[PDF] Untitled ture : le rendement des cellules

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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKEFaculté de génieDépartement de génie mécanique

CONCEPTION, FABRICATION ET

VALIDATION D"UN BANC D"ESSAIS

POUR LA CARACTÉRISATION DE

UNE LARGE PLAGE DE

TEMPÉRATURE

Mémoire de maîtrise

Spécialité : génie mécanique

Julien BERNIER OUELLET

Jury : Prof. Richard ARÈS (directeur)

Prof. Julien SYLVESTRE

Sherbrooke (Québec) Canada Août 2016

ffffi??ff L"énergie solaire est une source d"énergie renouvelable et naturellement disponible partout sur terre. Elle est donc tout indiquée pour remplacer à long terme une part importante des combustibles fossiles dans le portrait énergétique mondial. Comme toutes les formes

d"énergie utilisées par la société, l"énergie solaire n"échappe pas aux lois économiques et

son adoption dépend directement du coût par unité d"énergie produite. Plusieurs recherches

et développements technologiques cherchent à réduire ce coût par différents moyens. Une

de ces pistes est l"intégration de deux technologies solaires, la technologie photovoltaïque et la technologie thermique, au sein d"un même système. La conception d"un tel système pose plusieurs défis technologiques, le plus important étant

sans contredit la compétition entre la quantité d"électricité produite et la qualité de la

chaleur. En effet, ces deux variables varient de manière opposée par rapport à la tempéra-

ture : le rendement des cellules photovoltaïques a tendance à diminuer à haute température

alors que la valeur utile de l"énergie thermique tend à augmenter. Une conception judicieuse d"un système photovoltaïque/thermique (PV/T) devra donc prendre en compte et connaître précisément le comportement d"une cellule à haute température. Le présent projet propose de concevoir un système permettant la caractérisation de cellules

photovoltaïques sur une large plage de température. Premièrement, une revue de littérature

pose les bases nécessaires à la compréhension des phénomènes à l"origine de la variation

de la performance en fonction de la température. On expose également différents concepts de système PV/T et leur fonctionnement, renforçant ainsi la raison d"être du projet.

Deuxièmement, une modélisation théorique d"une cellule photovoltaïque permet de définir

grossièrement le comportement attendu à haute température et d"étudier l"importance re-

lative de la variation du courant photogénéré et de la tension en circuit ouvert. Ce modèle

sera plus tard comparé à des résultats expérimentaux.

Troisièmement, un banc d"essais est conçu et fabriqué d"après une liste de critères et de

besoins. Ce banc permet d"illuminer une cellule, de faire varier sa température de -20 C

à 200

C et de mesurer la courbe I-V associée. Le système est partiellement contrôlé par

un PC et la température est asservie par un contrôleur de type PID. Le banc a été conçu

de manière à ce que la source de lumière soit aisément échangeable si un spectre différent

est désiré. Finalement, le comportement du montage est validé en caractérisant une cellule au silicium

et une autre à base de InGaP. Les résultats sont comparés aux prédictions du modèle et

aux données de la littérature. Une étude d"incertitude permet également de cibler la source

principale de bruit dans le système et propose des pistes d"améliorations à ce propos.

Mots-clés :photovoltaïque, caractérisation, performance, température, dégradation, éner-

gie solaire i ffffi?? ??? ?ff??Δ??

1 INTRODUCTION 1

1.1 Mise en contexte et problématique......................... 1

1.1.1 Le coût de l"énergie............................. 1

1.1.2 La conversion du rayonnement solaire.................. 1

1.1.3 Le fonctionnement de cellules photovoltaïques à haute température . 3

1.2 Définition du projet de recherche......................... 3

1.3 Objectifs du projet de recherche.......................... 4

1.4 Contributions originales............................... 4

1.5 Plan du document.................................. 5

2 ÉTAT DE L"ART ET THÉORIE 6

2.1 Les cellules photovoltaïques............................ 6

2.1.1 Les matériaux semi-conducteurs...................... 6

2.1.2 La jonction P-N............................... 7

2.1.3 Types de cellules photovoltaïques et performances........... 9

2.1.4 Caractérisation des cellules PV...................... 11

2.2 Impact de la concentration et de la température................. 13

2.2.1 Limite intrinsèque du matériau...................... 13

2.2.2 Études théoriques et expérimentales en température.......... 13

2.2.3 Influence du type de matériau....................... 15

2.2.4 Influence du niveau de concentration................... 15

2.3 Systèmes photovoltaïques/thermiques....................... 16

2.3.1 La valeur de l"énergie............................ 17

2.3.2 Les systèmes PV/T existants........................ 18

3 MODÉLISATION D"UNE CELLULE 23

3.1 Choix du modèle................................... 23

3.1.1 Équations de diffusion........................... 23

3.1.2 Circuits équivalents simplifiés....................... 23

3.2 Calcul du courant de court-circuit......................... 25

3.2.1 Courant photogénété............................ 25

3.2.2 Courant de court-circuit.......................... 26

3.3 Calcul du courant de saturation.......................... 27

3.4 Calcul de la tension de circuit ouvert....................... 28

3.5 Effets attendus de la température......................... 28

4 CONCEPTION DU BANC D"ESSAIS 30

4.1 Cahier des charges.................................. 30

4.1.1 Identification des besoins.......................... 30

4.1.2 Définition des fonctions........................... 31

4.2 Présentation du système.............................. 31

ii

4.3 Modélisation thermique............................... 32

4.4 Système de contrôle de la température...................... 36

4.4.1 Le refroidisseur liquide........................... 39

4.4.2 La sonde de température et le contrôleur................ 41

4.4.3 Système d"étanchéité............................ 43

4.5 Système de fixation des cellules et sondes électriques............. 44

4.5.1 Opération sans couvercle.......................... 44

4.5.2 Opération avec couvercle.......................... 46

4.6 Système d"illumination................................ 47

4.6.1 Source de courant.............................. 48

4.7 Système d"acquisition de données......................... 48

5 CARACTÉRISATION DE CELLULES 50

5.1 Caractérisation d"une cellule c-Si......................... 50

5.1.1 Courbe I-V sous obscurité......................... 50

5.1.2 Courbes I-V sous illumination....................... 52

5.2 Caractérisation d"une cellule InGaP........................ 55

5.2.1 Courbes I-V sous illumination....................... 56

6 VALIDATION DU BANC D"ESSAIS 60

6.1 Justesse de la mesure................................ 60

6.2 Fidélité de la mesure................................ 60

7 CONCLUSION 63

7.1 Recommandations................................... 63

A CAHIER DES CHARGES : LES BESOINS 65

B CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL 66

C PROGRAMME DE CONTRÔLE LABVIEW 67

D DESSINS DE FABRICATION 73

LISTE DES RÉFÉRENCES 91

iii ffffi?? ??ffi ?ff????ffi

1.1 Évolution du coût par unité de puissance de modules photovoltaïques au

silicium en fonction du volume de production cumulatif mondial........ 2

1.2 Courbe de rendement d"une cellule c-Si...................... 4

2.1 Processus d"excitation d"un électron dans un matériau semi-conducteur par

absorption d"un photon................................ 7

2.2 Schéma simplifié d"une jonction p-n......................... 8

2.3 Portions du spectre converti par effet photovoltaïque pour différentes cellules. 10

2.4 Courbe courant-tension type d"une cellule photovoltaïque............ 12

2.5 Schéma de la méthode de mesure par 4 pointes................. 12

2.6 Variation de la tension de circuit ouvertV

et du courant de court-circuit I en fonction de la température et pour différents spectres........... 14

2.7 Coefficient de variation de la puissance maximaleP

correspondant àβ dans l"équation 2.2 pour différentes cellules.................... 15

2.8 Influence du produit de la résistance en sérieR

avec la surface de la cellule sur le rendement de conversion........................... 16

2.9 Valeur relative de l"énergie pour le système CHAPS............... 17

2.10 Phénomène de concentration des rayons sur un miroir parabolique...... 19

2.11 Irradiation d"une cellule photovoltaïque par un flux radiatif netG

.Ceflux est en partie réfléchi (G ), en partie absorbé sous forme d"énergie ther- mique (G ) et sous forme d"énergie électrique (G PV ) et en partie transmis sous forme de rayonnement électromagnétique (G )............... 19

2.12 Séparation du spectre en différentes longueurs d"onde.............. 21

2.13 Absorption sélective et transmission vers la cellule................ 21

2.14 Utilisation d"une lentille plan convexe pour séparer le spectre......... 22

3.1 Schéma du modèle de diode simple avec les effets résistifs (R

etR )..... 24

3.2 Isolation des conduits entrants et sortants du circulateur............ 24

3.3 Effet calculé de la température sur l"énergie de bande interdite d"une cellule

silicium......................................... 26

3.4 Effet calculé de la température sur l"énergie de bande interdite d"une cellule

InGaP.......................................... 27

4.1 Vue globale du système................................ 31

4.2 Géométrie du modèle thermique........................... 33

4.3 Circuit électrique équivalent du modèle thermique................ 33

4.4 Puissance de refroidissement en fonction de l"épaisseur d"isolant

(?=0?06 W·m -1 K -1 ) pour une cellule à -20

C................. 35

4.5 Température de la surface externe en fonction de l"épaisseur d"isolant

(?=0?06 W·m -1 K -1 ) et puissance de réchauffement pour une cellule à 200

C.......................................... 35

4.6 Vue de coupe du système............................... 37

iv

4.7 Vue rapprochée du système de contrôle de température. L"élément1est

l"échangeur de chaleur liquide (chiller), l"élément2est le support à éléments résistifs, l"élément3est le module à effet Peltier et l"élément4est le support à cellules et de la sonde thermique......................... 38

4.8 Flux de chaleur lorsque le système opère en refroidissement.......... 38

4.9 Flux de chaleur lorsque le système opère en réchauffement........... 38

4.10 CirculateurJULABOF32-EH............................ 40

4.11 Isolation des conduits entrants et sortants du circulateur............ 40

4.12 Échangeur de chaleur................................. 40

4.13 Points d"ébulition et de solidification d"une solution aqueuse d"éthylène glycol. 41

4.14 Schéma des interactions entre le contrôleur (PID), l"ordinateur (PC), l"am-

plificateur de puissance (Ampli.) le module Peltier et la sonde de température. 42

4.15 Interface utilisateur de l"applicationLabVIEW................... 42

4.16 Zones distinctes de contrôle de température.................... 43

4.17 Vue de coupe du système. Les flèches indiquent les emplacements des joints

d"étanchéité...................................... 44

4.18 Support de cellule................................... 45

4.19 Support à cellule et pointes de mesure....................... 45

4.20 Support de cellule avec les patins de conduction installés........... 46

4.21 Support intermédiaire de cellule........................... 47

4.22 Assemblage de la lampe et de la platine de translation............. 47

4.23 Spectres d"irradiation du soleil et d"une lampe halogène incandescente. . . . 48

5.1 Courbe IV mesurée à 0

C d"une cellule de silicium polycristallin dans l"obs- curité........................................... 51

5.2 Courbes IV mesurées par Hu et White....................... 51

5.3 Courbes IV d"une cellule c-Si à différentes températures sous illumination. . 53

5.4V en fonction de la température pour une cellule c-Si............. 53

5.5 CoefficientC

V?? en fonction de la température pour une cellule c-Si et un spectre halogène.................................... 54

5.6 CoefficientC

I?? en fonction de la température pour une cellule c-Si et un spectre halogène.................................... 54

5.7 Puissance normalisée à 25

C en fonction de la température pour une cellule c-Si. .......................................... 55

5.8 Courbes IV d"une cellule InGaP à différentes températures sous illumination. 56

5.9 Tension de circuit ouvertV

en fonction de la température pour une cellule InGaP et un spectre halogène............................ 57

5.10 CoefficientC

V?? en fonction de la température pour une cellule InGaP et un spectre halogène.................................... 57

5.11 CoefficientC

I?? en fonction de la température pour une cellule InGaP et un spectre halogène.................................... 58

5.12 Puissance normalisée à 25

C en fonction de la température pour une cellule InGaP.......................................... 59 v C.1 Diagramme global du logiciel de contrôle du contrôleurAccuthermo ATEC302 montrant la sectionDuty Cycle. .......................... 68 C.2 Diagramme global du logiciel de contrôle du contrôleurAccuthermo ATEC302 montrant la sectionTemperature........................... 69 C.3 Diagramme du sous-unitéWRITE GEN SIMPLE................. 69 C.4 Diagramme du sous-unitéCRC CALC........................ 70 C.5 Diagramme du sous-unitéSEND GET....................... 71 C.6 Diagramme du sous-unitéREAD STR. GEN................... 71 C.7 Diagramme du sous-unitéWRITE STR. GEN................... 71 C.8 Diagramme du sous-unitéCONFIG VISA. .................... 72 vi ffffi?? ??ffi ???????

2.1 Rendement maximal théorique pour différents niveaux de concentrationCet

un nombre différent de jonctions........................... 10

2.2 Rendement moyen de conversion de différents types de cellules simple jonc-

tion à 25 C et soumises à un rayonnement non concentré........... 11

3.1 Paramètres de l"équation de Varshni pour différents matériaux......... 25

4.1 Fonctions et spécifications du sous-système de contrôle de la température. . 36

4.2 Flux thermiques au sein du système fonctionnant sans couvercle pour une

cellule à -20

C. ................................... 39

4.3 Paramètres de fonctionnement du contrôleur PID et du refroidisseur liquide. 43

6.1 Mesures deV

et deI pour différents essais aux mêmes conditions d"opé- ration.......................................... 61 vii ffffi?? ??ffi ffi?????ffi

Symbole Définition

E

Énergie minimale de la bande de conduction

E

Énergie d"un électron

E

Énergie de bande interdite

E

Énergie maximale de la bande de valence

εÉmissivité totale

ηRendement de conversion

Rendement de conversion d"une machine de Carnot

FFFacteur de remplissage

G

Flux radiatif absorbé

G

Flux radiatif net

G PV Flux radiatif converti par effet photovoltaïque G

Flux radiatif reflété

G

Flux radiatif transmis

?Constante de Planck

ICourant

I 0

Courant de saturation

I

Courant au point de puissance maximale

I

Courant photogénéré

I

Courant de court-circuit

?Constante de Boltzmann ?Facteur d"idéalité N

Flux de photons

P

Puissance de l"irradiation

P

Puissance maximale

R

Résistance série

R

Résistance parallèle

R

Résistance du fil de mesure du courant

TTempérature

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