Cours numéro 2: Principe de base d’un système solaire PV L’effet photovoltaïque ➢ Conversion photovoltaïque : Malgré la grande distance qui le sépare de la terre, le soleil lui fournit une grande quantité d’énergie importante. Cette énergie est dispersée puis que la durée d’ensoleillement varie d’une région à une autre de la terre. Cette énergie change aussi selon les saisons et les caractéristiques climatiques du site. Le rayonnement solaire change en outre suivant les conditions météorologiques du moment (nébulosité, poussière, humidité, etc.) et la position du soleil dans le ciel (heure). On appelle ensoleillement ou rayonnement la puissance du rayonnement solaire reçu par une unité de surface : Ensoleillement moyen annuel. Il s’exprime en Watt par mètre. On appelle irradiation l’énergie reçue pendant un intervalle de temps. Si cet intervalle de temps est le jour, elle s’exprime en Wattheure par mètre carré par jour. L’effet photovoltaïque ➢ Principe de fonctionnement : Le fonctionnement des panneaux photovoltaïques se base sur l’effet photovoltaïque. Quand l’ensemble photovoltaïque s’expose au rayonnement solaire, les photons contenus dans la lumière transmettent leur énergie aux électrons des matériaux semi-conducteurs. Ces électrons peuvent alors franchir la barrière de potentiel de l’union P-N et sortir du matériau semi conducteur à travers un circuit extérieur, donnant lieu à un courant électrique. Le module le plus petit d’un matériau semi-conducteur avec une union P-N (et, par conséquent, avec la capacité de produire de l’électricité) est dénommé cellule photovoltaïque. Ces cellules photovoltaïques se combinent de manières spécifiques pour obtenir la puissance et la tension souhaitées. L’ensemble de cellules situé sur un support approprié et recouvert de matériaux qui le protègent d’une façon efficace contre les agents atmosphériques s’appelle panneau photovoltaïque. L’effet photovoltaïque La cellule photovoltaïque : les cellules photovoltaïques sont des composantes électroniques qui transforment les rayons lumineux du soleil en électricité. Ces cellules ont des puissances unitaires assez faibles (de l’ordre de 1 W). Figure 1 : exemple de cellule photovoltaïque L’effet photovoltaïque Les modules photovoltaïques: Afin d’obtenir des modules de puissances élevées, les cellules sont associées en série/parallèle. Pour cela les connexion des pôles négatifs situés sur les faces avant des cellules aux pôles positifs situés sur les faces arrière des cellules suivantes. Le module photovoltaïque transforme l’énergie solaire en énergie électrique. Il joue donc le rôle de générateur dans le système photovoltaïque. L’énergie produite par un module photovoltaïque dépend du niveau de l’énergie solaire. Ainsi, durant la journée, l’énergie produite va varier en fonction de la variation de l’énergie solaire. Le module photovoltaïque est obtenu après association des cellules avec les éléments constitutifs. L’effet photovoltaïque Figure 2 : exemple d’une connexion en série/parallèle L’effet photovoltaïque Figure 3 : exemple : 6 cellules placées sur 3 rangées constituent un module solaire de 18 cellules en série. La tension fournie par ce module est de 18 x 0,5 = 9 V. Les semi-conducteurs ➢ Un semi-conducteur est un élément qui présente une conductivité électrique intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Exemples (Silicium, germanium,…) ➢ Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit via la théorie des bandes Les semi-conducteurs ➢Les semi-conducteurs intrinsèques (purs): Les semi-conducteurs appartiennent à la 4ème colonne de la classification périodique des éléments. ➢Les semi-conducteurs extrinsèque – le dopage : Le dopage d’un cristal intrinsèque consiste à substituer des atomes de semiconducteurs du réseau par des atomes étrangers – Deux cas peuvent se présenter : Les semi-conducteurs La photopile (la cellule photovoltaïque) ➢ Rayonnement solaire : La surface du Soleil se comporte comme un corps noir à la température d’environ 5800 K. Ceci conduit à un pic d’émission situé à une longueur d’onde de 0.5 µm pour une puissance d’environ 60 MW/m2 soit un total de 9.5 1025 W. En tenant compte de la surface apparente du soleil et de la distance entre celui-ci et la terre, cela conduit à un éclairement moyen dans l’année de 1.36 kW/m2 hors atmosphère. La photopile Figure 4 : répartition des spectres du rayonnement solaire La photopile ➢ Définition : L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable car elle utilise une source d’énergie d’origine naturelle qui est le soleil. Cette énergie est produite par l’intermédiaire d’un dispositif appelé « photopile ou cellule photovoltaïque » qui transforme l’énergie lumineuse en courant électrique. Elle constitue donc une alternative aux énergies fossiles à plusieurs titres : elle est inépuisable, elle peut être produite localement et selon les besoins locaux, elle préserve l’environnement car elle n’émet pas de gaz à effet de serre, ne produit pas de déchets et n’entraîne aucun risque majeur et aucune nuisance significative. La majorité des photopiles solaires utilisées actuellement sont à base du silicium qui est le matériau le plus commercialisé dans l’industrie photovoltaïque grâce à ses nombreux avantages: disponibilité, qualité photovoltaïque, multiplicité des formes employées (silicium monocristallin, poly-cristallin et amorphe) qui assurent un bon rendement de conversion. Les cellules solaires photovoltaïques fournissent l’énergie d’alimentation la plus importante et de long durée pour des satellites et des véhicules spatiaux. Comme elles sont utilisées dans des applications terrestres. Les cellules solaires sont habituellement évaluées en mesurant les caractéristiques courant tension du dispositif dans des conditions standard d’illumination et puis en extrayant un ensemble de paramètres à partir des données obtenues. Ces paramètres sont le courant de saturation, la résistance série, le facteur d’idéalité, le photo-courant et la résistance shunt. La photopile ➢ Dopage des semi-conducteurs : La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du « dopage » par des impuretés. La technique du dopage d’un SC consiste en l’appauvrissement ou l’enrichissement du nombre d’électrons au sein de cristal. Pour ce faire, on introduit au sein de la structure du semi-conducteur un atome accepteur ou donneur d’électron. Figure 5 : dopage d’un semi-conducteur La photopile ➢ Dopage de type N : Il consiste à introduire dans la structure cristalline du semi conducteur des atomes étrangers (atome de la cinquième colonne du tableau périodique) qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C’est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). ➢ Dopage de type P : Il consiste à introduire dans la structure cristalline du SC des atomes étrangers (atome de la troisième colonne du tableau périodique). Le bore (B) est le dopant de type P le plus couramment utilisé pour le silicium qui à la propriété de donner chacun un trou excédentaire (charge positive), libre de se mouvoir dans le cristal. La photopile ➢ Création de la jonction PN: Une Jonction PN résulte de la mise en contact de deux cristaux semi-conducteurs dopés respectivement avec des impuretés de types donneurs et accepteurs (N, P) (Figure 1.3). Sous l’effet d’un gradient de charge, les électrons excédentaires de la zone N vont avoir tendance à migrer vers la zone P déficitaire en électrons et inversement pour les trous de la zone P (Figure 4). Certains de ces électrons vont donc rester du côté P et de même pour certains trous ayant migré du côté N. Il en résulte une recombinaison des charges au niveau de la zone de contact et la création d’une DDP (différence de potentiel) locale au niveau de la zone de contact. C’est une barrière de potentiel. En effet, cette DDP ne permet plus la migration d’éventuels électrons libres de N vers la zone P et de trous de la zone P vers la zone N (Figure 5). Ils sont aux contraires repoussés vers les bords de leur zone d’appartenance. La jonction PN est ainsi réalisée La photopile Figure 6 : mise en contact deux semi-conducteurs Figure 7 : migration sous l’effet du gradient de charge La photopile Figure 8 : création de la barrière de potentiel au niveau de la zone de contact La photopile ➢ L’effet Photovoltaïque : L’effet photovoltaïque repose principalement sur trois grands principes dont l’action conjuguée de manière quasi-simultanée engendre la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique : ❖ Absorption maximum de la lumière sur tout le spectre solaire. ❖ La création de pairs électron-trou par photo excitation du semi-conducteur par rayon lumineux d’énergie supérieure à celle de la bande interdite. ❖ Séparation des charges et leurs collection. La photopile Figure 9 : principe de l’effet photovoltaïque La photopile ➢ Le fonctionnement : L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse (photons) des rayons solaires en électricité, par le biais du déplacement de charges électriques dans un matériau semi-conducteur (le silicium). Lorsque les photons heurtent une surface mince de ce matériau, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière. Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique. Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique. La photopile Figure 10 : fonctionnement d’une photopile Notions de base en électrochimie ➢ Conducteur électrique : C’est un corps au sein duquel des particules chargées sont susceptibles de se déplacer sous l’effet d’un champ électrique. On distingue deux types des conducteurs : électronique lorsque les particules chargées sont des électrons et ionique lorsque les particules sont des ions. Notions de base en électrochimie ➢ Réaction électrochimique : C’est une réaction hétérogène de transfert de charge qui se produit à l’interface de deux conducteurs, elle met en jeu des molécules, des atomes, des ions et des électrons. Elle correspond à un changement de mode de conduction. Exemple : la dissolution du fer métallique dans un milieu acide est une réaction électrochimique. Notions de base en électrochimie Figure 11 : réaction électrochimique Notions de base en électrochimie ➢ Système électrochimique : C’est un système formé de l’association d’un conducteur électronique et d’un conducteur ionique, le conducteur électronique est souvent appelé électrode et le conducteur ionique est souvent appelé électrolyte. La surface de contact entre les deux conducteurs est appelée interface. Notions de base en électrochimie Figure 12 : système électrochimique Notions de base en électrochimie ➢ Le principe : Lorsque l’on fait passer du courant électrique dans la cellule précédant il se produit une réaction électrochimique à l’interface électrode/électrolyte. Le transfert de charge sur l’un des interfaces est en sens inverse par rapport à l’autre. Les espèces qui se déplacent vers M1 sont des oxydants (O) ils acceptent à la surface M1 des électrons et se transforment en réducteurs (R). A la surface de M2 il y transfert de charge d’espèces du conducteur ionique au conducteur électronique, les espèces qui cèdent des électrons sont des réducteurs (R) ils se transforment en oxydants (O). Notions de base en électrochimie Figure 13 : Passage du courant et réactions électrochimiques Notions de base en électrochimie ➢ Conductivité : On considère deux électrodes planes, parallèles, identiques en forme, nature et surface, plongeant dans une solution électrolytique. Les deux électrodes sont séparées par une distance l et reliées à une source de courant alternatif. Notions de base en électrochimie La résistance R de la solution est alors proportionnelle à l et inversement proportionnelle à S. L’homogénéité des formules oblige alors à introduire une caractéristique intrinsèque de la solution, la résistivité ρ de la solution. R est en Ω, l en m, S en m2 et ρ en Ω.m Notions de base en électrochimie ➢ Application de l’électrochimie (les batteries au plomb) : Historique: Volta, physicien italien du début du 19ème siècle fut le premier à générer un courant électrique grâce à un phénomène électrochimique. Quelques années plus tard, toujours au 19ème siècle, Gaston Plante mit au point la première batterie rechargeable. Les batteries que l’on trouve aujourd’hui sont basées sur le même principe. Notions de base en électrochimie ➢ Principe de fonctionnement : Une batterie au plomb est constituée de cellules appelées accumulateurs délivrant une tension de 2,1Volts. Elles comprennent 6 accumulateurs disposés en séries qui délivrent ainsi une tension totale de 12,6 Volts. Un accumulateur est un ensemble de plaques (positives et négatives) immergées dans une substance acide appelée électrolyte (mélange eau acide sulfurique). Notions de base en électrochimie ➢ Réaction électrochimique dans les batteries : Lorsqu’on applique une source de tension continue aux bornes des plaques (électrodes) un courant s’établit créant une modification chimique des plaques et de l’électrolyte, cette modification produit une différence de potentiel entre les deux plaques. Il est à noter que la circulation des électrons à l’intérieur de l’électrolyte est assurée grâce aux ions. Durant la décharge les plaques positives subissent une « réduction » c’est à dire qu’elles consomment des électrons et les plaques négatives libèrent des électrons (réaction d’oxydation). Le phénomène inverse se produit pendant la charge. Notions de base en électrochimie Notions de base en électrochimie ➢ Réactions parallèles : Il faut aussi noter la présence d’une réaction concurrente (hydrolyse de l’eau) qui conduit à la génération de gaz (oxygène et hydrogène) et qui « assèche l’électrolyte ». Cette réaction est surtout notable en fin de cycle de charge lorsqu’il ne reste plus beaucoup de matière réactive aux électrodes. En fonction de la technologie de la batterie, l’hydrogène et l’oxygène sont plus ou moins recombiné dans l’électrolyte de la batterie ce qui a une influence sur la durée de vie. D’autre part, d’autres réactions chimiques (oxydation du plomb) entrent en jeu et sont principalement responsables des phénomènes d’auto décharge. Il existe d’autres familles de batteries pour les outillages portatifs (batterie au Ni-MH) ou pour les téléphones portables (batterie Lithium), mais dans la suite seules les batteries au plomb sont développées leur coût de revient au W/h étant nettement moins cher.
