SYSTEME DE PRODUCTION ELECTRIQUE PAR LA CELLULE PHOTOVOLTAIQUE

Les énergies renouvelables, c’est quoi ?

       D’une façon générale, les énergies renouvelables sont des modes de production d’énergie utilisant des forces ou des ressources dont les stocks sont illimités. L’eau des rivières faisant tourner les turbines d’un barrage hydroélectrique ; le vent brassant les pales d’une éolienne ; la lumière solaire excitant les photopiles ; mais aussi l’eau chaude des profondeurs de la terre alimentant des réseaux de chauffage. Sans oublier ces végétaux, comme la canne à sucre ou le colza, grâce auxquels on peut produire des carburants automobiles ou des combustibles pour des chaudières très performantes. Tout cela constitue les énergies nouvelles et renouvelables,  » ENR  » pour les adeptes du jargon énergétique, et plus justement ER pour les seules énergies renouvelables. En plus de leur caractère illimité, ces sources d’énergie sont peu ou pas polluantes. Le solaire, l’éolien, l’eau et la géothermie ne rejettent aucune pollution, lorsqu’elles produisent de l’énergie. La combustion de la biomasse génère certains gaz polluants, mais en bien moindre quantité que des carburants fossiles, tels que le charbon ou le fioul.

Son énergie : Energie « humainement » inépuisable

        C’est une gigantesque bombe thermonucléaire dont la puissance, émise sous forme de photons, représente un chiffre considérable: 3,82.1026 Watts. C’est le résultat de la combustion de 596 millions de tonnes par seconde d’hydrogène convertis en 592 millions de tonnes par seconde d’hélium. La perte, 4 millions de tonnes/seconde, se traduit sous forme de rayonnement gamma. Chaque cm² de sa surface émet une énergie de 6 kilowatts. Mais il N’arrive sur Terre que 5 milliardièmes (5.10-9) de cette puissance. Cette pile thermonucléaire fonctionne grâce à la transformation de 4 noyaux d’atomes d’hydrogène qui fusionnent pour fournir 1 noyau d’atome d’hélium avec la libération d’une énergie de 25 000 mégawatts par gramme et par seconde (100 milliards de bombes à hydrogène de 1 mégatonne). Cette énergie provient du centre. La pression comprime les noyaux d’hydrogène et permet ainsi la fusion. Il ne faut pas confondre la fusion avec la fission, qui casse les noyaux dans une bombe atomique. La fusion d’un gramme d’hydrogène libère 140 milliards de calories, la calorie étant la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer un gramme d’eau de 15°C à 16°C. Cela correspond à 0,14 W/cm². Le transfert d’énergie du centre vers la surface s’effectue par rayonnement et par convection. La zone de convection est limitée par la photosphère, épaisse de 200 km, et appelée ainsi parce que presque la totalité du rayonnement visible provient d’elle. Elle a une apparence granuleuse, provoquée par la turbulence de la partie supérieure de la zone de convection. La taille d’une granule peut dépasser celle de la France et la durée de vie peut aller de 10 minutes à plus de 10 heures, selon la taille (figure 1.13). Cette pression empêche les photons d’atteindre la surface dès leur création. Ainsi, ils mettent 2 millions d’années pour sortir des profondeurs du Soleil, tandis qu’il leur faut 8 minutes pour arriver sur Terre. Quant aux neutrinos, fabriqués en même temps, ils sortent instantanément. Absolument rien, n’est capable de les arrêter. Par conséquent, il est très difficile de les étudier. Ainsi, la recherche des neutrinos nous renseigne sur la lumière qui sortira dans 2 millions d’années du Soleil. Aujourd’hui, le taux est inférieur à ce que l’on attendait. Cela peut signifier que dans 2 millions d’années, la température sera plus basse avec des conséquences très importantes sur l’environnement terrestre.

La constante solaire et le nombre masse d’air AM

      Le soleil décharge continuellement une énorme quantité d’énergie radiante dans le système solaire, la terre intercepte une toute petite partie de l’énergie solaire rayonnée dans l’espace. Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord externe de l’atmosphère terrestre (pour une distance moyenne Terre-soleil de 150 Millions de km), c’est ce que l’on appelle la constante solaire égale à 1367W/m². [30] La part d’énergie reçue sur la surface de la terre dépend de l’épaisseur de l’atmosphère à traverser. Celle-ci est caractérisée par le nombre de masse d’air AM. Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer à midi dans un ciel clair est de 1000 W/m2 et est décrit en tant que rayonnement de la masse d’air « 1 » (ou AM1). Lorsque le soleil se déplace plus bas dans le ciel, la lumière traverse une plus grande épaisseur d’air, perdant plus d’énergie. Puisque le soleil n’est au zénith que durant peu de temps, la masse d’air est donc plus grande en permanence et l’énergie disponible est donc inférieure à 1000 W/m2 . Les scientifiques ont donné un nom au spectre standard de la lumière du soleil sur la surface de la terre : AM1.5G ou AM1.5D. Le nombre « 1.5 » indique que le parcours de la lumière dans l’atmosphère est 1.5 fois supérieur au parcours le plus court du soleil, c’est-à-dire lorsqu’il est au zénith (correspondant à une inclinaison du soleil de 45° par rapport au zénith). Le « G » représente le rayonnement « global » incluant rayonnement direct et rayonnement diffus et la lettre « D » tient compte seulement du rayonnement direct.

les types des semi-conducteurs et l’emplacement dans le tableau du  Mendeleïev

       Les semi-conducteurs sont essentiellement constitues d‟éléments de la colonne IV et des colonnes voisines du tableau périodique de Mendeleïev. On en distingue plusieurs types :
– les semi-conducteurs élémentaires sont des cristaux constitués d‟un seul élément chimique. On rencontre des structures cristallines dites “simples” si l‟élément constituant est de la colonne IV1. Les deux éléments les plus importants pour l‟électronique sont le silicium (Si) et le germanium (Ge), qui se cristallisent en engageant des liaisons covalentes. Le premier est l‟élément le plus utilisé dans l‟industrie des composants. Le germanium, quant a lui, a été largement utilisé lors de fabrication des premières diodes et des premiers transistors, mais a été ensuite remplacé par le silicium. Il est néanmoins utilisé dans quelques applications (détection infrarouge, hétéro-structures, . . .). On rencontre également des semi-conducteurs dits “élémentaires complexes” comme le sélénium (Se, colonne VI), notamment employé pour ses propriétés photovoltaïques. Cet élément se cristallise selon une structure différente de celle du Si, mais toujours avec des liaisons a prédominance covalente.
– Les semi-conducteurs composes sont constitues de plusieurs éléments. Par exemple, les composes binaires peuvent être constitues de deux éléments distincts de la colonne IV (SiC, SiGe), d‟éléments des colonnes III et V (composes III-V tels que le GaAs et le GaN) ou encore des éléments des colonnes II et VI (composes II-VI tels que le ZnS et le CdS).

La jonction PN polarisée en sens direct

       En reliant l’anode de la diode (zone P) au + de la pile et la cathode (zone N) au + les porteurs de charge traversent la jonction et un courant élevé parcourt le circuit. La différence de potentiel entre les zones P et N provoquée par la source de courant continu à la zone de transition doit être suffisamment élevé pour annuler la différence de potentiel (quelques dixièmes de volts) présente dans la jonction à l’état d’équilibre.

Conclusion générale

      Les travaux présentés dans ce projet sont basées sur l’optimisation de la production d’énergie électrique photovoltaïque ainsi que son mode de fabrication et son avantage d’utilisation dans le future comme un remplacent pour les autres modes de production. A la fin de ce travail en peut résumer notre travail par les points suivants :
– Aujourd’hui, l’énergie photovoltaïque devient progressivement une source d’énergie à part entière, de plus en plus sollicitée pour produire de l’énergie électrique allant du domestique à de grandes centrales connectées au réseau.
– plusieurs étapes sont nécessaires pour la fabrication d’une cellule PV et leurs influences sur le prix de ces modules puisque le dopage et la purification possèdent des laboratoires à haute technologie et ça exigent les fabricants à faire augmenter le prix. Les panneaux solaires sont de plusieurs types mono et poly-cristalline et amorphe à une jonction ou à hétérojonction, généralement la cellule est une diode a jonction PN a des caractéristique (rendement, facteur de forme, le courant, la tension, etc…) sont généralement constantes pour chaque cellule.
– On avue aussi les caractéristiques I-V et le mode de connexion des cellules PV (série, parallèle).
– La modélisation et la conception d’un module ou générateur PV est une manière d’étude très important pour analyser le fonctionnent de système PV et voir l’influence de différents facteurs sur le module surtout la variation de l’éclairement et la température.
– Le principal intérêt de la modélisation réside dans sa simplicité et sa facilitée de mise en ouvre à partir des caractéristiques techniques données du constructeur.
– Nous avons montré que la température et l’éclairement sont des facteurs influant sur le rendement PV
Finalement, Ce travail propose le chois d’un modèle et un mode de calcul a l’aide d’un système d’équation pour un modèle a 4 paramètres et le faire traité a l’aide de MATLAB

Table des matières

Introduction générale
I. Chapitre1 : L’ENERGIE RENOUVELABLE ET LE SOLEIL
I.1. introduction
I.2. production de l’énergie électrique
I.2.1. Les centrales thermiques
I.2.1.1. Avantages
I.2.1.2 Inconvénients
I.2.2. Les centrales nucléaires
I.2.1.1. Avantages
I.2.1.2. Inconvénients
I.2.3. Les centrales hydroélectriques
I.2.3.1 Les types de centrales hydrauliques
I.2.3.2. Avantages
I.2.3.3. Inconvénients
I.2.4. Les centrales éoliennes
I.2.4.1. Avantages
I.2.4.2. Inconvénients
I.2.5. Les centrales solaires ou photovoltaïques
I.2.5.1. Avantages
I.2.5.2. Inconvénients
I.3 L’énergie renouvelable
I.3.1 Les énergies renouvelables, c’est quoi ?
I.3.2 Quelle est la place des énergies renouvelables ?
I.3.3 l’énergie solaire
I.4 Le soleil
I.4.1 Caractéristiques générales
I.4.2 Son énergie : Energie « humainement » inépuisable
I.5 rappel astronomie
I.5.1 Équateur et méridien
1-L’équateur
2-Le méridien
3-La longitude
I.5.2 Azimut
I.5.3 Hauteur solaire et le zénith
I.5.4 Déclinaison
I.6 Le spectre solaire
I.6.1 Les principaux types de rayons qui parviennent sur Terre et leurs effets
I.6.2 Lumière
I.6.3 La constante solaire et le nombre masse d’air AM
I-7 l’éclairement et l’irradiation
I.7.1 L’irradiation ou rayonnement
I.7.2 L’éclairement ou irradiance
I.8.Situation de l’Algérie
I.8.1. Potentiel solaire en Algérie
I.9.conclusion
II. Chapitre 2 : LES SEMI-CONDUCTEURS
II.1 introduction
II.2 les semi-conducteurs
II.2.1 Définition de semi-conducteur
II-2-2 les types des semi-conducteurs et le tableau du Mendeleïev
II.2.3 le silicium
II.2.3.1 les différents types de silicium
II.2.3.2 Structure cristalline du silicium
II.2.3.3 diagramme de bande d’énergie
II.2.4 la conduction dans le silicium et le niveau de Fermi
II.2.4.1 conduction par électron et par trou
II.2.4.2 le niveau de Fermi EF
II.2.4.3 Procédés de production du silicium pur
II.2.5 le dopage
II.2.5.1 Semi-conducteur dopé N
II.2.5.2 Semi-conducteur dopé P
II.2.5.3 niveau donneurs et niveau accepteurs
II.2.6 la jonction PN
II.2.6.1 Polarisation d’une jonction PN
II.2.6.1.1 La jonction PN polarisée en sens inverse
II.2.6.1.2 La jonction PN polarisée en sens direct
II.2.6.2 l’hétérojonction
II-3 les semi-conducteurs organiques
II.3.1. Caractère semi conducteur des matériaux organiques
II.3.2. conduction électrique
II.3.3. Dopage des semi-conducteurs organiques
II.4. la différence entre semi-conducteur inorganique et organique
II.5. l’Utilisation de l’énergie solaire
II.5.1. Autre utilisation
III. Chapitre 3 : la cellule photovoltaïque
III-1 introduction
III.2 la solution photovoltaïque
III.2.1 historique
III-2-2 Processus de fabrication des systèmes photovoltaïques
III.2.2.1 raffinage de silicium
III.2.2.2 Cristallisation du silicium et mise en forme des plaques
III.2.2.3 Fabrication des cellules
III.2.2.4 Assemblage des modules et la réalisation du système PV
III.3 la cellule photovoltaïque
III.3.1 Définition
III.3.2 Principe de fonctionnement
III.3.3 Caractéristique électrique d’une cellule photovoltaïque
III.3.3.1 la tension de circuit ouvert
III.3.3.2 le courant de court circuit
III.3.3.3 la puissance maximale
III.3.3.4 le facteur de forme FF
III.3.3.5 le rendement de conversion
III.4 module PV le générateur PV
III.4.1 protection classique d’un GPV
III.4.2 connexion directe entre la source GPV et une charge DC
III.5 mis en série et mis en parallèle de la cellule PV
III.6 les différentes technologies
III.6.1 comparaison
III.6.2 Les modules PV double face
III.7 connexion au réseau
III.7.1 les onduleurs photovoltaïques
III.7.2. Les batteries
III.7.3. Le régulateur
III.7.4. Le convertisseur
III.7.5. Les récepteurs
III.8 conclusion
IV. chapitre 4 : MODELISATION D’UN PANNEAU SOLAIRE
IV-1 introduction
IV.2 Les types des modèles
IV.2.1 Modèle a 2 paramètres
IV.2.2 modèle 3 paramètres
IV.2.3 modèle a 4 paramètres
IV.2.4 modèle a 5 paramètres
IV.2.5 modèle a double diode
IV.3 modélisation d’un modèle à 4 paramètres
IV.3.1 essai en court-circuit
IV.3.2 essai en circuit ouvert
IV.3.3 le point de la puissance max
IV.3.4 calcul des paramètres
IV.3.4.1 calcul du courant de la saturation de la diode
IV.3.4.2 le courant photonique
IV.3.4.3 calcul de la résistance série
IV.3.4.4 calcul de facteur de qualité de la diode n
IV.3.4.5 calcul de la résistance shunte
IV.4 modélisation d’un module photovoltaïque par MATLAB
IV.4.1 le chois de modèle
IV.4.1.1 Cacul du tension d’une cellule
IV.4.1.2 Cacul du faceteur de forme d’une cellule
IV.4.2 les caractéristiques I(V) du modèle BP SX 150
IV.4.3 Influence de l’éclairement sur la valeur de court circuit
IV.4.4 Influence de l’éclairement sur la valeur de Vco
IV.4.4 L’influence de G sur les caractéristiques I=f(V)
IV.4.5 L’influence de la température sur les caractéristiques I=f(V)
IV.4.6 Influence de la température sur les caractéristiques P(V)
IV.4.7 Influence de l’éclairement sur P(V)
IV.5 conclusion
Conclusion générale

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