Telechargé par salameabdoul006

Systèmes PV autonomes Chapitre 1

publicité
BASES DE L’ENERGIE
SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE
Par Dr Y. Moussa SORO
[email protected]
PLAN
1. Introduction
2. Gisement solaire
3. Effet photovoltaïque
22.02.21
2
01.Introduction
22.02.21
3
01. Introduction
L’énergie solaire
Soleil
Solaire passif
Applications :
Utilisation direct du
rayonnement solaire
Solaire PV
Applications :
Production d’énergie
électrique
par
conversion direct du
rayonnement solaire
Solaire
thermique
Applications :
▪ Centrales électriques
thermodynamiques
▪ Climatisation solaire
▪ Cuisinière solaire
▪ Séchoir solaire
▪ Chauffage des bâtiments
22.02.21
4
02. Gisement solaire
22.02.21
5
02. Gisement solaire
Le gisement solaire est un ensemble de données décrivant l’évolution du
rayonnement solaire disponible au cours d’une période donnée.
Quelques données sur le soleil
▪ Age: 4,5 x 109 ans
▪ Durée de vie estimée: 1010 ans
▪ Distance à la Terre: 150 x 106 km
Réaction thermonucléaire qui
dégage une grande quantité
de chaleur dont une partie
est rayonnée vers la terre.
▪ Diamètre: 1,4 x 106 km (Terre = 12 600 km)
▪ Masse: 2 x 1030 kg (Terre = 6 x 1024 kg)
▪ Puissance rayonnée: 4 x 1026 W
▪ Énergie reçue par la Terre: 1353 J.m-2.s-1
▪ Température au centre: 15 x 106 K
▪ Température de surface: 5 800 K
22.02.21
6
02. Gisement solaire
Rayonnement solaire: ensemble des ondes électromagnétiques émise par le soleil
Le rayonnement solaire est composé de:
➢ Rayons ultraviolets (UV, 5%) qui sont invisibles. Ils sont dangereux pour les être vivant.
Heureusement qu’ils sont absorbés en grande partie par la couche d’ozone.
➢ Rayons visibles (40%) qui forment la lumière blanche du soleil.
➢ Rayons infrarouges (IR, 55%) qui sont invisibles. Ils sont porteur de l’essentiel de
l’énergie thermique
22.02.21
7
02. Gisement solaire
Repérage du soleil
Le soleil est repéré dans le ciel par deux
angles:
1) La hauteur ou l’élévation h
Angle formé par le plan horizontal au lieu
d'observation et la direction du soleil.
2) L’azimuth a
Angle compris entre le méridien du lieu et le
plan vertical passant par le soleil. Il est
positif vers l’Ouest et négatif vers l’Est.
22.02.21
8
02. Gisement solaire
▪ Rayonnement direct (Direct Normal Irradiance, DNI )
▪ Rayonnement diffus (Diffuse Horizontal Irradiance, DHI)
▪ Rayonnement réfléchi (Albédo)
▪ Rayonnement global (Global Horizontal Irradiance, GHI )
𝑮𝑯𝑰 = 𝑫𝑯𝑰 + 𝑫𝑵𝑰 ∗ 𝐜𝐨𝐬(𝒂)
Albédo = 𝒌 ∗ 𝑫𝑵𝑰, très souvent négligé.
22.02.21
9
02. Gisement solaire
Rayonnement Solaire : Mesures, données, instruments et caractéristiques
Pyranomètre
(DHI, GHI)
Solarimètre
(GHI)
Pyrhéliomètre
(DNI)
Station météo
22.02.21
10
02. Gisement solaire
Rayonnement Solaire : Mesures, données, instruments et caractéristiques
L’irradiance est une puissance; elle s’exprime en W/m²
L’irradiation
ou
ensoleillement
journalier, qui est l’énergie solaire
reçue par m² dans la localité est
obtenu en intégrant la courbe de
l’irradiance sur la journée.
17 mai 2012: Hi = 6,73 kWh/m²/j
22.02.21
11
02. Gisement solaire
Notion d’heure crête solaire
Irradiance (W/m²/j)
GHI_17 mai 2012
1000
800
600
400
200
05:45:03
06:15:03
06:45:03
07:15:03
07:45:03
08:15:03
08:45:03
09:15:03
09:45:03
10:15:03
10:45:03
11:15:03
11:45:03
12:15:03
12:45:03
13:15:03
13:45:03
14:15:03
14:45:03
15:15:03
15:45:03
16:15:04
16:45:04
17:15:03
17:45:03
18:15:03
0
Temps
HCS du 17 mai 2012: 6,73 heures
Le nombre d’heures crêtes solaires journalières est le nombre d'heures pendant
lesquelles une irradiance de 1 soleil (1000 W/m²) donnerait une quantité
d'énergie solaire équivalente à l'énergie totale durant ce jour.
22.02.21
12
02. Gisement solaire
Epaisseur relative de l’atmosphère (Air Mass)
L’Air Mass (AM) ou masse d'air caractérise l'épaisseur relative de
l'atmosphère traversée par le rayonnement solaire.
Limite de l’atmosphère
𝑶𝑨
𝟏
𝑶𝑴 = 𝐬𝐢𝐧(𝒉) = 𝐬𝐢𝐧(𝒉)
Position du
soleil
Zenith
Elévation du
soleil, h
90°
sin(h)
Air Mass
1
1
45°
45°
0,707
1,41
15°
15°
0,258
3,86
OA, l’épaisseur verticale
de l’atmosphère est
normalisée (=1)
22.02.21
13
02. Gisement solaire
Optimisation de la réception de l’irradiance
parcours
journalier du soleil
varie
selon
la
localisation sur le
globe terrestre et
la saison.
Le
L’irradiation reçue par le module PV varie selon le jour, la
saison ou la localité.
Solution: Optimiser l’orientation et l’inclinaison du module PV
pour qu’il reçoive le maximum d’ensoleillement sur toute l’année.
22.02.21
14
02. Gisement solaire
Optimisation de la réception de l’irradiance
La position d'un module PV est définie par:
(1) son orientation, ou azimuth, (angle entre son axe et l'axe nord-sud dans le plan
horizontal);
(2) son inclinaison (angle entre la surface du module et le plan horizontal).
Plan incliné
Azimuth
Est
Nord
Sud
Inclinaison
Ouest
22.02.21
15
02. Gisement solaire
Optimisation de la réception de l’irradiance
Inclinaison (°)
Pourcentage (%) du rayonnement reçu en fonction de l’orientation et de l’inclinaison
Azimuth (°)
➢ On remarque que l’impact de l’inclinaison est beaucoup plus important que celle
de l’orientation.
➢ Les mesures et simulations couplées au calculs ont permis d’établir des règles
simples pour les installateurs d’équipements solaires.
22.02.21
16
02. Gisement solaire
Optimisation de la réception de l’irradiance
(1) Détermination de l’azimuth
C'est relativement simple quand l'horizon est dégagé:
▪ Dans l'hémisphère nord, le module PV doit être orienté vers le sud (a = 0)
▪ Dans l'hémisphère sud, le module PV doit être orienté vers le nord (a = 180)
▪ A proximité de l'équateur, l'orientation n’a plus trop d’importance.
(2) Calcul de l’inclinaison
Inclinaison optimale est celle qui permet d'optimiser la production des module PV pendant le
mois le moins ensoleillé. (c’est ce mois qui est utilisé pour le dimensionnement) .
𝜷=𝝀+𝜹
Mois
d
Jan.
+13°
Fév.
+7°
l: latitude de la localité
d: la déclinaison, angle entre le rayon solaire et le plan de l’équateur
Mar.
0°
Avr.
-7°
mai
-13°
Jui.
-20°
Jui.
-13°
Aoû.
-7°
Sep.
0°
Oct.
+7°
22.02.21
Nov.
+13°
Déc.
+20°
17
02. Gisement solaire
Optimisation de la réception de l’irradiance
(2) Calcul de l’inclinaison
Au delà des calculs, l’inclinaison doit tenir compte des contraintes suivants:
▪ Elle doit faciliter l'écoulement de l'eau de pluie;
▪ Elle doit faciliter l'évacuation des objets, de la neige ou des poussières qui
pourraient se déposer sur le module.
Pour les régions à proximité de l'équateur, l'inclinaison optimale est proche de 0. Il
faut donner une inclinaison d'au moins 5 à 10°.
22.02.21
18
03.Effet photovoltaïque
22.02.21
19
03. Effet photovoltaïque
L’effet
photovoltaïque
se
manifeste
par
l’apparition d'une différence de potentiel à la
jonction entre un métal et un semi-conducteur
où entre deux semi-conducteurs lorsque le
dispositif reçoit un rayonnement lumineux
d’une longueur d’onde adéquate.
L’électricité produite par un module PV est:
• de type continue
• relativement faible
• directement utilisable
• dépendant de l’irradiance et de la température
22.02.21
20
03. Effet photovoltaïque
Cellule PV
Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui convertit directement l'énergie du
rayonnement (solaire) en énergie électrique.
L'élément de base des systèmes PV est la cellule solaire photovoltaïque.
𝑬𝒑𝒉 =
𝒉𝒄
𝝀
h: Constante de Planck
l: longueur d’onde
l(µm)
Eph
(eV)
Zone
0,2
6,20
Ultra-violet
0,4
3,10
Visible bleu
0,5
2,48
Visible jaune-vert
0,78
1,59
Visible rouge
1
1,24
Infrarouge
2
0,62
Infrarouge
4
0,31
Infrarouge
22.02.21
21
03. Effet photovoltaïque
De la cellule au générateur PV
Terminologie
▪ Cellule photovoltaïque
▪ Module photovoltaïque
▪ Champ ou générateur
photovoltaïque
22.02.21
22
03. Effet photovoltaïque
Un peu d’histoire
1839: La découverte de l’effet photovoltaïque
Le physicien français Alexandre Edmond Becquerel découvre la possibilité
de produire de l’électricité grâce à la lumière et la présence de matériaux
semi-conducteurs comme le silicium.
Alexandre Edmond Becquerel
1913: Premières cellules photovoltaïques
Mais ce n’est qu’en 1916 que Robert Millikan parvient à produire un
courant continu.
1954: Premier panneau solaire
Avec un rendement de 6%, il est développé en par les chercheurs des
laboratoires Bell.
1958 et 1959: Le photovoltaïque dans l’espace
La recherche spatiale s’empare du sujet afin d’équiper ses satellites qui ont
besoin d’une énergie durable. La recherche progresse jusqu’à obtenir un
rendement de 9%. En 1958, les premières cellules voyagent à bord du
satellite Vanguard 1. Les premiers panneaux solaires, fixés sur le satellite
Explorer 6, en 1959.
Première maison alimentée par
des cellules PV , construite à
l’Université de Delaware
1973: Première application terrestre du photovoltaïque
La recherche continue son travail afin de pouvoir adapter les panneaux
solaires à une utilisation terrestre. L’Université Delaware est à l’origine de Explorer-6, premier satellite
la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques en 1973.
équipé de panneaux PV.
22.02.21
23
03. Effet photovoltaïque
Les principales technologies PV
SILICIUM
CRISTALLIN
Silicium
monocristallin
(sc-Si/monoSi)
Silicium
polycristallin
(mc-Si/poly-Si)
COUCHES
MINCES
Tellurure de
cadmium
(CdTe)
Cuivre Indium
(Gallium) Sélénium
(CIS &CIGS)
Silicium amorphe
(a-Si:H) et
microcristallin
(µc-Si:H)
Arséniure de
gallium (GaAs) et
matériaux III-V
ORGANIQUES
(OPV)
Cellules à
colorant
(DSC)
HYBRIDES
Multijonctions
Cellules à
polymères
Cellules à
pérovskites
Cellules à
concentration
22.02.21
24
03. Effet photovoltaïque
Test des cellules et modules PV: flash test
1.
Conditions standard de test (STC):
• Atmosphère : AM 1,5
• Puissance solaire incidente : 1000 W/m2
• Température de jonction : 25°C
2.
Conditions NOCT (Nominal Operating Cell Temperature)
• Puissance solaire incidente : 800 W/m2
• Température ambiante : 20°C
• Vitesse du vent: < 1m/s
22.02.21
25
Merci
Dr Y. Moussa SORO
[email protected]
Téléchargement