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solaires tech

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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
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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
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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
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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.
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Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV)
07/10/2012
Dr. Y. Azoumah, Technologie solaire
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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.
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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
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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…)
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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
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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%)
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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%
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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 %
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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.
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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
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valeur
75Wc
21V
17V
4,45A
4,75A
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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
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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
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Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV)
Icc
Module HIT
de 240Wc
07/10/2012
Vco
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Si 1000W/m²,
et que le
module a une
charge qui fait
chuter la
tension à 35V,
le courant sera
7A.
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Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV)
Module couche mince
Module 100% polycristallin
amorphe
+
polycristallin
07/10/2012
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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
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Chapitre 2: Solaire photovoltaïque (PV)
Le générateur Photovoltaïque
07/10/2012
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Pompe
Ph
40
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