Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Universit

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Tunis 1 Année académique : 2020 – 2021 Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Tunis Département de Génie Mécanique Projet Maîtrise de l’énergie Elaboré Par : Ben Rhouma Malek Msadia Mohamed Ali Classe : 3 CPI 3 Productique Sommaire : a) Introduction Générale...................................................................................................................5 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque...................................................6 1. Introduction...................................................................................................................................6 2. Le principe de l’effet photovoltaïque............................................................................................6 3. La cellule photovoltaïque..............................................................................................................6 3.1. Définition...............................................................................................................................6 3.2. Le principe de fonctionnement..............................................................................................7 3.3. Schéma électrique équivalent................................................................................................7 3.4. Caractéristiques d'une cellule photovoltaïque.......................................................................9 C. Le Facteur de forme :..........................................................................................................10 4. Structure......................................................................................................................................11 5. Les filières technologiques d'une cellule photovoltaïque...........................................................12 5.1. Le silicium...........................................................................................................................13 5.2. Les couches minces.............................................................................................................14 6. Le module photovoltaïque..........................................................................................................15 6.1. Définition.............................................................................................................................15 6.2. Caractéristiques d'un module photovoltaïque......................................................................15 6.3. La constitution d'un module photovoltaïque.......................................................................17 6.4. Regroupement des cellules..................................................................................................18 7. Conclusion..................................................................................................................................22 Chapitre II : État de l’art sur les centrales photovoltaïques...................................................................23 1. Introduction.................................................................................................................................23 2. Les centrales solaires..................................................................................................................23 3. Les composants d’une centrale photovoltaïque..........................................................................23 3.1. Les panneaux solaires (capteurs).........................................................................................25 3.2. Système de stockage............................................................................................................26 3.3. Système de régulation..........................................................................................................26 3.4. La diode anti-retour/ diode By-pass....................................................................................26 3.5. Système de conversion........................................................................................................28 3.6. La Charge............................................................................................................................32 4. Les différents types de systèmes photovoltaïques......................................................................32 4.1. Système autonome...............................................................................................................32 4.2. Système hybride..................................................................................................................33 4.3. Systèmes raccordés au réseau..............................................................................................34 5. Comparaison des systèmes photovoltaïques...............................................................................34 6. Les critères de choix d’une centrale photovoltaïque..................................................................36 7. Conclusion..................................................................................................................................37 Chapitre III : Étude de cas réel..............................................................................................................38 1) Déterminer les besoins électriques :...........................................................................................38 2) Inventaire des appareils électriques :..........................................................................................38 3) Bilan de puissance et d'énergie...................................................................................................41 4) Dimensionner le champ photovoltaïque.....................................................................................41 a) Evaluation du gisement solaire......................................................................................................41 b) Calcul de la puissance crête du champ photovoltaïque..............................................................43 c) Calcul du ratio de performance PR.............................................................................................43 d) Intégration du champ photovoltaïque.........................................................................................45 5) Dimensionner le parc de batteries...............................................................................................49 e) Choix de la tension du parc de batteries.....................................................................................49 f) Calcul de la capacité du parc de batteries...................................................................................51 g) Dimensionnement du régulateur.................................................................................................53 6) Conclusion générale....................................................................................................................72 7) Netographie.................................................................................................................................74 Table de figures Figure 1: structure et diagramme de bande d’une cellule photovoltaïque...................................7 Figure 2: Schéma électrique du modèle équivalent à deux diodes d'une cellule photovoltaïque. ..................................................................................................................................................... 8 Figure 3: Caractéristique courant-tension et paramètres physiques d'une cellule photovoltaïque.............................................................................................................................9 Figure 4: Structure d’une cellule photovoltaïque......................................................................11 Figure 5: Évolution de la production mondiale des différentes technologies de cellules PV...12 Figure 6: Photos de cellules monocristallin(a) et multicristallin (b).........................................14 Figure 7: Les différentes zones de la caractéristique I(V).........................................................16 Figure 8: ruban métallique d'une cellule....................................................................................17 Figure 9: Encapsulation des cellules..........................................................................................17 Figure 10: caractéristiques résultantes d'un groupement de (Ns) cellules en séries..................19 Figure 11: caractéristiques d'un groupement de (Np) cellules en parallèle...............................20 Figure 12: (a) architecture classique d'un panneau solaire photovoltaïque avec diodes de protections..................................................................................................................................21 Figure 13: Schéma général d’une installation photovoltaïque..................................................23 Figure 14: Panneau solaire.........................................................................................................24 Figure 15: Un panneau solaire déconnecté................................................................................28 Figure 16: Plusieurs panneaux solaires déconnectés.................................................................28 Figure 17: classification des onduleurs PV connectés au réseau...............................................32 Figure 18: Système photovoltaïque avec stockage....................................................................34 Figure 19: Système d’alimentation autonome hybride photovoltaïque/ groupe électrogène....34 Figure 20: Système photovoltaïque raccordé au réseau............................................................35 a) Introduction Générale La transition énergétique, concept d’origine allemande et datant des années 80, se base sur l’abandon progressif des sources d’énergie fossile et de la substitution de ces derniers par des ressources renouvelables et moins centralisées dont on peut citer l’éolien, l’hydraulique, la biomasse, le solaire… Cette révolution propose des solutions et des alternatives aux problèmes issus des énergies fossiles, principalement l’épuisement de ces derniers et le réchauffement climatique. Cette transition permettra alors d’aboutir non seulement à un monde plus écologique mais aussi à un développement durable. Et dans ce cadre, l’énergie solaire parait être la forme d’énergie renouvelable la plus adéquate pour faciliter ce changement. Cette source est dans un premier lieu inépuisable. Elle réside dans les rayons émis par le soleil, tout au long de l’année. Tous les continents sont ensoleillés, et donc, peuvent exploiter cette énergie. De plus, il s’agit d’une source polyvalente. Grâce aux multiples méthodes d’exploitation (photovoltaïque, thermique, thermodynamique), elle permettrait d’alimenter tous les secteurs d’activités. Ainsi, les usines, les transports, les ménages, les bâtiments et les industries peuvent être alimentés. Enfin, nous parlons d’énergie moins polluante et qui est abordable dans le volet économique. C’est alors tout naturellement que je me suis intéressée par ce sujet et me suis retournée au photovoltaïque dans mon stage d’ingénieur. Mon rapport comporte une étude comparative de quelques technologies de panneaux utilisés. Dans un premier chapitre, nous allons présenter la cellule photovoltaïque et ses particularités. Le deuxième chapitre décrit le fonctionnement des centrales solaires. Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque 1. Introduction Dans ce premier chapitre nous étalerons tout d’abord le principe de fonctionnement des cellules solaires ensuite nous parlerons des différentes technologies des cellules solaires ainsi que la mise en œuvre des modules photovoltaïques. 2. Le principe de l’effet photovoltaïque C’est un phénomène physique qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température et de vieillissement de la cellule. 3. La cellule photovoltaïque 3.1. Définition La cellule PV ou est le plus petit élément d’une installation photovoltaïque. Elle est composée de matériau semi-conducteur et transforme directement l’énergie lumineuse en énergie électrique. Les cellules photovoltaïques sont constituées :  D’une fine couche semi-conductrice (matériau possède une bande interdite, qui joue le rôle de la barrière d’énergie que les électrons ne peuvent franchir sans une excitation extérieure, et dont il est possible de faire varier les propriétés électroniques) tel que le silicium, qui est un matériau présentant une conductivité électrique relativement bonne.  D’une couche antireflet permettant une pénétration maximale des rayons solaires.  D’une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d’un métal conducteur sur le dessous ou anode.  Les plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissants justes en dessous du semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps dans celui-ci pour améliorer le rendement. 3.2. Le principe de fonctionnement Une cellule photovoltaïque permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation suit les trois étapes suivantes :  Absorption des photons (dont l’énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;  Conversion de l’énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création des paires électron/trou dans le matériau semi -conducteur ;  Collecte des particules générées dans le dispositif ; Le matériau constituant la cellule doit donc avoir deux niveaux d’énergie et être suffisamment conducteur pour permettre le passage du courant. De plus un champ électrique dissociant les paires électron/trou créés permet de collecter les particules générées. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction P-N. Figure 1: structure et diagramme de bande d’une cellule photovoltaïque. 3.3. Schéma électrique équivalent Figure 2: Schéma électrique du modèle équivalent à deux diodes d'une cellule photovoltaïque. Comme le montre la figure ci-dessus une cellule photovoltaïque comporte une résistance série Rs et une résistance de shunt Rp de dérivation. Ces résistances influent la caractéristique Ipv-Vp de la cellule. A. La résistance série L'ensemble des pertes de la cellule PV dépend, de la résistance série Rs. Son effet devient très remarquable en module composé de plusieurs cellules connectées en série, la valeur de cette résistance est multipliée alors par le nombre de cellules présentes. B. Résistance parallèle La résistance shunt, représente une partie des pertes liées à une fuite de courant assez petite par un chemin résistif parallèlement au dispositif intrinsèque. Ceci peut être représenté par une résistance parallèle. Son effet est beaucoup moins remarquable dans un module photovoltaïque comparé à la résistance série qui apparait uniquement quand une multitude de cellules sont reliées en parallèle pour créer un générateur photovoltaïque. Id : courant direct de la diode. Ipv : le courant fourni par la cellule. Vp : la tension aux bornes de la cellule. Rp : la résistance modélisant les courants de fuites de la jonction. Rs : la résistance série caractérisant les diverses résistance de contacts et de connexions. n: "facteur d'ideality" ; prend une valeur entre 1 et 2. 3.4. Caractéristiques d'une cellule photovoltaïque Il existe de nombreux paramètres qui permettent de caractériser une cellule solaire. Ces paramètres sont appelés paramètres photovoltaïques et sont déduits de la caractéristique I(V). La figure suivante représente une caractéristique courant-tension I(V) dans le noir et sous illumination typique d’une cellule photovoltaïque à jonction PN. Le tracé de cette courbe permet d’accéder à bon nombre de paramètres physiques caractéristiques du composant. Les premiers paramètres qui apparaissent sur la caractéristique courant -tension d’une cellule photovoltaïque sont le courant de court-circuit (Icc), la tension à circuit ouvert (Vco) et le facteur de forme FF du composant. Figure 3: Caractéristique courant-tension et paramètres physiques d'une cellule photovoltaïque. A. Le courant de court-circuit (Icc/ Isc) Il s’agit du courant lorsque le potentiel appliqué à la cellule est nul. C’est le plus grand courant que la cellule peut fournir. Celui-ci est en fonction de la température, de la longueur d’onde du rayonnement, de la surface activé de la cellule, de la mobilité des uploads/Ingenierie_Lourd/ maitrise-denergie-enregistre-automatiquement.pdf

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