Généralités sur les capteurs solaires

Généralités sur les capteurs solaires

Capteurs thermiques 

Tous les capteurs solaires thermiques visent à convertir le rayonnement solaire en chaleur avec un rendement élevé et à fournir cette chaleur aux consommateurs aussi efficacement que possible. Il existe plusieurs types de capteurs solaires thermiques : les capteurs non-vitrés, les capteurs plans, les capteurs sous vide, les capteurs à concentration. Ces types diffèrent considérablement en qualité, en rendement, en conception et en coût.
Capteurs solaires non vitré :
Les capteurs plans sans vitrage sont habituellement fabriqués en un plastique noir qui a été stabilisé afin de résister aux rayons ultraviolets. Comme ces capteurs ne possèdent pas de vitrage, une grande partie de l’énergie solaire est absorbée. Cependant, parce qu’ils ne sont pas isothermes, une grande partie de la chaleur absorbée est perdue lorsqu’il y a du vent et que la température extérieure n’est pas assez chaude. Ils transfèrent si bien la chaleur de l’air (et provenant de l’air) qu’ils peuvent réellement «saisir» la chaleur au cours de la nuit lorsqu’il fait chaud et qu’il y a du vent à l’extérieur.
Capteurs vitrés:
Un capteur plan vitré est composé : d’un caisson, d’un isolant permettant de limiter les fuites thermiques en sous face et sur les bords, D’un film réfléchissant, d’un faisceau de tubes cylindriques, une surface absorbante placée à l’intérieur du coffre, un vitrage fixé sur le caisson, Les tubes sont parcourus par un fluide caloporteur (eau + antigel). Cette eau se réchauffe au fil de l’écoulement dans les tubes.
Capteurs sous vide :
Un capteur solaire « sous vide » est composé d’une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm. de diamètre. Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l’énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l’absorbeur et l’absorbeur reçoit un traitement sélectif pour empêcher le rayonnement.
Un capteur solaire thermique sous vide est composé : d’une série de tubes de verre sous vide (il n’y a pas d’air), d’un absorbeur à l’intérieur des tubes de verre, d’un tube en cuivre à l’intérieur des tubes de verre.
Les tubes en cuivre sont parcourus par un fluide caloporteur (eau + antigel). Cette eau se réchauffe au fil de l’écoulement dans les tubes.
Capteurs à concentration :
Un capteur solaire thermique à concentration est composé : d’un châssis, d’un isolant permettant de limiter les fuites thermiques en sous face et sur les bords, d’un système de réflexion de la lumière, d’un absorbeur, d’un réseau de tubes en cuivre.

Composition d’une cellule PV 

Couche semi-conductrice de type p :
Le matériau semi-conducteur contient des atomes externes qui possèdent une quantité inférieure d’électrons libres. On obtient ainsi un excédent positif de porteurs de charge (trous d’électrons) dans le matériau semi-conducteur. Ces couches sont appelées des couches semi-conductrices à conduction de type p.
Couche semi-conductrice de type n :
Le matériau semi-conducteur contient des atomes externes qui possèdent une quantité supérieure d’électrons libres. On obtient ainsi un excédent négatif de porteurs de charge (électrons) dans le matériau semi-conducteur. Ces couches sont appelées des couches semi-conductrices à conduction de type n.
Doigts de contact et contact métallique de la face arrière :
Avec le contact métallique arrière, les doigts de contact constituent les connexions permettant de brancher par exemple un consommateur.
Couche anti réflexion :
La couche anti réflexion a pour but de protéger la cellule PV et de réduire les pertes de réflexion à la surface de la cellule.

Panneaux solaire photovoltaïque

La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photo voltaïque, a été découverte par E. Becquerel en 1839, mais il faudra attendre près d’un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique.
L’utilisation des cellules solaires débute dans les années quarante dans le domaine spatial. Les gouvernements et les industriels investissent dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.
Le terme « photovoltaïque » est composé du mot grec ancien ≪ photos ≫ (lumière) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta).
Panneau solaire :
Le panneau solaire est constitué de cellules photovoltaïques qui convertissent l’éclairement énergétique du soleil en courant continu. L’assemblage des cellules en série permet d’obtenir une tension compatible avec la charge de la batterie. Le courant produit par le panneau est directement proportionnel à l’ensoleillement reçu : le panneau solaire fonctionne comme un générateur de courant. Les conditions d’installation du panneau solaire permettent la meilleure exposition au soleil tout au long de l’année: orientation sud, inclinaison égale à la latitude.
Technologie des capteurs :
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Il doit être purifié afin d’obtenir un silicium de qualité photovoltaïque.
Il se présente alors sous la forme de barres de section ronde ou carrée appelée lingots. Les lingots sont ensuite découpés en wafers : fines plaques de quelques centaines de microns d’épaisseur. Ils sont ensuite enrichis en éléments dopants pour obtenir du silicium semiconducteur de type P ou N. Des rubans de métal sont alors incrustés en surface et raccordés à des contacts pour constituer des cellules photovoltaïques.
Les cellules les plus utilisées pour la production d’électricité sont les cellules silicium polycristallin grâce à leur bon rapport qualité-prix.

Avantages et inconvénients des modules photovoltaïques 

Avantage:
La production d’électricité à partir de l’énergie radiative du soleil par l’intermédiaire de modules photovoltaïques présente des avantages importants :
– La ressource d’énergie utilisée est renouvelable et gratuite, aucune pénurie ou fluctuation des prix n’est à craindre.
– Le processus de production d’électricité n’a aucun impact sur l’environnement (ni rejet polluant, ni déchet, ni bruit, etc.).
– Ce qui est produit est généralement consommé sur place ce qui présente un intérêt du point de vue électrique puisque les pertes dans les câbles sont très faibles (contrairement au mode de production décentralisé, ex : centrale nucléaire).
-Sur les sites isolés, l’énergie photovoltaïque offre une solution pratique pour obtenir de l’électricité à moindre coût.
Inconvénients :
-Bien que le photovoltaïque produit de l’électricité d’une manière renouvelable et écologique, il ne faut pas oublier que dans le procès de fabrication on utilise des produits polluants et on consomme beaucoup d’énergie, spécialement pour le mono cristallin. L’énergie consommée pour la fabrication peut surpasser celle que les modules vont produire pendant leur vie utile.
-Le coût d’investissement des panneaux photovoltaïques est élevé .
-Le rendement réel de conversion d’un module est faible.
-Lorsque le stockage de l’énergie électrique par des batteries est nécessaire, le coût du système photovoltaïque augmente.
-l’augmentation de la température de cellule photovoltaïque réduit sensiblement les performances électriques du module.

Effet de refroidissement du panneau photovoltaïque par la circulation d’air à travers la cheminée

Pour améliorer le rendement électrique du panneau photovoltaïque, il faut abaisser la température de ces cellules en faisant extraire sa chaleur à l’aide d’une circulation d’air forcé à travers la cheminée, où le panneau est posé au-dessus. Pour mesurer les températures d’air, les thermocouples sont placés juste avant et après le panneau.
On fixe un débit d’air égal à 0.005Kg/s pour deux valeurs d’intensité 450w/m² et 800w/m².Pour les deux intensités de rayonnement, on remarque que la température du panneau PV (à 0Kg/s) est plus élevée (Th=52.6°C pour 450W/m² et 73°C pour 800W/m²) que celle d’un panneau PV-T(à 0.005Kg/s) Th=51.1 °C pour 450W/m² et Th=63.5°C pour 800W/m² qui assure son refroidissement.
Nous avons appliqué le même débit de 0.005Kg/s pour refroidir le panneau à deux différents rayonnements 800w/m² et 450w/m² où la température du PV à 800w/m² est beaucoup plus élevée a celle de 450w/m², ce qui explique que la différence importante des températures entre un PV et un PV-T pour un rayonnement 800w/m² que 450w/m² (équilibre thermique).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Recherche bibliographique.
Introduction
Chapitre II: Généralités sur les capteurs solaires
II.1. Introduction 
II.2. Energie solaire thermique 
II.2.1 Capteurs thermiques
A. Capteurs solaires non vitré
B. Capteurs vitrés
C. Capteurs sous vide
D. Capteurs à concentration
II.2.2.Avantages et inconvénients des capteurs solaires thermiques
a) Avantages
b) Inconvénients
II.3.Energie solaire photovoltaïque 
II.3.1.Principe de l’énergie solaire photovoltaïque
II.3.2.Composition d’une cellule PV
1. Couche semi-conductrice de type p
2. Couche semi-conductrice de type n
3. Doigts de contact et contact métallique de la face arrière
4. Couche anti réflexion
II.3.2.Types de cellules photovoltaïques
A. Cellules photovoltaïques inorganiques
a) Cellules au silicium monocristallin
c) Silicium en ruban autosupporté
d) Silicium amorphe
B. Cellule photovoltaïque organique
II.3.3 Panneaux solaire photovoltaïque
A. Panneau solaire
B. Technologie des capteurs
II.3.4 Avantages et inconvénients des modules photovoltaïques
II.4 Capteurs solaires hybrides 
II.4.2 Classification des capteurs hybride PV/T
1. Capteur hybride PV/T à eau
2. Etude d’un capteur hybride PV/T à air
II.5 Paramètres régissant le fonctionnement d’un capteur solaire plan
1) paramètres externes :
2) paramètres internes
II.6 Modèles mathématiques pour calculer les performances d’un capteur solaire hybride
1. Calcul du débit massique de l’air
2. Calcul de la puissance utile
3. Calcul du rendement thermique
4. Puissance électrique
5. Calcul du rendement électrique
Chapitre III: Matériels utilisés
III.1 Introduction 
III.2 Matériels utilisés 
III.2.1 Cellules solaires photovoltaïques
III.2.2 Panneau solaire photovoltaïque
II.2.3 : Unité de transfert thermique convective
III.2.4 Ventilateur
III.2.5 L’anémomètre à thermistor
III.2.6 Unité de transfert thermique radiatif H110C
III.2.7 Radiomètre
III.2.8 Projecteurs utilisés :
III.2.9 Multimètres
III.2.10 Thermocouples
III.2.11 Potentiomètre
Chapitre IV: Expériences
IV.1 Introduction 
IV.2 Préparation du panneau photovoltaïque 
IV.2.1 Etapes suivis
IV.2.2 Montage électrique réalisé
IV.3 Description de l’installation 
1) Cas de la cellule (panneau réalisé)
2) Cas d’un panneau polycristallin commercial
Chapitre I Recherche bibliographique
IV.4 : variation de l’intensité du rayonnement
IV.5 difficulté de travail
Chapitre V: Interprétation des résultats
V.1 Introduction 
V.2 Variation de l’intensité du rayonnement en fonction de distance
V.3 : Variation de la température générés par le projecteur en fonction l’intensité du rayonnement
V.4 Partie A : panneau réalisé
V.4.1 Détermination des caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque polycristallin
Etape I : Echauffement de la cellule
Etape II : Refroidissement de la cellule à l’air libre
V.4.2 Effet du vitrage
V.4.3 Influence de la température de la cellule
V .4.4 Effet du débit d’air
V.5 Partie B : Panneau photovoltaïque polycristallin commercial
V.5.1 Effet de l’intensité du rayonnement
V.5.2 Effet de refroidissement du panneau photovoltaïque par la circulation d’air à travers la cheminée
V.5.3 Effet de variation de débit d’air
Conclusion

Télécharger le rapport complet