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Mamadou Lamine NDIAYE École Supérieure Polytechnique de DAKAR Centre Internatio

Mamadou Lamine NDIAYE École Supérieure Polytechnique de DAKAR Centre International de Formation et de Recherche en Energie Solaire (CIFRES) ESP, Dakar 2013 Cours Energie Solaire Photovoltaique 1 PLANNING 2 PLAN 3 q Contexte et enjeux des énergies renouvelables q Effet photovoltaïque et Conversion PV q Technologie des cellules PV q Répartition énergétique du spectre solaire q Evaluation du potentiel solaire q Caractérisation des modules solaires q Dimensionnement des installations solaires q Système solaire connectés au réseau q Méthodologie de réalisation d’une installation solaire q Maintenance d’une installation solaire CONTEXTE ET ENJEUX DES ÉNERGIES RENOUVELABLES 4 ÉNERGIE ET DEVELEOPPEMENT 6 q La consommation énergétique en Afrique reste la plus faible du monde : 0,63 tep par habitant § 1Tep = 41,855 giga joules = 10Gcal, = 1T de pétrole; § 1baril de pétrole = 159 litres § 1 Tep = 7,6 barils q 2,8 fois moins que la moyenne mondiale q 7 à 14 fois moins qu’en Europe et Amérique du Nord q La faiblesse de la consommation énergétique se traduit par l’utilisation massive des forces humaines et animales pour la satisfaction des besoins q Le soleil déverse chaque jour l’équivalent de 100 000 milliards de TEP (tonnes équivalent pétrole) SOURCES D’ÉNERGIE 7 q Un monde dominé par les combustibles fossiles . q Nous distinguons : § Le Charbon § Le pétrole § Le Gaz § Le Nucléaire § Les Énergies Renouvelables • L’Hydraulique • Le solaire • L’Éolien • La Biomasse (renouvelable que si l’on replante ce que l’on consomme) • La Géothermie DEUX PROBLÈMES PRÉOCCUPANTS 8 q Accroissement de l’effet de serre q Energies fossiles § Inégalement réparties dans le monde § Raréfaction des ressources fossiles à bon marché § Fluctuations des prix § Epuisables à long terme ÉNERGIES RENOUVELABLES: ÉNERGIE DE SUBSTITUTION 9 q Le gisement solaire en Afrique et au Sénégal est considérable avec 1.500 à 2.500 heures d’ensoleillement par an q 74% de l’Afrique reçoit un ensoleillement annuel supérieur à 1900 kWh/ m²/an q L’énergie solaire est la source d’énergie la mieux adaptée à la satisfaction des besoins modérés et dispersés en électricité q L’énergie fossile ne dure qu’un temps et coûte chère, 1baril de pétrole autour de 86dollars q La biomasse – essentiellement « bois énergie » représente ¾ de la consommation énergétique totale constituant une menace pour l’environnement q L’approvisionnement difficile de l’énergie fossile Malgré des paramètres géographiques et technologiques favorables et des situations économiques contraignantes, l’utilisation des énergies renouvelables reste encore marginale IMPACTS DE L’UTILISATION DES ÉNERGIES RENOUVELABLES 10 q Le développement des énergies renouvelables notamment l’électricité solaire au service du développement rural participe à la mise en œuvre des priorités majeures que sont : § Lutte contre la pauvreté à travers l’autosuffisance alimentaire, l’accès à l’eau potable et à l’énergie, § Amélioration de la santé, § Égalité entre hommes et femmes, § Sauvegarde des ressources naturelles. § De l’énergie propre pour un environnement meilleur et un développement durable. § Sécurité: l’éclairage public favorise la lutte contre l’insécurité § Création d’emplois dédiés § Limitation des catastrophes naturelles § Minimalisation des catastrophes écologiques L’ENERGIE SOLAIRE 11 q L'énergie solaire est l’énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l‘atmosphère. q Nous distinguons : § L’énergie solaire photovoltaïque § L’énergie solaire thermique L’énergie solaire photovoltaïque Production d’électricité L’énergie solaire thermique Production de la chaleur ÉVOLUTION DE LA PRODUCTION DE PV EN GWc 12 ÉVOLUTION DE L’INSTALLATION DE PV EN GWc 13 ÉVOLUTION DES INSTALLATIONS CUMULEES 14 PARTS DE MARCHE PAR TECHNOLOGIE 15 •Marché dominé par le silicium •Couche mince en déclin 4-6 % UTILISATION DU SILICIUM 16 q Sur une production des cellules PV de plus de 100 GW-crête en 2017 q 94% de la production sur silicium cristallin § 61% monocristallin; § 33% multicristallin q 12 tonnes de silicium pour produire 1MWc q Le silicium représente 28% de la croûte terrestre § oxydes ou de silicates § non toxique et peu coûteux § Le taux d’impureté dans le silicium métallurgique est entre 0.5 et 2% EFFET PHOTOVOLTAIQUE 17 q 1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque. q 1875 : Werner Von Siemens expose le phénomène devant l’Académie des Sciences de Berlin. q 1887 : Heinrich Hertz met en évidence en l’effet photoélectrique externe, q 1922 : Einstein obtient le prix Nobel de physique sur l ’effet photo-électrique q 1954 : Chaplin, Pearson et Prince, des laboratoires Bell mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement (4%). q 1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace. q 1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware. q 1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie 18 HISTORIQUE 29/10/19 19 q L ' é n e r g i e s o l a i r e p h o t o v o l t a ï q u e est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire au moyen d’une cellule photovoltaïque. q Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé a la lumière (photons), génère une tension électrique (0,5 V/ cellule). q Le semi-conducteur le moins cher actuellement présent sur le marché est le silicium, un élément en abondance sur la Terre puisqu'il compose à 28% l'écore terrestre. q Le but des cellules photovoltaïques est de convertir l‘énergie lumineuse provenant du Soleil en énergie électrique. q Ceci se fait en trois étapes : ü absorption des photons de la lumière solaire ; ü conversion de l‘énergie reçue par les photons en énergie électrique (particules électriques libres) ; ü collecter les particules dans un circuit électrique externe PRINCIPE DE L’EFFET PHOTOVOLTAIQUE INTERACTION RAYONNEMENT MATIÈRE 20 Matière q Atomes Noyau entouré d’un nuage électronique. Les électrons ne peuvent occuper n’importe quels niveaux d’énergie :règles de distribution (Bohr) Rayonnement q Photons La lumière est constituée de photons vibrant à des fréquences f et sont donc porteurs d’une énergie E (joule) =h.f q E (eV) = hν = hc/λ = 1,24/λ Lorsqu’il y a interaction, l’énergie du photon est intégralement transférée à l’électron h constante de PLANCK = 6,62 x10-34J/s C: vitesse de la lumière =3x108m/s λ: longueur d’onde 1 eV = 160,217. 10-21 Joule = 44,505. 10-24 Wh 21 Bande conduction Bande interdite Eg=1,12eV Niveau du vide Bande conduction Bande permise Eg=5 à 10 eV Niveau du vide Bande de valence (dernière bande pleine ou presque pleine) Bande interdite (Gap) Semi conducteur SI Isolant Niveau du vide Bande permise (bande de valence) Bande conduction (dernière bande vide ou presque vide) Bande interdite Métal STRUCTURE ÉLECTRONIQUE DES SOLIDES q Bandes de valence, de conduction et Interdite 21 22 q Bande de valence, les électrons qui s'y trouvent participent aux liaisons entre les atomes q Bande de conduction, les électrons qui s'y trouvent sont mobiles et peuvent bouger d'un atome à l'autre si on leur applique un champ approprié, ils participent donc à la conduction électrique ; c'est le déplacement de ces électrons là qui est responsable du courant électrique q Bande interdite, ou GAP la gamme d'énergie auxquelles les électrons n'ont pas accès (il n'y a pas de niveau d'énergie dans cette gamme). q Niveau de Fermi, correspond à l'énergie limite qui sépare, au zéro absolu, les niveaux occupés des niveaux vides. Cette énergie est caractéristique du matériau. 22 STRUCTURE ÉLECTRONIQUE DES SOLIDES 23 q Métal, le gap est nul ; il y a continuité entre les bandes de valence et celles de conduction, il y a donc toujours des électrons susceptibles de conduire le courant. q Isolant, la dernière bande de valence est pleine, et le gap est énorme : il n'y a donc aucune chance d'exciter un électron pour qu'il passe dans la bande de conduction (l'énergie requise est trop importante et ferait fondre le matériau avant qu'il ne commence à conduire). q Semi conducteur, à température nulle (=0 Kelvin) ce sont des isolants : bandes de valence pleines, et bandes de conduction vides. Mais un apport d’énergie faible (thermique ou lumineuse) suffit à faire passer des électrons dans la bande de conduction car le gap est très faible (de l'ordre de l'eV) : le matériau devient ainsi conducteur. CONDITIONS D’INTERACTION 23 24 q Métal, toutes les λ peuvent être absorbées § tous les niveaux supérieurs à EF (niveau de Fermi) sont autorisés. § ces niveaux sont libres EF : Energie où la probabilité de présence d’un électron est de ½ q Isolant, il y a interaction si Ephoton > Eg (Gap) pour atteindre les premiers niveaux autorisés – càd Ephoton > 5 eV soit λ < 0,25 µm q Semi conducteur, Eg compris entre 0,6 et 2 eV – Si cristallin : Εg = 1,12eV soit λ < 1,12 µm CONDITIONS D’INTERACTION 24 25 q L’intéraction libère des électrons de la bande de valence qui circulent librement dans la bande de conduction électrons de conduction uploads/s3/cours-pv.pdf