Chapitre 2: Le solaire photovoltaique Dr. Yao AZOUMAH [email protected] UTER GEI; LESEE 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 1 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Il est possible de convertir l’énergie solaire en énergie électrique de diverses manières. Les systèmes utilisés sont plus ou moins complexes. La cellule photovoltaïque ou photopile est le moyen le plus simple. Elle permet de convertir directement le rayonnement solaire en électricité Une photopile est une diode plate qui présente une DDP et qui placée au soleil libère des électrons qui sont arrachés à la photopile par les photons solaires. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 2 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Fonctionnement de la photopile Vis-à-vis du courant électrique et de l’énergie solaire, il existe trois sortes de matériaux que sont les isolants, les conducteurs et les semi-conducteurs. Les isolants ne libèrent pas d’électrons quand les photons solaires leur tombent dessus. L’énergie incidente est insuffisante pour arracher les électrons. Avec les semi-conducteurs tels que le silicium, les électrons peuvent être arrachés par les photons pourvu que ces photons soient suffisamment énergétiques. Avec les conducteurs l’énergie des photons permet effectivement d’arracher des électrons, mais en l’absence d’une DDP ces électrons se recombinent immédiatement avec les sites vides en produisant de la chaleur uniquement. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 3 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Pour créer une DDP dans un semi-conducteur et véhiculer les électrons on réalise une jonction P-N comme dans une diode Dopage N avec apparition d’électrons libres Dopage P avec création de trous Un dopage est réalisé en introduisant des atomes d’un corps étranger dans le semi-conducteur. Un dopage N libère des électrons en excès. Un dopage P crée des trous ou lacunes avides d’électrons. Les matériaux dopés N et P, puis mis en contact présentent une DDP à la jonction. Avec le silicium cette DDP est de 0,6 V 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 4 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Le dopage P du silicium est obtenu par des atomes de phosphore. Le dopage N est obtenu par des atomes de bore. On appelle jonction P-N ou diode la liaison réalisée entre un semiconducteur dopé N et un semi-conducteur dopé P. Lorsqu’une paire électron-trou est dissociée à proximité de la surface de la jonction, l’électron est aspiré vers le côté N et le trou vers le côté P par le champ électrique créé par le DDP. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 5 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 6 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Si on relit les deux matériaux dopés par une résistance électrique on établit un courant électrique qui peut être entretenu par la dissociation continuelle de paires électrons trous dû à l’énergie solaire. N P R Tous les photons solaires n’ont pas suffisamment d’énergie pour arracher des électrons. Seuls une fraction est efficace. C’est la plus grande limitation au rendement de conversion de l’énergie solaire en électricité photovoltaïque. Ce rendement varie de 9 à 18 % suivant la technologie de fabrication utilisée. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 7 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) La majorité des photopiles utilisées dans le commerce sont à base de silicium Il en existe trois principaux types : Les photopiles au silicium monocristallin Les photopiles au silicium polycristallin Les photopiles au silicium amorphe 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 8 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Une seule cellule délivre une tension continue de 0,6 V. Pour les applications courantes elles sont assemblées en série et parallèle sur un même panneau appelé module. Un module est un assemblage série/parallèle de cellules pour obtenir les tensions compatibles avec les charges usuelles (12 V, 24 V…) 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 9 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Les photopiles au silicium monocristallin Elles ont en général une forme ronde de 100 mm environ de diamètre. Elles sont obtenues à partir du silicium pur et à partir de l’industrie électronique. Leur rendement est bon mais elles sont chères : η = 16 à 18 % Module monocristallin SHARP (14,3%) 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 10 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Les photopiles au silicium polycristallin. Elles sont obtenues à partir des rebuts de l’industrie électronique. Elles ont en général une forme carrée de 100 à 150 mm de côté avec des grains nettement visibles. Elles sont moins chères comparées au photopiles monocristallines. Leur rendement est également plus faible. η = 13 à 15 % 07/10/2012 Module polycristallin SHARP (13,4%) Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 11 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Les photopiles au silicium amorphe. Elles permettent la réduction des coûts de fabrication en utilisant très peu de silicium disposé directement sur le substrat. Un autre avantage de cette technique est que les cellules sont directement mises en série dans le module en un seul procédé à l’aide d’une technique au laser. On réduit considérablement les coûts de fabrication mais le rendement obtenue est faible. η ≅ 9% 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 12 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Les technologies « amorphe évolué » : Combinaison des technologies cristallines et amorphes : SANYO, HIT (Heterojunction with Intrisic Thin layer) : couches de silicium amorphe et de silicium cristallin 17% SHARP couche mince : couches de silicium amorphe et de07/10/2012 silicium cristallin 9,5 % Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 13 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Technologies n’utilisant pas le silicium CdTe : Tellure de Cadmium CIGS : Indium de gallium CIS: Indium de cuivre Module CdTe 07/10/2012 Quelques fournisseurs de différents types de modules (cristallin ou autres) : Sharp, Photowatt, BP Solar, Sanyo, Grundfos, etc. Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 14 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Plaque signalétique d’un module PV Paramètre Puissance crête Pc (puissance électrique) Tension en circuit ouvert Vco (si aucun récepteur n’est connecté au module) Tension nominale Vmpp (lorsque le module alimente une charge électrique et qu’il délivre sa puissance maximale) Courant nominal Impp (lorsque le module alimente une charge électrique et qu’il délivre sa puissance maximale) Courant de court-circuit Icc (module court-circuité) 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire valeur 75Wc 21V 17V 4,45A 4,75A 15 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Commentaires Toutes les valeurs sont données pour 1000W/m² et module à 25°C ; AM1,5 Ce module est prévu pour alimenter des équipements 12V. La tension en circuit ouvert est toujours nettement supérieure à la tension en fonctionnement nominal. Le courant de court-circuit est très proche (et au-dessus) du courant nominal. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 16 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Module polycristallin de 220Wc Conclusion : La tension d’un moule diminue légèrement quand l’ensoleillement diminue. Le courant est pratiquement proportionnel à l’ensoleillement. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 17 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Icc Module HIT de 240Wc 07/10/2012 Vco Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire Si 1000W/m², et que le module a une charge qui fait chuter la tension à 35V, le courant sera 7A. 18 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Module couche mince Module 100% polycristallin amorphe + polycristallin 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 19 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Maximum power point (MPP) 1/R G = 1 kW/m² I x M T = 25°C V C’est un point situé sur la courbure ; le produit P=I*V y est maximal. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 20 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Le générateur Photovoltaïque 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 21 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Montage série - parallèle des modules : La puissance désirée permet de déterminer le nombre de modules. C’est l’objet du dimensionnement. La tension de service permet de savoir le nombre de modules en série et le nombre en parallèle. Lorsque plusieurs modules identiques sont placées en série le courant dans la série reste le même pendant que la tension au borne de la série est la somme des tensions. Lorsque plusieurs modules identiques sont placées en parallèle la tension aux bornes de l’ensemble reste la même pendant que le courant en sortie est la somme des courants. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 22 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Résultat du montage série ou parallèle des modules identiques Modules en parallèles Modules en série I nI1 I I1 + - I1 V1 n V1 V V1 + V - Qu’on soit en série ou en parallèle, les puissances crêtes s’additionnent. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 23 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Les diodes de protection Protection des modules par des diodes : Les modules solaires ou les cellules individuelles peuvent être endommagés lorsque leurs caractéristiques électriques sont mauvaises ou lorsqu’ils sont mis à l’ombre. Les cellules occultées ou défectueuses deviennent réceptrices et peuvent chauffer considérablement et endommager davantage les autres cellules. Deux types de protections sont utilisées : • la protection des modules ou des cellules en série par une diode placée en parallèle (diode by-pass) • la protection des modules ou des cellules en parallèle par des diodes placées en série (diode anti-retour) 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 24 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) R R Diode by-pass Diodes série NB: Les diodes by-pass sont souvent intégrées dans le module par le constructeur (vérifier la notice technique) ; pour les champs ayant plusieurs modules en parallèle, il faut prévoir des diodes série pour le cas où elles ne sont pas intégrées dans les modules. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 25 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Un système photovoltaïque est un ensemble constitué : 1. De modules en série et parallèle 2. D’un régulateur de charge et de décharge (optionnel) 3. De batteries de stockage de l’énergie (optionnel) 4. De convertisseurs CC/AC ou CC/CC (optionnel) 5. De charges : lampes, appareils électroménagers, pompes, etc. 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 26 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Système PV pour alimentation domestique Champ de modules Régulateur de charge et de décharge Lampes 12V CC x N Batteries xM 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 27 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Système PV pour alimentation domestique Rôle du régulateur de charge et de décharge : - Empêche la surcharge de la batterie - Empêche la décharge profonde de la batterie - Alimente les charges avec une tension constante quel que soit l’ensoleillement (fort ou faible). 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 28 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Système PV pour alimentation domestique Champ de modules Régulateur de charge et de décharge Lampes 12V CC x N Appareil 220V CA Batteries xM 07/10/2012 Onduleur Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 29 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Pompage PV (systèmes avant 2000) Champ de modules x N Dispositif de contrôle du niveau d’eau du château et protection de la pompe 07/10/2012 Pompe solaire Onduleur : exemple 3 x 65V Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 30 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Pompage PV (moderne) Champ de modules x N Pompe solaire pouvant être alimentée en CC ou en AC. Par exemple SQFlex de Grundfos utilisable avec 30-300V CC ou 90240V CA (monophasé). Elle dispose d’un MPPT intégré. Dispositif de contrôle du niveau d’eau du château et protection de la 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire pompe 31 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Système PV connecté au réseau Champ de modules x N Onduleur spécial avec dispositif de couplage au réseau. Exemple SUNNY Boy 07/10/2012 de SMA Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 32 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Le générateur Photovoltaïque Applications : Avec un générateur photovoltaïque on peut alimenter n’importe quel récepteur. C’est le coût élevé du générateur qui limite les applications. Les plus courantes sont : L’exhaure de l’eau en site isolé L’éclairage en milieu rural La conservation des vaccins et médicaments. Les relais de faisceaux hertzien L’équipement électrique des habitations en site isolé. La recharge de batteries (véhicules, téléphones, etc.) dans les villages 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 33 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Le dimensionnement d’un générateur PV: Plusieurs méthodes existent. Elles utilisent pratiquement toutes les mêmes paramètres listés ci-dessous pour calculer la puissance crête (Pc) du générateur : Ej est l’énergie journalière consommée (Wh/jours) E est l’irradiation du lieu en (kWh/m²/jour) η Les rendements respectifs des équipements utilisés 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 34 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Cas général de dimensionnement : Méthode des rendements. La puissance crête en Watt est évaluée par : Pc = E j (wh) E ηond η bat η reg k p Ej est l’énergie journalière consommée E est l’irradiation du lieu en kWh/m²/jour Kp est appelé coefficient panneau et vaut 0,8 Les η sont les rendements respectifs de l’onduleur, de la batterie et du régulateur et valent 0,8 en moyenne 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 35 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Dimensionnement du stockage Méthode des rendements La capacité des batteries d’accumulateurs est évaluée par : C = E j . Autonomie (jours) D η bat Vbat Ej est l’énergie consommable par jour C es la capacité des batteries en Ah D est la profondeur de décharge Vbat est la tension de la batterie ηbat est le rendement de la batterie 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 36 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Cas du générateur PV de pompage de l’eau Le dimensionnement d’un générateur PV de pompage consiste à rechercher la puissance crête Pc nécessaire pour la satisfaction les besoins en eau identifiés. Energie Solaire Champ PV Onduleur Energie. Electrique. CC 07/10/2012 Moteur Energie. Electrique. AC Pompe Energie Hydraulique Energie. Mécanique Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 37 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Le pompage Photovoltaïque Trois paramètres clés permettent d’obtenir la puissance nécessaire : Le débit journalier Qj (m3/jour) La hauteur manométrique totale HMT (m) L’irradiation du lieu I ou Es (kWh/m²/jour) 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 38 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) La puissance crête est donnée par : 2,725 Qj x HMT Pc = en Wc Rg x E Qj est le débit journalier en m3/jour HMT est la hauteur manométrique totale en m E est l’irradiation du site en kWh/m²/jour (5 à 6 pour le BF) Rg est le rendement global journalier. Rg = kp*ηond* ηpompe ≅ 0,27 07/10/2012 Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire 39 Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV) Rendements d’une pompe solaire photovoltaïque = Pe / Pi ηPV ηonduleur = Po / Pe ηmoteur = Pm / Po ηpompe = Ph / Pm = 10 – 15 % = 90 – 95 % = 25 – 40 % Pi Champ PV 07/10/2012 Pe Po Onduleur Pm Moteur Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire Pompe Ph 40
