Comment exploiter lnergie solaire ? Comment fonctionne une installation photovoltaque ?

Principe de lnergie solaire photovoltaque : transformer le rayonnement solaire en lectricit

laide dune cellule photovoltaque.

I-/ LES DIFFERENTES INSTALLATIONS PHOTOVOLTAQUES

1-/ Les installations sur site isol

Ce type de montage est adapt aux installations ne pouvant tre raccordes au rseau.

Lnergie produite doit tre directement consomme et/ou stocke dans des accumulateurs

pour permettre de rpondre la totalit des besoins.

Terminale Bac Pro

LENERGIE SOLAIRE

PHOTOVOLTAQUE NOM :

DATE :

Rayonnement solaire

Electricit

Panneaux solaires photovoltaques

Panneaux photovoltaques

Batteries

Onduleur

Rgulateur

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Les panneaux photovoltaques produisent un courant lectrique continu.

Le rgulateur optimise la charge et la dcharge de la batterie suivant sa capacit et assure sa

protection.

Londuleur transforme le courant continu en alternatif pour alimenter les rcepteur AC.

Les batteries sont charges de jour pour pouvoir alimenter la nuit ou les jours de mauvais

temps.

Des rcepteurs DC spcifiques sont utilisables. Ces appareils sont particulirement conomes.

Exemples dutilisation :

2-/ Les installations raccorde au rseau de distribution public

a-/ Solution avec injection totale

Toute lnergie lectrique produite par les capteurs photovoltaques est envoye pour tre

revendue sur le rseau de distribution.

Cette solution est ralise avec le raccordement au rseau public en deux points :

- le raccordement du consommateur qui reste identique avec son compteur de

consommation (on ne peut pas utiliser sa propre production),

- le nouveau branchement permettant dinjecter lintgralit de la production dans le

rseau, dispose de deux compteurs :

o lun pour la production, o lautre pour la non-consommation (permet de vrifier quaucun soutirage

frauduleux nest ralis).

Eclairage public Chalet isol Horodateur

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En bleu : nergie lectrique continue (DC).

En rouge : nergie lectrique alternative (AC).

b-/ Solution avec injection de surplus

Cette solution est ralise avec le raccordement au rseau public en un point : lutilisateur

consomme lnergie quil produit avec le systme solaire et lexcdent est inject dans le

rseau.

Quand la production photovoltaque est insuffisante, le rseau fournit lnergie ncessaire.

Un seul compteur supplmentaire est ajout au compteur existant.

NF C 14-100 NF C 15-100

UTE C 15-712

Panneaux photovoltaques

Coffret de protection

Onduleur

Utilisation

Compteur (production)

Compteur (non-consommation) AGCP

AGCP

Rseau BT

Rseau BT

Compteur (consommation)

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En bleu : nergie lectrique continue (DC).

En rouge : nergie lectrique alternative (AC).

Exemples dutilisation :

II-/ TECHNOLOGIE

1-/ Cellule photovoltaque

Leffet photovoltaque a t dcouvert en 1839 par le physicien franais Becquerel. Un

panneau solaire fonctionne par leffet photovoltaque c'est--dire par la cration d'une force

lectromotrice lie l'absorption d'nergie lumineuse dans un solide.

Toit solaire particulier Abri solaire de parking

Panneaux photovoltaques

Coffret de protection

Compteur (production en surplus)

NF C 15-100 NF C 14-100 Compteur (consommation)

UTE C 15-712

Onduleur

Utilisation

Rseau BT

AGCP

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Cest le seul moyen connu actuellement pour convertir directement la lumire en lectricit.

La cellule photovoltaque constitue llment de base des panneaux solaires photovoltaques.

Il sagit dun dispositif semi-conducteur base de silicium dlivrant une tension de lordre de

0,5 0,6 V.

La cellule photovoltaque est fabrique partir de deux couches de silicium (matriau semi-

conducteur) :

- une couche dope avec du bore qui possde moins d'lectrons que le silicium, cette

zone est donc dope positivement (zone P),

- une couche dope avec du phosphore qui possde plus d'lectrons que le silicium,

cette zone est donc dope ngativement (zone N).

Lorsqu'un photon de la lumire arrive, son nergie cre une rupture entre un atome de silicium

et un lectron, modifiant les charges lectriques. Les atomes, chargs positivement, vont alors

dans la zone P et les lectrons, chargs ngativement, dans la zone N. Une diffrence de

potentiel lectrique, c'est--dire une tension lectrique, est ainsi cre. C'est ce qu'on appelle

l'effet photovoltaque

A la surface, le contact lectrique (lectrode ngative) est tabli par la grille afin de permettre

la lumire du soleil de passer travers les contacts et de pntrer dans le silicium.

Courant continu

+

-

U 0,5 V 0,6 V

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Les cellules solaires sont recouvertes dune couche antireflet qui protge la cellule et rduit

les pertes par rflexion. Cest une couche qui donne aux cellules solaires leur aspect bleu

fonc.

2-/ Module solaire ou photovoltaque

a-/ Association des cellules en srie

Les caractristiques lectriques dune seule cellule sont gnralement insuffisantes pour

alimenter les quipements lectriques. Il faut associer les cellules en srie pour obtenir un

tension plus importante : le module solaire ou panneau photovoltaque.

Un panneau photovoltaque est un assemblage en srie de cellules permettant d'obtenir une

tension de 12 volts.

La puissance d'un panneau solaire est fonction de sa surface, c'est dire du nombre de cellules

photovoltaques.

Un panneau constitu de 24 cellules photovoltaques va donc dlivrer une tension U de 12 V,

et cela quel que soit lensoleillement.

Mais pour faire fonctionner des appareils lectriques, cest lintensit I du panneau, variant en

fonction de lensoleillement, qui va dterminer lnergie lectrique.

U nombre de cellules 0,5 V

I = I1 = I2 = I3 = I4 Exemple : 6 cellules places sur 3 ranges constituent un module solaire de 18 cellules en srie. La tension fournie par ce module est de 18 0,5 = 9 V.

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Dfinition du watt crte : la puissance crte dune installation photovoltaque est la puissance

maximale dlivre par un module dans les conditions optimales (orientation, inclinaison,

ensoleillement,). Elle sexprime en Watt crte (Wc).

En premire approximation, on estime quun module de 1 m2 produit 100 Wc.

b-/ Diodes by-pass

La mise en srie des cellules peut tre dangereuse lorsque lune dentre elles se retrouve

lombre. Elle va schauffer et risque de se dtruire.

En effet, une cellule "masque" voit l'intensit qui la traverse diminuer. De ce fait, elle bloque

la circulation de l'intensit "normale" produite par les autres modules. La tension aux bornes

de cette cellule "masque" augmente, do apparition dune surchauffe.

C'est l'effet d'autopolarisation inverse. Une telle cellule est appele "Hot spot".

Pour supprimer ce problme et protger la cellule masque , on place des diodes by-

pass en anti-parallles sur 18 ou 24 cellules de faon court-circuiter les cellules ombres.

Un panneau solaire dispose d'une trois diodes by-pass, en fonction de son nombre de

cellules (en moyenne 36 cellules pour 3 diodes bypass). En cas de masque :

- 1 diode : 100 % du module est en by-pass,

- 2 diodes : 50 % du module est en by-pass,

- 3 diodes : 33 % du module est en by-pass.

Exemple :

Au niveau de la 2me range, le courant passe par la diode by-pass pour cause dombrage.

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3-/ Constitution dun champ photovoltaque

Afin dobtenir la tension ncessaire londuleur, les panneaux sont connects en srie. Ils

forment alors une chane de modules ou string.

Les chanes sont ensuite associe en parallle et forment un champ photovoltaque (champ

PV).

Il faut galement installer des diodes ou des fusibles en srie sur chaque chane de modules.

Ces protections sont utiles pour viter quen cas dombre sur une chane, elle se comporte

comme un rcepteur et que le courant y circule en sens inverse et lendommage.

4-/ Onduleur

Londuleur permet de convertir le courant continu produit par les panneaux photovoltaques

en courant alternatif identique celui du rseau lectrique.

Il calcule en permanence le point de fonctionnement (tension-courant) qui produit la

puissance maximale injecter au rseau : cest la MPPT (Maximum Power Point Tracker). Ce

fonctionnement dpend de lensoleillement et de la temprature.

1 string

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Un onduleur possde un rendement suprieur 94 %. Son remplacement est prvoir tous les

10 ans environ.

Critres de choix :

En entre :

- la puissance maximale,

- la tension maximale,

- la plage de tension dentre,

- le nombre maximal de string raccordables.

En sortie :

- la puissance maximale et la puissance nominale,

- la tension nominale et la frquence nominale

- le rendement.

5-/ Technologie de capteurs

Le silicium est actuellement le matriau le plus utilis pour fabriquer les cellules

photovoltaques. Il doit tre purifi afin dobtenir un silicium de qualit photovoltaque.

Il se prsente alors sous la forme de barres de section ronde ou carre appele lingots.

Les lingots sont ensuite dcoups en wafers : fines plaques de quelques centaines de microns

dpaisseur. Ils sont ensuite enrichis en lments dopants pour obtenir du silicium semi-

conducteur de type P ou N.

Des rubans de mtal sont alors incrusts en surface et raccords des contacts pour constituer

des cellules photovoltaques.

Les cellules les plus utilises pour la production dlectricit sont les cellules silicium

polycristallin grce leur bon rapport qualit-prix.

Les constructeurs garantissent une dure de vie de 20 25 ans 80 % de la puissance

nominale.

Remarque : on estime quune cellule photovoltaque doit fonctionner environ 2 3 ans pour

produire lnergie qui a t ncessaire sa fabrication. 9 / 12

Fabrication des panneaux photovoltaques cellules cristallines

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Comparaison des trois principales technologies de capteurs :

Technologie Monocristallin Polychristallin Amorphe

Cellule et module

Caractristiques

Trs bon rendement : 14 20 %.

Dure de vie :

importante (30 ans) Cot de fabrication :

lev. Puissance :

100 150 Wc/m2. 7 m2/kWc.

Rendement faible sous un faible clairement. perte de rendement avec llvation de la temprature. Fabrication : labors partir dun bloc de silicium fondu qui sest solidifi en formant un seul cristal Couleur bleue uniforme.

Bon rendement : 11 15 %.

Dure de vie :

importante (30 ans) Cot de fabrication :

meilleur march que les panneaux monocristallins Puissance :

100 Wc/m2. 8 m2/kWc.

Rendement faible sous un faible clairement. perte de rendement avec llvation de la temprature. Fabrication : labors partir de silicium de qualit lectronique qui en se refroidissant forme plusieurs cristaux. Ces cellules sont bleues, mais non uniforme : on distingue des motifs crs par les diffrents cristaux.

Rendement faible : 5 9 %.

Dure de vie : assez importante (20 ans) Cot de fabrication : peu onreux par rapport aux autres technologies

Puissance :

50 Wc/m2. 16 m2/kWc.

Fonctionnement correct avec un clairement faible. Peu sensible aux tempratures leves. Utilisables en panneaux souples. Surface de panneaux plus importante que pour les autres panneaux au silicium. Rendement faible en plein soleil. Performances diminuant avec le temps. Fabrication : couches trs minces de silicium qui sont appliques sur du verre, du plastique souple ou du mtal, par un procd de vaporisation sous vide.

Part de march 43 % 47 % 10 %

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III-/ TARIFS DE VENTE DE LELECTRICITE PHOTOVOLTAQUE

Pour faciliter linstallation de solaire photovoltaque en France, LEtat, LADEME (Agence

De lEnvironnement et de la Matrise de lEnergie), les rgions offrent des avantages

fiscaux ou des primes.

Tarif en vigueur partir du 1er avril 2013 jusquau 30 juin 2013

Tarifs 01/04/2013

Centimes deuros / kWh

Type de

tarif

Type dintgration

Puissance

kWc Base Bonification

5 %

Bonification

10 %

T1 Intgration au bti [0-9] 30,77 32,3085 33,847

[0-36] 16,81 17,65 18,49 T4 Intgration simplifie

]36-100] 15,97 16,77 17,57

T5 Tout type dinstallation [0-12000] 7,98 8,379 8,778

QualiPV est une appellation recommande par lADEME, pour dfinir les professionnels du

photovoltaques engags dans une charte de qualit.

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