1.Généralités L'énergie électrique est un facteur essentiel de l'évolution et de développement des sociétés sur le plan de l'amélioration des conditions de vie, et sur le plan de développement des secteurs industriels. Elle est devenue indispensable par la multiplicité des domaines d'activité où elle est demandée. Donc, elle doit être produite, transportée, et distribuée d'une façon permanente. Selon «The Office of Technology Assessment» du Congrès Américain, les réserves mondiales connues de pétrole seront épuisées en 2037 (même si d'autre prétendent que le pétrole durera 60ans, le gaz 120ans, le problème reste inchangé), et parallèlement, la forte croissance de la population prévue dans les années à venir qui devrait encore augmenter les besoins en électricité et le soucis de pollution, toutes ces perspectives ont encouragé le grand public à s'orienter vers les énergies renouvelables qui englobent entre autre l'énergie éolienne, l'énergie solaire et la biomasse. L'énergie solaire est une source d'énergie inépuisable et propre car elle ne provoque pas d'émissions de gaz nocifs pour notre environnement. Elle se propage dans l'espace sous forme des photons, donc, elle est disponible partout et sans cesse renouvelable. Les pays du tiers monde, particulièrement les zones rurales de certain d'entre eux et qui rencontrent des problèmes de maintenance, de manque de combustible et de pièces de rechange, verront dans le procède photovoltaïque une possibilité de développement efficace. L'Algérie, de part sa situation géographique, bénéficie des conditions favorables à l'utilisation des énergies renouvelables, en particulier l'énergie solaire, l'une des possibilités de l'exploitation de l'énergie solaire est sa transformation directe en une énergie électrique, au moyen des convertisseurs photovoltaïques. Plusieurs projets et programmes solaires ont été initiés et développé notamment par le centre de développement des énergies renouvelables (CDER) tel que le dimensionnement des équipements photovoltaïque, des visites des sites d'implantation, la réalisation et la mise en place des installations photovoltaïques , l'acquisition de matériels et des équipements spécialisés, l'entretien et la maintenance de ces équipements...etc. L'intensité de l'énergie solaire reçue à la terre est variable et très souvent les besoins en électricité ne correspondent pas aux heures d'ensoleillement. Conséquemment, il est nécessaire d'équiper le système par des batteries d'accumulateurs qui permettent de stocker l'électricité et de la restituer en temps voulu. Or, dans une installation photovoltaïque autonome, les recherches ont montré que le couplage direct d'un générateur photovoltaïque et d'une batterie est le plus simple à réaliser, mais il ne peut pas offrir de bonnes performances vu la batterie qui est un élément très critique, elle ne doit pas être trop chargée ou trop déchargée, cela aura comme résultat son vieillissement très rapide. Pour assurer la meilleure autonomie du système photovoltaïque avec une batterie, la régulation de la charge et de la décharge de celle-ci est alors indispensable. Pour cela, il faut intercaler dans le système un "régulateur solaire", dont le rôle est de garder la batterie saine. Ces raisons, jour pour jour, poussent les chercheurs scientifiques à développer, à améliorer et à optimiser l'exploitation des systèmes photovoltaïques. Généralement, les travaux effectués sont axés et orientés vers l'optimisation de la puissance du système photovoltaïque:
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Par l'orientation du panneau photovoltaïque. Par la recherche du point de la puissance maximale [MPPT]. Par la régulation de la charge et de la décharge de la batterie en introduisant un régulateur solaire dans le système. L'évolution continue de l'électronique de puissance, plus particulièrement les dispositifs de conversion de la puissance « les convertisseurs DC/DC » et « les convertisseurs DC/AC » a ouvert de nouveaux horizons de concevoir de nouveaux schémas plus sophistiqués et moins encombrants, cela est lié au fait que le rendement de ces dispositifs électroniques influence directement sur le rendement et le coût global du système photovoltaïque dans son ensemble. L'emploi de microcontrôleurs programmables comme cerveau du régulateur s'impose vu leur fiabilité, leur faible encombrement, et leur capacité d'être flashés facilement et rapidement pour mettre à jour le programme.
2.Historique La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par Antoine Becquerel en 1839, mais il faudra attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique. L’énergie photovoltaïque s’est développée dans les années 50 pour l’équipement de vaisseaux spatiaux et le premier a été lancé dans l’espace en 1958. C’était le seul procédé non-nucléaire d’alimenter des satellites en énergie. Les images satellites reçues par votre téléviseur ne vous parviennent que grâce à l’énergie photovoltaïque. Pendant les années 70 et 80, des efforts ont été faits pour réduire les coûts de sorte que l’énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres. La croissance de l’industrie fut spectaculaire. Depuis le début des années 80, la quantité de modules photovoltaïques expédiés par an (mesurés en MW-Crêtes) a augmenté et le prix des modules (par Watt-Crête) diminuait au fur et à mesure que le nombre de modules fabriqués augmentait. Bien que le prix se soit quelque peu stabilisé, la quantité de modules photovoltaïques expédiés chaque année continue d’augmenter. Quelques dates: 1839: Le physicien photovoltaïque.
français
Edmond
Becquerel
découvre
l’effet
1875: Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une découverte anecdotique. 1954: Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites. 1958: Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.
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1973: La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware. 1983: La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 km en Australie. 1995: Des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001. 3.L'origine de l'énergie solaire Au niveau de la Terre, située à 150 millions de km du Soleil, la puissance reçue par un mètre carré de surface orientée perpendiculairement aux rayons du Soleil est de 1400 W... On a imaginé plusieurs hypothèses pour expliquer l'origine de cette énergie solaire. Il pourrait s'agir éventuellement: Du refroidissement du Soleil De réactions chimiques exothermiques De réactions thermonucléaires... En supposant que le rayonnement solaire est régulièrement réparti dans toutes les directions, vous pourrez, pour commencer, évaluer la puissance totale P émise par le Soleil. Ensuite, connaissant cette puissance totale P, et en notant t la durée de vie du Soleil, le produit P.t représente l'énergie totale produite au cours de sa vie : la connaissance de la quantité d'énergie disponible dans le Soleil doit donc permettre de prévoir cette durée de vie... Afin de vous permettre de tester les diverses hypothèses présentées antérieurement, voici quelques données, tirées de nos connaissances scientifiques: La masse du Soleil est de 2 x 1030 kg. Le Soleil est essentiellement constitué d'hydrogène. La chaleur massique du gaz dihydrogène est c = 14,4 x10 3 J.kg-1.K-1, mais augmente avec la température, et pourra atteindre 20 x 103 J.kg-1.K-1. La photosphère du Soleil a une température que l'on évalue, en l'assimilant à un corps noir: On trouve T = 6 000 K. Le pouvoir calorifique le plus élevé des gaz est celui du dihydrogène et vaut 124 700 kj.kg-1. Lors d'une réaction thermonucléaire, une partie m de la masse est transformée en énergie, selon la relation d'Einstein E = m.c 2 (avec c = 3 x 108 m.s-1). Cependant, pour que de telles réactions se produisent, il faut atteindre des températures de plusieurs millions de Kelvins et seule une petite partie de la matière du Soleil est concernée (10% seulement). Enfin, l'hydrogène donnant naissance à de l'hélium, une petite partie de la masse seulement est transformée en énergie. La théorie permet d'évaluer le rendement de ces réactions à 0,7%.
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A vous de déterminer les durées de vie du Soleil prévisibles pour chacune des hypothèses et de trancher en faveur de celle qui vous semble la plus raisonnable, refaisant ainsi le raisonnement des scientifiques du début du vingtième siècle!
4.Aperçu de la source Le soleil est une sphère gazeuse composée presque totalement d'hydrogène. Son diamètre est de 1391000 Km (100 fois celui de la terre), sa masse est de l'ordre de 2.1027 tonnes. Toute l'énergie du soleil provient des réactions thermo nucléaires qui s'y produisent. Elles transforment à chaque seconde 564106 tonnes d'hydrogènes en 560106 tonnes d'hélium, la différence de 4 millions de tonnes est dissipée sous forme d'énergie (E = mc²), ce qui représente une énergie totale de 36.10²² kW. La terre étant à une distance de 150.106 Km du soleil, elle reçoit une énergie de 1,8.1017 w. La valeur du flux de rayonnement solaire E reçu par une surface perpendiculaire aux rayons solaires placée à la limite supérieure de l'atmosphère terrestre (soit à environ 80 Km d'altitude) varie au cours de l'année avec la distance Terre/Soleil. Sa valeur moyenne Eo est appelée la constante solaire, elle vaut Eo = 1353 w/m². En premier approximation, on peut calculer la valeur de E en fonction du numéro du jour de l'année j par: E = Eo [1+0,033 Cos (0,984 j)] [w/m 2] 4.1.
Durée et taux d'ensoleillement:
a)D'urée d'ensoleillement: Selon les conditions atmosphériques, le ciel peut être plus ou moins couvert des nuages au cours d'une journée. Ceux-ci occultent le soleil, totalement ou partiellement, empêchant ainsi le rayonnement d'atteindre directement le sol. On dit que la nébulosité est plus ou moins importante selon qu'il y a beaucoup ou peux de nuages. On appelle durée effective d'ensoleillement ou insolation SS le temps pendant lequel, au cours d'une journée, le rayonnement solaire direct a atteint le sol du lieu considéré .On appelle rayonnement direct, le rayonnement qui atteint la surface terrestre sans avoir subit des déviations depuis son émission par le soleil
b)Taux d'ensoleillement: Par ciel clair sans nuages, le sol reçoit le rayonnement solaire direct pendant toute la durée journée, ou plus précisément pendant la durée maximale d'ensoleillement SSo. On appelle taux d'ensoleillement ou taux d'insolation le rapport entre la durée effective et la durée maximale d'ensoleillement. ó = SS/SSo 4.2.
Aspects géométriques
Nous allons nous intéresser ici aux aspects géométriques du rayonnement solaire intercepté par la terre dans le but ultérieur de calculer le flux reçu par un plan incliné placé à la surface de la terre et orienté dans une direction fixée. La connaissance de ce flux est la base du dimensionnement de tout système solaire.
a)Mouvement apparent du soleil:
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Le mouvement apparent du soleil vu par un observateur fixe en un point de la latitude L au nord de l'équateur est représenté par la figure suivante: Le repérage du soleil s'effectue par l'intermédiaire de deux angles:
L'azimut "a": C'est l'angle que fait la direction de la projection du soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud, cet angle étant orienté positivement vers l'Ouest. La hauteur "h" du soleil ou l'altitude: C'est l'angle que fait la direction du soleil avec la projection sur un plan horizontal.
Ces deux angles sont fonctions de: La latitude L du lieu. La date j. L'heur solaire TS dans la journée. On défini l'heure solaire TS en fixant TS = 12 h lorsque la hauteur du soleil est maximale. La hauteur "h" vaut alors: Sin (h) = Sin (L).Sin (ä)+Cos (L).Cos (ä).Cos (ù)
Où: ä = Déclinaison: C'est l'angle formé par la direction du soleil avec le plan équatorial. ä = 23,45° Sin [0,980 (j+284)]. ù = L'angle horaire ù = 15° (TS-12), ù est compté positivement l'après midi. L'azimut "a" a pour relation: Sin (a) = Cos (ó).Sin (ù)/Cos (h)
4.3.
Aspects énergétiques:
L'atmosphère terrestre est constituée de plusieurs couches de caractéristiques différentes, ce sont:
La troposphère, entre le sol et 15 Km d'altitude. La stratosphère entre 15 Km et 80 Km d'altitude. L'ionosphère entre 80 Km et 2000 Km d'altitude.
Le flux rayonné par le ciel et l'atmosphère vers la terre peut être calculé par: W = óT4ciel Où : Tciel est la température équivalente du ciel. Tciel = Ta -12 [k] Ta est la température de l'air en k Rayonnement solaire au sol: L'atmosphère ne transmet pas au sol la totalité du rayonnement solaire qu'elle reçoit : Le rayonnement direct S. Le rayonnement diffus D; est la part du rayonnement solaire diffusée par les particules solides ou liquides en suspension dans l'atmosphère. Le rayonnement global G est la somme du rayonnement direct et diffus.
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On entend par :"Irradiation solaire" l'énergie reçue pendant une certaine durée. Elle est exprimée en w.m-2.durée-1 ou kw.m-2.durée-1. "L' Eclairement solaire"est le flux instantané, il s'exprime en w/m 2. L'irradiation globale journalière sur un plan horizontale vaut : G = G0 [0,29 Cos (L) + 0,52ó] : En zone tropicale Où G0 étant l'irradiation journalière sur un plan horizontal placé au dessus de l'atmosphère calculable par : G0 = 3,795.104. Cos (L) Cos (ä) [Sin (ù1) - ð.ù1/180.Cos (ù1)]. [Kj/m2] ù1 est l'angle horaire au lever du soleil: Cos (ù1 ) = -tan (L) Tan (ä ) [°c] Productivité annuelle: Suivant l'inclinaison et l'orientation des modules (d'après PVGIS)
SUD SUD-EST SUDOUEST EST OUEST
87%
100%
93%
67%
87%
95%
86%
62%
87%
82%
69%
48%
Par exemple : Une installation photovoltaïque de 1 kWc, orientée au Sud et inclinée à 30° par rapport à l'horizontal dans le Sud de la France, pourrait produire 1.100 kWh/an. Mais, une installation avec des modules verticaux en façade Sud dans le Nord de la France ne pourrait produire que 603 kWh/an (67% de 900 kWh). 5.Introduction a L'énergie solaire photovoltaïque L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire. L'énergie solaire étant une énergie renouvelable, on peut penser que l'énergie solaire photovoltaïque le soit aussi. Les cellules photovoltaïques ayant une durée de vie limitée, on ne peut pas parler véritablement de renouvelable, même si leur durée de vie est longue. La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque, plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution. Le terme photovoltaïque désigne selon le contexte le phénomène physique - l'effet photovoltaïque - ou la technologie associée.
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6.Principe de fonctionnement Il existe différentes techniques permettant la conversion directe de la lumière solaire en électricité, la plus connue est la conversion photovoltaïque effectuée à l'aide de matériaux semi-conducteurs tel que le silicium (Si), le germanium (Ge), le sélénium (Se) ou les composés semi-conducteurs tel que l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (CdTe). Les cellules solaires de type GaAs sont très coûteuses dans leur fabrication, leur utilisation est aujourd'hui essentiellement limitée aux applications spatiales. La majorité des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir du silicium cristallin, car il possède la caractéristique d'être non toxique contrairement au cadmium ou au sélénium, en plus, il permet d'atteindre des efficacités de conversion remarquables, il constitue environ 28% de l'écorce terrestre sous forme de composés (silicates, silice), ce qui en fait une source quasi inépuisable. La cellule solaire à semi-conducteur est un dispositif permettant de débiter un courant électrique dans une charge externe lorsque celui-ci est exposé à la lumière. Son principe de fonctionnement se résume comme suit: Lorsque la cellule est exposée au rayonnement solaire, les photons d'énergie (Eph = hv ) pénétrant dans la cellule solaire transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Si cette énergie est suffisamment élevée, elle peut faire passer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction du matériau semiconducteur et créer ainsi des paires «électron- trou». Les électrons (charges N) et les trous (charges P), sont alors maintenus séparés par un champ électrique qui constitue une barrière de potentiel. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N rejoignent les trous de la zone P via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel et un courant électrique circule. Figure:
Fig: Principe de Fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.
Une cellule photovoltaïque reste l'élément de base de toute générateur photovoltaïque quelle que soit la puissance considérable demandée. Pour prévoir ses performances, il est très important de connaître son modèle mathématique. Pour but de simulation et de conception, plusieurs chercheurs ont étudié la cellule photovoltaïque en employant différents modèles.
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7.Les cellules photovoltaïques: Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère de l’électricité. C’est l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant obtenu est fonction de la lumière incidente. L’électricité produite est fonction de l’éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu. Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semiconducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autre semiconducteurs : sélénure de cuivre et d'indium (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour une épaisseur de l’ordre du millimètre. Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée. 8.Électricité photovoltaïque 8.1.
Les principes et les applications:
Une cellule photovoltaïque (ou photopile) est un dispositif qui transforme l'énergie lumineuse en courant électrique. La première photopile a été développée aux États-Unis en 1954 par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photosensibilité du silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés". C'est une technique appelée le "dopage" qui est utilisée pour tous les semi-conducteurs. Mais en dépit de l'intérêt des scientifiques au cours des années, ce n'est que lors de la course vers l'espace que les cellules ont quitté les laboratoires. En effet, les photopiles représentent la solution idéale pour satisfaire les besoins en électricité à bord des satellites, ainsi que dans tout site isolé. Mais aussi actuellement, pour produire de l'électricité directement pour alimenter les réseaux de distribution - sans pollution. 8.2.
Les cellules qui composent les modules PV:
Les cellules mono-cristallines sont les photopiles de la première génération, elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal. Les cellules sont rondes ou presque carrées et, vues de près, elles ont une couleur uniforme. Elles ont un rendement de 13 à 17%, mais la méthode de production est laborieuse. Les cellules poly-cristallines sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vues de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalités différentes).
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Elles ont un un rendement de 12 à 14%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules monocristallines. Les modules photovoltaïques amorphes ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n'est que 5 à 8% actuellement. Cette technologie permet d'utiliser des couches très minces de silicium qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide. D'autres technologies à couches minces, comme le CIS (cuivre-indiumsélenium) ou CdTe (tellure de cadmium) permettent le captage de différentes fréquences du spectre lumineux et ainsi augmenter le rendement jusqu'à 12%. Silicium cristallin ou amorphe ? Les cellules monocristallines et polycristallines sont les plus répandues (90% du marché en 2008). Étant fragiles, elles sont placées entre deux plaques de verre afin de former un module qui est relativement lourd. Le matériau de base est le silicium qui est très abondant, cependant la qualité nécessaire pour réaliser les cellules doit être d'une très grande pureté et son coût intervient de façon important dans le coût total. La pénurie de silicium de qualité en 2006, a créé une tension sur le marché et une augmentation du prix des cellules. Actuellement (2008), il n'y a plus de problème d'approvisionnement. Les produits à film mince utilisent peu de matière première. Ils ont servi d'abord pour des applications électriques de faible puissance, comme des montres, des calculatrices, etc. Mais la filière devient compétitive dans les cas où de grands surfaces sont disponibles, et les toitures industrielles constituent un exemple d’application particulièrement pertinente. Pour une capacité installée donnée, la surface requise en couches minces est proche du double de celle d’un système à base de silicium cristallin. Cependant, grâce aux coûts de production nettement moins élevés, la solution couche mince ne coûte pas plus cher. De plus, la légèreté des couches minces permet d’éviter l’installation d’une structure supplémentaire de renforcement du toit, nécessaire au soutien des modules cadrés en silicium cristallin. Les couches minces sont ainsi livrées en rouleaux et collées directement sur les bacs aciers ou des membranes d'étanchéité du toit. De plus, les cellules PV à couches minces sont moins sensibles à une occultation partielle de la surface ou à des températures externes élevées que le silicium cristallin. D'autres filières en développement, encore peu connues, comme des surfaces photovoltaïques à base de tellure de cadmium ou de matériaux organiques représentent des technologies de l'avenir à fort potentiel.
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Fin 2008, les coûts de production de l'entreprise américaine First Solar, qui produit des cellules à couches minces au Tellurure de Cadmium (CdTe), sont tombés en dessous d'un dollar par watt, et grâce à l'expansion prévue, les coûts devraient approcher 0,65 $/Wc d'ici 2012. Ainsi, l'industrie croit que l'électricité photovoltaïque concurrencera les centrales thermiques conventionnelles vers 2015. 8.3.
Les applications de générateurs photovoltaïques:
Alimentations électriques faibles telles que les calculettes ou les chargeurs de piles. Des modules PV fournissent du courant continu pour n'importe quel appareil alimenté par des piles.
Installations autonomes comme les balises en mer, les lampadaires urbains ou les maisons en sites isolés, elles nécessitent le plus souvent un stockage de l'électricité à l'aide d'accumulateurs. S'il faut du courant alternatif, il faut ajouter et un onduleur.
Un onduleur est un dispositif électronique et statique servant à convertir le courant électrique continu (CC) en courant alternatif (CA) avec la fréquence souhaitée. La puissance "apparente" de l'onduleur s'exprime en volt-ampères (VA). Installations ou centrales photovoltaïques connectées au réseau Un générateur photovoltaïque connecté au réseau n'a pas besoin de stockage d'énergie et élimine donc le maillon le plus problématique (et le plus cher) d'une installation autonome. C'est en fait le réseau dans son ensemble qui sert de réservoir d'énergie.
8.4.
Durée de vie d’un système photovoltaïque:
Comme tout produit, les modules photovoltaïques ont une durée de vie qui dépend de la qualité intrinsèque des matériaux le constituant, de son utilisation et de l’environnement dans lequel il est installé. Aussi, il faut savoir que le module solaire n’est qu’une partie du système qui comprend la fixation au support sur lequel il est posé, l’onduleur, le câblage….
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Selon les fabricants, les modules photovoltaïques bénéficient de garanties entre 2 et 5 ans. Cependant, la plupart des fabricants garantissent 90% de la puissance initiale des modules au bout de 10 ans et 80% au bout de 20 à 25 ans. Cette garantie ne fonctionne uniquement que si le module est intact. En effet, dans le cas où le module subit un orage de grêle dans la 8ème année après la pose et ne délivre plus que 50% de sa puissance initiale, la garantie "produit" n’est plus valable et comme le produit est dégradé physiquement, la garantie "puissance" n’est plus valable non plus. Néanmoins, sans imprévu, un module photovoltaïque doit fonctionner avec au moins 80% de sa puissance initiale pendant plus de 20 ans. Par contre, la durée de vie des onduleurs est généralement moins de 10 ans. La garantie fabricant est de 5 ans avec une extension (payante) de 5 ans supplémentaire. Donc, il faut prévoir de changer les onduleurs (au moins en partie) au cours de la vie du système. 9.Les types de la cellule photovoltaïque: 9.1.
Cellule en silicium amorphe:
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires". Avantages : ─ Fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps
couvert). ─ Un peu moins chère que les autres technologies. ─ Intégration sur supports souples ou rigides. Inconvénients : ─ Rendement faible en plein soleil, de 5% à 7%. ─ Nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de
─
9.2.
l’utilisation de silicium cristallin (ratio wc/m² plus faible, environ 60 wc/m2). Performances qui diminuent avec le temps (~7%). Cellule en silicium monocristallin:
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme. Avantages : ─ Bon rendement, de 14% à 16%. ─ Bon ratio Wc/m2 (~150 Wc/m2)7 ce qui permet ─
un gain de place si nécessaire. Nombre de fabricants élevé.
Inconvénients : ─ Coût élevé.
9.3.
Cellule en silicium multi-cristallin:
Une cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin
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Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Avantages : ─ Cellule carrée (à coins arrondis dans le cas du Si monocristallin) ─ ─
permettant un meilleur foisonnement dans un module, Bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m27, mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin, Lingot moins cher à produire que le mono-cristallin.
Inconvénient : ─ Rendement faible sous un faible éclairement.
Poly-cristallin ou multi-cristallin ? On parlera ici de silicium multi-cristallin (réf. IEC TS 61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme poly-cristallin est utilisé pour les couches déposées sur un substrat (petits grains). 9.4.
Cellule Tandem:
Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines. Avantage : ─ Sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent
rendement. Inconvénient : ─ Coût
10.Module photovoltaïque Généralement, chaque cellule photovoltaïque ne peut pas produire qu'une tension continue nominale de 0,5V à 0,6V en circuit ouvert et une puissance nominale voisine de 1.5Wc. Pour satisfaire les besoins des charges couramment utilisées, il faut envisager un assemblage de plusieurs cellules photovoltaïques soit en série soit en parallèle. Cet assemblage forme ce qu'on appelle « module solaire » ou « module photovoltaïque ». Le dimensionnement du système solaire détermine le nombre de modules à mettre soit en parallèle afin d'accroître le courant en conservant la tension, soit en série afin d'augmenter la tension en conservant le courant, et pour avoir une satisfaction en courant et en tension, un groupement mixte « série- parallèle » est obligatoire. Généralement, un module composé de 36 cellules en silicium cristallin est adapté pour la charge d'une batterie de 12 V.
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Fig: Module photovoltaïque
Fig: Groupement des cellules photovoltaïques en série
Fig: Groupement des cellules photovoltaïques en parallèle
11.Différents types d'une installation photovoltaïque Les modules photovoltaïques sont les éléments principaux d'une installation soit autonome soit raccordée au réseau.
a)
Installation raccordée au réseau:
Les installations photovoltaïques sont raccordées au réseau électrique grâce à un onduleur, qui convertisse le courant continu d'origine photovoltaïque en courant alternatif. L'électricité produite est directement utilisée par la charge ou injectée dans le réseau électrique.
b)
Installation autonome:
Dans le cas où l'énergie photovoltaïque doit assurer la totalité des besoins en électricité, il est nécessaire de la stocker pour les périodes non ensoleillées. Ce stockage est généralement assuré par des batteries d'accumulateurs qui accumulent l'excédent d'électricité produit puis le restituent en cas de besoin. La présence d'un régulateur est nécessaire pour protéger les batteries contre les surcharges et les décharges profondes. Ce type d'installation est bien adapté aux "petits" besoins d'électricité, il couvre un domaine d'applications très large: télécommunication, signalisation terrestre (routière), pompage, électrification rurale, et utilisation grand public (montres, calculatrices)...
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Une installation autonome doit être dimensionnée de façon à pouvoir fournir l'énergie nécessaire à la charge, et ceci après plusieurs jours de mauvais temps.
12.Les différentes technologies de modules photovoltaïques Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaïques: modules solaires mono-cristallins: Ils possèdent un meilleur rendement au m², et sont essentiellement utilisés lorsque les espaces sont restreints. Le coût, plus élevé que celui d'une autre installation de même puissance, contrarie le développement de cette technologie. • Les
• Les modules solaires poly-cristallins: Actuellement c'est le meilleur
rapport qualité/prix et les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans), et en plus ils peuvent être fabriqués à partir de déchets de l'électronique.
• Les modules solaires amorphes: Ces modules auront un bon avenir car ils
peuvent être souples et ont une meilleure production par faible lumière. Le silicium amorphe possède un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin, ce qui nécessite plus de surface pour la même puissance installée. Toutefois, le prix au m² installé est plus faible que pour des panneaux solaires composés de cellules. • Les modules solaires en couche mince à base d'absorbeur CdTE. • Les modules solaires en couche mince a base d'absorbeur CIGS.
13.Puissances installées photovoltaïque Différentes puissances cumulées fin 2007 et installées en 2007 selon l'agence internationale de l'énergie: • • • • • • •
Monde 9 400 MW Europe 4 900 MW Allemagne 3 862 MW, + 1 135 MW Japon 1 919 MW, + 210 MW États-Unis 831 MW, + 207 MW Espagne 655 MW, + 512 MW France 75 MW, + 31 MW
En 2007 les installations ont cru de 40 % par rapport à celle de 20063. La prévision mondiale pour 2008 est de 13 500 MW.
Conclusion L’énergie photovoltaïque se base sur l’effet photoélectrique pour créer un courant électrique continu à partir d’un rayonnement électromagnétique. Cette source de lumière est naturelle (soleil).
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