La Conversion Photovoltaïque

Chapitre 3 : La Conversion Photovoltaïque 

3.1.Evolution de l’électricité photovoltaïque

L’effet photovoltaïque est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés semi-conducteurs qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Il a été découvert en 1839 par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel.

Bien que les bases théoriques de l’effet photovoltaïque fussent connues depuis le début du siècle, ce n’est qu’à partir de 1954, dans les laboratoires de la Bell Téléphone à New Jersey, que la première cellule ayant un rendement raisonnable a été mise au point. Depuis la deuxième moitié du siècle précédent, le processus de purification de monocristaux de silicium a émergé.

En 1956 Loferski publiait différentes tables de conversion de rendement photovoltaïque pour tous les matériaux semi-conducteurs. Puis, c’est au début des années 70 que l’on a pu obtenir en laboratoire un rendement de 20 % en travaillant sur des cellules de monocristal d’arsenic de gallium (GaAs). Le rendement est sensiblement inférieur lorsque ces cellules se font à l’échelle industrielle.

Aussi, des expériences ont été faites avec des cellules composées de deux couches : une de sulfure de cadmium (SCd) et une autre de sulfure de cuivre (SCu2).

Ces cellules présentent l’avantage d’utiliser très peu de matière active et permettent un processus de fabrication plus simple. Cependant, leur faible rendement ne permet pas de les utiliser à l’échelle industrielle.

La commercialisation de cellules solaires photovoltaïques a commencé dès l’apparition du silicium monocristallin et elles occupent encore la première place du marché.

Plus tard, apparurent les matériaux polycristalins, de fabrication plus économique, mais présentant encore de faibles rendements.

Récemment des cellules de silicium amorphe se sont commercialisées et utilisées pour des dispositifs de très faible puissance : calculettes, montres, radio portable, etc.…

3.2.Les cellules photovoltaïques

Pour les applications terrestres, le silicium est devenu le matériau le plus utilise pour fabriquer des cellules PV en raison essentiellement de sa disponibilité et de la connaissance acquise sur son comportement électrique.

La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique.

Une cellule individuelle, unité de base d’un système photovoltaïque, ne produit qu’une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d’un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. Le courant de sortie, et donc la puissance, sera proportionnelle à la surface du module.

La cellule photovoltaïque, pour cela, sous de nombreuses technologie (monocristallin, polycristallin, amorphe, en couche mince, …), en fonction des performances recherchées :

a. Les cellules monocristallines :

Les panneaux PV avec des cellules monocristallines sont les photopiles de la première génération, elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallise en un seul cristal. Son procédé de fabrication est long et exigeant en énergie; plus onéreux, il est cependant plus efficace que le silicium polycristallin. Du silicium à l'état brut est fondu pour créer un barreau, et lorsque le refroidissement du silicium est lent et maitrisé, on obtient un monocristal. Un Wafer (tranche de silicium) est alors découpé dans le barreau de silicium.

Après divers traitements (traitement de surface à l'acide, dopage et création de la jonction PN, dépôt de couche anti-reflet, pose des collecteurs), le wafer devient cellule. Les cellules sont rondes ou carrées et, vues de prés, elles ont une couleur uniforme. Elles ont un rendement de 12 à 18%, et la méthode de leur production est laborieuse.

Figure.3.1: Cellules monocristallines.

b.Cellules polycristallines

Les panneaux PV avec des cellules polycristalins sont élabores à partir d'un bloc de silicium cristallise en forme de cristaux multiples. Vus de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalites différentes).

Elles ont un rendement de 11 à 15%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules monocristallines. Ces cellules, grâce à leur potentiel de gain de productivité, se sont aujourd'hui largement imposées.

Figure.3.2: Cellules monocristallines.

L'avantage de ces cellules par rapport au silicium monocristallin est qu'elles produisent peu de déchets de coupe et qu'elles nécessitent de 2 à 3 fois moins d'énergie pour leur fabrication.

c. Couche mince (Amorphe) :

Les modules photovoltaïques amorphes ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n'est que de 6 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 procède de vaporisation sous vide.

Bien que le rendement de ces panneaux soit moins bon que celui des technologies poly cristallines ou monocristallines, le silicium amorphe permet de produire des panneaux de grandes surfaces à bas coût en utilisant peu de matière première.

Figure.3.3: Cellules Couche mince (Amorphe).

3.3.Le principe de fonctionnement d’une cellule PV

Lorsqu'une cellule solaire photovoltaïque est soumise au rayonnement solaire, les photons contenus dans le rayonnement absorbé apportent de l'énergie qui libère des électrons de la couche du semi-conducteur de la cellule. C'est le mouvement des électrons libérés qui produit le courant électrique. Ce processus de conversion de lumière en électricité est appelé l'effet photovoltaïque.

La lumière est une forme d'énergie et les électrons contenus dans le matériau semi-conducteur se mettent en mouvement lorsqu'ils reçoivent ce supplément d'énergie apporté par les photons de la lumière. Les électrons se déplacent alors librement à l'intérieur du matériau semi-conducteur. La différence de potentiel électrique ainsi créée peut-être captée par des fils conducteurs d'électricité vers l'extérieur de la cellule.

Pour augmenter la puissance fournie par les cellules PV, il suffit de les assembler en série afin d'augmenter la tension (Volts) puis on connecte ces sous-ensembles, en parallèle afin d'augmenter l'intensité du courant (Ampères); on obtient ainsi un panneau solaire photovoltaïque. Ces panneaux solaires peuvent ensuite être connectés entre eux pour former des installations photovoltaïques de plus grande puissance.

Figure.3.4: Description simple de l’effet Photovoltaïque

3.4.Dimensionnement d’une installation PV (système autonome)

Une installation photovoltaïque complète ne comporte pas que les panneaux solaires, elle inclut le matériel de montage, le système de stockage de l'énergie ou le dispositif de connexion au réseau de distribution électrique (onduleurs).

Dans une installation photovoltaïque autonome, la seule source d’énergie est le photovoltaïque.

Ainsi que pour calculer la puissance crête du champ PV, la première condition est satisfaire les besoins de l’équipement électrique (l’énergie produite doit être au minimum égale à l’énergie journalière consommé par l’équipement électrique).

Figure.3.5: Représentation d’une installation PV typique.

1. Calcule la consommation d’énergie d’une installation électrique :

La première étape pour concevoir une installation photovoltaïque est de savoir combien   d'électricité vous avez besoin. La puissance journalière consommée par un appareil électrique est calculée par la formule suivante :

Consommation (kWh) = nombre x [puissances d’appareil (W) x durée de fonctionnement ] /1000.

Exemple :

Equipement	Puissance max (W)	Nombre	Temps de fonctionnement	La consommation (KW/jour)
Climatiseur	1000	1	4	4
Le réfrigérateur	55	1	24	1.32
La machine à laver	2000	1	2	4
La lave-vaisselle	2200	1	2	4.4
Télévision LCD    + Démodulateur	(110+40)	1	10	1.5
Ordinateur (Bureautique)	150	1	6	0.9
Four électrique	2100	1	2	4.2
Lampes	60	10	5	3
Puissance totale          (KW)	23.32 KW

2. Estimation de la production photovoltaïque :

La production d'une cellule photovoltaïque dépend évidemment du soleil. Par conséquent il est impossible de dire par avance quelle quantité d'électricité produira un panneau solaire : la production sera différente selon l'endroit où vous l'installerez et même suivant la position que vous lui donnerez.

• • Trouver la meilleure position pour un panneau photovoltaïque :

 Le rendement d'un module photovoltaïque varie avec l'angle d'incidence des rayons solaires. La position que vous allez donner à vos panneaux solaires va donc avoir une influence sur la production.

La position d'un panneau est en fait :

• • Son orientation, ou azimut, c'est-à-dire l'angle qu'il fera avec l'axe nord-sud dans le plan horizontal.
  • Son inclinaison, c'est-à-dire l'angle qu'il fera avec le plan horizontal.
• Orientation optimal:

Pour l'orientation, c'est relativement simple : du moment que l'horizon est dégagé, il faut orienter le panneau solaire vers le sud si vous êtes dans l'hémisphère nord et vers le nord si vous êtes dans l'hémisphère sud.

• Inclinaison optimal:

Pour une installation solaire en site isolé, c'est-à-dire sans raccordement à un réseau électrique, l'inclinaison optimale est généralement celle qui permet d'optimiser la production des panneaux solaires pendant le mois le moins ensoleillé. En effet, le dimensionnement de vos panneaux est basé sur ce mois.

• • Calcule la production réelle d’un panneau :

La puissance des panneaux solaires est exprimée en watt-crête : un panneau de 1kWc produit une puissance de 1kW dans des conditions standards, l'énergie produite est donc de 1kWh par heure dans ces mêmes conditions. 

 Donc l'énergie produite dans des conditions réelles sera en général nettement inférieure à celle qui aurait été produite dans des conditions standards. Elle dépendra essentiellement de 3 facteurs :

• • le rayonnement global journalier, c'est-à-dire l'ensoleillement
  • la position des panneaux solaires (orientation et inclinaison)
  • la température

-        Pertes liées à l'orientation des panneaux :

L'angle formé par les rayons du soleil et le panneau solaire est appelé angle d'incidence (noté α). La production est maximale si les rayons du soleil atteignent la surface du panneau perpendiculairement à midi (heure solaire).

Une production optimale lorsque l’inclinaison de panneau est de 90° par rapport aux rayons du soleil (au centre).

Lorsque les rayons du soleil n'atteignent pas le panneau sous l'angle optimal, le rendement est approximativement : sinus (α)

-        Pertes liées à la température

La puissance-crête est donnée pour une température de 25°C. Si la température réelle est très supérieure à cette valeur, il faudra en tenir compte. Les pertes seront alors de 0.4% par degrés pour une cellule mono ou poly-cristalline (les plus courantes) et de 0.3% par degrés pour les autres technologies.

Donc l'énergie qui sera fournie pour 1kWc installé est environ : 

Rayonnement global journalier x sin(α) x (1 - (température - 25) x 0.004)

 3. Calculer le nombre de batteries pour une installation solaire photovoltaïque

Une installation solaire photovoltaïque comprend généralement des batteries afin de rendre l'électricité disponible la nuit ou lorsque le soleil est voilé

Pour calculer les nombres de batteries nécessaires pour une installation photovoltaïque vous devez :

• • Avoir calculé l'énergie que va consommer chaque jour votre installation,
  • Connaitre au moins la tension (en général 12V) et la capacité (souvent 50, 100 ou 200Ah) des batteries que vous allez utiliser.

-        Déterminer l'autonomie souhaitée

La capacité de stockage dont vous aurez besoin dépend essentiellement de 2 paramètres : l'énergie consommée par jour et l'autonomie de votre système, c'est-à-dire le nombre de jours qu'il devra pouvoir supporter sans soleil.

Donc :

La quantité d'énergie consommée par votre installation pendant cette période est :

[Besoin quotidien x autonomie]

-        Les pertes

L'électricité qui sort des batteries n'arrive pas entièrement à vos appareils électriques : une partie est perdue dans les fils et lors de la conversion continu-alternatif par l'onduleur.

 La quantité d'énergie que devront restituer vos batteries est donc en fait :

[Energie consommée / (rendement de la batterie)]

-        Tenir compte de la profondeur maximale de décharge des batteries

Pour que vos batteries aient une meilleure durée de vie, vous ne devez pas les décharger complétement : Il faut fixer une profondeur maximale de décharge. En générale cette profondeur varie de 30 à 80%. Une bonne valeur intermédiaire est 50%, c'est-à-dire que vous n'utiliserez en fait que la moitié de la capacité de vos batteries.

La capacité de vos batteries devra donc être :

[Énergie à restituer / profondeur max de décharge]

-        En déduire le nombre de batteries

Pour passer d'un chiffre en kWh à un nombre de batteries, il faut multiplier par 1000 (pour convertir les kWh en Wh) diviser par la tension aux bornes de batteries (pour convertir les Wh en Ah) puis par la capacité des batteries (en Ah) et arrondir au chiffre supérieur.

Donc :

 Le nombre des batteries égale :

[(Énergie à restituer / profondeur max de décharge) / (capacité de la batterie x la tension de la batterie)]

 

Exemple :

Nous avions trouvé un besoin de 4kWh/jour. Par ailleurs nous avons choisi d'utiliser des batteries 12V de capacité 200Ah à un rendement de 0.95.

 On suppose que l’autonomie est de 3 jours. On arrive à :

4kWh x 3jours = 12kWh

12kWh/0.95 = 12.63 kWh

La profondeur maximale de décharge est 0.7, donc 12.63/0.7 = 18.04 kWh

Déduire le nombre des batteries :

(18.04 x 1000)/12 = 1503 Ah

1503/200 = 7.51

Donc il nous faut 8 batteries

3.5.Avantages et inconvénients       

3.5.1. Les avantages

-        Energie électrique non polluante à l'utilisation et s'inscrit dans le principe de développement durable ;

-        Source d'énergie renouvelable car inépuisable à l'échelle humaine ;

-        Utilisables soit dans les pays en voie de développement sans réseau électrique important soit dans des sites isolés tels qu'en montagne où il n'est pas possible de se raccorder au réseau électrique national.

 3.5.2. Les inconvénients

-        Coût du photovoltaïque élevé car il est issu de la haute technologie ;

-        Le rendement actuel des cellules photovoltaïques reste assez faible (environ 10% pour le grand public) et donc ne délivre qu'une faible puissance ;

-        Marché très limité mais en développement ;

-        Production d'électricité ne se fait que le jour alors que la plus forte demande chez les particuliers se fait la nuit ;

-        Le stockage de l'électricité est quelque chose de très difficile avec les technologies actuelles (coût écologique des batteries très élevé) ;

-        Durée de vie : 20 à 25 ans, après le silicium "cristallisé" rend inutilisable la cellule ;

-        Pollution à la fabrication : certaines études prétendent que l'énergie utilisée pour la fabrication des cellules n'est jamais rentabilisée durant les 20 années de production ; Même en fin de vie, le recyclage des cellules pose des problèmes environnementaux.