UNIVERSITE HASSAN II FACULTE DES SCIENCES AIN CHOCK -CASABLANCA LABORATOIRE DE MECANIQUE ECOMEC –ECOMAT Bouznika 11 – 15 Mai 2010 CONVERSION DE L’ENERGIE SOLAIRE A.OUBARRA I Introduction * Energies renouvelables. - Disponibilité. - Inépuisables. - Moins polluantes. * Energie solaire. * Energie éolienne. * Mouvements d’eau. * Biomasse. * Géothermie. * Energie solaire est la plus exploitée : - Energie mise en jeu. - Conversions potentielles. * Conversion photo thermique : Production de chaleur * Energie solaire thermo solaire : Production de chaleur et d’électricité * Conversion photovoltaïque : Production d'électricité II Caractéristique du rayonnement solaire * Réactions thermonucléaires : transformantion de l'hydrogène en hélium. * Energie associée à ces réactions : Environ 3,8.1022 kW, dont de 1,8.1017 W est interceptée par la Terre. * Répartition spectrale : - Ultra violet : 7 % - Visible : 47.5 % - Infrarouge : 45.5 % * Constante solaire : Puissance reçue par unité de surface perpendiculaire aux rayons solaires en dehors de l'atmosphère terrestre. E0 1350 w.m -2 * Réflexion , Diffusion , Absorption * Trois types de rayonnement : - Rayonnement direct I (w/m2) - Rayonnement diffus D (w/m2) - Rayonnement réfléchi par le sol R (w/m2) - Rayonnement global G I D R t * Irradiance : H G.dt 2 t1 Pyrhéliomètre Pyranomètre * Casablanca * Irradiation globale moyenne mensuelle sur surface horizontale ( Mj/m2 ) * Données expérimentales : - 1971-1974 - 2001-2004 2001 - 2004 1971 - 1974 III Conversion photo thermique à basse température : le capteur plan Transformation du rayonnement solaire en énergie thermique sans concentration à basse température. III.1 Constituants d’un capteur plan Vitrage Absorbeur Fluide caloporteur Isolation Boîtier III.2 Modélisation du capteur - G : Flux solaire global incident (w/m2). - Ga: Flux solaire absorbé à travers le vitrage. Ga ( . ).G opt .G - Qu : Flux thermique récupéré par le fluide caloporteur. Qu m.C.(Tfsortie T fentrée ) - Qp: Flux thermique perdu par le capteur par conduction, convection et rayonnement - Conservation d’énergie: Gabs opt .G Qu Qp Qst - Rendement instantané : - Rendement moyen : dT Qst M .C. dt Qu SG qu t2 S G.dt t1 t2 t1 Qu .dt t2 S G.dt t1 III.3 Cas du modèle simplifié: - Régime semi permanent. - Absorbeur et fluide caloporteur à la même température TC. - Kg : coefficient de pertes globales par conduction, convection et rayonnement. Qp K g .(Tc Ta ) Qu Kg.(TC Ta ) ( . ) G G opt Kg.(TC Ta ) Kg.DT opt G G opt * croît avec opt et G. * décroît avec T et kg. * Rayonnement seuil: Gseuil Kg.DT opt * Ecart maximal : DTmax opt .G Kg Kg.DT G III.4 CAPTEURS REELS * Régime semi permanent. * Distinction entre la température de l’absorbeur et du fluide caloporteur. * Bilan thermique pour chaque élément du capteur: fluide, absorbeur, vitre. Preçue Pcédée Ray Solaire 1 0 IR 1 0 hC .S.(TC Tf ) m.c.(Ts Te ) * Fluide : C .V .G h '.(TV TC ) hc .(TC Tf ) * Absorbeur : * Vitre : (1 V )G (1 V ) (1 c )V G h '.(TV TC ) h.(TV Ta ) Qu 1 2 .(Te Ta ) / G SG 1 et 2 : f (h ', h, hC , τv , C ... ) III.5 Amélioration des performances A- Pertes optiques : - Rendement optique dépend de la qualité du verre. opt 0.8 - Sous incidence normale: - Rendement chute avec l’angle d’incidence. B- Pertes thermiques : - Plus de vitrage. - Absorbeur à surfaces sélectives. III.6 Variantes des capteurs plans: A- Capteurs à eau: - Eau chaude sanitaire ECS - Besoins domestiques à titre individuel ou collectif ( hôtels, complexe résidentiel, hôpitaux ). B- Capteurs à air: - Insensible au gel et sans risque de corrosion. - Chauffage des locaux par ventilation. - Séchage des fruits et légumes. - Mur TROMBE. C- Capteur sous vide - Composé de tubes transparents en verre sous vide. - Absorbeur par tube. - Absorbeur à surface sélective - Moins d’isolation, température plus grande rendement plus élevé. - Fragile. - Chauffage de locaux. IV Les capteurs Solaires à concentration IV.1 Introduction - Capteurs plans : températures < 100°C. - Températures plus grandes : concentration du rayonnement solaire. - Ensemble de miroirs et de réflecteurs. - Concentration au même point (foyer) du rayonnement solaire direct. - Deux types de miroir: Miroirs plans ou paraboliques ou les deux. - Conditions de Gauss - Angle d’incidence égale à l’angle de réflexion - Miroir parabolique : Tout faisceau de rayons incidents parallèles converge au plan focal. - Au plan focal : absorbeur ( chaudière ). - Rayonnement direct impliqué : Suivie du soleil au cours des journées. - Meilleur rendement dans des climats où le ciel est souvent dégagé. - Moyenne concentration (température quelques 100°C). - Haute concentration ( quelques 1000°C). IV.2 Différents types de capteur 1. Systèmes à réflecteur parabolique Concentration à tout instant des rayons du soleil au foyer. 2. Systèmes à réflecteur cylindro-parabolique Concentration des rayons solaires sur un tube récepteur situé le long de la ligne focale du réflecteur. 3. Centrale à tour * Ensemble de miroirs mobiles grâce à un système automatique. * Réflexion du rayonnement solaire vers une chaudière située au sommet d'une tour. 4. Fours solaires Champ de miroirs plans mobiles et d'un grand miroir parabolique fixe. IV.3 Applications * Stérilisations des produits et applications cuisinières. * Traitements de matériaux réfractaires à hautes températures. * Centrales thermo solaires : - Conversion de la chaleur obtenue à haute température en travail mécanique au moyen d’un moteur thermique fonctionnant selon un cycle thermodynamique. - Le travail mécanique est converti en énergie électrique au moyen d’une turbine alternateur. -Turbine : un aimant permanant mise en rotation par l’énergie mécanique produite créant un champ magnétique variable. - Alternateur : plusieurs bobines en cuivre, traversé par le champ magnétique ce qui induit une f.e.m d’induction. Même principe de fonctionnement pour la production d’électricité pour une centrale thermique. IV.4 Rendement du concentrateur à tour * Rayonnement direct incident instantané : I ( kw / m2 ) * Puissance réfléchie par le champ des miroirs : f ..I .SC - SC : surface de captation des miroirs - : Coefficient de réflexion de l’ensemble des miroirs. - f : facteur d’interception ou pourcentage du rayonnement réfléchi par le miroir et intercepté par le foyer. * Puissance solaire absorbée par la chaudière : . f ..I .SC : facteur d’absorption de la chaudière. * Puissance utile : Qu . f ..I .SC - pertes * Pertes par rayonnement : PRay .Sr . .(Tr4 Ta4 ) Sr : Orifice de la chaudière. Tr et Ta : Températures de la chaudière et de l’ambiance. : Coefficient d’émission de la chaudière. * Pertes par convection : Pc hc .Sr .(Tr Ta ) hc : Coefficient d’échange par convection. * Rendement de la centrale : CG SC Sr Qu SC .I . . f Sr ( . .(Tr 4 Ta4 ) hc (Tr Ta )) SC .I . . f 1 ( . .(Tr 4 Ta4 ) h c (Tr Ta )) CG .I : Taux de concentration * Projet de production d’énergie solaire d’une capacité de 2.000 MW : sur cinq sites (Ouarzazate, Laâyoune, Boujdour, Tarfaya et Ain Beni Mathar) sur une superficie de 10.000 h. * Coût estimé à 9 milliards de dollars. * Economie de 1 million de tonne équivalent pétrole de combustibles par an soit près de 500 millions de dollars. * Emission de moins de 3,7 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an. * 14% de la puissance électrique à l'horizon 2020. V LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE V.1 Introduction * Transformation du rayonnement solaire en électricité passent par des moteurs thermiques. * Conversion directe de l’énergie lumineuse en électricité : Conversion photovoltaïque. * Cellule phovoltaïque : photopile V.2 Principes de fonctionnement * Rayonnement solaire : de photons h * Matériau exposé au rayonnement solaire: - Absorption d’énergie sous forme de photons. - Excitation des électrons et accroissement de leurs énergies. * Photons absorbés d'énergie supérieure à celle du Gap libèrent un électron laissant un "trou" positif. * Meilleur rendement (environ 44%) : silicium. * Pour collecter les électrons excités et obtenir un courant électrique, il faut générer un champ électrique E. *Dopage et réalisation d’une jonction p-n. V.3 Dopage et jonction p-n. * Dopage : substituer le silicium par un élément ayant 5 ou 3 électrons de valence. * Dans le 1er cas (Phosphore) : dopage de type n (négatif). * Dopage de type p (positif) : insertion d’atome ayant un é de moins (charge positive) : Bore B. * Création de la jonction p-n * Zone initialement dopée n devient chargée positivement. * Zone initialement dopée p chargée négativement. * Création d’un champ électrique E. V.4 Caractéristique tension- courant d’une cellule photovoltaïque Caractéristique idéale : I ICC IO .(exp(eV / kT ) 1) : Courant en court-circuit proportionnel à l’éclairement de la cellule. I O : Courant spécifique à la nature de jonction. k : Constante de Boltzmann =1,38.10-23 J. K-1 e : Charge de l’électron =1,6.10-19 C. T : Température absolue. I CC la * Circuit électrique équivalent : I ICC IO .(exp(eV / kT ) 1) ICC I IO .(exp(eV / kT ) 1) ICC I D •V CO 0.6 V : Tension en circuit ouvert V.5 Rendement de la cellule photovoltaïque Puissance délivrée Pel V .I Puissance incidente Pinc Pinc Maximum de rendement : P V .I V .ICC V .IO .(exp(eV / kT ) 1) I eV . max dP 0 I max Icc.(1 0 ). dV I cc kT eV . max Vmax eV . kT Ln(1 max ) Vco e kT max Vmax .I max Pinc Pmax V.6 Caractéristiques générales d’une cellule CPV * Forme ronde et rectangulaire. * Epaisseur 0,2 à 0,3mm. * Surface d’éclairement 125 x 125 mm2 . * Rendement 12 - 20%. * Puissance crête ( Eclairement de 1000 w/m2 et une température de 25 °C ) : 2,2 Watt V.7 Association de cellules photovoltaïques: * Cellule individuelle : faible puissance électrique. * Module : Association cellules élémentaires . * Connections en série augmentent la tension pour un même courant, alors que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. * Suivant les besoins de l’utilisation, les modules sont associés en série parallèle de façon à obtenir la tension et le courant désirés. V.8 Systèmes photovoltaïques * Générateur photovoltaïque : Modules et un ensemble de composants selon l’application. * Batterie : - De type Plomb-Acier - Fonctionnement en continue. * Régulateur de charge: Protection des batteries contre les surcharges solaires excessives et les décharges profondes. * Convertisseur : - Intercalé entre modules et utilisation. - Conversion du DC en CC. - Fonctionnement au maximum de puissance V.9 Applications des générateurs photovoltaïques * Domaine spatial. * Electrification en zone rurale et en site isolé. * Réfrigération pour la production de glace et la conservation de divers produits. * Calculatrices et montres. * Pompage solaire. Isofoton : 72 cellules : 2x36 en série ou 72 cellules en série. I ICC 6.765471010.(exp(1.0807.V ) 1) ICC 9.103.E V 2.R.I 2..ke H a0 . 2 a1..Q a2 .Q2 H , Q fixés : Equation 4 : w E fixé : détermination de I et V. C o u r a n t (A ) 1 0 .0 0 E = 1 0 0 0 W /m ² E = 9 0 0 W /m ² 8 .0 0 E = 8 0 0 W /m ² 6 .0 0 4 .0 0 2 .0 0 E = 1 0 0 W /m ² 0 .0 0 0 .0 0 5 .0 0 1 0 .0 0 1 5 .0 0 2 0 .0 0 2 5 .0 0 T e n s io n (V ) Courant (A) H = 20 m Q = 0.001 m3/s Ke=0. 021 V/rd/s R=0. 58 ohm 10.00 E=1000 W/m² E=900 W/m² (1): Couplage directe 8.00 (2): La MPPT (1) E=800 W/m² (2) 6.00 4.00 2.00 E=100 W/m² 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Tension (V) Puissance ( W ) H=20 m Q=0.001 m3/s Ke=0.021 V/rad/s R=0.58 ohm 200.00 E=1000 W/m² E=900 W/m² (1) : Couplage direct 160.00 (2) : La MPPT (1) E=100 W/m² (2) 120.00 80.00 40.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Tension (V) Debit (m3/s) MPPT 0.02 couplage direct 0.01 0.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 Eclairement (W/m²) MERCI POUR VOTRE ATTENTION