CONVERSION DE L ENERGIE SOLAIRE

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1 UNIVERSITE HASSAN II ECOMEC ECOMAT FACULTE DES SCIENCES AIN CHOCK Bouznika Mai CASABLANCA LABORATOIRE DE MECANIQUE CONVERSION DE L ENERGIE SOLAIRE A.OUBARRA

2 I Introduction * Energies renouvelables. - Disponibilité. - Inépuisables. - Moins polluantes. * Energie solaire. * Energie éolienne. * Mouvements d eau. * Biomasse. * Géothermie.

3 * Energie solaire est la plus exploitée : - Energie mise en jeu. - Conversions potentielles. * Conversion photo thermique : Production de chaleur * Energie solaire thermo solaire : Production de chaleur et d électricité * Conversion photovoltaïque : Production d'électricité

4 II Caractéristique du rayonnement solaire * Réactions thermonucléaires : transformantion de l'hydrogène en hélium. * Energie associée à ces réactions : Environ 3, kw, dont de 1, W est interceptée par la Terre. * Répartition spectrale : - Ultra violet : 7 % - Visible : 47.5 % - Infrarouge : 45.5 %

5 * Constante solaire : Puissance reçue par unité de surface perpendiculaire aux rayons solaires en dehors de l'atmosphère terrestre. * Réflexion, Diffusion, Absorption * Trois types de rayonnement : - Rayonnement direct I (w/m 2 ) - Rayonnement diffus D (w/m 2 ) - Rayonnement réfléchi par le sol R (w/m 2 ) - Rayonnement global * Irradiance : E H t 2 1 w.m G. dt t -2 G I D R

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7 Pyrhéliomètre Pyranomètre

8 * Casablanca * Irradiation globale moyenne mensuelle sur surface horizontale ( Mj/m 2 ) * Données expérimentales :

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10 III Conversion photo thermique à basse température : le capteur plan Transformation du rayonnement solaire en énergie thermique sans concentration à basse température.

11 III.1 Constituants d un capteur plan Vitrage Absorbeur Fluide caloporteur Isolation Boîtier

12 III.2 Modélisation du capteur - G : Flux solaire global incident (w/m 2 ). - G a : Flux solaire absorbé à travers le vitrage. - Q u : Flux thermique récupéré par le fluide caloporteur. G (. ). G. G a - Q p : Flux thermique perdu par le capteur par conduction, convection et rayonnement opt sortie entrée Q mc..( T T ) u f f

13 - Conservation d énergie: G. G Q Q Q abs opt u p st Q st dt M. C. dt - Rendement instantané : Q u SG - Rendement moyen : t q u 2 2 S G. dt S G. dt t1 t1 t t 1 2 Q. dt t u

14 III.3 Cas du modèle simplifié: - Régime semi permanent. - Absorbeur et fluide caloporteur à la même température T C. - K g : coefficient de pertes globales par conduction, convection et rayonnement. Q K.( T T ) p g c a Q Kg.( T T ) u (. ) C a G G Kg.( TC Ta) Kg. DT opt opt G G

15 * croît avec opt et G. opt Kg. DT G * décroît avec T et k g. * Rayonnement seuil: G seuil Kg. DT opt * Ecart maximal : DT max opt. G Kg

16 III.4 CAPTEURS REELS * Régime semi permanent. * Distinction entre la température de l absorbeur et du fluide caloporteur. * Bilan thermique pour chaque élément du capteur: fluide, absorbeur, vitre. P reçue P cédée

17 Ray Solaire 1 0 IR 1 0 * Fluide : * Absorbeur : * Vitre : h. S.( T T ) m. c.( T T ) C C f s e.. G h'.( T T ) h.( T T ) C V V C c C f (1 ) G (1 ) (1 ) G h'.( T T ) h.( T T ) V V c V V C V a

18 Qu.( ) / 1 2 Te Ta G SG et : f (h', h, h, τ,...) 1 2 C v C

19 III.5 Amélioration des performances A- Pertes optiques : - Rendement optique dépend de la qualité du verre. - Sous incidence normale: - Rendement chute avec l angle d incidence. B- Pertes thermiques : - Plus de vitrage. opt - Absorbeur à surfaces sélectives. 0.8

20 III.6 Variantes des capteurs plans: A- Capteurs à eau: - Eau chaude sanitaire ECS - Besoins domestiques à titre individuel ou collectif ( hôtels, complexe résidentiel, hôpitaux ). B- Capteurs à air: - Insensible au gel et sans risque de corrosion. - Chauffage des locaux par ventilation. - Séchage des fruits et légumes. - Mur TROMBE.

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22 C- Capteur sous vide - Composé de tubes transparents en verre sous vide. - Absorbeur par tube. - Absorbeur à surface sélective - Moins d isolation, température plus grande rendement plus élevé. - Fragile. - Chauffage de locaux.

23 IV Les capteurs Solaires à concentration IV.1 Introduction - Capteurs plans : températures < 100 C. - Températures plus grandes : concentration du rayonnement solaire. - Ensemble de miroirs et de réflecteurs. - Concentration au même point (foyer) du rayonnement solaire direct. - Deux types de miroir: Miroirs plans ou paraboliques ou les deux.

24 - Conditions de Gauss - Angle d incidence égale à l angle de réflexion - Miroir parabolique : Tout faisceau de rayons incidents parallèles converge au plan focal. - Au plan focal : absorbeur ( chaudière ). - Rayonnement direct impliqué : Suivie du soleil au cours des journées. - Meilleur rendement dans des climats où le ciel est souvent dégagé. - Moyenne concentration (température quelques 100 C). - Haute concentration ( quelques 1000 C).

25 IV.2 Différents types de capteur 1. Systèmes à réflecteur parabolique Concentration à tout instant des rayons du soleil au foyer.

26 2. Systèmes à réflecteur cylindro-parabolique Concentration des rayons solaires sur un tube récepteur situé le long de la ligne focale du réflecteur.

27 3. Centrale à tour * Ensemble de miroirs mobiles grâce à un système automatique. * Réflexion du rayonnement solaire vers une chaudière située au sommet d'une tour.

28 4. Fours solaires Champ de miroirs plans mobiles et d'un grand miroir parabolique fixe.

29 IV.3 Applications * Stérilisations des produits et applications cuisinières. * Traitements de matériaux réfractaires à hautes températures. * Centrales thermo solaires : - Conversion de la chaleur obtenue à haute température en travail mécanique au moyen d un moteur thermique fonctionnant selon un cycle thermodynamique. - Le travail mécanique est converti en énergie électrique au moyen d une turbine alternateur. -Turbine : un aimant permanant mise en rotation par l énergie mécanique produite créant un champ magnétique variable. - Alternateur : plusieurs bobines en cuivre, traversé par le champ magnétique ce qui induit une f.e.m d induction.

30 Même principe de fonctionnement pour la production d électricité pour une centrale thermique.

31 IV.4 Rendement du concentrateur à tour * Rayonnement direct incident instantané : 2 I( kw / m ) * Puissance réfléchie par le champ des miroirs : f.. I. S C - S C : surface de captation des miroirs - : Coefficient de réflexion de l ensemble des miroirs. - f : facteur d interception ou pourcentage du rayonnement réfléchi par le miroir et intercepté par le foyer. * Puissance solaire absorbée par la chaudière :. f.. I. S C : facteur d absorption de la chaudière. * Puissance utile : Q. f.. I. S - pertes u C

32 * Pertes par rayonnement : P S T T 4 4 Ray. r..( r a ) S r : Orifice de la chaudière. T r et T a : Températures de la chaudière et de l ambiance. : Coefficient d émission de la chaudière. * Pertes par convection : P h. S.( T T ) c c r r a h c : Coefficient d échange par convection.

33 * Rendement de la centrale : Qu S. I C S r f (..( Tr Ta ) hc ( Tr Ta )) SC. I f (..( Tr Ta ) h c( Tr Ta )) CG. I C G S S C r : Taux de concentration

34 * Projet de production d énergie solaire d une capacité de MW : sur cinq sites (Ouarzazate, Laâyoune, Boujdour, Tarfaya et Ain Beni Mathar) sur une superficie de h. * Coût estimé à 9 milliards de dollars. * Economie de 1 million de tonne équivalent pétrole de combustibles par an soit près de 500 millions de dollars. * Emission de moins de 3,7 millions de tonnes de dioxyde de carbone par an. * 14% de la puissance électrique à l'horizon 2020.

35 V LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE V.1 Introduction * Transformation du rayonnement solaire en électricité passent par des moteurs thermiques. * Conversion directe de l énergie lumineuse en électricité : Conversion photovoltaïque. * Cellule phovoltaïque : photopile

36 V.2 Principes de fonctionnement * Rayonnement solaire : de photons * Matériau exposé au rayonnement solaire: - Absorption d énergie sous forme de photons. - Excitation des électrons et accroissement de leurs énergies. h

37 * Photons absorbés d'énergie supérieure à celle du Gap libèrent un électron laissant un "trou" positif. * Meilleur rendement (environ 44%) : silicium. * Pour collecter les électrons excités et obtenir un courant électrique, il faut générer un champ électrique E. *Dopage et réalisation d une jonction p-n.

38 V.3 Dopage et jonction p-n. * Dopage : substituer le silicium par un élément ayant 5 ou 3 électrons de valence. * Dans le 1 er cas (Phosphore) : dopage de type n (négatif).

39 * Dopage de type p (positif) : insertion d atome ayant un é de moins (charge positive) : Bore B. * Création de la jonction p-n

40 * Zone initialement dopée n devient chargée positivement. * Zone initialement dopée p chargée négativement. * Création d un champ électrique E.

41

42 V.4 Caractéristique tension- courant d une cellule photovoltaïque Caractéristique idéale : I I I.(exp( ev / kt ) 1) CC O I CC : Courant en court-circuit proportionnel à l éclairement de la cellule. I O : Courant spécifique à la nature de la jonction. k : Constante de Boltzmann =1, J. K -1 e : Charge de l électron =1, C. T : Température absolue.

43 * Circuit électrique équivalent : I I I.(exp( ev / kt ) 1) CC O I I I.(exp( ev / kt ) 1) I I CC O CC D

44 V CO 0.6 V : Tension en circuit ouvert

45 V.5 Rendement de la cellule photovoltaïque Puissance délivrée Pel V. I Puissance incidente P P Maximum de rendement : P V. I V. I V. I.(exp( ev / kt ) 1) CC O inc inc dp I0 ev. max 0 Imax Icc.(1 ). dv I kt ev. cc max kt ev. Vmax Ln V e kt max (1 ) co max V. I P max inc max

46 Pmax

47 V.6 Caractéristiques générales d une cellule CPV * Forme ronde et rectangulaire. * Epaisseur 0,2 à 0,3mm. * Surface d éclairement 125 x 125 mm 2. * Rendement 12-20%. * Puissance crête ( Eclairement de 1000 w/m 2 et une température de 25 C ) : 2,2 Watt

48 V.7 Association de cellules photovoltaïques: * Cellule individuelle : faible puissance électrique. * Module : Association cellules élémentaires. * Connections en série augmentent la tension pour un même courant, alors que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. * Suivant les besoins de l utilisation, les modules sont associés en série parallèle de façon à obtenir la tension et le courant désirés.

49 V.8 Systèmes photovoltaïques * Générateur photovoltaïque : Modules et un ensemble de composants selon l application. * Batterie : - De type Plomb-Acier - Fonctionnement en continue. * Régulateur de charge: Protection des batteries contre les surcharges solaires excessives et les décharges profondes. * Convertisseur : - Intercalé entre modules et utilisation. - Conversion du DC en CC. - Fonctionnement au maximum de puissance

50

51 V.9 Applications des générateurs photovoltaïques * Domaine spatial. * Electrification en zone rurale et en site isolé. * Réfrigération pour la production de glace et la conservation de divers produits. * Calculatrices et montres. * Pompage solaire.

52 Isofoton : 72 cellules : 2x36 en série ou 72 cellules en série. I I V CC (exp( ) 1) ICC E V 2. R. I 2.. k e H a. a.. Q a. Q H, Q fixés : Equation 4 : w E fixé : détermination de I et V.

53 C o u r a n t ( A ) E = W / m ² E = W / m ² E = W / m ² E = W / m ² T e n s i o n ( V )

54 Courant (A) E=1000 W/m² H = 20 m Q = m3/s Ke= V/rd/s R=0. 58 ohm 8.00 E=900 W/m² E=800 W/m² (1) (2) (1): Couplage directe (2): La MPPT E=100 W/m² Tension (V)

55 Puissance ( W ) E=1000 W/m² E=900 W/m² E=100 W/m² (1) (2) H=20 m Q=0.001 m3/s Ke=0.021 V/rad/s R=0.58 ohm (1) : Couplage direct (2) : La MPPT Tension (V)

56 Debit (m3/s) 0.02 MPPT couplage direct Eclairement (W/m²)

57 MERCI POUR VOTRE ATTENTION

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