Solaire photovoltaïque

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1 Solaire photovoltaïque
Objectifs : Apporter les connaissances de base sur l’énergie solaire et sur l’énergie photovoltaïque en particulier. PLAN : 1/ Rappel sur les unités. 2/ Place du photovoltaïque (PV) parmi les énergies. 3/ Applications du photovoltaïque. 4/ Solaire thermique 5/ La ressource solaire. 6/ Effet photovoltaïque 7/ Caractéristiques électriques 8/ Systèmes photovoltaïques Module ouverture ENR -- V. B février 2011.

2 L’énergie électrique sert à alimenter des appareils, aussi …
avant de récupérer de l’énergie provenant du soleil (photovoltaïque ou autre), regardons notre consommation … et les unités associées

3 p (W)= u(V) . i (A) p (W)= u(V) . i (A)
1/ Energie-Puissance À savoir : P (W)= E(J) / D (s) P : puissance E : énergie D : durée Puissance : unité le watt W 1 Watt = 1J / 1S Energie : 1 joule = 1V  1A  1s 1 cal = 4.18 J  c’est la quantité d’énergie nécessaire pour faire passer 1g d'eau de 24 à 25°C 1 Wh = une puissance de 1 W pendant 1h = 3600 J 1 kWh = une puissance de 1000 W pendant 1h = 3.6 MJ ou une puissance de 100 W pendant 10h par convention 1Tep = kWh Puissance = Energie / Durée Relation utile pour un appareil électrique (convention récepteur) : p (W)= u(V) . i (A) p : puissance reçue u : tension i : courant Relation utile pour un appareil électrique (convention générateur) : p (W)= u(V) . i (A) p : puissance fournie u : tension i : courant i u générateur Vélo 150 watts (touriste) à 190 watts (sportif) Lance Armstrong 550W Voiture 15kW C3 1,4 HDI 70 : 51 kw BMW 525 tds : 105 kw 1 kW = (sèche cheveu) plusieurs déf de la Tep selon la qualité du pétrole y a pas la même énergie dedans P = fV = C = UI E = P(t)dt i u récepteur P(W) = F(N).V(ms-1) P(W) = C(Nm)(rds-1) P(W) = U(V).I(A) E = 0t P(t)dt

4 U (J)= m(g).(g/l).Cm(J/g/°C). (°C)
1/ Consommation : deux applications Combien d’énergie pour se sécher les cheveux? Relation utile : E (J)= P(W). D(s) E (Wh)= E(J) / 3600 E : énergie utilisée P : puissance du sèche-cheveux (typiquement 1kW) D : durée d’utilisation (s) Combien d’énergie pour faire chauffer 10l d’eau de 14 à 100°C Relation utile : U (J)= m(g).(g/l).Cm(J/g/°C). (°C) U : variation d’énergie interne de la masse d’eau.  : masse volumique de l’eau Cm : capacité calorifique massique de l’eau (4,18 J/g/°C  : variation de température Exemple 1 : Lien entre Joule (c’est petit) et Wh ou kWh dès que les quantités d’NRJ augmente. NRJ nécessaire pour se sécher les cheveux 5mn*60s*1000W = 300 kJ = 83 Wh. Exemple 2 : c’est pour situer ce que représente 1 kWh (facture EDF est exprimée en kWh … et en € aussi!) Le coût électrique d’un cycle de machine à lacer est environ aussi 1 kWh (chauffage eau+ moteur)

5 1/ Consommation : un téléphone portable
Dans un iphone 4, on trouve une batterie Li-ion polymère. Caractéristiques : V = 3,7V E = 5,25 W.hr Capacité de cette batterie? (mAh) Sur le site d’Apple : Temps de conversation : jusqu’à 8 heures en 3G Navigation sur Internet : jusqu’à 6 heures en 3G Consommation instantanée (puissance)? Courant qui sort de la batterie? Exemple 3 : Un exemple qui peut les intéresser et qui permet de parler d’un système autonome en énergie (y’a pas le réseau EDF!) ________________________________________________________ Batterie pour iPhone 4 Li-lion polymer 3,7v / 5,25 Whr pour remplacer votre batterie d'origine. Batterie au lithium-ion rechargeable intégrée Recharge via USB par l’ordinateur ou l’adaptateur secteur Temps de conversation : jusqu’à 8 heures en 3G ; jusqu’à 14 heures en 2G (GSM) Autonomie en veille : jusqu’à 200 heures Navigation sur Internet : jusqu’à 6 heures en 3G ; jusqu’à 9 heures en Wi-Fi Lecture vidéo : jusqu’à 10 heures Lecture audio : jusqu’à 40 heures Relation utile : Pour un accumulateur (batterie rechargeable) E (Wh)= C(Ah). V(V) E : énergie nominale stockée C : capacité (attention rien à voir avec la capacité d’un condensateur!) V : tension

6 1/ Consommation : un ordinateur portable
Dans un ordinateur portable (de 2007), on trouve aussi une batterie Li-ion : Caractéristiques 11,1V 5400mAh 440g Énergie de la batterie (Wh)? Des mesures réalisées avec un wattmètre (cf photo) placé avant le chargeur donnent (avec la batterie déjà chargée): Consommation : 30W (avant le chargeur) Le rendement du chargeur est de 80% Quel est la consommation du portable (W)? Quel est son autonomie (h)? Exemple 4 : Toujours un système portable mais avec un peu plus d’NRJ embarqué. On pourra par la suite faire le lien entre les consommations de ces produits et les surfaces nécessaires si on veut les alimenter avec des panneaux solaires : l’annoncer déjà ici (i.e. quelle taille de panneau et quel technologie choisir?) Le wattmètre (35€) permet de mesurer les consommations dans la maison, il se branche sur une prise 230V et enregistre plein de choses (Pmax, P, E, I, …) Relation utile : Pour un acumulateur (batterie rechargeable) E (Wh)= C(Ah). V(V) E : énergie nominale stockée C : capacité (attention rien à voir avec la capacité d’un condensateur!) V : tension

7 A la fin de ce cours, vous devrez être capable de choisir correctement le panneau solaire qui permettra de recharger ces deux produits (iphone et ordinateur) en énergie. … Le photovoltaïque … abordons le sujet! C’est une énergie renouvelable mais est-ce la principale?

8 2/ Place du photovoltaïque (PV) parmi les énergies.
Total production électrique mondiale en 2010 d’origine renouvelable: TWh soit 20 % de la production totale d’électricité ( TWh). MONDE Total production électrique photovoltaïque mondiale en 2010 : 33,2 TWh soit 0,8% de la production électrique mondiale d’origine Renouvelable (7,9 en 2007 ,2,7 en 2004) Solaire électricité : 31,6 TWh des centrales photovoltaïques 1,6 TWh des centrales héliothermodynamiques. Photovoltaïque : presque 2,5 GWc installés (fin 2006) croissance de 30 % par an En 2004 : MWc en Europe, 20 en France … En 2006 : MWc en Europe, 32 en France …(l’Allemagne 3000 MWc…) Fin 2005 : 3,7 GWc installé : isolé : 15%, connecté réseau 85% dont 5% grosses centrales, 80% toits et résidentiel Source (2011):

9 2/ Place du photovoltaïque (PV) parmi les énergies.
FRANCE En France : Bcp de nucléaire, pour le renouvelable : de l’eau (on a des montagnes!) du vent (on a des côtes) Et le photovoltaïque : c’est pas beaucoup!!! oui mais dans certaine cas pas d’autres solutions ! Source (2011):

10 Ce n’est donc pas la principale énergie renouvelable certes mais …
Dans quel cas utilise-t-on du solaire photovoltaïque?

11 3/ Photovoltaïque : des applications décentralisées
Satellites Electrification des sites isolés, notamment : pompage d ’eau balises… pays en développement loisirs Applications décentralisées i.e. non reliées au réseau RTE (EDF), certaines ont : - du stockage électrochimiques (batterie) pas de stockage (pompage au fil du soleil : on remplit les bassins quand il y a du soleil, on refroidit la glacière quand il y a du soleil - La calculatrice fonctionne si il y a du soleil, et sinon non! La problématique de ces systèmes est le stockage : les panneaux PV fonctionnent sans problèmes (durée de vie>20 ans) mais les batteries ont une durée de vie beaucoup plus courte (entre 6 mois et 10 ans) Applications centralisées reliées au réseau Le problème du stockage est reporté sur le réseau et c’est le régisseur du réseau qui doit se débrouiller pour avoir à tout instant, puissance consommée = puissance fournie, ce qui n’est pas évident quand la part des énergies rneouvealbles augmente trop (ex en Navarre 30% de l’élec via l’éolien => pb de stabilité du réseau) En Europe : 99,4% connecté réseau en europe. De façon marginale : véhicules (courses sunracers), avions (solar impulse) bateaux... Sources : Bernard Multon, Stephan Astier

12 3/ Photovoltaïque : des applications décentralisées
Photo : 2005 PowerLight Corp Ici l’exemple d’une application de communication par radio : il y a dans le système - un syst radio qui sert de relais entre la vallée et les pisteurs (boite noir + antenne sur le toit) - des panneaux orientés plein Sud, inclinés pour que la neige glisse dessus - Un régulateur intercalé entre la batterie et les panneaux (non visibles sur les photos) Une batterie pour stocker l’énergie (posée à même le sol photo en bas à droite) Ici, c’était moins cher que de tirer un fil depuis le fond de la vallée. On retrouve la problématique : Production (les panneaux) Consommation (radio) Mais les deux ne sont pas toujours en même temps => nécessité d’un étage de stockage pour Assurer l’autonomie désirée. Communication radio pisteurs station Saint Léger les mélèzes

13 3/ Photovoltaïque: plus de puissance … et le réseau
Toit solaire utilisation « individuelle » raccordés au réseau électrique Centrale de grande puissance Photo : 2005 PowerLight Corp Sur le toit de la maison à gauche panneau Photovoltaïque, à droite panneau pour chauffer l’eau. Bavaria solarpark (Allemagne) 62 000m² de panneaux pour 10 MW

14 3/ Photovoltaïque: plus de puissance … et le réseau
Toit solaire utilisation « individuelle » Photo : 2005 PowerLight Corp Ici on retrouve une installation connectée au réseau avec : Des panneaux installés sur le toit collé au revêtement d’étanchéité : ici ce sont des panneaux souples (bandes noires sur la photo de gauche). IL y a 4 panneaux. Chaque panneau est composée de 4 bandes de cellules en série (par panneau : 500 W, 132 V, 4 A) Il faut aussi un convertisseur de puissance (DC en sortie des panneaux -> AC pour aller sur le réseau 50hz, 230V : un onduleur) boite rouge Des systèmes de sécurité (en bas à droite placés à proximité de l’onduleur)pour couper les lignes en cas de défaut ou pour une intervention Toute la production est renvoyée sur le réseau électrique Et quand la neige recouvre les panneaux, ils ne produisent plus! (photo de droite) Université Paul Sabatier 2,3 kWc Si amorphe

15 cellules_souples_ Technologie amorphe En rouleau

16 3/ Photovoltaïque: plus de puissance … et le réseau
Centrale de grande puissance Photo : 2005 PowerLight Corp Ici on constate que les panneaux d’une même série n’ont pas besoin d’être parfaitement alignés dans le même plan (la puissance récupérée varie avec le positionnement des panneaux : idéal Sud , 40° en France pour maximise sur l’année) On constate aussi que chaque série est assez décalé de celle qui est devant elle : il faut éviter les ombres sur les panneaux : s’ils sont trop proche l’ombre du premier quand le soleil est trop bas va sur le panneau suivant etc …=> tous les panneaux auront une fraction à l’ombre, hors, il suffit qu’une cellule d’un panneau soit à l’ombre pour perdre la puissance de tout le panneau (ou de 18 cellules car il y a des protection par diode bypass toute les 18 cellules) Chaque groupe de panneau (une dizaine) à son propre onduleur et il y a un transfo à l’entrée de la ferme photovoltaïque pour tout le site qui transforme le 220vAC en MT ( VAC je crois ) pour l’envoyer sur les lignes de RTE Ancien silo de missiles (plateau d’Albion) Ferme photovoltaïque au sol de Ferrassières (Drome) modules / Mwc / 8.6 ha

17 Nous venons de voir les deux types d’utilisation du PV :
- Sites isolés (non connecté au réseau) (avec ou sans stockage de l’énergie) - Installations de production connectées au réseau. Avant d’aller plus sur la partie technique du photovoltaïque… Avec le soleil, on peut aussi récupérer de la chaleur et la convertir ensuite en électricité …

18 4/ Solaire thermique pour la production d’électricité
Principe : système concentrateur de chaleur puis …échangeur et turbine ou générateur (moteur Stirling) Paraboles Diam : 8m Pe=10kW Photo de droite : 354 Mwe exploité depuis 1985 en californie (hybride : 80%sol, 20% gaz) 11 Mwe en Espagne Le Miroir cylindro parabolique concentre le rayonnement solaire vers un tube qui passe dans son axe; soit cela fait directement de la vapeur soit chauffage d’un sel fondu puis un échangeur after. Rendement de 16% environ . Photo du milieu : Système plus petite puissance : au centre du foyer de la parabole : moteur stirling, gaz de travail hydrogène, rend ement environ 20%, Pthermique : 55 kW, Pelec 10 kW Photo de gauche : tour solaire, cf diapo +loin Docs : A. Ferriere PROMES Champs de miroir + récepteur Miroir à auges

19 4/ Solaire thermique : Exemples
Solar Two Barstow Californie 85000 m² 12,4 MWe Désert Mojave Californie m² cylindro-paraboliques 354 MWe Tour solaire Manzanares (Espagne) 194 m de haut 6000m2 de miroir Photo en bas à droite à Thémis (Font Romeu): on note les impacts de chaleur quand les panneaux visaient mal! La cible ou il y a l’échangeur c’est le centre de la zone bordée noir dans la partie inclinée La cible en dessous c’est pour vérifier que les rayons du soleil vont bien au bonne endroit (l’ajustage du positionnement des héliostats se fait normalement avec le rayonnement lunaire (ça fait moins mal si on vise mal!) Ancienne installation Themis en France (83-86) m² miroir 2,5 MWe

20 4/ Solaire thermique pour la production d’électricité
354 Mwe exploité depuis 1985 en californie (hybride : 80%solaire , 20% gaz) 11 Mwe en Espagne Miroir cylindro parabolique, soleil génère soit directement de la vapeur soit chauffage d’un sel ou huile, puis échangeur de chaleur => vapeur => entraîne turbine => prod. Électricité rend 16% C’est juste pour donner l’échelle des miroirs… Science et Vie Mai 2009

21 4/ Solaire thermique pour la production d’électricité
Principe Le stockage via un réservoir de sel fondu permet de réduire le problème de l’intermittence de la resssource et augmente la disponibilité de l’énergie électrique produite. Voir doc de solaire_thermique_AFerriere.pps Docs : A. Ferriere - PROMES

22 récupérer de la chaleur et
avec le soleil, on peut donc faire de l’électricité directement: solaire photovoltaïque ou indirectement : récupérer de la chaleur et la convertir ensuite en électricité via une turbine. Avec le soleil, on peut aussi utiliser directement la chaleur produite …

23 4/ Solaire thermique pour le chauffage
le chauffage de l’eau un chauffe-eau solaire couvre entre 40 et 80 % des besoins en eau chaude (surface entre 2 et 5 m² pour 4 personnes - 200l) : dessins Claire Laffargue le chauffage de la maison le système solaire combiné couvre 25 à 60 % des besoins en chauffage et en eau chaude (surface environ 1 à 1,2 m² pour 10 m² de maison). Chez moi (à Toulouse) : 5 personnes, 5 m² de panneau, la chaudière est arrêtée de Pâques à la Toussaint et nous avons assez d’eau chaude sanitaire produite pour se laver, la cuisine et aussi pour le lave-vaiselle. Attention, si on voulait faire l’eau chaude pour le chauffage de la maison avec, cela coincerait.

24 E : énergie récupérée dans les radiateurs (kWh)
4/ Solaire thermique pour le chauffage EXERCICE : Et si on enlevait la chaudière au gaz ? Maison 200 m², consommation gaz kWh, 2000 kWh pour la cuisine Et si on enlevait la chaudière au gaz ? Rendement thermique 80%, chauffage entre oct et mars Quelle surface de panneau thermique sur le toit? Relation utile : E (kWh)= E J(kWh/m²/jour) .N. S .  E : énergie récupérée dans les radiateurs (kWh) EJ : énergie récupérée sur le toit par jour par m² de panneaux (kWh / m² / jour) N : nombre de jours S : Surface de panneaux disponible (m²)  : rendement de l’installation Calsol est gratuit accessible en ligne Ici « l’irradiation » est en fait l’énergie reçue en une journée par une surface de 1 m² orienté Sud-Ouest (+45°) et incliné à 20° (toit maison toulouse) : ce n’est pas une irradiation mais une énergie journalière par unité de surface.unité : kWh/m² Attention : normalement : L’irradiation c’est l’ensoleillement exprimé en W/m² (puissance fournie par la source lumineuse par unité de surface) c’est l’énergie lumineuse qui arrive par seconde sur une surface de 1 m²). E = p.t G irradiation en W/m², S surface p = G.S puissance lumineuse sur cette surface. E journée =  P(t)dt entre matin et soir = G(t).S.dt entre matin et soir Raisonnement sur l’année avec la donnée 3,94 kWh/m² /jour => S = 16m² Mais cela suppose de stocker l’été la chaleur et la redonner en hiver : impossible de stocker sur des durée de 6 mois On raisonne maintenant pour le mois de décembre : Décembre : Ej = 1,2 kWh/m² /jour chauffage entre octobre et mars : 6 mois , pour faire simple on suppose consommation constante (ce qui est faux!) => conso de 20000/6 kWh Econso = = 3000 kWh en décembre Il faut Econso >= Ej.S.31.rend => S=100m² Logiciel Calsol

25 4/ Solaire thermique : la cuisine!
Minimum_Solar_Box_Cooker_Photo.jpg Solar Steam cooking system installed at Sangi Industres, Hyderabad for their industrial canteen to cook for 500 workers. Ici faire le calcul du temps mis pour faire des œufs à la coque … et donc pour faire bouillir l’eau! 1 l d’eau parabole de 1,5 m de diam Toulouse au mois de juin (900 W/m²)… _____________________________ et aussi le chauffage de l’eau sanitaire … Solar Steam Cooking System:With technical assistance provided by M/s HTT GmbH of Germany and funding from GATE/ GTZ also of Germany, the first solar steam cooking system to cook for 1,000 person was developed and installed at the Brahma Kumaris' Ashram, Mt.Abu in Rajasthan. In 1997, this was the first Solar Steam Cooking System based on Scheffler Solar Concentrators in the World. Its success has led to many more systems being installed in India. Schematic   Working principle of Solar Steam Cooking System : In the focus of each pair of Scheffler Concentrator (dishes), the sleeping dish and standing dish, are placed heat exchangers called receivers. The Solar rays falling onto the dish  are reflected and concentrated on the receivers placed in its focus. Due to concentration the temperature achieved is very high (between degree centigrade) and thus the water in receivers comes to boiling and becomes steam. Above the receiver is an insulated header pipe filled half with water. The cold water enters the the receiver through inner pipe, gets heated due to the high temperature of the concentrated rays and the heated water goes up.  The cold water again enters through inner pipe and and the cycle continues till steam is generated. The steam gets stored in the upperhalf empty portion of the header pipe and pressure keeps on rising. The steam is than drawn / or sent to kitchen through insulated pipe line. Spurred by the success of the above system, with training and jigs provided by Gadhia Solar, the Brahma Kumari's installed the world's largest solar steam cooking system at their Taleti Ashram in Abu Road, Rajasthan. This system installed in 1999, cooks upto 35,000 meals a day. Gadhia Solar has manufactured and installed many solar steam cooking system since than on Turn-Key basis - starting for system for 500 people per day (1,000 meals per day) to 15,000 persons per day (30,000 meals per day) Solar Steam cooking System installed at Sri Saibaba Santhan Shirdi to cook for 3000 people per day

26 Avec le soleil, on peut donc récupérer : de l’électricité directement
ou indirectement, de la chaleur. Oui mais la ressource n’est pas toujours là… : Une ressource inépuisable mais variable …

27 18 % de la surface de la France = 99300km² avec 2000 kWh/m²/an
5/ La ressource solaire 18 % de la surface de la France = 99300km² avec 2000 kWh/m²/an et 10% de rendement global, on obtient une production électrique de TWh = conso élec de la planète. Réserves mondiales d’énergie primaires Problème : la prod n’est pas là ou il y a la conso : acheminenemnt de l’électricité. Emprise au sol des centrales solaires : 2ha/Mwe (source A.Ferrière PROMES) Graphe du haut : Réserves mondiales d’énergie primaires Superficie France.  Totale : 551 602 km2 Docs : A. Ferriere PROMES

28 Selon les régions, une énergie de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an,
5/ La ressource solaire Selon les régions, une énergie de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an, soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m² et une puissance crête de plus de 1000  W/m² En France environ 1000 kWh/m²/an diffus direct réfléchi. Une grande part de cette puissance par unité de surface peut être directement et aisément convertie en chaleur, une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité À passer vite, retenir juste : S’il fait très beau : irradiation1000 W/m² c’est de la puissance! 1000 kWh/m²/an c’est de l’énergie et une partie peut être converti en électricité le 8 à 25 c’est le rendement photovoltaïque. Sur un bilan énergétique annuel à Toulouse le rayonnement direct c’est selon l’orientation entre 40 et 60%, le diffus entre 60 et 40% et le réfléchi 1% Trois composantes dans le rayonnement reçu au sol : le direct, le diffus et le réfléchi.

29 5/ Une ressource variable.
Toulouse. …la position du soleil varie sur la journée, … sur l’année … et en fonction du lieu. Est Sud Ouest Course du soleil au fil des jours.. Préciser les notions suivantes : Azimut, hauteur. Sur ce dessin, Le soleil va de gauche à droite (azimut 0 c’est plein Sud, +90, c’est plein ouest) La hauteur c’est l’angle entre le rayon du soleil et l’horizontal : à l’aube hauteur =0, à midi hauteur =70°) Ce type de diagramme sert pour voir l’impact d’un ombrage sur un panneau photovoltaïque. À Toulouse le soleil est bas en Hiver, à Madagascar, il reste haut tout au long de l’année. hauteur(°) Antananarivo (Madagascar.)

30 5/ Une ressource variable.
d’une année à l’autre en fonction de la météo… Energies journalières (Millau 2005) Surface Horizontale données : Météo France …variable sur la journée … courbe du haut : 1 point par jour. l’enveloppe supérieure : c’est quand il fait beau. l’enveloppe inférieure: jour vraiment pas top (nuages et pluies) => on constate qu’il pleut moins (ou qu’il y a moins de nuages ) entre mai et septembre. Même par temps pourri, il y a de l’énergie (trois composantes de rayonnement : le direct, le diffus et le réfléchi), temps pourri = only le diffus. On retrouve cela sur la diapo du logiciel Calsol courbe du bas : pour les logiciel de dimensionnement, on utilise des valeurs mensuelles, pour sortir une valeur par mois, il y a une moyenne qui est faite par mois et moyennée encore sur 10 ans => lissage! Selon l’inclinaison, on récupère plus ou moins, ici l’important est de voir qu’en hiver, il y a peu à récupérer et que dans ce cas, on gagne beaucoup à incliner les panneaux. Données MF courbe du haut Et Atlas solaire français pour la courbe du bas 800 W/m² W/m² Journées du 20 et 21 /07/2006 données : LAAS) Irradiation sur une surface horizontale Échelle entre 0 et 1000 W/m² (Max vers 13h30)

31 5/ Spectre du soleil Ultra violet Infra rouge
Densité spectrale de l’irradiation AM0 (extraterrestre) et AM1.5 (épaisseur de 1.5 atmosphère, correspondant à une hauteur du soleil de 48° au niveau de la mer) Centrales photovoltaïques ISBN X Enveloppe extérieure : spectre du soleil hors atmosphère Intérieure spectre du soleil au sol (raies d’absorption de différents composés de l’atmosphère) Ultra violet Infra rouge

32 La ressource est inépuisable, variable …
Quand il y a du soleil, comment les cellules font-elles de l’électricité? …

33 6/ Effet photovoltaïque
Un photon arrive avec une énergie E=hC/. si il a assez d’énergie il arrache un électron lié au réseau cristallin du semi-conducteur  électron devient libres  création paire électron-trou, naturellement il y a une recombinaison mais comme il y a un champ électrique dans la ZCE (Zone de Charge d’Espace) à l’nterface entre les zones N et P l’électron va d’un côté, le trou (charge +) de l’autre Pour en savoir plus : Eg = Ec-Ev  1eV énergie de Gap de la jonction PN Si E=hC/ < Eg, pas de conversion PV Si E=hC/ > Eg, conversion PV et le rab > à Eg est perdu sous forme de chaleur. Densité de courant :12 mA/cm² pour du Sic  les charges + s’accumulent d’un côté, les – de l’autre  création d’une tension électrique entre les deux côtés de la cellule.  création d’un courant électrique si la cellule est refermée sur une charge.

34 Conversion : lumière / électricité.
6/ Effet photovoltaïque Conversion : lumière / électricité. contact métallique contact métallique photon E = hn > Eg Cathode Anode I II III ZCE type p type n

35 Et quelles performances peut-on attendre? …

36 pPV = vPV. iPV 7/ Caractéristiques électriques
tension VPV(V) Courant IPV(mA) convention générateur pPV = vPV. iPV Ppv> 0 dans le quadrant 1 le panneau fournie de l’énergie. Le panneau travaillera toujours dans ce cadran. On travaille dans le quadrant 1 générateur. Les caractéristiques on toute la même forme. Caractéristique I(V) d’un petit panneau 15cm x 5cm

37 Les docs techniques donnent ces paramètres dans les
7/ Caractéristiques électriques Caractéristiques I(V) et P(V) convention générateur pPV = vPV. iPV Placez sur les dessins : Voc (V) : tension de circuit ouvert Isc(A) : courant de court circuit Pmax (W) : puissance maximale Vmp, Imp : tension et pmax Ici placez les points avec la doc d’un panneau photowatt 1650 : Le minimale c’est car d’un panneau à l’autre on a pas exactement la même valeur, ilsgarantissent une puissance max (ou puissance crête) de 160 W Faire calculer la surface : 0,9 m² L’objectif est de faire produire le plus possible un panneau => il faut le faire travailler à pmax. On revuent dessus pour le calcul du rendement à la diapo suivante Pmax est fixe? Non … cf diapo suivante Les docs techniques donnent ces paramètres dans les STC (1000W/m², AM1.5 et 25°C)

38 S (m²) étant la surface du panneau.
7/ Caractéristiques électriques La tension maximale (Voc) est proportionnelle au nombre de cellules en série. Si N cellules Voc = N. Voccell Le courant de court-circuit est proportionnel à la surface Scell (m²) de chaque cellule et à l’irradiation G (W/m²). Isc = K . S . G K =12 mA/cm² pour du W/m² et 25°C La puissance maximale d’un panneau est aussi proportionnel à l’irradiation G (W/m²) (cf diapo suivante). Pmax = K’ . G Beaucoup de cellules => grande tension Grosse cellules => fort courant. La surface de chaque cellule fixe le courant (attention il faut que toute les cellules en série aient la même surface sinon c’est la plus petite qui impose le courant, de même il faut éviter les ombres partielles. Pmax proportionelle à G en premier modèle. Pour ce panneau faire calculer le rendement dans les STC (1000W/m², AM1.5 et 25°C): S = 1,34m², Pmax = 165 rend = 12% Le rendement photovoltaïque PV est défini par PV = pmax / (G.S) S (m²) étant la surface du panneau.

39 Température T (°C) Irradiation G (W/m²)
7/ Influence de G et T sur Pmax Température T (°C) (T = 25°C, AM 1.5) Irradiation G (W/m²) (T = 25°C, AM 1.5) Photowatt PW1650. Taille module : 1237 x 1082 x 45 Éventuellement leur faire tirer ces courbes pour qu’ils chechent les points à pmax sur les isopuissances. Courbe de gauche Sur les iso puissance, entre chaque trait en pointillés, il y a10 watts => Pour G = 1000 W/m² : Pmax = 165 watts G = 500 W/m² : Pmax = 76 watts On retrouve bien que la puissance est proportionnelle à l’éclairement tant que l’éclairement est assez important, pour de faibles éclairement, la puissance diminue plus rapidement. G = 100 W/m² : Pmax = 10 watts Courbe de droite Sur les iso puissance, entre chaque trait en pointillés, il y a 5 watts => Pour 25°C : Pmax = 165 Pour 60°C : Pmax = 135watts En plein soleil un panneau est à une temp de 60°C => il a perdu 30 W par rapport à ce qu’il donne à 25°C soit 18%, presque 20% Que devient le rendement PV dans ces conditions? 10%! Pour simplifier, à retenir : 1m² de panneau sous un beau soleil a une puissance de 100W Les panneaux aiment le soleil et le froid. Que devient PV à 60°C ?

40 7/ Utilisation en intérieur du photovoltaïque
kW/m² Indoor Ruud Vullers – Micropower generation- asci springschool on embedded systems 2008 // Holst Centre - Imec Comparé à une utilisation extérieure, le PV est moins favorable en intérieur : Une intensité lumineuse beaucoup plus faible Un spectre lumineux différent Le rendement des cellules est plus faible Les surfaces disponibles sont plus petites La puissance récupérée est réduite. Le PV peut alimenter des systèmes peu gourmand!

41 7/ Les différentes technologies
Silicium amorphe labo  13%. modules  6 à 8%. < 3% du marché Silicium multicristallin : labo  19%. cellules indus  11, 14%. 62 % du marché Silicium monocristallin : labo  25%. cellules indus  12, 16%. 27 % du marché Graphe d’après JC Muller diaporama JEEA_2007à Rennes. tellurure de cadmium : CdTe diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) Il en existe d’autres : CIGS, multijonstion , .. Les cellules organiques existe aussi mais faible durée de vie et faible rendement. Le top : Cellules multi-jonction avec système concentrateur.  40%. ( )

42 7/ Fabrication. 10^4ppm d’impuretés : silicium pur à 99 % (2N) de qualité métallurgique. Pour l’électronique : 1ppm, soit 99,9999 % (6N). 4N suffit pour applications solaires. Silice : sable, quartzite

43 Un morceau de lingot brut
Une tranche avant le dépôt de la couche anti-reflet. Revenons au photovoltaïque : que faut-il savoir pour ne pas se faire escroquer lorsque on achète un panneau PV?

44 8/ Systèmes PVs - Production
générateur charges système autonome contrôle source stockage onduleur batterie Ici sur la photo, c’est une batterie de 2V 400 Ah, on les associe en série pour faire un pack à 12, 24 ou 48volts selon la puissance nécessaire (en dessous de 2kW on reste en 12V) Réfrigérateur Pour une application solaire, le choix d'un classe A s'impose. Peu commercialisés, dans la même gamme, les réfrigérateurs alimentés en DC sont deux à cinq fois plus chers à l'achat que les réfrigérateurs 230V AC classique [1]. Quand les réfrigérateurs à absorption (alimentés en 230V AC) ont une puissance d'environ 70 à 100 W les modèles utilisant un cycle à compression utilisés dans les applications solaires nécessitent une puissance de 25 à 50W mais avec un courant d'appel au démarrage de 3 fois le courant nominal. A partir de la recherche faite sur un Internet dans la gamme 140 litres, un modèle classe A référencé ARC 0840 a été choisi (marque Whirlpool, 143 l, 0.32 kWh /j, 80 W, 372 € TTC) ; il est bien sûr nécessaire de lui adjoindre un onduleur pour adapter l'énergie de la batterie au réfrigérateur. Lave linge Pour limiter la consommation électrique, un modèle à bulle sera préféré à un modèle classique (80% de consommation d'énergie électrique en moins mais une consommation en eau doublée), l'eau chaude est directement fournie par une installation solaire thermique. La référence suivante a été choisie : lave linge Daewoo DWF-600M [3] puissance 320 W, consommation 160 Wh (contre 950 Wh pour un classe A classique [4]) et 130 l d'eau, 589 € TTC. (c’est chauffé l’eau qui coûte) Lampes Pour minimiser l'énergie électrique consommée, la lampe retenue est une lampe fluorescente compacte (type STECA ESL11, alimentée en 12 V, consommant 11W électrique et fournissant 550 lumens -équivalente à une lampe de 60 W à incandescence-, prix d'un modèle équivalent : 23 €). On trouve beaucoup plus facilement et donc moins cher (6€) dans le commerce des lampes de même type mais alimentées en 230V AC. onduleur autonome Il crée un réseau alternatif local. Les caractéristiques principales d'un onduleur autonome sont les suivantes : - la tension d'entrée (12V, 24V ou 48 V), - la tension de sortie 230V AC à 50 Hz (parfois la forme d'onde est sinusoïdale, plus souvent carrée ou pseudo-sinusoïdale ce qui ce traduit par une augmentation des pertes quand la charge est un moteur), - la puissance nominale et la puissance en pointe (typiquement 50% de plus que la valeur nominale), - le rendement (généralement > à 90% mais donné en fonctionnement nominal, et donc beaucoup plus mauvais pour une puissance inférieure), - la consommation en mode veille (2 ou 3% de la puissance nominale [5]), - les protections (court-circuit charge, chute de tension côté batterie), - le prix (très variable selon le type et la puissance des charges utilisées, Contrôleur chargeur de batterie utilisant l'énergie solaire. Le régulateur doit assurer des fonctions de protections : - pour éviter une décharge de la batterie dans le panneau (diode by-pass), - pour éviter une surcharge ou une décharge profonde de la batterie, en cas de court-circuit côté charge. Groupe Electrogène Il assure le secours si la batterie est trop déchargée. Groupe Electrogène essence 5 KW ouvert - AT € Points Forts - Cadre enveloppant pour une protection optimale - Condensateur - Moteur équipé d'une sécurité manque d'huile - Sortie 12 V - Tableau de contrôle : 2 x230 V - Voltmètre - Autonomie : environ 8 heures Caractéristiques Techniques - Fréquence (Hz) : Tension (V) : Puissance continue : 5,0 Kw - Puissance maxi : 5,5 Kw - Courant continu : 12 V - 8 A - Type : Monocylindre 4 temps - OHV - Cylindrée : 357cc - Démarrage : Manuel et électrique avec batterie sans entretien - Vitesse moteur (tr/min) : Puissance moteur maxi : 13 cv - Réservoir (L) : 21 L - Consommation à 100 % : 2,8 L/H - Niveau sonore db à 7 m : 72 db (A) - Dimensions (mm) : 693x4535x Poids Brut (kg) : 82 source de secours

45 À côté de Toulouse j’ai un cabanon de vacances.
LOGICIEL CALSOL Rend PV : 12% Exercice à faire ici ou à la fin. À côté de Toulouse j’ai un cabanon. Je veux être autonome (non relié au réseau). Quelle surface de panneau me faut-il? 1/consommation Sur le site de tecsol, on trouve les conso de pleind’appareils Le mini : Lampe 12 W/5h Frigo 320 Wh/jour TV 50W/3h Ordi portable 30W/3h Conso = 620 WH Production entre juin et septembre: le min est : 4,54 kWh/m²/jour rend PV 0,12 prod élec /jour pour 1 m² (Wh ) 545 surface nécessaire : 0,6 avec 20% de rab : 0,7 À côté de Toulouse j’ai un cabanon de vacances. Je veux être autonome (non relié au réseau). Quelle surface de panneau me faut-il? 1/consommation 2/ gisement solaire entre juin et septembre 2/ surface de panneaux PV (avec marge de sécurité de 20%)

46 8/ Systèmes PVs - Production
système photovoltaïque de production électrique connecté au réseau Et les protections … disjoncteurs différentiels, parafoudre, sectionneurs, …

47 8/ Systèmes PVs - Production
Moyenne annuelle pour une surface orientée au Sud et inclinée avec un angle égal à la latitude du lieu. Exercice : installation de 20 m² de panneaux PV. Energie électrique annuelle? PV =13% Sur la carte on lit une énergie journalière moyennée sur l’année. Ici, on leur fait dimensionner une installation de 20 m² de panneaux photovoltaïque, combien d’NRJ sur l’année? Rendement PV = 13% => 4080 kWh et combien consomme une famille par jour en électricité (sans le chauffage): 4000 kWh/an soit 405 € Une installation classique couvre donc les besoins de la maison sur l’année (mais le problème du stockage c’est RTE qui le prend pour lui dans ce cas…, si on voulait être autonome, il faudrait une salle de batteries!) En kWh / m² et par jour

48 8/ Exemples de systèmes PV connectés au réseau
Panneaux PV CASTANET 2,96 kWc, 21,25 m² € Prod kWh/an Recette 2150 € / an Tps retour énergétique : 2,5 ans Tps de retour investissement10 ans Onduleur et protections Sur cette installation, le poteau fait de l’ombre et l’onduleur est installé dans une serre derrière une vitre, ce n’est pas bien! TOULOUSE TARBES 2,20 kWc, 20 m² € Prod 2400 kWh/an Recette 1320 € / an Tps de retour brut 8 ans 3,00 kWc, 19,8 m² 19800 € – 8400 € crédit impôt

49 Conclusion Il fait beau, le soleil fournit 1000 W/m²
Par an en France, le soleil fournit 1000kWh/m² Pmax proportionnelle à l’irradiation (W/m²). Le nombre de cellules fixe la tension, la surface des cellules fixe le courant. Rendements PV varient selon la techno 5% (aSi) à 15% (Sic et Si mc) en pratique. Tps de retour énergétique est 2,5 ans en France. Utilisations : Systèmes autonomes : éclairage, réfrigération, pompage (fil de l’eau) alimentation avec ou sans stockage Energie chère mais systèmes fiables (durée de vie >20 ans pas de parties tournantes), problème du stockage (batteries : éléments faibles à changer de tps en tps). Systèmes connectés au réseau Pas de stockage (c’est le réseau qui gère ce problème)

50 Exercice : alimentation d’une batterie / Panneau+diode+batterie (la fin de charge est détectée par l’opérateur.) Batterie 12V, 50 Ah : source de tension i.e. U = cte = 12V même si le courant change. 1/Tracez la caractéristique de la batterie sur le graphe de Ipv(Vpv) 2/ Quel est le point de fonctionnement pour G = 750 W/m²? Ibatt = Ipv, Vbatt = U = Vpv. 3/ En déduire la puissance fournie par le panneau. 4/ Le soleil reste constant pendant 2h, quelle sera l’énergie récupérée dans la batterie? (en Wh et en J) 5/ Combien de temps pour remettre 10% de l’énergie totale de cette batterie dans la batterie? (sur une batterie de voiture on peut prendre 10% max de l’énergie sans abîmer la batterie.) 6/ Mêmes questions si on a pris une batterie de 6V? Il faut donner une carac I(V) d’un panneau pour faire ce job. À compléter … Montage avec diode de protection anti-retour.

51 0,48 0,42 chargeur de batterie   on néglige la diode (V diode =0,3 »0V)   V PV = 12V 12 I PV (A) 0,42 Pmax (W) 5,04 durée (h) 2 énergie récupéree (Wh) 10,08 E total batt Wh 600 10 % de E batt (Wh) 60 durée de recharge (h) 12 => c’est beaucoup=> 12h de beau soleil pour recharger la batterie si on l’a vidé de 10% Avec une charge qui consomme 10 Wh (1h de lumière avec une lampe basse conso), on peut recharger tout les jours Si Vbat = 6V, on s’est écarté du point de puissance max => on récupère deux fois moins de puissances => il faut choisir la tension du panneau en fonction de celle de la batterie si on veut faire une connection directe. 6 12

52 Exercice : alimentation d’un ordi portable
Consommation de l’ordinateur : 30W, tension d’alimentation 19Volts. On intercale un régulateur qui fait travailler le panneau au point de puissance maximal et fournit 19V. Le rendement de ce convertisseur est de 90% On utilise un panneau Flexcell « sur mesure » dont le rendement photovoltaïque = 5% Quel surface de panneau est nécessaire? Avec G= 800 W/m² Puis G = 400 W/m². Ici, si la tension du panneau est pas adaptée à celle de la charge on intercale un convertisseur qui adapte les niveaux de tension (et gère aussi les sécurités) Pelec max >=¨Pordi = 30W Pelec/(G.S) = rend PV S = Pelec/(rend PV.G) S m² : 0,94 et 0,47

53 FIN.

54 5/ Une ressource variable. Pour un TD
d’une année à l’autre en fonction de la météo… Données journalières (Millau 2005) Surface Horizontale Météo France courbe du haut : 1 point par jour. l’enveloppe supérieure : c’est quand il fait beau. l’enveloppe inférieure: jour vraiment pas top (nuages et pluies) => on constate qu’il pleut moins (ou qu’il y a moins de nuages ) entre mai et septembre. Même par temps pourri, il y a de l’énergie (trois composantes de rayonnement : le direct, le diffus et le réfléchi), temps pourri = only le diffus. On retrouve cela sur la diapo du logiciel Calsol courbe du bas : pour les logiciel de dimensionnement, on utilise des valeurs mensuelles, pour sortir une valeur par mois, il y a une moyenne qui est faite par mois et moyennée encore sur 10 ans => lissage! Selon l’inclinaison, on récupère plus ou moins, ici l’important est de voir qu’en hiver, il y a peu à récupérer et que dans ce cas, on gagne beaucoup à incliner les panneaux. Données MF courbe du haut Et Atlas solaire français pour la courbe du bas Données mensuelles Energie journalière (kWh/m²/j) (Toulouse) sur une surface horizontale Orientation Sud (de janvier à janvier) Modèle « lissé » Doc : Atlas solaire français