L’énergie solaire

Sommaire Introduction 1- Structure générale 2 - Le générateur : le soleil 3 - Le principe de la conversion Solaire/Électrique 4 - Technologie des cellules photovoltaïque 5 - Association des panneaux : Groupement série et // 6- Stocker l’énergie : la batterie 7- Transférer/réguler l’énergie : le régulateur 8 - Transformer l’énergie électrique : les onduleurs 9 - Dimensionner une installation électrique autonome en site isolé (sur batterie ): calcul de la puissance installée, dimensionnement des batteries, ….

Introduction L’énergie solaire fait partie des énergies renouvelables, au même titre que la géothermie, l’hydraulique, l’éolien, etc.… Découvert par le physicien français Antoine Becquerel en 1839, l’effet photovoltaïque n’avait à cette époque qu’un rendement très faible. Il faut attendre 1954, pour que Chapin, Fuller et Pearson s’intéressent à nouveau à ce phénomène et mettent au point une cellule avec un rendement de 6%. D’abord utilisée dans les engins spatiaux, l’énergie photovoltaïque trouve aujourd’hui de multiples applications, de l’alimentation de calculatrice, jusqu’à l’électrification de villages entiers. 25/04/2017

1- Structure générale Panneau solaire : Fournir l’énergie soit à la charge, soit à la batterie. Batterie : Stocker l’énergie et la restituer lorsque l’ensoleillement est insuffisant. Régulateur : Réguler la charge et décharge de la batterie. Onduleur : Convertisseur Continu-Alternatif. Permet d’alimenter les récepteurs en courant alternatif à partir du courant continu. 25/04/2017

2 - Le générateur : le soleil

25/04/2017

Son rayonnement Nord A Rayonnement solaire h A B Terre Rayonnement Rayonnement solaire Terre h A B Latitude Rayonnement solaire Sud 25/04/2017

Le rayonnement solaire h B Les caractéristiques des panneaux solaires sont données pour AM=1,5 Dans ces conditions, la puissance « solaire »ou irradiation est de 1000 W/m² 25/04/2017

Le rayonnement solaire Le soleil se déplace dans un plan écliptique par rapport à un observateur « fixe » S E O N 25/04/2017

Le rayonnement solaire 25/04/2017

Le rayonnement solaire 25/04/2017

Le rayonnement solaire 25/04/2017

Le rayonnement solaire La hauteur du soleil est : variable dans la journée, dépendante de la latitude et de la saison. 25/04/2017

Graphe de la course du soleil

Trajectoire du soleil en fonction de la latitude d’installation 25/04/2017

25/04/2017

25/04/2017

Rôle du rayonnement solaire dans la production d’énergie photovoltaïque Le transfert de puissance sera maximale si le rayonnement direct est à 90° par rapport aux cellules Variable suivant : Latitude, choix du type de fonctionnement (si fonctionnement hiver prévoir de relever les panneaux) Inclinaison des cellules 25/04/2017

Le gisement solaire : irradiation disponible 25/04/2017

Les 3 types de rayonnement solaire Direct Réfléchi = Albédo Diffus 25/04/2017

Prévision de production d’énergie par logiciel spécialisé Pour une inclinaison optimale des cellules http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/solradframe.php?en&europe 25/04/2017

Lyon 25/04/2017

Energie – Spectre solaire et longueur d’onde longueur d'onde (en mètres) = 300 / fréquence (en Mégahertz) 25/04/2017

Spectre solaire – longueur d’onde 25/04/2017

Spectre du rayonnement solaire Hors atmosphère Absorption par gaz : (eau, Gaz carbonique, oxygène) Absorption par Ozone 25/04/2017

3 - Le principe de la conversion Solaire/Électrique Le fonctionnement d’une cellule est assez simple. Il s’agit d’un empilage de 4 couches : - une électrode métallique, une couche de silicium positif, une couche de silicium négatif une grille métallique. Les photons (particules de lumières) frappent la cellule, ils transfèrent leur énergie aux électrons du silicium. Le silicium est traité (dopé) de manière à ce que tous les électrons se dirigent dans le même sens, vers la grille métallique du dessus, créant ainsi un courant électrique continu dont l’intensité est fonction de l’ensoleillement.

Conversion lumière  électricité : l’effet photovoltaïque La cellule transforme directement l’énergie lumineuse ( photons ) en électricité 25/04/2017

Conversion lumière  électricité Attention aux indices de réfraction Energie solaire Réfléchie C’est celle qui est transformée Absorbée Transmise 0,2 mm  Silicium cristallin 1 µm  Silicium amorphe On place un dispositif réfléchissant derrière 25/04/2017

4 - Technologie des cellules photovoltaïque Le module est composé de cellules mono ou poly cristallines selon le principe suivant : Du Silicium à l’état brut est fondu pour créer un lingot. Lorsque le refroidissement du silicium est lent et maîtrisé, on obtient un mono - cristal. Quand le refroidissement est forcé, on obtient une structure poly cristalline. Quand le silicium est diffusé en couche mince sur un substrat (verre), on l’appelle amorphe. Le lingot est découpé en tranches appelées Wafer qui devient une cellule après divers traitement (dopage, jonction p-n, couche anti reflet, pose de collecteurs avant et arrière) Mises en série et encapsulées, les cellules constituent un module PV. 25/04/2017

Vidéo process de fabrication http://www.youtube.com/watch?v=bblvepa3GCg

Les technologies Cellules au silicium cristallin Cellules au silicium amorphe Deux sous familles : polycristallin monocristallin 25/04/2017

Rendement des cellules Technologie Rendement typique Rendement maximum obtenu en laboratoire Mono-cristallin 12-16 % 24% Poly-cristallin 11-14 % 18,6 % Couche mince : amorphe 6-8 % 12,7 % 25/04/2017

Les technologies Cellules au silicium cristallin Cellules au silicium amorphe polycristallin monocristallin Épaisseur : 0,15 -0,4 mm Fine (qq µm) Bon rapport/qualité prix Excellente qualité Difficile à réaliser Organisation imparfaite Large  Éclairage extérieur Plus étroit  éclairage Artificiel 1,2 nm 0,8 nm 25/04/2017

Les technologies Cellules au silicium cristallin Cellules au silicium amorphe Épaisseur : 0,15 -0,4 mm Fine (qq µm) Courant important tension faible Rendement mono  12-16% Rendement poly  11-14 % Courant faible mais tension importante Rendement de 6 à 8 % Large gamme d’application (balise autoroute, restitution, alimentation autonome…) Calculette, … 25/04/2017

Le futur : Le silicium noir Ce sont des chercheurs de l’université de Harvard qui ont fait la découverte. Lorsqu’une plaquette de silicium est éclairée et que simultanément cette plaquette est en contact avec certains gaz halogènes, le silicium forme des cônes qui piègent la lumière et donne à la plaquette une couleur noire. Cette absorption permet ainsi d’obtenir un rendement plus élevé pour les cellules photovoltaïques à base de silicium. Les rendements pourraient être d’au moins 30% et peut être même atteindre les 60%. Il existe d’autres matériaux utilisés pour la réalisation de cellules photovoltaïques comme l’Arséniure de Gallium qui possède un très haut rendement, entre 20% et 25%, mais son prix extrêmement élevé le rend marginal. Il n’est pratiquement utilisé que pour les satellites.

Caractéristiques électriques courant-tension Un essai en labo avec Température=25°C donne une irradiation de 1000 W/m² ( soit approximativement le rayonnement solaire à midi) I (A) Pour un ensemble, on donne la puissance crête Pm en Wc : c’est la valeur de référence du PV ( max power point). P=U x I Tension de circuit ouvert (à vide). La tension Vco est de 18 à 22 V pour un panneau de 12 V) Icc Courant de court-circuit (Icc en A) Pm Uo U (V) 25/04/2017

Association des modules La puissance nécessaire calculée donnera le nombre de modules La tension d ’alimentation donnera le type de raccordement de ces modules. L ’association SERIE/PARALLELE des modules donne le CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE Exemple : Une installation de 1000 Wc en 24 Volts aura un champ photovoltaïque de 20 modules raccordés en 10 branches de 2 modules si un module produit 50Wc sous 12V.

5 - Association des panneaux : Groupement série et // Un générateur élémentaire 25/04/2017

Représente cette fois-ci un panneau complet Groupement série // Représente cette fois-ci un panneau complet 25/04/2017

Groupement série et // : protection des panneaux par diode 25/04/2017

Les différents types d’installation photovoltaïque Système dit au fils du soleil Peut être utilisé pour faire fonctionner un ventilateur ou une pompe. Il faut avoir une bonne adaptation des caractéristiques du générateur et du récepteur afin d ’être toujours au plus près du point de fonctionnement à puissance maximale.

Système avec stockage de l’énergie Permet un déphasage production/consommation (jour/nuit, ensoleillement/temps couvert). Puissance élevée sur un temps court compatible avec le système de production (même si Pc installée faible).

Système avec stockage de l’énergie et régulateur Le régulateur assure 3 fonctions principales : Protection de la batterie : contre les charges excessives (1) contre les décharges profondes (2) Optimisation du régime de charge de la batterie Visualisation des seuils haut et bas et éventuellement gestion d ’alarmes Le rôle du régulateur est essentiel pour la protection et la durée de vie de la batterie, la sécurité du système et le rendement énergétique du générateur.

6- Stocker l’énergie : la batterie La batterie sert de stockage de l’énergie électrique excédentaire produite par le ou les panneaux solaires. Cette énergie est stockée sous forme chimique. La nuit, c’est elle qui fournie l’énergie. Le stockage est dimensionné pour une durée de plusieurs jours consécutifs sans soleil, permettant d’avoir une large plage de secours, prenant ainsi en compte les phénomènes de durée de vie et de pertes de capacité liée au cyclage ( charge et décharge ). Une batterie ne doit jamais être laissée dans un état de décharge profond pendant une longue période car une risque une détérioration rapide de sa capacité de stockage.

Caractéristiques des batteries : * Le débit en courant d'un accumulateur se mesure en ampère. On parle également de puissance pour le débit en énergie (capacité à restituer un courant donné à une tension donnée). * La capacité électrique se mesure dans la pratique par référence au temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure), mais l'unité officielle (SI) est le coulomb. 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C ; 1 C = 1 Ah/3 600 = 0,278 mAh. 25/04/2017

L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure mais l'unité officielle (SI) est le joule. 1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ ; 1 J = 0,278 mWh. L'impédance interne, exprimée en ohm, impédance parasite qui limite le courant de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur par effet joule une partie de l'énergie restituée. En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule composante résistive pure. * La densité massique est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse. 25/04/2017

Les types de batteries : Batterie Ni/Mh Application : véhicule hybride La Toyota Prius et la Honda Civic IMA équipées d’une batterie Panasonic (Matsushita) NiMH, de 1,5 kWh (39 kg) pour la première et de 28 kg pour la seconde. Ces batteries sont prévues pour durer toute la durée de vie du véhicule (garanties 8 ans). 25/04/2017

Batterie Lithium Ion 1V /Élément Ne présente aucun effet mémoire contrairement aux accumulateurs à base de nickel pas de maintenance Présente une faible auto-décharge (10% / mois) Possède une haute densité d'énergie pour un poids très faible. Ces accumulateurs sont donc très utilisés dans le domaine des systèmes embarqués. 25/04/2017

Batterie Lithium Ion 3,7 V /Élément La profondeur de décharge : ces batteries s'usent moins vite lorsqu'elles sont rechargées tous les 10% que lorsqu'elles le sont tous les 80% Corrosion interne et augmentation de la résistance interne même sans usage Courants de charge et de décharge admissibles plus faibles Électrolyte liquide peut présenter des dangers si une fuite se produit et que celui-ci entre en contact avec de l'air ou de l'eau. Cette technologie mal utilisée présente des dangers potentiels Pas d’inversion de polarité, pas de court-circuit 25/04/2017

Caractéristiques des batteries Au plomb/Acide Tension nominale d’un élément : 2V Utilisation pour des fortes capacités Faible densité massique Technologie plaque : Automobile (faible durée de vie, peu de cycle,…) Technologie tubulaire : PV 25/04/2017

Batterie Ni/Mh Nickel-Métal Hydride Tension nominale d’un élément : 1,2 V ont été commercialisée vers 1990 présentent une énergie volumique supérieure d'au moins 30% par rapport aux accumulateurs NiCd (Cadmium-Nickel) sont en termes d'énergie massique par les accumulateurs Li-ion (Lithium-ion) et Lithium-Polymère. Depuis 1er juillet 2006 une directive Européenne interdit la commercialisation dans le grand public d'éléments d'accus contenant du Cadmium 25/04/2017

Les batteries solaires Au plomb/Acide technologie solaire Tube, plaque La décharge est plus lente. La capacité ne doit pas excédée 65 % Cyclage plus important 25/04/2017

La batterie stationnaire C'est une batterie à plaques tubulaires. Elle sert par exemple sur les chariots élévateurs, où elle est déchargée chaque jour de 60 à 80% puis rechargée pendant la nuit : c'est l'exemple type d'une utilisation en cyclage. Cette batterie doit être chargée avec une tension relativement élevée, selon la durée disponible. Cette tension élevée est surtout nécessaire pour éviter la stratification* de l'électrolyte. *Stratification: disposition en couches superposées. L'acide sulfurique, qui se forme lors de la charge a en effet tendance à descendre au fond de la batterie et l'électrolyte y deviendra beaucoup plus acide que dans le haut. Lorsque la tension de gazage est atteinte, l'on poursuit la charge avec un courant et une tension élevée. La formation de bulles de gaz ainsi obtenue met l'électrolyte en circulation et rend le mélange homogène. Ce procédé est d'autant plus indispensable que les batteries à plaques tubulaires sont généralement très hautes. 25/04/2017

La batterie étanche (VRLA) AGM AGM est l'abréviation anglaise de Absorbed Glas Mat (fibre de verre absorbante). Dans cette batterie l'électrolyte est retenu (« absorbé ») dans un séparateur en fibre de verre entre les plaques. Dans une batterie AGM les porteurs de charge - ions d'hydrogène et de sulfate se déplacent plus facilement que dans des batteries au gel. C'est pourquoi une batterie AGM est plus à même de délivrer des courants instantanés très élevés qu'une batterie à électrolyte gélifié.  Les batteries étanches ont l'avantage d'un grand confort d'utilisation: Elles sont sans entretien Elles n'émettent pas de gaz dangereux Elles peuvent donc installer dans des endroits difficiles d'accès   Par contre, les batteries étanches sont plus sensibles aux surcharges, qui provoquent des pertes d'eau. aucune remise à niveau n'étant possible, ces pertes entraînent des pertes de performances irrémédiables et un vieillissement prématuré. Des batteries ouvertes modernes à plaques planes et à faible teneur en antimoine (1,5%) dégazent si peut qu'un complément d'eau 2 ou 3 fois par an sera suffisant. 25/04/2017

Entretien des batteries : La durée de vie des batteries sera plus longue si : La charge est contrôlée et le nombre de cycle connu La décharge est limitée par le régulateur En cas de décharge importante et prolongée, le sulfate de plomb cristallise. L'accumulateur est alors définitivement endommagé, car cette cristallisation est irréversible. On ne doit jamais stocker une batterie déchargée. 25/04/2017

7- Transférer/réguler l’énergie : le régulateur Le régulateur a pour fonction de gérer la charge et la décharge de la batterie. Il permet un transfert optimum d’énergie entre le générateur solaire et la batterie tout en minimisant la profondeur de décharge et en protégeant la batterie de surcharge, ce qui provoquerait un vieillissement prématuré.   Le régulateur possède un élément de commutation (relais, transistor bipolaire, transistor mosfet, thyristor) qui est placé entre le panneau solaire et la batterie. Il est commandé par une logique basée sur le contrôle de la tension de la batterie. Ce régulateur peut facilement commuter des courants forts sans dissipation interne d’énergie.

- Fonction alarme tension en cas de tension des batteries trop basse Le régulateur possède en général plusieurs caractéristiques techniques :   - Protection contre les inversions de polarités (panneau solaire ou batterie) - Diode anti-retour intégré (évite le retour du courant vers le générateur) - Fonction alarme tension en cas de tension des batteries trop basse - Visualisation des états de charge par leds - Protection contre la foudre, les court-circuits - Afficheur permettant de savoir la tension de la batterie et les courants de charge et de décharge - Différentes formes et IP Panneau solaire Batterie Charge 25/04/2017

Régulateur série : schéma de principe 25/04/2017

Régulateur shunt : schéma de principe Voir la documentation 25/04/2017

Régulateurs Le fonctionnement des interrupteurs est électronique : La Modulation de largeur d’impulsion (MLI ou PWM) permet la variation du courant dans les cellules. 25/04/2017

8 - Transformer l’énergie électrique : les onduleurs L’onduleur est un convertisseur continu alternatif qui transforme le 12V ou 24V continu en 230V alternatif. En site isolé, l’onduleur permet d’alimenter des récepteurs fonctionnant en courant alternatif. On peut utiliser des onduleurs ayant un signal de sortie alternatif quasi sinusoïdal. En site non isolé, on peut utiliser un onduleur pour renvoyer de l’énergie sur le réseau. Dans ce cas, on utilise un onduleur sinusoïdal qui coût 4 à 5 fois plus cher qu’un onduleur quasi sinusoïdal. La différence vient du fait que le signal est pur (forme sinusoïdale) et donc pour arriver à ce niveau il a fallu mettre des filtres. L’emploi de récepteurs basse consommation est primordial

Équilibre journalier consommation moyenne / 9 - Dimensionner une installation électrique autonome en site isolé (sur batterie ) Analyser ses besoins en électricité : Le plus simple est de connaître sa consommation annuelle est de faire la somme des kWh facturés sur une année par EDF. Il est aussi possible de mesurer la consommation de chaque appareil, ce qui permet de se rendre compte lesquels sont les plus gourmands en énergie et ainsi gérer au mieux la production d’électricité. consommation = puissance x durée Équilibre journalier consommation moyenne / production moyenne 25/04/2017

La production annuelle d’électricité dépend de plusieurs facteurs : l’ensoleillement annuel du site, qui peut être évalué assez précisément. de l’orientation, sachant que le soleil a son point le plus haut au Sud dans l’hémisphère Nord, c’est la meilleure orientation pour les panneaux. de l’inclinaison, qui est choisie en fonction de la hauteur du soleil pendant les mois les moins ensoleillés pour une récupération optimale. En pratique, l’inclinaison est obtenue en prenant la latitude du lieu majoré de 10°. du rendement de l’onduleur (90%).

Calcul de la puissance installée Consommations journalières Ej : elle dépend de la puissance des appareils et de leur durée d’utilisation. Elle est exprimée en Wh/j ou en kWh/j. C’est le produit de la puissance par le temps. Ej = P x T Ej : Consommations journalières (Wh/J ou kWh/j) P : Puissance des équipements (W ou kW) T : Temps de fonctionnement journalier (h/j) - Dimensionnement solaire (panneau) : la puissance crête des panneaux dépend des consommations, du gisement solaire et d’un coefficient de pertes au niveau des panneaux. La puissance s’exprime en Wc. Pc = Ej x 1000/ ( 0,6 x Ei ) Ej : Consommations journalières (Wh/j ou kWh/j) Ei : Energie solaire (Wh/m2/j ou kWh/m2/j) du site Pc : Puissance crête des panneaux solaires (Wc ou kWc) 0,6 : coefficient de pertes

Dimensionnement des batteries (capacité) : elle dépend des consommations journalières, du nombre de jours d’autonomie, de la tension et du type e batterie utilisé. Elle s’exprime en Ah. C = ( Nj x Ej ) / ( Dp x V ) Ej : Consommations journalières (Wh/j ou kWh/j) C : Capacité de la batterie (Ah) V : Tension de la batterie (V) Dp : Coefficient de décharge profonde 0,8 pour les batteries solaires 0,6 pour les batteries standard 0,5 pour les batteries de voitures Nj : nombre de jours d’autonomie (j) 5 jours pour les sites ensoleillés (Afrique, DomTom) 7 à 10 jours pour les sites tempérés (Europe du Sud et France) 15 à 20 jours pour les sites plus défavorables (Europe du Nord)

D’après un diaporama de Philippe Grenier et de la société SERT 25/04/2017