Cours Energie Solaire Photovoltaïque
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueRépublique Algérienne Démocratique et PopulaireMinistère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche ScientifiqueUniversité A.MIRA de BEJAIAFaculté de TechnologieDépartement de Génie ElectriqueCours Energie Solaire PhotovoltaïqueDr. BELAID LALOUNI SofiaMaître de Conférences Classe BAnnée universitaire 2014/2015Enseignante : Mme S.BELAID1
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueTABLE DES MATIERESChapitre I : GénéralitésI.1 Introduction :I.2 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïqueI.3 Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïqueI.4 Différents types de systèmes photovoltaïquesChapitre II : Modèles et caractéristiques de modules photovoltaïquesII.1 Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïqueII.2 Modèle électrique de module photovoltaïqueII.3 Caractéristiques des modules photovoltaïquesII.4 Détermination expérimentale des caractéristiques du module photovoltaïqueII.5 Etude de l’adaptation de l’énergie photovoltaïqueChapitre III : Stockage et dimensionnement des systèmes photovoltaïquesIII.1 Le stockage de l’énergie électriqueIII.2 Modèle électrique de la batterieIII.3 Dimensionnement d’un système photovoltaïque avec batterieIII.4 Dimensionnement d’un système photovoltaïque sans batterieChapitre IV : Applications des systèmes photovoltaïquesIV.1 Electrification hybride (photovoltaïque-éolienne)IV.2 Le pompage photovoltaïqueIV.3 Le chauffe-eau solaireIV.4 La climatisation solaireIV.5 Dessalement de l'eau de merEnseignante : Mme S.BELAID2
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueI. GénéralitésI.1 Introduction :L’augmentation du coût des énergies classiques d’une part, et la limitation de leursressources d’autre part, font que l’énergie photovoltaïque devient de plus en plus unesolution parmi les options énergétiques prometteuses avec des avantages commel’abondance, l’absence de toute pollution et la disponibilité en plus ou moins grandesquantités en tout point du globe terrestre. Actuellement, on assiste à un regain d’intérêtpour les installations utilisant l’énergie solaire, surtout pour les applications sur des sitesisolés.I.1.1 Historique du photovoltaïque:Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, l'effet photovoltaïque permet latransformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologiedes semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créerune différence de potentiel entre les bornes de la cellule qui génère un courant électriquecontinu.L'hélio électricité est apparue en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis ausélénium. Mais ce n'est qu'en 1954, avec la réalisation des premières cellulesphotovoltaïques au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell Téléphone, que l'onentrevoit la possibilité de fournir de l'énergie.Très rapidement utilisées pour l'alimentation des véhicules spatiaux vers les années60 avec l'équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de 1970, les premières utilisationsterrestres ont concerné l'électrification des sites isolés.Au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressérégulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et estmême devenue familière des consommateurs à travers de nombreux produits de faiblepuissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompeset réfrigérateurs solaires.Le progrès des techniques de production de cellules photovoltaïques ainsi quel'augmentation des volumes de production ont entrainé, à partir des années 1990, unebaisse des prix. La production de modules se fait en Chine (près de 60 % de la productionEnseignante : Mme S.BELAID3
Cours Energie Solaire Photovoltaïquetotale), au Japon, aux EU, en Allemagne et en Europe, avec en particulier des grandescompagnies comme Yingli Green Energy, First Solar et Suntech Power. La productionmondiale de modules photovoltaïques est passée de 5 MWc en 1982 à plus de 18GWc en2013. Concernant l’Algérie, le groupe algérien Condor Electronics, s’est lancé en juillet2013 dans la production des panneaux photovoltaïques dont la puissance varie entre 70 Wet 285 W et à des prix compétitifs.Dans le cadre de la concrétisation du programme national algérien des énergiesrenouvelables, un projet de 400 MW en photovoltaïque à été lancé, faisant partie duprogramme complémentaire de production de l’électricité, prévu pour l’été 2014. Ce projetconsiste en la réalisation de 23 centrales solaires photovoltaïques, dans la région des hautsplateaux et dans la région du sud ouest; ainsi que dans la région du grand sud. Dans ladizaine d’années qui viendront, il est prévu la réalisation d’un parc d’énergiesrenouvelables de 5539 MW. L’objectif à 2030 est de 12 000 MW en énergies renouvelablepour la consommation interne d’électricité. La puissance photovoltaïque installée cumuléedans le monde a atteint 138,9 GW à la fin 2013.I.1.2 La conversion de la lumière en électricité:Le terme « photovoltaïque » souvent abrégé par le sigle « PV », à été formé à partirdes mots « photo » un mot grec signifiant lumière et « Volta » le nom du physicien italienAlessandro Volta qui a inventé la pile électrochimique en 1800. L’effet photovoltaïque estla conversion directe de l’énergie solaire en électricité [Rnc 02].Figure I.1 : conversion de l’énergie solaire en électricité.Enseignante : Mme S.BELAID4
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueL’énergie photovoltaïque est obtenue directement à partir du rayonnement du soleil.Les modules photovoltaïques composés des cellules photovoltaïques à base de silicium ontla capacité de transformer les photons en électrons. La conversion photovoltaïque seproduit dans des matériaux semi-conducteurs. L’énergie sous forme de courant continu estainsi directement utilisable. Dans un isolant électrique : les électrons de la matière sont liés aux atomes et nepeuvent pas se déplacer. Dans un conducteur électrique (un fil de cuivre par exemple) les électrons sonttotalement libres de circuler et permettent le passage d’un courant. Dans un semi-conducteur : la situation est intermédiaire, les électrons contenusdans la matière ne peuvent circuler que si on leur apporte une énergie pour leslibérer de leurs atomes. Quand la lumière pénètre dans un semi-conducteur, cesphotons apportent une énergie permettant aux électrons de se déplacer, il ya donccourant électrique sous l’exposition à la lumière.I.1.3 Technologie des cellules solaires :Le Silicium est l’un des matériaux le plus courant sur terre, c’est le sable, mais unhaut degré de pureté est requis pour en faire une cellule photovoltaïque et le procédé estcoûteux. Selon les technologies employées, on retrouve le Silicium monocristallin avec unrendement de 16 à 18%, le Silicium Polycristallin de rendement de 13 à 15%, le siliciumamorphe présente une efficacité entre 5 et 10%. D’autres matériaux tels que l’Arséniure deGalium et le Tellurure de Cadmium qui sont en court de test dans les laboratoires estprésentent un rendement de (38%).I.1.4 Fabrication des cellules photovoltaïques :Le silicium est actuellement le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques.On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûteterrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape est la production desilicium dit métallurgique, pur à 98 % seulement, obtenu à partir de morceaux de quartzprovenant de galets. Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de99,999 %, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui seradistillé puis retransformé en silicium. Il est produit sous forme de barres nomméesEnseignante : Mme S.BELAID5
Cours Energie Solaire Photovoltaïque« lingots » de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques de200 micromètres d'épaisseur qui sont appelées wafers . Après un traitement pour enrichiren éléments dopants et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, leswafers sont métallisés : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à descontacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellulesphotovoltaïques.I.2 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque :L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertirdirectement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de laproduction et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriquespositives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’uneprésentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivementdopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec laseconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zoneinitialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargéenégativement.Figure I.2 : Principe de la conversion photovoltaïque.Enseignante : Mme S.BELAID6
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueIl se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dansla zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant descontacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction estéclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interditecommuniquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande devalence dans la bande de conduction. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, lesélectrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnantnaissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule (voir figure I.2).I.3 Avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïqueLes avantages de l’énergie photovoltaïque les plus importants sont [Lal 05]:I.3.1 Avantages : Energie indépendante, le combustible (le rayonnement solaire) est renouvelable etgratuit. L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pasde gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets. Génère l’énergie requise. Réduit la vulnérabilité aux pannes d’électricité. L’extension des systèmes est facile, la taille d’une installation peut aussi êtreaugmentée par la suite pour suivre les besoins de la charge. La revente du surplus de production permet d'amortir les investissements voir degénérer des revenus. Entretien minimal. Aucun bruit.I.3.2 Inconvénients :- La fabrication des panneaux photovoltaïques relèvent de la haute technologiedemandant énormément de recherche et développement et donc des investissementscoûteux.- Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles.- Nécessite un système d’appoint (batteries) pour les installations domestiques.- Le coût d'investissement sur une installation photovoltaïque est cher.Enseignante : Mme S.BELAID7
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueI.4 Différents types de systèmes photovoltaïques :On rencontre généralement trois types de systèmes photovoltaïques, les systèmesautonomes, les systèmes hybrides et les systèmes connectés à un réseau [Lab 03]. Lesdeux premiers sont indépendants du système de distribution d’électricité, en les retrouvantsouvent dans les régions éloignées.I.4.1 Les systèmes autonomes :Ces systèmes photovoltaïques sont installés pour assurer un fonctionnement autonomesans recours à d’autres sources d’énergie. Généralement, ces systèmes sont utilisés dans lesrégions isolées et éloignées du réseau. Les différents types de systèmes photovoltaïquesautonomes sont décrits sur la figure (I.3) qui traduit les différentes possibilités offertes :couplage direct à une charge adaptée ou couplage avec adaptateur d’impédance MPPT(Maximum Power Point Tracking), fonctionnement au fil du soleil ou avec stockaged’énergie nu/alternatifContinueOu alternativeChargeContinueFonctionnement au fil du urContinu/alternatifChargeAlternativeCouplage directAvec bleContinu/continuouContinu/alternatifContinueOu alternativeFigure I.3 : Les différents types de systèmes photovoltaïques autonomes.Enseignante : Mme S.BELAID8
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueLe couplage direct implique un fonctionnement au fil du soleil, donc à puissanceessentiellement variable au cours de la journée. Les charges typiques à courant continu quipeuvent satisfaire le critère (tension constante à puissance variable) sont les accumulateursélectrochimiques. Les charges alternatives sont les pompes à eau, c’est le pompage au fildu soleil, le stockage est néanmoins présent sous la forme d’eau emmagasinée (dans unréservoir)Dans la plus part des cas une adaptation d’impédance doit être réalisée en insérant entrele générateur et sa charge électrique un dispositif électronique qui permet de forcer lesystème à fonctionner à sa puissance maximale. Exemple : Le pompage au fil du soleil.Figure I.4 : Schéma d’un système de pompage au fil de soleilLe pompage au fil du soleil permet d'avoir un système photovoltaïque plus simplecomme nous montre la figure ci-dessous. Le stockage se fait de manière hydraulique, l'eauétant pompée, lorsqu'il y a suffisamment d'ensoleillement, dans un réservoir au-dessus dusol. Elle est ensuite distribuée par gravité au besoin.I.4.2. Les systèmes hybrides :Les systèmes d’énergie hybride associent au moins deux sources d’énergierenouvelable aussi une ou plusieurs sources d’énergie classiques. Les sources d’énergierenouvelable, comme le photovoltaïque et l’éolienne ne délivrent pas une puissanceconstante, mais vu leurs complémentarités, leur association permet d’obtenir uneEnseignante : Mme S.BELAID9
Cours Energie Solaire Photovoltaïqueproduction électrique continue. Les systèmes d’énergie hybrides sont généralementautonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont souvent utilisés dans lesrégions isolées.Les différentes sources dans un système hybride peuvent être connectées en deuxconfigurations, architecture à bus continu et architecture à bus alternatif [Abo 05], [Vec05].HacheurGénérateursPhotovoltaïques GénérateursÉoliens Redresseur GénérateursDieselsHacheurBus continuRedresseurAutreSources d’EnergieRenouvelable (CA)Système de supervision (gestion)RedresseurOnduleur ChargesAlternativesSystème deStockageFigure I.5 : Configuration du système hybride à bus continu.Dans la première configuration, la puissance fournie par chaque source est centraliséesur un bus continu (voir figure I.5). Ainsi, les systèmes de conversion d’énergie à courantalternatif (CA) fournissent d’abord leur puissance à un redresseur pour être convertieensuite en courant continu (CC). Les générateurs sont connectés en série avec l’onduleurpour alimenter les charges alternatives. L’onduleur doit alimenter les charges alternatives àpartir du bus continu et doit suivre la consigne fixée pour l’amplitude et la fréquence. Lafonction spécifique du système de supervision est la commande de mise en marche et arrêtdes générateurs et du système de stockage. L’avantage de cette topologie est la simplicitéde commande. Dans la seconde configuration tous les composants du système hybride sontreliés à la charge alternative.Enseignante : Mme S.BELAID10
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueI.4.3. Les systèmes connectés au réseau :Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau (figure I.6)sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L’énergie estproduite plus prés des lieux de consommation. Les systèmes connectés à un réseauréduisent la nécessitée d’augmenter la capacité des lignes de transmission et dedistribution. Il produit sa propre électricité et achemine son excédent d’énergie vers leréseau, auprès du quel il s’approvisionne au besoin, ces transferts éliminent le besoind’acheter et d’entretenir une batterie. Il est toujours possible d’utiliser ceux systèmes pourservir d’alimentation d’appoint lorsque survient une panne de réseau.Figure I.6 : Systèmes photovoltaïque connectés au réseauEnseignante : Mme S.BELAID11
Cours Energie Solaire PhotovoltaïqueII. Modèles et caractéristiques de module photovoltaïqueII.1 Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque :Le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque comprend un générateur decourant qui modélise l’éclairement et une diode en parallèle qui modélise la jonction PN.Mais le schéma équivalent réel tient compte de l’effet résistifs parasites dus à lafabrication, il est représenté sur le schéma équivalent par deux résistances. [Nik 03], [Lal09].RseIphIdGGiIRsheRshI’pv V’pvRchTcFigure II.1 : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque.Avec :Gi : Source de courant parfaite.Rsh: Résistance shunt qui prend en compte les fuites inévitables de courant quiintervient entre les bornes opposées positive et négative d’une cellule.Rse : Résistance série qui est due aux différentes résistances électriques que le courantrencontre sur son parcourt (résistance de contact)D : Diode matérialisant le fait que le courant ne circule que dans un seul sens.Rch : Résistance qui impose le point de fonctionnement sur la cellule en fonction desa caractéristique courant-tension à l’éclairement considéré.Une cellule solaire est caractérisée par les paramètres fondamentaux suivants: Courant de court circuit (Isc) : C’est la plus grande valeur du courant générée parune cellule pour une tension nulle (V’pv 0). Tension en circuit ouvert (Voc) : Représente la tension aux bornes de la diodequand elle est traversée par le photo-courant Iph (Id Iph) quand (I’pv 0). Elle reflèteEnseignante : Mme S.BELAID12
Cours Energie Solaire Photovoltaïquela tension de la cellule en absence de lumière, elle est exprimée mathématiquementpar :I phI phVoc mkTc ln() Vt ln()eI0I0Où :Vt mkTceAvec :Vt : La tension thermique.Tc : La température absolue.m : Facteur idéal de la jonction.K : Constante de Boltzmann (K 1.38 10-23 J/k)e : Charge de l’électron (e 1.6 10-19). Point de puissance maximale (Pmax): est le point M(Vopt, Iopt) de la figure (II.2) oùla puissance dissipée dans la charge est maximalePmax Vopt .IoptAvec :Vopt : La tension optimale.Iopt: Le courant optimale. Rendement maximum : est le rapport entre la puissance maximale et la puissanceà l’entrée de la cellule solaire. P max Vopt .I opt PinA pv .GOù :G : l’irradiation qui représente la puissance lumineuse reçue par unité de surface(W/m2).Apv : Surface effective des cellules.Les conditions normalisées de test des panneaux solaires sont caractérisées par unrayonnement instantané de 1000W/m2 d’une température ambiante de 25 C et d’un spectreAM de 1.5. AM représente l’Air Masse qui est l’épaisseur de l’atmosphère que la lumièreEnseignante : Mme S.BELAID13
Cours Energie Solaire Photovoltaïquedoit pénétrer. Ces conditions sont appelées STC (Standard Test Conditions) celacorrespond à un ensoleillement assez fort.La figure (II.2) présente la courbe courant-tension d’une cellule photovoltaïque avecles points importants qui la caractérise.Courant (Ipv’ )IscMPmaxIoptVoptTension (Vpv’)VocFigure II.2 : Courbe courant -tension d’une cellule photovoltaïque. Exemple de module photovoltaïque:Les constructeurs de panneaux photovoltaïques fournissent les paramètres dumodule (Isc, Impp, Voc, Vmpp) sous les conditions standard de fonctionnement (une insolationde 1000W/m2 et une température de 25 C, AM 1.5). Le tableau suivant montre les donnéesd’un module photovoltaïque, de type SIEMENS SM 110-24.ParamètresValeursPuissance maximale du panneau Pmpp110 WCourant au point de puissance maximale Impp3.15 ATension au point de puissance maximale Vmpp35 VCourant de court-circuit Isc3.45 ATension en circuit ouvert Voc43.5 VCoefficient d’incrémentation du courant Isc (αsc)1.4 mA/ CCoefficient d’
Cours Energie Solaire Photovoltaïque Enseignante : Mme S.BELAID 4 totale), au Japon, aux EU, en Allemagne et en Europe, avec en particulier des grandes
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