Chapitre 1: Le pompage solaire: Etat de lart

1.1. Introduction: Le soleil met un rayonnement lectromagntique compris dans une bande de longueur donde variant de 0,22 10 microns (m).Lnergie associe ce rayonnement solaire se dcompose approximativement ainsi: 9% dans la bande des ultraviolets () sont introduits dans un rseau cristallin; on dit que le matriau est dop. Si latome dimpuret contient plus dlectron que le silicium, le matriau contiendra des lectrons libres en excs: il est de type N (exemple: silicium dop au Phosphore). Si, au contraire, latome dimpuret contient moins dlectrons que le silicium, le matriau sera dficitaire en lectrons: il est dit de type P (exemple: silicium dop au Bore). La fabrication des cellules seffectue partir de lingots de silicium. Ces lingots sont dcoups en fines couches. Des couches de type P ou N sont cres en y diffusant du Bore ou du Phosphore. Une cellule solaire est alors obtenue en constituant une jonction de deux zones de type oppos (jonction PN). Au voisinage de la jonction apparat un champ lectrique qui maintient la sparation des charges positives et ngatives. Des contacts mtalliques en forme de grille (contacts avant et arrire) sont dposs sur chaque face de la cellule [1].1.2.3. Principe de fonctionnement: Conformment ce qui est indiqu sur la figure 1.2, la photopile est compose de matriaux semi-conducteurs dops P (manque dlectrons) et N (excs dlectrons) dont la jonction de type P-N permet aux lectrons excdentaires de la zone N de traverser la jonction et doccuper les trous de la zone P. Ainsi, lorsque la lumire frappe la surface (dope N) dune cellule photovoltaque, les photons constituant cette lumire communiquent leur nergie aux atomes du matriau en librant les lectrons des atomes qui gnrent ainsi des charges N (les lectrons) et des charges P (les trous). Or le dplacement dlectrons (cr par lnergie des photons) est synonyme de production dlectricit. Pour une photopile, la production dlectricit est lie la production dlectrons (et de trous) par les photons de la lumire qui claire le dispositif. Plus de photons frappent la cellule, plus la quantit dlectricit produite est importante. Pour un clairement donn, cette quantit dpend du rendement de conversion de la photopile (nergie produite/nergie reue) ; cest pourquoi le silicium (dop P et N) qui prsente le meilleur rendement thorique de conversion est trs utilis dans la fabrication des cellules [8].

Figure1.2: Fonctionnement de la cellule photovoltaque [9].1.2.4. Avantages de leffet photovoltaque: Absence de problmes de matires premires lors de la production, Absence dmissions lors de la transformation en nergie, Utilisation de la lumire en tant que source intarissable dnergie, Fiabilit technique dans tous les domaines dapplication, Trs grande longvit, Utilisation simple et entretien rduit, Indpendance vis--vis de linfrastructure, Pas de bruit, Ecologique [10]. 1.2.5. Technologies des cellules photovoltaques: Une cellule photovoltaque est un dispositif transformant une partie de l'nergie lumineuse, issue du Soleil par exemple, en nergie lectrique. La proportion d'nergie transforme constitue le rendement de conversion de la cellule photovoltaque. tant donn la faible valeur des rendements actuels, les systmes photovoltaques solaires voient leur utilisation rduite aux seuls cas o la connexion au rseau lectrique est difficile (habitations isoles, balises d'autoroute ou de pleine mer, certaines cabines tlphoniques). Les diffrentes cellules se distinguent en fonction des technologies de silicium quelles utilisent [11]: 1.2.5.1. Cellule en silicium monocristallin: Les cellules en silicium monocristallin sont constitues dun seul cristal de silicium. On dcoupe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en gnral dun bleu uniforme. Avantage: Trs bon rendement (17,2%). Inconvnients: Cout lev, Faible rendement sous un faible clairement [12].

Figure 1.3: Cellule en silicium monocristalline [11].1.2.5.2. Cellule en silicium poly cristallin: Les cellules en silicium poly cristallin sont constitues de plusieurs cristaux de silicium. Ce genre de cellule est galement bleu, mais pas uniforme. Avantages: Bon rendement (13 %), mais cependant moins bon que pour le monocristallin, Moins cher que le monocristallin. Inconvnient: Faible rendement sous faible clairement.

Figure 1.4: Cellule en silicium poly cristalline [12].1.2.5.3. Cellule en silicium amorphe: Les cellules en silicium amorphe ralises avec du silicium amorphe, non cristallis, tal sur une plaque de verre. Cest la cellule des calculatrices et des montres dites . Avantages: Fonctionnent avec un clairement faible (mme par temps couvert ou lintrieur dun btiment), Moins chres que les autres types de cellules. Inconvnients: Rendement faible en plein soleil (environ 6%), Performances diminuent sensiblement avec le temps.

Figure 1.5: Cellule en silicium amorphe [11]. Ce sont les cellules les plus utilises pour la production dlectricit PV. 1.2.5.4. Cellule Tandem: Il existe galement dautres types de cellules, comme le tandem, constitu de plusieurs cellules, et les cellules en plastiques. Avantage:Sensibilit leve sur une large plage de longueur donde. Bon rendement. Inconvnient:Cout lev du la superposition de deux cellules.

Figure 1.6: Cellule en silicium tandem [11]. Le silicium, isolant lectrique, n'existe pas l'tat pur, mais il est trs abondant sous forme d'oxydes, par exemple la silice ou les silicates. Il est extrait de son oxyde par des procds mtallurgiques, et son niveau de puret dpend de son utilisation finale. Le silicium est fortement chauff, trait puis lui est rintroduit du bore ou du phosphore afin dobtenir le ou les cristaux dsirs. La partie ou est introduit le bore devient la couche dop P tandis que celle enrichie au phosphore devient la couche dope N [11].1.3. Diffrentes exploitations de lnergie solaire: L'nergie solaire diffuse par le soleil est disponible partout, gratuitement et de manire illimite. Grce divers procds de transformation, lnergie solaire permet de nombreuses applications utiles lhomme : La production dlectricit, le chauffage et le refroidissement, les applications technologiques et chimiques. Les principales techniques qui permettent toutes ces applications sont : le solaire thermique, le solaire photovoltaque et le solaire passif (maison bioclimatique) [13].1.3.1. L'nergie solaire passive: Tout dabord, lnergie solaire passive est notamment employe dans la conception de btiments. Le but de cette technique est de soutirer le maximum dnergie solaire, en disposant de faon optimale les fentres et les diffrentes faades d'une btisse. Ce genre de configuration permet de diminuer la consommation de chauffage [14].

Figure 1.7: Schma modlisant le solaire passive [15].1.3.2. L'nergie solaire thermique: Lnergie solaire thermique sutilise notamment pour le chauffage (chauffage des btiments) et les chauffe-eau (leau chaude domestique ou industrielle). Comme son nom lindique, cette technique consiste la transformation de lnergie du soleil en nergie thermique laide dun capteur, dun rservoir et dune pompe. Le but de cette technologie est de concentrer les rayons du soleil en un seul point. En ce qui concerne les chauffe-eau, des capteurs sont disposs sur le toit. Le fluide caloporteur circulant dans ces capteurs emmagasine la chaleur capte de lnergie solaire. Par la suite, cette chaleur est transmise au chauffe-eau. En moyenne, cette technique permettrait de rpondre 50 % de la consommation d'eau chaude de la France [14]. Figure 1.8: Schma modlisant le solaire thermique [15].1.3.3. L'nergie solaire photovoltaque: Lnergie solaire photovoltaque vise utiliser lnergie solaire directement, de faon la convertir en nergie lectrique. Le principe utilis dans cette technologie est la tension qui est gnre par un semi-conducteur lorsquil absorbe des photons. Plusieurs cellules photovoltaques doivent tre assembles pour quune quantit intressante dlectricit soit produite. Un tel assemblage est appel module. Parmi les applications qui utilisent lnergie solaire photovoltaque, il y a les montres et les calculatrices [14]. Lnergie solaire photovoltaque a lavantage de convertir directement lnergie du soleil en lectricit. Les applications ont dmarr au dbut des annes 1960, dans des satellites, les produits grand-public comme les montres ou les calculettes. Cest une nergie dcentralise, idale pour la production dlectricit dans des sites isols o elle vite dinvestir dans des kilomtres de lignes lectriques de raccordement au rseau [16].

Figure 1.9: Schma reprsentent le solaire photovoltaque [15].1.4. Exploitation de lnergie solaire dans le domaine de pompage deau:1.4.1. Dfinition : L'irrigation par pompage petite chelle est l'une des utilisations les plus intressantes de l'nergie solaire. En effet, l'intensit maximale du rayonnement solaire correspond gnralement la priode de besoins en eau de pompage les plus importants. D'autre part le fait que cette nergie est disponible juste au point d'utilisation, l'agriculteur est libr des problmes lis l'approvisionnement en carburant, ou bien l'existence de lignes de transport de l'lectricit facilement accessibles. A l'heure actuelle, les principaux obstacles qui entravent l'utilisation des pompes solaires plus grande chelle, sont leur cot lev et le caractre trop rcent de cette technologie. La mise au point d'une pompe solaire suffisamment fiable et d'un cot raisonnable - ce qui serait trs probable d'ici quelques annes - pourrait donner un coup de force l'agriculture au Tiers Monde. Pour cela il est trs important d'tudier les possibilits offertes par cette nouvelle technique prometteuse. Bien qu' l'heure actuelle sa viabilit conomique pour l'irrigation est encore conteste [17].1.4.2. Fonctionnement : Un systme solaire actionn de pompage de l'eau se compose de deux composants de base:

1.4.2.1. Les panneaux photovoltaques : Le premier constituant est alimentation d'nergie se composant des panneaux photovoltaques. Le plus petit lment d'un panneau PV est la pile solaire. Chaque pile solaire a deux couches particulirement prpares ou plus de matriel de semi-conducteur qui produisent l'lectricit (C.C) courant continu une fois exposes la lumire. Ce courant continu est rassembl par le cblage dans le panneau. Il est alors fourni par l'un ou l'autre une pompe courant continu, qui pompe alternativement l'eau toutes les fois que le soleil brille, ou stock dans des batteries pour l'usage postrieur par la pompe. Les fabricants valuent normalement la tension (volts) et courant (des ampres) produit des panneaux PV sous la puissance de crte conditions. La puissance de crte (watts=volts X ampres) est la puissance maximum fournie par le panneau photovoltaque l'irradiante 1000 W/ solaire (quantit de soleil) et une temprature spcifique, habituellement 25 C (77 F). La quantit de courant continu produite par un panneau est beaucoup plus sensible l'intensit de la lumire frappant le panneau qu'est la tension produite. En gnral, si vous divisez en deux l'intensit de la lumire, vous divisez en deux le rendement courant de C.C, mais le rendement de tension est rduit seulement lgrement [18].1.4.2.2. La pompe:1.4.2.2.1. Dfinition dune pompe: Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide. Les pompes rpondent toutes au mme besoin, dplace un fluide dun endroit un autre. Encore, elle est un organe de base d'un systme d'extraction d'eau [19].1.4.2.2.2. Principe de fonctionnement et constitution dune pompe: Les pompes permettent de dplacer un liquide d'un point un autre. Pour dplacer ce liquide il faut lui communiquer de l'nergie. Les pompes remplissent cette fonction. Le moteur qui alimente les pompes transforme l'nergie thermique ou lectrique en nergie mcanique pour permettre le mouvement des organes des pompes. Cette nergie mcanique est retransmise au fluide. Cette nergie fluide se traduit sous forme de dbit (nergie cintique) et de pression (nergie potentielle). Ces nergies vont s'changer et se consommer dans les circuits de l'installation. Elles sont constitus de 3 parties distinctes : partie moteur, de la transmission ou appele aussi l'accouplement et de la partie hydraulique [20].

1.4.2.2.3. Les types de pompes: Les pompes eau sont habituellement classes selon leur principe de fonctionnement ou bien selon leur emplacement physique par rapport leau pompe: Selon le mode de fonctionnement: On distingue deux types de pompes: Volumtrique ou centrifuge. Les pompes centrifuges : Les pompes centrifuges sont trs utilises pour les applications avec nergie photovoltaque parce que le moteur peut fournir une vitesse de rotation rapide peu prs constante. Ce sont les pompes les plus utilises dans le domaine industriel cause de la large gamme dutilisation quelles peuvent couvrir, de leur simplicit et de leur faible cot. Ces pompes sont gnralement entranes par des moteurs thermiques ou lectriques [21].

Ils transmettent l'nergie cintique du moteur au fluide par un mouvement de rotation de roues aubes ou d'ailettes. L'eau entre au centre de la pompe et est pouss vers l'extrieur et vers le haut grce la force centrifuge des aubages. Le mouvement du liquide rsulte de l'accroissement d'nergie qui lui est communiqu par la force centrifuge [20]. Les pompes volumtriques : Les pompes volumtriques ou dplacement positif sont normment utilises en industrie principalement pour les applications de dosage de produits chimiques ou bien pour le transfert de liquide haute teneur en solides ou prsentant une viscosit leve. Encore, Ils sont utilises dans lagriculture. Ils sont habituellement auto-amorages. La capacit en succion varie videmment dun type de pompe lautre et selon les caractristiques de linstallation et du fluide pomp. Ils sont des pompes dbit constant sur leur plage de fonctionnent [22]. La pompe volumtrique transmet l'nergie cintique du moteur en mouvement de va-et-vient permettant au fluide de vaincre la gravit par variations successives d'un volume raccord alternativement l'orifice d'aspiration et l'orifice de refoulement [20].

1.4.2.2.4. Comparaisons entre les pompes centrifuges et les pompes volumtriques : Pour de petites HMT et de faibles dbits journaliers (HMT _ Q