INTRODUCTION GENERALE
Les énergies renouvelables désignent un ensemble
de moyens de produire de l'énergie électrique à partir de
sources ou des ressources théoriquement illimitées [1]. La grande
partie de l'énergie consommée par l'homme provient des
combustibles fossiles dont l'utilisation massive conduit à
l'épuisement de ses réserves et suppose une menace réelle
à l'environnement. La prise de conscience des dangers de pollution, et
le rapprochement de l'échéance d'épuisement de ces
ressources ont largement stimulées la recherche d'autres types
d'énergies de caractère renouvelable (énergie solaire,
énergie éolienne...) plus propres qui préserveraient le
patrimoine naturel de la planète pour les générations
futures [2]. Bien que l'évolution de l'énergie solaire se
poursuive depuis des décennies, l'accent a été mis au fil
des ans sur la nécessité de rendre la technologie de
l'énergie solaire plus rentable et applicable au monde d'aujourd'hui. Ce
phénomène fut découvert au 19ème
siècle par le physicien Alexandre Edmond Becquerel en 1839 [3].
Au Burundi, plus particulièrement dans les grands
centres urbains comme Bujumbura, Ngozi et Gitega, les coupures
d'électricité planifiées et non planifiées restent
monnaie courante. La grande majorité des ménages ruraux et
souvent urbains utilisent principalement du bois de chauffage et des foyers
traditionnels à trois pierres. Ils disposent d'un accès
limité à des sources d'énergie alternatives ou à
des foyers améliorés, alors que ces derniers pourraient
être plus efficaces énergétiquement et réduiraient
les impacts environnementaux et sanitaires de la cuisson au bois [4] [5].
Simultanément, les collines rurales de la commune Ntega
sont aussi affectées de cette situation. En effet, la conduite du
réseau électrique fournie par la REGIDESO est d'autant moins
rentable sur les milieux ruraux car les utilisateurs sont dispersés dans
les campagnes. Pour cela, il faut concevoir et réaliser un
système solaire photovoltaïque pour alimenter les charges
domestiques. C'est dans cette optique que la commune NTEGA de la province
Kirundo a été choisie comme commune pilotée pour
satisfaire les besoins énergétiques. La colline Makombe est
identifiée comme l'objet d'étude intitulée «
calcul et dimensionnement d'un système photovoltaïque pour
l'alimentation en électricité ».
? Objectif principal
Alimentation en énergie solaire de la colline Makombe sous
une puissance de 574 Kwc.
? Méthodologie utilisée
Pour atteindre l'objectif principal de ce travail, dans un
premier temps, nous avons effectué une descente à la colline
Makombe pour recueillir les données nécessaires qui nous ont
aidés à identifier les charges électriques que la
population est capable à acheter et à développer leurs
2
besoins énergétiques ; ensuite, nous avons fait
des documentations sur les différents articles et/ou livres
trouvés sur l'internet et à la bibliothèque, les pages
webs et enfin, nous avons dimensionné notre système par calcul et
par le logiciel PV Syst.
? Résultats attendus
Dans notre travail, nous attendons : production
d'énergie électrique en quantité suffisante pour
satisfaire la population de toute la colline ; créer un avantage
compétitif énergétique sur le long terme ; contribuer
à la réduction des émissions de gaz à effet de
serre et initier un programme solaire portant la création des emplois
d'avenir (salons de coiffures, etc).
Ce mémoire de Master se commence par une introduction
générale. Il s'articulera sur quatre chapitres : le premier
chapitre parle les généralités sur l'énergie
solaire photovoltaïque tel que le rayonnement solaire, les
procédés de conversion d'énergie solaire et
définissant les éléments constituants le système
solaire photovoltaïque.; le deuxième chapitre décrit le site
de travail tel que l'état initial de la colline Makombe et ses
sensibilités environnementales et sociales; le troisième chapitre
présente le calcul et le dimensionnement d'une installation PV en
colline Makombe tel que la détermination de la taille et le calcul des
générateurs PV ; le système de stockage et de
régulation ; le choix de l'onduleur et de l'angle d'inclinaison pour les
panneaux, qui est de 13o ; le dernier chapitre donne la
présentation des résultats d'un système PV sur lequel les
discussions ont été faites et on se termine par une conclusion
générale et suggestions.
3
CHAPITRE I. GENERALITES SUR L'ENEGIE SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE
I.0. Introduction
Dans ce chapitre, nous allons parler d'une manière
brève sur l'énergie solaire photovoltaïque. Nous ferons une
étude approfondie sur cette énergie, qui se transforme en
électricité par le processus photovoltaïque et nous
terminerons le chapitre sur la technologie utilisée dans les panneaux
solaires.
I.1. Energie solaire
L'énergie qui provient du soleil, est la lumière
rayonnante et la chaleur du soleil qui sont exploitées à l'aide
d'une gamme de technologies telles que l'énergie solaire pour produire
de l'électricité, l'énergie solaire thermique et
l'architecture solaire [6].
I.1.1. Soleil
Le Soleil est un astre dont le rayonnement produit la
lumière du jour et réchauffe la Terre. Il est une boule de gaz.
Il se compose en grande partie d'hydrogène (environ 80 %) et
d'hélium (19 %) et le 1% restant auxquels s'ajoutent des
éléments plus lourds. Il est structuré en plusieurs
couches. Des réactions de fusions nucléaires chauffent son
centre, le noyau, à des températures qui peuvent atteindre 14
millions de degrés.
Il est tellement gros qu'il faudrait 109 planètes de la
taille de la Terre pour remplir son diamètre, et plus de 1,3 millions
pour en combler l'intérieur. Il ne pèse pas moins de 2000
trillions de trillions de tonnes [7].
I.1.1.1. Position du soleil par rapport à la
Terre
Dans la voute céleste, la position du soleil peut
déterminée en fonction de la position de l'observateur sur Terre
et au temps local [7].
I.1.1.1.1. Coordonnées
géographiques
Les coordonnées géographiques sont des
coordonnées angulaires qui permettent de repérage d'un point sur
Terre [8].
Figure 1: Coordonnées géographiques
[9]
4
a) Latitude
La latitude ?? d'un lieu donné est l'angle
formé par la vertical de ce lieu et le plan de l'équateur [2],
elle est exprimée en degré, elle est comptée de 0 à
90° à partir de l'équateur vers les pôles positivement vers
le Nord et négativement vers le Sud [10].
b) Longitude
La longitude L d'un lieu donné est l'angle
formé par le méridien de ce lieu avec le méridien
d'origine. Ce dernier passe par l'observatoire de Greenwich et a pour longitude
0°. Les longitudes situées à l'Est de ce méridien
sont positives et celles situées à l'Ouest négatives
[11].
c) Altitude
L'altitude d'un point correspond à la distance
verticale entre ce point et une surface de référence
théorique (au niveau de la mer=0), et est exprimée en
mètre [1] [12].
I.1.1.1.2. Coordonnées horizontales
Le système de coordonnées horizontales,
également appelé système local ou système de
coordonnées alt-azimutales, est un système de coordonnées
célestes utilisé en astronomie par un observateur au sol. Le
système sépare le ciel en deux hémisphères : l'un
situé au-dessus de l'observateur et l'autre situé au-dessous,
caché par le sol. Le grand cercle séparant les deux
hémisphères situe le plan horizontal, à partir duquel sont
établis une altitude et un azimut, qui constituent les deux principales
coordonnées de ce système [13].
Les coordonnées horizontales sont la hauteur (h) et
l'azimut (A). La hauteur varie de 0° (horizon) jusqu'à 90°
(zénith) et l'azimut est un cercle divisé en 360°
établi sur le plan horizontal à partir du Nord (N), ou du Sud
(S), suivant les utilisateurs [1].
Figure 2: Coordonnées horizontales
[9]
a) Azimut du soleil
L'azimut (a) du soleil est l'angle que fait sur le plan
horizontal la projection de la direction du soleil avec la direction du sud.
Cet angle (a) est noté avec les mêmes conventions que l'azimut du
plan?? [1].
5
b) Déclinaison
La déclinaison w solaire est l'angle que fait le
soleil au maximum de sa course (midi solaire) par rapport au plan
équatorial. Cet angle varie entre 23°45' et -23°45'[14].
c) Angle horaire du soleil
L'angle horaire ô du soleil est déterminé
par la rotation régulière de la Terre autour de son axe. Il est
compté positivement dans le sens rétrograde de 0° à
360° [15], dans sa course d'Est en Ouest, par rapport au méridien
local, la position apparent du soleil est déterminée par ses
coordonnées angulaires par rapport à au plan horizontal, l'azimut
et la hauteur angulaire [16].
I.1.1.2. Production de lumière par le
soleil
Le Soleil produit la lumière et la chaleur qui permettent
la vie sur Terre. Cette énergie provient du coeur de l'étoile,
où règne une température supérieure à 10
millions de degrés Kelvin. Il s'y produit des réactions de fusion
nucléaire qui consomment de l'hydrogène et produisent de
l'hélium, et des photons gammas [17].
I.1.1.3. Chaleur du Soleil
La température est de 15 millions de degrés au
centre, elle diminue quand on s'éloigne du centre. Lorsqu'elle atteint 7
millions de degrés, la chaleur devient insuffisante pour entretenir les
réactions de fusion [17].
I.1.1.4. Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire ou irradiation solaire désigne
l'ensemble des ondes électromagnétiques émises par le
Soleil. Elle est produite par les réactions de fusion
thermonucléaires (la fusion est la réunion de plusieurs noyaux
atomiques légers en un seul (4 noyaux d'hydrogène) en un noyau
d'hélium). Le soleil émet principalement dans le rayonnement
visible, entre 0,4 et 0,8 micromètre. Ainsi, en entrant en contact avec
un corps, le rayonnement solaire augmente la température de ce corps
[18]. Lorsque le rayonnement solaire pénètre dans
l'atmosphère terrestre, il est atténué par des processus
de diffusion et d'absorption qui, dans de nombreux cas, changent brusquement
avec la longueur d'onde et modifient donc le spectre solaire incident en
quantité et en qualité. Au Burundi, le rayonnement solaire moyen
est de 2000kwh/m2 [19].
Au sol, on distingue plusieurs composantes:
V' rayonnement direct ;
V' rayonnement diffus ;
V' albédo réfléchie ;
V' rayonnement global [20].
6
a) Rayonnement direct
On appelle direct normal, le rayonnement direct mesuré
perpendiculairement aux rayons du soleil. Mesuré selon un plan non
perpendiculaire, le même rayonnement irradie une plus grande surface, et
est donc moins intense (effet «cosinus»): Ip = In.cos á,
où á est l'angle d'incidence. Par temps clair, on obtient au sol
un rayonnement normal de l'ordre de 1000 W/m2 [15].
La conversion du rayonnement direct ED est une question
trigonométrique. Le rayonnement direct, sur le plan horizontal, est la
différence entre le rayonnement global et le rayonnement diffus. Le
rayonnement direct arrive du Soleil en ligne droite et n'est, à aucun
moment, diffusé. Il forme les ombres [21].
Le rayonnement direct est converti pour un plan avec un angle
d'azimut á et d'inclinaison â selon l'équation suivante
:
EDCOSèi
EDáâ = (I-1 [3]
Sinã
On note que le paramètre EDáâ peut
être mesuré par un instrument nommé « Pyroheliometer
», qui doit être monté sur la monture du
générateur PV[3].
Figure 3: Plan incliné caractérisé
par son inclinaison (fi) et de son orientation ou azimut
(y) [22]
Un plan incliné est caractérisé par son
inclinaison (â) et de son orientation ou azimut (y) par rapport au sud
(négatif vers l'est, sens anti trigonométrique) [22].
b) Rayonnement diffus
C'est dû à l'absorption et à la diffusion
d'une partie du rayonnement solaire global par l'atmosphère et à
sa réflexion par les nuages et les aérosols [23].
Par temps couvert ou par temps très clair, celle-ci est
considérée comme isotrope. Par temps légèrement
voilé, il se peut qu'une couronne (appelée circumsolar) plus
brillante autour du soleil se forme et accentue la puissance lumineuse en
provenance du soleil. Dans ce cas, la lumière n'est pas isotrope. Il
faut préciser que suivant la nature des nuages, leur épaisseur,
leur position dans le ciel, leur influence sur le rayonnement ne sera pas la
même [21].
7
c) Rayonnement réfléchi
C'est le rayonnement qui est réfléchi par le
sol ou par des objets se trouvant à sa surface et dépend donc
directement du site d'observation [24]. Il se caractérise par un
coefficient propre de la nature de lien appelé Albédo. Cet
albédo peut être important lorsque le sol est
particulièrement réfléchissant (eau, neige, etc....)
[1].
d) Rayonnement global
Le rayonnement global est la somme de tous les rayonnements
reçus (direct, diffus, réfléchie), y compris le
rayonnement réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent
à sa surface.
On a la relation suivante :
JG (/3) = Jb (/3) + Jd (/3) + Jr (/3) (I-2)[22]
Avec :
IG(â) : Rayonnement global sur plan incliné
(W/m2) Ib(â) : Rayonnement direct sur plan incliné
(W/m2) Id(â) : Rayonnement diffus sur plan incliné
(W/m2) Ir(â) : Rayonnement réfléchi sur plan
incliné (W/m2)
I.1.1.5. Angle d'incidence des rayons
solaires
Angle d'incidence des rayons solaires est appelé aussi
déclinaison est une simulation formée par le rayon incident avec
la normale à une surface rencontrée et varie en fonction de la
latitude entre -23°27' et +23°27'. 23°27' qui correspond
à l'angle entre le plan de l'équateur et le plan de l'orbite que
décrit la Terre autour du soleil. Cet angle influence la diminution
bénéfique du rayonnement incident provenant d'une direction
inclinée par rapport à la normale au module [14].
La diminution de la puissance absorbée est encore
accentuée par des raisons optiques : les réflexions sur la paroi
extérieure, ainsi que sur la surface des cellules, augmente avec l'angle
d'incidence [13].
Figure 4: Inclinaison des rayons du soleil
[25]
8
I.1.1.6. Masse d'air
On appelle masse d'air AM, la perte de l'énergie solaire
par l'absorption atmosphérique. Elle est donnée en fonction de
l'angle O du soleil par rapport au zénith :
1
AM = (??-3) [26]
?????? ??
Avec O : représente l'angle entre la position du soleil et
le zénith exprimée en (Deg).
Figure 5: Nombre-dAir-Mass-AM [27]
Hors de l'atmosphère (référence spectrale
dite AM0 - Air Mass Zéro), le spectre solaire AM0 correspond à
une masse d'air nulle pour un rayonnement arrivant au-dessus de la couche
atmosphérique à incidence normale, AM1 pour un soleil vertical
à la terre (le soleil est au zénith, le flux de puissance du
rayonnement solaire direct est de 1 353W/m2. Au niveau de la mer
(AM1.5) il n'est plus que de 1 000 W/m2. Une partie du rayonnement
solaire est par ailleurs réfléchie par la surface de la terre et
dépend de l'albedo local (rapport de l'énergie
réfléchie à l'énergie incidente) : celui-ci varie
de 80% pour la neige, à 5-30 % pour l'herbe [23]. Si le soleil est au
zénith du lieu d'observation, O =0°, AM=1 [28].
I.1.1.7. Spectre solaire
Le spectre du Soleil est appelé spectre de Fraunhofer
en hommage à Joseph Von Fraunhofer (1787-1826). Le spectre solaire est
en effet composé de toutes sortes de rayonnements d'énergies et
de couleurs différentes, caractérisées par leur gamme de
longueur d'onde. Les photons, grains de lumière qui composent ce
rayonnement électromagnétique, sont considérés
comme des porteurs d'énergie qui est reliée à leur
longueur d'onde par la relation suivante:
h??
E = h?? = (I-4)[29]
??
Où :
E : l'énergie lumière (en eV)
h est la constante de Planck où h = 6.624x10-34
joule-sec,
v la fréquence,
C = la vitesse de la lumière, près de 300
000 000 mètres par seconde ;
9
?? : est la longueur d'onde (en ìm)
I.1.1.8. Mesure d'ensoleillement
Le rayonnement solaire disponible au niveau du sol est
quantifié, pour divers lieux, principalement par des mesures
météorologiques. Historiquement, ces mesures ont
été enregistrées grâce à des
héliographes de Campbell-Stokes. Ces mesures fournissaient un nombre
d'heures d'ensoleillement [15]. Cette information est évidemment peu
précise, mais on en dispose de nombreuses mesures depuis très
longtemps en météorologie. L'évaluation d'installations
solaires nécessite des données d'irradiante, c'est-à-dire
du flux d'énergie incidente sur une surface donnée par
unité de temps et de surface, exprimée en W/m2 (ou
kWh/m2 ou MJ/m2) [26].
a) Radiomètre
Le radiomètre est un appareil permettant de mettre en
évidence l'énergie transportée par les radiations, il est
constitué d'une ampoule de verre contenant de l'air à faible
pression et un petit moulin à quatre pales ayant chacune une face noire
et une face blanche. Il en résulte une dissymétrie dans
l'absorption du rayonnement incident, qui provoque la mise en rotation du
moulin [22].
Figure 6: Radiomètre [22]
b) Pyromètre
Le pyromètre est un radiomètre pour la mesure du
rayonnement dans un plan. Le rayonnement incident étant issu de
l'ensemble de l'hémisphère situé au-dessus de l'instrument
[15].
Figure 7: Pyromètre [26]
10
c) Pyrhéliomètre
Le pyrhéliomètre est un radiomètre muni
d'un collimateur, pour la mesure du rayonnement solaire direct sous incidence
normale [21].
Figure 8: Pyrhéliomètre [30]
I.1.2. Avantages de l'énergie solaire
L'énergie solaire conserve plusieurs avantages, on pourra
citer quelques-uns :
I énergie solaire est une source
propre, fiable et renouvelable ;
I ressource disponible partout au monde
;
I pas d'émissions des GES, des
rejets polluants et à la préservation des ressources naturelles
;
I elle donne une prévision
sûre à long terme de l'investissement et du rendement ;
I autoconsommation
énergétique en fort développement ;
I énergie inépuisable
à l'échelle du temps humain;
I pas de particules en suspension ;
I production locale et
décentralisée (à proximité du lieu de consommation,
elle évite les
pertes en ligne).
I entretien quasiment nul sauf les
onduleurs et les batteries ;
I génère de
l'activité économique ;
I Peu chère à exploiter
après l'installation des équipements ;
I Permet de devenir autonome en
énergie de manière plus simple ;
I Peu de nuisances visuelles, et aucune
nuisance sonore des panneaux solaires;
I facile à mettre en place chez
les particuliers ;
I etc [11].
I.1.3. Inconvénients de l'énergie
solaire
Malgré tous ses avantages ci-haut citées,
l'énergie solaire est comme toutes les autres énergies
présentent quelques inconvénients. Les principaux sont les
suivants:
I énergie solaire reste
dépendant du soleil ; à son absence n'est produit
d'électricité ni de la
chaleur ;
I installations photovoltaïques de
cycle de vie limité et un rendement décroissant avec le
temps ;
11
I difficile à stocker
l'électricité produite par l'énergie photovoltaïque
;
I courte durée de vie des PV
d'installation : 20 à 25 ans en moyenne ;
I production plus faible dans le climat
froid, alors que la consommation reste plus
considérable ;
I capital d'investissement
élevé [23] [31].
I.2. Système PV
Le système PV est constitué d'un ensemble de
cellules photovoltaïques reliées entre elles, constitue le module
photovoltaïque. Plusieurs modules sont groupés pour former un
système photovoltaïque qui comprend d'autres composants comme le
régulateur, la batterie et l'onduleur pour un site isolé
(autonome) [32]. Le système PV permet de produire une
électricité naturelle, propre et non polluante. Il
représente une composante essentielle des énergies renouvelables
qui peut aider le monde à répondre à ses besoins
énergétiques toujours croissants, tout en limitant l'augmentation
des émissions de gaz à effet de serre et en diminuant la
pollution de l'environnement, risque de panne limité car pas de
pièces mécaniques ; durée de vie très longue avec
peu d'altérations du rendement ; source d'énergie gratuite et
utilisable même dans les endroits peu ensoleillés. On distingue un
système PV Autonome, pour un site isolé et celui connecté
au réseau de distribution électrique et un système
hybride.
I.2.1. Système PV connecté au
réseau de distribution électrique
Ce système implique de connecter les panneaux solaires
au réseau. L'électricité excédentaire produite va
verser au réseau qui permettant de réserver les crues de
l'électricité déposées pendant la journée
pour l'utiliser dans la nuit. Le courant continu provenant des panneaux
transformé en courant alternatif qui sera ensuite élevée
en 220KV ou 400KV par un poste de transformation pourrait être
transportée plus facilement dans les lignes de très haute tension
du réseau, régulièrement les opérations de
contrôle et de maintenance qui se réalisent pour s'assurer du bon
fonctionnement de l'installation [33].
Figure 9: Constituants d'un système
photovoltaïque raccordé réseau [34]
12
I.2.2. Système photovoltaïque
hybride
Un système photovoltaïque peut être
combiné à une autre source de production
d'électricité - biomasse, turbine éolienne ou
générateur diesel - afin de garantir un approvisionnement
constant en électricité. Un système hybride peut
être relié au réseau, fonctionner en autonomie ou
être soutenu par le réseau [28]. De tels systèmes ont
habituellement des accumulateurs de stockage d'énergie et donc ils
permettent en outre de recharger la batterie lorsque elle est faible. Un tel
système photovoltaïque hybride fournit une grande fiabilité
du système et peut représenter la solution adéquate pour
les sites isolés; il convient aussi lorsque la demande en énergie
est élevée (pendant l'hiver ou tout au long de l'année)
[2].
Figure 10: Constituants d'un système
photovoltaïque hybride [35] I.2.2. Système photovoltaïque
autonome
Le système PV autonome est composé de panneaux
pour la modularité qui permet de concevoir les installations à de
longs vastes plans photovoltaïques installées sur les toits
d'habitation individuel. Chaque panneau est composé de plusieurs
cellules de moins d'un millimètre d'épaisseur [9]. Ces cellules
contiennent un matériau semi-conducteur dans la propriété
et de libérer des électrons qui se produisent encore en
énergie électrique après avoir interconnectée par
les composants de la lumière. Les électrons sont
connectées par des fils métalliques très fins qui les
acheminent jusqu'à la borne négative de la cellule. Ils ont
formé un circuit extérieur pour retourner à la cellule par
sa borne positive [12]. Ce déplacement des électrons, crée
un courant électrique continu. Ce courant ainsi produit passe de cellule
en cellule, de panneau en panneau et s'additionne jusqu'un onduleur.
L'énergie produite sert à stocker l'énergie dans les
batteries installées avec les systèmes PV. De cette façon,
les panneaux solaires rechargent les batteries pendant la journée pour
l'être utilisée lorsque les cellules PV cessent de fonctionner
[13].
13
I.2.2.1. Système autonome avec
batterie
Ces systèmes sont représentés par la
figure suivante où la charge et de type continu et si la charge et de
type alternatif. La batterie sert à stocker de l'énergie produite
par le générateur photovoltaïque, alors l'énergie
peut être utilisée de tout temps, même en l'absence de
rayonnement solaire [36].
Figure 11: Constituants d'un système
photovoltaïque autonome avec stockage [9] I.2.2.2. Système autonome
sans batterie
Dans les systèmes photovoltaïques autonomes sans
batterie, la charge de type continu est alimente directement par le
générateur photovoltaïque, car la production
d'énergie est suffisante pour le fonctionnement de la charge [36].
Figure 12: Constituants d'un système
photovoltaïque autonome sans stockage [37]
14
I.2.3. Technologie des générateurs PV
I.2.3.1. Types de cellules PV
Les cellules PV sont Composées de semi-conducteurs. Une
cellule photovoltaïque absorbe l'énergie lumineuse et la transforme
directement en courant électrique.
Une cellule individuelle, unité de base d'un
système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible
puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de
moins d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont
assemblées pour former un module (ou panneau) [17].
a) Cellule au silicium monocristallin
Figure 13: Cellule au silicium monocristallin
[38]
La cellule au silicium monocristallin est à base de
cristaux de silicium formé d'un seul cristal ordonné. Ce
matériau est obtenu directement d'un germe ou recristallisé
à haute température sous forme d'un lingot [3].
b) Cellule au silicium polycristallin
Figure 14: Cellule au silicium polycristallin
[39]
15
La cellule au silicium multicristallin (ou polycristallin) est
constituée de cristaux de 1mm à environ 2cm assemblés,
appelé "grains". Les cellules au silicium multicristallin sont
obtenues
par fusion du silicium dans la lingotière. Elles
présentent un avantage d'un faible coût à fabriquer que le
silicium monocristallin, mais de rendement aussi faible [21].
c) Cellule au silicium amorphe en couche
mince
Figure 15: Cellule au silicium amorphe en couche mince
[40]
La cellule au silicium amorphe est constituée d'un
silicium ayant une structure non-cristallisé. Ce matériau absorbe
beaucoup plus la lumière qu'un silicium cristallin et
présentés en bandes souples permettant une parfaite
intégration architecturale (rendement de 7%) [18].
d) Cellule sans silicium en couche mince CIS /
CIGS
Les cellules CIS représentent une nouvelle
génération de cellules solaires sous forme de films minces, de
type CIS (cuivre, indium, sélénium) ou CIGS (cuivre, indium,
gallium et sélénium). Les matières premières
nécessaires à la fabrication de ces cellules sont plus faciles
à se procurer que le silicium utilisé dans les cellules
photovoltaïques classiques (bien que ce dernier soit déjà
très abondant sur terre). De plus, leur efficacité de conversion
énergétique est la plus élevée à ce jour
pour des cellules photovoltaïques en couche mince [14] [19].
Figure 16: Cellule sans silicium en couche mince CIS /
CIGS [41]
16
I.2.3.2. Principe de fonctionnement des
différentes cellules PV
La cellule photovoltaïque fonctionne grâce au
rayonnement solaire. Pour générer de l'électricité,
elle fait appel à l'effet photovoltaïque qui est obtenu à la
suite du choc des photons issus de la lumière solaire sur un
matériau semi-conducteur. Ce dernier transmet l'énergie des
photons aux électrons qui vont alors créer la tension
électrique. Voici le principe de fonctionnement d'une cellule
photovoltaïque [7].
Le fonctionnement des cellules photovoltaïques est
fondé sur les propriétés de semi-conducteurs qui,
percutés par les photons qui transportent l'énergie solaire
à 300 000 km par seconde, mettant en mouvement un flux
d'électrons. La structure de base d'une cellule PV est
réalisée à partir de deux couches de silicium : une zone
dopée P qui est l'élément en bore est ajouté
à la couche inférieure et lui confère la
propriété d'absorption d'électrons et l'autre dopée
N c'est-à-dire dopée au phosphore, la couche supérieure
opposée au soleil ; créant une jonction PN qui est le dispositif
utilisé dans les cellules photovoltaïques avec une barrière
de potentiel [21] [42].
Ainsi, la zone N est couverte d'une grille métallique
servant de cathode tandis que la zone P est couverte de plaque
métallique jouant le rôle d'anode. Quand les photons
absorbés par le semiconducteur dans la zone de charge d'espace, les
paires électron-trou formées sont séparées par le
champ électrique de la jonction qui fait transmettre leur énergie
vers la jonction PN afin de créer une différence de potentiel
entre eux [11].
I.2.3.3. Effet photovoltaïque
Le terme « photovoltaïque » est composé
du mot de grec ancien « photos » (öùôoò :
lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien
(Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son
nom à l'unité de mesure de la tension électrique, le volt
[43].
Ce terme désigne la conversion de l'énergie
lumineuse en énergie électrique par le transfert d'énergie
des photons aux électrons d'un matériau. Lorsque les photons,
contenus dans la lumière solaire, atteignent un matériau
semi-conducteur, ils mettent en mouvement les électrons du
matériau. C'est ce mouvement qui constitue le courant électrique
continu produit par les PV. Ce n'est donc pas la chaleur du soleil mais sa
lumière qui produit de l'énergie. Il n'y a pas non plus de
pièce mécanique dans un panneau solaire photovoltaïque, mais
uniquement des modules photovoltaïques en matériau semi-conducteur
[20] [21].
Lorsqu'un photon d'énergie suffisante frappe la zone de
transition d'une cellule photovoltaïque composée de semi-conducteur
de silicium, il arrache un électron à l'atome de silicium en y
laissant un trou. Cet électron, sous l'effet du champ électrique,
se déplace du côté N tandis que le trou migre du
côté P. Ainsi, grâce aux photons qui transmettent leur
énergie aux
17
électrons, un mouvement de charges électriques
se produit et un courant se manifeste à l'intérieur
de la matière cristalline [21].
I.2.3.4. Modèle à une diode d'un module
PV
Figure 17: Schéma équivalent
électrique de la cellule PV [39]
En appliquant le théorème de Kirchhoff, le courant
Ipv se calcule par la relation suivante :
Ipv = Iph - ID - IRsh (I-5)
Où :
Ipv: Courant de saturation du module ;
Iph : Courant photonique ; ID :
Courant de la diode ;
IRsh : Courant de fuite par la résistance
parallèle. Avec :
e(Vpy+IpyRsh)
ID = Is (exp avT )-1) (I-6)
Où :
Is : courant de saturation de la diode ;
e : la charge de l'électron (e =1.61010-19 C)
a : Facteur d'idéalité de la jonction PN
;
VT : Tension thermique de la diode et qui est
donnée par la relation :
K??
???? = (I-7)
4
Où :
q : charge électronique ;
K : constante de Boltzmann (K=1.3854 10-23 J.K-1). T : la
température de la jonction
18
Et
-??????+??????????
??????h = (J-8)
????h
Où :
Vpv : tension générée par le module ; ????h
: Résistance shunt ;
Rs : Résistance série.
D'après les équations de ???? et??????h, la
relation du courant du module ?????? devient :
??(??????+??????????h) ??????????+??????
?????? = [????h - ????(?????? ?????? ) - 1) - ????h ( ??-9)
[44]
I.2.3.5. Système de caractérisation des
panneaux
Les principaux paramètres qui caractérisent les
panneaux dans le système PV sont :
· Puissance de
crête, Pc
Elle est une puissance électrique maximum que peut fournir
le module dans les conditions standards (25°C et un éclairement de
1000 W/m2)[28]. Elle est exprimée en Watt- Crête (WC)
[20].
· La caractéristique courant/tension
(I/V)
Courbe représentant le courant J débité par
le module en fonction de la tension aux bornes de celui-ci [45].
· Tension à vide, Vc0
Tension aux bornes du module en l'absence de tout courant, pour
un éclairement " plein soleil "[16].
· Courant de court-circuit, Icc
Courant débité par un module en court-circuit pour
un éclairement " plein soleil ". C'est la plus grande valeur de courant
générée par le module sous les conditions de court-circuit
où VPV = 0 [46].
· Point de fonctionnement optimum, (Umax,
Imax)
Lorsque la puissance de crête est maximum en plein soleil,
Pmax = Umax.Jmax[20]
· Caractéristique
puissance-tension (P-V)
La puissance crête d'une cellule PV, notée Wc (Watt
crête) ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique
maximum délivrée dans les conditions suivantes dites conditions
standard d'éclairement solaire de 1 kW/m2 et la
température de la cellule PV égale à + 25 °C [18].
19
? Facteur de forme
Le facteur forme (FF) est le rapport entre la puissance
maximale que peut délivrer la cellule notée Pmax et la puissance
formée par le rectangle (Icc*Voc) plus la valeur de ce facteur sera
grande, plus la puissance exploitable le sera également. Les meilleures
cellules auront donc fait l'objet de compromis technologiques pour atteindre le
plus possible les caractéristiques idéales [47]. Il est de
l'ordre de 0.7 pour les cellules performantes ; il diminue avec la
température [48] et il exprime la relation suivante:
Pmax
FF = Icc*Voc (I-10)[48]
I.2.3.6. Association des modules
photovoltaïques
Le panneau comporte plusieurs modules PV interconnectés
en série ou en parallèle ou série-parallèle, afin
d'augmenter la force. Pour la même température avec un
éclairage homogène, l'enchaînement de cellules
photovoltaïques en série est une augmentation de la tension, ainsi
que la tension de sortie est la somme de la tension de chaque cellule [16]. Au
contraire, le courant électrique augmente, avec mise en
parallèle.
a) Association en série
La plupart des modules commercialisés sont
composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées en
série pour des applications en 12 V [21].
La cellule individuelle, unité de base d'un
système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible
puissance électrique, typiquement de 0.5 W avec une tension de moins
d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées
pour former un module (ou panneau).
L'association en série des cellules délivre une
tension égale à la somme des tensions individuelles et un courant
égal à celui d'une seule cellule [49] : U = U1 + U2 + ... + Un et
I = I1 = I2 = In [21].
Figure 18: Association des modules en série
[21]
20
b) Association en parallèle
En additionnant des modules identiques en parallèle, la
tension de la branche est égale à la tension de chaque module et
l'intensité augmente proportionnellement au nombre de modules en
parallèle dans la branche [20].
U = U1 = U2 = U3 = Un
I = I1 + I2 + I3 + ... + In
Figure 19: Association parallèle de modules PV
[21]
c) Association mixte
Pour avoir une satisfaction en courant et en tension, on est
obligé d'utiliser un groupement mixte, c'est à dire
Série-Parallèle.
Figure 20: Groupement mixte des panneaux PV
[26]
21
I.2.3.7. Orientation des modules PV
On appelle l'orientation, le point cardinal vers lequel est
tournée la face active du panneau (Sud, Nord, Sud-Ouest,....). Les
panneaux sont toujours orientés vers l'équateur :
Orientation vers le Sud dans l'hémisphère Nord ;
Orientation vers le Nord dans l'hémisphère Sud.
L'angle d'inclinaison des modules PV correspond à l'angle
formé par le plan du module solaire par rapport à l'horizontal
[20].
Figure 21: Orientation: point cardinal face au module PV
[18] I.2.4. Contrôleur de charge MPPT
Le contrôleur de charge est un système
automatique dont la fonction principale est d'assurer le contrôle de
l'état de charge de la batterie. Quand la batterie est chargée
à 100%, il faut arrêter le courant de charge [19]. La technologie
MPPT est l'une des technologies qui suivent le point maximum de la
capacité, et c'est une partie essentielle des systèmes
photovoltaïques. Ces technologies se distinguent les unes des autres par
leur efficacité, leur domaine d'application et l'amélioration des
résultats [26].
I.2.5. Batteries d'accumulateurs
C'est en 1859 que Gaston Planté réalisa
l'accumulateur au plomb par formation de feuilles de plomb pur, dans de l'acide
sulfurique et sous l'influence d'un courant électrique. Il fallut
cependant attendre l'apparition en 1880 de la dynamo Gramme et la
réalisation de l'accumulateur Faure à grilles et à oxyde
rapporté pour que l'industrie de l'accumulateur commence à se
développer.
22
Pour les éléments rechargeables, on utilise les
termes de batteries ou d'accumulateurs, contrairement aux « piles »
qui ne sont pas rechargeables. La batterie désignera un groupe
d'accumulateurs assemblés ou une batterie d'accumulateurs [33] qui
permet de stocker l'énergie électrique (charge) sous forme
chimique et donc de la restituer (décharge) sous forme de courant
continu de manière contrôlée [2].
Les batteries utilisées dans les systèmes
solaires autonomes sont en général de type plomb-acide. Les
batteries au cadmium-nickel sont rarement utilisées car leur prix est
beaucoup plus élevé; cependant on en donnera quelques
paramètres typiques, leur emploi étant plus fréquent dans
les applications professionnelles [44].
I.2.6. Convertisseur DC-AC
Nous parlons ici l'onduleur qui, est un convertisseur statique
permettant la conversion de l'énergie électrique sous sa forme
continue (DC) vers la forme alternative (AC). Grace à des composants
semi-conducteurs commandés, il permet d'obtenir aux bornes du
récepteur une tension alternative réglable en fréquence et
en valeur efficace [50].
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