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22/10/2020 1 Cours Matériaux pour le photovoltaïque et stockage d’énergie Par l

22/10/2020 1 Cours Matériaux pour le photovoltaïque et stockage d’énergie Par le professeur Bouchaib HARTITI Master d’Ingénerie et Physique et des Matériaux Avancés IPMA Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale A) Panorama de l’énergie mondiale • L’activité humaine s’est toujours accompagnée d’une demande de plus en plus accrue en énergie. • Accélération surtout les dernières décennies ou de noubreux pays ont connu un développement soutenu et faisant appel à toutes les sortes d’énergie existentes. • Attention très particulière aux énergies renouvelables. 22/10/2020 2 Depuis la révolution industrielle, la consommation d'énergie n'a cessé d'augmenter. Une progression de 101 % en 42 ans, de 1973 à 2015 (consommation finale).  La consommation finale énergétique mondiale s'élevait en 2015, selon l'Agence internationale de l'énergie, à 9384 Mtep, dont 19 % sous forme d'électricité.  La répartition par secteur était : industrie 29 %, transports 29 %, résidentiel 22 %, tertiaire 8 %, agriculture et pêche 2 %, usages non énergétiques (chimie, etc.) 9 %. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale La production mondiale d'énergie commercialisée était en 2017, selon BP, de 13 511 Mtep, en progression de 16,6 % depuis 2007. 32,5 % de pétrole 27,9 % de charbon 23,4 % de gaz naturel 4,4 % de nucléaire 11,0 % d'énergies renouvelables (hydroélectricité 6,8 %, éolien 1,9 %, biomasse et géothermie 1,0 %, solaire 0,7 %, agrocarburants 0,6 %) Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 3 Cette statistique ne prend pas en compte les énergies auto- consommées (bois, pompes à chaleur, solaire thermique, etc.), qui selon l'Agence internationale de l'énergie représentaient 9,6 % en 2015 ; au total, la part des énergies renouvelables dans la production d'énergie mondiale est donc d'environ 20 %. Cette évolution de la consommation d’énergie et la production des énergies fossiles ou renouvelables laisse prévoir une raréfication de la ressource surtout pour les énergies fossiles Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale Beaucoup de travaux prévisionnels annoncent déjà la disparition de telles sources d’énergie dans les prochaines décennies. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 4 De plus l’utilisation des énergies fossiles est entâchée d’un problème de pollution généralisée de l’environnement qui devient planétaire par le biais du réchauffement climatique. Le réchauffement est climatique est responsable de l’augmentation de la température terrestre qui est responsable de la fente des glaciers aux pôles nord et sud. Ce réchauffement climatique est du aux émissions des gaz à effet de serre résultant de l’activité humaine sur terre. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 5 • Intérêt d’utilisation des énergies renouvelables Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale Energie solaire Energie Eolienne Energie hydraulique la biomasse le biogaz la géothermie superficielle et profonde… Le choix d’une telle énergie renouvelable par rapport à une autre est surtout dicté par l’abondance ou la rareté de telle énergie.  cependant l’énergie solaire est quasiment présente sur l’ensemble de la planète et surtout dans les pays les plus pauvres en ressources énergétiques. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 6 Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale Le Maroc comme les pays de l’afrique du nord sont bien pourvus par un éclairement solaire global largement supérieur à celui reçu par les pays européens du nord.  Le Maroc se situé dans la moyenne de l’Afrique considérée très favorable en sources énergétiques solaires. L’utilisation de l’énergie solaire n’est pas un problème de ressources mais surtout un problème de technologie permettant sa conversion en énergie utilisable avec un bon rendement énergétique. L’énergie solaire reçue annuellement par une surface horizontale varie entre 870 et 2500 KWh/m2 respectivement pour les régions les moins ensoleillées et les plus favorables. La variation de l’éclairement énergétique solaire s’étend d’une valeur de l’ordre de 300 W/m2 pour les régions défavorisées à plus de 1000 W/m2 pour les plus ensoleillés. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 7 Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale Pour le Maroc la moyenne de l’irradiation solaire quotidienne est 5 kWh/m2 Cet irradiation est fonction de l’état du ciel au cours de l’année. L’énergie solaire reçue quotidiennement est largement suffisante pour satisfaire les besoins énergétiques terrestres et représente 10000 fois ces besoins. Energie solaire intrinsèquement diluée et donc difficilement utilisable à présent pour la satisfaction de besoins énergétiques énergivores mais peut être jointe à un mix énergétique choisi. Captation de l’énergie solaire, par un capteur approprié de quelque mètres carrés, permet la satisfaction d’un certain nombre de besoins énergétiques tels que: Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 8 Eclairage Télécommunications Audiovisuel (radio et télévision) Pompage Eau chaude sanitaire Chauffage et climatisation des locaux Conservation des denrées périssables, etc… Applications nécessaire au développement durable des populations. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale Existence de deux applications phares de l’énergie solaire: Le solaire thermique qui consiste à transformer le rayonnement en chaleur pour être utilisée dans la production d’eau chaude sanitaire ou de la vapeur d’eau entraînant les turboalternateurs. Le solaire photovoltaïque permettant l’obtention de l’énergie électrique à partir de la conversion du rayonnement solaire par le biais des matériaux semi-conducteurs. La physique qui décrit les deux branches de l’énergie sont relativement différentes, la première repose sur la conversion du rayonnement solaire en chaleur, le transfert et le stockage de la chaleur, la seconde concerne la création la collecte et le stockage de l’électricité pour une utilisation décalée dans le temps. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 9 Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale • L’énergie solaire captée sur de grandes surfaces pendant une journée par ciel serein ou moyen est suffisante pour assurer de nombreux besoins en: Electricité au sein des champs photovoltaïques Eau chaude sanitaire dans les installations à capteurs plans. Eau vapeur dans les installations solaires à concentration. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Introdution générale 22/10/2020 10 1) Description du soleil C’est une sphère gazeuse d’hydrogène et d’hélium avec de l’oxygène et du carbone en plus d’autres éléments en très faible quantité. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire La densité moyenne du soleil est 1400 Kg/m3 comparée à celle de la terre qui de 5500 Kg/m3 Son rayon est de 700000 Km (6400 pour la terre) Sa masse représente 99,85% de la masse totale du système solaire et 330000 fois celle de la terre. L'âge du soleil est estimé par divers recoupements à environ 6 milliards d’années et sa durée probable de vie est de même ordre de grandeur. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire 22/10/2020 11 Le soleil est une masse en rotation, la partie équatoriale tourne en 24 jours alors que les parties proches des pôles tournent en 30 jours. A l’échelle de l’homme son rayonnement peut être considéré comme inépuisable. L’énergie solaire reçue quotidiennement représente 10000 fois les besoins mondiaux en énergie. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire 2) Composition du soleil Le soleil n’est pas une sphère homogène mais constitué de régions principales: Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire Le cœur ou l’intérieur, où se crée l’énergie par réaction nucléaire exothermique. Il est inaccessible aux investigations du fait de l’absorption totale par les couches extérieures de rayonnement émis par celui-ci. (Températures de plusieurs millions de degrés, pression 1 milliard d’atmosphères). 22/10/2020 12 La photosphère qui est très mince (environ 500 km) et qui est responsable de la majorité du rayonnement qu’on reçoit (Température de milliers de degré qui décroit très rapidement jusqu’à une température dite de surface de 4500 K cependant le soleil rayonne globalement comme un corps noir à 5800 K pour une pression de 1/100 d’atmosphère). La chromosphère ou couronne qui est une région ou la matière est très diluée, le rayonnement émis est très faible en raison de l’agitation de la matière qui est responsable de la formation de jets (spécules, protubérances). Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire L’énergie émise par le soleil résulte d’une suite de réactions thermonucléaires et exothermiques compliquées dite cycle de Bethé: Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire Cette énergie est suffisante pour entretenir une température élevée de l’ordre de 5800 K qui est responsable du rayonnement solaire reçu au niveau de la terre. 22/10/2020 13 3) Mouvement de la terre autour du soleil: La distance moyenne entre le soleil et la terre est de 149 450 000 km cependant en raison de l’orbite elliptique de la terre, cette distance passe par des extremums: L’apogée vers le 21 juin et le périgée au alentour du 22 décembre. Élément 1 : Matériaux pour le Photovoltaïque (PV) Caractéristiques du rayonnement solaire uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-1 3 .pdf