Thème : Energie et environnement. T.P.E : Panneaux solaires photovoltaïques. Dossier pour T.P.E

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1 Thème : Energie et environnement. T.P.E : Panneaux solaires photovoltaïques Dossier pour T.P.E Dizy Dominique, Fradillon Axel, Dubois Louis, Debaets Kévin. 03/03/2011

2 Sommaire : 1) Préambule 3-4 2) Fabrication 5-6 3) Fonctionnement ) Quelques applications ) Aspects économiques ) Cas d étude et expérience ) Recyclage ) Conclusion 24 2

3 1) Préambule : Avant la conception d un produit, une bonne analyse fonctionnelle est nécessaire afin de bien définir ce dernier. Analyse fonctionnelle : 3

4 FP1 : Convertir l énergie du soleil en énergie électrique et la distribuer a l utilisateur. FC1 : Doit respecter les normes de sécurité. FC2 : Ne doit pas perturber l environnement. FC3 : Doit être esthétique. FC4 : Doit résister aux intempéries. FC5 : Doit permettre une facilité d installation sur les toits. Problématique : 4

5 «Quelles sont les différentes étapes de la vie d un panneau solaire photovoltaïque? 2) Fabrication 2.1) Etude de la fabrication à l échelle industrielle : Voici une étude menée dans le but de découvrir les différentes étapes de la fabrication d'un panneau solaire photovoltaïque, depuis l'arrivée des cellules jusqu'à la livraison des modules en Europe. La cellule solaire, unité de base d un panneau solaire photovoltaïque, est réalisée à partir des cristaux de silicium sous forme monocristalline ou poly cristalline. Cela ressemble à une petite plaque bleue où les rainures sont les conducteurs et dont les cristaux miroitent à leur surface. Chaque cellule photovoltaïque, en recevant la lumière du soleil, met en action des photons qui vont produire un courant électrique. Pour produire plus de puissance, des cellules solaires identiques sont assemblées pour former un panneau photovoltaïque (qu'on appelle également module solaire). La mise en série de plusieurs cellules solaires (comme lorsque vous mettez des piles en série) permet d'additionner l'énergie produite. Les panneaux solaires photovoltaïques de cette étude sont composés de 72 cellules en silicium monocristallin connectées en série pour 187 W nominal. Ces panneaux solaires sont constitués d une face supérieure en verre trempé parfaitement transparent et d une face inférieure recouverte d un film spécial (couche de Teldar). La technique d encapsulation que l'on observe dans ce film permet d'assurer au panneau une excellente résistance. Pour finir, l assemblage est établit avec joint d étanchéité dans un cadre en aluminium anodisé et la fixation de la boîte de jonction destinée à recevoir le câblage nécessaire à l exploitation du panneau photovoltaïque. 2.2) Production à l échelle mondiale : La production mondiale de panneaux est principalement répartie entre la Chine, l'allemagne et les États Unis. Il s'agit majoritairement d'assemblage (encapsulement / mise en place du cadre / boîtier de protection /...) car 80% de la production mondiale de cellules photovoltaïques vient de Chine. Aujourd'hui de grandes marques internationales font produire leurs modules en Asie et parfois 5

6 réalisent une étape de transformation sur le produit. D'autres grandes entreprises sous-traitent simplement leur production. 2.3) Aspects environnementaux : Comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique 6 Cette fabrication (plus transport, pose, etc.) nécessite en outre de l'énergie. Mesurée en nombre d'année de production par le panneau, en 2004, le Département américain de l'énergie estimait cette durée à 4 ans maximum 7. Les fabricants cherchent à minimiser les coûts et les besoins en matériau (silicium notamment), ce qui a incidemment pour effet de réduire la consommation d'énergie sur le cycle de vie du panneau, réduisant la durée de remboursement de l'énergie investie. Du point de vue du bilan en dioxyde de carbone, sur un cycle de vie de 20 ans, l'émission de CO 2 par kwh électrique produit par un panneau photovoltaïque représente selon le type considéré de 7 à 37% des émissions par kwh produit par une centrale thermique classique. 2.4) Script de la vidéo du diaporama : Tout d abord les usines s approvisionnent en silicium brut auprès des fournisseurs. Ensuite ce matériau est passé dans un four chauffé à 1500 C pendant 75 heures. Il faut ensuite le laisser refroidir lentement afin de laisser remonter les impuretés à la surface. Les pains de 250kg obtenus sont ensuite découpés en linguaux puis en plaquette. L opération prendra plus de 7 heures et une certaine précision est exigée. Car en effet les plaquettes découpées sont assez fragiles et assez minces (environ 200 à 300 micron). Manipulées avec soin, les plaquettes sont enrichies en phosphore, puis équipées avec une technique sophistiquée, réalisée avec du fil d argent et d aluminium. 6

7 Une tram incorporée à chaque cellule photovoltaïque est montée en série sur un module qui permettra au courant électrique générer par le soleil de circuler. Dès le lever du jour, la lumière est captée par le silicium des plaquettes. C est ainsi que les électrons s animent et créent un courant électrique de tension et d intensité variable. Ce courant est ensuite redistribué à l utilisateur. 3) Fonctionnement : 3.1) Introduction : Les panneaux solaires photovoltaïques, parfois appelés photoélectriques, transforment la lumière en électricité. Ces panneaux sont donc les plus répandus mais aussi les plus complexes. Ces panneaux sont un assemblage de cellules photovoltaïques, chacune d'elles délivrant une tension de 0.5V à 0.6V. Elles sont donc assemblées pour créer des modules photovoltaïques de tension normalisée comme ici 12V. 3.2) La structure de la cellule photovoltaïque ) La structure : Une cellule photovoltaïque est composée de plusieurs couches. on trouve au centre de cette cellule, une couche avec porteurs de charges libres négative (N) en contact avec une autre couche avec porteurs de charges libres positives (P).Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d autre semi-conséléniure de cuivre et d'indiumducteurs : (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), tellurure de cadmium(cdte), etc. De part et autre du cœur de la cellule, on a une couche conductrice (K) autrement dit une grille métallique, puisqu'il faut que cette couche soit conductrice et ne subisse pas des phénomènes de corrosion. On a donc une couche qui sert de cathode (pôle +) recouvrant la couche semi-conductrice dopée N et une couche qui joue le rôle de l'anode (pôle -)en dessous la couche semi-conductrice P. Aussi le silicium est très réflecteur, on place donc un revêtement anti-réflexion sur le dessus de la cellule. Enfin on trouve une couche de verre qui protège la cellule. Ces couvertures de protections sont indispensables car la cellule est très fragile.l'épaisseur totale de la cellule est de l'ordre du millimètre. Pour finir, on relie les cellules entre elles, constituant alors le panneau solaire, afin d'obtenir une puissance suffisante. 7

8 3.2.2) Les différents types de cellules photovoltaïque : Il existe 3 types de cellules photovoltaïques, qui varient selon la qualité du silicium : - les cellules monocristallines : le rendement est très bon (15 à 22% *) mais le coût de fabrication est élevé. - les cellules poly cristallines : elles sont moins chères à fabriquer mais le rendement est un peu moins bon (10 à 13% *). - les cellules amorphes : leur coût est très faible mais le rendement l'est aussi (5 à 10% *). * Un rendement de 10% par exemple signifie que pour une puissance de 1000 W qui arriverait sur le panneau, celui-ci produirait 100 W. Mais comment la cellule photovoltaïque transforme-t-elle la lumière reçue en électricité? 3.3) Le fonctionnement : 3.3.1) L absorption : La lumière est composée de photons. Les photons sont des éléments capables de traverser la lumière et de la pénétrer. Plus généralement un rayon lumineux qui arrive sur un objet peut subir trois évènements optiques: -la réflexion: la lumière est renvoyée par la surface de l'objet. -la transmission: la lumière traverse l'objet. -l'absorption: la lumière pénètre dans l'objet et n'en ressort pas, l'énergie est alors restituée sous une autre forme. 8

9 3.3.2) Le transfert de l énergie lumineuse aux électrons : Les charges élémentaires qui vont produire le courant électrique sous illumination sont des électrons,(de charge 1.6x10-19 ) charges négatives élémentaires contenues dans la matière semiconductrice. Tout solide est en effet constitué d'atomes qui comprennent chacun un noyau et un ensemble d'électrons gravitant autour. Ce sont les électrons des couches électroniques périphériques qui vont absorber l'énergie des photons, ce qui les libères de l'attraction électrostatique (et gravitationnelle) du noyau de l'atome. L'énergie d'un photon d'un certain rayonnement est donnée par une relation simple puisqu'elle est proportionnelle à la fréquence du rayonnement utilisée. La constante universelle qui lie ces deux grandeurs est «h», la constante de Planck. La constante de Planck a pour unité la fraction d'énergie sur un temps, c'est à dire le Joule-seconde (J.s). Sa valeur, dans le système international d'unités, est h= 6, on a donc la formule E=h.f L effet photoélectrique est donc l'émission d électrons par un métal quand il est exposé à des radiations lumineuses, on doit son explication à Einstein, lui-même inspiré par Maxwell. Les électrons libérés sont en suite susceptibles de produire un courant électrique ) La collecte des charges : Prenons le cas d'une cellule photovoltaïque composée de silicium. Afin de délivrer une tension continue, ces cellules photovoltaïques doivent passer par une opération appelée le dopage Le dopage consiste à implanter des atomes correctement sélectionnés à l'intérieur d'un semiconducteur (impuretés) afin d'en contrôler les propriétés électriques. La cellule photovoltaïque possède ainsi deux couches : -une couche dopée N -une couche dopée P Dopage N: La couche supérieure est composée de silicium dopé par un élément contenant plus d électrons que lui.par exemple, dans le cas du silicium (Si), les atomes de Si ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome Si voisin par une liaison de covalence. Pour doper le silicium en N, on inclut un atome ayant cinq électrons de valence, comme ceux de la colonne V (VA) de la table périodique : le phosphore (P), l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb)... 9

10 Atome de phosphore: Cet atome incorporé dans le réseau cristallin présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Cette zone est donc dopée négativement car il y a un excès d'électron (zone N). Dopage P: La couche inférieure est composée de silicium dopé par un élément contenant moins d électrons que lui. Dans l'exemple du silicium, on inclura un atome trivalent (colonne III du tableau périodique), généralement un atome de bore. 10

11 Atome de bore Cet atome n'ayant que trois électrons de valence, il ne peut créer que trois liaisons covalentes avec ses quatre voisins créant ainsi un trou dans la structure. Cette zone est donc dopée positivement car il y a un défaut d'électron (zone P). Dopage N : Jonction P-N La mise en contact de ces deux couches met en place une jonction PN qui permet le passage des électrons d une couche à l autre. Lorsque la lumière (les photons plus particulièrement) arrive sur le module photovoltaïque, il se crée un apport d énergie qui vient arracher un électron de la couche N, qui vient ensuite se placer dans la couche P. En conséquence à cela, les charges à l intérieur de la cellule sont modifiées. Des électrodes sont placées sur les couches ; le pôle positif, la cathode, est situé au dessus de la couche N et l anode, le pôle négatif, au dessous de la couche P. Il y a création d une différence de potentiel électrique (tension) et formation d un courant électrique. 11

12 Schéma récapitulatif: 4) Quelques applications Nous allons vous montrez diverses applications du panneau solaire autre que la pose sur le toit habituelle. Les panneaux solaires commencent à être utilisés dans de simples appareils électroniques que l on peut croiser en ville, comme un Horodateur ou des feux tricolores. Il est aussi utilisé comme un simple chargeur de portable! 12

13 Il existe différentes manières de son utilisation en chargeur, il y a le chargeur simple comme sur l image au-dessus, ou on l intègre à autre chose, comme à un sac à dos. Pour des applications plus complexes, des bateaux solaires ont été créés, et ils commencent à être utilisés. Pour l instant il n y a que quelques prototypes mais c est une voie en développement qui sera sûrement très utilisés dans un futur proche. Comme vous pouvez le voir sur l image en dessous les «voiles» sont couvertes par des panneaux solaires. Cela rendra les bateaux plus autonomes. Du premier coup d œil on pourrais croire que ces deux bateaux ont leur leur rendement au maximum, cependant la réalité n est pas la méme 4.1) Angle d incidence : On peut remarquer que les panneaux solaires des deux bateaux ne possédent pas du tout la méme orientation par rapport au rayon du soleil. Par définition, on appelle l angle formé par les rayons du soleil et le plan du panneau : L angle d incidence. 13

14 L angle d incidence influe directement sur le rendement du panneau, grace a la formule suivant on peut déterminer quelle est l angle pour un rendement maximal : On appelle le rendement R et l angle d incidence α. R = sin α 100 % On en déduit qu il est necessaire d avoir un angle d incidence de 90 pour un rendement maximal c'est-à-dire à 100% : R = sin = 100 % Représentation graphique du rendement par rapport a l angle d incidence : 14

15 On en déduit que le bateaux de gauche aura une rendement supérieur a celui de droite. L angle d incidence a un impact direct sur le rendement il est donc necessaire de prende ce paramétre en compte pour l installation. En effet, ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers, dans ce dernier cas la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. En dehors de centrales solaires, les installations fixes se font actuellement plutôt sur les toits des logements ou des bâtiments, soit en intégration de toiture, soit en surimposition. Dans certains cas, on pose des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimum pour la production d'électricité, mais comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense une production plus faible. Nous savons désormais que l angle d incidence influe sur le rendement donc il influe aussi sur la rentabilité des panneaux solaires. 5) Aspect économiques : 5.1) Aides pour l installation : Depuis quelques années de nombreuses aides existent pour favoriser l installation de modules solaires chez les particuliers : - Des incitations fiscales sont accordées, soit 25% de crédit d impôt (depuis le 29 septembre 2010, avant il était au taux de 50%). - L installation est facturée avec un taux de TVA s élevant à 5.5%. - L ANAH : «L Agence National de l Amélioration de l Habitat» ; accorde des aides au maison de plus de 15 ans, de plus il faut que le matériel soit installé par une entreprise ayant le label QualiPV. 15

16 5.2) Le coût de l installation : Avant d entreprendre une installation il faut d abord savoir que le coût d une installation comprend: - Le matériel, environ 850 par tranche de 1m² produisant 130 Wc - La main d œuvre, environ 150 par tranche de 1 m² produisant 130 Wc - Le raccordement au réseau entre 500 et Les aides financières (région, département et commune).elles peuvent être de différentes natures : subventions, aides au raccordement, bonification de la production, Pour déterminer le coût d une installation nous allons prendre comme exemple une installation de 15m² de panneaux à Tourcoing.. Avec aides : Régionales et départementales Matériel : 15 m² Main d'œuvre : 15 m² Raccordement au réseau (Selon devis EDF ) 650 Bonification de la production (Nord-Pas-de-Calais) Aide au raccordement (Nord) Crédit d'impôt : 25% du matériel Apport personnel soit 58% de l'installation 5.3) Rentabilité : D après ERDF, une installation a Tourcoing de 15 m² exposé plein sud, a une production annuel de 1496 kwh. Depuis 2002 EDF qui est devenue ERDF a pour obligation de racheter l électricité produite par les installation photovoltaïques des particuliers. En mars 2011le de rachat est de : 0.46 le kwh. Pour calculer la rentabilité d une installation, il faut d abord calculer le revenue annuel de celle-ci : 16

17 Revenue annuel = (Production annuel) (Prix de rachat) (taxe annuel d accès au réseau) = ( ) = L installation sera rentable au bout de : = = 14 ans Dans la région du Nord, le photovoltaïque est de moins en moins rentable, du fait de la baisse du cout de rachat de l électricité par ERDF mais aussi a cause de la diminution du crédit, qui est passé de 50% a 25% en septembre Sachant que la durée de vie d un panneau solaire est de 25 ans, une installation sera rentable pendant 56% de sa vie. 6) Cas d étude et expérience : 6.1) Cas d étude : Problématique : Combien de panneaux solaires faut-il pour couvrir le besoin d une famille de 4 personnes dans la région Lilloise? Nous disposons d un panneau solaire en classe possédant les caractéristiques suivantes : - U = 12 V - R = 12 W On peut donc en déduire que ce panneau solaire possède une intensité maxi ( c'est-à-dire en plein soleil ) de : I = 1 A. Alors en une heure la quantité d énergie délivrée sera de 1 Ah. Après une recherche poussée, nous avons trouvé qu une famille de 4 personnes a un besoin énergétique de 6500 kwh par an c'est-à-dire kwh par jour. On doit maintenant convertir ce besoin pour pouvoir l exploiter : Sachant que le panneau solaire a une intensité de 1 Ah il faudra donc 80 panneaux pour une famille de 4 personnes. 17

18 Mais on sait que le soleil n est pas toujours présent, il faut donc chercher le temps d ensoleillement de notre région, d après météo France nous disposons d environ 1750 Heures de soleil par an. Donc le panneau solaire va pouvoir founir sa puissance maximum 1750 h par an, or il y a 8640 h dans l année. Calculons le taux de proportionalité entre ces deux temps : D après notre dernier résultat il ne faudra plus 80 panneaux solaires mais : = 392 panneaux solaires. Pour pouvoir avoir une idée de la surface que prendrait ces 392 panneaux nous avons calculé l aire d un panneau et l avons multiplié par le nombre de panneaux total, nous avons trouvé que cette surface est égale à 52 m². Conclusion : Pour couvrir les besoins énergétiques moyens d une famille de 4 personnes il est nécessaire d avoir 392 panneaux solaires, cela représente en terme de surface la classe dans laquelle nous allons/avons présenté notre TPE. 6.2) Expérience Le but de cette expérience et d'à partir d'une série de mesure effectuée sur notre panneau solaire 12V et de l'aide du logiciel Labview de créer une station de mesure et d'observation en temps réel. Tout d'abord le but du jeu est de mesurer l'intensité et la tension produite par le panneau solaire en fonction de différentes résistances et d'une variation de luminosité dans un circuit fermé. Le panneau solaire de 12 V sera donc placer a une distance variable d'un spot lumineux de puissance 5000W. Le panneau solaire aura un Angle d'inclinaison de 45 18

19 Schéma récapitulatif : Le circuit comprendra un ampèremètre, un voltmètre et une résistance dont la valeur variera. Le tout sera relier au panneau solaire, On aura pris le soin auparavant de mesurer la luminosité reçue par le panneau solaire. Nous avons pris la décision de faire les mesures a trois luminosité différente. Voici trois tableaux différents avec le report de nos mesures: 19

20 Cas n 1 Resistance (ohm) I (ma) U (V) Aucune resistance ,1 16, ,65 16, ,13 15, ,8 15, ,12 14, ,79 13, ,7 11, ,32 8, ,52 5, ,8 2,76 pont 25 0 Le panneau solaire se situe à 1 mètre du spot la luminosité reçu par le panneau est ainsi de 2210(4klux) Cas n 2 : Resistance I(mA) U(V) Aucune résistance 0 16, ,2 14, ,6 14, ,52 13, , ,7 12, ,4 9, ,7 7, ,8 5, , ,18 1,8 pont 16,2 0 Le panneau solaire se situe a 1 mètre 50 du spot la luminosité reçue par le panneau est ainsi de 1320(4Klux) 20

21 Cas n 3 Resistance I(mA) U(V) Aucune résistance 0 15, ,4 13, ,4 12, ,7 11, ,3 10, ,9 9, , ,28 5, ,4 3, ,5 2, ,7 1,3 pont 11,9 0 le panneau solaire se situe a 2 mètre du spot la luminosité reçue par le panneau est ainsi de 920(4Klux) Avec ces mesures nous réalisons une courbe de la luminosité en fonction de la résistance. Nous assimilons cette courbe à une droite de fonction f(x)=ax+b. Nous calculons le coefficient directeur a et l ordonné à l origine b. Ainsi nous obtenons l équation de cette droite, à l aide de ce résultat nous réalisons une base d observation à l aide du logiciel Labview. Cette base d observation nous permettra d avoir en temps réel la luminosité reçue par le panneau solaire. 21

22 7) Recyclage 7.1) Préambule : Après de nombreuses recherches laborieuses nous sommes tombés sur l association PV Cycle, qui est la seul association recyclant les panneaux solaires en Europe. Nous nous sommes donc basés sur cette association pour développer cette partie. 7.2) Introduction : PV CYCLE est une association Européenne, sans visée lucrative, fondée en 2007 par des fabricants, des industriels travaillant sur les panneaux solaires photovoltaïques. Ses premiers bureaux ont été établis en avril 2008 à Bruxelles. Elle a pour but de collecter et de recycler les panneaux solaires en fin de vie. Aujourd hui cette association représente près de 90% des panneaux commercialisés. Son slogan: «European association for voluntary take back and recycling of photovoltaic modules» : Association Européenne de collecte et de recyclage de module photovoltaïques. 7.3) Constitution de PV Cycle : L association PV Cycle regroupe de nos jours plus de 120 membres, a ses début en 2007 elle regroupé moins de 10 membre, elle est composée : - De Fabricants - D importateurs - De sous-traitant - D instituts de recherches - D installateurs de panneaux - D entrepreneurs d installation électriques Quelques membres de PV Cycle : PV Cycle encourage les fabricants, les importateurs à rejoindre l association grâce a une vaste campagne d information et aussi par des subventions accorder aux adhérents. 7.4) Missions : 22

23 PV Cycle a pour mission de collecter les panneaux solaire arrivé en fin de vie, plusieurs lieux de collecte existe (le plus proche étant a Namur). Après avoir été collecté les panneaux sont transportés jusqu'à l usine de recyclage qui se trouve en Allemagne ) Le recyclage : Tout d abord il faut savoir que les modules solaires sont composés principalement de 5 parties : - Le cadre en aluminium - Le verre - Les cellules - Le plastique - Les connexions en cuivre Eléments organiques Les panneaux solaires sont d abord désossé pour ensuite subir un traitement thermique qui permet de séparé les différentes partie, grâce a ça chaque élément est disposé d en un bac pour ensuite être recyclé séparément. 23

24 7.5) Quelques chiffres : Un panneau solaire photovoltaïque a une durée de vie d environ 25 ans Il est rentable écologiquement parlant au bout de 4 ans, c'est-à-dire qu il aura produit l énergie nécessaire a sa fabrication et a son transport. En moyenne, un système photovoltaïque va produire de l électricité sans aucune pollution pendant 80 % de sa vie. De nos jours plus de toits sont équipés de panneaux solaires en Europe. Le marché du photovoltaïques français a connu une croissance de plus de 122 % entre 2005 et ) Conclusion : Notre problématique était : «Quelles sont les différentes étapes de la vie d un panneau solaire photovoltaïque?». Après ce T.P.E, nous pouvons affirmer, que la vie du panneau solaire se décompose en 3 étapes : - La fabrication - L utilisation - Le recyclage Nous avons maintenant la possibilité de porter un jugement sur ce système. En effet, le paramètre d éco-conception n as pas était pris en compte dés le début, par conséquent le recyclage est sous développé ce qui est anormal pour un produit se voulant «Ecologique». Par ailleurs, on remarquera que la France connait ses limites dans son soutient au développement du panneau solaire. Effectivement le crédit pour le photovoltaïque est passé de 50% à 25% depuis septembre 2010 et le tarif de rachat de l électricité par EDF mis en place par le gouvernement en 2002 ne cesse de diminuer. En sachant que ces deux critères sont la base de la rentabilité du panneau solaire. On peut en conclure que le panneau solaire présente de moins en moins d intérêt économique. 24