⚫Composants d’un système photovoltaïque
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
116
Batteries :
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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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 :
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
120
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
121
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
122
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
123
Installations électriques photovoltaïques
raccordées au réseau
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
124
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
126
Installation de panneaux solaires par Total au Maroc dans le cadre d’un programme d’électrification
rurale.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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n, le système travaille avec un
stockage intermédiaire sur batteries. Si l’on supprime
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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M
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
erg
a
ie
s
s R
d
en
é
ou
p
ve
a
la
s
bls
ese_
r:A.(
NE
5
JM
0
I
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%
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
135
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
136
La distance de la terre par rapport au soleil
est donnée par la formule suivante:
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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
E
in
s
et
rg
e
ien
s R
ce
e
nou
d
ve
e
lablle
a
s d
_ io
A.d
NE
e
JM
d
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.
Energies Renouvelables _ A.NEJMI
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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  • 1. Ali NEJMI Version 2011 Energies Renouvelables Génie Electrique
  • 2. 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
  • 3. 1. Définitions- Généralités Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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. 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 En le erc git er siq Re u ne ou .velL ab a les c _roA is .N s Ea JM nIce des plantes est l’effet
  • 6. 6 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 m Ene a rg ii s es R a e u no s u s ve ilab d le a s n _ sA l.N eE s JM p I roduits naturels (corps humains,
  • 7. 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 les de E p nr eo rgf ie o sn Rd en e ou uv re )l, ab m lesa_ is A a .N uE s Js M iI le vent.
  • 8. 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… Energies Renouvelables _ A.NEJMI 8
  • 9. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 9
  • 10. Les centrales hydrauliques: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 10 E potentielle → E cinétique → E mécanique → E électrique
  • 11. Les centrales thermiques: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 11 E chimique E thermique → E cinétique → E électrique E nucléaire → E solaire
  • 12. 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 12
  • 13. Quelques unités pour l’énergie électrique: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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
  • 14. ENERGIES NON RENOUVELABLES ET RENOUVELABLES Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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.
  • 15. • 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 15
  • 16. 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)… Energies Renouvelables _ A.NEJMI 16
  • 17. Les sources renouvelables Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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
  • 18. La biomasse: énergie verte Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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
  • 19. ⚫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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 19
  • 21. 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) Energies Renouvelables _ A.NEJMI 21
  • 22. 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 Ene tr h gie e s rR m en io q uv u el e ab )les ou _ d A. e NEJ lM ’é I lectricité : c’est l’énergie solaire
  • 23. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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. 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 n E o n y er a gie u s x Reno a uv t e o la m bles iq _ u A e .N s EJM s I ’assemblent pour former un
  • 27. Schéma simplifié des principales zones solaires. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 27
  • 28. Éclipse totale du Soleil du 11 août 1999. Une telle éclipse est un moment privilégié d’observation de la couronne solaire. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 28
  • 30. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 30
  • 31. ⚫ 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 31
  • 32. 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) Energies Renouvelables _ A.NEJMI 32
  • 33. Spectre de l’irradiation solaire pour différentes températures Energies Renouvelables _ A.NEJMI 33
  • 34. 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 MiE lln ie o rg n ies s Reno d uv e elabl k es m _ )A ,.NE c JM ’e I st ce que l’on appelle la
  • 36. 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 sus En p ere gie n ss Ri eo no n uv .elabS lesa _ A s .N tE rJ u Mc I ture varie en fonction des
  • 37. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 37 Composantes du rayonnement solaire au sol
  • 38. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 39 Composantes du rayonnement solaire reçu au sol: Intensités approximatives du rayonnement solaire:
  • 40. 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 au En x ergip esh Ré en n ou o vm elab è le n s e _s A.a NE tJ m MIosphériques étant la partie réfléchie par le sol.
  • 42. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 42
  • 43. Des cartes météorologiques sont établies et nous renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou bien sur une année. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 43
  • 44. SECTEURS D’APPLICATIONS: Satellite Hubble avec ses panneaux solaires Energies Renouvelables _ A.NEJMI 44 Véhicule solaire Honda lors du World Solar Challenge d’Australie
  • 45. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 45 ⚫ Plusieurs modules qui sont regroupés dans une centrale solaire photovoltaïque sont appelés champ photovoltaïque.
  • 47. La variation du coût des modules solaires en $/watt Energies Renouvelables _ A.NEJMI 47
  • 48. 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 u n s er tg rie a s lR ie en .ouvelables _
  • 49. ⚫ 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). Energies Renouvelables _ A.NEJMI 49
  • 50. Les modules photovoltaïques au silicium ⚫Processus de fabrication Energies Renouvelables _ A.NEJMI 50
  • 52. 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 (wa En f e e rg r ie s s ) R . enouvelables _ A.NEJMI
  • 54. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 54
  • 55. 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 unE e nec rgo ies u R le e no u ur velu ab n les ifo _ rm A.Ne EJ .ME I lles ont un rendement de 12 à 18%, mais la méthode de production est laborieuse.
  • 56. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 56 er pour 1 milliard ⚫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. 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 unEn b ea rgir er se Re a no u uve d la e bles s_ ilic Ai.N uE m JMI dont le refroidissement forcé a crée une structure poly-cristalline. Durée de vie
  • 58. Panneau PV au silicium polycristallin Energies Renouvelables _ A.NEJMI 58
  • 59. Cellule amorphe: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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.
  • 60. ⚫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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 60
  • 61. Définitions: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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.
  • 62. Silicium polycristallin Silicium monocristallin Silicium amorphe Energies Renouvelables _ A.NEJMI 62
  • 63. Comparatif des différentes technologies: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 63
  • 64. Principe de fonctionnement des cellules Structure de la matière Energies Renouvelables _ A.NEJMI 64
  • 65. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 65
  • 66. 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: 8 électrons au maximum. ⚫La couche M: 18 électrons au maximum. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 66
  • 67. 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 pe Eu net rgies Re a no iu n ve s la ibles _aA c .N c Ee JM p I ter (provisoirement) des
  • 68. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 68
  • 69. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 69
  • 70. ⚫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 70 vois En ie n rg )iesp Re e no u ut vela d blè ess_ lA o .N rE sJMIcomblerce trou laissant ainsi
  • 71. Physique des semi-conducteurs: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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
  • 73. ⚫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 E y ne g rg è ie n s R e en ( o 2 uv 7 ela .b 6 le % s _ ).A.NEJMI
  • 74. 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-) Energies Renouvelables _ A.NEJMI 74
  • 75. 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... Energies Renouvelables _ A.NEJMI 75
  • 76. 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 n e erg V ies e Re s n t ou s ve u la f b f le is sa _ n A t. e NEJ p M o I ur le libérer).
  • 77. ⚫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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 77
  • 78. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 78
  • 79. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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.
  • 81. 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 ⚫ 1 Il se Ene c rg rié es e Re d no o un vec labu les ne _ jA o .N n Ec JM tiIon P-N : un champ électrique qui va s’opposer aux mouvement des charges.
  • 82. 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI par les électrons.
  • 85. 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 E c ne tr r g o ies m Re a no g uv n el é ab tle iq s u _ eA ..NEJMI
  • 86. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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
  • 87. : 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 l’n é er n gie e s r R g en ie ouve d la u bles p _ ho A. t N o EJ n MI est très grande devant E , le G  m  c f ⚫La longueur de l’onde EM étant de: Où : 
  • 88. 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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 
  • 89. 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 89
  • 90. 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: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 90
  • 91. ⚫ 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 91
  • 92. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 92
  • 93. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 93
  • 94. ⚫Une cellule photovoltaïque peut donc être schématisée de la forme suivante: Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque Energies Renouvelables _ A.NEJMI 94
  • 95. ⚫Le courant et la tension de la charge sont donnés par : s négligeant R et R : E ob Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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. 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] En U erg T ie :s Renou T vel ea n bs les io _ n A t. h NE eJ rM m I odynamique de la diode
  • 97. ⚫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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 97
  • 98. ⚫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 : Energies Renouvelables _ A.NEJMI 98 o La tension de sortie o La puissance crête délivrée par une cellule o Les dimensions [V] [kWc] [m2]
  • 99. ⚫ 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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).
  • 100. Caractéristique courant/tension en fonction de l’éclairement: Points de la Puissance maximale Energies Renouvelables _ A.NEJMI 100
  • 101. Caractéristique courant/tension en fonction de la température: Points de la Puissance maximale Energies Renouvelables _ A.NEJMI 101
  • 102. 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 102
  • 103. Variation de la caractéristique puissance/tension avec la température Points de la Puissance maximale Rayonnement solaire : Energies Renouvelables _ A.NEJMI 103
  • 104. 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) Energies Renouvelables _ A.NEJMI 104
  • 105. Association de cellules : le panneau solaire Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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).
  • 106. sont Mise en série: ⚫Les ns cellules (supposées identiques) traversées par le même courant. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 106
  • 107. Mise en parallèle: ⚫Les np cellules (supposées identiques) ont la même tension. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 107
  • 108. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 108
  • 109. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 109
  • 110. 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 ies nR e enouiv m elap ble é sd_ an Ac .N e EJMIfictive pour que le point de fonctionnement des modules soit toujours à puissance
  • 111. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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
  • 112. Panneau PV parallèle/série avec diodes de protection Energies Renouvelables _ A.NEJMI 112
  • 113. ⚫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). Energies Renouvelables _ A.NEJMI 113
  • 114. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 114
  • 115. 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 » Energies Renouvelables _ A.NEJMI 115
  • 116. ⚫Composants d’un système photovoltaïque Energies Renouvelables _ A.NEJMI 116
  • 117. Batteries : Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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. 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 b En ae trtg e ie rs iR eee no su tve :la Ib c le c s = _ 1 A 0 .NE × JM C I n
  • 119. 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 E p ne erg rim es R e et nod uv e elab m les o_ diA fi.N e E rJM la I tension.
  • 120. Systèmes PV dans le bâtiment : Energies Renouvelables _ A.NEJMI 120
  • 121. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 121
  • 122. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 122
  • 123. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 123
  • 124. Installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau Energies Renouvelables _ A.NEJMI 124
  • 125. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 125
  • 126. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 126
  • 127. Installation de panneaux solaires par Total au Maroc dans le cadre d’un programme d’électrification rurale. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 127
  • 128. ⚫ 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 ⚫ 8 DaE n ns ergie c se Rt et n e ouve c la o bln es fi_ gu A r.N aE tJ io MI n, le système travaille avec un stockage intermédiaire sur batteries. Si l’on supprime
  • 129. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 129 Installation photovoltaïque autonome
  • 130. 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. 1⚫ 30 Dim Ee nen rgs iei so R n en n ou e vr ela lb e les ci _ rcA u .N itEJ é M lIectrique et les convertisseurs.
  • 131. ⚫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 erg a ie s s R d en é ou p ve a la s bls ese_ r:A.( NE 5 JM 0 I 131
  • 132. 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% Energies Renouvelables _ A.NEJMI 132
  • 133. 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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 133
  • 134. ⚫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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 134
  • 135. ⚫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 Energies Renouvelables _ A.NEJMI 135
  • 136. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 136
  • 137. La distance de la terre par rapport au soleil est donnée par la formule suivante: Energies Renouvelables _ A.NEJMI 137 n: nombre de jour de l’année, 1 janvier=1
  • 138. ⚫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 E in s et rg e ien s R ce e nou d ve e lablle a s d _ io A.d NE e JM d I ’ombre.
  • 139. 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. Energies Renouvelables _ A.NEJMI 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