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UNIVERSITE DE LOME CENTRE D’EXCELENCE REGIONAL POUR LA MAÎTRSE DE L’ELECTRICITE

UNIVERSITE DE LOME CENTRE D’EXCELENCE REGIONAL POUR LA MAÎTRSE DE L’ELECTRICITE (CERME) Cours : Energie Solaire (Production et Applications) Chargé du cours : Dr Edjadessamam AKORO Année universitaire 2021-2022 Avant-Propos La consommation mondiale d’électricité observée durant ces dernières décennies est fortement liée au développement de l’industrie, du transport et des moyens de communications. De nos jours, une grande partie de la production électrique est basée sur des ressources non renouvelables comme le charbon, le gaz naturel, le pétrole et l’uranium. Leur vitesse de régénération extrêmement lente à l’échelle humaine, ce qui entrainera à plus ou moins courte échéance, un risque non nul de leur épuisement. En effet, la demande ne cesse de croître, et tant dès à présent, à être supérieure à l’offre, se traduisant par une forte fluctuation du prix du pétrole par exemple. D’autre part, ce type de consommation énergétique n’est pas neutre en ce qui concerne l’impact environnemental. Pour les hydrocarbures et le charbon par exemple, d’importantes émissions de gaz à effet de serre sont générées quotidiennement jouant un rôle prépondérant au niveau du dérèglement climatique et de l’augmentation de la pollution. Ce constat pousse de plus en plus à rechercher de solutions innovantes palliant le déficit énergétique et limitant l’impact négatif sur l’environnement. Ainsi, le développement des sources moins polluantes à base d’énergie renouvelable est de plus en plus privilégié, à la fois par les producteurs d’énergie et les pouvoirs publics. Parmi ces énergies renouvelables, l’énergie solaire photovoltaïque (PV), basée sur la conversion du rayonnement solaire en électricité à partir des cellules PV est la plus utilisée, surtout dans les pays sahéliens. Lors de la récente conférence de Paris sur le climat (COP 21) plusieurs engagements ont été pris en vue de l’augmentation de l’approvisionnement énergétique d’origine renouvelable en général et solaire en particulier. L’énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par le biais d’une cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. Ces cellules solaires sont assemblées pour former des modules solaires qui à leur tour sont associées pour constituer des champs photovoltaïques. Dans ce support de cours concernant l’énergie solaire nous allons exposer des critères de choix des générateurs photovoltaïques, convertisseurs de puissance associés, modes de commande et de régulation, applications autonomes ou connectées au réseau électrique Chapitre 1 : Généralités sur les systèmes solaires photovoltaïques 2 I. Généralités sur les différents types d’énergies renouvelables Définition ? I.1. L’énergie solaire Transformation de l’énergie solaire en électricité ou en chaleur à partir de panneaux ou de capteurs solaires. Le soleil, principale source des différentes formes d’énergies renouvelables disponibles sur terre. Il existe deux types a. L’énergie solaire photovoltaïque L’énergie solaire photovoltaïque convertit directement le rayonnement lumineux (solaire ou autre) en électricité. Elle utilise pour ce faire des modules photovoltaïques composés de cellules solaires ou de photopiles qui réalisent cette transformation d’énergie. Figure 1 : Module photovoltaïque b. L’énergie solaire thermique Elle est radicalement différente de l’énergie solaire photovoltaïque, elle, produit de la chaleur à partir du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer de l’eau ou de l’air. On utilise dans ce cas des capteurs thermiques qui relèvent d’une toute autre technologie. Dans le langage courant, ce sont des « chauffes eau solaires » ou des « capteurs à air chaud ». Figure 2 : Chauffe-eau solaire 3 c. L’énergie solaire thermodynamique Il y a aussi ce qu’on appelle l’énergie solaire thermodynamique, qui fonctionne sur le principe de concentration des rayons solaires au moyen des miroirs galbés, en un foyer placé sur une tour qui emmagasine les calories pour les restituer ensuite sous forme mécanique à l’aide d’une turbine à vapeur par exemple. Figure 3: Tour solaire I.1.2 L’énergie éolienne : C’est une énergie produite par le vent au moyen d’un dispositif aérogénérateur ou un moulin à vent. Figure 4: éolienne I.1.3 L’énergie hydraulique Utilisant des cours d’eau pour produire d’électricité. 4 I.1.4 La géothermie Le principe consiste à extraire l‟énergie géothermique contenue dans le sol. La plus grande partie de la chaleur de la terre est produite par la radioactivité naturelle des roches qui constituent la croûte terrestre. Figure 4: Centrale géothermique de Nesjavellir en Islande. I.1.5 Le biogaz Utilisation de l’énergie générée par la combustion du gaz méthane collecté et produit par les déchets organiques parvenant de l’agriculture et des décharges industrielles. Figure 5: Le principe du biogaz I.1.6 La biomasse Il s’agit d’énergie stockée sous forme organique grâce à la photosynthèse, et exploitée par combustion (bois et autre biocarburants). Elle est considérée comme renouvelable si on admet que les quantités brûlées n’excèdent pas les quantités produites. 5 Figure 6: Le principe de La biomasse I.1.7 L’énergie marémotrice L’énergie des vagues (marée haute, marée basse), transformée en énergie électrique. Figure 7: Le principe de la marémotrice 6 II. Historique du photovoltaïque : Découvert en 1839 par Antoine Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule qui génère un courant électrique continu. L’électricité PV est apparue en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium. Mais ce n'est qu'en 1954, avec la réalisation des premières cellules photovoltaïques au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell Téléphone, que l'on entrevoit la possibilité de fournir de l'énergie. Très rapidement utilisées pour l'alimentation des véhicules spatiaux vers les années 60 avec l'équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de 1970, les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés. Au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et est même devenue familière des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompes et réfrigérateurs solaires. Le progrès des techniques de production de cellules photovoltaïques ainsi que l'augmentation des volumes de production ont entrainé, à partir des années 1990, une baisse des prix. La production de modules se fait en Chine (près de 60 % de la production totale), au Japon, aux EU, en Allemagne et en Europe, avec en particulier des grandes compagnies comme Yingli Green Energy, First Solar et Suntech Power. La production mondiale de modules photovoltaïques est passée de 5 MWc en 1982 à plus de 25 GWc . Concernant le Togo, qui importe plus la moitié de son énergie du Nigeria et du Ghana, mise sur le solaire pour développer l'accès à l'électricité de ses huit millions d'habitants jusque dans les zones les plus reculées du pays. Une centrale photovoltaïque de 50 mégawatts, la plus grande d'Afrique de l'Ouest, vient d’être inaugurée à Blitta à 267 km au nord de Lomé. Sa construction a duré 18 mois pour une exploitation prévue sur au moins 25 ans. Dans le cadre du Projet d’appui au volet social qui vise à électrifier les communautés rurales, on compte près de 3 000 systèmes de pompages solaires qui vont être installés sur l’ensemble du territoire togolais. Ainsi, l’Agence togolaise d’électrification rurale et des énergies renouvelables (AT2ER) a lancé un appel d’offre pour l’acquisition et l’installation de 600 premiers kits d’irrigation. 7 II.1. La conversion de la lumière en électricité : Le terme « photovoltaïque » souvent abrégé par le sigle « PV », à été formé à partir des mots « photo » un mot grec signifiant lumière et « Volta » le nom du physicien italien Alessandro Volta qui a inventé la pile électrochimique en 1800. L’effet photovoltaïque est la conversion directe de l’énergie solaire en électricité. Figure 8: conversion de l’énergie solaire en électricité. L’énergie photovoltaïque est obtenue directement à partir du rayonnement du soleil. Les modules photovoltaïques composés des cellules photovoltaïques à base de silicium ont la capacité de transformer les photons en électrons. La conversion photovoltaïque se produit dans des matériaux semi-conducteurs. L’énergie sous forme de courant continu est ainsi directement utilisable. a. Dans un isolant électrique : les électrons de la matière sont liés aux atomes et ne peuvent pas se déplacer. b. Dans un conducteur électrique (un fil de cuivre par exemple) les électrons sont totalement libres de circuler et permettent le passage d’un courant. c. Dans un semi-conducteur : la situation est intermédiaire, les électrons contenus dans la matière ne peuvent circuler que si on leur apporte une énergie pour les libérer de leurs atomes. Quand la lumière pénètre dans un semi-conducteur, ces 8 photons apportent une énergie permettant aux électrons de se déplacer, il ya donc courant électrique sous l’exposition à la lumière. II.2. Technologie des cellules solaires : Le Silicium est l’un des matériaux le plus courant sur terre, c’est le sable, mais un haut degré de pureté est requis pour en faire une cellule photovoltaïque et le procédé est coûteux. Selon les uploads/Industriel/ cours-solaire-cerme-v4.pdf