ELECTROTECHNIQUE ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE User Manual
STI ELT ELECTROTECHNIQUE
Approche générale
ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE
Production d’énergie électrique :
SOMMAIRE
1- L’ENERGIE SOLAIRE...................................................................................................................................................................... 2
É
CLAIREMENT OU IRRADIANCE
R
AYONNEMENT, IRRADIATION OU ENERGIE INCIDENTE
2- LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE.............................................................................................................................................. 5
2.1 H
ISTORIQUE
2.2 L
ES DIFFERENTES TECHNOLOGIES
2.2.1 Les modules photovoltaïques au silicium.................................................................................................................................. 6
2.2.2 Les autres modules photovoltaïques composites et organiques................................................................................................ 7
2.2.3 Comparatif des différentes technologies................................................................................................................................... 8
2.2.4 Les modules PV double face...................................................................................................................................................... 9
2.3 P
RINCIPE DE FONCTIONNEMENT
2.4 A
SSOCIATION DE CELLULES
U
NIVERSITES
2.5 C
ARACTERISTIQUES ELECTRIQUES D’UN PANNEAU PHOTOVOLTAÏQUE
2.5.1 Caractéristiques I=f(U) .......................................................................................................................................................... 13
2.5.2 Caractéristiques P=f(U) ......................................................................................................................................................... 13
...................................................................................................................................................................................... 5
– INPT-ENSEEIHT) ......................................................................................................................................................... 11
............................................................................................................................................................... 2
.......................................................................................................................... 2
..................................................................................................................................................... 5
........................................................................................................................................................ 9
:
LE PANNEAU SOLAIRE (EXTRAIT D’UN COURS MAGISTRAL DE STEPHAN
........................................................................................... 13
ASTIER P
ROFESSEUR DES
3- LES DIFFERENTS TYPES D’UTILISATION DE GENERATEURS PHOTOVOLTAIQUES............................................... 14
3.1 A
LIMENTATIONS ELECTRIQUES FAIBLES PUISSANCES
3.2 I
NSTALLATIONS ELECTRIQUES PHOTOVOLTAÏQUES AUTONOMES
3.3 I
NSTALLATIONS ELECTRIQUES PHOTOVOLTAÏQUES RACCORDEES AU RESEAU
3.3.1 Installation PV raccordée au réseau sans injection (« auto-consommation")........................................................................ 15
3.3.2 Installation PV raccordée au réseau avec injection des excédents de production.................................................................. 16
3.3.3 Tarif de rachat de l’électricité photovoltaïque........................................................................................................................ 16
3.3.4 Installation PV raccordée au réseau avec injection totale de l’énergie produite................................................................... 17
4- PRINCIPE DE DIMENSIONNEMENT D’UNE CENTRALE PHOTOVOLTAIQUE EN SITE ISOLE................................ 17
..................................................................................................................... 14
.................................................................................................... 14
................................................................................ 15
Energie solaire photovoltaique.doc / B. Flèche - D. Delagnes / juin 07
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Approche générale
ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE
Production d’énergie électrique :
Préambule :
L’épuisement des ressources fossiles, à plus ou moins long terme, et la flambée des cours du brut, la lutte contre
les émissions de gaz à effet de serre rendent urgentes la maîtrise des consommations et la diversification des
sources d’énergie : l’utilisation et le développement des énergies renouvelables.
On considère qu’une énergie est renouvelable, toute source d'énergie qui se renouvelle assez rapidement pour
être considérée comme inépuisable (d'où son nom) à l'échelle de l'homme mais aussi dans certains cas de
l'humanité (solaire par exemple). Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou
constants provoqués principalement par le Soleil (l'énergie solaire mais aussi hydraulique, éolienne et
biomasse...), la Lune (énergie marémotrice, certains courants : énergie hydrolienne...) et la Terre
(géothermique profonde...).
Le rayonnement solaire constitue la ressource énergétique la mieux partagée sur la terre et la plus abondante :
La quantité d’énergie libérée par le soleil (captée par la planète terre) pendant une heure pourrait suffire à
couvrir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an.
Une partie de ce rayonnement peut être exploitée pour produire directement de la chaleur (solaire thermique)
ou de l’électricité : c’est l’énergie solaire photovoltaïque. Ce mode de production ne nécessite pas de réseau de
distribution. En effet on peut produire de l’énergie électrique là où on la consomme :
- Villages, maisons isolées (un tiers de la population mondiale n’a pas accès à l’énergie électrique).
- Relais de communication,
- Pompage de l’eau
- Refuges,
- …
Certains pays comme la France mettent en place des mesures pour inciter à
produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire. Et dans ce cadre là,
l’énergie produite est achetée à prix attractif (prix du kWh produit plus élevé
que le prix du kWh consommé et facturé par le fournisseur d’énergie).
1- L’ENERGIE SOLAIRE
Unités utilisées
L'éclairement ou irradiance est défini 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 ou rayonnement 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 Wh/m2 (wattheure par mètre carré) bien que ce dernier ne doive pas être utilisé puisque
Rayonnement solaire
n'appartenant pas au système international d'unités (SI).
Unités
Éclairement ou Irradiance
G exprimé en W/m²
Rayonnement, irradiation ou énergie
incidente
H exprimé en Wh/m² ou J/m²
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Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d'énergie
radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute
petite partie de l’énergie solaire rayonnée dans l’espace. Une
moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord
externe de l'atmosphère terrestre (pour une distance moyenne
Terre-soleil de 150 Millions de km), c’est ce que l’on appèle la
constante solaire égale à 1367W/m².
La part d'énergie reçue sur la surface de la terre dépend de
Constante solaire =1367 W/m²
l'épaisseur de l’atmosphère à traverser. Celle-ci est caractérisée
par le nombre de masse d'air AM.
Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer à midi dans un
ciel clair est de 1000 W/m2 et est décrit en tant que
rayonnement de la masse d'air "1" (ou AM1). Lorsque le soleil
se déplace plus bas dans le ciel, la lumière traverse une plus
grande épaisseur d'air, perdant plus d'énergie. Puisque le soleil
n'est au zénith que durant peu de temps, la masse d'air est donc
plus grande en permanence et l'énergie disponible est donc
inférieure à 1000 W/m2.
Les scientifiques ont donné un nom au spectre standard de la
lumière du soleil sur la surface de la terre : AM1.5G ou
AM1.5D.
Le nombre "1.5" indique que le parcours de la lumière dans
AM1
AM2
AM3
l'atmosphère est 1.5 fois supérieur au parcours le plus court du
soleil, c'est-à-dire lorsqu’il est au zénith (correspondant à une
inclinaison du soleil de 45° par rapport au zénith).
Source : Cellules solaires ed. ETSF
Le « G » représente le rayonnement "global" incluant
rayonnement direct et rayonnement diffus et la lettre « D » tient compte seulement du rayonnement direct.
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).
Signalons que, outre l’incidence de l’atmosphère, l’irradiation solaire dépend :
- de l’orientation et l’inclinaison
de la surface,
Carte du monde de l’irradiation moyenne annuelle en kWh/m²/jour sur un
plan horizontal
- de la latitude du lieu et son
degré de pollution,
- de la période de l’année,
- de l’instant considéré dans la
journée,
- de la nature des couches
nuageuses.
La combinaison de tous ces
paramètres produit la variabilité dans
l'espace et le temps de l'irradiation
journalière. Des cartes
météorologiques sont établies et nous
renseignent sur l’irradiation moyenne
par jour ou bien sur une année.
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Source : HelioClim
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La meilleure inclinaison des panneaux solaires photovoltaïques pour un usage à longueur d’année est celle de
la latitude de l’endroit où sont installés les capteurs (donc environ 45° en France). Toutefois, ce sont souvent les
dispositions constructives de l’habitation qui déterminent l’inclinaison.
Carte de France de l’irradiation moyenne: Énergie reçue sur
une surface orientée au sud et inclinée d’un angle égal à la
latitude (49° à Paris, 43° à Nice) en kWh/m²/jour
Carte de France du gisement solaire* (en kWh/m²/an)
*
Valeur de l’énergie du rayonnement solaire reçue sur une surface orientée
au sud et inclinée d’un angle égal à la latitude
Source : ADEME
Source : TECSOL
L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement
solaire avec une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles et forment un panneau solaire
(ou module) photovoltaïque. Plusieurs modules qui sont regroupés dans une centrale solaire photovoltaïque sont
appelés champ photovoltaïque. Le terme photovoltaïque peut désigner soit le phénomène physique - l'effet
photovoltaïque - ou la technologie associée.
cellule photovoltaïque
(monocristalline)
Panneau photovoltaïque
Champ photovoltaïque
Source : Tenesol
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Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis 40 ans. Les applications ont commencé avec le programme
spatial pour la transmission radio des satellites. Elles se sont poursuivies avec les balises en mer et
l'équipement de sites isolés dans tous les pays du monde, en utilisant les batteries pour stocker l'énergie
électrique pendant les heures sans soleil.
2- LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE
2.1 Historique
Quelques dates importantes dans l’histoire du photovoltaïque :
• 1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre le processus de l’utilisation
de l’ensoleillement pour produire du courant électrique dans un matériau solide. C’est
l’effet photovoltaïque.
• 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 curiosité de laboratoire.
• 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.
• 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 4 000 km en Australie.
La première cellule photovoltaïque (ou photopile) a été développée aux États-Unis
en 1954 par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la
photosensibilitée du silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés".
C'est une technique appelée le "dopage" qui est utilisée pour tous les semiconducteurs. 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.
2.2 Les différentes technologies
Il existe un grand nombre de technologies mettant en oeuvre l'effet photovoltaïque. Beaucoup sont encore en phase de recherche
et développement.
Les principales technologies industrialisées en quantité à ce jour sont : le silicium mono ou poly-cristallin (plus de 80% de la
production mondiale) et le silicium en couche mince à base de silicium amorphe ou CIS (Cuivre Indium Sélénium).
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Source
: EPSIC
-
D. Schneider
Bloc de silicium
Wafers
Source
: Tenesol
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2.2.1 Les modules photovoltaïques au silicium
Processus de fabrication :
Production d’énergie électrique :
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Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé
pour fabriquer les cellules
photovoltaïques disponibles
à un niveau industriel. Le
silicium est fabriqué à partir
de sable quartzeux (dioxyde
de silicium). Celui-ci est
chauffé dans un four
électrique à une température de 1700 °C. Divers
traitements du sable permettent de purifier le silicium. Le
produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à
98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié
chimiquement et aboutit au silicium de qualité
électronique qui se présente
sous forme liquide, puis
coulé sous forme de lingot
suivant le processus pour la
cristallisation du silicium, et
découpé sous forme de fines
plaquettes (wafers). Par la
suite, ce silicium pur va être
enrichi en éléments dopants (P, As, Sb ou B) lors de l'étape de dopage, afin de pouvoir le transformer en
semi-conducteur de type P ou N. La diffusion d’éléments dopants (bore, phosphore) modifie l’équilibre
électronique de ces plaquettes (
wafers), ce qui les transforme en cellules sensibles à la lumière.
La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque
doit fonctionner pendant plus de deux ans pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.
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