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Université Abdelmalek Essaadi Faculté Polydisciplinaire Larache Ingénieur & doctorant : Bennacer EL HASSOUNI Bennacer.elhassouni@gmail.com Ingénieur & doctorant : Bennacer EL HASSOUNI Bennacer.elhassouni@gmail.com
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1 les formes d’énergie 2 le solaire photovoltaïque 3 rappels d’électricité 4 semi-conducteurs et effet photovoltaïque 5 la cellule photovoltaïque 6 De la cellule au panneau solaire 7 Technologie PV et processus de fabrication 8 Installations photovoltaïques
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LES FORMES D’ENERGIE 1
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Qu’est ce que l’énergie ? L'énergie est difficile à définir simplement autrement qu'à travers ses effets et ses variations : pour le transport, pour le chauffage des habitations, pour l'industrie, pour l'éclairage et autres appareils électriques... Un système possède donc de l'énergie s'il est capable de fournir du travail mécanique ou son équivalent... Rem : L'unité du SI pour l’énergie est le joule (J). Mais en électricité on utilise aussi le wattheure (Wh), les économistes utilisent plutôt la tonne d'équivalent pétrole (tep avec 1tep=42GJ), les médecins nutritionnistes la calorie (cal avec 1cal=4,18J) thermique mécanique électrique lumineuse chimique
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Radiateur électrique Lampe électrique Moteur électrique Accumulateur en charge Transformateur ÉNERGIE ELECTRIQUE Énergie utile fournie Énergie consommée ELECTRIQUE THERMIQUE (chaleur) RAYONNANTE (lumière) MECANIQUE (travail) CHIMIQUE Transformation d’énergie : Exemple :
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« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » Conservation de l’énergie : Antoine Laurent de Lavoisier
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ÉNERGIE ELECTRIQUE ABSORBEE ENERGIE MECANIQUE (frottements) ENERGIE MECANIQUE UTILE Conservation de l’énergie : Exemple d’application : moteur électrique WaWa W mu ENERGIE THERMIQUE (effet joule) ENERGIE DUE AUX PERTES FER Moteur électrique WfWf W fer WjWj W a = W j +W fer + W f + W um
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Rendement : c’est le rapport entre l’énergie utile en sortie du convertisseur et l’énergie reçue par celui-ci. Remarque : Cette grandeur est sans unité, et peut s’exprimer en %. Exemple : 38% pour une centrale électrique thermique 40% pour un moteur à essence 5% pour une ampoule classique = W utile / W absorbée
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Une énergie renouvelable est une source d’énergie qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l’échelle de l’homme. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique). Aujourd'hui, on assimile souvent par abus de langage les énergies renouvelables aux énergies propres.
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1°/ Energie hydraulique : 2°/ Energie éolienne : 3°/ Energie de la biomasse : 4°/ Energie géothermique : 5°/ Energie solaire : Solaire thermique Solaire photovoltaïque
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LE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE 2
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L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable produite par le rayonnement du soleil. PHOTO PHOTO = Lumière VOLTAÏQUE VOLTAÏQUE = électricité Produire de l’électricité à partir de la lumière La principale source d’énergie lumineuse étant le soleil
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En 1839 Antoine Becquerel découvre le principe photovoltaïque. L’effet photovoltaïque en tant que telle, a été découvert en 1887 par Rudolf Hertz. Premières applications a partir des années 60 avec l’équipement des satellites A partir des ’70 utilisation pour l’électrification de sites isolés. Antoine Becquerel 1788 - 1878 Heinrich Rudolf Hertz 1857 - 1894
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Première voiture alimentée par énergie photovoltaïque (1983) satellite américain Vanguard en 1959
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15 Applications : les satellites artificiels les satellites artificiels pour lesquels le photovoltaïque constitue la seule source d’énergie qui réponde à toutes les contraintes
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16 Applications : les appareils portables les appareils portables, aujourd’hui calculettes et montres, demain téléphones et micro-ordinateurs
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17 Applications : les applications « professionnelles », les applications « professionnelles », relais de télécommunications, balises maritimes ou aéroportuaires, signalisation routière, bornes de secours autoroutières, horodateurs de stationnement, etc.)
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18 Applications : l’électrification rurale des sites isolés, l’électrification rurale des sites isolés, habitat dispersé, refuges, dispensaires et écoles dans les pays en voie de développement, …
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19 Applications : les applications raccordées au réseau les applications raccordées au réseau public de distribution d’électricité que l’on peut subdiviser en deux grands domaines :applications raccordéesapplications raccordées
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C’est une énergie renouvelable qui ne dégage pas de gaz a effet de serre et ne produit pas de déchets (dite non polluante). Les installations sont de haute fiabilité et demandent peu d’entretien. Le montage des installations est simple, sa maintenance est aisée. Elle peut offrir de l'électricité a des populations qui n'ont pas accès au réseau électrique. C’est une énergie inépuisable et totalement silencieuse. Ses composants se prêtent bien a une utilisation innovante et esthétique de l’architecture.
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Il faut prévoir des systèmes de stockage, car la nuit la source d’énergie n’existe plus. La production d’électricité à partir du solaire est encore assez coûteuse car les cellules photovoltaïques sont chères à fabriquer. Le niveau de production d’électricité n’est pas stable et pas prévisible mais dépend du niveau d’ensoleillement. Le rendement réel d'un module est faible. Elle convient donc mieux pour des projets à faible besoins (maison unifamiliale). Le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps (20% de moins au bout de 20 ans). Lorsque le stockage de l'énergie électrique par des batteries est nécessaire, le coût du système photovoltaïque augmente
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RAPPELSD’ÉLECTRICITÉ 3
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La différence de potentiel (ou tension électrique) C’est la quantité d’énergie mobilisable par les électrons pour aller d’un point A à un point B d’un circuit. La différence de potentiel aux bornes d’un générateur est appelée tension nominale. C’est la tension d’utilisation dans les conditions de fonctionnement normal. La valeur de mesure est le volt (V). La tension électrique se mesure avec un voltmètre. 1 V = 1 000 mV = 1 000 000 μV Analogie
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Le courant électrique (ou intensité) C’est en électricité la quantité d’électrons qui circule par unité de temps. Le courant circulant normalement dans un circuit donné est appelé courant nominal. La valeur de mesure est l’ampère (A). L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre. 1 A = 1 000 mA = 1 000 000 μA Le courant électrique correspondrait à la quantité d’eau qui s’écoule de l’ouverture par intervalle de temps t (c’est un débit) Analogie
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La résistance (ou résistor) La résistance mesure la « difficulté » de passage d’un courant. Elle se mesure en ohms (Ω). Pour un conducteur parfait, elle est reliée au courant et à la tension par la relation : U = RI Analogie Dans la comparaison avec la circulation d’eau, une résistance électrique pourrait être représentée par un tuyau étroit, qui limite le débit pouvant circuler dans une canalisation.
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La puissance C’est le produit de la quantité d’électrons (courant) par l’énergie mobilisable par les électrons (tension). La valeur de mesure est le watt (W). Le symbole d’expression est la lettre P. Analogie La puissance correspondrait à la force de l’eau qui parcourt la hauteur de la chute avec un certain débit
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La puissance La puissance s’exprime par la formule : P = UI (W) = (V)(A) P s’exprime en watts, U en volts et I en ampères. Exemple : Une ampoule fonctionnant sous une tension de 12 V et consommant un courant de 0,5 A aura une puissance de : P = UI = 12. 0,5 = 6 W
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Ampères-heures C’est une quantité d’électricité ou une capacité égale au produit du courant par le temps écoulé : Q = It (C) = (A)(s) ou : (Ah) = (A)(h) Elle s’exprime en coulombs (C), ou plus commodément en ampères- heures (Ah). Elle sert notamment à quantifier la capacité d’une batterie (en Ah). Analogie La quantité d’eau qui s’écoule de l’ouverture pendant une durée t, donc un volume d’eau (Volume = Débit. Durée)
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Ampères-heures Exemples : 1. Un appareil qui consomme 0,1 A en permanence aura consommé au bout de 10 jours une quantité d’électricité égale à : 0,1 (A). 240 (h) = 24 Ah 2. Un accumulateur a une capacité de 10 Ah si l’on peut théoriquement le vider par exemple en 1 heure en consommant un courant de 10 A, ou en 5 heures avec un courant de 2 A.
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La consommation électrique C’est l’énergie électrique consommée ou produite pendant une unité de temps. Cette grandeur nous est très familière puisque c’est celle qui sert de base au calcul de nos factures d’électricité domestique. Les compagnies d’électricité facturent à leurs clients le nombre de kilowatts-heure (kWh) qu’ils consomment. Quand on a allumé une lampe de 100 W pendant 10 h, on a consommé : 100 W. 10 h = 1 000 Wh = 1 kWh La consommation électrique correspond donc au produit de la puissance (en watts) par le temps (en heures) : E = Pt (Wh) = (W)(h) Elle peut s’exprimer en joules (J), qui sont des (W)(s), ou plus commodément en watts- heure (Wh) : 1 kWh = 3,6 MJ 1 kilowatt-heure = 3,6 mégajoules = 3,6 millions de joules
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La consommation électrique La consommation électrique correspondrait au travail, ou à la quantité d’énergie, qui a été fournie par la chute d’eau pendant le temps considéré Analogie Exemple : L’appareil de notre exemple précédent, qui consomme 0,1 A en permanence, s’il fonctionne sous une tension de 12 V, a une puissance de : 0,1. 12 = 1,2 (A)(V) = (W) Il aura consommé au bout de 10 jours une énergie de : 1,2. 240 = 288 (W)(h) = (Wh) ce qui est équivalent à : 24. 12 = 288 (Ah)(V) = (Wh)
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Le rendement Eu Ei On appelle rendement énergétique le rapport entre l’énergie réellement utilisée Eu et l’énergie fournie à l’utilisateur Ei (la différence entre ces deux quantités est en fait la perte). C’est donc le rapport entre l’énergie qui entre dans un système et celle qui en sort sous forme exploitable. Analogie Un réservoir de 100 litres est entièrement rempli d’eau. Un tuyau est branché sur ce réservoir mais, à cause des fuites, on ne peut utiliser que 80 litres d’eau Le rendement de cette installation est de 80 %.
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SEMI-CONDUCTEURS EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 4
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SEMI-CONDUCTEURS … EFFET PHOTOVOLTAÏQUE
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3 cas SEMI-CONDUCTEURS … EFFET PHOTOVOLTAÏQUE
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Pourquoi le dopage ? augmenter la concentration des porteurs de charge s’affranchir de la dépendance en température. SEMI-CONDUCTEURS … EFFET PHOTOVOLTAÏQUE
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LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE 5
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Influence de la température la tension à vide VOC décroît avec la température. Plus la température est élevée, plus la tension VOC est faible, le courant de court-circuit ICC augmente avec la température. Cette hausse est nettement moins importante que la baisse de tension. L’influence de la température sur ICC est très souvent négligée. La puissance du générateur augmente légèrement avec la diminution de la température. G = 1000 W/m²
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Influence de l’irradiation solaire la valeur du courant de court-circuit est directement proportionnelle à l’intensité du rayonnement. Par contre, la tension en circuit ouvert ne varie pas dans les mêmes proportions, elle reste quasiment identique même à faible éclairement. La puissance varie proportionnellement à l’ensoleillement et présente des point dont la puissance et maximale. T = 25 °C
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De la cellule au panneau solaire 6
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pourquoi
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démonstration Démonstration 1
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Technologie PV & Processus de fabrication 7
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Démonstration 2
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INSTALLATIONS PHOTOVOLTAÏQUES 8
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1- Les installations sur site isolé Ce type de montage est adapté aux installations ne pouvant être raccordées au réseau. L’énergie produite doit être directement consommée et/ou stockée dans des accumulateurs pour permettre de répondre à la totalité des besoins.
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1- Les installations sur site isolé Les panneaux photovoltaïques Les panneaux photovoltaïques produisent un courant électrique continu. Le régulateur Le régulateur optimise la charge et la décharge de la batterie suivant sa capacité et assure sa protection. L’onduleur L’onduleur transforme le courant continu en alternatif pour alimenter les récepteur AC. Les batteries Les batteries sont chargées de jour pour pouvoir alimenter la nuit ou les jours de mauvais temps. Des récepteurs DC Des récepteurs DC spécifiques sont utilisables. Ces appareils sont particulièrement économes.
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1- Les installations sur site isolé
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2- Les installations raccordée au réseau de distribution public Injection totale totaleInjection CAS N° 1
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2- Les installations raccordée au réseau de distribution public Toute l’énergie électrique produite par les capteurs photovoltaïques est envoyée pour être revendue sur le réseau de distribution. Cette solution est réalisée avec le raccordement au réseau public en deux points : - le raccordement du consommateur qui reste identique avec son compteur de consommation (on ne peut pas utiliser sa propre production), - le nouveau branchement permettant d’injecter l’intégralité de la production dans le réseau, dispose de deux compteurs : o l’un pour la production, o l’autre pour la non-consommation (permet de vérifier qu’aucun soutirage frauduleux n’est réalisé). Injection totale totaleInjection
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2- Les installations raccordée au réseau de distribution public Injection de surplus de surplusInjection CAS N° 2
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2- Les installations raccordée au réseau de distribution public Injection de surplus de surplusInjection CAS N° 2 en un pointconsomme l’énergie qu’il produit l’excédent est injecté dans le réseau Cette solution est réalisée avec le raccordement au réseau public en un point : l’utilisateur consomme l’énergie qu’il produit avec le système solaire et l’excédent est injecté dans le réseau. le réseau fournit l’énergie nécessaire. Quand la production photovoltaïque est insuffisante, le réseau fournit l’énergie nécessaire. Un seul compteur supplémentaire Un seul compteur supplémentaire est ajouté au compteur existant.
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1.Onduleur photovoltaïque 2.Simulation de la caractéristique d’un panneau avec Matlab 3.Dimensionnement d’un générateur PV 4.Simulation de la production PV avec un logiciel 5.conclusion
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