[PDF] Cours Energie Solaire Photovoltaïque

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Cours Energie Solaire Photovoltaïque

Enseignante : Mme S.BELAID 1 République Algérienne Démocratique et Populaire de la Recherche Scientifique

Université A.MIRA de BEJAIA

Faculté de Technologie

Département de Génie Electrique

Dr. BELAID LALOUNI Sofia

Maître de Conférences Classe B

Année universitaire 2014/2015

Cours Energie Solaire Photovoltaïque

Cours Energie Solaire Photovoltaïque

Enseignante : Mme S.BELAID 2

TABLE DES MATIERES

Chapitre I : Généralités

I.1 Introduction :

hotovoltaïque I.4 Différents types de systèmes photovoltaïques Chapitre II : Modèles et caractéristiques de modules photovoltaïques II.2 Modèle électrique de module photovoltaïque II.3 Caractéristiques des modules photovoltaïques II.4 Détermination expérimentale des caractéristiques du module photovoltaïque Chapitre III : Stockage et dimensionnement des systèmes photovoltaïques

III.1 Le stoc

III.2 Modèle électrique de la batterie

Chapitre IV : Applications des systèmes photovoltaïques IV.1 Electrification hybride (photovoltaïque-éolienne)

IV.2 Le pompage photovoltaïque

IV.3 Le chauffe-eau solaire

IV.4 La climatisation solaire

IV.5 Dessalement de l'eau de mer

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I. Généralités

I.1 Introduction :

solution parmi les options énergétiques prometteuses avec des avantages comme quantités en tout point du globe terrestre isolés.

I.1.1 Historique du photovoltaïque:

Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la

transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie

des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créer

une différence de potentiel entre les bornes de la cellule qui génère un courant électrique

continu. L'hélio électricité est apparue en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium. 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, balises radio et météorologiques, pompes et réfrigérateurs solaires. Le progrès des techniques de production de cellules photovoltaïques ainsi que

l'augmentation des volumes de production ont entrainé, à partir des années 1990, une

baisse des prix. La production de modules se fait en Chine (près de 60 % de la production

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Enseignante : Mme S.BELAID 4 totale), au Japon, aux EU, en Allemagne et en Europe, avec en particulier des grandes compagnies comme Yingli Green Energy, First Solar et Suntech Power. La production mondiale de modules photovoltaïques est passée de 5 MWc en 1982 à plus de 18GWc en

2013. le groupe algérien

2013 dans la production des panneaux photovoltaïques dont la puissance varie entre 70 W

et 285 W et à des prix compétitifs. Dans le cadre de la concrétisation du programme national algérien des énergies

renouvelables, un projet de 400 MW en photovoltaïque à été lancé, faisant partie du

consiste en la réalisation de 23 centrales solaires photovoltaïques, dans la région des hauts

plateaux et dans la région du sud ouest; ainsi que dans la région du grand sud. Dans la

ées qui viendront rgies

renouvelables de 5539 dans le monde a atteint 138,9 GW à la fin 2013. I.1.2 La conversion de la lumière en électricité:

Le terme " photovoltaïque » souvent abrégé par le sigle " PV », à été formé à partir

des mots " photo » un mot grec signifiant lumière et " Volta » le nom du physicien italien

Alessand

la conversion directe de l [Rnc 02].

Figure I.1 :

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Enseignante : Mme S.BELAID 5 ectement 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. ainsi directement utilisable. ¾ Dans un isolant électrique : les électrons de la matière sont liés aux atomes et ne peuvent pas se déplacer. ¾ Dans un conducteur électrique (un fil de cuivre par exemple) les électrons sont ¾ Dans un semi-conducteur : la situation est intermédiaire, les électrons contenus dans la matière ne peuvent circuler que si on leur apporte une énergie pour les libérer de leurs atomes. Quand la lumière pénètre dans un semi-conducteur, ces photons apportent une énergie permettant aux électrons de se déplacer, il ya donc

I.1.3 Technologie des cellules solaires :

Le Silicium est lmatériaux

haut degré de pureté est requis pour en faire une cellule photovoltaïque et le procédé est

coûteux. Selon les technologies employées, on retrouve le Silicium monocristallin avec un rendement de 16 à 18%, le Silicium Polycristallin de rendement de 13 à 15%, le silicium Galium et le Tellurure de Cadmium qui sont en court de test dans les laboratoires est présentent un rendement de (38%). I.1.4 Fabrication des cellules photovoltaïques : Le silicium est actuellement le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques.

On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûte

terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98 % seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz

provenant de galets. Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de

99,999 %, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera

distillé puis retransformé en silicium. Il est produit sous forme de barres nommées

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Enseignante : Mme S.BELAID 6 " lingots » de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques de

200 micromètres d'épaisseur qui sont appelées wafers . Après un traitement pour enrichir

en éléments dopants et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les

wafers sont métallisés : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des

contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques.

I.2 :

effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, 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. Figure I.2 : Principe de la conversion photovoltaïque.

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Enseignante : Mme S.BELAID 7 Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans

la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des

contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est

éclairée, les photons

communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule (voir figure I.2). I.3 gie photovoltaïque les plus importants sont [Lal 05]:

I.3.1 Avantages :

+ 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. + est facile, 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.

I.3.2 Inconvénients :

- 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. - stiques. - Le coût d'investissement sur une installation photovoltaïque est cher.

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Enseignante : Mme S.BELAID 8 I.4 Différents types de systèmes photovoltaïques : On rencontre généralement trois types de systèmes photovoltaïques, les systèmes autonomes, les systèmes hybrides et les systèmes connectés à un réseau [Lab 03]. Les deux premiers sont indépendants du système n les retrouvant souvent dans les régions éloignées.

I.4.1 Les systèmes autonomes :

Ces systèmes photovoltaïques sont installés pour assurer un fonctionnement autonome

régions isolées et éloignées du réseau. Les différents types de systèmes photovoltaïques

autonomes sont décrits sur la figure (I.3) qui traduit les différentes possibilités offertes :

(Maximum Power Point Tracking), fonctionnement au fil du soleil ou avec stockage Figure I.3 : Les différents types de systèmes photovoltaïques autonomes. Fixe

Orientable

Adaptation

MPPT

Adaptation

MPPT

Convertisseur

Continu/continu

ou

Continu/alternatif

Convertisseur

Continu/continu

ou

Continu/alternatif

Charge

Continue

Ou alternative

Charge

Continue

Charge

Continue

Ou alternative

Stockage

Électrochimique

Fonctionnement au fil du soleil

Couplage direct

Avec adaptation

Convertisseur

Continu/alternatif

Charge

Alternative

Générateur

Photovoltaïque

Régulateur

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Enseignante : Mme S.BELAID 9 Le couplage direct implique un fonctionnement au fil du soleil, donc à puissance essentiellement variable au cours de la journée. Les charges typiques à courant continu qui peuvent satisfaire le critère (tension constante à puissance variable) sont les accumulateurs réservoir) le générateur et sa charge électrique un dispositif électronique qui permet de forcer le système à fonctionner à sa puissance maximale.

Exemple : Le pompage au fil du soleil.

Figure I.4 : pompage au fil de soleil

Le pompage au fil du soleil permet d'avoir un système photovoltaïque plus simple comme nous montre la figure ci-dessous. 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.

I.4.2. Les systèmes hybrides :

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Enseignante : Mme S.BELAID 10 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 [Abo 05], [Vec 05]. Figure I.5 : Configuration du système hybride à bus continu. Dans la première configuration, la puissance fournie par chaque source est centralisée sur un bus continu (voir figure I.5 ensuite en courant continu (CC). pour alimenter les charges alternatives. fonction spécifique du système de supervision est la commande de mise en marche et arrêt des générateurs et du système de stockage. de commande. Dans la seconde configuration tous les composants du système hybride sont reliés à la charge alternative.

Hacheur

Générateurs

Photovoltaïques

Générateurs

Éoliens

Générateurs

Diesels

Système de

Stockage

Charges

Alternatives

Bus continu

Redresseur

Hacheur

Redresseur

Onduleur

Autre

Renouvelable (CA)

Redresseur

Système de supervision

(gestion)

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Enseignante : Mme S.BELAID 11 I.4.3. Les systèmes connectés au réseau : (figure I.6)

produite plus prés des lieux de consommation. Les systèmes connectés à un réseau

réseau Figure I.6 : Systèmes photovoltaïque connectés au réseau

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Enseignante : Mme S.BELAID 12 II. Modèles et caractéristiques de module photovoltaïque II.1 Schéma équivalent cellule photovoltaïque :

fabrication, il est représenté sur le schéma équivalent par deux résistances. [Nik 03], [Lal

09].

Figure II.1 photovoltaïque.

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 n

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- Une cellule solaire est caractérisée par les paramètres fondamentaux suivants: Courant de court circuit (Isc) a plus grande valeur du courant générée par une cellule pour une tension nulle (Vpv=0). 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 (Ipv=0). Elle reflète Tc G Rse e

Rsh Rch

IRsh Iph Id pv pv Gi

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Enseignante : Mme S.BELAID 13 la tension de la cellule en absence de lumière, elle est exprimée mathématiquement par : )I

Iln(V)I

Iln(e mkTVoc 0 ph t 0 phc

Où :

e mkTVc t

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 -19). 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 optoptIVP.max

Avec :

Vopt : La tension optimale.

Iopt: Le courant optimale.

Rendement maximum : est le rapport entre la puissance maximale et la puissance GA IV P P pv optopt in. .max K

Où :

G nte la puissance lumineuse reçue par unité de surface (W/m2).

Apv : Surface effective des cellules.

Les conditions normalisées de test des panneaux solaires sont caractérisées par un rayonnement instantané de 1000W/m2 25°C

AM de 1.5

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Enseignante : Mme S.BELAID 14 doit pénétrer. Ces conditions sont appelées STC (Standard Test Conditions) cela correspond à un ensoleillement assez fort. La figure (II.2) présente la courbe courant-tension e cellule photovoltaïque avec les points importants qui la caractérise. Figure II.2 : Courbe courant -e cellule 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 module photovoltaïque, de type SIEMENS SM 110-24.

Paramètres Valeurs

Puissance maximale du panneau Pmpp 110 W

Courant au point de puissance maximale Impp 3.15 A

Tension au point de puissance maximale Vmpp 35 V

Courant de court-circuit Isc 3.45 A

Tension en circuit ouvert Voc 43.5 V

tion du courant Isc Įsc) 1.4 mA/°C oc

ȕoc)

-152 mV/°C

Voc Tension (Vpv)

Courant (I

pv Vopt Pmax Iopt

Isc M

Tableau (II.1)-24.

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II.1.2 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 (figure II.3). 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 : pvspv pvppv VnV InI (a) (b) Figure II.3 : Caractéristiques de groupement de cellules photovoltaïque. (a): Groupement parallèle, (b): Groupement série. Figure II.4 : 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

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Enseignante : Mme S.BELAID 16 montés sur une armature métallique qui permet de supporter le champ solaire avec une orientation et en série et en parallèle pour atteindre une tension et un courant plus grands. II.1.3 Protection des modules photovoltaïques : Lors de la conception une installation photovoltaïque, il faut assurer sa protection vie en évitant notamment des pannes types de protection sont classiquement utilisés dans les installations photovoltaïques : - La diode anti-retour empêchant un courant négatif dans les GPV. Ce phénomène peut apparaitre lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèle, ou bien quand une charge en connexion directe peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une batterie durant la nuit. - Les diodes by-pass peuvent isoler un sous- détruire par claquage. Il convient donc de limiter la tension inverse maximale susceptible -pass) au niveau de chaque module la diode parallèle limite la tension inverse par sa tension direct II.2 Modèle électrique de module photovoltaïque :

De nombreux modèles mathématiques de générateurs photovoltaïques, ont été

entre eux par et le nombre de paramètres pris en compte [Ger 02].

II.3.1 Modèle à une diode :

Le module photovoltaïque est caractérisé par son schéma électrique équivalent

(Figure II.5u flux lumineux en énergie électrique, une résistance shunt Rsh est

longueur de la périphérie de la surface de la cellule, une résistance série Rs représentant les

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diverses résistances de contact et de connexion, une diode en parallèle qui modélise

jonction PN. Ipv Vpv Iph Rsh Rs Figure II.5 : Schéma électrique équivalent du modèle à une diode. Le courant généré par le module est donné par la loi de Kirchhoff :

RshdphpvIIII

(II.1)

Avec :

)]()(1.[321refjjrefphTTPGGPGPI ]1).. )([exp(0 js spvpv dTknA

RIVqII

sh pvspv RshR IRVI La température du module peut être calculée à partir de la température ambiante et )800

20( NoctGTTj

Avec :

Gref, Tjref : nt et la température de jonction sous conditions STC. G,Tj : et la température de jonction dans les conditions de fonctionnement.

P1, P2, P3 : paramètres constants.

NOCT: température nominale de fonctionnement du module, donnée par le constructeur. ns : nombre de cellule en série dans un module.

K : Constant de Boltzmann.

I0 : le courant de saturation il est fortement dépendant de la température; il est donné par :

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