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L’électricité photovoltaïque

• Rappels d’Énergie solaire

• La cellule photovoltaïque• Le module solaire • Le générateur • Les applications

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présenté par Boudy Ould Bilal /CIFRES/ESP/DAKAR

Rappels d’Énergie solaire

Le rayonnement global G

G Vaut 1400 W/m² hors atmosphère

G varie de 0 à 1000 W/m² au sol2

E (W/m²)

(m)

E (W/m²)

(m)

Hors atmosphère

Au sol

Longueur d’onde

8% U

ltra

vio

let

41

% V

isib

le

51 %

In

frar

ou

ge

Le spectres du rayonnement solaire couvrent une gamme de longueurs d’ondes comprise entre 10-4 micromètres (μm) et 106 centimètres (cm)

Rappels d’Énergie solaire

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Direct

Diffusion par les nuages

Diffusion par les aérosolsRéflexion

au sol

G = I + DGlobal Direct Diffus

L’électricité photovoltaïque

L’irradiation I Journalière

I = est de 4, 5 ou 7 kWh/m²/jour4

h

h

dhhG18

6

)(h

a

E

O

N

SI =

5

Mois/Lieu

J F M A M J J A S O N D

Dakar 5,20 5,93 6,99 7,02 6,95 6,51 5,78 5,10 5,42 5,50 5,00 4,87

Niamey 5,42 6,05 6,36 5,85 6,32 5,68 n.d n.d n.d 5,91 5,56 5,50

Ouaga 5,61 6,36 6,28 6,30 6,22 6,05 5,81 5,47 5,94 5,83 5,75 5,19

Exemple de données de Ej en kWh/m2/j

La cellule photovoltaïque ou photopile

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Il est possible de convertir l’énergie solaire en énergie électrique de diverses manières. Les systèmes utilisés sont plus ou moins complexes.

La cellule photovoltaïque ou photopile est le moyen le plus simple. Elle permet de convertir directement le rayonnement solaire en électricité

Une photopile est une diode plate qui présente différence de potentiel une (DDP) et qui libère des électrons sous l’effet des photons solaires.

http://www.pcbypaul.com/wpclipart/energy/Sunshine.png

Fonctionnement de la photopile

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Vis-à-vis du courant électrique et de l’énergie solaire, il existe trois sortes de matériaux que sont les isolants, les conducteurs et les semi-conducteurs.

Les isolants ne libèrent pas d’électrons quand les photons solaires leur tombent dessus. L’énergie incidente est insuffisante pour arracher les électrons.

les semi-conducteurs tels que le silicium, les électrons peuvent être arrachés par les photons pourvu que ces photons soient suffisamment énergétiques.

les conducteurs l’énergie des photons permet effectivement d’arracher des électrons, mais en l’absence d’une DDP ces électrons se recombinent immédiatement avec les sites vides en produisant de la chaleur uniquement.


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Pour créer une DDP dans un semi-conducteur et véhiculer les électrons on réalise une jonction P-N comme dans une diode

Un dopage est réalisé en introduisant des atomes d’un corps étranger dans le semi-conducteur. Un dopage N libère des électrons en excès. Un dopage P crée des trous ou lacunes avides d’électrons.

Les matériaux dopés N et P, puis mis en contact présentent une DDP à la jonction. Avec le silicium cette DDP est de 0,6 V.

Dopage P avec création de trous

Dopage N avec apparition d’électrons libres


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Le dopage P du silicium est obtenu par des atomes de phosphore. Le dopage N est obtenu par des atomes de bore.

On appelle jonction P-N ou diode la liaison réalisée entre un semi-conducteur dopé N et un semi-conducteur dopé P.

Lorsqu’une paire électron-trou est dissociée à proximité de la surface de la jonction, l’électron est aspiré vers le côté N et le trou vers le côté P par le champ électrique créé par le DDP.



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Si on relit les deux matériaux dopés par une résistance électrique on établit un courant électrique qui peut être entretenu par la dissociation continuelle de paires électrons trous dû à l’énergie solaire.

Tous les photons solaires n’ont pas suffisamment d’énergie pour arracher des électrons. Seuls une fraction est efficace. C’est la plus grande limitation au rendement de conversion de l’énergie solaire en électricité photovoltaïque.

Ce rendement varie de 9 à 18 % suivant la technologie de fabrication utilisée.

RN

P

N

P

Technologie des photopiles

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Les photopiles les plus utilisées aujourd’hui sont celles au silicium polycristallin

Dans cette photopile une électrode recouvre la face inférieure pour collecter les trous.

Une autre (grille) est placée sur la face supérieure pour collecter les électrons en laissant passer le rayonnement solaire.


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Les photopiles utilisées dans le commerce aujourd’hui sont toutes à base de silicium

Il en existe trois sortes de photopiles :

Les photopiles au silicium monocristallin (cellules en tranche)

Les photopiles au silicium polycristallin (cellules en tranche)

Les photopiles au silicium amorphe (technologie en couche mince)


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1. Les photopiles au silicium monocristallin.

Elles ont en général une forme ronde de 100 mm environ de diamètre. Elles sont obtenues à partir du silicium pur et à partir de l’industrie électronique. Leur rendement est bon mais elles sont chères :

= 16 à 18 %


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2. Les photopiles au silicium polycristallin.

Elles sont obtenues à partir des rebuts de l’industrie électronique. Elles ont en général une forme carrée de 100 à 150 mm de côté avec des grains nettement visibles. Elles sont moins chères comparées au photopiles monocristallines. Leur rendement est également plus faible.

= 13 à 15 %


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3. Les photopiles au silicium amorphe ou couche mince.

Elles permettent la réduction des coûts de fabrication en utilisant très peu de silicium disposé directement sur le substrat. Un autre avantage de cette technique est que les cellules sont directement mises en série dans le module en un seul procédé à l’aide d’une technique au laser. On réduit considérablement les coûts de fabrication mais le rendement obtenue est faible.

9%

Encapsulage

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Les cellules sont encapsulées entre deux plaques bi-verre ou verre avec un autre matériau. La face avant est recouverte d’un matériau anti-reflet pour améliorer la transmission du rayonnement.

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Une seule cellule délivre une tension continue de 0,6 V.

Pour les applications courantes elles sont assemblées en série et parallèle sur un même panneau appelé module.

Un module est un assemblage série/parallèle de cellules pour obtenir les tensions compatibles avec les charges usuelles (12 V, 24 V…)

Encapsulage

Le module photovoltaïque

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L’énergie solaire absorbée est en effet convertie à plus de 80% en chaleur qui doit être évacuée faute de quoi les cellules s’échauffent et leurs rendements diminuent.

Caractéristique Courant-Tension du module.

Elle dépend essentiellement de deux paramètres :

L’éclairement solaire

la température de jonction.


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Caractéristique courant Tension du module (effet de l’éclairement).


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Caractéristique courant Tension du module (effet de la température).


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Définition de la puissance crête :

Un module photovoltaïque délivre un courant I sous une tension V fonction de deux paramètre.

L’éclairement solaire G en kW/m²

La température dite de jonction T en °C

Lorsque G = 1000 W/m², T = 25°C et M est sur la courbure de la caractéristique, le module délivre sa puissance optimale appelée puissance crête (Pc) exprimée en Watt crête (Wc).

On dira P = 75 Wc par exemple.

Puissance crête Pc

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VM

M

Pc = IM VM

G = 1 kW/m²

IM

T = 25°C

La puissance crête est une puissance idéale difficilement atteinte


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Protection des modules par des diodes :

Deux types de protections sont utilisées :

la protection des modules ou des cellules en série par une diode placée en parallèle (diode by-pass)

la protection des modules ou des cellules en parallèle par des diodes placées en série (diode anti-retour)


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Dans la protection by-pass, l’idéal serait de protéger les cellules individuellement. C’est une solution trop coûteuse. C’est pourquoi on adopte une solution par protection groupée de 12, 18 ou 36 cellules.

Diodes anti-retour

RR

Diode by-pass

Le générateur Photovoltaïque

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Montage série parallèle des modules :

Suivant les besoins à satisfaire, les modules sont assemblés pour atteindre la puissance ou la tension désirée.

La puissance désirée permet de déterminer le nombre de modules. C’est l’objet du dimensionnement.

La tension de service permet de savoir le nombre de modules en série et le nombre en parallèle.

Lorsque plusieurs modules identiques sont placées en série le courant dans la série reste le même cependant la tension au borne de la série est la somme des tensions.

Lorsque plusieurs modules identiques sont placées en parallèle la tension au bornes de l’ensemble reste la même pendant que le courant en sortie est la somme des courants.

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Résultat du montage série ou parallèle des modules identiques

Modules en série

I

VV1 n V1

I1

Modules en parallèlesI

VV1

I1

nI1

Système Photovoltaïque

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Un générateur photovoltaïque (modules en série et parallèle)

D’un régulateur (opérationnel)

D’une batterie de stockage de l’énergie (opérationnel)

D’un convertisseur CC/AC ou CC/CC (opérationnel)

NB : L’inclinaison et la direction des modules dépend du site.

Définition d’un système photovoltaïque

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Un générateur photovoltaïque peut alimenter une charge individuelle ou connecter au réseau


1. Exemple : cas individuel


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2. Exemple : cas de Connexion au réseau

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Applications : Avec l’énergie solaire photovoltaïque on peut alimenter n’importe quel récepteur. C’est le coût élevé du générateur qui limite les applications.

Les applications plus courantes sont :

Pompage de l’eau en site isolé

La réfrigération (conservation des vaccins et médicaments, glace, boisson, …etc).

Les télécommunications

L’équipement électrique des habitations en site isolé.

La recharge de batteries dans les villages


L’électricité Photovoltaïque

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Cas général de dimensionnement :

Méthode des rendements.

1. La puissance crête en watt est évaluée par :

Ej est l’énergie journalière consomméeE est l’irradiation du lieu en kWh/m²/jourKp est appelé coefficient panneau et vaut 0,8

Les sont les rendements respectifs de l’onduleur, de la batterie et du régulateur et valent 0,8 en moyenne

pregbatond

jc k E

(wh) E P


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2. Dimensionnement du stockage.

Méthode des rendements. La capacité des batteries d’accumulateurs est évaluée par :

Ej est l’énergie consommable par jourC es la capacité des batteries en AhD est la profondeur de déchargeVbat est la tension de la batteriebat est le rendement de la batterie

batbat

j

V D

(jours) Autonomie . E C

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3. Dimensionnement du régulateur.


Ie >= Icc du générateur Is>=Ib du récepteur

Ie : est le courant d’entré du régulateurIs: est le courant de sortie régulateurIcc: est le corant d court circuit du GPVIb est le courant global des recepteurs

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3. Dimensionnement de l’onduleur.


La puissance de l’onduleur peut etre donner par l’expression suivante:

Pond : la puissance de l’onduleur (W)Pinst : la puissance consommée (W)Nond : le rendement de l’onduleur

ond

instond n

PP


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Merci de votre attention