Animateurs de la formation

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1 FNEBTP / CSNER F O R M A T I O N : I N S T A L L A T I O N & M A I N T E N A C E D E S S Y S T È M E S P V Animateurs de la formation Rachid El Mokni Ingénieur rachid@khadamet.net Néji AMAIMIA Ingénieur en Chef en Energie neji.amaimia@action.com.tn Formation sur les Systèmes Photovoltaïques

2 : "phos,photos" : mot grec qui désigne la lumière, "voltaïque", mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA, connu pour ses travaux sur l électricité. Lorsque les photons frappent certains semiconducteurs, ils délogent et mettent en mouvement les électrons des atomes de ces matériaux, or le courant électrique n'est rien d'autre qu'un mouvement d'électrons. désigne l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque

3 1839 : Découvre de l effet photovoltaïque par le physicien français Edmond Becquerel : Werner Von Siemens expose devant l Académie des Sciences de Berlin un article sur l effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. 1954: Trois chercheurs américains mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l industrie spatiale naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l espace : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l Université de Delaware : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distancede4000kmenaustralie. Années 80 : Exploitation des systèmes PV pour l électrification et le pompage d eau dans les zones isolées. Fin des années 90 : Exploitation du PV pour la production de l électricité injectée au réseau 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.

4 Conversion directe de la lumière du soleil en électricité propre. Matériaux semi-conducteurs Silicium, Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid, Cuivre-Indium- Diséléniure Part de marché Si 2006: 92% Lorsqu un matériau (semi conducteur) est exposé à la lumière du soleil, les atomes exposés au rayonnement sont " bombardés " par les photons constituant la lumière. Sous l action de ce bombardement, les électrons auront l énergie nécessaire pour franchir le GAP: les électrons sont décrochés des couches de valence pour se retrouver dans la couche de conduction. Les électrons " décrochés " créent une tension électrique continue faible. Une partie de l énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée en énergie électrique : c est l effet photovoltaïque. Le matériau semi-conducteur le plus communément utilisé dans les cellules photovoltaïques est le silicium, présent en grande quantité dans le sable.

5 semiconducteur du type p semiconducteur du type n Trou Électron Montage de l`impureté de manière ciblée (silicium dopé) Atomes avec plus (phosphore) ou avec moins d électrons (bore) Électrons libres en excès

6 Zone p Zone de charge d espace Zone n Diffusion Espaces libres Électrons libres

7 Principe de fonctionnement d une cellule cristalline Électrode négative Silicium dopé n Électrode positive Couche limite Silicium dopé p

8 Types de cellules solaires

9 Silicium Monocristallin

10 Cellules de Silicium Polycristallin Wafer sans et avec de couche antireflet

11 Couche antireflet Couche AR de siliciumnitride ou titandioxide ainsi teinte de bleu foncé à noir (à l origine gris) Formation des nuances (installations au fassade) Réduction du degré d efficacité

12 Panneaux photovoltaïques Cellules cristallins connectées en série Branchement externe en série

13 Modules flexibles en rouleau : multi- junction, à couche mince, type Uni-Solar

14 Structure d une cellule cuivre-indium-diselenid(cis) 1 : ZnO, 2 : CdS, 3 : CIS, 4 : Contact arrière métallique, 5 : verre

15 Cellule à triple jonction: chaque couche est desservie par une bande spectrale différente Lumière à ondes longues... à ondes moyennes... à ondes courtes 1 : TCO, 2 : couche absorbante dans le bleu, 3 : couche absorbante dans le vert, 4 : couche absorbante dans le rouge, 5 : couche réfléchissante, 6 : substrat

16 Coupe d un module verre-verre 1 : verre face et arrière, 2 : protection par EVA, 3 : cellules cristallines

17 Coupe d un module avec cadre 1 : cadre en aluminium, 2 : joint d étanchéité, 3 : verre, 4 : support EVA, 5 : cellule cristalline, 6 : film Tedlar

18 Cellules solaires Courante et tension caractéristiques d une diode passage direction gonfler une tension bloquer une direction percée tension

19 Cellules solaires Schéma équivalent et caractéristique d une cellule sans soleil gonfler une tension percée tension

20 Cellules solaires Schéma équivalent et caractéristique d une cellule ensoleillé Caractéristique diode Caractéristique Cellule solaire

21 Cellules solaires Schema equivalent elargi d une cellule solaire

22 C est la tension maximale aux bornes delacelluleàcourantnul Elle est fonction des caractéristiques de la jonction électronique et des matériaux. Pour une cellule donnée, elle ne varie presque pas avec l'intensité lumineuse, au moins pour des éclairements supérieurs à 100 W / m2 (ce qui correspond au rayonnement solaire sur terre d une journée très couverte). On obtient cette tension en branchant directement un voltmètre aux bornes de la cellule.

23 Il correspond au courant maximum circulant dans la cellule à tension nulle Il est directement proportionnel à l'énergie rayonnante reçue, c'est-à-dire à l'éclairement G (W / m²), à la température ambiante, à la vitesse de circulation de l'air ambiant. Il est varie également en fonction de la surface de la cellule. On obtient sa valeur en branchant un ampèremètre aux bornes de la cellule.

24 Courbe caractéristique d une cellule cristalline Maximum Power Point - MPP Courant de court-circuit Courant de cellule en Ampère Puissance de cellule en Watt Tension à vide Tension de cellule en Volt

25 Diagramme courant-tension d une cellule solaire de silicium Point de la Puissance Maximale de la cellule dans le diagramme courant-tension (maximum I et U) non-constant, dépendant de l intensité de l ensoleillement, de la température et du type de la cellule solaire. Point MPP cellules d'électricité en ampères cellules performance en watts cellules tension en volts

26 la puissance électrique P (W) disponible aux bornes d'une cellule PV est égale au produit du courant continu fourniiparunetensioncontinuedonnéev:p=uxi Une cellule PV possède un point pour lequel sa puissance débitée est maximum. Ce point est tangent à une courbe d iso- puissance. On la nomme Pmax. Pour une cellule solaire idéale (sans pertes), la puissance maximum Pmax idéale correspondrait donc à la tension de circuit ouvert VCO multipliée par le courant de court-circuit ICC. En pratique, la courbe caractéristique d'une cellule PV est plus "arrondie", et la tension au point de puissance maximum VPmax est inférieure à la tension de circuit ouvert VCO, de même que le courant fourni IPmax est inférieur, pour cette même tension, au courant de court-circuit ICC. C est l effet des résistances internes série et parallèle.

27 La puissance crête d'une photopile, notée Wc (Watt crête) ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique maximum délivrée dans les conditions suivantes, dites Conditions Standard de Test(STC): Eclairementsolairede1000W/m2 (correspondantàpeu près à une exposition perpendiculaire aux rayons du soleil à midi par temps clair d'été); TempératuredelacellulePVégaleà+25 C. Répartition spectrale du rayonnement dit AM=1,5 (correspondant au rayonnement solaire parvenant au sol aprèsavoirtraverséuneatmosphèredemasse1à45 );

28 On appelle facteur de forme le rapport entre: la puissance maximum fournie par la cellule Pmax, dans des conditions d'éclairement, de température et de vitesse de circulation de l air ambiant donnés, et le produit du courant de court-circuit ICC par la tension de circuit ouvert VCO (c est à dire la puissance maximale d une cellule idéale). f = V CO P max I CC avec f : facteur de forme P max (W): Puissance mesurée aux bornes de la cellule PV. V CO (V),: Tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV. I CC (A) : Intensité de court - circuit mesurée aux bornes de la cellule PV Le facteur de forme f est de l ordre de 70% pour une cellule de fabrication industrielle.

29 L énergie électrique produite par une cellule photovoltaïque dépend de l'éclairement qu'elle reçoit sur sa surface. La tension Vmax correspondant à la puissance maximale ne varie que très peu en fonction de l'éclairement, contrairement au courant Imax qui augmente fortement avec l'éclairement.

30 Tension en circuit ouvert et courant de court circuit en fonction de l ensoleillement Tension de Circuit Ouvert Courant de Court-Circuit Rayonement

31 -L influence de la température est importante. -La température est un paramètre essentiel puisque les cellules sont exposées aux rayonnements solaires, susceptibles de les échauffer. -De plus, une partie du rayonnement absorbé n est pas convertie en énergie électrique : elle se dissipe sous forme de chaleur ; c est pourquoi la température de la cellule (Tc) est toujours plus élevée que la température ambiante (Ta): -La tension d une cellule baisse fortement avec la température. Plus la température augmente et moins la cellule est performante. -En revanche, le courant augmente légèrement en intensité : cette augmentation reste néanmoins négligeable au point de puissance maximale.

32 Le rendement énergétique (η) d une cellule est défini par le rapport entre la puissance maximale (Pm) et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la cellule photovoltaïque : avec : η : rendement énergétique ; E : éclairement (W/m2) ; S : surface acmve de la cellule (m2) ; Pm : puissance maximale mesurée dans les condimons de référence (STC : Standard Test Condition), c est-à-dire sous l ensoleillement de W/m2, à la température de 25 C sous un spectre AM 1,5.

33 Courant (A) Tension (V) Diagramme (courant-tension) de 3 cellules PV montées en série

34 Courant (A) Tension (V) Diagramme (courant-tension ) de trois cellules PV montées en parallèle

35 Cellulessolaires Diagrammes de cellules solaires Cellules cristallines et amorphes en comparaison Courant en Ampères Tension en Volts

36 Effet de la température: -0,4% / C de la puissance max en cristallin.,-0,2% / C en silicium amorphe. En conditions réelles à 60 C, le silicium amorphe fournit environ 10% d énergie supplémentaire par rapport au cristallin. Sensibilité en cas de faible luminosité: Supérieure en silicium amorphe pour des valeurs de luminosité inférieures à 200W/m² Fonctionnement par temps couvert :La lumière par temps couvert est plus diffuse et plus riche en longueurs d ondes bleues entre 400nm et 500nm. La sensibilité en silicium amorphe est meilleure dans cette partie du spectre. Stabilité en température :En silicium amorphe, la puissance de sortie varie dans le temps. En début de vie, la puissance délivrée est de 15 à 20% supérieure à la valeur nominale et se stabilise après quelques mois. Ombrage partiel : en Silicium amorphe, seule la zone ombragée est affectée. En technologie cristalline, le rendement global d un module est donné par la cellule la plus faible. L ombrage partiel affecte donc la performance de l ensemble du module.

37 Epaisseur en micro-mètre Matière première kg/kwp Energie nécessaire MWh/kWp

38 Les points à retenir - La cellule PV convertis la lumière en électricité - Le courant et la tension d une cellule PV et du type Continu - Point de la Puissance Maximale (MPP) - Pmax = Vmax X Imax - Vco : C est la tension maximale aux bornes de la cellule à courant nul - Icc : C est le courant maximum circulant dans la cellule à tension nulle - Wc ou Wp aux STC (1000W/m², 25 C, AM=1,5) - Influence de l ensoleillement sur le courant Es I, Es I La tension reste inchangée - Influence de la température sur la tension T V, T V sur le courant l influence est minime T I, T I - Le Montage en série additionne les tensions - Le Montage en parallèle additionne les courants - FF (facteur de forme) = Pmax/(Vco X Icc) -η : rendement énergétique = Pmax/(E x S)