Lect4_Solaire_V1 PDF - Énergie Solaire

L’énergie solaire Paola CINNELLA paola.cinnella@sorbonne- universite.fr Objectifs du cours § Caractéristiques et positionnement des générateurs photovoltaïques § Effet photovoltaïque § Constitution et production des cellules photovoltaïques § Dimensionnement des systèmes photovoltaïques...

L’énergie solaire Paola CINNELLA paola.cinnella@sorbonne- universite.fr Objectifs du cours § Caractéristiques et positionnement des générateurs photovoltaïques § Effet photovoltaïque § Constitution et production des cellules photovoltaïques § Dimensionnement des systèmes photovoltaïques 2 Les systèmes photovoltaïques Utilisent comme source d’énergie la radiation solaire §Celle-ci a une densité de puissance dans l’espace égale à 1353 W/m2 (constante solaire) §Sur la surface terrestre, la densité de puissance diminue à 1000W/m2 par effet de différents phénomènes. Réflexion vers l’espace (albedo) Absorption par l’atmosphère La partie restante se divise en deux portions: directe et diffuse §Au sol, le rayonnement solaire global (G) reçu par une surface plane d'inclinaison quelconque est constituée de 3 composants principaux 3  Rayonnement solaire La première source d’énergie Ø Le soleil est composé d’hydrogène et d’hélium Ø La fusion thermonucléaire est à l’origine du rayonnement Ø Le rayonnement est caractérisé par son intensité et son domaine spectral Ø Plus un corps est chaud et plus il émet un rayonnement intense Source : Acqualys 4 Avantages de l’énergie solaire § « Propre » § Renouvelable § Gratuite § Permet d’alimenter des sites isolés 5 Désavantages de l’énergie solaire § Dispositifs de conversion moins efficaces et plus chers que pour d’autres sources § Intensité variable au cours du temps et en fonction de la météo § La disponibilité dépend du site § La production des cellules photovoltaïques a un impact environnemental 6  Un peu d’histoire “L'effet photoélectrique” est connu depuis 1839, suite aux expériences du physicien français Edmond Becquerel (1820- 1891) qui présente à l’Académie des Sciences un « Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires». Edmond Becquerel En 1870 l'effet photoélectrique est étudié sur des cellules de sélénium à l’état solide par Heinrich Hertz et, en 1876, par Willoughby Smith, William Adam e Richard Day, qui arrivent à conclure que de telles cellules pouvaient convertir la lumière en électricité avec une efficacité entre 1% et 2%. Heinrich Hertz 7  Un peu d’histoire Le principe est expliqué en1905 par Einstein – qui en1921 reçoit pour cette découverte le prix Nobel de physique - et en 1930 par Walter Schottky. Les photons transportés par la lumière permettent de mobiliser les électrons de certains matériaux. Cela pose les bases scientifiques pour la réalisation de la première cellule solaire Albert Einstein En 1954 Chapin, Pearson e Fuller, des laboratoires Bell Telephone, développent les premières cellules basées sur des semiconducteurs au silicium, capables de convertir 6% de l’énergie solaire en énergie électrique Gerald Pearson, Daryl Chapin, e Calvin Fuller 8  Un peu d’histoire La première application des cellules solaires est due aux américains qui, en mars de1958 alimentent en électricité l’émetteur du satellite artificiel Vanguard1 qui encore aujourd’hui est en orbite autour de la Terre 9 Le principe photovoltaïque: un peu de vocabulaire Panneau solaire : assemblages séries et parallèles de cellules photovoltaïques PV (ou photopiles). Une cellule est un « composant électronique » à matériau semi-conducteur qui, exposé à la lumière (absorption des photons), produit de l’électricité : effet photovoltaïque Augmentation de la conductibilité par dopage La mécanique quantique, la théorie « des bandes » et le modèle corpusculaire de la lumière permettent d’expliquer ce comportement des semi-conducteurs 10 Le principe photovoltaïque : un peu de physique Bande de conduction Bande de valence (électrons liés Eg : Energie de Gap (électrons libres) cohésion du solide) Energie en ev - électron libre E = h.c/λ > Eg - - Niveau de Fermi Eg Eg = 1,1 ev + + pour le Si + trou Etat excité par Etat fondamental rayonnement Métal Isolant Semi conducteur E =h.v=h.c/λ en Joules (h=6,63.10-34 J.s=constante de Planck) et en ev si divisé par 1,6 10-19 Quand un paquet de photons « heurte » la cellule, il peut transmettre son énergie aux électrons des semi-conducteurs, qui sont alors transférés à la bande de conduction. 11 La jonction p-n Considérons un cristal de Silicium: à son intérieur, les atomes sont liés par un lien covalent Electrons partagés Si le cristal est dopé avec des atomes du troisième groupe (Bore) ou du cinquième groupe (Phosphore) la Atome structure du cristal aura des défauts de bore trou Electron libre et présentera des charges libres positives (trous) ou négatives Atome de phosphore (électrons) 12 La jonction p-n Un cristal dopé avec du Bore forme une structure dite ‘p’ (positive) Un cristal dopé avec du Phosphore forme une structure dite ‘n’ (négative) Dans les deux cas, le cristal présente une charge électrique neutre en moyenne Lorsque ces deux types de structure sont mis en contact, l’interface est appelée jonction p-n Jonction p-n Silicium p Silicium n 13 La jonction p-n Un flux d’électrons est généré au niveau de la jonction, à cause de la différente concentration des deux types de charges dans le matériau p et n Les trous de la zone Les électrons de la p traversent la zone n traversent la jonction pour se jonction pour se recombiner avec recombiner avec quelques électrons quelques trous de la de la zone n zone p Ce flux engendre, à cheval de la jonction, deux couches avec une charge électrique opposée un champ électrique s’opposant à la diffusion est enfin créé (équilibre) 14 Jonction p-n Représentation de la densité de charge, du champ électrique et du potentiel électrostatique En utilisant la 1ere équation de Maxwell + définition du potentiel électrique pour une distribution 1D de charges: d 2ϕ dE ρ =− = − ,!! dx 2 dx εs ε s = 10−10 F /m!pour!le!silicium (permettivité!ou !constante!diélectrique) Vd=Potentiel intrinsèque (dû au dopage seulement) 15 Effet photovoltaïque Lorsque la jonction est exposée à un rayonnement, des paires électron-trou peuvent être crées dans les zones p et n P N Les électrons passent à la bande de conduction et peuvent se - + déplacer, laissant un trou derrière eux E i Le champ électrique (barrière de potentiel) au niveau de la jonction empêche aux électrons en excès dans la bande de conduction, créés par l’absorption de photons, d’aller vers la zone p et par contre permet aux électrons de la zone p d’aller vers la zone n + P - + N - - + e + - I Une fois que les électrons ont traversé la jonction, il ne - + E - - + peuvent plus revenir en arrière car celle-ci agit comme un i + - + - diode (conduction possible dans un seul sens) I V e A - 16 Effet photovoltaïque Composition d’une cellule PV Contact avant Région de Charge d’Espace Contact arrière 17 Efficacité de la conversion L’energie transportée par les rayons solaires est égale à: E = h*v v = 1/λ avec v la fréquence et λ la longueur d’onde Dans le cas du Silicium l’énergie requise pour libérer une paire électron / trou est égale à l’énergie d’un rayon solaire de longueur d’onde maximale λmax = 1,15 mm λ > λmax => énergie insuffisante pour créer des paires électron/trou λ < λmax => création de paires mais surplus d’énergie => réchauffement du matériau Seulement 44% de la radiation solaire contribue à libérer des électrons de conduction à Rendement idéal max d’une cellule PV= 44%  Effet photovoltaïque Circuit équivalent d’une cellule PV connectée à une charge Courant de saturation inverse de la diode Charge I(V) = Isc – Idark(V) Courant photovoltaique I(V) = Isc – Io(e qV/(KT)– 1) Ou, pour une diode idéale: avec: I = intensité de courant traversant la charge Isc=intensité de courant produite par la cellule, proportionnelle à la radiation incidente I0=courant de saturation du diode, proportionnelle à la surface de la jonction p- n à courant généré par la diffusion des charges positives du côté "N" K= constante de Boltzmann T=température  Point de fonctionnement ou point de puissance maximale urva caratteristica di un modulo ovoltaico Le point de fonctionnement d’une = V·I cellule est celui pour lequel on a la puissance maximale: selon la cellule unzionamento potenza considérée, cela correspond à une di una cella certaine tention Vm et un certain courant Im. di funzionamento a è quello in cui Isc= courant de court-circuit sce potenza : questo accade Voc=tension à vide o voltaggio Vmp sponde una certa orrente Imp. ta una cella avente una caratteristica V-I, il Par conséquent, ui essa fornisce potenza massima étant donné è Pmax = Vmp/Impune cellule avec une certaine caractéristique V-I, la charge correspondant à la puissance maximale est (loi de Ohm): R = Vm/Im. Puissance de crête Pour une cellule solaire idéale (sans pertes), la puissance maximum Pmax idéale correspondrait donc à la tension de circuit ouvert Voc multipliée par le courant de court-circuit Icc. En pratique, la courbe caractéristique d'une cellule PV est plus "arrondie", et la tension au point de puissance maximum VPmax est inférieure à la tension de circuit ouvert Voc, de même que le courant fourni IPmax est inférieur, pour cette même tension, au courant de court-circuit Icc. C’est l’effet des résistances internes série et parallèle. La puissance crête d'une photopile, notée Wc (Watt crête) ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique maximum délivrée dans les conditions suivantes, dites Conditions Standard de Test (STC): Eclairement solaire de 1 000 W / m2 (correspondant à peu près à une exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à midi par temps clair d'été); Température de la cellule PV égale à + 25 °C. Répartition spectrale du rayonnement dit AM=1,5 (correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol après avoir traversé une atmosphère de masse 1 avec une inclinaison de 45°) Pour une cellule photovoltaique on introduit: Le rendement de la cellule: Un facteur de remplissage ImVm Pm ou Fill Factor (FF): η= = Ps E.S Où Ps = puissance radiation solaire FF = ImVm / IscVoc (de l’ordre de 70 %) E=éclairement W/m2 Pm à conditions STC: 1 000 W/m2, T=25°C, spectre AM 1,5 Le rendement peut être réécrit comme une fonction du FF: IscVocFF Le 4 paramètres: Isc, Voc, FF, η h= Ps influencent les performances d’une cellule Rendement de la conversion Les constructeurs indiquent des Monocristallin 17 % rendements très décevants… Cristallin Polycristallin 15% Silicium Amorphe 8% Cellules PV Monocristallin Composites 25 % Polycristallin IMMENSE !! TRES GRANDE ENERGIE ENERGIE Cellules SOLAIRE ELECTRIQUE PV Rendement faible L’intérêt du photovoltaïque est surtout lié à la disponibilité immense et gratuite d’énergie solaire Rendement de la conversion Photons incidents 1,1 ev E en ev 2,65 1014 Hz f en Hz λ λmax 1,12 µm Pas d’effet photovoltaïque Effet photovoltaïque possible  Rendement de la conversion Photons incidents 1,1 ev E en ev 2,65 1014 Hz f en Hz λ λmax 1,12 µm Effet photovoltaïque Pas d’effet photovoltaïque Pas d’effet possible photovoltaïque Photons utilisables donc d’énergie suffisante Photons Photons Réflexion efficaces inefficaces Paires électrons-trous libérées Absorption I Porteurs libres Porteurs piégés Absorption V disponibles (recombinés) Transmission Le rendement quantique rapport du nombre de porteurs disponibles sur le nombre de photons incidents est mauvais. Le rendement « énergétique » est encore beaucoup plus faible.  Rendement de la conversion Photons Photons Photons transmis absorbés réfléchis ν trop faible dissipation thermique 3à5% 18 à 22 % 28 à 32 % PHOTONS Porteurs D’ENERGIE Cellules photovoltaïques libres SUFFISANTE disponibles 15 à 18 % 8 à 17 % pour le 8 à 10 % silicium ! Courant de Recombinaisons fuite et des paires résistances électrons-trous de jonction métal-SC  Rendimento di una cella fotovoltaica ! Il rendimento di cella è definito come: η = potenza elettrica netta in uscita / potenza incidente = (V⋅⋅I)/(G⋅⋅A) Rendement de la conversion ! Il valore max teorico è funzione dell’energia di gap del semiconduttore, Eg ! Il valore reale, in condizioni operative, è tipicamente compreso tra il Le 12%rendement e il 15%max dépend de l’énergie de gap du semi- ! L’aumento della T tende a ridurre la conducteur tensione della cella, e anche la sua Des valeurs trop faibles ou trop efficienza élevées de Eg réduisent le ! Valori troppo bassi o troppo alti di rendement energia di gap, Eg, riducono 273 K V augmente avec Eg l’efficienza: I diminue - V cresce avec Egdi(moins all’aumentare Eg de 373 K couplesall’aumentare - I diminuisce électron/trou peuvent di Eg 473 K apparaître) (diminuisce la frazione di fotoni conL’augmentation de température energia sufficiente alla T a tendance à réduire formazione dellala tension de la coppia cellule et son rendement elettrone-lacuna) Eg La technologie photovoltaïque Silicium monocristallin: a été et reste le semi-conducteur le plus utilisé pour les cellules photovoltaïques Avantages: rendement élevé, durabilité Inconvénient: coût de fabrication élevé Silicium poly-cristallin: développé pour réduire les coût d’accroissement du monocristal de silicium Avantage: moins cher que le silicium monocristallin Inconvénient: perte de rendement à cause des bord des cristaux, des impuretés et des imperfections de la structure cristalline Silicium amorphe: c’est le semi-conducteur le moins cher mais également le moins prisé. Avantage: fabrication par simple déposition sur des plaques de verre ou métalliques Désavantages: les mêmes que pour le silicium poly-cristallin, mais plus accentués Accroissement cristallographique du Silicium monocristallin Méthode de Czocrhalaski Production decristaux circulaires, Tecniche découpésdi produzione del en wafers Silicio Inconvénient: difficiles Silicio monocristallino: Processo Czochralski à placer dans un e metodo del floating module (perte zone de place) Production du Silicium poly-cristallin Technique de fabrication: Wacher Ingot Facturing Process (WIFP) On fait refroidir le silicium fondu dans un moule avec un gradient thermique contrôlé Le lingot ainsi obtenu est découpé en blocs Les blocs sont à leur tour découpés en wafers à Possibilité d’obtenir des cellules rectangulaires Production du Silicium amorphe Production par simple déposition en fines couches Beaucoup de défauts Les défauts peuvent être atténués en passivant la surface avec de l’hydrogène Silicium amorphe Silicium amorphe hydrogéné Cellules photovoltaiques en film La technique la plus prometteuse utilise des fines couches de CdTe Avantages: très bon coefficient d’absorption Energy gap du matériau parfait pour l’absorption de la lumière visible Le module photovoltaïque § Elément de base des installations photovoltaiques § Constitué de cellules photovoltaiques interconnectées Assure la protection contre les efforts mécanique et les èvénements météorologiques Assure l’insulation éléctrique Fournit le support structurel § Caractéristiques Stabilité aux rayons ultraviolets Tolérance aux températures Capacité à èvacuer la chaleur 33 Performance typique d’une cellule PV Aire 100 cm2 Courant généré 2.5-3.5 A Tension 0.45-0.55V Puissance 1.4W Besoin de connecter plusieurs cellules : En série (les tensions s’ajoutent) En parallèle (les courants s’ajoutent) à Le résultat est un module photovoltaïque 34  li fotovoltaici Typesvecchide modules PV = 0.5 m2 0-36 celle A partir d’une cellule § Modules PV anciens = 40-60 W A=0.5m2 On construit un module = 12 V 30-36 cellules Plusieurs modules P=40-60W forment un Plusieurs eso = 7-8 kg VPoids=7-8kg = 12 V panneau panneaux sont connectés en li fotovoltaici § nuovi Modules PV récents série pour former un A=0.5-1.1m2 Les strings, connectés « string » = 0.5 - 1.1 m 236-64-72 cellules en parallèle, forment un générateur PV V > 12 V 6-64-72 celle > 12 V 35 Rangée ou « Strings » § Chaque panneau PV est constitué de plusieurs cellules, généralement 36 ou 72 Chaque cellule a une tention de l’ordre de 0,5 – 0,6 V. § Par conséquent un panneau présente une tension d’environ 35 V et un courant maximum de qualques ampères (~ 5 A). § Pour augmenter la tension on connecte plusieurs panneaux en série  Boitiers de raccordement § Pour augmenter le courant, et donc la puissance, on connecte plusieurs rangées en parallèle par des boîtiers de raccordement § Avec n rangées en parallèle on obtient une puissance égale à la somme des puissances de chaque rangée  Onduleurs § Les panneaux PV produisent un courant continu. § Puisque la plupart des charges à alimenter fonctionne au courant alterné (ainsi que le réseau de distribution), il faut convertir le courant continu en alterné § Pour cela on utilise un onduleur fournissant du 220 Volts en 50 Hz § Principaux onduleurs: Pour extérieurs (2-3 kW) Pour intérieurs (puissances plus élevées, 200 kW)  Transformateurs § Les transformateurs permettent d’augmenter la tension de la valeur de sortie des onduleurs à la valeur du réseau. § La connexion au réseau peut se faire en basse ou en moyenne tension P < 100 kW, connexion en basse tension P> 100 kW, connexion en moyenne tension à Transformateur 400/15000V Composants auxiliaires Structure Cablâge Onduleur DC/AC 40 Dimensionnement Installations isolées (stand-alone) Installations connectées au Dimensionner pour couvrir le besoin réseau (grid connected) dans le mois le moins favorable Dimensionnés pour fournir une production d’électricité Site de référence: égale au besoin annuel http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Interactif: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php 41 Eclairement La meilleure inclinaison des panneaux PV est celle de la latitude de l’endroit où sont installés les capteurs (environ 45° en France). Ce sont souvent les dispositions constructives du bâtiment qui déterminent l’inclinaison. Il existe des systèmes qui permettent d’optimiser l’orientation des panneaux : suiveur ou traqueur solaires (2-axis tracking) Le dimensionnement de l’installation doit tenir compte de ces paramètres : éclairement moyen (météo), rendement maximum des panneaux, puissance crête, orientation, besoins nécessaires… Pour les panneaux solaires du marché, on parle de 120 à 150 Wcrete par m² sous les STC La puissance disponible pour les applications est très aléatoire : il faut impérativement disposer d’une réserve d’énergie renouvelable par le solaire qui puisse assurer l’alimentation en puissance. 42 Etapes pour la conception d’un générateur PV Etude de faisabilité Analyse des aspects organisationnels, normatifs, technologiques et environnementaux 1. Caractéristiques du site 2. Conception détaillée 3. Conception simplifiée 43 Caractéristiques du site Vérifier si le site est adapté à l’installation d’un générateur PV, notamment s’il a un ensoleillement suffisant sur l’année ou au moins pendant la période d’utilisation 1. Présence d’ombres (végétation, immeubles voisins, collines…)? 2. Brouillards matinaux? 3. Probabilité de chutes de neige? 4. Angles d’azimut et de tilt 44 Ombres Le diagramme des parcours solaires permet de déterminer la hauteur du soleil sur l’horizon dans les différentes saisons et donc de calculer l’ombre éventuelle portée par des objets distants 45 Neige La couche de neige peut couvrir tout ou partie des panneaux 46 Inclinaison et orientation Consiste à déterminer les angles d’azimut et de tilt: Azimut: déviation de la surface vers sud-est ou sud-ouest. Il faut qu’il soit inférieur à + ou – 45° pour éviter de pertes significatives (dans l’hémisphère nord!). Tilt: inclinaison sur l’horizontale (comprise entre 0 et 90°). Elle a une valeur optimale qui est fonction de la latitude. Si le panneau est posé à l’horizontale, on a des pertes d’environ 10% par rapport à l’optimum. Ces pertes peuvent s’élever à plus de 35% si les panneaux sont posés à la verticale 47 Rôle de l’azimut Si l’azimut n’est pas nul, cad les panneaux ne sont pas orientés vers le sud, on diminue l’énergie solaire récoltée sur l’année Pour des azimut inférieurs à 45° (en valeur absolue) les pertes sont de quelques points de pourcentage Pour des azimuts de 90° (est ou ouest) les pertes arrivent à 20% L’azimut peut ne pas être zéro à cause de contraintes architecturales (position des toitures, façades…) 48 Rôle du tilt Lorsque l’inclinaison est choisie afin de maximiser l’énergie récoltée sur la période hivernale, on obtient globalement sur l’année environ 90% de l’énergie maximale Diagramme de l’énergie assez « plat sur l’année) Si l’inclinaison maximise l’énergie récoltée en été, l’énergie obtenue en hiver descend à environ 65% Diagramme de l’énergie avec un pic en été 49 Prise en compte de l’ombre portée par les modules voisins Si les modules sont disposés sur une surface plane il faut prendre en compte les ombres portées pour calculer la distance minimale entre les modules Triangle des ombres 50