PhotoVoltaïque

Cette page a été écrite en novembre 1996, il se peut qu'elle date un peu aujourd'hui, mais le principe reste le même.

Définition des unités utilisées :

eV = électron Volt (unité d'énergie en J)

J = Joules

J.s = Joules-secondes

m/s = mètres par secondes (unité de vitesse)

s = secondes

mm = micro mètre (pour les longueurs d'onde)

W = Watt

Constantes et grandeurs utilisées :

c = 2,9972458.108 m/s = vitesse de la lumière dans le vide

eV = 1,602 177 33.10-19 J = électron Volt

h = 6,626 075 5.10-34 J.s = constante de Planck

λ = longueur d'onde (en micromètre)

Sommaire de la page

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1. Introduction

Suite aux problèmes rencontrés par notre civilisation actuelle avec les énergies fossiles (pollution, changements atmosphériques et à terme épuisement de la matière première), l'on commence à s'intéresser aux énergies de substitution dites renouvelables, comme la biomasse, l'énergie solaire et éolienne, l'hydraulique, les marées, la géothermie, et bien d'autres encore.

Dans ce rapport, nous nous intéresserons à l'énergie solaire, et tout particulièrement aux cellules photovoltaïques, qui transforment l'énergie lumineuse en courant électrique. En effet, il existe aussi les panneaux solaires (chauffe eau solaire) et le solaire passif (planchers solaires, serres, ...) qui utilisent différemment l'énergie solaire.

Il est à noter que le vocable panneaux solaires, terme communément employé par le grand public pour désigner les cellules photovoltaïques, désigne en fait le chauffe-eau solaire.

Les énergies renouvelables sont communément appelées énergies nouvelles. Il est vrai que les cellules photovoltaïques sont utilisées seulement depuis les années 50 pour l'alimentation des satellites dans l'espace et depuis les années 1970 pour les applications terrestres (suite à la crise pétrolière). L'utilisation des cellules photovoltaïques ne s'est d'ailleurs jamais réellement envolée, et reste encore confidentielle, bien que depuis quelques années on puisse pressentir un réel démarrage du marché.

Les cellules photovoltaïques servent donc à générer de l'électricité à partir de l'énergie lumineuse. Elles sont utilisées dans les applications isolées, comme les pompages d'eau en Afrique ou les satellites dans l'espace. Avec l'augmentation de la vente des cellules photovoltaïques et donc la baisse des coûts, elles deviennent aussi compétitives pour les maisons isolées, ou éloignées de plusieurs kilomètres d'une ligne EDF. Mais on rencontre aussi des maisons reliées à EDF qui possèdent quand même des cellules photovoltaïques pour diminuer la facture EDF. Ces systèmes s'amortissent sur quelques années. Le champ d'application des cellules photovoltaïques augmente donc progressivement en fonction des avancées technologiques sur le sujet.

La filière photovoltaïque n'est pas apte à résoudre tous nos problèmes actuels et à remplacer les filières d'énergie traditionnelles. En effet, l'énergie récupérée est trop faible et le coût du kWh reste supérieur aux autres filières. Seul un changement des mentalités et une consommation modérée d'énergie peut permettre l'utilisation du photovoltaïque.

Dans ce rapport, nous verrons tout d'abord les principe de fonctionnement des cellules, les différents matériaux utilisés, les caractéristiques électriques des cellules et les systèmes permettant l'utilisation et le stockage du courant généré. Nous traiterons aussi des différents domaines d'application, actuels et futurs. Nous étudierons ensuite différents exemples d'installation et les calculs de puissance associés, ainsi que la pertinence de cette installation en la comparant avec d'autres solutions énergétiques.

2. Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque

2.1. Terminologie

Une cellule photovoltaïque est tout bonnement une diode, dite photodiode, qui sous éclairement génère un courant électrique continu. Ce courant est appelé photocourant.

L'élément de base est la cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont associées dans un module (plus petite surface de captation transportable). Les modules sont groupés en panneaux photovoltaïques, eux-mêmes associées en champ photovoltaïque (association de plusieurs panneaux, sur un toit par exemple).

Le terme générateur photovoltaïque s'applique à l'ensemble producteur d'énergie en amont des charges (appareils électriques utilisant un courant électrique), c'est à dire le champ photovoltaïque, le stockage d'énergie (batteries principalement), l'électronique de gestion et l'onduleur (conversion du courant continu en courant alternatif secteur) si nécessaire.

2.2. L'origine de l'énergie: le rayonnement solaire

La lumière peut être vue soit comme un flux continu de particules (les photons), chaque couleur étant caractérisée par l'énergie contenue dans les photons correspondants à cette couleur.

La lumière peut aussi être vue comme une onde électro-magnétique (à chaque couleur correspond alors une fréquence précise). Pour caractériser ces ondes, on mesure leur fréquence (nombre de fois où l'on enregistre un pic d'intensité lumineuse dans une seconde), ou plutôt leur longueur d'onde (distance entre chaque pic d'intensité lumineuse, sachant qu'entre ces deux points l'onde se déplace à la vitesse de la lumière).

Lors de l'étude des cellules photovoltaïques, on utilisera indifféremment la notion d'onde pour repèrer de quelle couleur (la longueur d'onde) on parle, et de l'aspect particulaire pour expliquer le transfert d'énergie entre le photon et la cellule photovoltaïque.

Un rayonnement (comme la lumière blanche solaire, ou encore la lumière jaune des phares de voiture) est constitué de plusieurs couleurs, ces couleurs correspondant chacune à une longueur d'onde λ (en mm).

A une longueur d'onde peut être associée un photon, l'énergie de ce photon étant :

Eph (eV ou J) = h.ν

avec h la constante de Planck (h=6,62.10-34 J.s)

ν la fréquence en Hz (1/s) de l'onde lumineuse, mais on préfère parler en terme de longueur d'onde.

Eph est donc l'énergie apportée par un seul photon.

ν est reliée à la longueur d'onde λ par la formule suivante (les unités en mètres s'annulent) :

ν (Hz ou 1/s)= c (mm/s) / λ (mm)

avec c la célérité de la lumière

La longueur d'onde est donc la distance parcourue par l'onde pendant le temps d'une période de l'onde.

Plus la longueur d'onde augmente, et plus la fréquence et l'énergie du photon diminuent.

Fig. 1 : Longueurs d'ondes en fonction de la couleur

Au niveau du sol, et à cause de l'atmosphère, cette amplitude et cette distribution spectrale peuvent varier. La cellule photovoltaïque n'est sensible que dans un domaine bien précis de longueur d'onde. C'est pourquoi on à définit un spectre standard dit de référence au niveau international, pour une couche atmosphérique de référence. Ce spectre indique quelles sont les longueurs d'ondes reçues au niveau du sol (une partie des longueurs d'ondes émises par le soleil est arrêtée par l'atmosphère terrestre, ce qui explique que l'on voit le soleil jaune au lieu de le voir blanc).

Pour une tranche de longueur d'onde, on définit l'irradiance spectrale en W/m²/mm² (puissance associée au rayonnement par tranche de longueur d'onde et par unité de surface).

On a définit pour le spectre de référence une irradiance de référence, qui intègre toutes les longueurs d'onde du spectre. Elle est de 1 kW/m².

Nous savons donc quelle sera la puissance reçue par une cellule photovoltaïque en fonction de la longueur d'onde absorbée par cette cellule. La puissance maximale reçue se situe dans les longueurs d'ondes allant de 0.4 à 0.9 mm.

2.3. Comment le semiconducteur transforme l'énergie solaire en énergie électrique

Dans un atome isolé, les électrons ne peuvent avoir n'importe quel énergie autour du noyau et se distribuent sur des niveaux énergétiques définis par les règles de la mécanique quantique. Quand les atomes sont rassemblés pour former un solide, les niveaux énergétiques de chaque électrons forment des bandes d'énergies. L'électrons peut ainsi se trouver dans les bandes d'énergies permises (B.P.) mais ne peut avoir une énergie correspondant à une bande d'énergie interdite (B.I. ou "gap"). L'alternance des B.P. et B.I. dans un semiconducteur est donné par la figure 2.

L'énergie des électrons dans le matériau est portée par l'axe vertical, l'origine étant prise arbitrairement au niveau du vide E0 (l'électron ayant cette énergie peut sortir du solide).

Les valeurs les plus négatives de l'énergie correspondent aux électrons les plus "liés". Les "largeurs" énergétiques de ces bandes sont exprimées en eV. Les B.P. forment le volume probabilité de présence de l'électron. Toutes les B.P. ne sont pas entièrement remplies d'électrons, et la zone hachurée correspond au niveau énergétique effectivement occupé par les électrons à basse température. La température modifie cette distribution des électrons dans les bandes d'énergies.

Fig. 2 : Niveaux d'énergie d'un semiconducteur (ex:Silicium)

Quand un photon interagit avec un électron, il lui transfert intégralement son énergie si le niveau énergétique final de l'électron est autorisé et libre. C'est la transition électronique. Ainsi, dans un semiconducteur, un photon pourra être absorbé si son énergie Eph est supérieure à Eg (largeur de la bande interdite). Cela correspond à la transition 1 sur la figure ci-dessus. Pour le Silicium, dont Eg est de 1.12 eV, toute les longueurs d'ondes λ inférieures à 1.1 mm pourront fournir de l'énergie à un électron de la bande de valence.

Après absorption de l'énergie du photon, l'électron aura une énergie située dans la bande de conduction du matériau. Si Eph est supérieure à Eg, l'excès d'énergie est immédiatement perdu par thermalisation (transition the ). Cela se traduit par un dégagement de chaleur.

La transition électronique 1 à généré deux types de porteurs de charges:

- des électrons libres dans le Silicium, qui ont une énergie dans la bande de conduction.

- Des lacunes dans la bande de valence, qui sont appelées trous. C'est ce que l'on appelle la paire électron-trou. L'électron et le trou peuvent se déplacer dans le matériau.

Si la transition électronique concerne un électron du milieu de la bande de valence (transition 2), le trou subit lui aussi une thermalisation (transition tht ). Pour effectuer une transition électronique des électrons du milieu de la bande de valence, il faut donc des photons avec une énergie Eph supérieure à Eg + tht.

2.4. Zone "utile" du spectre solaire

Ainsi, si Eph g, le photon n'est pas absorbé et le semiconducteur est dit transparent pour cette longueur d'onde. Ne sont donc absorbées que les longueurs d'ondes λ inférieures à 1,1 mm.

Si par contre l'énergie du photon est trop forte, l'excédent est perdu par thermalisation, ce qui fait que l'énergie récupérée par le semiconducteur pour les longueurs d'ondes inférieures à 1,1 mm sera toujours la même, quelque soit l'énergie réelle du photon.

Enfin, pour les longueurs d'ondes du spectre solaire pouvant interagir avec le semiconducteur, les plus petites longueurs d'ondes sont absorbées près de la surface du matériau, générant donc des paires électron-trou qui, en raison des défauts présents à la surface du Silicium, se recombinent rapidement, ne permettant donc pas leur exploitation.

La réponse de la cellule photovoltaïque se limite au domaine 0,4 mm -1,1 mm, ce qui constitue la zone "utile du spectre solaire". De plus, dans cette zone, seule une puissance d'à peu près 700 W/m²/mm² est extraite.

Il convient d'absorber au mieux le rayonnement incident. Pour éviter les effets de réflexivité (le Silicium poli reflète 40% du rayonnement incident), on utilise des couches antireflet, et la texturisation (création de micropyramides par attaque chimique de la surface du Silicium). Une texturisation suivie d'un dépôt antireflet limite à 3 ou 4% le coefficient de réflexivité de la surface pour les longueurs d'ondes du spectre "utile".

2.5. Collecte des paires électron-trou pour générer le courant

Comme nous l'avons dit précédemment, la cellule photovoltaïque est une diode.

Rappels sur la structure des diodes:

-Le matériau d'une diode est un semi-conducteur, appartenant la colonne IV (carbone, silicium,... avec 4 électrons de valence) ou un composé mixte d'éléments des colonnes III et V.

-Le matériau le plus utilisé comme semiconducteur est le Silicium. Le Silicium est "dopé" (on y incorpore des impuretés) d'un côté avec des éléments de la colonne V (5 électrons de valence), c'est le côté appelé N, de l'autre côté avec des composés de la colonne III (3 électrons de valence), c'est le coté P.

-Le côté N est donc porteur d'électrons supplémentaires, et le côté P est porteur d'un manque d'électrons, que nous avons appelé trous.

L'association des deux côtés conduit a ce que l'on appelle une jonction P-N. Cette jonction créé dans la zone de contact des deux côtés de la diode un champ électrique allant du côté N vers le côté P. Tout porteur (électron ou trou) ayant pu diffuser jusqu'à cette zone de champ sera drainé préférentiellement d'un côté ou de l'autre.

Cette structure de collecte permet d'éviter la recombinaison des paires électron-trou.

La position de la zone de champ va jouer un rôle sur la sensibilité spectrale de la cellule, car ce sont les paires électron-trou générées près de la zone de champ qui ont le plus de chance d'être collectées.

Fig3 : Jonction PN

Si la jonction est près de la surface, la cellule sera efficace pour convertir les faibles longueurs d'ondes (qui pénètrent peu profondément dans le matériau).

Pour l'espace, où il y a beaucoup d'ultraviolet, la jonction est près de la surface. La jonction P-N est à environ 0,3 mm de la surface.

2.6. Génération du photocourant

Deux électrodes sont placées de part et d'autre de la plaquette de Silicium. Celle de la face avant est la plus fine possible, afin de ne pas occulter la surface de la plaquette recevant le rayonnement tout en étant assez large pour assurer un bon contact électrique. L'électrode de dessous recouvre la totalité de la face non exposée de la plaquette.

Si les deux électrodes sont reliées par un fil, les E drainés vers la zone N vont rejoindre les trous de la zone P par ce fil. Ce courant est appelé courant de court-circuit Icc. Il correspond au photocourant Iph généré par le rayonnement, et il est proportionnel au nombre de porteurs drainés par unité de temps, donc à l'irradiance du rayonnement incident.

Si la cellule est laissée en circuit ouvert sous illumination, les porteurs générés par le rayonnement vont s'accumuler de part et d'autre de la jonction sous l'effet du champ électrique. On obtient alors une autopolarisation de la jonction, le (+) du côté P et le (-) du coté N, dans le sens passant de la diode. La tension mesurée entre les diodes est la tension de circuit ouvert Vco.

Fig. 4 : Définition de Icc et Vco

3. Les matériaux utilisés et la technologie des modules

3.1. Les différentes filières du Silicium

La plupart des cellules actuelles utilisent le Silicium comme matériau semiconducteur. Ce Silicium provient de l'industrie électronique qui obtient le Silicium de qualité électronique par purification du Silicium trouvé en abondance dans la nature. C'est le déchet de cette industrie qui est utilisé.

Le meilleur type de Si est le Silicium monocristallin. Le rendement des cellules est de 12 à 18%. Mais c'est aussi le plus cher.

Le plus utilisé est le Silicium polycristallin, moins pur mais moins cher que le monocristallin. Son rendement est aux alentours des 10%.

Le Silicium amorphe. Il ne présente que peu de qualités, mis à part le fait de son utilisation en couches minces.

Afin de remédier au manque attendu de Silicium de qualité électronique dans les prochaines années (dû à une diminution des déchets de l'industrie électronique), la plupart des fabricants de cellule explorent la voie de la technologie en couche mince (couche de Silicium de 20 à 30 mm contre 300 mm actuellement).

Cette technologie de la couche mince fait principalement appel à: techniques sous vide, réactions chimiques en phase vapeur, ...

On trouvera en annexe 1 la méthode de fabrication par Photowatt pour fabriquer ses cellules photovoltaïques.

3.2. Les autres matériaux

L'arséniure de Gallium. C'est le meilleur mais le plus difficile à obtenir. De nombreuses recherches sont en cours sur plusieurs autres matériaux.

3.3. L'association de cellules photovoltaïques : le module photovoltaïque

On ne groupe en série et en parallèle que des cellules de même type, car respectivement le courant ou la tension sont les même pour toutes les cellules. Les modules sont constitués par des cellules reliées entre elles, en série ou en parallèle.

On observe toujours un déséquilibre dans un groupement de cellules, dû au fait que toutes les cellules n'ont pas exactement les mêmes caractéristiques. Certaines cellules peuvent alors être amenées à travailler en récepteur électrique au lieu de délivrer de l'énergie, ce qui peut provoquer un échauffement et des dégradations. On insère alors des diodes séries pour protéger un groupe de cellules photovoltaïques. Ces diodes ne servent donc pas à éviter que la nuit les batteries ne se déchargent dans les cellules (la perte d'énergie due aux diodes est supérieure à celle du courant de fuite provoqué par ce déchargement des batteries dans les cellules s'il n'y avait pas les diodes).

Le module est encapsulé afin de maintenir les cellules dans une structure solide et de les protéger de la corrosion. Le matériau d'encapsulation doit aussi permettre d'assurer l'équilibre thermique La solution la plus courante est celle de plaque de verres des deux côtés du module, bien que cela conduise à un alourdissement du module. Les cellules en elles-mêmes sont enrobées d'E.V.A.

3.4. Les cellules arc-en-ciel (ou multispectrales)

On superpose des cellules de GAP différents. Ainsi, la première cellule recevra les faibles longueurs d'onde, donc aura un gap élevé, mais sera transparente aux longueurs d'onde plus élevés, qui seront alors absorbées par la cellule du dessous, qui aura un GAP plus réduit, et ainsi de suite le long du spectre solaire utile. Chaque cellule travaille donc en monochromatique (n'absorbe qu'une partie du spectre solaire).

Cette technique pose encore des problèmes technologiques, mais on estime que prochainement le rendement atteint par ce type de cellules sera de 50%.

3.5. Les systèmes à concentrateur

En partant du principe que ce qui est cher dans un système photovoltaïque, ce sont les cellules, on place sur la même surface de captation non pas des modules mais des miroirs qui reflètent la lumière sur une surface réduite de cellules photovoltaïques. On abaisse ainsi le coût de l'installation.

Il est à noter que les concentrateurs doivent pouvoir être orientables pour suivre le soleil dans sa course et toujours diriger les rayons sur les capteurs PV.

3.6. Les systèmes tournesol

Pour profiter au maximum du soleil, les tournesols suivent le soleil dans sa course en positionnant sa fleur de façon que la lumière arrive dessus perpendiculairement. C'est la même idée qui est appliquée pour les pv. Malgré le traitement de surface visant à supprimer ce problème, plus la lumière arrivera sur la cellule avec un angle faible, et plus la lumière sera réfléchie sans servir à la conversion d'énergie.

En utilisant un moteur pas à pas qui au long de la journée fait bouger le panneau autour d'un axe, les cellules sont toujours orientées idéalement pour recevoir une lumière la plus directe possible.

Pour tenir compte des saisons, on peut rajouter un deuxième moteur pour tenir de l'azimuth bas en hiver et haut en été, mais comme ces phénomènes s'étalent sur une année on peut régler manuellement cette inclinaison tous les mois.

4. Caractéristiques électriques d'une cellule photovoltaïque

4.1. Caractéristique I=f(V) d'une cellule photovoltaïque

On place une impédance de charge non nulle et non infinie aux bornes d'une cellule photovoltaïque. Le photo courant va se distribuer entre la charge extérieure (courant I) et la diode (courant de diode Id). La tension de travail sera inférieur à Vco. La caractéristique courant-tension de la cellule photovoltaïque se met donc sous la forme:

I (V) = Iph - Id (V)

Le courant I est fonction de l'impédance de charge et de la tension V.

4.2. Extraction de la puissance

L'extraction de puissance est maximale quand l'impédance à une valeur permettant un produit I.V maximum. Sur la courbe ci-dessous (Fig. 5), cela correspond au point de puissance max A (Im, Vm).

Fig. 5 : Puissance maxi

Le facteur de forme est le rapport de ImVm (puissance électrique maximale pouvant être extraite) sur IccVco.

Le rendement de conversion de la cellule (défini sur le spectre de référence et à une température de 25°C) est le rapport de ImVm sur la puissance du rayonnement incident reçu par la surface S de la cellule.

Le Watt-crête (Wc) est l'unité servant à définir la puissance disponible aux bornes d'une cellule ou d'un module ou d'un champ, sous l'irradiance de référence à 25°C. C'est le rapport de la puissance délivrée sur l'irradiance de référence, et à donc les dimensions d'une surface. Ainsi, pour un même nombre de Wc, en fonction du rendement des cellules, l'on aura une surface de captation plus ou moins grande.

4.3. Influence de l'irradiance et de la température

La température et l'irradiance modifiant les valeurs de Im, Vm et de Icc et Vco, les courbes d'équipuissances ainsi que le point de puissance maximal. Si l'impédance n'est pas modifiée, le point de fonctionnement ne correspondra pas toujours avec le point de puissance maximal.

La température n'est pas uniquement due à la température extérieure, mais au fait qu'une grande partie du rayonnement incident est perdu par thermalisation à l'intérieur de la cellule. 85% de l'énergie incidente est dissipée en chaleur. Elle est normalement évacuée par convection avec l'air ambiant.

4.4. Groupement de cellules et systèmes en aval

La caractéristique courant tension d'un groupement de cellules photovoltaïques garde la même forme que pour une cellule individuelle.

Le module est en général associé à un convertisseur CC / CC (sorte de hacheur), relié lui-même aux charges en courant continu, à l'onduleur relié aux charges en courant alternatif, et au système de stockage.

Les convertisseurs CC/CC sont en général des circuits électroniques permettant de suivre le point de puissance maximale du groupement de modules en adaptant à chaque instant l'impédance vue par le module. Ces systèmes sont dits "au fil du soleil".

De plus en plus les solutions adoptées sont le couplage d'une installation photovoltaïque et de groupes Diesel, afin de pallier au manque de soleil et de ne pas surdimensionner le convertisseur photovoltaïque.

4.5. Le couplage direct

Ce système est constitué de modules reliés directement à des moteurs à courant continu (série ou à aimants permanents, le moteur shunt ne convenant pas).

C'est le système le plus simple et le plus fiable, et il est dit au fil du soleil, le point de puissance maximale correspondant toujours à un couple optimum pour le moteur en fonction de la vitesse de rotation.

4.6. Comparaison des différentes cellules du marché

Voici le lien d'un fichier excel (80 ko) reprenant la comparaison de plusieurs carcatéristiques des systèmes présents sur le marché. Ce document peut être interressant pour celui qui veut acheter des cellules photovoltaïques.

Voici l'adresse URL : http://www.energiesrenouvelables.fr.st/solaire/comparatif/panosolcomparatifliste.xls

5. Systèmes associés de régulation et de stockage d'énergie

6. Domaines d'application des cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques sont surtout utilisées dans les applications suivantes :

- le pompage d'eau potable

- l'éclairage public, de collectivités ou d'écoles

- distribution de froid dans les organismes de santé

- Zones isolées ou rurales des pays en voie de développement

- Systèmes intégrés au bâtiment

7. Les évolutions futures

L'utilsation de nanocristaux tétrapodes, en remplacement des nanocristaux en forme de sphg

8. Exemples d'installation dans la région lyonnaise

Cette ferme équestre ne fonctionne que pendant la période estivale, et est située au coeur du parc de Miribel-Jonage. Située à environ 2 kms à vol d'oiseau de la plus proche ligne EDF, l'installation d'une ligne aérienne classique aurait coûtée 500 000 francs. Appartenant au complexe Planet'tonic, cette ferme avait donc une image plutôt écologique. C'est donc tout naturellement que le choix c'est porté sur une installation photovoltaïque (en 1996).

C'est l'entreprise Total-Energie, filiale de total spécialisée dans les convertisseurs photoélectriques, qui fut chargée de l'implantation.

L'installation devait fournir l'énergie afin d'alimenter une pompe à eau, un système de filtration d'eau, l'éclairage et le froid (congélateur et réfrigérateur). Coût des travaux:400 000 francs (financés en partie par EDF et par l'ADEME). Puissance installée: 1600 Wc

8.1. Description des divers éléments

8.1.1. pompe

L'eau est située à 6 mètres de profondeur, la pompe est motorisée par un moteur électrique alternatif ( plus puissant et moins cher qu'un moteur à courant continu). La pompe débite 1m³ /h dans un réservoir de 3 m³ . L'eau est préalablement filtrée et chlorée avant d'arriver dans le réservoir. Un compresseur assure la distribution de l'eau dans la maison.

8.1.2. stockage

Le stockage de l'énergie pour la nuit ou pour absorber le surplus d'énergie quand les appareils électriques ne sont pas utilisés est assuré par 24 batteries Fulmen 12V de capacité 800 Ah.

8.1.3. onduleur

Il transforme le 12 Volts continu en 220 Volts alternatif. Rendement de 95 %. Lors des fêtes nocturnes, il est possible de brancher en amont de l'onduleur un groupe électrogène diesel remplaçant les panneaux photovoltaïques pour alimenter le secteur de la maison ou pour recharger les batteries.

8.1.4. panneaux photovoltaïques

La puissance de 1600 Wc est obtenue par 32 panneaux photovoltaïques.

8.2. Précisions

Le chauffage de l'eau est assuré par un panneau solaire (chauffe-eau solaire). Durée de vie sans problèmes estimée à 15 ans (en fait il semblerait que les divers éléments ne vieillissent que très peu et que les durées avoisinent les 30 ans et au delà).

Seules les batteries ont une durée de vie estimée à 10 ans et nécessitent un entretien périodique consistant à rajouter de l'eau dans les électrolytes.

Les panneaux photovoltaïques, les batteries, l'onduleur et le RAC appartiennent à EDF, qui prélève chaque mois une location correspondant au prix d'un abonnement classique. Ce projet à bénéficier des subventions de l'ADEME (agence de l'environnement et pour la maîtrise de l'énergie), d'EDF (électricité de France) qui a fourni le matériel, de Transeurope et de la région.

9. Installation de pompage en région méditerranéenne

Le pompage solaire représente la solution idéale pour l'approvisionnement en eau partout où le réseau électrique est absent. La société Total-énergie propose des solutions intégrées de pompage solaire (panneaux, pompe et moteur électrique adaptée à la solution photovoltaïque).

9.1. Caractéristiques du pompage demandé

Région méditerranéenne isolée, devant fournir 5 m³ d'eau par jour à partir d'une nappe phréatique située à 15 mètre de profondeur.

La solution retenue sera celle de la pompe immergée, appelée TSP. La pompe est installée dans le puits.

Une pompe d'1 m³ /h devrait suffir si le débit d'eau peut être espacé sur toute la journée.

9.2. Principe de fonctionnement du pompage solaire

• Les panneaux solaires photovoltaïque convertissent directement le rayonnement solaire en électricité. Solidement ancrés au sol, ils sont fiables et ont une durée de vie estimée à plus de 20 ans.
• L'onduleur à fréquence variable transforme le courant continu issu des panneaux en courant alternatif triphasé permettant de faire fonctionner le groupe de pompage. L'onduleur à un rendement supérieur à 95%. La fréquence du courant de sortie est proportionnelle à la vitesse de la pompe. Cette fréquence est variable de façon à adapter la puissance absorbée à celle fournit par les panneaux. Un dispositif géré par microprocesseur permet d'utiliser en permanence les panneaux à leur puissance maximum.

Enfin, l'onduleur comporte un ensemble de protections (échauffement, surintensité, baisse de niveau de l'eau dans le forage) ainsi que d'un système d'arrêt lorsque le réservoir d'eau pompée est plein.

10. Conclusion

Les fabricants de cellules font beaucoup d'efforts, mais ils ne sont pas suivis par les fabricants de produits en aval, comme les appareils à courant continus, les appareils à économie d'énergie, les batteries. C'est pourquoi Total Energie est obligé de développer son propre moteur asynchrone pour ses installations de pompage.

Une première voie de l'utilisation de l'énergie photovoltaïque efficace pâsse donc tout d'abord par une économie des besoins d'énergie (une éolienne au Maroc fournie de l'eau pour 4000 personnes, alors que la même installée aux Etats-Unis ne peut suffire qu'à peine à la consommation de deux foyers, soit moins de 8 personnes).

Par contre, vu les faibles puissances que l'on tire actuellement de la conversion et tous les problèmes technologiques à résoudre, il est inutile de penser que cette énergie pourra remplacer même à long terme toutes les centrales à combustible fossible, génératrices de pollution atmosphérique et de changement du climat, de même que les centrales nucléaires, qui posent des problèmes de sureté et de stockage de déchets sur de très grands périodes de temps.

11. Charge d'une batterie de 24 V à partir de piles photovoltaïques

11.1. Structure de conversion utilisée pour tirer la puissance max

La tension en entrée est fournie par un panneau photovoltaïque constitué de 72 cellules en série. La puissance max fournie par ces cellules se situe à la tension de 0,5 V. C'est donc sur cette tension que nous allons nous positionner. Comme il y a 72 cellules en série, les tensions s'ajoutent les unes aux autres, nous obtenons donc une tension en sortie du panneau de 72*0.5= 36 V.

Comme la batterie doit être chargée à une tension de 33,6 V max, il nous faudra un convertisseur abaisseur de tension. La tension aux bornes de la batterie doit être continue, la tension sortant du panneau est continue.

Nous allons donc utiliser un convertisseur de type hacheur abaisseur (ou dévolteur), encore appelé "Buck".

11.2. Schéma du convertisseur

Il faudra penser à protéger le panneau par une diode pour éviter que la nuit la batterie se décharge à travers les photopiles, ce qui endommagerait définitivement le silicium.

Cette diode provoque une chute de tension, ce qui diminue le rendement. Il faut donc la placer sur la partie de tension maximum afin de limiter la taux de perte de rendement. C'est pourquoi nous la plaçons en sortie du panneau, là où la tension est de 36 V.

Le cahier des charges nous impose un rendement supérieur à 95%. Nous utiliserons donc une diode Shottky, qui limite la chute de tension à ses bornes (seulement 0,45V). Ce type de diode est limitée aux tensions inférieures à 100 V, ce qui est le cas de notre application.

11.3. Capacité batterie et dimensionnement des composants principaux

Nous nous plaçons dans le cas de l'ensoleillement maxi, une cellule fournit alors un photocourant de 5 A. Comme les cellules sont en série dans le panneau, nous auront donc un courant de 5A à la sortie du panneau. Ce courant de charge max doit au plus représenter 15% de la capacité de la batterie. Cela nous permet de dimensionner la batterie comme ayant une capacité de 500/15 = 33.3 Ah.

Nous observons sur le diagramme de charge une chute de tension lorsque le courant appliqué passe de 5 A à 1,7 A (soit 5% de la capacité C). Cette chute nous indique la présence d'une résistance interne dans la batterie, qu'il faut prendre en compte dans notre modèle.

12. Pour en savoir plus...

12.1. Bibliographie

Energie Solaire photovoltaïque, sous la direction de Bernard EQUER

Edition Ellipses, publié par l'UNESCO, en deux volumes - 1993

Les cellules solaires, Jean-Paul BRAUN, Benjamin FARAGGI, Anne LABOURET

ETSF éditions techniques et scientifiques Française - 1996

L'énergie solaire, A. PEYTURAUX

Collection "Que sais-je" - 1975

Les énergies du soleil, Pierre AUDIBERT

Edition du Seuil -1978

· Articles parus dans la presse:

Industrie et technique, mai 1998 (n°793)

Sciences et Vie, mars 1975 (n°690), fevrier 1994 (n°917), avril 1996 (n°943), fevrier 1997 (n°953), aout 1997 (n°959)

à suivre...