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]
