Introduction générale L’utilisation des technologies d’énergies renouvelables, a considérablement augmenté au cours des précédentes décennies. Des technologies autrefois considérées comme étranges ou exotiques sont maintenant devenues des réalités commerciales qui représentent des alternatives rentables aux systèmes conventionnels à combustibles fossiles qui sont associés à des problèmes d’émissions de gaz à effet de serre, de coûts d’opération élevés et de pollution locale. Les difficultés par lesquelles passe le secteur des hydrocarbures ne cessent d'inciter les responsables de bon nombre de pays tel que la Tunisie à se tourner vers les énergies renouvelables. L'énergie solaire fait partie de ces alternatives et qui est adoptée depuis l’année 2000. Afin de tirer profit de cette technologie, les utilisateurs, décideurs et responsables politiques, planificateurs, investisseurs et fournisseurs d’équipements potentiels doivent être en mesure d’analyser facilement et rapidement les projets de l’énergie solaire. Ce type d’analyse devrait permettre, avec un minimum d’effort et d’investissement en temps, de révéler si oui ou non un projet potentiel de l’énergie solaire est suffisamment prometteur pour mériter une étude plus poussée. Dans ce contexte, notre motivation dans ce travail est développé on chapitre est d’optimiser l’énergie fournie par les panneaux photovoltaïques dans le but de charger des appareils mobiles par les panneaux photovoltaïques en suivant le mouvement du soleil pendant la journée. Notre rapport est organisé de la manière suivante : -
Le premier chapitre concerne l’état de l’art de l’énergie photovoltaïque et son intérêt.
-
Le second chapitre retient sur la caractéristique d’une cellule photovoltaïque cristalline.
-
Le troisième chapitre porte sur la conception, le dimensionnement et la réalisation d’un chargeur solaire mobile.
1
CHAPITRE
I Etat de l’art de l’énergie photovoltaïque
I.Introduction....................................................................................................................3 II.Energie solaire...................................................................................................................3 1. Rayonnement solaire.............................................................................................3 III.Energie photovoltaïque....................................................................................................3 1. Définition..................................................................................................................3 2. Principe de fonctionnement......................................................................................4 3. Caractéristiques électroniques des photopiles..........................................................6 IV.Modules photovoltaïques et champs de modules............................................................12 1. Module et groupement de cellules en série..............................................................13 2. Groupement de cellules ou modules en parallèle....................................................14 V.Panneaux solaire photovoltaïque......................................................................................14 1. Intérêt des panneaux solaire photovoltaïques mobiles par rapport aux panneaux fixe...............................................................................................................................14 VI.Conclusion......................................................................................................................15
2
Chapitre I :
Etat de l’art de l’énergie photovoltaïque I.
Introduction Face aux prévisions d’épuisement inéluctable des ressources mondiales en énergie
fossile
(pétrole,
gaz,
charbon….),en
thermonucléaire( uranium, plutonium …),et
énergie
d’origine
aux multiples crises pétrolières
,économiques, la science s’est tout naturellement intéressée aux ressources dites ̏renouvelables̋ et notamment vers la plus ancienne. Aujourd’hui réduit au statut d’énergie qu’il nous faut apprendre à capter, à transformer, et à stocker … Dans cette partie nous allons étudier les différentes sources d’énergies renouvelables en se focalisant sur l’énergie solaire photovoltaïque. Puis nous allons détaillé leur principe de fonctionnement. II.
Energie solaire 1. Rayonnement solaire [1] L'énergie solaire est l'énergie du soleil par son rayonnement directement ou diffus à travers l'atmosphère. Le soleil "rayonne" sur la terre chaque année 40 000 fois, les besoins énergétiques que l’humanité consomme sous forme d'énergies fossiles. Sur terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse créée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaines alimentaires. L'énergie solaire est donc à l'origine de toutes les énergies sur terre à l'exception de l'énergie nucléaire et la géothermie. L'homme utilise l'énergie solaire pour la transformer en d'autres formes d’énergie : Energie alimentaire, énergie cinétique, énergie thermique ou biomasse.
III.
Energie photovoltaïque 1. Définition 3
L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire par des modules photovoltaïques composés de cellules
solaires. Ces dernières fonctionnent selon le principe de l'effet
photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre elles pour former un module solaire photovoltaïque et plusieurs modules sont regroupés pour constituer une installation solaire. L'électricité produite peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution. Il est généralement constitué d’un générateur photovoltaïque, d’un système de stockage, de source auxiliaire d’appoint (groupe diesel, aérogénérateur, réseau, etc.….), des systèmes d’interface (convertisseurs, réseau, etc..) d’un système de contrôle et de commande (système de surveillance, armoires électriques, cartes électroniques..) et d’une utilisation courant d’un usage déterminé. Cet usage (éclairage, réfrigération, pompage, communication,…) est exploité dans divers secteurs (santé, éducation, agriculture, énergie…). La topologie d’un système PV est déterminée selon d’une part la nature de l’utilisation (nombre de récepteurs, contrainte d’exploitation, sécurité énergétique,..) et d’autre part des considérations technico-économiques prenant en compte aussi bien le rendement énergétique que la taille de l’investissement. La partie principale dans l’installation est le générateur photovoltaïque, qu’est composé de divers modules formés par une association soit en série ou en parallèle de cellules élémentaires convertissant l’énergie solaire (sous formes de rayonnement) en une énergie électrique. Une cellule peut produire 1,5w pour un ensoleillement de 100W/m2 avec une tension de 0.6V. 2. Principe de fonctionnement L’absorption d’un photon par un semi-conducteur donne naissance à une paire d’électron trou lorsque son énergie est supérieure à celle de la largeur de la bande interdite du matériau. Le champ électrique interne à la jonction, entraîne alors le trou vers la région P et l’électron vers la région N. Par dopage du semi-conducteur de région de type P et de type N, la cellule solaire est donc une jonction P-N avec des diverses parties représentées sur le schéma de la figure suivante: 4
Rayons solaires
Courant électrique Charge
Figure 1 : Cellule solaire
Figure 2 : Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Figure 3 : Cellule photovoltaïque
Lorsqu’un photon vient frapper la zone de transition, il arrache un électron à l’atome de silicium qui va se déplacer du coté N. Tandis que le «trou» ainsi crée par cet arrachement va se déplacer du côté P. Il apparaît ainsi aux bornes du dispositif, une différence de potentiel. Si on ferme la cellule sur un circuit extérieur, un courant circule. La cellule qui se comporte comme une pile sensible aux photons (c.à.d. à la 5
lumière) s’appelle des photopiles. Il est de l’ordre de 12% pour une cellule de silicium monocristallin. Plusieurs phénomènes entrent en ligne de compte dans la limitation du rendement, mais les deux principaux sont les suivantes: •
Non absorption des photons peu énergétiques (infrarouge)
•
Utilisation partielle de l’énergie de photons très énergétiques (ultraviolet) La part de cette énergie qui n’est pas employée et dissipée dans le matériau
sous forme de chaleur. Cette cellule est représentée par le caractéristique Ip=f (V) peut être schématisée par ce schéma.
I CC
Vc0
Vp
Figure 4:Caractéristique de courant tension pour une cellule PV au silicium
Le terme photovoltaïque vient du Grec « photos» qui désigne la lumière et de «voltaïque», mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA, connu pour ses travaux sur l’électricité. Le phénomène physique de conversion directe de la lumière en électricité est nouveau car on ce peu intéressé au paravent à une technologie que l’on croyait rattachée à des applications purement spatiales. Cette conversion s’obtient par l’intermédiaire de piles solaires, constituées de cellules solaires, selon un processus appelé couramment effet photovoltaïque : Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont « bombardés » par les photons constituant la lumière ; sous l’action de ce bombardement, les électrons de couches électroniques supérieures ( appelés électrons des couches de valence) ont tendance à être « arrachés/décrochés » ; si 6
l’électron revient à son état initial, l’agitation de l’électron se traduit par un échauffement du matériau ;l’énergie cinétique du photon est transformée en énergie thermique. Par contre dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial .Les électrons « décrochés »créent une tension électrique continue faible. Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée en énergie électrique. Ce processus de conversion est indépendant de la chaleur au contraire, le rendement des cellules solaires diminue quand leur température augmente.
1. Caractéristiques électroniques des photopiles [2] a. Description d’une cellule photovoltaïque La cellule PV est composée de plusieurs couches minces : *) Une couche « anti-reflet »sur la face avant dont le but est de faciliter au maximum la pénétration d’un maximum de photons à travers la surface et de réduire les pertes par réflexion. *) Une grille conductrice avant collectrice des électrons qui doit également être liée au silicium et ne peut être sensible à la corrosion. *) Une couche dopée N avec porteurs de charge libres négatifs (électron). *) Une couche dopée P avec porteurs de charges positifs (trous). *) Une surface contact conductrice en métal « collectrices des électrons », ayant une bonne conductivité ainsi qu’un bon accrochage sur le silicium.
7
Figure 5 : Schéma descriptif d’une cellule photovoltaïque
Le circuit équivalent d’une cellule solaire est indiqué sur la figure suivante :
Figure6 : description d’un circuit équivalent d’une cellule solaire
*) G : source de courant parfaite *) D : diode matérialisant le fait que le courant ne circule que dans un sens *) Rsh : résistance shunt qui prend en compte les fuites inévitables de courant qui intervient entre les bornes opposées positive et négative d’une photopile *) Rs : résistance série qui est due aux différentes résistances électriques que le courant rencontre sur son parcours (résistance intrinsèque des couches, résistances des contacts).
8
b. La courbe courant-tension d’une cellule PV La courbe caractéristique d'une cellule PV représente la variation du courant qu'elle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule PV depuis le courtcircuit (tension nulle correspondant au courant maximum ne produit) jusqu'au circuit ouvert (courant nul pour une tension maximale aux bornes de la cellule).
Figure 7 : courbe de courant-tension d’une cellule PV
Cette courbe est établie dans des conditions ambiantes de fonctionnement données (répartition du rayonnement donnée, rayonnement donné, cellule PV à une température donnée, air ambiant circulant à une vitesse donnée). c. Tension de circuit ouvert VCO (pour ICO = 0) Si l’on place une photopile sous une source lumineuse constante, sans aucun récepteur, on obtient à ses bornes une tension continue, dite tension à circuit ouvert VCO . On l’obtient en branchant directement un voltmètre aux bornes de la cellule. d. Courant de court-circuit ICC (pour VCC = 0) A l’inverse du point du circuit ouvert, lorsqu’on place la photopile en courtcircuit, elle débite son courant maximal, mais aucune tension .On n’obtient sa valeur en branchant un ampèremètre aux bornes de la cellule. e. La puissance caractéristique d’une cellule PV 9
Dans des conditions ambiantes de fonctionnement fixes (éclairement, température, vitesse de circulation de l'air ambiant, etc..), la puissance électrique P (W) disponible aux bornes d'une cellule PV est égale au produit du courant continu fourni I par une tension continue donnée V: P = U. I Avec P (W) Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. U (V) Volt : Tension mesurée aux bornes de la cellule PV.
I (A) Ampère : Intensité mesurée aux bornes de la cellule PV. La puissance max Pour une cellule solaire idéale, la puissance maximum P max
idéale
corresponde
donc à la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le courant de court-circuit ICC : P max idéale = VCO . ICC Avec Pmax idéale (W) Watt : Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. VCO (V), Volt : Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV. ICC (A), Ampère : Intensité de court-circuit mesurée aux bornes de la cellule P f. Caractéristiques énergétiques des photopiles Comme dans tous les systèmes énergétiques, l’énergie disponible aux bornes d’une cellule PV est fonctionne par d’énergie entrante et des pertes, ce que l’on peut écrire de la manière suivante : Eélectrique = Elumineuse - Pthermique Avec Eélectrique : L’énergie disponible aux bornes de la cellule PV (tension courant). Elumineuse : L’énergie incidente (flux lumineux). Pthermique : les pertes thermiques (par convection, rayonnement et conduction). g. Le rendement d’une cellule PV Le rendement d'une photopile est le rapport entre l'énergie électrique (Wh ou J) qu'elle fournit et l'énergie du rayonnement (visible ou invisible à l’œil, lumineux ou solaire) (Wh ou J) reçue ou incidente, c’est à dire le rapport : η = Eélectrique / Elumineuse 10
L'énergie électrique disponible aux bornes d’une cellule photovoltaïque qui a des caractéristiques tel que le type de rayonnement ,leur répartition spectrale, l’angle d’incidence ,la quantité d'énergie reçue, de la surface de la cellule, de la forme de la cellule, et de condition ambiante de fonctionnement de la cellule PV (température de l’environnement, vitesse du vent …). En pratique, les cellules photovoltaïques ne transforment qu’une partie de l’énergie incidente en électricité. La cellule photovoltaïque (PV) n'utilise pas indifféremment toutes les longueurs d'onde du spectre solaire, une grande partie n’est pas utilisée et transformée en chaleur. h. La réponse spectrale On appelle réponse spectrale d’une cellule photovoltaïque l'efficacité avec laquelle elle transforme l’énergie d’un rayonnement d’une certaine longueur d'onde en énergie électrique. Cette efficacité dépend essentiellement des caractéristiques du matériau constituant la cellule PV.
2. L’influence de l’éclairement et de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV [3] Dans le cas d’application solaire de cellules PV, les caractéristiques standard des cellules PV (puissance crête, Icc, Vco) sont indiquées dans le cas de tests de fonctionnement standard ,c’est à dire une répartition du rayonnement de type solaire AM = 1,5, un rayonnement incident normal sur la cellule PV de 1 000 W / m², et une température de cellule à + 25 °C plus ou moins 2°C, la vitesse de l’air circulant autour de la cellule - environ à 2 m / s - n’est pas précisée car elle est prise en compte dans la température de la cellule. a. L’influence de l'éclairement solaire sur le fonctionnement d’une cellule PV L’énergie électrique produite par une cellule photovoltaïque dépend de l'éclairement qu'elle reçoit sur sa surface. La figure suivante représente la caractéristique courant-tension d'une cellule PV solaire en fonction de l'éclairement, à une température et une vitesse de circulation de l’air ambiant constantes. On remarque que la tension Vmax correspondant à la puissance maximale ne varie que très peu en fonction de l'éclairement, contrairement au courant Imax qui augmente fortement avec l'éclairement.
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Figure 8 : Schéma descriptif d’une caractéristique d’influence de l'éclairement solaire sur le fonctionnement d’une cellule PV
b. L’influence de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV Les caractéristiques électriques d'une cellule PV dépendent de la température de jonction au niveau de la surface exposée. Le comportement de la cellule PV en fonction de la température est complexe. Les courbes suivantes représentent l'évolution du courant et de la tension en fonction de la température de jonction de la cellule, les autres conditions extérieures restant fixes :
Figure 9 : Schéma explicatif d’influence de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV
Lorsque la température augmente, la tension diminue alors que le courant augmente. 12
Dans le cas de cellules au silicium, le courant augmente d'environ 0,025 mA / cm2°C alors que la tension décroît de 2,2 mV / °C. La baisse globale de puissance est d'environ de 0,4 % / °C. Ainsi, plus la température augmente et moins la cellule est performante.
Figure 10 : courbe descriptif de l’influence de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV
c. L’influence de la température et du rayonnement sur le fonctionnement d’une cellule PV Dans le cas d’utilisation de cellules PV avec le rayonnement solaire, les conditions ambiantes extérieures (température, rayonnement solaire, vitesse de circulation de l’air ambiant - vitesse du vent) varient en permanence. Pour le calcul d’une installation solaire, il faut donc tenir compte du fait que l’éclairement et la température varient simultanément. Ce point est très souvent négligé lors du dimensionnement d’ensembles solaires photovoltaïques. Lors du dimensionnement d'une installation solaire, il conviendra donc de tenir compte des conditions et des variations climatiques du site choisi.
IV.
Modules photovoltaïques et champs de modules [4] La tension générée par une cellule photovoltaïque au silicium mono ou multi cristallin, fonctionnant au point de puissance maximale sous l'éclairement de référence de 1kW.m-2, et de l'ordre de 0,55 V. Il convient donc de grouper en série et en parallèle des cellules élémentaires pour adapter tension et courant en fonction des contraintes de la charge à alimenter. Il est important de noter dès à présent que la caractéristique courante tension d'un groupement de cellules photovoltaïques, qu'elles coupent, sera directement 13
homothétique de la courbe I (V) d'une cellule de base. Il en sera de même pour tout le réseau de caractéristiques. En conséquence, tout ce qui a été dit pour une cellule individuelle restera valable pour un groupement. 1.
Module et groupement de cellules en série La tension générée par une cellule étant très faible, il faudra dans la majorité des cas associer en série un certain nombre de cellules pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter. C'est ce qui est réalisé dans un module photovoltaïque, où les cellules sont positionnées sous forme d'une guirlande dont les deux extrémités sont ramenées vers une boite de connexion. Les électrodes supérieures d'une cellule sont connectées à la face arrière de la cellule suivante. La figure 11-a donne le schéma d'un module fermé sur sa résistance optimale R’.
Figure 11-b : Caractéristique I (v) d’un
Figure 11-a : Schéma d’un module fermé
groupement des cellules en série
d’un groupement des cellules en série
On constate immédiatement sur cette figure, correspondant à la mise en série de Ns générateurs de courant, que le courant généré par les cellules est le même dans toute la branche ainsi que dans la charge. Une première règle est donc qu'il ne faudra connecter en série que des cellules identiques. La figure 12-b présente la courbe de puissance (caractéristique courant-tension) du groupement ainsi réalisé. La courbe est la caractéristique de l'une des Ns cellules du groupement série. La caractéristique du groupement (G) est obtenue en multipliant point par point et pour un même courant, la tension par Ns. Fermé sur l'impédance R, le groupement série délivrera le courant I sous la tension N s × Vi. Chacune des Ns cellules générant ce courant I et la tension Vi. La construction graphique de la figure 14
11-b suppose que la connexion en série des cellules n'introduit pas de résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L'impédance optimale pour le groupement série est Ns fois plus grande que l'impédance optimale pour une cellule de base. Groupement de cellules ou modules en parallèle [5] Il est possible d'augmenter le courant fourni à une charge en plaçant en parallèle plusieurs cellules ou modules photovoltaïques. Sur cette figure, les générateurs de courant représentent soit des cellules individuelles, soit des cellules en série (modules), soit des modules en série (branches). On constate dans ce cas que c'est la tension générée qui est la même pour toutes les cellules (ou tous les modules ou toutes les branches).
Figure 12-b : Caractéristique I (v) d’un
Figure 12-a : Schéma d’un module fermé d’un
groupement des cellules en parallèle
groupement des cellules en parallèle
La deuxième règle est donc qu'il ne faudra connecter en parallèle que des cellules des modules, ou des branches identiques. La figure 13-b présente la courbe de puissance résultante (G) pour le groupement parallèle considéré. Cette courbe est obtenue en multipliant point par point par N p (nombre d'éléments en parallèle) et pour chaque valeur de la tension, le courant de la courbe correspondant à une cellule élémentaire fermé sur une résistance R", le groupement parallèle délivrera le courant Np.ll sous la tension V, chacune des Np branches en parallèle générant le courant Ii. La construction graphique de la figure 12-b suppose que la connexion en parallèle n'introduit pas des résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L'impédance optimale pour le groupement parallèle est Np fois plus faible que l'impédance optimale pour une branche.
15
V.
Panneaux solaire photovoltaïque 1. Intérêt des panneaux solaire photovoltaïques mobiles par rapport aux panneaux fixes [6] Au cours de la journée, le soleil se déplace continuellement, alors qu’un générateur photovoltaïque est fixe dans sa position qui pourrait être disponible. Dans une installation fixe, pour optimiser le rendement est exposé au Sud, l’énergie rendue par les modules PV est maximale seulement à midi. Pour cela si les modules PV sont toujours orientés vers le soleil, c’est comme s’il y avait constamment la condition correspondante à midi, la puissance générée est toujours celle maximale. Les modules photovoltaïques mobiles ont un rendement énergétique qui augmente de manière appréciable par rapport aux installations fixes.
VI.
Conclusion Dans ce chapitre on peut dire que la filière photovoltaïque pour l’utilisation de l’énergie solaire entre dans sa phase de maturité, les chercheurs visent à améliorer le rendement de cellule photovoltaïque et à baisser leur coût de production afin d’étendre leur application au delà de spécifié liée à l’isolement de site et au domaine spatial, et de le rendre compétitive par rapport aux sources traditionnelles d’énergie.
16
CHAPITRE
II CARACTERISTIQUE D’UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE Cristalline
I. Introduction........................................................................................................................17 II. Les différentes filières des panneaux photovoltaïque......................................................18 III. Les avantages et les inconvénients .................................................................................21 IV. Conclusion......................................................................................................................21
Chapitre II :
Caractéristique d’une cellule photovoltaïque cristalline 17
I.
Introduction Outre la production de chaleur, l'énergie solaire peut être utilisée pour produire de l'électricité. En effet, l'énergie véhiculée par les photons peut permettre la circulation des électrons dans un semi-conducteur adéquat : c'est le principe de l'effet photovoltaïque.
Ainsi, une cellule photovoltaïque éclairée par la lumière du soleil peut produire de l'électricité. Qui peut être utilisée en autoconsommation, par exemple pour une habitation isolée (difficulté de raccordement au réseau), ou être injectée dans le réseau. Il existe actuellement deux grandes filières technologiques de fabrication des cellules photovoltaïques qui sont commercialisées : •
la technologie cristalline qui utilise de fines cellules de silicium (150 à 200 μm) connectées en série ; cette filière comprend les cellules en silicium monocristallin et poly-cristallin. Elle représente 85 % du marché en 2007. [7]
Figure13-a: silicium poly-cristallin
•
figure13-b: silicium mono-cristallin
la technologie couche mince, qui consiste à déposer, sous vide, une fine couche uniforme d'un ou plusieurs matériaux réduits en poudre, puis à recouvrir cette couche de verre. Cette filière comprend les cellules de silicium amorphe, de tellurure de cadmium ou encore de di séléniure de cuivre et d'indium.
18
1. Principe de fonctionnement A l'origine destinés à l'alimentation électrique des sites isolés (absence d’un réseau électrique), les panneaux solaires photovoltaïques permettent de produire de l'électricité solaire. Celle-ci peut être utilisée pour l'éclairage et même pour une partie des besoins en électricité d'un logement. Les cellules photovoltaïques (figure1) produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire, qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. Pour les appareils devant être alimentés en alternatif, le principe de production d’une source d’énergie alternative est le suivant : •
Production d’un courant continu, à partir d’un capteur solaire photovoltaïque.
•
Stockage de l'énergie (batterie d’accumulateur).
•
Production d’un courant alternatif, à partir d’un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) simplifié. Le dispositif à concevoir devra intégrer une possibilité de recharge de la batterie (accumulateur) à partir du rayonnement solaire capté : Le panneau solaire : c’est la source d’énergie principale, il transforme les radiations solaires en énergie électrique nécessaire à la charge de la batterie. Il est fait de cellules photovoltaïques. La batterie : il s’agit d’une simple batterie rechargeable. Le convertisseur DC/AC : il s’agit d’un convertisseur continu alternatif.
2. Les différentes filières des panneaux photovoltaïques Deux grands familles de technologies existent actuellement : La première à base de silicium cristallin comprenant le mono et le multi cristallin, couvre de l'ordre de 85% de la production mondiale. La deuxième famille, celle des couches minces, comprend les cellules au silicium amorphe, poly cristallin ou microcristallin ; au tellure de cadmium, au cuivre indium sélénium, et à l’arséniure de gallium. [8]
19
En outre, d'autres technologies sont en cours d'expérimentation comme les cellules organiques, polymères ou à base de fullerènes. A. Silicium cristallin : Le Silicium mono cristallin (mono c-Si) La technologie mono cristalline est coûteuse car elle nécessite des barres de silicium pur. Son rendement est le plus élevé (14 à 16%). Ce qui a l’avantage de réduire la taille des modules pour une même puissance. Le silicium multi cristallin (multi c-Si) La technologie multi cristalline est obtenue par la refonte de chute de cristaux de silicium de l’industrie électronique et elle nécessite 2 à 3 fois moins d'énergie que la technologie précédente. Son rendement un peu moindre (12 à 14 %) mais son coût est plus avantageux, ce qui permet à cette technologie de dominer actuellement le marché. [9] Le silicium en ruban (EFG) Cette technique permet de s’affranchir des lingots et de la perte de silicium lors de la découpe. Il s’agit de cristalliser du silicium fondu (quelques dizaines de micromètre) sur un ruban souple. La consommation de silicium est divisée par deux (8 g par Wc contre 16 g par Wc). Une solution, EFG (Edge defined film Fed Growth), est testée de longue date et industrialisée par certains fabricants (RWE et Evergreen). B. Les couches minces Les principales filières couches minces sont le Silicium amorphe (Sia) - utilisé depuis de longues années dans les montres et calculatrices notamment-. Le CdTe (hétéro jonction cadmium Telluride, sulfure de cadmium), le CIS (hétéro jonction de di séléniure cuivre indium/ sulfure de cadmium)... La fabrication se réalise en automatique, avec tunnels pour les dépôts divers de couches et connexions par laser. Elle est adaptée aux grosses productions. Ces premières technologies ouvrent actuellement d’autres voies, sans que l’on sache laquelle dominera. [10] Le silicium amorphe (a-Si) Matériau composé de silicium hydrogéné (état non-cristallin) déposé sur un substrat de verre. D'un rendement moins bon que le cristallin (5-7%), le silicium amorphe est souvent appliqué à des appareils de petite puissance (calculatrices, lampes 20
ou horodateurs), mais des firmes comme Solaire, Phototronix, Canon ou Fortum proposent des modules de taille équivalente à celle des modules cristallins. Sanyo a mis au point une technologie de silicium amorphe sur une couche de silicium mono cristallin (technologie HIT) dont les rendements sont supérieurs à celui du silicium mono cristallin (rendement de l'ordre de 19%). Le silicium poly cristallin (Poly c-Si) ou micro cristallin (micro c-Si) Il s’agit de déposer une couche mince (de l'ordre de 10 micromètres) sur un substrat de verre ou de céramique. Cette technologie, essentiellement développée par la société américaine Astropower (USA), est encore à l'étape de production pilote. Le tellurure de cadmium (CdTe) Appelé également hétéro jonction cadmium Telluride, sulfure de cadmium. Composé poly cristallin déposé sur substrat de verre. Les premières cellules ont été développées en 1972. Il y a quelques années, cette technologie semblait être la plus adaptée pour les couches minces. Mais les problèmes de coût et de toxicité posés par le cadmium ont pesé lourdement sur son développement, utilisation de 7g/m² de cadmium (une batterie NiCd de taille standard en contient 10g). Le di séléniure de cuivre et indium (CIS ou CIGS) Matériau composé de di-séléniure de cuivre et d'indium combiné avec du sulfure de cadmium. Cette technologie de couches minces, qui permet d'atteindre des épaisseurs inférieures au micromètre, est présente aujourd'hui dans de nombreux projets industriels.
L’arséniure de gallium (GaAs) Matériau monocristallin combiné avec différents matériaux. Les cellules photovoltaïques en couches minces qui intègrent cette technologie sont caractérisées par un haut rendement mais leur coût étant encore très élevé, leur utilisation reste cantonnée à des applications très spécifiques comme le domaine spatial. Les matériaux organiques (TiO2)
21
Ces cellules inventées en 1991 par le chimiste suisse Michael Graeztel sont composées d’une poudre de cristaux TiO2 associée à un électrolyte et à un colorant qui absorbe la lumière. Cette technologie en est encore au stade expérimental. Le rendement est moyen et la stabilité à long terme est mauvaise, mais sa fabrication est en théorie plus facile que les autres cellules, et la matière première est bon marché. [11] La recherche améliore d’année en année les technologies existantes, par exemple : - Réduction de l’épaisseur de la coupe des lingots de silicium - Amélioration du rendement d’un lingot par traitement de surface - Technologie CIS avec des matériaux moins nobles, mais travaille aussi sur de nouveaux semi-conducteurs, des cellules à 2 ou 3 jonctions, des systèmes à concentrateur.
22
Tableau 1 : Rendements des modules PV
Rendement
Rendement Technologie
maximale en
typique d’un
laboratoire
module
Silicium mono cristallin (mono c-Si) Silicium multi cristallin (multi c-Si) Silicium amorphe (a-Si) Silicium sur ruban (EFG) Silicium micro cristallin (μ-Si) Tellurure de cadmium (CdTe) Di séléniure de cuivre et indium (CIS ou CIGS) Arséniure de gallium (AsGa) Matériaux organiques (TiO2) II.
d’une cellule
Rendement théorique maximum
14-17 %
24.7 %
27 %
12-15 %
19.8 %
27 %
6-8 % 12-14 % 9-11 % 6-9 %
12.7 % 27 % 16.4 % 16 %
25 % 27 % 27 % 28.5 %
10-12 %
18.2 %
27.5 %
18-20 % 10 %
25.7 %
29 %
9.12
Les avantages et les inconvénients
1. Les avantages particuliers des applications du photovoltaïque Les installations sont en général de haute fiabilité, peu sujettes à l’usure avec peu d’entretien. Le montage des installations est simple et les ils sont adaptables aux besoins de chaque projet. Il s’agit d’une source d’énergie électrique totalement silencieuse ce qui n’est pas le cas, par exemple des installations éoliennes. L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets. [12] 2. Inconvénients Comme toute forme d'énergie, l'électricité photovoltaïque comporte différents problèmes que l'on peut répertorier
en suivant la classification des problèmes
énergétiques : •
La fabrication des panneaux solaires photovoltaïques relèvent de la haute technologie demandant énormément de recherche et de
développement qui résulte des
investissements coûteux. Cela se traduit dans le prix de l’installation qui, aujourd’hui, reste chère. 23
•
Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles et de l’ordre de 20 % (pour les meilleurs). L’énergie photovoltaïque convient donc mieux pour des projets à faible besoins.
•
Dans le cas d’une installation photovoltaïque autonome qui ne revend pas son surplus d’électricité au réseau, il faut inclure des batteries dont le coût reste très élevé.
•
Le niveau de production d’électricité n’est pas stable et pas prévisible mais dépend du niveau d’ensoleillement. De plus, il n'y a aucune production d'électricité le soir et la nuit.
•
La durée de vie d'une installation photovoltaïque n'est pas éternelle mais de l'ordre de 20 à 30 ans. De plus, le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps qui passe. On parle en général pour les panneaux photovoltaïques, d'une perte de rendement de 1 % par an .
III.
Conclusion Par ailleurs, l'énergie solaire peut entraîner un problème d'image auprès des populations locales qui peuvent craindre que l'installation du photovoltaïque retarde leur raccordement au réseau conventionnel. Pour autant, les populations rurales au pays ne semblent pas préoccupées par ce point et ce en partie parce qu'elles placent peu d'espoir dans notre réalisation dans le moyen terme. Faire le choix de procéder l'énergie solaire devrait donc n'être fait qu'en pleine conscience de ces inconvénients afin de les surmonter pour rendre le système solaire mis en place viable et durable. C’est pourquoi nous vous proposons d’estimer gratuitement le potentiel photovoltaïque dans notre étude.
24
CHAPITRE
III Conception, dimensionnement et réalisation d’un chargeur solaire
I.
Introduction …………………………………………………...……………....…24
II.
Dimensionnement d’un chargeur photovoltaïque autonome……………..........24 1.
Calcul des besoins en électricité ……….……………………………..……..….24
2. Dimensionnement d'un module photovoltaïque…………………………….......24 3. Dimensionnement d'une batterie…………………………………………….......25 4. Dimensionnement d'un convertisseur de courant ………………………..……...26 5. Dimensionnement d'un câble électrique solaire………………………………….27 6. les pertes dans un câble électrique……………………………………………….30 7. La réalisation…………………………………………………………………..…..31 III.
Conclusion…………………………………………………………………….…..32
25
Chapitre III :
Conception, dimensionnement et la réalisation d’un chargeur solaire I.
Introduction Dans notre projet nous avons étudié le dimensionnement et la réalisation d’un chargeur solaire. Ce dernier a pour but de profiter la quantité maximal de l’énergie solaire qui reçoit par la terre pendant une journée, sachant que la quantité quand peut le récupérer est très négligeable par rapport ce qu’on reçoit Dans ce chapitre nous nous sommes proposé d’effectuer une étude pour l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque dans le cas d’un chargeur solaire. Ceci dans l’objectif d’orienter les décideurs vers la réalisation des projets solaires rentables en utilisant un modèle solaires qui peuvent fournir une quantité d’électricité nécessaire pour faire fonctionner un équipement électrique d’une appareil portable par exemple.
II.
Dimensionnement d’un chargeur photovoltaïque autonome Une installation photovoltaïque autonome est une installation qui produit de l'électricité grâce au soleil, mais qui fonctionne indépendamment du réseau électrique. Dans la majorité des cas, ce système est utilisé dans les sites isolée où il serait beaucoup trop coûteux de raccorder l'habitation ou le local que l'on souhaite alimenter en électricité. La différence majeure avec une installation photovoltaïque standard (raccordée au réseau), c'est la présence de batteries. Une installation photovoltaïque autonome doit être capable de fournir de l’énergie, y compris lorsqu’il n’y a plus de soleil (la nuit ou en cas de mauvais temps). Il faut donc qu’une partie de la production journalière des modules photovoltaïques soit stockée. Cette installation se compose d’un ou plusieurs modules photovoltaïques, d’une ou plusieurs batteries et éventuellement d’un onduleur, en s’intéressant sur le dimensionnement d’un convertisseur puis sur le câble électrique solaire.
1.
Calcul des besoins en électricité 26
1ère étape du dimensionnement d’une installation photovoltaïque autonome : Prenons l'exemple d'un chargeur solaire qui permettre de charger des appareils portables (téléphone par exemple) dont le propriétaire qui séjourne pendant les jours d’une année. a. Consommation La consommation de l’électricité d’un chargeur pour un téléphone pendant un jour est : P = U * I * Durée P = 5 * 350 *10 −3 * 3 P = 5.25Wh
2. Dimensionnement d'un module photovoltaïque 2ème
étape du dimensionnement d’une installation photovoltaïque autonome : Le dimensionnement de modules solaires photovoltaïques Nous connaissons maintenant la quantité d'électricité nécessaire, et le temps dont nous disposons pour la produire. L'étape suivante consiste à calculer la quantité de modules photovoltaïques que l'on devra posséder pour couvrir ces besoins. Il faut pour cela connaître l'ensoleillement de la région où nous faisons notre étude, et adapter ces données à sa situation.
a. Ensoleillement L'ensoleillement varie selon la région et l'époque de l'année. Sachant qu’on a localisé notre installation sur la carte suivante environ 800Kw/m² afin de savoir quelle quantité d'électricité vos modules peuvent produire. Une fois localisée, il suffit de relever le coefficient d'ensoleillement correspondant.
27
Figure 15 : ville de Gafsa
b. Taille du chargeur
Figure 16 : modèle d’un chargeur solaire
Les modules vont produire de l'électricité qui sera stockée dans les batteries pendant toute la durée de la charge. Mais ils vont également en produire durant la décharge. Le temps dont vous disposez pour produire toute l'électricité est donc égal à 28
la somme des deux (en reprenant notre exemple de la première étape : charge/décharge en 7 jours. 3. Dimensionnement d'une batterie 3ème étape du dimensionnement de la batterie de stockage a. Le dimensionnement de batterie Cette étape est la troisième car il faut d’abord connaître sa consommation d’électricité, et avoir calculé la production des modules. Les plus part des batteries utiliser en appareils téléphoniques mobile ou les appareils de loisirs (Ipod, MP3,….) on presque les mêmes caractéristiques électriques voltages et ampérage et mêmes le type de cette batterie Li-ion tel que : 890 mAh, 3,7 V et cette quantité d’énergie emmagasine varie selon utilisation. Pour dimensionner ses batteries, il ne reste plus qu’à se poser trois questions : •
Quelle est la quantité d'énergie que nous doit stocker au minimum pour couvrir nos besoins ?
•
Quelle est la durée d'autonomie que nous nous choisissons en cas de problème avec notre installation ?
•
Quel point nous doit solliciter les batteries (choisir la profondeur de décharge) ?
En fonction de tous ces critères, il sera alors possible de calculer la capacité des batteries. 4. Dimensionnement d'un convertisseur de courant 4ème étape du dimensionnement d’une installation photovoltaïque autonome : Le dimensionnement de son convertisseur de courant
a. Choix du convertisseur La documentation technique de ces appareils nous renseignons sur leur consommation: Téléphone portable : La tension d'entrée: Nous utilisons de la tension de panneau. La tension sortie: C'est la même que la tension des batteries ou du régulateur soit 6VDC. La puissance nominale : Pour la calculer, il suffit de faire la somme de la puissance des appareils électriques : 5,25Wh. Pour l'instant, on ne tient pas compte des piques de consommation du chargeur. 29
On n'utilise que la puissance « normale ». A priori, nous avons besoin d'un régulateur de 5,25Wh. Cependant, ce chiffre est ce dont on a besoin si tous les appareils fonctionnent en même temps. Si on se force à les utiliser les uns après les autres, on peut réduire la puissance nominale de l'onduleur. Le rendement : Il faut s'orienter vers un convertisseur à un rendement maximal. La forme du signal : En théorie, les appareils de notre exemple peuvent être alimentés par un courant pseudo-sinus, ce qui réduira fortement le coût de l'onduleur. Cependant, cela dépend beaucoup de l'âge des appareils et de leur qualité (les nouvelles générations et les produits moyen/haut de gamme sont plus tolérants). Utilité du convertisseur : Il n'est pas nécessaire d'avoir un convertisseur de courant dans son installation photovoltaïque. Dans notre exemple, tous les appareils pourraient fonctionner en 6VDC. C'est un choix d'ordre économique : le prix de l'onduleur est relativement élevé, et une partie de l'électricité transformée est perdue (environ 12%). D'un autre côté, le remplacement des appareils coûte peut être encore plus cher. Le téléphone portable et l'ordinateur fonctionnent déjà grâce à du courant continu (DC). On les branche sur le secteur (220VAC) pour les recharger, mais il y a un convertisseur dans le cordon qui transforme l'alternatif en continue. Pour finir, on pourrait envisager un double circuit électrique, avec une partie des appareils fonctionnant en 6VDC et l'autre en 220VAC. Cela permettrait de réduire la taille du convertisseur. 5. Dimensionnement d'un câble électrique solaire 5ème étape du dimensionnement de câble électrique solaire : Le dimensionnement des câbles électriques photovoltaïques. Pour assurer le transport de l’énergie des modules jusqu’à la batterie, on ne peut pas utiliser n’importe quel câble électrique. Les câbles solaires sont étudiés pour résister aux conditions spéciales liées à leur utilisation. Ils sont les seuls à pouvoir assurer une longue durée de vie (supérieure à 30 ans) tout en minimisant les pertes d’énergie. Les câbles ordinaires, même s’ils sont conçus pour un usage extérieur, ne supportent pas aussi bien les variations de température (pouvant aller de -20°C à 45°C à proximité des modules), ainsi que l’exposition aux rayons ultra violets et à l’ozone. Tout cela en restant souples et maniables. Ils sont équipés dans la majorité des cas d’une double isolation et ne possèdent pas de substances inflammables ou toxiques 30
(halogène) ce qui accroît leur sécurité.
Exemple de dimensionnement de câble électrique Nous voulons déterminer la section des câbles permettant de minimiser les pertes lors du transport de l'électricité. Pour faire ce dimensionnement, nous avons besoin de connaître l'intensité du courant qui circule dans ces câbles. Nous savons déjà qu’entrent le module et les batteries, il ne peut y avoir plus de 890mA.
a.
Resistance du câble de module R=
Avec: ρ=17.10-9 L=1m
ρ ∗L S
S=5 mm2 R=
En utilisant l'équation
R=
On obtient
ρ ∗L S
17 * 10−9 * 1 5 * 10−6 R = 0,0034Ω
C'est une section petite, et on trouvera aisément dans le commerce une section de ce genre. Il n'est donc pas nécessaire de modifier les caractéristiques de l'installation. b. Perte d’un chargeur électrique En appliquant la formule suivant :
P = R*I2 P = 0,0034(890 *10−3 ) 2 P = 2,69 *10 −3 W
Exemple de dimensionnement de câble solaire
a. Resistance du câble Avec:
R=
ρ ∗L S
31
ρ=17.10-9 L=0,5m R=
En utilisant l'équation
On obtient
R=
S=5 mm2
ρ ∗L S
17 * 10 −9 * 0,5 5 * 10−6 R = 0,0017Ω
C'est une section petite, et on trouvera aisément dans le commerce une section de ce genre. Il n'est pas nécessaire de modifier les caractéristiques de l'installation.
32
Perte d’un chargeur électrique solaire P =U * I P = 5,5 *1300 *10 −3 P =7,15W
La résistance d'un câble électrique ne dépend ni de la tension ni de l'intensité du courant qui le traverse, mais dépend de la résistivité (ρ) des matériaux utilisé (cuivre, argent, fer, ...), de la longueur du câble, de sa section, et de la température. Le cuivre est de loin le conducteur le plus utilisé, et sa résistivité oscille entre 16x10 -9 à 0°C et 17x10-9 à 25°C. L'équation permettant de connaître la résistance est la suivante R=
ρ ∗L S
Avec La résistance R en ohm (Ω) La résistivité ρ en ohm mètre (Ωm) La longueur du câble L en mètre (m) La section du câble s en mètre-carré (m²) La difficulté qu'il y a à utiliser cette équation réside dans la conversion des unités. Ainsi, la section est souvent exprimée en mm², mais c'est avec des m² qu'il faut faire les
calculs.
Exemple: câble de 0.5 m en cuivre d'une section de 5 mm². R=
17 *10−9 * 0,5 5 * 10−6
R = 0,0017ΩOu R = 17 mΩ
6. Les pertes dans un câble électrique Le câble ayant une résistance, une partie de l'électricité qu'il transporte se transforme en chaleur, comme dans un radiateur. Il se produit donc une baisse de tension qui peut poser problème. C'est ce que l'on appelle « l'effet joule ». La résistance du câble vient également s'ajouter aux résistances des autres appareils de l'installation (résistance interne de la batterie par exemple). Plus ces résistances sont élevées, moins le courant pourra facilement circuler. En plus d'une chute de tension, il 33
y aura donc une réduction de l'intensité. En courant continu, comme en courant alternatif, l'équation permettant de connaître les pertes est la suivante :
P = R*I2 P = 0,0017 * (1300 *10 −3 ) 2 P = 2,87 *10 −3W
Avec Les pertes P en watt (W) La résistance R en ohm (Ω) L'intensité I en ampère (A) Exemple: câble de 0.5 m en cuivre d'une section de 5 mm², traversé par un courant de 1300mA.
a. Comment réduire les pertes dans un câble électrique Dans une installation photovoltaïque, plusieurs solutions permettent d'améliorer l'efficacité des câbles : La première solution est de prendre une section de câble plus grosse, mais cela peut avoir un coût. La deuxième solution, c'est de faire en sorte que l'intensité du courant ne soit pas trop élevée dans le câble. Pour une même puissance, réduire l'intensité consiste à augmenter la tension. Autrement dit, il faut mettre les modules en série au lieu de les mettre en parallèle. La troisième est de réduire les distances le plus possible, que l'électricité soit Produite, stockée, transformée et consommée au même endroit. Enfin, si les longueurs de câble sont trop importantes, le mieux est alors de regrouper les modules, le régulateur, les batteries et un onduleur au même endroit afin de transporter l'électricité en courant alternatif. Sachant que les pertes d’une installation photovoltaïque peuvent atteindre 12% entre ce qui est produit par les modules et l’électricité que l’on consomme effectivement, il est important d’utiliser du matériel permettant de minimiser ces pertes. En ce qui concerne les câbles, on essaye généralement de les limiter à 12%. 7. La réalisation 34
Au cours de la réalisation on a utilisé un logiciel qui nous permettre de faire le montage qu’on a besoin et le stimuler virtuellement si comme il est réalisé on réalité c’est L’ISIS. L’impression de ce montage est faite en ISET Gafsa .Ainsi les différent composons électriques sont assemblés pour que le chargeur fonctionne correctement
Figure17 : le montage d’un chargeur solaire
III.
Conclusion Le projet nous a permis d’apprendre et gérer un projet en autonomie, de réaliser et de valider les circuits en fonction d’un montage électrique qui permettre de gagner le temps et de matériels pour la préparation de l’étape final de la stimulation sur L’ISIS ce que l’on attendait. On a appris le dimensionnement des composants et de faire un choix entre plusieurs technologies de composants. Pour faire la réalisation et la mise en marche il doit faire l’assemblage et soudure des différents composants électriques.
35
Conclusion générale
Les travaux présentés dans ce rapport ont porté sur la conception et la réalisation d’un chargeur solaire
à l’aide des logiciels et des
composants
électroniques, on utilisant un processeur très répandu dans la vie quotidienne. Le but de ce projet réside au niveau de la mise en œuvre d’une solution technique permettant de transformer un panneau photovoltaïque mobile en un chargeur solaire afin d’améliorer son rendement. En plus, une tentative pour améliorer les performances du système a été effectuée. On a effectué d’abord, une étude de l’art a été effectuée afin d’avoir un système précis et non influençable par les perturbations .Ensuite, une étude sur la conception et le dimensionnement a été effectuée enfin la réalisation est faite et le chargeur photovoltaïque fonctionne parfaitement.
36
Références bibliographiques
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[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/panneau_solaire. (avril 2011).........................................10 [4] SÉGUIER, G ; Électronique de puissance, Dunod, Paris, 1980.................................12
[5] www.Energie solaire.com. (avril 2011)......................................................................14 [6] BUHLER, H., Électronique de réglage et de commande, Georgi, Lausanne, 1979...14
[7] LANDER, C.W., Power Electronics, McGraw-Hill, Londres, 1981..........................17 [8] www.datasheecatlog.com(mai 2011) .........................................................................18 [9], [11] www.datasheet.com (mai 2011)...........................................................................18
[10] www.microship.com(mai 2011)...............................................................................20 ...........................................................................................................................................
[12] Data sheet No.PD60147rev.U(avril 2011)................................................................21
37
ANNEXE
Caractéristiques
du
panneau
photovoltaïque
cristallin :
Cellule solaire
Panneau solaire photovoltaïque
poly
Champs photovoltaïque
Caractéristique courant tension pour différentes radiation incidentes
Caractéristique courant tension à différentes température de cellule
