Le pompage le coeur d’une installation d’irrigation pour assurer débit et pression

Généralité sur les systèmes photovoltaïques

La technologie du photovoltaïque, qui permet la conversion directe de l’énergie lumineuse en énergie électrique par le biais d’une cellule dite photovoltaïque (PV), est considérée comme l’une des voies les plus prometteuses pour le développement d’énergie propres et renouvelables. Depuis le début du siècle, l’industrie du photovoltaïque a bénéficié d’une croissance exponentielle, pour atteindre une production supérieure à 23 GWc en 2010. Selon le dernier rapport de « GTM Research » (Greentech Media) sur le marché solaire mondial pour le troisième trimestre 2016, la demande mondiale atteindra cette année un nouveau record à 73 gigawatt (GW) en croissance de 33 % par rapport à l’année précédente, avec une majorité de systèmes photovoltaïques raccordés au réseau de distribution d’électricité. Les systèmes photovoltaïques non raccordés au réseau sont également promis à un avenir radieux. D’une part, les systèmes PV isolés permettent, pour un prix compétitif, d’alimenter en énergie électrique des zones qui ne sont pas desservies par le réseau, en particulier dans les pays en voie de développement.

D’autre part, les composants de récupération d’énergie par effet photovoltaïque, pour l’alimentation de dispositifs électroniques autonomes, constituent un marché en plein expansion qui représentera plusieurs milliards de dollars à l’horizon 2020, à la fois pour des applications grand public (électronique nomade) mais également professionnelles (capteurs pour le bâtiment et la surveillance des structures).[4] En 2011, 87 % des installations photovoltaïques installées dans le monde comportaient du silicium mono ou multi cristallin. Bien qu’étant l’élément chimique le plus abondant sur Terre après l’oxygène, le silicium star du photovoltaïque ne peut être trouvé à l’état pur. Il doit donc être extrait de la silice, purifié, mis en forme puis dopé avant d’être utilisé. Toutes ces opérations ont un important coût énergétique.

Historique de la cellule photovoltaïque : Le mot ‘’photovoltaïque’’ est composé des deux termes grec :’’ photo’’ qui désigne la lumière et de ‘’voltaïque’’ qui tire son origine du nom d’un physicien italien ‘’ALESSANDRO VOLTA’’ (1754-1827) qui a beaucoup contribué à la découverte de l’électricité, alors le photovoltaïque signifie littérairement la ‘’lumière électricité’’. 1839 : Le physicien français ‘’Edmond Becquerel’’ découvre l’effet photovoltaïque. 1875 :’’WernerVon Siemens’’ expose devant l’académie des sciences de Berlin un article sur L’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. 1954 : Trois chercheurs américains ‘‘Darry Chapin’’, ’’ Gerald Pearson’’ et ‘’Prince’’ fabriquent une cellule Photovoltaïque. 1958 : Une cellule avec un rendement de 9 ℅ est mis au point ; les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace. 1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware. 1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 Km en Australie. Figure (I -1) : la première voiture alimentée par énergie PV. [6] 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.

Le dopage et la jonction P.N Pour modifier les propriétés conductrices du silicium on y introduit des traces d’un autre élément appelé impureté : c’est le dopage. Il peut être illustré par l’exemple suivant, qui présente le cas d’une cellule au silicium :

Dopage de type N : La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est à dire qui possède plus d’électrons sur sa couche de valence (la couche externe) que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne de l’oxygène, par exemple le Phosphore P, celui-ci comporte cinq électrons (un atome pentavalent), soit un de plus que le silicium. Chaque atome P s’insère entre les atomes de Si, 4 électrons d’un atome de P se couplent chacun à un des 4 électrons externes d’un atome de Si. Le 5ème, qui se trouve alors en excès circule mieux. On a ainsi formé un matériau semi-conducteur dit de type N (charges négatives en excès).

Dopage de type P : La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s’agir de Bore B, celui-ci à l’inverse du silicium de type N, possède un électron externe de moins que le silicium (un atome trivalent) : le dopage produit un phénomène inverse. Le réseau atomique comporte localement, au voisinage du bore, un manque d’électron : c’est un ‘’trou’’, équivalent à une charge positive. Il s’agit d’un matériau semi-conducteur de type P (charges positives en excès).

La jonction PN : Lorsqu’on met ces deux semi-conducteurs en contact (de manière à ce qu’il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, dans le cas d’une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé de manière à ce que le courant ne puisse pas s’établir seul : il faut qu’il y ait un apport d’énergie, sous forme d’un photon de lumière, pour qu’un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l’édifice : la zone de charge d’espace. Les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone de transition où les porteurs libres disparaissent.

Deux électrodes sont placées, l’une au niveau de la couche supérieure dopée N et l’autre au niveau de la couche inférieure dopée P : une différence de potentiel électronique et un courant électrique dirigé de N vers P sont créés. [11] Le silicium est traité d’une certaine manière, on dit dopé, cette technique permet au silicium de jouer le rôle d’une diode, c’est-à-dire que les électrons ne pourront « passer » que dans un unique sens. La technique de dopage d’un semi-conducteur consiste à lui ajouter des impuretés, c’est-à-dire des éléments ayant un nombre différent d’électrons de valence. Les électrons porteurs de charge, générés par la lumière du soleil, sont partiellement perdus dans le volume du silicium à cause de la présence d’impuretés résiduelles (atomes de fer, titane…). Les chercheurs développent donc des procédés permettant de piéger ces atomes dans des zones inactives. Les atomes du matériau de dopage, ou dopant (donneurs ou accepteurs d’électrons), et ceux du silicium ont un nombre différent d’électrons périphériques. Voici la structure électronique des atomes de phosphore, de silicium et de l’aluminium:

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Table des matières

Remerciement
Dédicace
Listes des figures et des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
Chapitre I : Généralité sur les systèmes photovoltaïques.
I.1. Introduction
I.2. Historique de la cellule photovoltaïque
I.3. L’énergie solaire photovoltaïque
I.3.1. Rayonnement solaire
I.3.2. Irradiance et éclairement
I.3.3. Puissance lumineuse disponible en environnement extérieur
I.3.4. Système de positionnement automatique de panneaux solaires
I.4. La cellule photovoltaïque
I.4.1. Définition
I.4.2. Principe physique d’une cellule PV
I .4.2.1. L’absorption de la lumière dans le matériau
I.4.2.2. Le transfert de l’énergie lumineuse aux électrons
I.4.2.3. Les semi- conducteurs
I.4.3. L’effet photovoltaïque
I.4.4. Caractéristiques électriques essentielles d’une cellule PV
I.4.4.1. Circuit électrique idéal
I.4.4.2. Schéma équivalent d’une cellule PV
I.4.4.3. Paramètres essentiels caractérisant une cellule PV
I.5. Logiciel de Simulation d’une cellule photovoltaïque : PC1D
I.5.1. La Simulation électrique sous PC1D
I.5.2. Aperçu du logiciel
I.6. Etude de la cellule photovoltaïque à base de Si
I.6.1. L’influence de l’épaisseur de l’émetteur sur le rendement électrique
I.6.1.1. Graphe
I.6.1.2. Interprétation du graphe
I.6.2. L’influence du dopage de l’émetteur sur le rendement électrique
I.6.2.1 Graphe
I.6.2.2. Interprétation du graphe
I.7. Etude de la cellule photovoltaïque à base d’InP
I.7.1. L’influence du dopage de l’émetteur sur le rendement électrique )
I.7.1.1 Graphe
I.7.1.2. Interprétation du graphe
I.7.2. L’influence de l’épaisseur de l’émetteur sur le rendement électrique
I.7.2.1.Graphe
I.7.2.2. Interprétation du graphe
I.8.Evolution du rendement quantique en fonction de la longueur d’onde pour différents dopage
I.8.1. Le cas de la cellule du silicium
I.9.1. Avantages
I.9.2. Inconvénients
I.10. Différents domaines d’applications
I.11. Conclusion
chapitreII : Etat de l’art de l’énergie photovoltaique.
II.1.Introduction
II.2.Etat de l’art d’une cellule photovoltaïque
II.3.Les différentes filières photovoltaïques
II.3.1. La filière silicium
II.3.1. 1.Cellules au silicium monocristallin
II.3.1. 2.Cellules au silicium poly-cristallines (ou multi cristalline)
II.3.1. 3.Cellules au silicium amorphe
II.3.1. 4.Cellule au silicium en ruban auto- supporté
II.3.2. Cellules en couche mince
II.3.2. 1.Matériaux à base de tellure de cadmium(CdTe)
II.3.2.2.Matériaux CIS,CIGS
II.3.3. Les cellules III-V multi jonction
II.3.4. Les cellules colorant ou « Grätzel »
II.3.5. Les cellules photovoltaïques organiques
II.4. Les constituants de base d’une cellule photovoltaïque
II.4.1. Passivation des faces avant et arrière
II.4.2. Texturation de la surface
II.4.3. Couche antireflet 3
II.4.4. Contacts face avant et arrière
II.4.5. BSF
II.5.De la cellule au panneau
II.5.1. Introduction
II.5.2. Définition d’un panneau
II.5.2.1. La mise en série des cellules
II.5.2.2. La mise en parallèle des cellules
II.5.3. Le module photovoltaïque
II.5.3.1. Rendement d’un module
II.5.3.2.Nombre de cellule par module
II.5.3.3. Encapsulation et encadrement
II.6.Conclusion
Chapitre III : Application d’un système énergétique autonome
III.1.Introduction
III.2. Fonctions de logiciel
III.3. Les besoins énergétiques
III.4. Energie solaire
III.5.dimensionnement d’onduleur
III.6.Définition de la capacité de la batterie
III.7.rendement avec consommation
III.8.Etude d’un cas (avec le logiciel PVSOL)
III.8.1.Résultat de simulation
III.8.conclusion
Chapitre IV : Dimensionnement d’une station PV autonome Pompage de l’eau.
IV.1. Introduction
IV.2.Les différents types de systèmes photovoltaïques
IV.2.1. Les systèmes autonomes
IV.2-2.Les systèmes connectés aux réseaux
IV.3.Principe du point de puissance maximale MPPT
IV.4.Le stockage de l’énergie électrique
IV.4.1.Les batteries dans les systèmes photovoltaïques
IV.4.2. Les inconvénients de batterie dans les systèmes PV
IV.5. Présentation d’un système de pompage solaire photovoltaïque
IV.5.1.Présentation générale
IV.5.2. Groupe moto-pompe
IV.5.2.1. Le moteur
IV.5.2.2.Les pompes
IV.5.3. Le pompage le coeur d’une installation d’irrigation pour assurer débit et pression
IV.5.3.1. Le pompage au fil du soleil
IV.5.3.2. Le pompage avec batterie
IV.5.4. Quelques définitions
IV.6. Fonctionnement d’une installation de pompage solaire PV sans batterie
IV.1.Aperçu sur la première manipulation
IV.1.1.Le traçage de la caractéristique I(V) du panneau solaire
IV.2.Aperçu sur la deuxième manipulation
IV.2.1. Montage de pompage solaire photovoltaïque
IV.2.2. Cahier de charges
IV. Conclusion
Conclusion générale
Annexe
Bibliographie