Soutenance mémoire
Département Génie Electrique et Electronique
Mémoire pour l’obtention du diplôme Master II en Electronique
Option : « Instrumentation »
Historique de la cellule photovoltaïque :
Le mot photoǀoltaïque est composé des deux termes grec :͛͛ photo͛͛ qui désigne la lumière et de loltaïque͛͛ qui tire son origine du nom d’un phisicien italien ͚͛ALLESSANDRO VOLTA͛͛ qui a beaucoup contribué à la découverte de l’électricité, alors le photoǀoltaïque signifie littérailement la lumière électƌricité.
1839 : Le physicien français Edmond Becquerel͛͛ découvre l’effet photovoltaïque.
1875 :͛͛WERNERVONT Siemens͛͛ expose devant l’académie des sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs.
1954 : Trois chercheurs américains ͚͚Darry Chapin, ͛͛ Gerald Pearson et ͚ Prince͛͛ fabriquent une cellule Photovoltaïque.
1958 : Une cellule avec un rendement de 9 ℅ est mis au poiŶt ; les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l͛espace.
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.
Fin des années 90 : Exploitation du PV pour la production de l’électricité injectée au ƌĠseau dans plusieurs pays développés (Japon, Allemagne).
Années 2000 : Mise en place des politiques favorables pour le PV Réalisation des centrales PV ayant des puissances de dizaines de MW.
Le rayonnement solaire :
l’énergie du soleil est produite par réactions de fusion thermonucléaire, les noyaux d’hydrogène ;protonsͿ s’assemblent en noyaux d’hélium ;2 protons + 2 neutrons) avec dégagement d’énergie. Cette énergie est émise dans l’espace par la surface du soleil, notamment sous forme d’ondes électromagnétiques. Le spectre de ce rayonnement. Correspond à l’émission d’un corps noir , dont le maximum est situé dans le domaine visible. L’énergie qui nous ǀient du soleil représente la quasi-totalité de l’énergie disponible sur terre. Outre l’apport direct sous forme de lumière et de chaleur, cette energie est émise dans l’éspace par la surface du soleil, notamment sous forme d’ondes électromagnétique (lumière).Les seules ressources énergétiques non solaires sont la chaleur de la terre (géothermie), les marées et l’énergie nucléaire, le ǀent, la ďiomasse… etc.
Spectre du rayonnement :
Le spectre solaire est la distribution spectrale en fonction de la longueur d’onde ou de la fréquence ǀoir figure suivant l’énergie de chaque photon est reliée à la fréquence ʋ ou à la longueur d’onde λ par la formule suivante : E = h · ʋ = h · c/ λ ; I.1)
h : est la constante de Planck.
C : étant la vitesse de propagation. Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ à l’émission d’un corps noir porté à 5800° K. Une courbe standard, compilée selon les données recueillies par les satellites .
Du silicium métallurgique au silicium solaire :
Le silicium solaire (SoG-Si), ou silicium poly cristallin (poly-Si) plus connu dans la filière électronique, est obtenu par la purification du silicium métallurgique et servira à la confection des lingots de silicium. Il existe différents procédés de production de silicium de qualité solaire que l’on peut classer en deux grandes familles : la voie chimique et la voie métallurgique. Actuellement, la voie chimique occupe la quasi-totalité du marché avec deux procédés majoritaires à partir de trichlorosilane (75%) et de monosilane (25%). Cette famille de procédés est ďasée sur la forte attraction de l’atome de silicium Si pour les ions chlorures Cl-. Ils consistent à synthétiser des composés gazeux contenant du silicium, généralement des chlorosilanes, à les purifier par distillation puis à déposer le silicium polycristallin par décomposition thermique. Les principales variantes sont les routes trichlorosilane, mono silane et tétrachlorosilane .
Voie métallurgique : procédé Elkem :Tout l’enjeu de la ǀoie métallurgique est de diminuer les coûts de productios tout en garantissant une qualité suffisante pour les applications solaires. Plusieurs industriels et centres de recherche développent actuellement des procédés qui permettent de s’affranchir du passage par les composés gazeux, dans le but de réaliser une économie d’énergie. Les procédés métallurgiques consistent traditionnellement en une série de fusion et solidification successibǀes permettant d’éliminer progressivement les impuretés. Le procède Elkem consiste un traitement du silicium métallurgique par un laitier de silicate de calcium à haute température suiǀi d’un lessiǀage chimique à ďasse température. Les impuretés résiduelles sont collectées sur le dessus du lingot obtenu après une solidification directionnelle. Les blocs éliminés sont ensuite réintroduits en amont dans le procédé. Les premières études montrent que la qualité du silicium solaire obtenu est similaire à celle du silicium polycristallin commercialisé provenant de la voie traditionnelle Siemens
Principales technologies solaires photovoltaïques
De manière générale, les cellules photovoltaïques peuvent être vues comme un empilement de matériaux :
la couche active ou l’absorbeur constituée d’un premier matériau accepteur d’électrons et d’un second matériau donneur d’électrons, formant une jonction donneur-accepteur ;
les contacts métalliques avant et arrière constituant les électrodes positive (+) et négative (–) chargées de collecter le courant généré ;
des couches supplémentaires comme un antireflet ou une couche plus fortement dopée permettant d’améliorer les performances de la cellule meilleure absorption de la lumière, meilleure diffusion des porteurs de charges dans le matériau etc. On peut distinguer trois grandes familles de cellules solaires :
les cellules au silicium cristallin, Pour lesquelles l’élément actif est le silicium dopé dans la masse. Bien que plus ancienne, cette technologie représente encore 90 % des parts de marché du fait de sarobustesse et de ses performances (rendement modules allant de 12 à 20 % pour une duréede vie de 30 ans environ) ainsi que des investissements importants qui lui ont été destinés,que ce soit pour la transformation du silicium, l’élaboration des cellules ou l’assemblage des modules.
les cellules à base de couches minces Qui ont en commun le procédé de dépôt du matériau semi-conducteur à faibleépaisseur sur des substrats variés et donnant un aspect uni, produisant des modules de rendement légèrement inférieur (de 7 à 13 %). La part de marché pour l’ensemble de ces technologies est d’environ 10 % et reste relativement stable : ces filières ont perdu l’avantage de leur moindre coût de production avec les investissements massifs consentis dans le silicium au début des années 2000.
les cellules à base de photovoltaïque organique, segment sur lequel la recherche s’intensifie dans la perspective de produire descellules à très bas coût pour des applications nouvelles. Leur principe de fonctionnement est basé sur les cellules à colorant de Michaël Grätzel avec des variations sur le type de matériaux utilisés. Avec des rendements de l’ordre de 3 à 5 %, leur point faible reste aujourd’hui encore leur durée de vie limitée, Les perspectives d’applications sont nombreuses. Enfin, la famille des hybrides présentée sur l’illustration ci-dessous rassemble les cellules mettant en présence des technologies de nature différente pour atteindre des rendements optimisés. En 2014, le marché mondial du photovoltaïque a atteint un volume de fabrication de nouveaux modules de plus de 40 GW de puissance cumulée. Avec la généralisation et la compétitivité de la technologie solaire dans de nombreuses régions du monde, la croissance du marché ne fait que confirmer les prévisions des experts. La répartition entre les différentes technologies est représentée sur le graphe suivant, avec 91 % de silicium cristallin (dont 56 % de polycristallin) et 9 % de couches minces, les autres technologies n’ayant pas atteint le stade de la production de masse.
Les technologies couches minces :
Outre le silicium amorphe, qui fait le lien entre les deux grandes catégories, les recherches dans le domaine des matériaux semi conducteurs ont conduit à l’apparition d’une diǀersité de technologies utilisant des complexes de matériaux en couches minces. Les technologies les plus courantes aujourd’hui produites industriellement sont :
le Tellurure de Cadmium
le Cuivre/Indium/Sélénium (CIS), le Cuivre/Indium/Gallium/Sélénium (CIGS) et le Cuivre/Indium/Gallium/Disélénide/Disulphide (CIGSS), qui présentent les rendements les plus élevés parmi les couches minces mais à un coût plus élevé ;
l’arséniure de Gallium ;Ga-As) dont le haut rendement et le coût très élevé conduisent à en réserǀer l’usage essentiellement au domaine spatial. Toutes confondues, ces filières représentent à peine plus de 10% du marché photovoltaïque mondial actuel, mais on a vu récemment un essor de la technologie CIGS. Elles ont en commun un certain nombre d’atouts :
elles permettent de fabriquer des modules d’une surface plus importante
elles ne craignent pas l’échauffement qui peut faire chuter le rendement des modules cristallins, ce qui les rend plus aptes à l’intégration.
elles captent mieux le rayonnement diffus et sont donc mieux adaptées à certains sites
en phase industrielle, leur coût de fabrication est en principe moins élevé (procédé roll-to-roll)… mais présentent aussi certains inconvénients :
industrialisation moins avancée,
matières premières limitées et en concurrence aǀec d’autres usages
toxicité des matériaux
recyclage plus complexe
Rendement européen de l’onduleur photovoltaïque
Nous avons vu que le rendement de l’onduleur dépendait de la tension d’entrée côté DC et de la puissance de sortie côté AC. Le rendement maximal est la plus grande valeur atteinte par la courbe de rendement (voir courbe de rendement ci-dessus).La valeur de ce rendement maximal ne rend pas réellement compte de la qualité de l’onduleur, car il est associé à une puissance de sortie donnée. Or, l’onduleur ne fonctionne pas toujours à cette puissance, compte-tenu que le groupe photovoltaïque, auquel il est relié, ne délivre jamais la même puissance (à cause de la variation de l’éclairement incident sur les modules photovoltaïques). De ce fait, l’onduleur ne fonctionne pas tout le temps à son rendement maximal. Le rendement européen a donc été introduit pour pourvoir calculer un rendement global de l’onduleur, sur toute sa plage (puissance de sortie) de fonctionnement. La méthode de calcul du rendement européen considère que :
L’onduleur fonctionne à 5 % de sa puissance nominale, pendant 3 % du temps.
L’onduleur fonctionne à 10 % de sa puissance nominale, pendant 6 % du temps.
L’onduleur fonctionne à 20 % de sa puissance nominale, pendant 13 % du temps.
L’onduleur fonctionne à 30 % de sa puissance nominale, pendant 10 % du temps.
L’onduleur fonctionne à 50 % de sa puissance nominale, pendant 48 % du temps.
L’onduleur fonctionne à 100 % de sa puissance nominale, pendant 20 % du temps.
Selon la fiche technique de cet onduleur, la puissance nominale de sortie, côté AC, de cet onduleur est Pnominale = 4 000 W. Tout d’abord, relevons les valeurs du rendement de l’onduleur pour les puissances suivantes :
5 % × Pnominale = 200 W.
10 % × Pnominale = 400 W.
20 % × Pnominale = 800 W.
30 % × Pnominale = 1 200 W.
50 % × Pnominale = 2 000 W.
100 % × Pnominale = 4 000 W.
Les valeurs du rendement pour ces puissances ci-dessus sont déterminées graphiquement grâce à la courbe de rendement de l’onduleur Sunny Boy 4 000 TL
Angle d’inclinaison optimale :
Un module photovoltaïque produit un maximum d’électricité lorsque le rayonnement incident est perpendiculaire à la surface du panneau. Or la position du soleil varie en fonction de la journée et des saisons. Seul un système de suivi de la trajectoire du soleil permet de maximiser la production du module. Or, en hiver, lorsque le soleil est bas (le soleil est au plus bas le 21 décembre) par rapport à l’horizon, le module produira d’autant plus que son inclinaison est proche de 65 °. Au contraire, en été, lorsque le soleil est haut (le soleil est au plus haut le 21 juin) par rapport à l’horizon, le module produira d’autant plus que son inclinaison est proche de 20 °. Ainsi, un module photovoltaïque posé sur une toiture avec une inclinaison de 15 ° aura une production quasiment optimale pendant la période d’été et une production très faible pendant la période d’hiver.
Dimensionnement d͛’une installation photoǀoltaïƋque raccordée au réseau BT
Nous avons donné un exemple de dimensionnement d͛’une installation PV manuellement et par simulation à l͛’aide du logiciel PV sol premium 2018, on constate que le calcul manuel nous ne permet pas de prendre en considération plusieurs parametres comme l’omrage, les données métrologiques.Pour la simulation, nous avons choisi un module de type PV sol poly cristallin ensilicium de 200 Wc . La simulation nous a donné une production totale des stations de792, 79 MWh/an, 3550 modules et 52 onduleurs, alors que la consommation bonifiée d’un taux de 1,25% et une préǀision de 8 postes à souder pour les ateliers mécanique est de l’ordre de 1080 MWh/an, par conséquent on peut dire que nos installations PV participent à plus de 2/3 de la consommation de notre campus universitaire. Par ailleurs, pour la protection de nos installations PV on place des sectionneurs des côtés CC et CA pour permettre de couper le courant, des fusibles.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
I.1. Introduction
I.2.L’énergie Solaire et les Systèmes Photovoltaïques
I-3.1.Le rayonnement solaire
I-3.1.1 Spectre du rayonnement
I-3.1.2. Structure de l’atmosphère
I-3.1.3. Spectre hors atmosphère
I-3.1.4. Le rôle de l’atmosphère :
I-3.1.5. Atmosphère standard
I-3.1.6. Masse d’air
I-3.1.7. Les différents types de rayonnement
I.3.2. Irradiance et éclairement
I-3.3. Quelques grandeurs photométriques
I.4 Système de positionnement automatique de panneaux solaires
I.5 La cellule photovoltaïque
I.5.1. Définition
I.5.2. Principe physique d’une cellule PV
I .5.2.1. L’absorption de la lumière dans le matériau
I.5.2.2. Le transfert de l’énergie lumineuse aux électrons
I.5.2.3.1 Les semi -conducteurs intrinsèques
I.5.2.3.2. Les semi-conducteur extrinsèques
I.5.2.3.2.1. Le dopage et la jonction P.N
I.ͷ.͵. L’effet photovoltaïque
I.5.4. Les Différents Types de Cellules Photovoltaïques à base du silicium
I.6. Caractéristiques générales essentielles d’une cellule PV
I.6.1. Circuit électrique équivalent d’une cellule PV
1.6.2. Calcule des paramètres de la cellule photovoltaïque
I.7. Logiciel de Simulation d’une cellule photovoltaïque : PC1D
I.7.1. La Simulation électrique sous PC1D
I.7.2 Etude de la cellule photovoltaïque à base de Si
I.7.2.1. L’influence du dopage de l’émetteur sur le rendement électrique
I.7.2.3. L’influence du dopage de l’émetteur sur le rendement électrique
I.7.4. Le cas de la cellule du silicium
I.8. Avantages et inconvénients de la technologie PV
I.8.1. Avantages5
I.8.2. Inconvénients
I.9. Conclusion
Chapitre II : Etat de l’art technologie photovoltaïque
II.1.Introduction
II.2.Technique de fabrication des systèmes
II.2.1.Etape 1 : Raffinage du silicium
II.2.2.De la silice au silicium métallurgique
II.2.3. Du silicium métallurgique au silicium solaire
II.3.Fabrication des plaques, cellules et modules photovoltaïques
II.3.1. Etape 2 : Cristallisation du silicium et mise en forme des plaques
II.4 Etape 3 : Fabrication des cellules
II.4.1 Enchaînement des étapes de fabrication
II.5 Etape 4 : Assemblage des modules
II.5 Principales technologies solaires photovoltaïques
II.5.1. Les technologies silicium cristallin
II.5.2 Les technologies couches minces
II.5.3. Les cellules solaires organiques (« Les filières de demain »)
II.6.Conclusion
Chapitre III : Composition d’une installation photovoltaïque raccordée au réseau
III.1. Introduction
III.2.Conposition d’une installation photovoltaïque
III.2.1.Le générateur photovoltaïque
III.2.2.Onduleur
III.2.2.1 : Onduleur réseau
III.2.3 .Côté continu de l’onduleur
III.2.3.1.Puissance d’entrée maximale
III.2.3.2.Tension d’entrée maximale
III.2.3.3.Plage de tension photovoltaïque du MPPT
III.2.3.2.Facteur de puissance ;cos φͿ
III.2.4.Système de pose
III.2.5.Matériel de fixation
III.3.Inclinaison des modules photovoltaïques sur toiture
III.3.1.Angle d’inclinaison optimale
III.3.2. Effet de l’inclinaison des modules photovoltaïques
III.4.Régulateur de charge
III.5.Batteries
III.6.Compteur de kWh
III.7.Protection contre la foudre et la surtension
III.8.Sectionneur DC
III.9.Coffret de découplage
III.10.Rendement du système photovoltaïque
III.11.Système de protection électrique
III.12.Câblage électrique
III.13.Mise en terre
III.14.Supervision
III.15.Normes
III.16.Démarches administratives
Chapitre IV : Dimensionnement d’une installation photovoltaïque raccordée au réseau BT
IV.1 : Dimensionnement Manuel d’une installation PV
IV .2 : Calcul des sections des câbles
IV.3 / Calibrage des équipements de protection
IV.3.1 Fusibles
IV.3.2 Parafoudres
IV.4 : Besoins énergétiques du campus universitaire
IV.5 Dimensionnement d’une installation photovoltaïque raccordée au réseau par simulation
IV.6 Simulation par station par PV sol
IV.6.1 Station 1
IV.6.2 : Station 2
IV.6.3 Station 3
IV.6.4 Station 4
IV.6.5 Station 5
IV.6.6 Station 6
IV.7 : Conclusion
Conclusion Générale
Bibliographie
Annexes
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