CONVERSION DE L’ENERGIE SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE PANNEAUX SOLAIRE Mot clés Quelle approche : partir de quelle entrée ? Énergie solaire, efficacité conversion Rayonnement – onde/corpuscule, énergie… Effet photovoltaïque Physique des matériaux SC Caractéristiques électriques Approche composant dipôle générateur Rendement et efficacité de la chaîne ?

UN CONVERTISSEUR OPPORTUN QUI PERMET … conformément au programme ; De faire de la physique De faire de l’approche fonctionnelle électrique Du dimensionnement à partir d’un cahier des charges et de conditions (surface des panneaux, puissance maxi désirée, conditions d’exploitation….) Contrairement au régulateur ou au convertisseur DC/AC où l’on doit se contenter d’une définition fonctionnelle électrique : reconnaissance des signaux d’entrée et de sortie, bilan de puissance…sans connaissance de la technique ou technologie de cette transformation ;

CARACTERISTIQUE DU DIPOLE On sait que c’est un générateur : protocole pour relever la caractéristique et courbe de puissance Identification des paramètres d’influence Étude de documentation technique Confirmation de la nature de la conversion Mise en évidence de la « faiblesse » de la puissance Comment s’opère la conversion ? Comment est-ce fabriqué ? PHYSIQUE TECHNOLOGIE Ce qui induit le questionnement

CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (2) Icc Vc0 Vpv Ipv 5 10 15 20 C’est la puissance crête des constructeurs Sa tension à vide : Vco. tension générée par une cellule éclairée non raccordée. Son courant court-circuit : Icc. courant généré par une cellule éclairée raccordée à elle-même. Son point de puissance maximal : MPP (en anglais : maximal power point) obtenu pour une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appelés aussi Vmpp, Impp).

CARACTERISTIQUE ELECTRIQUE (3) Photométrique ou radiomètrique ? Vpv Icc Vc0 Ipv Influence de la température Une augmentation de la température va réduire la puissance (MPP ou PPM en français) disponible en diminuant un peu la tension des cellules. Ipv Icc est directement proportionnel à l’éclairement mais la f.e.m. reste quasiment indépendante sauf à très faible éclairement où elle peut être plus beaucoup plus faible Influence de l’éclairement Photométrique ou radiomètrique ?

EFFET PHOTOVOLTAIQUE (1) Les mots clés : 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 Augmenter la conductibilité par dopage Mécanique quantique, théorie « des bandes » et le modèle corpusculaire de la lumière qui permettent d’expliquer ce comportement des semi-conducteurs

EFFET PHOTOVOLTAIQUE (2) Energie en ev Niveau de Fermi Métal Isolant Semi conducteur Bande de valence (électrons liés cohésion du solide) Eg : Energie de Gap Bande de conduction (électrons libres) Etat fondamental Etat excité par rayonnement E = h > Eg Eg = 1,1 ev pour le Si - électron libre - + +  trou Eg E =h.v=h.c/λ en Joules 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.

EFFET PHOTOVOLTAIQUE (4) Production paire électron-trou Effet de  jonction pn et apparition d’une f.e.m. P N + - Ei

EFFET PHOTOVOLTAIQUE (5) Lorsque la jonction est exposée à un rayonnement, les photons incidents dont l’énergie est suffisante peuvent créer des paires électrons-trous dans les zones N et P. P N + - Ei

EFFET PHOTOVOLTAIQUE (6) N + - Ei V e- I I e- A

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (1) Caractéristique d’une cellule. i Q1 Q2 Q3 Q4 Jonction en direct RECEPTEUR DIODE CLASSIQUE DEGRADEE GENERATEUR PHOTOPILE OU CELLULE PHOTOVOLTAIQUE Icc Ev Convention u P N Jonction en inverse PHOTODIODE u > 0 i> 0 + V mA u <0 i <0 u >0 PHOTOPILE = JONCTION PN sensible à la lumière

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(2) Une cellule solaire ou photovoltaïque n’est rien d’autre qu’une photodiode, avec des améliorations, qui fonctionne sans polarisation extérieure et qui débite son photocourant dans une charge. La caractéristique courant - tension est représenté en Q4. u i Q1 Q2 Q3 Q4 Icc Ev u >0 i <0 mA + V i >0 Changement de convention : convention générateur  inversion des quadrants haut  bas

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE(3) La puissance fournie par « cette pile » s’écrit sous la forme : P = u.i = u.[ Iph - Is (e qu/kT - 1 ) ]  où Iph est le photocourant et l’expression Is.(e qu/kT - 1 ) représente la caractéristique de la diode. La résistance shunt Rsh matérialise le courant de fuite au niveau de la jonction. La résistance série Rs représente la résistivité de ses grilles. Les résistances shunt et série modifient la forme de la caractéristique, en accentuant les pentes Iph Effet de jonction Effet photovoltaïque

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (4) Une cellule constitue donc un générateur de très faible puissance, insuffisant pour des applications électriques…autres que de la détection. Les modules ou panneaux solaires sont donc réalisés par association, en série et/ou en parallèle, de cellules élémentaires. La connexion en série augmente la tension pour un même courant.

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (5) La connexion en parallèle augmente le courant pour une tension identique

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (6) Les caractéristiques globales d’un panneau PV se déduisent donc d’une combinaison des caractéristiques des constituants des ns*np. C’est la caractéristique du panneau donc de l’association des cellules que l’on peut relever… FAIRE RETROUVER aux élèves la caractéristique du panneau connaissant le nombre de cellules et leurs associations Diodes by-pass

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE (7) Des résultats expérimentaux

RENDEMENT DE LA CONVERSION (1) Cellules PV Silicium Composites 25 % Cristallin Monocristallin 17 % Polycristallin 15% Amorphe 8% Monocristallin Polycristallin Les constructeurs indiquent des rendements très décevants… IMMENSE !! TRES GRANDE !! Rendement faible !! ENERGIE SOLAIRE Cellules PV ENERGIE ELECTRIQUE On est sauvé !! D’autant plus que l’énergie solaire est gratuite …

RENDEMENT DE LA CONVERSION (2) Energie Solaire Cellule(s) photo-voltaïque Energie Electrique E = h. E = q.V E = I.V.t Pourquoi le rendement est-il si faible ? INTERACTION RAYONNEMENT / MATIERE Détermination des limites physiques (rendement maximum théorique ou réel).

RENDEMENT DE LA CONVERSION (3) Photons incidents 1,1 ev E en ev 2,65 1014 Hz f en Hz  max 1,12 µm Pas d’effet photovoltaïque Effet photovoltaïque possible

RENDEMENT DE LA CONVERSION (4) Photons incidents 1,1 ev E en ev 2,65 1014 Hz f en Hz  max 1,12 µm Effet photovoltaïque possible Pas d’effet photovoltaïque Pas d’effet photovoltaïque Photons utilisables donc d’énergie suffisante Photons efficaces Photons inefficaces Réflexion Paires électrons-trous libérées Absorption I Porteurs libres disponibles Porteurs piégés (recombinés) Absorption V 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 (5) Cellules photovoltaïques Photons transmis  trop faible Photons absorbés dissipation thermique Photons réfléchis 3 à 5 % 18 à 22 % 28 à 32 % PHOTONS D’ENERGIE SUFFISANTE Porteurs libres disponibles Cellules photovoltaïques 15 à 18 % 8 à 17 % pour le silicium ! 8 à 10 % Courant de fuite et résistances de jonction métal-SC Recombinaisons des paires électrons-trous

ECLAIREMENT (1) Le soleil est un immense réacteur de fusion thermo-nucléaire. La quantité d’énergie libérée par le soleil et captée par la planète terre pendant une heure pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an.

ECLAIREMENT (2) On définit : L'éclairement ou irradiance comme une puissance reçue par une surface. Il s'exprime en W/m2 (watt par mètre carré). Le S.I. (système international d’unités) recommande d’utiliser le symbole E.   L'irradiation solaire ou rayonnement solaire est l'énergie reçue par une surface . Elle s'exprime en J m-2 (joule par mètre carré). L'ISES (International Solar Energy Society) recommande le symbole H. D'autres unités plus courantes sont le kWh/m2 (kilowattheure par mètre carré) bien que ce dernier ne doive pas être utilisé puisque n'appartenant pas au système international d'unités (SI).

(S.T.C. : Standard Test Conditions). ECLAIREMENT (3) L'éclairement solaire direct extra-atmosphérique est la constante solaire. Normalisation : Les conditions standards de qualification des modules photovoltaïques sont : un spectre AM1.5 sous un éclairement de 1000W/m² et une température de 25°C. Les constructeurs de panneaux solaires spécifient les performances de leur matériel dans les conditions normalisées citées ci-dessus (S.T.C. : Standard Test Conditions). Cela correspond à un ensoleillement fort, le soleil au zénith, le ciel parfaitement dégagé (un ciel sur la plage de Nice en mai-juin). Au sol, le rayonnement solaire global (G) reçu par une surface plane d'inclinaison quelconque est constituée de 3 composants principaux. L'épaisseur de l’atmosphère à traverser est caractérisée par le nombre de masse d'air AM qui dépend de l’inclinaison du soleil.

ECLAIREMENT (4) La répartition du rayonnement solaire sur la Terre est loin d’être uniforme dans l’espace et dans le temps, mais la quantité d’énergie reçue annuellement par un endroit donné est en fait presque constante, autrement dit un même lieu reçoit tous les ans à peu près la même quantité totale d’énergie. Des cartes nous renseignent sur l’irradiation moyenne par jour ou bien sur une année. L’énergie solaire moyenne captée dépend de la surface des panneaux et du lieu et de l’orientation

ECLAIREMENT (5) La meilleure inclinaison des panneaux solaires photovoltaïques pour un usage est celle de la latitude de l’endroit où sont installés les capteurs (donc environ 45° en France). Ce sont souvent les dispositions constructives de l’habitation qui déterminent l’inclinaison. Il existe des systèmes qui permettent d’optimiser l’orientation des panneaux : suiveur ou traqueur solaires (belle régulation à faire : asservissement de position à 1 ou 2 dimensions (axes)). 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.