01PHV_502_Physique_du_PV
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Principes physiques de l’effet photovoltaïque I) Introduction Contexte : I.1) Introduction historique Face aux prévisions d’épuisement inéluctable des ressources mondiales en énergie fossile (pétrole, gaz, charbon...), en énergie d’origine thermonucléaire (uranium, plutonium...), le soleil est une source d’énergie qui déverse chaque jour l’équivalent de 100 000 milliards de TEP (tonnes équivalent pétrole). Cette valeur est à comparer aux 9,58 milliards de TEP que représente la consommation annuelle mondiale en énergie primaire (1998). Considéré dans l’Antiquité comme un dieu, le soleil est aujourd’hui réduit au statut d’énergie, une énergie qu’il nous faut apprendre à capter, à transformer, à stocker... capter cette énergie solaire et la transformer directement en électricité par effet photovoltaïque est une alternative. L’hélioélectricité traite de la transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique. Quelques dates importantes dans l’histoire du photovoltaïque : 1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque. 1875 : Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une curiosité de laboratoire. 1887 : Heinrich Hertz met en évidence en l’effet photoélectrique externe, résultant de l’extraction d’électrons de métaux alcalins éclairés 1922 : Einstein obtient le prix Nobel de physique pour ses travaux sur l ’effet photo-électrique 1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, des laboratoires Bell mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement (4%) 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. 1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie. I.2) Domaines d’application o Domaine spatial : depuis les années 1960 les satellites et navettes les utilisent. Le spectre du rayonnement solaire étant différent en dehors de l'atmosphère, on utilise pour les cellules et les modules spatiaux d'autres matériaux plus sensibles dans les ultra-violets et plus résistants aux rayonnements et aux bombardements divers (UV, électrons, protons, ions, oxygène atomique, micro-météroïdes,...). L'arséniure de gallium (AsGa), le phosphure d'indium (InP) et le tellurure de cadmium (CdTe) sont les semi-conducteurs les plus prometteurs pour réaliser ces objectifs. o Habitation isolée L'approvisionnement en électricité dans les régions rurales isolées du réseau pour des n'est pas rentable pour les sociétés d'électricité. Les dizaines de milliers d'unités photovoltaïques autonomes (au silicium cristallin ou amorphe) installées de par le monde ont démontré leur compétitivité en ce qui concerne de multiples applications de petite et moyenne puissance (inférieur à 100 kW) tels que le pompage de l'eau pour la consommation du village ou pour l'irrigation, la réfrigération pour la production de glace et la conservation de vaccins, sang, produits agricoles, l'éclairage (lampe portative, éclairage public, électrification villageoise, ...) o Industrie isolée La technologie photovoltaïque est de plus en plus couramment intégrée dans les programmes nationaux d'électrification rurale (habitations domestiques, écoles, centres de santé, télécommunication, ...).sous la forme d'un système photovoltaïque centralisé (avec un générateur photovoltaïque unique pour un ensemble d'utilisateurs dispersés) ou décentralisé (petits générateurs photovoltaïques pour chaque consommateur). Beaucoup d'applications professionnelles exigent une source d'électricité hautement fiable, autonome, sans entretien et sans combustible. Le générateur photovoltaïque est utilisé avec succès dans les télécommunications (stations-relais pour TV, radio, téléphonie, émetteur-récepteur,...), mais aussi pour d'autres applications telles que: protection cathodique, -systèmes silencieux ou sans vibration, -éclairage, balises et signaux pour la navigation, équipement de monitoring, -télémétrie, etc. Centrale de puissance Avec les applications photovoltaïques connectées au réseau d'électricité national, une nouvelle tendance se dégage; elle est caractérisée par un fort potentiel de diffusion dans les pays industrialisés. Des centrales de o 1 production photovoltaïque sont expérimentées depuis quelques années en Europe (44 kW en Allemagne, 300 kW en Grèce, 340 kW en Corse), aux Etats-Unis (1 MW à Lugo, 8 MW à Carissa Plain) et au Japon (1 MW à Saijo), mais elles n'ont pas encore dépassé le stade pilote. La plupart des projets utilisent des champs de capteurs plans, mais on expérimente aussi les systèmes à concentration dans les régions riches en rayonnement direct. Seules les centrales photovoltaïques de moyenne et faible puissances (0,1 à 0,5 MW) semblent avoir une rentabilité économique. Elles seront vraisemblablement destinées à compléter le réseau en différents points critiques. Par exemple, aux extrémités d'un réseau, la qualité de la puissance se détériore lorsque la demande en électricité augmente. Une centrale photovoltaïque placée en bout de ligne permet de redresser la tension et d'améliorer la puissance. Lorsque la pointe de la demande est en phase avec l'ensoleillement, la centrale photovoltaïque connectée au réseau permet de fournir les pointes. C'est le cas dans le sud des E.U. où la demande est maximum aux heures les plus ensoleillées à cause du conditionnement d'air omniprésent. Une autre application intéressante dans ce secteur est la combinaison hydro-photovoltaïque pour des centrales au fil de l'eau (0,1 à 10 MW). L'apport énergétique du système photovoltaïque complète idéalement le creux saisonnier de certains cours d'eau, et la variation de la production sur l'année est atténuée. Cette application pourrait être développée dans nos régions dans un futur proche. Résidence urbaine Le générateur photovoltaïque connecté au réseau est aussi envisagé en zone urbaine avec l'installation de modules sur les toits et façades de bâtiments. Les premières réalisations datent de la fin des années 70 aux Etats-Unis, mais ce n'est que depuis quelques années que l'Europe s'est lancée dans un programme d'expérimentation de maisons photovoltaïques (2 à 3 kWc par toit), en particulier en Suisse et en Allemagne où la politique de protection de l'environnement est sévère. L'intérêt de telles réalisations est de produire de la puissance à l'endroit même de la demande, en s'affranchissant des problèmes du stockage. L'excès de production est injecté dans le réseau, et en période de non production (la nuit), l'électricité est prélevée sur le réseau. Le compteur tourne alors dans les deux sens. L'enjeu est important mais la rentabilité est très faible, même si le Wc coûte moins cher qu'en région isolée. En Europe, la demande domestique en électricité est généralement déphasée par rapport à la contribution du photovoltaïque, la pointe se situant le soir. La façade photovoltaïque suscite beaucoup d'enthousiasme en Europe et aux E.U.; le recouvrement des façades de bâtiments commerciaux - où la consommation est essentiellement diurne - correspond mieux aux heures d'ensoleillement. L'orientation verticale (ou quasi) peut être avantageuse dans nos régions de haute latitude pour rehausser la production au creux de l'hiver. Cependant, l'apport énergétique d'une façade recouverte de modules photovoltaïques risque d'être assez négligeable par rapport aux consommations de bâtiments commerciaux. En réalité, l'enthousiasme découle du fait que le revêtement à l'aide de panneaux solaires photovoltaïques reviendrait pratiquement au même prix qu'un recouvrement à l'aide de matériaux classiques. o Biens de consommation : du milliWatt à la dizaine de Watt les cellules au silicium amorphe, bon marché et mieux appropriées aux faibles illuminations et petites puissances fournissent l’énergie des calculatrices des montres. des chargeurs de batteries de radios, lampes de poche, luminaires de jardin, systèmes d'alarme, jouets, fontaines, tondeuses à gazon, etc.,. o I.3) Avantages et inconvénients Avantages La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages. o D'abord, une haute fiabilité (elle ne comporte pas de pièces mobiles) qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux. o Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliWatt au MégaWatt. o Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé. o Enfin, la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n'est par l'occupation de l'espace pour les installations de grandes dimensions. Inconvénients Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients. 2 o o o o La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des investissements d'un coût élevé. Le rendement réel de conversion d'un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28%). Les générateurs photovoltaïques ne sont encore compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que pour des faibles demandes d'énergie en région isolée (mais la tendance s’inverse). Enfin, lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru. La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes pour autant que la batterie et les composants de régulations associés soient judicieusement choisis. II) Principe de fonctionnement : II.1) L’effet photovoltaïque L’effet photovoltaïque constitue la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. Le terme photovoltaïque vient du grec " phos, photos " qui désigne la lumière et de " voltaïque ", mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA, connu pour ses travaux sur l’électricité. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs. II.1.1) Energie lumineuse : La lumière est constituée de photons vibrant à des fréquences f et sont donc porteurs d’une énergie h est la constante de Planck (h = 6,62·10-34 Js) E h f f la fréquence de l’onde lumineuse en Hertz E l’énergie de ce photon en Joules Remarque : Unité couramment employée l’électron volt :Unité de mesure représentant l’énergie cinétique d’un électron, accéléré dans le vide sous une différence de potentiel de 1 Volt: 1 eV = 160,217 . 10-21 Joule = 44,505 . 10-24 Wh. Alors E eV 1, 2419 µm Le flux de photons par seconde et par centimètre carré Tel que N ( ) M hc d avec N ( ) dépend du potentiel solaire M ( ) N( ) (cm2 s 1 µm1 ) flux de photons La conversion de photons en électrons dans un matériau pouvant produire un courant électrique nécessite que : — les photons soient absorbés par le matériau (absorption optique) en transmettant leur énergie au matériau ; — l’énergie transmise aux électrons soit une énergie potentielle et non une énergie thermique ; — les électrons excités par les photons soient collectés avant de reprendre leur énergie initiale (relaxation), afin de fournir un courant électrique. II.1.2) Principe de conduction dans un matériau: Les atomes sont constitués de noyaux et d’électrons qui gravitent autour. Pour qu’un matériau conduise l’électricité il faut que des électrons soient capables de se déplacer. Les électrons possèdent une certaine quantité d’énergie qui est quantifiée. Il existe donc des niveaux d’énergie auxquels appartiennent les électrons. Ces niveaux d’énergies se découpent ainsi 3 La bande de valence : (ayant 2 électrons) les électrons qui s'y trouvent participent aux liaisons entre les atomes. La bande de conduction : les électrons qui s'y trouvent sont mobiles et peuvent bouger d'un atome à l'autre si on leur applique un champ approprié, ils participent donc à la conduction électrique ; c'est le déplacement de ces électrons là qui est responsable du courant électrique. La bande interdite ou GAP la gamme d'énergie auxquelles les électrons n'ont pas accès (il n'y a pas de niveau d'énergie dans cette gamme),. Le niveau de Fermi correspond à l'énergie limite qui sépare, au zéro absolu, les niveaux occupés des niveaux vides. Cette énergie est caractéristique du matériau. Energie EC GAP EV Energie Energie Bande de conduction Bande interdite Bande de valence Isolant Bande de conduction Bande de conduction Métal GAP Bande de valence Niveau de Fermi Semi conducteur Dans un métal, le gap est nul ; il y a continuité entre les bandes de valence et celles de conduction, il y a donc toujours des électrons susceptibles de conduire le courant. Dans un isolant, la dernière bande de valence est pleine, et le gap est énorme : il n'y a donc aucune chance d'exciter un électron pour qu'il passe dans la bande de conduction (l'énergie requise est trop importante et ferait fondre le matériau avant qu'il ne commence à conduire). Pour les semi-conducteurs, à température nulle (=0 Kelvin) ce sont des isolants : bandes de valence pleines, et bandes de conduction vides. Mais un apport d’énergie faible (thermique ou lumineuse) suffit à faire passer des électrons dans la bande de conduction car le gap est très faible (de l'ordre de l'eV) : le matériau devient ainsi conducteur. II.1.3) Principe de la cellule photovoltaïque : les photons font conduire les électrons En effet lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont " bombardés " par les photons constituant la lumière; sous l’action de ce bombardement, les électrons des couches électroniques supérieures (électrons des couches de valence) ont tendance à être " arrachés / décrochés " : Energie si l’électron revient à son état initial n’ayant réussi à franchir le GAP l’agitation de l’électron se traduit par un Photon E=hf> Egap échauffement du matériau. L’énergie cinétique du photon Bande de est transformée en énergie thermique. conduction par contre, dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons Photon E=hf< Egap Egap =1 à 2 eV " décrochés " passent le GAP et vont dans la bande de conduction et créent une tension électrique continue faible. Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi Bande de valence directement transformée en énergie électrique : c’est l’effet photovoltaïque. Semi conducteur Dans notre cas il faut donc que l’énergie lumineuse soit supérieure à l’énergie nécessaire pour franchir le GAP. Dans ce cas l’électron se retrouve dans la bande de conduction. Les photons absorbés dont l'énergie est supérieure à l'énergie du gap vont libérer un électron négatif, laissant un "trou" positif derrière lui. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés (positive et négative) et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique, E, de part et d'autre de la cellule. II.1.4) Le dopage : réduit le Gap et crée un champ électrique pour collecter les électrons La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du "dopage" par des impuretés c'est-à-dire leur ajouter un autre atome à une certaine concentration, dont une bande d'énergie va se trouver exactement dans la bande interdite du semi-conducteur. Deux types de dopage sont possibles: 4 Le dopage de type N (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres. Ainsi le dopant va ajouter une bande d'énergie dotée d'électrons près de la bande de conduction ainsi, l'énergie nécessaire pour que les électrons passent dans la bande de conduction est bien plus facilement atteinte Dans le cas d'un dopage P (positif), on utilise des atomes dont l'insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium. Le niveau d'énergie ajouté se situera près de la bande de valence et sera doté de trous, c'est-à-dire que cette bande agira comme un ion positif manquant d'électrons. Le but du dopage : offrir un niveau donneur d'électrons (dopage N) ou receveur d'électrons (dopage P) auquel les électrons pourront accéder facilement ; pour atteindre un niveau de conduction les électrons auront besoin de moins d'énergie que pour franchir tout le gap du semi-conducteur.L'énergie à fournir aux électrons de valence pour passer sur ce niveau accepteur est faible, et le départ des électrons entraîne l'apparition de trous dans la bande de valence Anode Cathode EC eVo=Egap EF EV Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d'autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d'ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l'absorption du rayonnement pourront contribuer au courant de la cellule photovoltaïque. Lorsque l'énergie du band gap augmente, le courant diminue mais la tension est plus élevée Une jonction a été créée, et en ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, c'est une diode qui est obtenue. Lorsque cette diode est éclairée, les photons sont absorbés par le matériau et chaque photon donne naissance à un électron et un trou (on parle de paire électrontrou). La jonction de la diode sépare les électrons et les trous, donnant naissance à une différence de potentiel entre les contacts n et p, et un courant circule si une résistance est placée entre les contacts de la diode E V P I N E V Lumière Rch I Si la résistance Rch est infinie la tension atteinte est la tension de circuit ouvert VCO (0,4 à 06 V) Si la résistance Rch est nulle le courant atteint est le courant de court circuit ICC (qui dépend de l’éclairement). Eclairé (photopile) ICC I=V/Rch VCO V 5 Obscurité (diode) II.1.5) Absorption de l’énergie lumineuse : Le coefficient d’absorption optique caractérise la profondeur de pénétration du rayonnement, l’intensité du faisceau décroissant en fonction de la profondeur I I 0 e x I intensité coefficient d’absorption en m -1 x profondeur de pénétration en m Le coefficient d’absorption optique d’un matériau semi-conducteur varie beaucoup avec l’énergie des photons incidents : il est proche de 0 si hf < Eg et peut atteindre brutalement ou progressivement plus de 105 cm-1 si hf>Eg. De ce fait, les photons de grande énergie seront toujours absorbés près de la surface éclairée, alors que ceux d’énergie plus faible, mais toujours supérieure à Eg, seront absorbés en volume, plus ou moins profondément suivant la variation de avec hf. La figure 2 montre que, pour le silicium, la croissance de avec hf est douce, alors qu’elle est brutale pour l’arséniure de gallium. II.2) Composition d’une cellule PV Les technologies utilisées par les différents fabricants varient, mais les caractéristiques de base des composants d’une cellule sont les mêmes. Pratiquement, la cellule PV est composée de plusieurs couches minces à savoir : une couche "anti-reflet" réduit les pertes par réflexion (avant en TiO2 :34 % de réflexion du spectre visible, mais remplacée aujourd’hui par du nitrure de silicium hydrogéné (SiN-H). 8 % ) Contact avant Région de Charge d’Espace Contact arrière une grille conductrice avant " collectrice des électrons " qui doit (être dense pour collecter les électrons mais peu dense pour laisser passer la lumière) également être liée au silicium et ne pas être sensible à la corrosion ; ( Ni, Sn , Pb) une couche dopée N avec porteurs de charge libres négatifs (électrons) ; (Phosphore) une couche dopée P avec porteurs de charge positifs (trous) ; (Bore) une surface de contact arrière conductrice en métal " collectrice des électrons ", ayant une bonne conductivité ainsi qu'un bon accrochage sur le silicium ; (Al , Ni, Sn , Pb) 6 Caractéristiques d’une cellule PV I) Rendement énergétique I.1) Les Conditions Standard de Test(STC) Afin de pouvoir comparer les cellules entre elles on définit les Conditions Standard de Test. Les STC correspondent à une répartition du rayonnement de type solaire AM = 1,5, un rayonnement incident normal sur la cellule PV de 1 000 W / m², et une température de cellule à + 25 °C plus ou moins 2°C, la vitesse de l’air circulant autour de la cellule - environ à 2 m / s n’est pas précisée car elle est prise en compte dans la température de la cellule. I.2) Influence du matériau I.2.1) Réponse spectrale d’une cellule PV La valeur seuil de l’énergie que doit posséder un photon pour faire franchir le GAP à un électron est propre à chaque matériau semi-conducteur et s’étend de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV (1,76 . 10-19 Joules) pour le silicium cristallin (c-Si), et de 1,7 eV (2,72 . 10-19 Joule) pour le silicium amorphe (a-Si). Remarque : C’est la raison pour laquelle la cellule PV en silicium de votre calculatrice, dont l’efficacité est meilleure avec un rayonnement de courte longueur d’onde est plus sensible - (fonctionne mieux) - en extérieur avec la lumière solaire riche, en rayonnement de courte longueur d’onde( plus énergétique), qu’en intérieur avec la lumière artificielle, riche en rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde. Les différentes courbes de réponse spectrale données ci-contre le sont pour une source lumineuse de spectre unitaire. Or le spectre solaire, en première approximation, s'apparente plutôt au spectre d'émission du corps noir de température 5 900 °K. On distingue les domaines de prédilection des divers matériaux La figure ci dessus représente cette réponse spectrale pour une cellule monocristalline et aussi celle du rendement quantique interne RQI(λ), qui représente le nombre d’électrons créés et collectés pour chaque photon absorbé. La variation spectrale de RQI, qui est au plus égal à 1, est beaucoup plus « carrée » que ne l’est la sensibilité spectrale, puisque la perte d’énergie hν – Eg n’est pas prise en compte. Cette variation témoigne mieux de l’influence des recombinaisons superficielles et volumiques. 7 I.2.2) Réponse énergétique d’une cellule PV Il faut tenir compte du fait qu’un photon absorbé crée une seule paire électron-trou quelle que soit son énergie hf, et que l’excédent d’énergie hf - Eg par rapport à la largeur de bande interdite (Eg) est perdu. À énergie incidente égale, il y a deux fois plus de photons à 1 μm qu’à 0,5 μm Ce schéma montre l’exploitation du spectre solaire hors atmosphère par une photopile au silicium. La zone A correspond à l’énergie perdue par les photons non absorbés (environ 23,5 %). La zone B correspond à l’excès d’énergie, non utilisée, par les photons d’énergie supérieur à Eg (environ 33 %). A ces pertes, s’ajoute celle du facteur de forme, de la réflexion, de la surface des collecteurs … pour en final descendre à 10 – 15 %. Plus Eg est faible et plus grand sera le nombre de photons utilisables, mais aussi plus faible sera la phototension. Ces deux objectifs étant contradictoires, des calculs montrent les meilleurs rendements suivant les matériaux. I.3) Identification des autres pertes Le rendement est donc défini comme suit : Eélec Eélec Elum Eélec Ppertes Aux pertes déjà pré citées : Rayonnement : absorption incomplètes des photons pas assez énergétiques (d’où une recombinaison) ou excès d’énergie des photons très énergétiques (ultraviolet) S’ajoutent les pertes suivantes Réflexion de la lumière sur la cellule Zones de la cellule couvertes par les contacts Conduction : recombinaison de certains électrons et trous donnant lieu à leur caractérisation par résistance série et shunt de la cellule donnant lieu à des pertes Joules II) Comparatif des rendements 8 Le rendement d’une cellule est le ratio entre l’énergie lumineuse reçue à la surface de la cellule et l’énergie électrique produite par cette même cellule. Technologie Méthode de fabrication Stade de développement Rendement Module comme rcial en labo Avantages Inconvénients Parts de marché Cout Durée cellul e (labo) Monocristallin Croissance d’un lingot puis découpe de tranches Production industrielle 13-17 22.7 24.7 Bon rendement par cellule Coût de fabrication élevé Perte de matériel en cours de fabrication 38% 30 ans à 80% de PC Polycristallin Moulage lingot puis découpe de tranches Production industrielle 11-15 16.2 20.3 Cellules carrées Bon rendement par superficie Coût de fabrication élevé Perte de matériel en cours de fabrication 2 à 3 fois moins energivore que le mono c-Si 52% 25 ans à 80% de PC Couche minces amorphes Dépôt de silicium sur substrat Production industrielle 6-7 Facile à fabriquer Résistant aux variations de températures Souple Mauvais rendement 5% Silicium sur ruban ( ou EFG) Production industrielle 12-14 Silicium amorphe Production industrielle 5-9 10.4 Silicium cristallin en Production 7 9.4 27 13.4 Croissance rapide du cristal Meilleur cout /WC Faible rendement, donc grande surface Faible durée de vie Modules de grandes dimensions pour toits et façades, appareils de faibles puissances, espace (satellites) Modules de grandes dimensions pour toits et façades, générateurs de toutes tailles (reliés réseau ou sites isolés) Appareils de faible puissance production d’énergie embarquée (calculatrice montres...) modules de grandes dimensions (intégration dans le bâtiment) 10 ans 9 couche mince Diséléniure de Cuicre Indium CIS Et CIGS (Gallium) industrielle Production industrielle 9-12 Tellurure de Cadmium CdTe Pré industrialisation Production industrielle 6-9 Arseniure de Gallium Arseniure de Gallium, antimoniure de Gallium (GaAs) Aérospatiale 25 Recherche 2531 Cellules organiques Cellule de Graetzel Cellules multijonctions GaAsN(P) Recherche ZnMnOTe Cellules tandem à fil quantique Dépôt sur substrat Recherche Ge/GaInAs/GaI nP Implantation ionique d’azote Ablation laser Aérospatiale Recherche 13.5 19.5 16.7 5-8 8.4 2530 Couche mince, bonne résistance aux augmentations de température Bonne absorption optique Couche mince, bonne résistance aux augmentations de température Bonne absorption optique Ressources Indium limité Appareils de faibles puissances, modules de grandes dimensions (intégration dans le bâtiment) Matériaux toxiques Modules de grandes dimensions (intégrations dans le bâtiment) Cellules tandem avec plusieurs couches pour des longueurs d’onde différentes 11 40.7 Rendement Systèmes de concentrateur, espace (satellites). Che r Moins cher Moins cher Module absorption photon *sous concentration de 236 soleils Source : Systèmes Solaires – hors série spécial recherche solaire – juillet 2006 10 III) Caractéristique électriques d’une cellule PV III.1) Les relations I=f(V) de la cellule Si l’on polarise une jonction PN non éclairée qVkT I d I S e 1 avec Id V Id IS courant d’obscurité des porteurs minoritaires k : constante de Boltzmann k = 1,38.10 -23 T température q : 1 ,6.10-19 C = 1 pour le silicium aux courants forts Si l’on polarise une jonction PN éclairée (convention récepteur) I d I CC Id V V 0,6 Id qVkT I S e 1 P>0 Le courant ICC est proportionnel à l’éclairement V E1 0,6 E1 P<0 générateur P>0 Modèle de la diode éclairée (convention générateur) I ICC I d I CC Id V Id qVkT I S e 1 P>0 générateur E2 E1 V 0,6 Modèle de la diode éclairée (convention générateur) avec prise en compte des pertes Rsérie Les deux résistances modélisent les pertes internes I dues waux recombinaisons de certains électrons et ICC Id trous : Résistance série Rs : modélise les pertes ohmiques du Rshunt V matériau. (de l’ordre de l’ohm) Résistance shunt Rsh : modélise les courants parasites qui traversent la cellule ( de l’ordre du k). qV I RSérie I I CC I S e kT 1 42 44444443 1444444 V I RSérie Rshunt I ICC VCO V Id 11 Idéalisation de la cellule : linéarisation de la diode La diode est ici parfaite (tension seuil nulle) modélise le comportement non linéaire de la cellule. Le générateur de courant modélise le courant ICC généré par un éclairement. Modélisation en géné de courant si Rsérie 1,9 I I Rsérie ICC Id ICC Rshunt 62 VRsh Rshunt I ICC = 3 A V V VC0 Pente = 1/(Rshunt+Rsérie) Pente = 1/Rsérie I I CC I V I RSérie Rshunt VCO V Rsérie VC0 0,6V V Modélisation utilisée en géné de tension V VC 0 Rsérie I Idéalisation de la cellule : linéarisation de la diode + absence de pertes Deux droites décrivent le fonctionnement I = ICC tant que V<VC0 I V=VC0 si le courant absorbé n’atteint pas ICC ICC I ICC Id V VC0 VCO V Idéalisation de la cellule non éclairée Rsérie Lorsqu’une cellule n’est pas éclairée la jonction PN I s’oppose au passage du courant et la cellule se Id comporte comme une résistance Rshunt VC0 V cellule masquée qV I RSérie V I RSérie I I S e kT 1 Rshunt 144444442 44444443 Id Schéma d’une cellule + I V 12 III.2) Les courbes courant-tension et puissance-tension III.2.1) Tension de circuit ouvert VCO (pour I = 0) : courant nul pour une tension maximale aux bornes de la cellule Elle est fonction des caractéristiques de la jonction électronique et des matériaux. Pour une cellule donnée, elle ne varie presque pas avec l'intensité lumineuse, au moins pour des éclairements supérieurs à 100 W / m2 (ce qui correspond au rayonnement solaire sur terre d’une journée très couverte). On l’obtient en branchant directement un voltmètre aux bornes de la cellule. I + VC0 * V I=0 DC III.2.2) Courant de court-circuit ICC (pour V= 0) : tension nulle correspondant au courant maximum Il est directement proportionnel à l'énergie rayonnante reçue, c'est-à-dire à l'éclairement (W / m²), à la température ambiante, à la vitesse de circulation de l'air ambiant. Il est également directement fonction de la surface de la cellule. On obtient sa valeur en branchant un ampèremètre aux bornes de la cellule. I + V=0 * A ICC DC III.2.3) Les puissances d’une cellule (max , PC, facteur de forme) La courbe caractéristique d'une cellule PV représente la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule Cette courbe est établie dans des conditions ambiantes de fonctionnement données. En effet, le fonctionnement des cellules photovoltaïques dépend des conditions d’ensoleillement et de température à la surface de la cellule. Ainsi, chaque courbe courant-tension correspond à des conditions spécifiques de fonctionnement. Si par exemple la température de la surface évolue, la courbe n’est plus la même. I(A) Pmax idéale Cellule idéale ICC Caractéristique réelle (1000W/m2, 25°) 4 750W/m2, 25° 2 400W/m2, 25° Remarque: Dans une cellule PV au silicium, la tension VCO est de l'ordre de 0,4 à 0,6 V et le courant ICC est de l'ordre de 12 mA / cm2 pour des conditions de test standard Lieu des puissances maximales Courbes d’isopuissance P(W) Pmax = 102 W Pmax = 66 W Pmax = 29 W 10 VCO V(V) 100 50 V(V) 20 10 Dans des conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température, vitesse de circulation de l'air ambiant, etc..), la puissance électrique P (W) disponible aux bornes d'une cellule PV est égale au produit du courant continu fourni I par une tension continue donnée V : P (W), Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. P U I avec U (V), Volt : Tension mesurée aux bornes de la cellule PV. I (A), Ampère : Intensité mesurée aux bornes de la cellule PV. 1) La puissance max: ou Maximum Power Point (MPP) Une cellule PV possède un point pour lequel sa puissance débitée est maximum. Ce point est tangent à une courbe d’isopuissance. On la nomme Pmax. 13 2) La puissance max idéale Une cellule PV idéale présenterait, pour un éclairement, une température et une vitesse de circulation de l’air ambiant donnés, une courbe en forme de marche : le courant restant constant jusqu'à la tension de circuit ouvert, puis la tension demeurant constante jusqu’à un courant nul, le courant passe brusquement du courant de court-circuit Icc à 0. Pour une cellule solaire idéale, la puissance maximum Pmax idéale correspondrait donc à la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le courant de court-circuit ICC : Pmax idéale VCO I CC Pmax idéale (W), Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. avec VCO (V), Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV. I (A), Ampère : Intensité de court - circuit mesurée aux bornes de la cellule PV. CC En pratique, la courbe caractéristique d'une cellule PV est plus "arrondie", et la tension au point de puissance maximum VPmax est inférieure à la tension de circuit ouvert VCO, de même que le courant fourni IPmax est inférieur, pour cette même tension, au courant de court-circuit ICC. 3) Le facteur de forme : On appelle facteur de forme f le rapport entre la puissance maximum fournie par la cellule Pmax , dans des conditions d'éclairement, de température et de vitesse de circulation de l’air ambiant donnés, et le produit du courant de courtcircuit ICC par la tension de circuit ouvert VCO (c’est à dire la puissance maximale d’une cellule idéale) : f Pmax VCO I CC f : facteur de forme P (W) : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. max avec VCO (V), : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV. ICC (A) : Intensité de court - circuit mesurée aux bornes de la cellule PV. Le facteur de forme f est de l’ordre de 70 % pour une cellule de fabrication industrielle. 4) La puissance crête d’une cellule PV Dans le cas d’utilisation de photopiles avec le rayonnement solaire, la puissance crête d'une photopile, aussi nommée puissance "catalogue", notée Wc (Watt crête) ou Wp (Watt peak)( En moyenne, un Watt crête correspond à la puissance d’une cellule monocristalline d’une surface de 1 dm²), représente la puissance électrique maximum délivrée dans les conditions suivantes dites conditions standard : éclairement solaire de 1 kW / m2 (correspondant à peu près à une exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à midi par temps clair d'été) ; température de la cellule PV égale à + 25 °C. répartition spectrale du rayonnement dit AM.1,5 (correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir traversé une atmosphère de masse 1 à 45 °); III.3) Influence de l’éclairement L’énergie électrique produite par une cellule photovoltaïque dépend de l'éclairement qu'elle reçoit sur sa surface. On remarque que la tension Vmax correspondant à la puissance maximale ne varie que très peu en fonction de l'éclairement, contrairement au courant Imax qui augmente fortement avec l'éclairement. Comme la forme de la courbe varie peu en fonction de l’éclairement le rendement varie très peu en fonction de l’éclairement. lien vers le site e-LEE 14 III.4) Influence de la température Les caractéristiques électriques d'une cellule PV dépendent de la température de jonction au niveau de la surface exposée. Le comportement de la cellule PV en fonction de la température est complexe. Courant ICC Tension VC0 Puissance rendement cellules au silicium, le courant augmente d'environ 0,025 mA / cm2 cellules au silicium l tension décroît de 2,2 mV / °C baisse globale de puissance est d'environ de 0,4 % / °C lien vers le site e-LEE Ainsi, plus la température augmente et moins la cellule est performante. Ex : pour 1000 W/m² Température (°C) 10 25 40 55 75 Pmax (W) 108.1 100.5 92.9 85.4 77.9 Rendement (%) 12.5 11.7 10.8 9.9 9 15 Les systèmes photovoltaïques La cellule individuelle, unité de base d'un système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, Tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. Les modules photovoltaïques sont constitués en général de 36 ou 72 cellules photovoltaïques, connectées en série et colées entre une plaque de verre et une couche tedlar, enserrées dans un châssis en aluminium. La tension en générale délivrée par un module est de 12 ou 24 volts (parfois 18 volts), fonction du nombre de cellules en séries. L’intensité est fonction de la surface des cellules photovoltaïques. En fait, un module photovoltaïque composé de 36 cellules est dit 12 volts du fait que sa tension d'utilisation normale de sortie , l'ordre de 17 à 18 volts, permet de charger une batterie acide-plomb de 12 volts dont la tension en fin de charge est de environ 14,5 volts auquel il faut ajouter 2 volts pour faire fonctionner le régulateur de charge. I) Les associations de cellules En fait, l’association de cellules PV est analogue à l’association de générateurs: en série, leurs tensions s’ajoutent, en parallèle, leurs courants s’ajoutent. Cependant, leur fonctionnement est altéré si l’une des cellules associées est occultée (ombre par exemple). II) L’association en série de cellules Si on assemble en série n cellules, la tension aux bornes de l’assemblage est égale à la somme des tensions délivrées par chacune des cellules. V = n VC0 V (V), Volt : Tension aux bornes de l’assemblage. VC0 (V), Volt : Tension aux bornes de d’une cellule. Dans le cas d’une association en série, les cellules délivrent le même courant mais elles peuvent fonctionner avec des tensions différentes. III) L’association en parallèle de cellules Si on assemble en parallèle m cellules, la tension aux bornes de l’assemblage est égal à la somme des courants produits par chacune des cellules. I = m ICC I (A), Ampère: Courant circulant dans l’assemblage. ICC (A), Ampère: Courant circulant dans chaque cellule. Dans le cas d’une association en parallèle, les cellules délivrent la même tension mais elles peuvent fonctionner avec des courants différents. IV) Caractéristiques des modules photovoltaïques Le fabricant accompagne son module : d’une fiche rendant compte des contrôles auxquels il a été soumis, d’une fiche indiquant les caractéristiques du module notamment : les caractéristiques du module (poids, dimensions, surface, points de fixation...), les courbes caractéristiques courant = f (tension) dans les conditions de fonctionnement standard (STC), 16 quelques caractéristiques électriques : o la tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, VCO (V) Volt, o l’intensité de court-circuit mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, ICC (A) Ampère, o la puissance nominale, puissance maximale mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard (STC) Pmax nominale (W) Watt, o la tension de puissance nominale, puissance maximale aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, V Pmax nominale CO (V) Volt, o l’intensité de puissance nominale, puissance maximale aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard (STC), I Pmax nominale (A) Ampère. Par extension et par facilité, les professionnels caractérisent un module PV simplement par : La puissance nominale aux conditions de fonctionnement standard (STC); Pnominale = Pmax (W) Watt, La tension nominale du module PV (en général 12, 24, 48 Vcc; Vnominale (V) Volt). Notes : ls caractéristiques des modules sont souvent exprimées aux conditions de test standard (STC) en laboratoire, " NOCT " (Nominal Operating Cell Temperature) est la température de la cellule (module ou du module) fonctionnant sous 800 W / m² de rayonnement, + 20 °C de température ambiante et 1 m / s de circulation de l’air environnant ambiant. V) Problèmes liés à la mise en série Si une cellule est occultée (si elle ne reçoit plus qu’une faible partie de l’énergie solaire reçue par les cellules voisines), elle ne peut délivrer qu’un courant limité. Le pire des cas apparaît lorsque l’ensemble est court-circuité. Le courant de court circuit ICC traverse alors la cellule occultée et qui est donc soumise à la tension inverse –VIcc et se comporte donc en récepteur qui dissipe alors la puissance P= VIcc ICC donnant lieu à un échauffement local nommé parfois « hotspot ». Au-delà d’une certaine tension inverse (environ 20 V), la probabilité de claquage d’une cellule (destruction de la jonction électrique) devient importante. Pour limiter la tension inverse maximum susceptible de se développer aux bornes d’une cellule, les fabricants ou installateurs de modules photovoltaïques placent donc une diode parallèle, appelée diode bypass, toutes les 18 à 36 cellules (selon les applications). + Hotspot Rshunt+Rsérie VCC=(RS+Rshunt)I Charge V=0 nulle Cellule occultée ICC Implantation de la diode By-pass + I Trajet du courant V Cellule occultée Charge Bloc d’environ 18 cellules en série VI) Problèmes liés à la mise en parallèle Si une ou plusieurs cellules sont occultées, les autres deviennent réceptrices car la tension de fonctionnement est supérieure à la tension de circuit ouvert. Bien qu’une cellule puisse dissiper un courant important, il est préférable de disposer d’une diode anti-retour, laquelle empêche également de gaspiller dans une autre cellule occultée une partie de la puissance produite par les cellules fonctionnant normalement. Pour limiter ces pertes et protéger les cellules, on place donc une diode en série, appelée diode série, toutes les n cellules (n étant fonction des caractéristiques du montage). Cette diode série est indispensable pour une utilisation en site isolé afin que la batterie ne se décharge pas dans le panneau photovoltaïque. I Cellules occultées Implantation de la diode série I Les cellules dissipent la chute de tension V Diode série V 12 V Charge 12 V Diode série Diode by-pass Charge 12 V 17 Exercices et TP I) Modèle d’une cellule photovoltaïque On modélise une cellule photovoltaïque par le schéma ci-dessous dans lequel la diode (diode parfaite hormis une tension de seuil de 0,7 V) traduit la non linéarité de sa caractéristique. Pour l’étudier on utilise deux modèles correspondants à deux plages de tension. Le premier modèle est pris pour une tension V comprise entre 0 et 0,68 V. Le second pour une tension supérieure. A 0,68 V jusqu’à obtenir 0A 1°) Modélisation 1.1°) Déterminer le MET du premier modèle 1.2°) Déterminer le MET du second modèle 1.3°) Tracer les deux caractéristiques I=f(V) sur un même graphique 2°) Puissances en jeu 4.1°) Déterminer la puissance maximale débitée par la cellule (facultatif tracé de P= f (V)) 4.2°) On souhaite obtenir un panneau qui pourrait si la cellule était parfaite (0,7V , 3 A) délivrer 210 W sous 35 V. Quel est alors l’assemblage série parallèle à effectuer. 4.3°) Dans ce cas quelle est la puissance réellement fournie. ² I Rsérie 6.9 m ICC = 3 A VRsh + ICC = 3 A Modélisation utilisée tant que VRsh < 0,68 V Id Rshunt 6.9 V V I Vd = 0,7 V ICC = 3 A Schéma V Rsérie 6.9 m I I Rshunt 6.9 Modèle Rsérie 6.9 m Vd = 0,7 V Rshunt 6.9 V Modélisation utilisée au-delà de 0,68 V II) Surface nécessaire pour fournir la France en énergie PV À titre d’exemple, pour donner un ordre de grandeur des énergies mises en jeu, une toiture de 100 m 2 située dans le sud de la France (durée moyenne d’ensoleillement 8 h/j), orientée perpendiculairement à l’inclinaison moyenne des rayons, reçoit par jour un flux énergétique d’une puissance de 70 kW, soit l’équivalent d’une énergie électrique de 560 kWh. On imagine que même un capteur dont le rendement est de 10 % peut récupérer une énergie importante III) Nombre de cellules Une cellule produit au maximum une tension de 0,44 V pour un courant de 4,6 A sous un éclairement de 1000W/m 2 AM 1,5. Quel est le nombre de cellules nécessaires pour générer une puissance de 150 Wc. (8*9) IV) Détermination des éléments d'une chaîne de pompage photovoltaïque au fil du soleil L'objectif de ce problème est de déterminer l'ensemble des éléments (pompe, convertisseur statique, modules photovoltaïque à mettre en œuvre pour pomper de l'eau à une profondeur équivalente' de 50 m avec un débit de 1,4 m3/h Pour une pompe immergée en fond de forage, on appelle profondeur équivalente la somme de la hauteur d'eau réelle au-dessus de la nappe phréatique et de l'équivalent d'une hauteur correspondant aux pertes de charge dans la tuyauterie. 18 1. 2. 3. Rappeler l'architecture du système de pompage d'eau au fil du soleil (c'est-à-dire sans stockage électrochimique) à partir de modules photovoltaïques. Indiquer les noms de tous les éléments utilisés. Pourquoi évite-t-on l'usage d'un stockage électrochimique (batteries d'accumulateurs) dans un système de pompage d'eau au fil du soleil ? Pourquoi est-il intéressant, voire nécessaire, d'utiliser un convertisseur statique entre des modules solaires et un moteur électrique ? Pour l'application décrite ci-dessus, on a choisi une pompe Grundfoss MP1. Le moteur est de type asynchrone monophasé (tension et fréquence nominales de fonctionnement : 240 Veff, 400 Hz). Le diagramme de fonctionnement débit/hauteur manométrique totale de cette motopompe, conçue pour la vitesse variable, est donné ci-après. La hauteur manométrique totale (HMT) est une pression exprimée en mètres de colonne d'eau (mCE). Pour simplifier les calculs, on prendra 1 m d'eau = 104 Pa. 4. 5. 6. 7. 8. Indiquer sur le diagramme ci-dessus le point de fonctionnement correspondant au fonctionnement désiré Quelle est la puissance hydraulique P hydro ? On rappelle que la puissance hydraulique est le produit du débit (en m3/s) par la pression (en Pa). Le rendement (de l’ensemble moteur + pompe) est estimé à 0,6. Quelle est la puissance électrique absorbée par la motopompe Pmoteur? Le rendement de la conversion statique est estimé à 0,9. Quelle est la puissance électrique que doit délivrer le champ de modules solaires Psortie modules? Avec un rendement de cellules photovoltaïques de 12% et un éclairement de 1 kW/m², quelle est la surface de silicium à exposer au soleil ? On choisit d'utiliser des modules MSX-77 BP-Solar dont les caractéristiques (pour un module) sont données ci-après : 9. Sachant qu'un module mesure 1,11m par 66 cm, quel est le "rendement" opérationnel, c'est-à-dire le rapport de la puissance électrique minimale garantie à la surface hors tout. 10. Combien faut-il de modules MSX 77 pour obtenir la puissance désirée Par la suite et pour tenir compte de la diminution de la puissance électrique obtenue en fonction de la température, on choisira d'utiliser 6 modules. 11. Pour l'application étudiée, quel est le meilleur couplage électrique de ces modules (série, parallèle ou série/parallèle) ? 19 La caractéristique d'un module est donnée ci-après : 12. Graduer les axes extérieurs (tension et courant) pour le champ complet en fonction du couplage choisi à la question précédente. On suppose que : - la puissance absorbée par la motopompe est proportionnelle au cube de la vitesse ; - la. vitesse de rotation de la machine est proportionnelle à la tension d'alimentation ; - le courant absorbé est proportionnel au couple demandé. 13. Quelle est alors la relation courant-tension de la motopompe ? 14. On désire obtenir une courbe quantitative. On s'intéresse alors à l'ensemble onduleur-motopompe. Comment graduer la courbe exprimant la relation courant tension à l'entrée de l'onduleur ? La graduer. 15. On considère l'ensemble onduleur-motopompe. Quelle est la tension crête correspondant à la tension nominale d'alimentation du moteur? Cette tension est celle qui devra alimenter l'onduleur. 16. Cette tension élevée ne peut pas être obtenue directement avec le champ de modules considéré. Il faut donc utiliser un convertisseur supplémentaire entre les modules et l'onduleur. Comment se nomme-t-il ? Quelle est sa caractéristique principale ? 17. Pour une température de fonctionnement des modules égale à 75°C, quel est le rapport de transformation à choisir pour maximiser la puissance de pompage ? 18. Pour ce rapport de transformation, superposer la caractéristique I(V) du moteur déterminé à la question 13. 19. Pour un ensoleillement moitié par rapport au précédent (soit 500 W/m²), dessiner (toujours sur le même graphique) la nouvelle caractéristique I(V) du champ. 20. Indiquer, toujours sur la même figure, le nouveau point de fonctionnement. 21. Utilise-t-on les modules à leur point de puissance maximale ? 22. Que peut-on faire pour revenir à un point de puissance maximale ? 23. Quelle puissance peut-on alors obtenir ? V) Temps de retour énergétique des modules photovoltaïques Le temps de retour énergétique est le temps qu'il faut à un module photovoltaïque pour fournir l'énergie qu'il a fallu pour son élaboration. Au-delà de ce temps, le module fournit plus d'énergie qu'il n'en a consommée pour le produire. Suivant le procédé d'élaboration du silicium utilisé, l'énergie nécessaire pour obtenir 1 kg de silicium de qualité microélectronique (QE) à partir de quartz (sable) est variable. On prendra 130 kWh. À partir de ce silicium. il faut encore une énergie de 0,5 kWh pour fabriquer 1 Wc de cellule puis 10 kWh pour fabriquer un module de 85 Wc. Pour faire un bilan énergétique complet, il faudrait ne pas oublier l'énergie nécessaire au transport et au matériel indispensable à l'installation des modules puis à la déconstruction en fin de vie du dispositif. On n'en tiendra pas compte ici. 1. Calculer le temps de retour énergétique pour des modules photovoltaïques dont les cellules sont élaborées à partir de silicium QE. On prendra : - Épaisseur des cellules photovoltaïques : 200 µm mais on perd la moitié du silicium lors de l'opération de sciage des lingots pour obtenir des plaquettes 20 - Masse volumique du silicium : 2330 kg/m 3 Ensoleillement nominal : 1kW/m² Rendement de conversion de 15% Production énergétique pour 1 Wc installé de cellules photovoltaïques (en condition optimale): 1,4 kWh/an. On pourra d'abord calculer le temps de retour énergétique pour l’élaboration du silicium puis celui nécessaire pour passer à la cellule puis au module. Pour diminuer l'énergie consommée pour l'élaboration du silicium les applications photovoltaïques peuvent se satisfaire d'un silicium moins pur (qualité solaire : QS). Il faut alors environ 40 kWh/kg pour l'élaboration de ce silicium. 2. Calculer le nouveau temps de retour énergétique pour des modules dont les cellules sont fabriquées à partir de silicium QS. VI) Recherche du point de puissance max d’un PV L'objectif de ce problème est de déterminer comment on peut soutirer la puissance maximale d'un générateur photovoltaïque Un kit solaire élémentaire est constitué d'un panneau photovoltaïque, d'une batterie de stockage pour alimenter de jour comme de nuit des charges utilisatrices d'énergie électrique. Le schéma de l'installation est dessiné ci-après : L'objet de l'étude est la constitution de la "boîte noire" qui couple, de manière plus ou moins complexe, le panneau photovoltaïque, la batterie et les utilisateurs. Le panneau est un MSX 83 de BP-SOLAR. Ses caractéristiques sont données en Annexes. Détermination de la puissance maximale théorique L'ensoleillement vaut 1 kW/m², la température du panneau est 75°C. 1. Calculer le rendement pratique d'un panneau MSX S3 dans les conditions ci-dessus au point de puissance maximale (caractéristiques données en annexe). Puissance fournie par le panneau à 1 kW/m² et 75°C La batterie est supposée parfaite (pas de résistance interne), l'ensoleillement vaut 1 kW/m², la température du panneau est 75°C. La caractéristique courant-tension du panneau pour la température de 75°C est dessinée ci-dessous (les valeurs des points de la courbe sont donnés en annexe 2) : En milieu de charge, la batterie présente une tension à ses bornes de 13,2 V. 2. Dessiner la caractéristique électrique de la batterie sur la figure ci-dessus. 3. Quels sont la puissance et le courant fournis par le panneau à l'ensemble batterie-utilisateurs ? 4. Que peut-on dire de cette puissance par rapport à la puissance maximale que peut fournir le panneau pour un 21 ensoleillement. de 1 kW/m² et une température du panneau de 75°C ? 5. Que doit contenir au minimum la "boite noire" qui couple le panneau photovoltaïque à la batterie et aux utilisateurs Puissance fournie par le panneau à 0,2 kW/m² et 25°C À mesure que la journée avance, l'ensoleillement ainsi que la température du panneau diminuent. Ils valent maintenant 0,2 kW/m² et 25°C. La caractéristique courant-tension pour la température de 25°C et un ensoleillement de 1 kW/m² est dessinée cidessous (les valeurs des points de la courbe sont donnés en annexe 2) : 6. En déduire la caractéristique à 0,2 kW/m² (pour cela, on donnera une explication ci-après et on redessinera les axes I et V et/ou leur graduation sur la figure ci-dessus). 7. Quelle est la puissance maximale que peut fournir le panneau pour ces nouvelles donné es ? La batterie présente toujours une tension à ses bornes de 13,2 V. 8. Dessiner la caractéristique électrique de la batterie sur la figure ci-dessus. 9. Quel est le courant fourni par le panneau ? 10. Quelle est la nouvelle puissance fournie par le panneau à l'ensemble batterie-utilisateurs ? 11. Que peut-on dire de cette puissance par rapport à la puissance maximale que peut fournir le panneau pour un ensoleillement de 0,2 kW/m² et une température de 25°C ? 12. Que peut-on utiliser dans la "boîte noire" pour améliorer le transfert de puissance entre panneau et l'ensemble batterie-utilisateurs ? 13. Quelle puissance peut-on alors théoriquement transiter du panneau vers l 'ensemble batterie-utilisateurs ? 14. Quel est le gain de puissance (en valeur relative, c'est-à-dire en pourcentage) ? 15. Qu'est-ce qui fait que la puissance transmise est en réalité (légèrement) inférieure à la puissance théorique ? 16. Si on utilise un hacheur, quel doit être son rapport de transformation pour maximiser le transfert d'énergie? 22 23
