Les cellules photovoltaïques et les éoliennes une introduction. Cours J.L. Lilien, ULg. (partim) Préparé par Pierre-Paul Barbier

Transcription

1 Les cellules photovoltaïques et les éoliennes une introduction

2 Les cellules photovoltaïques Le spectre lumineux E = h c / λ h = constante de Planck (6,626 E-34) c = vitesse de la lumière ( m / s) λ = longueur d onde Énergie utilisable après avoir traverser la cellule Énergie minimum pour créer une paire é - t

3 Les cellules photovoltaïques Principe Jonction p-n

4 Les cellules photovoltaïques: caractéristiques Système énergétique: Le rendement 6 à 8 % Pour les calculatrices 12 à 16 % Pour les modules de grandes dimensions (toit, etc. ) 18 à 20 % Système embarqué dans le spatial

5 Caractéristiques Les différents termes reprennent: Perte fondamentale Transparence (1) Perte sous forme de chaleur (2) Facteur de tension (3) Perte technologique Facteur de remplissage (puissance max/puissance max idéal) (4) Réflexion (5) Perte due au contact (6) Absorption incomplète (7) Autre phénomène (électron Auger) (8) Réabsorption (recombinaison des é-t) (9)

6 Exemples de courbes caractéristiques d une cellule PV Puissance max pour un rayonnement de 1000 W/m² Influence de l ensoleillement sur la courbe courant tension Soit η = 3*18 / 1000 = 5,4%

7 Prix Environ 600 /m² Un ménage consomme en moyenne 4000 kwh/an Il faudrait alors + ou 50m² soit L installation comprend un onduleur (les PV donne du courant continu) et est reliée au réseau pour gérer l intermittence.

8 Alimenter la Belgique uniquement grâce au photovoltaïque. Calculer la superficie nécessaire pour alimenter la Belgique en énergie électrique la Belgique consomme GWh/an un panneau solaire de 1m² produit 100kWh/an la superficie de la Belgique est de km2

9 2. Les éoliennes

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11 Les Éoliennes pour particuliers Il existe également des éoliennes pour particulier, d une puissance variant de 1 à 20 kw. Ce qui correspond à des pales comprises entre 1,3 et 5 mètres. Ce type d éolienne est souvent utilisé par des agriculteurs ou entreprises. Éolienne 1kW Éolienne 20 kw

12 Calcul simplifié d une éolienne Puissance = Énergie cinétique récupérable par seconde 0.5 x m x V 2 Joules/s ou Watts si m est la masse par seconde m est la masse de l air passant au travers l éolienne par seconde = masse volumique x section x Vitesse du vent 1,2 x π x r 2 x V kg/s (r en m) Limitation 1 : loi de Betz (16/27 max, soit 59%)(vent non nul après éolienne) Limitation 2 : rendement électromécanique (réducteur, alternateur, onduleur, transfo) entre 40% et 60% selon technologie P = 0,50x0,59 x 0,5 x 1,2 x π x r 2 x V 3 = 0,55 x r 2 x V 3 P en Watts avec r en mètres et V en m/s

13 Exemple En général P varie entre 0 et Pmax pour des vents entre 4 et 15 m/s puis se stabilise à Pmax jusque 20 m/s selon la technologie. Elle est à l arrêt en dehors de ces plages. Exemple : éolienne de 10 MW à 15m/s donne rayon = 73 m soit un diamètre de l éolienne de 146 m environ. En moyenne On-shore on compte un équivalent de 2500 h de fonctionnement à Pmax et Off-shore 3300 h de fonctionnement par an Energie fournie annuellement par une éolienne off-shore de 10 MW = 33 GWh, soit l équivalent de environ 8000 ménages «belges» (4000 kwh/an) La fourniture étant intermittente, elle demande une gestion appropriée.

14 Alimenter la Belgique uniquement grâce à l éolien. Calculer la superficie nécessaire pour alimenter la Belgique en énergie électrique la Belgique consomme GWh/an Une éolienne de 10 MW fournit 33 GWh/an en offshore Une éolienne de 10 MW a une envergure de 150 m, une hauteur à la nacelle de 200 m et il faut prévoir un espace libre de 3 à 5 fois le diamètre de toutes parts Même question avec des éoliennes de 1 MW. la superficie de la Belgique est de km2

15 Conclusions PV : 1 m 2 produit environ 100 kwh/an Eolienne : 1 m 2 de «voilure» produit (off-shore) 1900 kwh/an en isolé, cela correspond à environ 90 kwh/an et par m 2 occupé au sol Le coût évolue sans cesse. Le rendement solaire peut fortement changer (facteur 2 à 3) dans un avenir proche La facilité de mise en œuvre, la maintenance, la durée de vie et les coûts (y compris installation) jouent un rôle. Le réseau est indispensable pour la gestion de ces énergies intermittentes. Mettons-les où c est le plus logique svp car ces données varient avec le cube de la vitesse du vent et avec les heures d ensoleillement (bien orienté).