Introduction
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Thème : L' Homme et la Nature Sujet: Les énergies renouvelables -------L' energie photovoltaïque Problématique : Comment assurer la transformation de l' énergie solaire en énergie électrique ? Plan : I. La cellule photovoltaïque II. Modes d' utilisations III. Architecture IV. Principe de fonctionnement V.Expérimentations VI. Conclusion Introduction Energies en générales Les besoins énergétiques de l'humanité n'ont cessé de croître avec son évolution : nous avons utilisé des ressources qui sont apparues avec le progrès scientifique telles que le charbon, le pétrole, le gaz ou encore le nucléaire. Actuellement les énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz) sont consommées bien plus rapidement qu'elles ne se forment dans la nature, et il est estimé que les réserves mondiales seront épuisées vers 2030 si la consommation n'est pas radicalement modifiée, et au maximum vers 2100 si des efforts sont produits sur la production et la consommation. Etant donné que cette forme d'énergie couvre une grosse partie de la production énergétique actuelle, il s'avère nécessaire de trouver une autre solution pour prendre le relais. Ene rgies renouvel ables A l’opposé, les sources d’énergi es renouvel ables (solaire, géothermie, biomasse, éolienne…) ont recours à des flux naturels qui traversent de façon plus ou moins permanente la biosphère qui abrite tous les êtres vivants de la Terre. Comme elles n’utilisent qu’une infime partie de ces flux, les énergies renouvelables sont considérées comme inoffensives pour l’environnement 1. L’énergie solaire L’énergie solaire est disponible partout sur terre. Notre planète reçoit 15000 fois l’énergie que l’humanité consomme. Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2 à 3 kWh par jour en Europe du Nord, 4 à 6 kWh par jour en région PACA ou entre les tropiques. L’exploitation de cette énergie peut se faire de trois manières : La thermique La thermodynamique 2. Le photovoltaïque Le module photovoltaïque, quant à lui, convertit sur place et très simplement entre 3% et 30% de cette énergie en courant électrique continu. La ressource est abondante. Représentation du gisement solaire L'utilisation des cellules solaires débute dans les années quarante. Le domaine spatial a besoin d'une énergie sans combustible embarqué. La recherche s'intensifie sur le photovoltaïque. En 1954 est créée par les laboratoires BELL la première cellule photovoltaïque avec un rendement de 4%. En 1958 est lancé le premier satellite alimenté en électricité photovoltaïque. Quelles sont les avantages de l’énergie photovoltaïque par rapport à d’autres énergies renouvelables ?? La lumière du soleil est disponible partout : Montagne ou village isolé. Une centrale photovoltaïque fonctionne de manière totalement transparente pour l’utilisateur et sans intervention de sa part. La taille des installations peut être modifiées Systèmes photovoltaïques extrêmement fiables : aucune pièce en mouvement, les matériaux résistent aux pires conditions climatiques. La durée de vie d’un capteur est ainsi de plusieurs dizaines d’années. I. La cellule photoélectrique Analyse fonctionnelle Qu'est ce qu'une cellule photovoltaïque ? Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt). La tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V. L'utilisation industrielle des cellules dans l'énergie photovoltaïque se fait sous la forme de panneaux. Un panneau est composé de plusieurs cellules montées en série et en parallèle pour obtenir une puissance générée plus importante Les différents types de cellules et leur fabrication Aujourd’hui, la majorité des modules photovoltaïques sont fabriqués à partir de cellules photovoltaïques au silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin) ou au silicium amorphe. Actuellement, on distingue 2 filières pour la fabrication de cellules photovoltaïques : 1. la filière de fabrication des cellules au silicium cristallin Cellules monocristaline Cellule polycristaline 2. la filière de fabrication des cellules couches-minces Cellules au silicium cristallin Pour la fabrication de ce type de cellules photovoltaïques, on utilise des cristaux de silicium sous forme monocristalline ou polycristalline. Les processus de fabrication de ces cellules Photovoltaïque sont similaires. Cependant, les procédés d'obtention des matériaux de base (silicium monocristallin ou polycristallin) sont différents. La matière première La piere de silice est a la base de la production de cellules photovoltaïques. La silice est un composé chimique (dioxyde de silicium) et un minéral de formule SiO2. Il est le principal constituant des roches sédimentaires détritiques (sables, grès) Silicium monocristallin La technologie monocristalline, plus chère, utilise des barres pures de silicium également employées dans la fabrication des puces électroniques. Le silicium monocristallin est une matière première d'une très grande pureté. Il est généralement obtenu par tirage. Une plaquette de silicium monocristallin est composée d'un seul grain. 1. Tirage en creuset On obtient des lingots cylindriques monocristallins par tirage en creuset. Pour optimiser l'intégration des cellules dans les modules PV, les bords des lingots sont coupés à la scie : on appelle cette opération l'équarrissage. 2. Equarrissage Silicium polycristallin Le silicium polycristallin, quant à lui, est obtenu par refonte des chutes de silicium monocristallin issues des opérations d’équarissage. Son taux de rendement est légèrement inférieur mais il est beaucoup moins cher à l'achat. Les chutes sont placées dans un creuset porté à + 1 430 °C. Après la phase de fusion, le fond du creuset est refroidi. On oriente de bas en haut la solidification, pour lui donner une structure colonnaire multicristalline à gros grains. Le lingot obtenu est ensuite découpé, en briques de 101,5 x 101,5 mm ou 120 x 120 mm actuellement. Ces briques assemblées transformées. sont pour ensuite être Four à silicium polycristalin 3.Le découpage des lingots Les lingots sont découpées en "tranches" de silicium appelées "wafer" au moyen d'outils spéciaux : une scie diamentée pour le silicium monocristallin, une scie à fil pour le silicium polycristallin A la fin de l' opération pratiquement la moitié du silicium est perdue. 4. Le dopage des tranches L'étape la plus importante de la fabrication, celle qui va transformer la "tranche" de silicium en photopile, est la réalisation de la jonction P-N. On réalise une structure de diode en dopant le matériau en volume avec un élément tel que le bore qui le rend positif (zone P) et en le contre dopant dans une zone superficielle avec du phosphore qui le rend négatif (zone N). 5. Le dépôt de la couche antireflets Afin de faciliter au maximum la pénétration des photons à travers la surface, on dépose une couche antireflet sur la face avant des cellules Photovoltaïque. 6. Pose des contacts métalliques Lithographie Les contacts métalliques sont déposés de façon optimale pour ne pas trop réduire la surface de la cellule occultée, tout en permettant le transfert d'un maximum d'électrons. Postes de fabrication 7. L’enchaînement Enchaînement, assemblage des cellules entre elles Les cellules Photovoltaïque sont ensuite connectées plusieurs fois les unes aux autres, pour former des chaînes. L' assemblage des cellules connectées en parallèle et en série caractérisent et définissent un Module Phtovoltaïque. 8.L’encapsulation Encapsulation des cellules en module Les chaînes de cellules sont encapsulées dans un plastique E.V.A, pour les protéger des agressions extérieures (rayons U.V., humidité) et les isoler électriquement. 9.L' encadrement Encadrement du module PV Le module est placé dans un cadre métallique rigide qui va lui donner une grande rigidité mécanique. Le module subit enfin des tests mécaniques, optiques et électriques, avant d'être mis sur le marché. Cellules photovoltaïques en couches minces Dans cette technologie, le principe est d'appliquer le semi-conducteur sous forme de "spray" sur un support. Le semi-conducteur est ainsi économisé car il n'est pas, comme pour les cellules au silicium cristallin, scié dans la masse. Cette méthode de fabrication devrait permettre dans l'avenir de réduire significativement les coûts de production des cellules PV. Ensemble de fabrication de modules polycristellins les plus couramment utilisés : Comparaison – Le rendement <1 Le rendement est le quotient de l' énergie produite par l'énergie thermique reçu. On le multiplie ensuite par 100 pour obtenir le rendement en pourcentage. Cellules monocristaline Les cellules monocristallines sont rondes ou presque carrées et, vues de près, elles ont une couleur uniforme. Rendement: 12 à 16% Coût de production: Elevé Cellules polycristalines Les cellules polycristallines sont composées de différents cristaux Rendement: 11 à 13% Coût de production: Moyen Modules PV amorphes Rendement : 6 à 10 % Coût de productrion : Bas Inclinaison Dans la quasi totalité des régions de france, l' inclinaison optimale durant toute l' année est : Sud 30° Prix de vente et prix d'achat de l' énergie photovoltaïque Actuellement, il y a une contradiction troublante: le prix de vente de l'électricité photovoltaïque produite est supérieur au prix de l'achat de l'électricité du réseau. Donc, un particulier a tout intérêt à vendre la totalité de sa production et à acheter l'électricité dont il a besoin. Le coût d'un module PV - Le prix des modules est de l'ordre de 2,5 à 3 EUR/W, sortie usine. - Les modules représentent de 50 à 60% du prix d'un système PV complet. Donc un module de 1m² sorti d' usine coûte environ: 100 x 3 = 300 Euros Exemple du coût d'un système PV Systeme comprenant: - 1 module de 10 m2 - Les éléments de connexion spécifiques entre les panneaux et l'onduleur, - L'onduleur qui assume une fonction de liaison entre le système PV et le réseau électrique. La fourniture, la pose et la connexion au réseau, coûtent environ 7.500 EUR Comment choisir la puissance de la centrale ? Le choix dépendra essentiellement : – de la surface disponible sur le toit, – de la production photovoltaÎque envisagée – du budget qui peut y être consacré. On cherchera à couvrir au moins 50 % des besoins en électricité, puisque le réseau sera toujours là pour vous apporter le complément nécessaire. Sachant que 10 m² délivrent une puissance de 1 kWc, une « famille moyenne européenne de 4 personnes » ayant besoin d' une puissance de 2 kWc, devra installer (2 x 10) 20 m² de panneaux solaires. L' unité de base mise en oeuvre a généralement une puissance de 1.1kWc. Elle correspond à l' association de 10 panneaux de 110 Wc et d' un onduleur de 850 W. Evolution et production des photopiles En vingt ans, le prix du watt photovoltaïque a considérablement baissé : de plus de 100 dollars en 1975, il est aujourd'hui tombé aux environs de 4 dollars. Balance énergétique des cellules PV Le temps qu’il faut pour qu’une cellule PV polycristalline génère la quantité d’énergie équivalente à celle nécessaire à sa fabrication est d’environ 3 ans. En considérant que la durée de vie d’une cellule PV polycristalline est de 20 ans, on peut ainsi affirmer qu’elle fournit de l’énergie " propre " pendant 17,5 ans, soit plus de 87 % de sa durée de vie. II. Modes d' utilisations - Toit solaire Un toit solaire comporte deux éléments clef: -des modules -un onduleur. Les panneaux photovoltaïques produisent du courant continu sous une tension de l'ordre de 200 Volts, qui est ensuite transformé en courant alternatif type EDF par un appareil électronique appelé onduleur pour être soit consommé, soit envoyé sur le réseau à l'intérieur du bâtiment. S'il n'est pas consommé directement par un appareil en fonctionnement, ce courant est injecté dans le réseau public de distribution et acheté à un prix fixé. Dans le cas où vous avez choisi d'autoconsommer la production issue de votre générateur photovoltaïque, lorsque la consommation dépasse la production (nuit, brouillard, ...), c'est le réseau qui fournit le courant, exactement comme d'habitude. RMQ: Les onduleurs ont besoin qu' une tension de référence soit présente sur le réseau. Les centrales photovoltaïques raccordées au réseau ne peuvent donc pas être considérés comme des alimentations de secours qui seraient utilisées lorsque le réseau tombe en panne. - Type isolé Dans le cas d'une production autonome d'électricité, les capteurs sont reliés à des batteries d'accumulateurs. Cet élément, le plus sollicité, se charge et se décharge au gré des alternances jour - nuit et des variations climatiques. La batterie fournissant du courant continu, l'électricité est donc utilisée selon deux standards : - courant continu (de 6 à 48 Volts) directement pour tous les besoins de bases (éclairage, froid) - courant alternatif 220 Volts, produit par un "onduleur " pour les besoins plus ponctuels (électroménager, audiovisuel, petit outillage). Alimentation d' un seul récepteur Alimentation d' un récepteur et chargement des batteries Alimentation des récepteurs par le module et par la batterie Alimentation par la batterie Schéma type d' une installation solaire III. Architecture Type « surimposé » Ce mode de pose est le plus courant et le plus simple. Type « intégré » Méthode idéale combinant la performance technique et l' aspect esthétique. Type « façade » Système le plus esthétique mais avec 30 % de perte de production et un cout de production bien supérieur aux autres type. Type « terrasse » Système permettant d' avoir l' angle d' inclinaison le plus adapté à la région et donc un meilleur rendement. IV. Principe de fonctionnement - L' effet photovoltaïque L’effet photovoltaïque constitue la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique. L' effet photovoltaïque n'utilise pas la chaleur du soleil mais l'énergie de ses photons. Il a été découvert par le français Alexandre Becqurel en 1839 à l' âge de 19 ans. Cette conversion est réalisé grâce a des modules photovoltaïques, composés de cellules photovoltaïques que nous avons décrits précédemment. - Le rayonnement électromagnétique Le rayonnement électromagnétique est une large gamme d'ondes énergétiques voyageant à la vitesse de la lumière, dont la longueur peut varier Ce rayonnement comprend: – Les rayons gamma – Les rayons X – Les ultraviolets (exiter des substances fluorescentes ) – La lumière visible – Les infrarouges (photographier la chaleur dégagée par des objets) – Les micro-onde (utilisation des radars) – Les ondes radioélectrique (transmettre des sons et images) (voir à travers les corps) (voir les couleurs) Les radiation s électro magnéti ques transport ent de l' énergie. Cette énergie est véhiculé e par des particule s élémentaires : les Photons. Ils se déplacent à la vitesse de la lumière et ont une masse nulle. Quand un photon se déplace, il présente une quantité de mouvement comme s'il avait un masse. L' énergie transporté par un photon est proportionelle à la fréquence de l' onde qui lui est associé. Ainsi un photon de Ultra Violet transporte plus d' énergie qu' un rayon infrarouge. Dans un atome, si un photon frappe un électron, celui-ci est capable de faire changer naturellement l' orbite de l' électron. En effet lorsqu' un photon frappe un électron, ce dernier en absorbe l' énergie et change d' orbite. Parfois, le photon transporte une énergie telle que l'électron est expulsé de l' atome. Ce processus est appellé ionisation. L' atome d'où provient l' électron présente alors une charge positive du fait qu'il possède maintenant un électron de moins; on lui donne le nom de Ion. L' électron libéré pourra alors errer dans l' Univers jusqu' à ce qu' il soit capturé par un autre ion qui a besoin d' un électron. – Le silicium Le Silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé pour la fabrication des photopiles. Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. En présence de photons, les semi-conducteurs laissent passer un courant électrique. Le silicium ne se trouve pas à l'état pur mais est très abondant dans la nature sous forme de silice ou de silicates. Il est parfaitement stable et non-toxique. Chaque atome de silicium possède 4 électrons périphériques qu' il met met en comun avec les quatre atome voisins. - Cristal de Silicium Le cristal de Silicium est une molécule de Silicium regroupe plusieurs atome de Silicium - Le Dopage Le dopage type P Le dopage type P consiste à insèrer dans la structure cristalline, des atomes possédant trois électrons périphériques. Pour cela, on insère des atomes de Bore. Atome de Bore Le dopage type N Le dopage type N consiste à insèrer dans la structure cristalline, des atomes possédant 5 électrons périphériques. Pour cela on insère des atomes de Phosphore. Atome de phosphore Les électrons qui ne servent pas à relier les atomes entre eux s' appellent des électrons libres. Quand on assemble ces deux plaques, on crée une jonction P-N. Jonction P-N Jonct ion PN avec nom bre de proto ns par atom e. Frappés par les photons et captant leurs énergie, les électrons libres sont éjectés de leur orbite autour de l' atome et se dirigent vers la jonction P-N. En se déplaçant, l' électron laisse un espace libre. L' espace libre dû au déplacement de cet électron s' apelle un trou. - Différence de potenciel - La diode La photopile se comporte comme une diode. Elle laisse passer le courant dans un seul sens. Le déplacement des électrons va entraîner une ionisation soit positive, neutre ou soit négative à travers la photopile. Tant que les photons libèrent leur énergie dans les électrons, un courant continu de tension fixe se crée entre la Jonction P-N. V. Expérimentations Expérience 1: L' intensité du courant varie t-il selon la couleur du rayonnement visible ? Protocole: On place une source lumineuse munie de filtres de couleurs à environ 20 cm d' une cellule. On relève les différentes intensité en fonction des filtres de couleurs. Mesures: Violet Intensité [mA] 190 Jaune Orange Rouge 220 200 195 Constat: Comme nous l' avons vu dans le précédent paragraphe « Rayonnement électromagnétique » , le spectre de l' énergie solaire atteint son maximum dans les couleurs proches du vert et du jaune. Nous constatons que la couleur jaune, celle du soleil, permet d' avoir une intensité maximale par rapport aux autres couleurs. Expérience 2: L' intensité d'un courant produit par une cellule photovoltaïque varient-elle selon l'angle d'incidence des rayons d'éclairement de la cellule ? Protocole: Il s'agit de relever les valeurs du courant produit par la cellule en variant l'angle d'éclairement de la cellule. Mesures: Angles [°] Intensité [mA] 0 21 30 18 50 14,5 70 10 90 3 Graphique: Constats: Graphiquement, on constate la diminution linéaire du courant avec l'augmentation de l'angle d'incidence. Nous pouvons ainsi affirmer que le courant varie linéairement avec l'angle d'incidence. Il faut préciser que si la linéarité n' est pas parfaite sur le graphique, c' est à cause de l' indice de réflexion du plastique de la boité protégeant la cellule. En effet ce dernier à tendance à réfléchir une partie des rayons lumineux incidents selon le rayon incident. Expérience 3: Comment évoluent la tension à vide et l'intensité du courant de deux cellules photovoltaïques montées en parallèle, puis en série ? Protocole: La source lumineuse est situé à environ 30 cm d' une première cellule et à environ 35 cm d' une deuxième cellule. On mesure la tension et le courant produit par chaque cellule individuellement, puis lorsque l'on branche les deux cellules en parallèle et en série. Mesures: Cellule Montage en Montage en Cellule 2 1 // série Courant [mA] 13 11,5 19,1 14,3 Tension [mV] 295 312,2 302 614 Constat: - Pour les cellules en parrallèle, on remarque que le courant est égal à la somme des intensité du courant dans les cellules. En ce qui concerne la tension, on remarque qu' elle vaut environ la moyenne des tensions de chaque cellules. - Pour les cellules en série, on remarque que le courant vaut la moyenne de leurs intensités. En ce qui concerne la tension, on remarque que la tension à vide est égale à la somme des tensions aux bornes des cellules. Ces résultats contraires sont logiques, en effet ils conrespondent bien aux lois conventionelle de la physique. Conclusion : – Un montage en // est préférable pour obtenir un courant maximal. – Un montage en série est préférable pour obtenir une tension maximal. VI. Conclusion La transformation de l' énergie solaire en énergie électrique s' effectue grâce à différents types de cellules photovoltaïques. Ces cellules captent l' énergie des rayons solaires et permet l' obtention d' un courant électrique grâce à des procédés chimiques. Leur fabrication utilise des techniques pointues qui devront évoluer pour permettre des installations moins chères, pour qu' à l' avenir, chaque foyer puisse produire sa propre consommation et ne plus dépendre de centrales électriques polluantes.
