L’énergie solaire L’énergie solaire fait partie des énergies renouvelables, au même titre que la géothermie, l’hydraulique, l’éolien, etc.… Découvert par.

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1 L’énergie solaire 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.

2 15/11/20162 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.

3 15/11/20163 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 Inclinaison des cellules Variable suivant : Latitude, choix du type de fonctionnement (si fonctionnement hiver prévoir de relever les panneaux)

4 2 - 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.

5 15/11/20165 Conversion lumière  électricité : l’effet photovoltaïque La cellule transforme directement l’énergie lumineuse ( photons ) en électricité

6 15/11/20166 Conversion lumière  électricité Transmise Réfléchie Absorbée Energie solaire C’est celle qui est transformée Attention aux indices de réfraction On place un dispositif réfléchissant derrière 0,2 mm  Silicium cristallin 1 µm  Silicium amorphe

7 15/11/20167 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.

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

9 15/11/20169 Les technologies Cellules au silicium cristallin Cellules au silicium amorphe Deux sous familles : polycristallin monocristallin

10 15/11/201610 Rendement des cellules TechnologieRendement typique Rendement maximum obtenu en laboratoire Mono-cristallin12-16 %24% Poly-cristallin11-14 %18,6 % Couche mince : amorphe 6-8 %12,7 %

11 15/11/201611 Les technologies Cellules au silicium cristallin Cellules au silicium amorphe polycristallinmonocristallin 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

12 15/11/201612 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, …

13 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.

14 15/11/201614 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).

15 15/11/201615 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.  Batterie Lithium Ion 1V /Élément

16 15/11/201616 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  Batterie Lithium Ion 3,7 V /Élément

17 15/11/201617 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

18 15/11/201618  Batterie Ni/Mh Tension nominale d’un élément : 1,2 V Depuis 1er juillet 2006 une directive Européenne interdit la commercialisation dans le grand public d'éléments d'accus contenant du Cadmium Nickel-Métal Hydride 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.

19 15/11/201619  Au plomb/Acide technologie solaire Tube, plaque La décharge est plus lente. La capacité ne doit pas excédée 65 % Cyclage plus important Les batteries solaires

20 La batterie stationnaire 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. 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. 15/11/201620

21 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. 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. 15/11/201621

22 15/11/201622 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.

23 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.

24 15/11/201624 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 15/11/201625 Régulateurs  Le fonctionnement des interrupteurs est électronique : La Modulation de largeur d’impulsion (MLI ou PWM) permet la variation du courant dans les cellules.

26 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