Technologie

L’énergie solaire
L’énergie solaire fait partie des énergies renouvelables, au même titre
que la géothermie, l’hydraulique, l’éolien, etc.…
Découvert par le physicien français Antoine Becquerel en 1839, l’effet
photovoltaïque n’avait à cette époque qu’un rendement très faible. Il faut
attendre 1954, pour que Chapin, Fuller et Pearson s’intéressent à
nouveau à ce phénomène et mettent au point une cellule avec un
rendement de 6%.
D’abord utilisée dans les engins spatiaux, l’énergie photovoltaïque trouve
aujourd’hui de multiples applications, de l’alimentation de calculatrice,
jusqu’à l’électrification de villages entiers.
Structure générale
Panneau solaire :
Batterie :
Régulateur :
Onduleur :
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Fournir l’énergie soit à la charge, soit à la
batterie.
Stocker l’énergie et la restituer lorsque
l’ensoleillement est insuffisant.
Réguler la charge et décharge de la batterie.
Convertisseur Continu-Alternatif. Permet
d’alimenter les récepteurs en courant alternatif à
partir du courant continu.
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Rôle du rayonnement solaire dans la
production d’énergie photovoltaïque
Le transfert de puissance sera maximale si le rayonnement direct est à 90°
par rapport aux cellules
Inclinaison des cellules
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Variable suivant :
• Latitude,
• choix du type de
fonctionnement
(si fonctionnement
hiver prévoir de
relever les
panneaux)
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2 - Le principe de la conversion
Solaire/Électrique
Le fonctionnement d’une cellule est assez simple. Il s’agit d’un
empilage de 4 couches :
- une électrode métallique,
-une couche de silicium positif,
-une couche de silicium négatif
-une grille métallique.
Les photons (particules de lumières) frappent la cellule, ils transfèrent
leur énergie aux électrons du silicium. Le silicium est traité (dopé) de
manière à ce que tous les électrons se dirigent dans le même sens,
vers la grille métallique du dessus, créant ainsi un courant électrique
continu dont l’intensité est fonction de l’ensoleillement.
Conversion lumière  électricité :
l’effet photovoltaïque
La cellule transforme directement l’énergie lumineuse ( photons ) en électricité
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Conversion lumière  électricité
Attention aux
indices de
réfraction
Energie
solaire
Absorbée
0,2 mm  Silicium cristallin
1 µm  Silicium amorphe
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Transmise
C’est celle qui est
transformée
On place un
dispositif
réfléchissant
derrière
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Technologie des cellules
photovoltaïque
Le module est composé de cellules mono ou poly cristallines
selon le principe suivant :
- Du Silicium à l’état brut est fondu pour créer un lingot.
Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé,
on obtient un mono - cristal. Quand le refroidissement est
forcé, on obtient une structure poly cristalline. Quand le
silicium est diffusé en couche mince sur un substrat
(verre), on l’appelle amorphe.
- Le lingot est découpé en tranches appelées Wafer qui
devient une cellule après divers traitement (dopage,
jonction p-n, couche anti reflet, pose de collecteurs avant
et arrière)
- Mises en série et encapsulées, les cellules constituent un
module PV.
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Vidéo process de fabrication
http://www.youtube.com/watch?v=bblvepa3GCg
Les technologies
Cellules au silicium cristallin
Cellules au silicium amorphe
Deux sous familles :
polycristallin
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monocristallin
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Rendement des cellules
Technologie
Rendement
typique
Mono-cristallin
12-16 %
Rendement maximum
obtenu en laboratoire
24%
Poly-cristallin
11-14 %
18,6 %
Couche mince
: amorphe
6-8 %
12,7 %
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Les technologies
Cellules au silicium cristallin
polycristallin
monocristallin
Épaisseur : 0,15 -0,4 mm
Bon rapport/qualité
prix
Cellules au silicium amorphe
Excellente qualité
Difficile à réaliser
Fine (qq µm)
Organisation imparfaite
Large
 Éclairage extérieur
1,2 nm
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Plus étroit
 éclairage Artificiel
0,8 nm
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Les technologies
Cellules au silicium cristallin
Cellules au silicium amorphe
Épaisseur : 0,15 -0,4 mm
Fine (qq µm)
Courant important tension faible
Rendement mono  12-16%
Rendement poly  11-14 %
Courant faible mais tension importante
Rendement de 6 à 8 %
Large gamme d’application (balise autoroute,
restitution, alimentation autonome…)
Calculette, …
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Le futur : Le silicium noir
Ce sont des chercheurs de l’université de Harvard qui ont fait la découverte.
Lorsqu’une plaquette de silicium est éclairée et que simultanément cette plaquette
est en contact avec certains gaz halogènes, le silicium forme des cônes qui
piègent la lumière et donne à la plaquette une couleur noire. Cette absorption
permet ainsi d’obtenir un rendement plus élevé pour les cellules photovoltaïques à
base de silicium. Les rendements pourraient être d’au moins 30% et peut être
même atteindre les 60%.
Il existe d’autres matériaux utilisés pour la réalisation de cellules photovoltaïques
comme l’Arséniure de Gallium qui possède un très haut rendement, entre 20% et
25%, mais son prix extrêmement élevé le rend marginal. Il n’est pratiquement
utilisé que pour les satellites.
Les types de batteries :
 Batterie Ni/Mh
Application : véhicule hybride La Toyota Prius et la Honda Civic IMA
équipées d’une batterie Panasonic (Matsushita) NiMH, de 1,5 kWh (39 kg) pour
la première et de 28 kg pour la seconde.
Ces batteries sont prévues pour durer toute la durée de vie du véhicule (garanties
8 ans).
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 Batterie Lithium Ion
1V /Élément
• Ne présente aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à
base de nickel
• pas de maintenance
• Présente une faible auto-décharge (10% / mois)
• Possède une haute densité d'énergie pour un poids très faible. Ces
accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes
embarqués.
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 Batterie Lithium Ion
3,7 V /Élément
• La profondeur de décharge : ces batteries s'usent moins vite
lorsqu'elles sont rechargées tous les 10% que lorsqu'elles le sont tous
les 80%
• Corrosion interne et augmentation de la résistance interne même sans
usage
• Courants de charge et de décharge admissibles plus faibles
• Électrolyte liquide peut présenter des dangers si une fuite se produit
et que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau.
• Cette technologie mal utilisée présente des dangers potentiels
• Pas d’inversion de polarité, pas de court-circuit
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Caractéristiques des batteries
 Au plomb/Acide
Tension nominale d’un élément : 2V
Utilisation pour des fortes capacités
Faible densité massique
Technologie plaque : Automobile
(faible durée de vie, peu de cycle,…)
Technologie tubulaire : PV
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 Batterie Ni/Mh
Nickel-Métal Hydride
Tension nominale d’un élément : 1,2 V
• ont été commercialisée vers 1990
• présentent une énergie volumique supérieure d'au moins 30% par rapport aux
accumulateurs NiCd (Cadmium-Nickel)
• sont en termes d'énergie massique par les accumulateurs Li-ion (Lithium-ion)
et Lithium-Polymère.
Depuis 1er juillet 2006 une directive Européenne interdit la
commercialisation dans le grand public d'éléments d'accus contenant du
Cadmium
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Les batteries solaires
 Au plomb/Acide technologie solaire
Tube, plaque
La décharge est
plus lente.
La capacité ne doit
pas excédée 65 %
Cyclage plus
important
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La batterie stationnaire
C'est une batterie à plaques tubulaires. Elle sert par exemple sur les chariots élévateurs, où
elle est déchargée chaque jour de 60 à 80% puis rechargée pendant la nuit : c'est
l'exemple type d'une utilisation en cyclage.
Cette batterie doit être chargée avec une tension relativement élevée, selon la durée
disponible. Cette tension élevée est surtout nécessaire pour éviter la stratification* de
l'électrolyte.
*Stratification: disposition en couches superposées.
L'acide sulfurique, qui se forme lors de la charge a en effet tendance à descendre au fond
de la batterie et l'électrolyte y deviendra beaucoup plus acide que dans le haut. Lorsque
la tension de gazage est atteinte, l'on poursuit la charge avec un courant et une tension
élevée. La formation de bulles de gaz ainsi obtenue met l'électrolyte en circulation et
rend le mélange homogène.
Ce procédé est d'autant plus indispensable que les batteries à plaques tubulaires sont
généralement très hautes.
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La batterie étanche (VRLA) AGM
AGM est l'abréviation anglaise de Absorbed Glas Mat (fibre de verre absorbante). Dans
cette batterie l'électrolyte est retenu (« absorbé ») dans un séparateur en fibre de verre
entre les plaques. Dans une batterie AGM les porteurs de charge - ions d'hydrogène et
de sulfate se déplacent plus facilement que dans des batteries au gel. C'est pourquoi
une batterie AGM est plus à même de délivrer des courants instantanés très élevés
qu'une batterie à électrolyte gélifié.
Les batteries étanches ont l'avantage d'un grand confort d'utilisation:
 Elles sont sans entretien
 Elles n'émettent pas de gaz dangereux
 Elles peuvent donc installer dans des endroits difficiles d'accès
Par contre, les batteries étanches sont plus sensibles aux surcharges, qui provoquent des
pertes d'eau. aucune remise à niveau n'étant possible, ces pertes entraînent des pertes
de performances irrémédiables et un vieillissement prématuré.
Des batteries ouvertes modernes à plaques planes et à faible teneur en antimoine (1,5%)
dégazent si peut qu'un complément d'eau 2 ou 3 fois par an sera suffisant.
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Entretien des batteries :
La durée de vie des batteries sera plus longue si :
 La charge est contrôlée et le nombre de cycle
connu
 La décharge est limitée par le régulateur
En cas de décharge importante et prolongée, le
sulfate de plomb cristallise. L'accumulateur est
alors définitivement endommagé, car cette
cristallisation est irréversible. On ne doit jamais
stocker une batterie déchargée.
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Transférer/réguler l’énergie : le
régulateur
Le régulateur a pour fonction de gérer la charge et la décharge de la batterie.
Il permet un transfert optimum d’énergie entre le générateur solaire et la batterie
tout en minimisant la profondeur de décharge et en protégeant la batterie de
surcharge, ce qui provoquerait un vieillissement prématuré.
Le régulateur possède un élément de commutation (relais, transistor bipolaire,
transistor mosfet, thyristor) qui est placé entre le panneau solaire et la batterie.
Il est commandé par une logique basée sur le contrôle de la tension de la
batterie. Ce régulateur peut facilement commuter des courants forts sans
dissipation interne d’énergie.
Le régulateur possède en général plusieurs caractéristiques techniques :
- Protection contre les inversions de polarités (panneau solaire ou batterie)
- Diode anti-retour intégré (évite le retour du courant vers le générateur)
- Fonction alarme tension en cas de tension des batteries trop basse
- Visualisation des états de charge par leds
- Protection contre la foudre, les court-circuits
- Afficheur permettant de savoir la tension de la batterie et les courants de charge et de
décharge
- Différentes formes et IP
Panneau solaire
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Batterie
Charge
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Régulateurs
 Le fonctionnement des interrupteurs est électronique :
La Modulation de largeur d’impulsion (MLI ou PWM) permet la variation
du courant dans les cellules.
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Transformer l’énergie
électrique : les onduleurs
L’onduleur est un convertisseur continu alternatif qui transforme le 12V ou 24V
continu en 230V alternatif.
En site isolé, l’onduleur permet d’alimenter des récepteurs fonctionnant en courant
alternatif. On peut utiliser des onduleurs ayant un signal de sortie alternatif quasi
sinusoïdal.
En site non isolé, on peut utiliser un onduleur pour renvoyer de l’énergie sur le réseau.
Dans ce cas, on utilise un onduleur sinusoïdal qui coût 4 à 5 fois plus cher qu’un
onduleur quasi sinusoïdal. La différence vient du fait que le signal est pur (forme
sinusoïdale) et donc pour arriver à ce niveau il a fallu mettre des filtres.
L’emploi de récepteurs basse consommation est primordial