Cours Energies Renouvelables Chapitre 2: Energie solaire PDF

Centre Universitaire d’El Bayadh Département de Technologie 1 ère Année Master Machines Electriques Cours Energies Renouvelables Chapitre 2: Energie solaire  I. Introduction Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d’énergie ra...

Centre Universitaire d’El Bayadh Département de Technologie 1 ère Année Master Machines Electriques Cours Energies Renouvelables Chapitre 2: Energie solaire  I. Introduction Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d’énergie radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute petite partie de l’énergie solaire rayonnée dans l’espace. Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord extrême de l’atmosphère terrestre (pour une distance moyenne terre-soleil de 150 millions de KM), c’est ce que l’on appelle la constante solaire (égale à 1367 W/m2)  I. Introduction L’énergie solaire désigne l’énergie fournie par les rayons du soleil. Le soleil est la source d’énergie la plus puissante et cette énergie est gratuite, il n’y a qu’ l’exploiter ! Les technologies de son exploitation consistent à transformer l’énergie solaire en une forme électrique ou thermique que nous pouvons utiliser directement C’est le cas des cellules photovoltaïques qui transforment la lumière du soleil directement en énergie électrique, des collecteurs solaires qui permettent de chauffer l’eau des maisons, du chauffage et du refroidissement solaire, des concentrateurs solaires qui utilisent des miroirs pour concentrer les rayons du soleil et générer une chaleur intense, transformant l’eau en vapeur et produisant de l’électricité.  II. Energie solaire photovoltaïque Elle désigne l’électricité produite par transformation d’une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles et forment un panneau solaire (ou module) photovoltaïque. Plusieurs modules qui sont regroupés dans une centrale solaire photovoltaïque sont appelés champ photovoltaïque  II. Energie solaire photovoltaïque Historique Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Mais ce n'est qu'en 1954, avec la réalisation des premières cellules photovoltaïques au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell Téléphone, que l'on entrevoit la possibilité de fournir de l'énergie. Très rapidement utilisées pour l'alimentation des véhicules spatiaux vers les années 60 avec l'équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de 1970, les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés. Au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et est même devenue familière des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, pompes et réfrigérateurs solaires.  II. Energie solaire photovoltaïque La conversion de la lumière en Le terme « photovoltaïque » souventElectricité abrégé par le sigle « PV », a été formé à partir des mots « photo » un mot grec signifiant lumière et « Volta » le nom du physicien italien Alessandro Volta qui a inventé la pile électrochimique en 1800. L’effet photovoltaïque est la conversion directe de l’énergie solaire en électricité. L’énergie photovoltaïque est obtenue directement à partir du rayonnement du soleil. Les modules photovoltaïques composés des cellules photovoltaïques à base de silicium ont la capacité de transformer les photons en électrons. La conversion photovoltaïque se produit dans des matériaux semi-conducteurs. L’énergie sous forme de courant continu est ainsi directement utilisable.  II. Energie solaire photovoltaïque Technologie des cellules solaires Le Silicium est l’un des matériaux le plus courant sur terre, c’est le sable, mais un haut degré de pureté est requis pour en faire une cellule photovoltaïque et le procédé est coûteux. Selon les technologies employées, on retrouve : cellules monocristallines  Elles sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal.  Les cellules sont rondes ou carrées et, vues de prés,  elles ont une couleur uniforme.  Elles ont un rendement de 12 à 18 %  II. Energie solaire photovoltaïque Technologie des cellules solaires cellules poly-cristallines  Sont élaborés à partir d’un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples.  Elles ont un rendement de 11 à 15%, mais leur cout de production est moins élevé que les cellules monocristallines.  II. Energie solaire photovoltaïque Technologie des cellules solaires Les modules photovoltaïques amorphes  Ont un cout de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n’est que 6 à 8% actuellement.  Le silicium amorphe permet de produire des panneaux de grandes surfaces à bas cout en utilisant peu de matière première  II. Energie solaire photovoltaïque Rendement d’un module photovoltaïque Souvent, les vendeurs de matériel photovoltaïque parlent de la puissance crête d'un module mais rarement de son rendement. Or, ce paramètre est évidemment important pour juger de sa qualité En connaissant la surface d’un module et sa puissance crête, il est donc aisé de calculer le rendement. Il suffit en fait de calculer la puissance crête par mètre carré et de la comparer à l’ensoleillement des conditions standards : 1000 W/m². Le rendement d’un module est donc égal à sa puissance crête par m² (en W/m²) divisé par 1000 W/m² La puissance crête d’un module correspond à la puissance électrique de celui-ci dans des conditions standards (1000 W/m², 25°C).  II. Energie solaire photovoltaïque Rendement d’un module photovoltaïque Exemple: Un panneau de 200 Wc a une superficie de 1,6 m². Sa puissance crête par m² est donc de 200/1,6 soit 125 Wc/m². Le rendement de ce panneau est donc de : 125/1000 = 12,5 % Remarque : L'unité Wc correspond au Watt crête qui est l'unité définissant la puissance nominale d'un panneau solaire dans des conditions de test bien définies.  II. Energie solaire photovoltaïque Principe de fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque L’effet photovoltaïque : définition La conversion photovoltaïque est l’opération que subit certain matériaux quand ils sont soumis au rayonnement solaire pour produire de l’électricité. Dans la conversion photovoltaïque trois phénomènes physiques sont mis en jeux: - L’Absorption de la lumière dans le matériau ; - le Transfert d’énergie des photons aux charges électriques ; - la collecte des charges. Le matériau doit avoir des propriétés optique et électrique spécifique pour permettre la conversion photovoltaïque.  II. Energie solaire photovoltaïque Avantages de l’énergie photovoltaïque + Energie indépendante, le combustible (le rayonnement solaire) est renouvelable et gratuit. + L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets. + Réduit la vulnérabilité aux pannes d’électricité. + L’extension des systèmes est facile, la taille d’une installation peut aussi être augmentée par la suite pour suivre les besoins de la charge. + La revente du surplus de production permet d'amortir les investissements voir de générer des revenus. + Entretien minimal. + Aucun bruit.  II. Energie solaire photovoltaïque Inconvénients de l’énergie photovoltaïque - La fabrication des panneaux photovoltaïques relèvent de la haute technologie demandant énormément de recherche et développement et donc des investissements coûteux. - Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles. - Nécessite un système d’appoint (batteries) pour les installations domestiques. - Le coût d'investissement sur une installation photovoltaïque est cher.  II. Energie solaire photovoltaïque Différents types de systèmes photovoltaïques Les systèmes autonomes :  Ces systèmes photovoltaïques sont installés pour assurer un fonctionnement autonome sans recours à d’autres sources d’énergie.  Généralement, ces systèmes sont utilisés dans les régions isolées et éloignées du réseau.  Les différents types de systèmes photovoltaïques autonomes sont décrits sur la figure  II. Energie solaire photovoltaïque Différents types de systèmes photovoltaïques Les systèmes hybrides :  Les systèmes d’énergie hybride associent au moins deux sources d’énergie renouvelable aussi une ou plusieurs sources d’énergie classiques  Les systèmes d’énergie hybrides sont généralement autonomes par rapport aux grands réseaux interconnectés et sont souvent utilisés dans les régions isolées.  Les différentes sources dans un système hybride peuvent être connectées en deux configurations, architecture à bus continu et architecture à bus alternatif.  II. Energie solaire photovoltaïque Différents types de systèmes photovoltaïques Les systèmes connectés au réseau :  Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique.  L’énergie est produite plus près des lieux de consommation.  Les systèmes connectés à un réseau réduisent la nécessité d’augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution.  Il produit sa propre électricité et achemine son excédent d’énergie vers le réseau, auprès du quel il s’approvisionne au besoin, ces transferts éliminent le besoin d’acheter et d’entretenir une batterie.  Il est toujours possible d’utiliser ceux systèmes pour servir d’alimentation d’appoint lorsque survient une panne de réseau.  II. Energie solaire photovoltaïque Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque  Le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque comprend un générateur de courant qui modélise l’éclairement et une diode en parallèle qui modélise la jonction PN.  Mais le schéma équivalent réel tient compte de l’effet résistifs parasites dus à la fabrication, il est représenté sur le schéma équivalent par deux résistances. Avec : Gi : Source de courant parfaite. Rsh: Résistance shunt qui prend en compte les fuites inévitables de courant qui intervient entre les bornes opposées positive et négative d’une cellule. Rse : Résistance série qui est due aux différentes résistances électriques que le courant rencontre sur son parcourt (résistance de contact) D : Diode matérialisant le fait que le courant ne circule que dans un seul sens. Rch : Résistance qui impose le point de fonctionnement sur la cellule en fonction de sa caractéristique courant-tension à l’éclairement considéré.  II. Energie solaire photovoltaïque caractéristiques de la cellule photovoltaïque Une cellule solaire est caractérisée par les paramètres fondamentaux suivants: 1. Courant de court circuit (Isc) : C’est la plus grande valeur du courant générée par une cellule pour une tension nulle (V’pv=0). 2. Tension en circuit ouvert (Voc) : Représente la tension aux bornes de la diode quand elle est traversée par le photo-courant Iph (Id =Iph) quand (I’pv=0). Elle reflète la tension de la cellule en absence de lumière, elle est exprimée mathématiquement par : Où : Avec : Vt : La tension thermique. Tc : La température absolue. m : Facteur idéal de la jonction. K : Constante de Boltzmann (K= 1.38 10-23 J/k) e : Charge de l’électron (e=1.6 10-19).  II. Energie solaire photovoltaïque caractéristiques de la cellule photovoltaïque Une cellule solaire est caractérisée par les paramètres fondamentaux suivants: 3. Point de puissance maximale (Pmax): est le point M(Vopt, Iopt) de la figure (II.2) où la puissance dissipée dans la charge est maximale : avec : Vopt : La tension optimale. Iopt: Le courant optimale. 4. Rendement maximum : est le rapport entre la puissance maximale et la puissance à l’entrée de la cellule solaire. Où : G : l’irradiation qui représente la puissance lumineuse reçue par unité de surface (W/m2). Apv : Surface effective des cellules.  II. Energie solaire photovoltaïque caractéristiques de la cellule photovoltaïque Les conditions normalisées de test des panneaux solaires sont caractérisées par un rayonnement instantané de 1000W/m2 d’une température ambiante de 25°C et d’un spectre AM de 1.5. AM représente l’Air Masse qui est l’épaisseur de l’atmosphère que la lumière doit pénétrer. Ces conditions sont appelées STC (Standard Test Conditions) cela correspond à un ensoleillement assez fort. La figure présente la courbe courant-tension d’une cellule photovoltaïque avec les points importants qui la caractérise. Courbe courant -tension d’une cellule photovoltaïque.  II. Energie solaire photovoltaïque Exemple de module photovoltaïque: Les constructeurs de panneaux photovoltaïques fournissent les paramètres du module (Isc, Impp, Voc, Vmpp) sous les conditions standard de fonctionnement (une insolation de 1000W/m2 et une température de 25°C, AM 1.5). Le tableau suivant montre les données d’un module photovoltaïque, de type SIEMENS SM 110-24 Paramètres d’un module photovoltaïque SIEMENS SM 110-24.  II. Energie solaire photovoltaïque De la cellule au champ photovoltaïque : Pour produire plus de puissance, les cellules solaires sont assemblées pour former un module. Les connections en série de ns cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle de np cellules accroît le courant en conservant la tension. Si toutes les cellules sont identiques et fonctionnent dans les mêmes conditions, nous obtenons le module photovoltaïque qui fournit un courant Ipv sous une tension Vpv, avec : Caractéristiques de groupement de cellules photovoltaïque. (a): Groupement parallèle, (b): Groupement série.  II. Energie solaire photovoltaïque De la cellule au champ photovoltaïque : Le panneau photovoltaïque se compose de modules photovoltaïques interconnectés en série et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise. Ces modules sont montés sur une armature métallique qui permet de supporter le champ solaire avec une orientation et un angle d’inclinaison spécifique. Le champ photovoltaïque est l’ensemble des panneaux montés en série et en parallèle pour atteindre une tension et un courant plus grands.  II. Energie solaire photovoltaïque Caractéristiques de module photovoltaïque : Les caractéristiques électriques d’un module photovoltaïque varient en fonction de la température et de l’irradiation. Les caractéristiques courant-tension et puissance- tension du module SIEMENS SM 110-24 (voir tableau (II.1)) sont présentées dans les conditions standards de fonctionnement. Caractéristique courant-tension d’un module Caractéristique puissance-tension d’un module photovoltaïque pour G=1000 W/m2 et T=25 °C photovoltaïque pour G=1000W/m2 et T=25°C.  II. Energie solaire photovoltaïque - Influence de l’irradiation : pour différent niveau d’irradiation (G=400, 600, 800, 1000 W/m2) et Tc=25 °C. Les caractéristiques des figures montrent bien la variation du courant du module photovoltaïque ainsi que de la puissance en fonction de la tension pour différents niveaux d’éclairement. On peut voir aussi sur le graphe, l’existence de maximum sur les courbes de puissance. Ces points correspondent aux points de puissances maximales lorsque l’irradiation varie pour une température donnée. On peut voir que le courant de court-circuit Isc varie proportionnellement à l’irradiation. De même, la tension de circuit ouvert Voc (à vide) varie très peu.  II. Energie solaire photovoltaïque - Influence de la température : Suivant les figures , on constate que lorsque la température croit à irradiation constante la tension de circuit ouvert Voc décroît fortement et le courant de court circuit Isc augmente légèrement.  II. Energie solaire photovoltaïque Détermination expérimentale des caractéristiques d’un module photovoltaïque Un essai expérimental permet de déterminer les caractéristiques courant- tension Ipv(Vpv) et puissance- tension Ppv(Vpv) d’un module photovoltaïque (figure ). En faisant varier une résistance de charge en mesure à l’aide d’un ampèremètre et d’un voltmètre le courant et la tension photovoltaïque pour un niveau d’éclairement et de température donnée. Schéma électrique de l’essai expérimental.  II. Energie solaire photovoltaïque Etude de l’adaptation de l’énergie photovoltaïque : Le module photovoltaïque est un générateur de puissance finie pouvant fonctionner selon toute combinaison de courant et de tension, la meilleure combinaison s’appelle le point de puissance maximale qui obtient celle-ci pour un éclairement et une température donnée est située en (M) voir figure. La tension et le courant correspondants sont appelés tension optimale et courant optimum. Une connexion directe ne permet pas de faire fonctionner un module à sa tension optimale (puissance maximale). Cela nécessite une adaptation entre la source photovoltaïque et la charge avec une commande MPPT pour le fonctionnement en maximum de puissance. Système photovoltaïque avec convertisseur d’adaptation.  II. Energie solaire photovoltaïque Stratégies de suivi du point de puissance maximale : Par définition, une commande MPPT (maximum power point tracking), associé à un convertisseur DC/DC d’adaptation permet de faire fonctionner un générateur photovoltaïque de façon à produire en permanence le maximum de sa puissance, quelques soient les conditions météorologiques (irradiation, température) quelques techniques de recherche du point de puissance maximale:  Méthode de courbe d’ajustage:  Méthode de la table de consultation:  Méthode de tension en circuit ouvert du générateur PV:  Méthode de courant de court-circuit du générateur PV:  Méthode de perturbation et d’observation (P&O):  Méthode de conductance incrémentielle:  II. Energie solaire photovoltaïque Applications des systèmes photovoltaïques Electrification hybride (photovoltaïque-éolienne) : Ce système hybride de production d’énergie électrique est celui qui combine et exploite deux sources d’énergies renouvelables (photovoltaïque, éolienne) pour la production de l’énergie  II. Energie solaire photovoltaïque Applications des systèmes photovoltaïques Le pompage photovoltaïque:  Pour être ramenées en surface, les eaux souterraines ont besoin d’être pompées. Par conséquent, la nécessité d’une pompe et donc d’une source fiable d’énergie comme le photovoltaïque s’impose.  Le pompage photovoltaïque se présente fondamentalement de deux façons selon qu’elle fonctionne avec ou sans batterie Caractéristiques du débit pour le pompage au fil du soleil et avec batterie  II. Energie solaire photovoltaïque Applications des systèmes photovoltaïques Le pompage photovoltaïque: Le pompage au fil du soleil :  Le stockage se fait de manière hydraulique, l’eau étant pompée, lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement, dans un réservoir au-dessus du sol.  Elle est ensuite distribuée par gravité au besoin.  Permet d’avoir un système photovoltaïque plus simple, plus fiable.  Moins coûteux qu’un système avec batterie. Le pompage avec batterie :  permet de s’affranchir des aléas du soleil et des problèmes d’adaptation entre générateur photovoltaïque et motopompe.  Le débit de pompage peut se faire à la demande, lorsque les utilisateurs en ont besoin, ou permettre un pompage régulier durant toute la journée.  l’utilisation d’un réservoir de stockage pour l’eau sera nécessaire afin de pouvoir fournir à la demande d’eau.  l’utilisation de batteries comporte davantage de composants qui influent sur la fiabilité et le coût global du système.  III. Energie solaire thermique Principe 1. Les rayons solaires sont transformés en énergie thermique (en chaleur) grâce à des capteurs solaires thermiques. 2. Ces derniers transmettent l’énergie solaire à des absorbeurs métalliques. 3. Ces mêmes absorbeurs réchauffent alors un réseau de tuyaux où circule un fluide caloporteur (qui peut être de l’eau, un liquide antigel, ou même de l’air). 4. Ce fluide qui reçoit de la chaleur en un point de son circuit et qui la cède en un autre point, va chauffer à sont tour de l’eau stockée dans un cumulus, 5. cette même eau ira alimenter un chauffe-eau (pour l’eau sanitaire) et systèmes de chauffages solaires.  III. Energie solaire thermique Applications On distingue deux types d’application d’énergie solaire thermique, à basse température (passive, active) et à haute température (concentrée) La technologie solaire passive L'énergie lumineuse du Soleil qui pénètre à l'intérieur des pièces par les fenêtres est absorbée par les murs, les planchers et les meubles, puis libérée sous forme de chaleur. Les techniques, utilisées pour capter l’énergie, misent sur la conception des immeubles et le type de matériaux utilisés pour les construire plutôt que sur de l’équipement mécanique.  III. Energie solaire thermique Applications Aujourd'hui, la conception solaire passive utilise les éléments fondamentaux d’un immeuble (les murs, la toiture et les fenêtres) pour contrôler la quantité d’énergie solaire absorbée ou perdue.  III. Energie solaire thermique Applications La technologie solaire active Le système d’énergie solaire active utilise des capteurs solaires pour capter l’énergie du soleil et produire de l’électricité afin d’alimenter des pompes et des ventilateurs qui distribuent de l’eau et de l’air chaud, tell que les systèmes à chauffe eau solaire qui utilisent les capteurs plan vitrés ou non vitrés pour chauffé de l'eau, ou le chauffage des locaux et la ventilation solaire qui utilisent aussi des capteurs vitrés ou un bardage perforé pour chauffer l’air. Un autre exemple est celui qui utilise les centrales électriques solaires.  III. Energie solaire thermique Applications La technologie solaire concentrée ou « thermodynamique » Différentes formes des capteurs sont utilisées pour concentrer le rayonnement solaire sur le récepteur, installé sur un foyer, pour atteindre des températures élevés allant de 250 à 800°C. Cette technique permet de réchauffer le fluide caloporteur, en général du l’huile ou des sels fondus. Ces fluides viennent ensuite chauffer de la vapeur d’eau, qui entraîne un alternateur ; comme dans le cas d’une centrale thermique conventionnelle, pour produire de l’électricité.  III. Energie solaire thermique Types de capteurs solaires thermiques a. Capteur plan C’est le modèle standard le plus répandu. Il est composé d’un caisson vitré isolant à l’intérieur duquel est disposée une feuille métallique recouverte de chrome noir qui va absorber l’énergie solaire. Un fluide caloporteur circule à l’intérieur de tubes placés entre la vitre et la feuille absorbante : on obtient un effet permettant au liquide d’atteindre les 70°C.  III. Energie solaire thermique Types de capteurs solaires thermiques b. Capteur sous vide Le capteur sous vide est composé de tubes de verre sous vide. Son fonctionnement est le même que pour les capteurs de type plan. Il y a un assemblage de tubes en verre indépendants. Le vide créé à l’intérieur des tubes limite les déperditions de chaleur. De ce fait, son rendement est très performant. La forme tubulaire capte l’énergie des rayons soleil plus longuement dans une journée qu’avec un capteur plan. Les températures atteintes sont très élevées. Mais le coût du capteur sous vide est supérieur aux autres modèles de capteurs.