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HAL Id: tel-01164783 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01164783 Submitted on 17 Jun 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Caractérisation de panneaux solaires photovoltaïques en conditions réelles d’implantation et en fonction des différentes technologies Thomas Mambrini To cite this version: Thomas Mambrini. Caractérisation de panneaux solaires photovoltaïques en conditions réelles d’implantation et en fonction des différentes technologies. Météorologie. Université Paris Sud - Paris XI, 2014. Français. NNT : 2014PA112380. tel-01164783 UNIVERSITE PARIS-SUD ÉCOLE DOCTORALE : STITS Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) DISCIPLINE PHYSIQUE THÈSE DE DOCTORAT soutenue le 16/12/2014 par Thomas Mambrini Caractérisation de panneaux solaires photovoltaïques en conditions réelles d’implantation et en fonction des différentes technologies Directeur de thèse : Christophe Longeaud Fonction au LGEP Co-directeur de thèse : Anne Migan-Dubois Maître de conférence au LGEP Composition du jury : Président du jury : Daniel LINCOT Directeur de Recherche (IRDEP, Chatou) Rapporteurs : Daniel LINCOT Directeur de Recherche (IRDEP, Chatou) Corinne ALONSO Professeur des Universités (Toulouse III) Examinateurs : Benoit BRAISAZ Ingénieur R&D (EDF R&D, Moret sur Loing) Hadjar BENMANSOUR Program Manager Solar R&D (Total, Courbevoie) Membres invités : Anne LABOURET Directrice commerciale (SOLEMS, Massy) Remerciements Les trois années de thèse que j’ai eu la chance et la joie de passer au Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) ont été pour moi source de savoir fondamentaux dans le domaine du photovoltaïque et sur le monde de la recherche, mais ne se résument pas seulement à cela. Elles m'ont également permis de rencontrer des personnes avec lesquelles j’ai eu grand plaisir à travailler, à tisser des liens d’amitié et sans lesquelles ce travail serait certainement très différent. J’aimerais leur dédier ces quelques lignes. Tout d’abord, je souhaiterais remercier mon directeur de thèse, Christophe Longeaud, qui m’a accordé sa confiance et a toujours su se montrer disponible. Je tiens à remercier tout particulièrement Anne Migan-Dubois, qui fut mon encadrant de stage, juste avant de débuter ma thèse et par la suite mon co-encadrant de thèse et avec qui j’ai eu l’honneur et le plaisir de travailler sur de nombreux projets tout au long de ces années. Elle m’a accordé sa confiance et a toujours su me mettre en avant sur les projets que nous menions. J’ai, grâce à elle, eu l’occasion de donner des enseignements à Paris Diderot, de co-encadrer des stagiaires venant d’écoles différentes (Polytechnique, Supélec, IUT d’Evry, Université Paris Sud). J’ai également pu participer à de nombreuses conférences, formations en France et à l’étranger. Par ailleurs, j’ai eu l’opportunité de travailler avec de nombreuses personnes au sein de mon laboratoire d’accueil, le LGEP, provenant de différentes équipes et je tiens à remercier chacune d’elle : je pense à Richard Andlauer, Aurore Brézard-Oudot, Marie Farret, Ghislain Remy avec qui j’ai eu plaisir à travailler et à partager du temps, mais aussi Michel Police, Emmanuel Blanc, Jean-Paul Kleider qui ont toujours été disponibles. Au cours de ces années, de nombreuses collaborations ont vu le jour et grâce à elles j’ai eu l’occasion de travailler avec des personnes provenant d’autres laboratoires et je tiens également à les remercier : Jordi Bardosa et Martial Haeffelin du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), Joacquim Nassar du Laboratoire de Physique des Interfaces et des couches Minces (LPICM), Vincent Bourdin du Laboratoire d’informatique pour la mécanique et les sciences de l’ingénieur (LIMSI) avec qui nos discussions étaient un réel échange et ont permis de donner vie à de nombreuses idées. Je tiens également à remercier les industrielles qui m’ont appris énormément sur le domaine du photovoltaïque et avec qui j’ai eu plaisir à travailler. Je pense notamment à Anne Labouret et Jacques Méot de la société Solems, Mustapha Elyaakoubi de la société TSFC-Instrument, Laurent Prieur et Vincent Radivoniuk de la société Soleïs Technologie, Jean-Louis Queri du Groupe EDF. Ces années m’ont également permis de rencontrer des personnes qui m’ont toujours soutenu, ont été d’une aide précieuse et avec lesquelles j’ai passé de très bons moments et espère en passer encore d’autres, aussi bien sur le plan professionnel que personnel. Je voudrais pour cela dire un grand merci à Federico Ventosimos, Sofia Gaiaschi, Peqing Yu, Romaric Lanfried, Alexandre Jaffre, Djicknoum Diouf, Vanessa Gorge, Amir Fath Allah, Erwann Coppola et Marko Pavlov. Enfin je souhaite remercier mes amis, toute ma famille et notamment mes frères Baptiste, Antonin, Jérémy Mambrini ainsi que mes parents Sylviane et Frédéric Mambrini pour leur soutien de tous les jours et à qui je dois beaucoup. Table des matières i Table des matières Résumé............................................................................................................................................... 3 Chapitre 1 : Introduction ......................................................................................................... 3 1) Contexte énergétique ..................................................................................................................... 6 A) Électricité PV dans le monde ................................................................................................. 6 B) Électricité PV en Europe ........................................................................................................ 8 C) Électricité PV en France....................................................................................................... 10 2) Contexte de l’étude ...................................................................................................................... 13 A) Domaines d’application du PV ............................................................................................ 13 B) Axes d’études dans le PV terrestre sans concentration ........................................................ 15 C) Intérêts et objectifs de la thèse ........................................................................................... 17 Bibliographie .................................................................................................................................... 18 Table des illustrations ....................................................................................................................... 19 Chapitre 2 : Rayonnement solaire terrestre ................................................................... 20 1) Trajectoire apparente du soleil dans l’espace local et rayonnement extraterrestre ....................... 21 A) Les systèmes de coordonnées ............................................................................................. 21 B) Calcul des grandeurs utiles (mesure des paramètres au LGEP (48°,42N 2°10E)) ................... 22 C) Le rayonnement extraterrestre ........................................................................................... 26 2) Le rayonnement à la surface de la terre ........................................................................................ 27 A) Le rayonnement électromagnétique du soleil ..................................................................... 28 B) Les rayonnements direct, diffus et global (choix d’un modèle de calcul du diffus) ............... 31 C) Étude des principaux facteurs de variation du spectre solaire ............................................. 32 3) La métrologie du rayonnement terrestre ...................................................................................... 34 A) L'instrumentation au sol ..................................................................................................... 34 B) Les relevés satellites ........................................................................................................... 37 C) Accès aux relevés atmosphériques ...................................................................................... 38 D) Les modèles d'extrapolation de paramètres atmosphériques :............................................ 39 E) Les normes pour l'application et l'exploitation des données météorologiques pour le PV .... 41 4) Conclusion .................................................................................................................................... 42 Bibliographie .................................................................................................................................... 43 Table des illustrations ....................................................................................................................... 45 Table des matières ii Chapitre 3 : La cellule photovoltaïque .............................................................................. 46 1) Le principe de la conversion photovoltaïque ................................................................................. 46 A) L'absorption de la lumière dans le matériau ........................................................................ 47 B) Le transfert de l'énergie des photons aux charges électriques ............................................. 48 C) La collecte des charges ........................................................................................................ 50 D) La diffusion et les recombinaisons des porteurs. ................................................................. 50 2) Les caractéristiques électriques d'une cellule photovoltaïque ....................................................... 51 A) La courbe courant-tension .................................................................................................. 51 B) La réponse spectrale (mesure de réponse spectrale pour le silicium cristallin et amorphe) . 53 3) La modélisation électrique d’une cellule PV (comparaison modèles/mesures) .............................. 55 4) Les technologies de cellules PV ..................................................................................................... 60 A) Les cellules photovoltaïques au silicium cristallin ................................................................ 60 B) Les cellules photovoltaïques en couches minces ................................................................. 62 C) Les cellules photovoltaïques de troisième génération ......................................................... 65 5) Conclusion .................................................................................................................................... 66 Bibliographie .................................................................................................................................... 66 Table des illustrations ....................................................................................................................... 67 Chapitre 4 : De la cellule au module.................................................................................. 68 1) De la cellule au module PV ............................................................................................................ 68 A) L'encapsulation des cellules PV ........................................................................................... 68 B) L'association de cellules photovoltaïques ............................................................................ 70 C) Les déséquilibres dans l'association de cellules PV .............................................................. 72 D) L'effet d'un ombrage partiel (expérimentation d’ombrage partiel sur module amorphe) .... 75 E) La protection par diode de by-pass...................................................................................... 78 2) Les normes de caractérisation et de résistivité des modules PV .................................................... 79 A) Les conditions standard de test ........................................................................................... 80 B) Mesures et procédures pour l'obtention des caractéristiques I-V (mesure de l’effet capacitif sur module amorphe) ............................................................................................................. 85 3) Exemple de fonctionnement des modules PV en conditions réelles ............................................... 91 A) Les conditions météorologiques de Gif sur Yvette ............................................................... 91 B) Impact des facteurs climatiques sur les performances électriques des modules PV ............. 93 4) Conclusion .................................................................................................................................... 96 Bibliographie .................................................................................................................................... 97 Table des illustrations ....................................................................................................................... 99 Table des matières iii Chapitre 5 : Plateforme de caractérisation en extérieur ......................................... 100 1) L’instrumentation pour les relevés atmosphériques .................................................................... 100 A) Le capteur d’éclairement .................................................................................................. 100 B) Les sondes de température ............................................................................................... 108 C) La station météorologique ................................................................................................ 109 D) Le spectromètre ............................................................................................................... 109 E) La programmation............................................................................................................. 109 2) L'instrumentation pour les caractérisations électriques .............................................................. 111 A) La plateforme tracker ....................................................................................................... 112 B) L'algorithme de mesure de la caractéristique I-V ............................................................... 114 C) Le programme d'automatisation de la plateforme ............................................................ 114 3) Les autres plateformes PV du LGEP ............................................................................................. 116 A) Les plateformes PV au LGEP .............................................................................................. 116 B) Les plateformes PV au SIRTA ............................................................................................. 117 4) Conclusion .................................................................................................................................. 118 Bibliographie .................................................................................................................................. 119 Table des illustrations ..................................................................................................................... 120 Chapitre 6 : Utilités d’une plateforme de caractérisation en extérieur ............. 121 1) La plateforme de caractérisation PV au service des projets ......................................................... 123 A) Modélisation du faible éclairement ................................................................................... 123 B) Modélisation de la correction du uploads/Science et Technologie/ vd2-mambrini-thomas-16122014.pdf