Soutenance mémoire
La conversion directe du rayonnement solaire en électricité constitue une meilleure découverte du ?????? siècle. La source solaire présente plusieurs avantages : inépuisable, écologique, gratuite, modulable, ne nécessite pas un réseau de transport etc… Ses inconvénients sont : flux d’énergie indisponible pendant la nuit et flux d’énergie variable d’où la nécessite d’un système de stockage et de tampon pour les systèmes photovoltaïques autonomes. Pour les systèmes raccordés au réseau de distribution électrique, le stockage de l’énergie n’est pas indispensable En général, on utilise comme système de stockage et de tampon le parc accumulateur électrochimique qui mérite une attention particulière car il constitue malheureusement le maillon faible du système photovoltaïque autonome.
La cellule solaire photovoltaïque
La cellule solaire, élément unitaire d’un module photovoltaïque, est aussi l’élément actif dans lequel se produit l’effet photovoltaïque. Celui-ci permet au matériau de cellule de capter l’énergie lumineuse (photons) et de la transformer en énergie électrique caractérisée par un déplacement de charges, positives et négatives. La caractéristique commune à toutes les technologies photovoltaïques est la mise en présence dans le matériau de la cellule d’un donneur et d’un accepteur d’électrons pour permettre ce déplacement de charges. Une fois transféré dans un circuit électrique extérieur, celui-ci prend la forme d’un courant électrique continu.
De manière générale, les cellules photovoltaïques peuvent être vues comme un empilement de matériaux :
❖ La couche active ou l’absorbeur constituée d’un premier matériau accepteur d’électrons et d’un second matériau donneur d’électrons, formant une jonction donneur-accepteur ;
❖ Les contacts métalliques avant et arrière constituant les électrodes positive (+) et négative (–) chargées de collecter le courant généré ;
❖ Des couches supplémentaires comme un anti-reflet ou une couche plus fortement dopée permettant d’améliorer les performances de la cellule : meilleure absorption de la lumière, meilleure diffusion des porteurs de charges dans le matériau etc. Ainsi, ce qui différencie une technologie solaire d’une autre, c’est principalement la nature de l’absorbeur. De ses propriétés physico-chimiques dépendent les procédés de dépôt utilisés, la nature et les caractéristiques des autres composants de la cellule (antireflet, électrodes…) ainsi que son architecture globale : type de substrat, épaisseur, positionnement des électrodes etc.
Les principales technologies solaires photovoltaïques
On peut distinguer trois grandes familles de cellules solaires :
❖ les cellules au silicium cristallin, pour lesquelles l’élément actif est le silicium dopé dans la masse. Bien que plus ancienne, cette technologie représente encore 90 % des parts de marché du fait de sa robustesse et de ses performances (rendement modules allant de 12 à 20 % pour une durée de vie de 30 ans environ) ainsi que des investissements importants qui lui ont été destinés, que ce soit pour la transformation du silicium, l’élaboration des cellules ou l’assemblage des modules.
❖ les cellules à base de couches minces qui ont en commun le procédé de dépôt du matériau semi-conducteur à faible épaisseur sur des substrats variés et donnant un aspect uni, produisant des modules de rendement légèrement inférieur (de 7 à 13 %). La part de marché pour l’ensemble de ces technologies est d’environ 10 % et reste relativement stable : ces filières ont perdu l’avantage de leur moindre coût de production avec les investissements massifs consentis dans le silicium au début des années 2000.
❖ les cellules à base de photovoltaïque organique, segment sur lequel la recherche s’intensifie dans la perspective de produire des cellules à très bas coût pour des applications nouvelles. Leur principe de fonctionnement est basé sur les cellules à colorant de Michaël Grätzel avec des variations sur le type de matériaux utilisés. Avec des rendements de l’ordre de 3 à 5 %, leur point faible reste aujourd’hui encore leur durée de vie limitée.
Enfin, la famille des hybrides présentée sur l’illustration ci-dessous rassemble les cellules mettant en présence des technologies de natures différentes pour atteindre des rendements optimisés.
Les filières au silicium
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur terre après l’oxygène, avant le carbone et l’azote. Il représente environ 25 % en masse de l’écorce terrestre, ce qui permet de le considérer comme inépuisable. On le trouve entre autres dans le sable, le quartz et les feldspaths.
a. Le silicium cristallin
Les cellules au silicium cristallin sont fabriquées à partir de silicium purifié, matériau dans lequel sont insérés en quantité infime des atomes de bore et de phosphore afin de créer des zones chargées différemment et de former la jonction donneur-accepteur. Cette famille regroupe les filières du silicium monocristallin (mono-Si ou sc-Si en anglais) lorsque les cellules proviennent d’un lingot dont la maille cristalline (l’arrangement des atomes) est homogène, et celles du silicium polycristallin (poly-Si ou mc-Si en anglais) lorsqu’il existe plusieurs réseaux cristallins juxtaposés formant des grains dans une même cellule.
♦ Substrat : silicium raffiné obtenu en différentes étapes à partir du quartz, cristallisé par tirage d’un lingot (mono) ou moulage en lingotière (poly) puis découpé en plaques
♦ Fabrication : dopage au bore du silicium, dans la masse, texturation de surface, dépôt d’un anti-reflet Ti?2 ou SiN en face avant, dopage phosphore en face avant, dopage aluminium en face arrière par dépôt Al, sérigraphie des contacts Ag en face avant et arrière (remarque : raffinage du silicium à haute température)
♦ Epaisseur : 150 à 200 ?m
♦ Taille de cellule : 156 mm x 156 mm
♦ Rendement moyen cellule : mono 16 à 24 %, poly 14 à 18 %
♦ Aspect : aspect uniforme bleu foncé à noir (mono), effet de mosaïque bleutée (poly)
♦ Transparence : par espacement des cellules .
b. Le silicium amorphe
Le silicium amorphe est obtenu par dépôts successifs de couches dopées et non dopées de silicium purifié en phase gazeuse. Le procédé de fabrication des cellules, calqué sur la technologie mise en œuvre pour les écrans plats, est moins onéreux car il opère à basse température et utilise bien moins de matériau que le silicium cristallin. Cependant, le fait que les atomes de silicium soient désorganisés (pas de maille cristalline dans la matériau) conduit à de plus faibles rendements. La superposition de plusieurs jonctions simples permet d’augmenter le rendement global de cellule .
● Substrat : verre face avant ou verre, polymère ou métal face arrière
● Fabrication : gravure du verre frontal, dépôt du contact frontal (ZnO ou Sn?2 ), dépôt chimique en phase gazeuse de trois couches de silicium amorphe à partir de gaz précurseurs (ex : ???4 et ?4) : dopé bore, non dopé et dopé phosphore, dépôt du contact métallique face arrière (ex : Ag ou Al/Ni), structuration en tuile par rayure laser après chaque étape de dépôt (remarque : dépôt basse température 200°C environ)
● Epaisseur : 1 ?m dont 0,3?m de silicium amorphe
● Taille de cellule : selon le substrat
● Rendement moyen cellule : 4 – 10 % (module 5 – 7% stabilisé)
● Aspect : brun-rougeâtre à bleu-violet
● Transparence : par micro-gravure .
Les faibles coûts de production ayant été rattrapés par ceux du silicium cristallin, bien plus performant, expliquent sa quasi disparition du marché, mis à part pour les calculatrices ou l’intégration aux produits verriers dans le bâtiment.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE
I.1. Príncipe de l’énergie solaire photovoltaïque
I.2. La cellule solaire photovoltaïque
I.3. Les principales technologies solaires photovoltaïques
Les filières au silicium
a. Le silicium cristallin
b. Le silicium amorphe
Les technologies couches minces
a. Le tellurure de cadmium (CdTe)
b. Le Cuivre Indium Gallium (di)Selenium (CIGS)
Les filières de demain: le photovoltaïque organique
a. Cellules à colorant (DSsC – Dye Sensitized solar Cell)
b. Cellules à polymères
c. Cellules à pérovskites
STOCKAGE DE L’ENERGIE
II.1. Définition
II.2. Différentes technologies stationnaires de stockage de l’électricité
Stockage mécanique
a. Station de pompage
b. Stockage d’énergie par air comprimé
c. Stockage inertiel
Stockage électrochimique
a. Stockage d’énergie grâce à l’hydrogène
b. Batterie électrochimique
c. Batterie à circulation
Stockage électromagnétique
Stockage thermique (chaleur et froid)
PARTIE II : METHODOLOGIES
CHAPITRE III : ANALYSE DES DONNÉES
III.1. Calcul rayonnement solaire
III.1.1. Définition
III.1.2. Les coordonnés terrestres
a. La Latitude (φ)
b. La Longitude (λ)
III.1.3. Les coordonnés du soleil
III.1.3.1. Les coordonnés horaires
a. La déclinaison solaire (δ)
b. L’angle horaire du soleil (ω)
III.1.3.2. Les coordonnés azimutales
a. La hauteur du soleil (h)
b. Azimut du soleil (a)
III.1.4. Heure du Lever et du Coucher du soleil
III.1.5. Durée d’ensoleillement
III.2. Modèle Perrin de Brichambaut
III.3. Détermination du Rayonnement solaire
III.3.1 Le rayonnement solaire direct I
III..3.2. Le rayonnement solaire diffus D
III.3.3. Le rayonnement solaire direct S
III.3.4. Le rayonnement solaire global G
III.4. Irradiation
III.5. Expression du Temps
III.5.1. Le temps solaire moyen
III.5.2. Le temps solaire vrai
III.6. Le temps légal
III.6.1. Le temps universel
III.6.2. L’équation du temps
III.7. Description des paramètres du discriminant et Données d’irradiations
III.8. Méthode de classification
III.8.1. La Classification Ascendante Hiérarchique
III.8.2. Dendrogramme
III.8.3. Coupures du dendrogramme
III.8.4. L’algorithme de Ward
III.8.5. Organigramme d’algorithme de clustering à base de Ward
CHAPITRE IV : EVALUATION DE LA CONSOMMATION ENERGETIQUE
IV.1. Evaluation de la consommation énergétique journalière
IV.2. Puissance et tension du système
IV.2.1. Puissance totale du système
IV.2.2. Puissance de pointe journalière
IV.2.3. Choix de la tension
CHAPITRE V : DIMENSIONNEMENT DES DIFFERENTS COMPOSANTS
V.1. Principe de fonctionnement d’un système photovoltaïque
V.2. Dimensionnement des modules photovoltaïques
V.2.1. Evaluation de la puissance crête du module photovoltaïque
V.2.2. Calcul du nombre de modules
a. Nombre de module branche en série
b. Nombre de module branche en parallèle
c. Le nombre de modules
V.2.3. Orientation et emplacement du modules
V.2.3.1. Emplacement
V.2.3.2. Orientation et inclinaison des modules
V.2.4. Maintenance des modules
V.3. Dimensionnements des batteries d’accumulateurs
V.3.1. Evaluation de la capacité réelle
V.3.2. Nombre de batterie nécessaire
a. Nombre de batterie en série
b. Nombre de branches de batteries en parallèle
c. Nombre de batteries nécessaire
V.3.3.Maintenance des batteries
V.5. Dimensionnement du régulateur
V.6. Dimensionnement de l’onduleur
V.7. Dimensionnement des câbles
V.8. Avantage et inconvénient du système photovoltaïque
CHAPITRE VI : INTERFACE GRAPHIQUE POUR CALCULER LE DIMENSIONNEMENT DE PHOTOVOLTAÏQUE
PARTIE III : RESULTATS ET DISCUSSION
CHAPITRE VII: PRESENTATION DU LOGICIEL
CHAPITRE VIII: DISCUSSION ET RESULTATS DES DONNEES
VIII.1. L’indice de clarté
VIII.2. Dendrogramme
CHAPITRE IX: DISCUSSION ET RESULTAT DES DIMENSIONNEMENTS SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES
IX.1. Consommation énergétique
IX.2. Taux de charge de la batterie
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE
ANNEXES
