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Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina -

Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 1 - Chapitre 7 Les énergies renouvelables 7.1 Généralités Les solutions d’économies d’énergie peuvent être diviser en deux grandes parties : les solutions de production de l’énergie, et les solutions de consommation de l’énergie utilisée. En effet, on peut faire le choix, dans le but de réduire ses dépenses en énergies (électricité, gaz, …) et de produire soi-même son électricité, afin de la consommer directement ou de la revendre à la société de production d’électricité. L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou indirectement à travers l'atmosphère. Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 2 - 7.2 L’énergie solaire thermique L’énergie solaire est une source d’énergie gratuite, inépuisable, non polluante et peut couvrir de 40 à 60 % des besoins annuels en eau chaude sanitaire, selon la région et la taille de l’installation. 7.2.1 Performances d’une installation solaire • 1 m² de capteur solaire fournit en 1 an l’énergie équivalente à 500 douches. • Ces installations couvrent près de 50% des besoins en eau chaude d’une famille de 4 personnes sur une année. • Pour l’usage de 4 personnes, une installation se compose de 4 à 5 m² de capteurs et d’un ballon de 300 à 500 litres. 7.2.2 Principe de fonctionnement Le fluide du circuit fermé passe dans les capteurs où il se chauffe. Il échange ensuite sa chaleur avec l'eau du chauffe-eau. Tandis que l'eau du chauffe-eau se réchauffe, le fluide se refroidit. Il repasse alors à nouveau dans les capteurs (une pompe assure la circulation du fluide dans le circuit fermé). Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 3 - Par ce système, on peut obtenir de l'eau chaude pouvant atteindre au maximum une température de 80°C. 7.2.3 Composants d’une installation solaire 7.2.3.1 Les capteurs solaires Ils transforment le rayonnement solaire en chaleur grâce à un absorbeur. Celui-ci transfère la chaleur captée vers un fluide qui le parcourt, appelé caloporteur. 7.2.3.2 Le circuit de transfert ou circuit primaire A travers lequel le fluide caloporteur circule entre le capteur et l’échangeur de chaleur du ballon. Le fluide se charge donc en calories solaires au niveau du capteur, les restitue à l’eau du ballon, et retourne se réapprovisionner en chaleur dans les capteurs. Il est important de noter que le circuit primaire doit être le plus court et le plus isolé possible afin de minimiser les pertes de chaleur dans la tuyauterie. 7.2.3.3 Le ballon de stockage solaire C’est un réservoir qui permet d’accumuler l’eau chaude produite par l’énergie solaire pour être utilisée en temps voulu. Sous nos latitudes, environ 6 mois par an, la température de cette eau Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 4 - atteindra, voire dépassera 45°C. Le restant de l’année, elle variera entre 15 et 45°C et on dira que l’énergie solaire préchauffe l’eau. 7.2.3.4 Les accessoires Le circulateur et son dispositif de régulation automatique, le système de vidange des capteurs...Ils assurent le bon fonctionnement du système et le protègent contre le gel ou une éventuelle surchauffe en été. 7.2.3.5 Un dispositif d’appoint Un chauffe-eau solaire est toujours accompagné d’un chauffage d’appoint. Lorsque la température de l’eau dans la partie supérieure du ballon de stockage solaire s’avère insuffisante pour être utilisée directement, l’appoint se déclenche et porte à la température désirée l’eau préchauffée par l’énergie solaire. La source d’énergie d’appoint peut être l’électricité, le gaz, ou le fioul. Le système de capteurs solaires est une technologie qui répond à des grands besoins pour les hôpitaux mais s’adapte aussi pour les structures rurales. Certains systèmes solaires n’ont pas besoin d’apport électrique ce qui permet la production d’eau chaude sanitaire solaire dans les structures en zone rurale non connecté au réseau électrique. 7.3 L’énergie photovoltaïque L'origine de l’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de la lumière prévenante du soleil en électricité dans les matériaux semi-conducteurs. L’électricité produite par cette conversion est disponible soit sous forme d’électricité directe ou stockée dans des batteries ou injectée dans le réseau. Le générateur solaire photovoltaïque est composé de plusieurs modules photovoltaïques qui sont à leur tour composés de plusieurs cellules photovoltaïques connectées entre elles. La performance d’une installation photovoltaïque dépend fortement de l’orientation et l'inclinaison des panneaux ainsi que l'intensité de l'ensoleillement dans la zone où se trouve cette installation. Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 5 - 7.3.1 Cellule photovoltaïque a- Définition C'est un composant électronique qui permet de produire de l’électricité (courant/tension) quand il est exposé à la lumière (c'est à dire exposé aux photons). On appelle ceci l’effet photovoltaïque qui est responsable à ce phénomène. Le courant obtenu par la cellule photovoltaïque dépend de la lumière à laquelle la cellule est exposé donc l'électricité produite dépend de l’éclairement. On note que le courant produit par la cellule photovoltaïque est un courant continu. Les semi-conducteurs à base de silicium (Si) présente la matière de base des cellules photovoltaïques les plus répandues sur le marché. Ces cellules photovoltaïques sont construites sous forme des minces plaques ayant comme épaisseur de quelques millimètres et ayant comme cotés une dizaine de centimètres. b-Caractéristique courant tension Pour une intensité d'éclairement bien déterminée, la cellule photovoltaïque est caractérisée par une courbe de courant-tension qui traduit l'ensemble des dispositions électriques que peut prendre la cellule photovoltaïque. Comme montre la Fig. 1, les grandeurs physiques qui caractérisent cette courbe sont les suivantes : VCO : la tension à vide (circuit ouvert) du module photovoltaïque (V) ICC : le courant de court-circuit du module photovoltaïque (A) Pmpp : la puissance maximale du module photovoltaïque (w) Vmpp : la tension optimale du module photovoltaïque (V) Impp : le courant optimum du module photovoltaïque (A) Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 6 - Figure 1 : Courbe caractéristique courant-tension d'un panneau photovoltaïque 7.3.2 Élément constitutif d’un système photovoltaïque 7.3.2.1 Panneau (module) photovoltaïque Actuellement, plus de 90 % des capteurs vendus dans le monde sont principalement composés de silicium. Ce matériau semi-conducteur a l’avantage de pouvoir être produit à partir d’une ressource naturelle quasi inépuisable qui est le quartz : un composant des granites, des sables et des grès. Cette technologie est la plus ancienne et a toujours dominé le marché. Il faut dire qu'elle a de nombreux atouts, à commencer par sa robustesse, avec une durée de vie de 30 ans environ, et par ses performances avec des rendements dans les plus élevés du marché : de 12 à 20 %. Le monocristallin Un capteur photovoltaïque monocristallin est fabriqué à partir d'un bloc de silicium pur, formé d'un seul cristal. Ce procédé (35 % du marché) est coûteux, mais permet d'obtenir les cellules qui ont le meilleur rendement du marché : 18-20 %. D'un point de vue esthétique, les cellules Chapitre 7 : Les énergies renouvelables ENIB - Enseignante : Fathia Chaibina - 7 - qui constituent le panneau ont une couleur uniforme et ont la forme de petits carrés aux angles coupés. Le polycristallin ou multicristallin Un capteur photovoltaïque polycristallin est fabriqué à partir de chutes de silicium monocristallin. Sa fabrication est moins chère, mais son rendement, d'environ 14-15 %, est un peu moins bon que pour un capteur monocristallin. Ce sont les panneaux les moins chers du marché (dont ils représentent 56 %). Le silicium amorphe Un capteur photovoltaïque à silicium amorphe est constitué d'une succession de couches de silicium dopées et non dopées. Avec cette technologie, les rendements restent faibles (environ 7- 8 %). La baisse des coûts de fabrication des cellules en silicium cristallin a écarté ce type de capteurs du marché pour les cantonner aux calculatrices et autres niches de production. Les couches minces Les cellules photovoltaïques à couches minces (9 % du marché) sont aussi produites à partir de silicium, mais en couches extrêmement fines (quelques microns). Elles ont le grand avantage de pouvoir être utilisées sur un support souple, et donc de pouvoir épouser des formes diverses. Cette filière est relativement bon marché, mais son coût a moins baissé ces derniers temps que les filières silicium. Les rendements sont dans les plus faibles du marché, autour de 8 à 10 %. Les couches minces regroupent principalement deux familles : le tellure de cadmium (CdTe) et un alliage de cuivre, indium et sélénium (CIS), auquel s‘ajoute parfois du gallium (CIGS). Filières en cours de développement Diverses filières, encore au stade de la recherche, commencent à faire parler d'elles. • On peut citer la filière organique, qui donne des bonnes perspectives de production à bas coût, mais dont les rendements sont encore trop faibles (de 3 à 5 %) et dont la durée de vie est encore trop limitée (environ 1 000 h). • Les familles des capteurs « hybrides » ou « à concentration » ou encore « multi jonction » semblent toutes les trois prometteuses pour obtenir des rendements optimisés. uploads/s3/ chapitre-7.pdf