RENDEMENT DE LA CONVERSION

CONVERSION DE L’ENERGIE SOLAIRE
EN ENERGIE ELECTRIQUE
PANNEAUX SOLAIRE
Mot clés
Quelle approche : partir de quelle entrée ?
Rayonnement – onde/corpuscule,
énergie…
Énergie solaire,
efficacité
Physique des matériaux SC
conversion
Effet
Approche
photovoltaïque
composant
Caractéristiques
dipôle
électriques
générateur
Rendement et efficacité de
la chaîne ?
UN CONVERTISSEUR OPPORTUN QUI PERMET …
conformément au programme ;
•De faire de la physique
•De faire de l’approche fonctionnelle électrique
•Du dimensionnement à partir d’un cahier des charges et
de conditions (surface des panneaux, puissance maxi
désirée, conditions d’exploitation….)
Contrairement au régulateur ou au convertisseur DC/AC
où l’on doit se contenter d’une définition fonctionnelle
électrique : reconnaissance des signaux d’entrée et de
sortie, bilan de puissance…sans connaissance de la
technique ou technologie de cette transformation ;
CARACTERISTIQUE DU DIPOLE
On sait que c’est un générateur : protocole pour relever la
caractéristique et courbe de puissance
Identification des paramètres d’influence
Étude de documentation technique
Confirmation de la nature de la conversion
Mise en évidence de la « faiblesse » de la puissance
Ce qui induit le
questionnement
Comment s’opère la conversion ?
Comment est-ce fabriqué ?
PHYSIQUE
TECHNOLOGIE
CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (2)
Ipv
C’est la puissance crête
des constructeurs
Icc
5
10
15
20 Vc0
Vpv
•Sa tension à vide : Vco. tension générée par une cellule éclairée non raccordée.
•Son courant court-circuit : Icc. courant généré par une cellule éclairée raccordée à ellemême.
Son point de puissance maximal : MPP (en anglais : maximal power point) obtenu pour
une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appelés aussi Vmpp, Impp).
CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (3)
Ipv
Influence de la température
Ipv
Influence de l’éclairement
Photométrique
ou
radiomètrique ?
Icc
Vc0
Vpv
Une augmentation de la température
va réduire la puissance (MPP ou PPM
en français) disponible en diminuant un
peu la tension des cellules.
Icc est directement proportionnel à
l’éclairement mais la f.e.m. reste
quasiment indépendante sauf à très
faible éclairement où elle peut être
plus beaucoup plus faible
EFFET PHOTOVOLTAIQUE (1)
Les mots clés :
panneau solaire : assemblages séries et parallèles de cellules
photovoltaïques PV (ou photopiles).
Une cellule est un « composant électronique » à matériau semiconducteur qui, exposé à la lumière (absorption des photons),
produit de l’électricité : effet photovoltaïque
Augmenter la conductibilité par dopage
Mécanique quantique, théorie « des bandes » et le modèle
corpusculaire de la lumière qui permettent d’expliquer ce
comportement des semi-conducteurs
EFFET PHOTOVOLTAIQUE (2)
Bande de valence (électrons
liés cohésion du solide)
Bande de conduction
(électrons libres)
Eg : Energie de Gap
Energie en ev
- électron
libre
-
E = h > Eg
-
Niveau de
Fermi
Eg = 1,1 ev
pour le Si
Eg
+
+
+ trou
Etat fondamental
Métal
Isolant
Etat excité par
rayonnement
Semi conducteur
E =h.v=h.c/λ en Joules et en ev si divisé par 1,6 10-19.
Quand un paquet de photons « heurte » la cellule, il peut transmettre son
énergie aux électrons des semi-conducteurs.
EFFET PHOTOVOLTAIQUE (4)
Production paire électron-trou
Effet de jonction pn et apparition d’une f.e.m.
P
-
+
Ei
N
EFFET PHOTOVOLTAIQUE (5)
Lorsque la jonction est exposée à un rayonnement, les photons
incidents dont l’énergie est suffisante peuvent créer des paires
électrons-trous dans les zones N et P.
P
N
-
+
Ei
EFFET PHOTOVOLTAIQUE (6)
+
+
e-
P
N
-
+
-
+
Ei
+
+
+
-
+
-
V
I
e-
A
-
I
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (1)
u>0
Caractéristique d’une cellule.
+
V
i
Convention
i
i> 0
P
N
N
P
mA
+
u
Jonction en direct
PHOTOPILE = JONCTION PN
sensible à la lumière Q2
RECEPTEUR
DIODE CLASSIQUE
DEGRADEE
u
Q1
Ev
GENERATEUR
PHOTOPILE
OU CELLULE
PHOTOVOLTAIQUE
Jonction en inverse
Q4
Q3
RECEPTEUR
PHOTODIODE
u <0
+
i <0
P
u >0
Icc
V
N
+
i <0
P
mA
mA
+
+
V
N
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(2)
Une cellule solaire ou photovoltaïque n’est rien d’autre qu’une photodiode,
avec des améliorations, qui fonctionne sans polarisation extérieure et qui
débite son photocourant dans une charge.
La caractéristique courant - tension est représenté en Q4.
i
+
Q2
Q1
Q3
Q4
V
u >0
u
Ev
i <0
Changement de
convention :
convention générateur
 inversion des
quadrants haut  bas
mA
Icc
+
+
i
V
u >0
Icc
Q3
Q4
Q2
Q1
i >0
mA
+
Ev
u
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(3)
La puissance fournie par « cette pile » s’écrit sous la forme :
P = u.i = u.[ Iph - Is (e qu/kT - 1 ) ]
où Iph est le photocourant et l’expression Is.(e qu/kT - 1 ) représente la
caractéristique de la diode.
La résistance shunt Rsh
matérialise le courant de fuite au
niveau de la jonction.
Iph
La résistance série Rs
représente la résistivité de ses
grilles.
Effet de jonction
Effet
photovoltaïque
Les résistances shunt et série
modifient la forme de la
caractéristique, en accentuant
les pentes
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (4)
Une cellule constitue donc un générateur de très faible puissance,
insuffisant pour des applications électriques…autres que de la
détection.
Les modules ou panneaux solaires sont donc réalisés par association,
en série et/ou en parallèle, de cellules élémentaires. La connexion en
série augmente la tension pour un même courant.
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (5)
La connexion en parallèle augmente le courant pour une tension identique
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (6)
Les caractéristiques globales d’un panneau PV se déduisent donc d’une
combinaison des caractéristiques des constituants des ns*np.
C’est la caractéristique du panneau donc de l’association des
cellules que l’on peut relever…
FAIRE RETROUVER
aux élèves la
caractéristique du
panneau connaissant
le nombre de cellules
et leurs associations
Diodes bypass
COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (7)
Des résultats expérimentaux
I= f(U)
pleine lumière avril 2012
I = f(U) très nuageux avril 2012
160
140
20
120
100
15
80
1060
540
20
0
0
25
P = f(U)
P =f(U) très nuageux
2,5
0,350
0
5
0
10
5
10
15
Vpv en V
15
Tension Upv V
20
25
20
25
Puisance
P enPpv
W en W
I pv enIpv
mAmA
Intensité
180
30
0,300
2
0,250
1,5
0,200
0,150
1
0,100
0,5
0,050
0,000
0
0
0
5
5
10
10
15
15
Vpc en V
Tension Vpv en V
20
20
25
25
RENDEMENT DE LA CONVERSION (1)
Monocristallin 17 %
Les constructeurs
indiquent des rendements
très décevants…
Silicium
Cristallin
Polycristallin 15%
Amorphe 8%
Cellules PV
Monocristallin
Composites 25 %
Polycristallin
IMMENSE !!
TRES GRANDE !!
ENERGIE
SOLAIRE
Cellules
PV
ENERGIE
ELECTRIQUE
Rendement faible !!
On est sauvé !! D’autant plus que l’énergie solaire est gratuite
RENDEMENT DE LA CONVERSION (2)
Pourquoi le rendement est-il si faible ?
Energie
Solaire
Energie
Electrique
Cellule(s)
photo-voltaïque
E = q.V
E = I.V.t
E = h.
INTERACTION
RAYONNEMENT / MATIERE
Détermination des limites physiques (rendement maximum
théorique ou réel).
RENDEMENT DE LA CONVERSION (3)
Photons
incidents
E en ev
f en Hz
1,1 ev
2,65 1014 Hz

max
1,12 µm
Effet photovoltaïque
possible
Pas d’effet photovoltaïque
RENDEMENT DE LA CONVERSION (4)
Photons
incidents
E en ev
f en Hz
1,1 ev
2,65 1014 Hz

max
1,12 µm
Pas d’effet
photovoltaïque
Effet photovoltaïque
possible
Pas d’effet photovoltaïque
Photons utilisables
donc d’énergie suffisante
Photons
efficaces
Photons
inefficaces
Paires électrons-trous libérées
I
V
Porteurs libres
disponibles
Porteurs piégés
(recombinés)
Réflexion
Absorption
Absorption
Le rendement quantique rapport du nombre
de porteurs disponibles sur le nombre de
photons incidents est mauvais.
Transmission
Le rendement « énergétique »
est encore beaucoup plus faible.
RENDEMENT DE LA CONVERSION (5)
Photons
réfléchis
3à5%
Photons
transmis
 trop faible
Photons
absorbés
dissipation thermique
18 à 22 %
28 à 32 %
PHOTONS
D’ENERGIE
SUFFISANTE
Cellules photovoltaïques
8 à 10 %
Recombinaisons
des paires
électrons-trous
15 à 18 %
Courant de
fuite et
résistances
de jonction
métal-SC
Porteurs
libres
disponible
s
8 à 17 % pour le
silicium !
ECLAIREMENT (1)
Le soleil est un
immense réacteur
de fusion thermonucléaire.
La quantité d’énergie libérée par le soleil et captée par la planète terre
pendant une heure pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques
mondiaux pendant un an.
ECLAIREMENT (2)
On définit :
L'éclairement ou irradiance comme une puissance reçue par une surface. Il
s'exprime en W/m2 (watt par mètre carré).
Le S.I. (système international d’unités) recommande d’utiliser le symbole E.
L'irradiation solaire ou rayonnement solaire est l'énergie reçue par une
surface . Elle s'exprime en J m-2 (joule par mètre carré).
L'ISES (International Solar Energy Society) recommande le symbole H.
D'autres unités plus courantes sont le kWh/m2 (kilowattheure par mètre carré)
bien que ce dernier ne doive pas être utilisé puisque n'appartenant pas au
système international d'unités (SI).
ECLAIREMENT (3)
L'éclairement solaire direct
extra-atmosphérique est la
constante solaire.
Normalisation : Les conditions standards de qualification des
modules photovoltaïques sont : un spectre AM1.5 sous un
éclairement de 1000W/m² et une température de 25°C.
Les constructeurs de panneaux solaires spécifient les performances
de leur matériel dans les conditions normalisées citées ci-dessus
(S.T.C. : Standard Test Conditions).
Cela correspond à un ensoleillement fort, le soleil au zénith, le ciel
parfaitement dégagé (un ciel sur la plage de Nice en mai-juin).
L'épaisseur de l’atmosphère à
traverser est caractérisée par le
nombre de masse d'air AM qui
dépend de l’inclinaison du soleil.
Au sol, le rayonnement solaire
global (G) reçu par une surface plane
d'inclinaison quelconque est
constituée de 3 composants
principaux.
ECLAIREMENT (4)
La répartition du rayonnement solaire sur la Terre est loin d’être
uniforme dans l’espace et dans le temps, mais la quantité d’énergie
reçue annuellement par un endroit donné est en fait presque
constante, autrement dit un même lieu reçoit tous les ans à peu près
la même quantité totale d’énergie.
L’énergie solaire
moyenne
Des cartes nous renseignent sur l’irradiation
moyenne
par jour ou
captée dépend de la
bien sur une année.
surface des panneaux et du
lieu et de l’orientation
ECLAIREMENT (5)
La meilleure inclinaison des panneaux solaires photovoltaïques
pour un usage est celle de la latitude de l’endroit où sont installés
les capteurs (donc environ 45° en France).
Ce sont souvent les dispositions constructives de l’habitation qui
déterminent l’inclinaison.
Il existe des systèmes qui permettent d’optimiser l’orientation des
panneaux : suiveur ou traqueur solaires (belle régulation à faire :
asservissement de position à 1 ou 2 dimensions (axes)).
Le dimensionnement de l’installation doit tenir compte de ces
paramètres : éclairement moyen (météo), rendement maximum des
panneaux, puissance crête, orientation, besoins nécessaires…
Pour les panneaux solaires du marché, on parle de 120 à 150 Wcrete
par m² sous les STC
La puissance disponible pour les applications est très aléatoire : il
faut impérativement disposer d’une réserve d’énergie renouvelable
par le solaire qui puisse assurer l’alimentation en puissance.