ulation du rendement des différents types de cellules

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI -OUM EL BOUAGHI

Faculté des Sciences exacte et science de la nature et de vie

Département des Sciences De la matière

MEMOIRE

Pour l’obtention du diplôme de Master en Physique

Option : PHYSIQUE APPLIQUEE

Thème

Présenté par : Ghabrouri Amina et Haddag Mouna

Sous la direction de : Dr. Hebbir Nacer

Soutenue le : 05/10/2020

Devant le jury de soutenance :

Dr. F.GOUMEIDANE MCA Univ. Oum el Bouagui Président

Dr. N .HEBBIR MCA Univ. Oum el Bouagui Encadreur

Dr. H.MOUALKIA MCA Univ. Oum el Bouagui Examinateur

ANNEE UNIVERSITAIRE 2019/2020.

Simulation du rendement des différents

types de cellules photovoltaïques en

fonction de la température et l’éclairement

DEDICACES

En signe de respect et d'appréciation,

Je dédie cette humble œuvre à mon père. En particulier à

ma mère, pour sa patience et son sacrifice, que Dieu soit

satisfait d'elle.

Mon cher père, que Dieu ait pitié de lui.

Je dédie cet humble travail à tous les membres de la famille

À mes frères et sœurs

À tous mes amis.

Mes amis sont en classe

Et le

Pour tous ceux qui ont contribué à ce travail de près ou de

loin.

GHABROURI Amina

DEDICACES

En signe de respect et de reconnaissance,

Je dédie ce modeste travail à mes parents, particulièrement ma

mère que dieu le tous puissant veille sur elle, pour sa patience et

ses sacrifices

Mon père que dieu le tout puissant veille sur lui Pour son

sacrifice, soutien parentèle

Je dédie ce modeste travail à Toute la famille

A mes frères et mes sœurs

A Tous mes amis (es).

Mes collègues de la promotion

Et A toute Personne ayant contribué à ce travail de près ou de

loin.

Nous remercions sincèrement tous nos amis, en particulier

R.BOURAS, qui m’a soutenu et encouragé tout au long de cette

période.

HADDAG MOUNA

Remerciements

Tout d'abord, je remercie Dieu en premier lieu qui m'a donné la force et la

Patience pour terminer ce travail et vivre ce jour et atteindre ce point.

Je tiens également à remercier l'Université de l’ARBI BEN M’HIDI-OUM

EL BOUAGHI-Et en particulier tous les professeurs qui ont Contribué à

mon succès.

Je tiens à remercier Mr HEBBIR Nacer docteur à l’université de l’ARBI

BEN M’HIDI –Oum Elboughi- pour l’encadrement qu’il m'a assurés on et

son suivi pour finir ce travail.

Mon remerciement à tous les professeurs du département des sciences des

matériaux notamment, en particulier chef département Mr

GOUMIDAN.F pour avoir fait l’honneur de présider le jury de mémoire.

Je remercie particulièrement Mme .MOUALKIA h docteur à l’université de l’ARBI BEN M’HIDI –Oum Elboughi- de m’avoir honoré Par son

présence au jury autant qu’examinatrice.

Je remercie très chaleureusement Mme .AZIZI CH professeur à l’université

de l’ARBI BEN M’HIDI –Oum Elboughi-

J’adresse également mes remerciements et ma gratitude à Mme.

ZEROUAL.F et Mr.KHAMAR qui mettrais leurs efforts afin d’établir

Ce mémoire.

Nous remercions sincèrement tous nos amis, Je n’oublierai pas de

remercier ma famille, pour son soutien.

À la fin. Je remercie toutes les personnes qui m'ont aidé directement ou

indirectement, de loin ou de près, Dans mes études

LISTE DES FIGURES

CHAPITRE I Figure I.1 Le charbon 04

Figure I.2 Gaz naturel 05 Figure I.3 Le pétrole 05 Figure I.4 La fusion nucléaire 06 Figure I.5 La fission nucléaire 06 Figure I.6 La consommation mondiale d’énergie (renouvelable et non renouvelable) 08 Figure I.7 L’énergie renouvelable et son développement. 12

CHAPITRE II Figure II.1 Gamme du rayonnement électromagnétique entourant le spectre visible aussi

que les longueurs d’onde de correspondantes 17

Figure II.2 Conditions standard de qualification des cellules solaire 19 Figure II.3 Zone utile de spectre solaire 20 Figure II.4 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire 23 Figure II.5 Caractéristique I(V) d’une cellule PV 24 Figure II.6 Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque 25 Figure II.7 Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque (court circuit (cc)) 26 Figure II.8 Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque (Circuit ouvert (co)) 26 Figure II.9 Pénétration du rayonnement dans le matériau 28 Figure II.10 La texturisation 29 Figure II.11 Les composants de la cellule photovoltaïque 31 Figure II.12 Cellules photovoltaïques au silicium monocristallin 32 Figure II.13 Cellules photovoltaïques au silicium poly cristallin 33 Figure II.14 Cellule de silicium amorphe 34 Figure II.15 Cellule au tellurure de cadmium 35 Figure II.16 Cellule CZTS (cuivre zinc étain soufre) 36 Figure II.17 Cellule multi jonction 37

CHAPITRE III Figure III.1 Influence des différents éclairements sur les caractéristiques I-V 40 Figure III.2 Influence des différentes températures sur les caractéristiques I-V 40 Figure III.3 Association série 41 Figure III.4 Association parallèle 41 Figure III.5 Calcul le rayonnement solaire dans la ville d’OUM EL BOUAGHI 45 Figure III.6 Comment fonctionne ce programme 47 Figure III.7 L’influence de type de cellule photovoltaïque sur le courant de court- circuit et

la tentions de Circuit- ouvert 48

Figure III.8 L’influence de type de cellule photovoltaïque sur le rendement et la puissance 49 Figure III.9 L’effet de l'éclairage dans le premier jour de janvier à une température = 9°C

sur les caractéristiques I –V 51

Figure III.10 L'effet de l'éclairage dans le premier jour de janvier à une température = 9°C sur

le rendement η et la puissance P 52

Figure III.11 L'effet de l'éclairage dans neuvième jour de mois d’mars à une température = 15

°C. Sur les caractéristiques de la cellule photovoltaïque I-V 53

Figure III.12 Rendement et puissance d’une cellule PV dans la température T= 15°C et

différant éclairage 54

Figure III.13 L'effet de l'éclairage et une température = 25 °C. Sur les caractéristiques de la

cellule photovoltaïque I-V (mois de mai) 55


différant éclairage en fonction de tension 56

Figure III.15 Les caractéristiques de la cellule photovoltaïque I-V dans une température fixe

(T=33°C°) et différent éclairement (mois de juillet) 57


différant éclairage en fonction de tension 58

Figure III.17 L'effet de l'éclairage dans le (17/08/2020) à une température = 37°C sur les

caractéristique I-V 59

Figure III.18 Influence des différents éclairements sur le rendement et puissance d’une

cellule PV dans le mois d’août 60

Figure III.19 L'effet de la température Sur les caractéristiques de la cellule photovoltaïque I-

V à un éclairage 1000w/m² 63

Figure III.20 Influence des différentes températures sur le rendement et la puissance d’une

cellule PV à un éclairement fixe (E=1000 w/m²). 64

LISTE DES TABLEAUX

CHAPITRE III Tableau III.1 Comparatif des technologies de générateurs photovoltaïques 42 Tableau III.2 L’influence de différent type de cellule photovoltaïque sur le rendement et la

puissance 50

Tableau III.3 Influence des différents éclairements sur les caractéristiques d’une cellule PV

dans une Températures constant T= 9°C 53


dans le mois de mars 55


dans le mois de Mai 57


dans le mois de juillet 59


à une Températures constant T= 37°C 61

Tableau III.8 L'effet d'éclairage et la température de différents mois sur les caractéristiques

de la cellule photovoltaïque 61

Tableau III.9 Influence des différentes températures sur les caractéristique d’une cellule PV

à un éclairement fixe (E=1000 w/m²) 65

Tableau III.10 L'effet de la température sur le rendement de la cellule photovoltaïque à un

éclairement constant 65

Listes des Acronymes et Symboles ACRONYMES

PV Photovoltaïque.

GPV Générateur photovoltaïque.

UV Ultra violet.

VIS Visible.

IR Infra rouge.

S/C Semi conducteur.

AM Nombre d’aire masse.

AR Couches antireflet.

CZTS Cellule cuivre zinc étain soufre. Symboles

Eph Energie de photon.

ʎ Longueur d’onde en mètre.

h Constante de Planck [6,626.10-34

J s ou 4,136 .10-15

ev s].

Ν Fréquence de l’onde lumineuse [Hz].

C La vitesse de la lumière [3.108 m/s].

M La masse atmosphérique.

Eg Energie de GAP de matériel de la cellule PV en [ev].

α Coefficient d’absorption du matériau [cm-1

].

Iph Courant de la cellule PV (photo-courant) [A].

I Le courant générer par la cellule PV [A].

Is Le courant de saturation inverse de la diode [A].

Q La charge de l’électron [1,6.10-19

C].

V La tension aux bornes de la cellule ou photopile [v].

K Constant de Boltzmann [1,38 .10-23

J/K ou 8,62 .10-5

ev/k].

T Température

Isc Courant de court-circuit d’un module solaire [A].

Vco Tension en circuit ouverte d’une cellule ou d’un module solaire [V].

Rsh Résistance caractérisant le courant de fuite de la jonction (défaut de la cellule PV)

[Ω].

Rs Résistance en série représentant les diverses résistance des contacte et des

connections [Ω].

Rl Résistance de la charge [Ω].

P La puissance fournir par la pile.

FF Le facteur de fournie.

Vmax La tension de la puissance maximale fournie [V].

Imax Le courant de la puissance maximale fournie [A].

η Le rendement de la cellule PV.

Psolaire La puissance du rayonnement solaire incidente ou puissance da la lumière

[W/m2].

E L’éclairage de la cellule photovoltaïque Uc Tension fournie par une cellule. Us La tension de sortie. N Nombre de cellule en (série ou en parallèle)

Ic Courant fourni par une cellule.

Pm Puissance maximum

SOMMAIRE

Liste des Figure

Liste des Tableaux

Liste des Symboles

Sommaire

Introduction Générale

CHAPITRE I

Généralités sur les sources d’énergie

I.1. Introduction 3

I.2. Les énergies non renouvelables 4

I.2.1 Définition 4

I.2.2. Les sources d’énergie de type fossile 4

I.2.2.1. Le charbon 4

I.2.2.2. Le gaz 5

I.2.2.3. Le pétrole 5

I.2.3. Les sources d’énergie nucléaire 6

I.2.3.1. La fusion 6

I.2.3.2 La fission 6

I.2.4. Avantage et inconvénients 7

I.3. Les énergies renouvelables 7

I.3.1. Définition 7

I.3.2. Les types d’énergies renouvelables 9

I.3.2.1. La géothermie 9

I.3.2.2. L’énergie éolienne 9

I.3.2.3. L’énergie hydraulique 9

I.3.2.4. Energie solaire 10

I.3.2.4.1. Le solaire thermique 10

I.3.2.4.2. Le solaire photovoltaïque 10

I.3.2.5. La biomasse 10

I.3.3. Avantage et inconvénients 11

I.4. Conclusion 13

CHAPITRE II

Notion de base sur la conversion photovoltaïque

Qu’est-ce que l’énergie solaire ?

II.1 Généralité 15

II.2 Technologie 15

II.3 Historique de la cellule solaire PV 16

II.4 Paramètre du rayonnement solaire régissant le fonctionnement des cellules 17

II.5 Nombre d’aire masse (AM) 18

II.6 Zone utile de spectre solaire 19

II.7 Absorption du rayonnement dans la matière 21

II.8 Principe de fonctionnement d’une cellule solaire 21

II.8.1. L’effet PV 22

II.8.2. Caractéristique I(V) d’une cellule PV 24

II.8.3. Schéma électrique équivalent simple d’une cellule PV 25

II.8.4. Les caractéristiques d’une cellule PV 27

II.9. Pénétration de rayonnement dans le matériau 28

II.9.1. Couche antireflets(AR) 28

II.9.2. La texturisation 29

II.10. Qu’est-ce que une cellule PV 30

II.10.1. Définition d’une cellule PV 30

II.10.2. Le rôle des composants de la cellule PV 30

II.10.3. La structure de cellule est composée par 30

II.10.3.1. Couche émetteurs de type (N) 30

II.10.3.2. Couche absorbant (couche bas de type ) 30

II.10.3.3. Couche antireflet 31

II.10.3.4. Les doigts métalliques 31

II.10.3.5. Couche opaque 31

II.11. Les différents types de cellules photovoltaïques PV 32

II.11.1. Les cellules PV au silicium monocristallin 32

II.11.2. Les cellules PV au silicium poly cristallin 33

II.11.3. Les cellules à couches minces 24

II.11.3.1. Cellule de silicium amorphe 34

II.11.3.2. Cellule au tellurure de cadmium 35

II.11.3.3. Cellule CZTS (cuivre zinc étain soufre) 36

II.11.4. Cellule multi jonction 37

II.12. Conclusion 38

CHAPITRE III

Simulation du rendement des différant type d'une cellule photovoltaïque en fonction

de la température et éclairement.

III.1. La première partie (théorique) 39

III.1.1. Introduction 39

III.1.2. Les différents types des cellules cristallins 39

III.1.3. L’éclairement et la température influent sur l’effet photovoltaïque 40

III.1.4.. Technologies et groupement des cellules photovoltaïques 41

III.1.4.1. Groupement série 41

III.1.4.2. Groupement en parallèle 41

III.1.5. Comparatif des technologies de générateurs photovoltaïques 42

IIII.2. Deuxième partie (Discussion - Interprétation des résultats) 43

III.2.1. Description générale de l’effet de la température et l’éclairement sur le

rendement

43

III.2.2. Quelque point essentiel pour faire ce travail 43

III.2.3. L’objectif de cette simulation 43

III.2.4. Protocole de simulation 43

III.2.4.1 Pour l’influence de type de cellule 44

III.2.4.2 Pour l’influence de l’éclairement 44

III.2.4.3. Pour l’influence de la température 44

III.2.4.4 Calcul du rayonnement solaire 44

III.2.5. Caractéristique du module 46

III.2.5.1. Nombre de cellule 46

III.2.5.2. Caractéristique d’une cellule 46

III.2.5.2.1. Type de cellule 46

III.2.5.2.2. Paramètre fixe de cellule 46

III.2.5.2.2.1 Dimensions de cellule 46

III.2.5.2.2.2 Donnée de cellule 46

III.2.5.2.3. paramètre extérieure 46

III.2.6. MATLAB 47

III.2.7. L’influence de type de cellule photovoltaïque sur le rendement 48

III.2.7.1. Courant – tension : I (A) = F (v) 48

III.2.7.2. Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v) 49

III.2.7.3. Résultat et interprétation 50

III.2.8. L’influence de l’éclairage sur le rendement de la cellule de silicium

monocristalline

51

III.2.8.1 L'effet de l'éclairage au mois de janvier à une température de 9° C 51

III.2.8.1.1. Courant – tension : I (A) = F (v) 51

III.2.8.1.2. Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v) 52

III.2.8.2. L'effet de l'éclairage au mois de mars à une température

de 15 °C

53



III.2.8.3. L'effet de l'éclairage au mois de mai à une température de 25 °C 55



III.2.8.4. L'effet de l'éclairage au mois de juillet à une température de 33 °C 57



III.2.8.5 L'effet de l'éclairage au mois d’août à une température de 37 °C 59

III.2.8.5.1 Courant – tension : I (A) = F (v) 59



III.2.9. L’influence de la température sur le rendement de la cellule de

silicium monocristalline

63

III.2.9.1. Courant – tension : I (A) = F (v) 63

III.2.9.2. Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v) 64


III.2.10. Conclusion 67

Conclusion générale 68

Référence bibliographique

Résumé

annexes

Introduction

générale

INTRODUCTION GENERALE

1

Introduction générale

La consommation mondiale de l’énergie est augmentée dus à l’augmentation de la population

et développement industriel. En effet. La production d’énergie est base sur l’énergie non

renouvelable comme (le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou encore l’énergie Nucléaire) ces

sources sont épuisable et à cause de leur effet nuisible sur le plan environnement et leur quantité

limitée. Il faut trouver d’autre source pour satisfaire les besoins énergétique. Cette énergie est

appelée l’énergie renouvelable. La production de ces énergies est base sur les forces ou des

ressources dont les stocks sont illimite.

Les énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne, l'énergie solaire, l’énergie biomasse et

l’énergie hydroélectrique, et l’énergie géothermique sont des solutions prometteuses pour

concurrencer les sources d’énergies de masse telle que l’énergie fossile et nucléaire. [1]

Les énergies renouvelables (solaire, marine, éolienne,...etc.) C’est une énergie : [2]

inépuisable.

sont également peu ou pas polluantes.

leur exploitation arrange beaucoup l’environnement.

L’énergie solaire photovoltaïque est l’une des énergies renouvelables les plus utilisées.

L’énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d’une partie du

rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par le biais d’une

cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui

consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la

lumière. La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé pour la fabrication de la

cellule. L’association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donnent lieu à un générateur

photovoltaïque(GPV). [3]

INTRODUCTION GENERALE

2

Objectifs et plan du mémoire

L'objectif de notre mémoire est principalement des simulations pour évaluer le rendement de

différents types de cellules PV.

En fait, les modules PV sont actuellement reconnus et certifiés selon les normes internationales

pour les climats tempérés, et il n'y a actuellement aucun consensus dans la communauté scientifique

photovoltaïque sur une norme physique qui représente le comportement exact des modules PV.

Pour cette raison, l'effet de la température et de la luminance sur chaque type de cellule

photovoltaïque (monocristalline, poly cristalline, amorphe) a été étudié pour connaître le rendement

de chacune.

Découvrez quelle cellule PV a la meilleure valeur de performance dans ces conditions.

Pour mieux comprendre cet objectif, il nous a semblé très intéressant d'organiser notre travail

comme suit:

Notre mémoire se compose de trois chapitres

Premièrement une introduction générale.

Dans Le premier chapitre on donne des notions de base sur les types d’énergies non

renouvelables et l’énergie renouvelables.

Dans le deuxième chapitre nous avons rappelé la structure de base d’une cellule PV, son

principe de fonctionnement, ses caractéristiques électriques et les différentes composantes

d'un module PV, et finalement les facteurs qui limitent leur rendement.

Dans le troisième chapitre Simulation du rendement des différant type d'une cellule

photovoltaïque en fonction de la température et éclairement.

Enfin, une conclusion générale qui résume l'ensemble des travaux effectuées avec quelque

perspectives.

Généralités sur les

sources d’énergie

GENERALITES SUR LES SOURCES D’ENERGIE CHAPITRE

I

3

I.1- Introduction

Qu’est-ce que l’énergie ?

L’énergie est le moteur du monde!

C'est l'une des formes d'existence, donc l'univers est composé de corps et d'énergie, S’il n’est

pas vraiment possible de voir l’énergie, ses effets sont là, tout autour de nous. Tout ce qui existe a

besoin d’énergie pour fonctionner et Sans énergie, la Terre serait froide, sombre et sans vie. [4]

Les physiciens emploient le terme d'énergie pour désigner une capacité à modifier un état

(générant un rayonnement électromagnétique - de la lumière) par exemple ou (de la chaleur). Le

mot vient d'ailleurs du grec et signifie « force en action ». [5]

Dans le système international, l'énergie s'exprime en joules, mais dans le langage courant, elle

s'exprime plus souvent en kilowatt (kW).

L'énergie peut prendre diverses formes, notamment thermique, chimique, électrique,

radiologique, nucléaire, électromagnétique et cinétique. Et classées en fonction de leur source. On

peut parler des énergies non renouvelable, Ou encore des énergies renouvelables, qui sont

naturellement régénérées comme l'énergie solaire ou l'énergie éolienne. [5]

Donc l’énergie est essentielle à toute activité humaine. Aujourd’hui, la population augmente

rapidement et les besoins en énergie sont de plus en plus grands. Les énergies les plus utilisées dans

le monde sont polluantes et finiront par être épuisées.

Les explorateurs de l’Énergie t’emmènent à la découverte de l’univers fascinant des énergies,

leur fonctionnement, leur utilisation. Et il existe encore bien des sources d’énergie propres et

renouvelables ; dans l’univers :

La quantité totale d’énergie ne change jamais.

L’énergie peut se transformer mais elle ne peut pas être créée ni détruite. [4]


I

4

I .2 - L’énergie non renouvelable

Les énergies non renouvelables utilisées pour produire de l'électricité. Ont divers avantages et

inconvénients selon leurs natures.

I.2.1 - Définition

Une énergie non-renouvelable est une source d'énergie qui ne se renouvelle pas du tout, par

opposition à l’énergie renouvelable, elle présente presque 86% de la production mondial de

l’énergie. Les principales sources d’énergies non-renouvelables sont dérivées des hydrocarbures,

tels que le pétrole, le gaz naturel et les huiles. [2] Une énergie non renouvelable est disponible en

quantité limitée. [6]

On peut classer les énergies non renouvelables en deux grandes familles .

I.2. 2 - Les sources d’énergies de type fossile

Sont des matières premières que l’on trouve sous terre comme : le charbon, le gaz et le

pétrole. [7]

I.2.2.1 - Le Charbon

Figure I. 1 : le charbon. [a]

Avantage

énergie fossile solide.

grandes disponibilités.

productions diverses.

Inconvénients

pollution importante.


I

5

GAZ NATURAL

I.2.2.2 - Le Gaz

Figure I. 2 : gaz naturel. [b]

I.2.2.3 - Le Pétrole

Figure I. 3 : le pétrole. [c]

Avantage

Émet peu de fumées.

Le gaz naturel n’est pas

toxique.

Sources d’approvisionnement

Plus diversifiées.

Inconvénients

Réserves limitées.

Prix du gaz élevés.

Possibilités de fuites et

d’explosion.

Avantage

Facile de transport.

Inconvénients

Réserve limitées

Pollution

.


I

6

I.2.3 - Les sources d’énergies nucléaires

L'énergie nucléaire peut être utilisée pour produire de l’électricité, Il ya deux sortes de réactions

susceptible de produire de l’énergie nucléaire: la fusion nucléaire et la fission nucléaire. [7]

I.2.3.1 - la fusion

Elle se produit notamment dans les étoiles.

Dans les atomes très légers, deux noyaux peuvent se

fondre pour former un atome plus lourd mais plus stable

en dégageant une énergie considérable.

(Par exemple de noyaux d’hydrogène en noyaux

d'hélium). [8]

Figure I. 4 : la fusion nucléaire. [d]

I.2.3.2 - la fission

Dans les atomes lourds. Certains de ces noyaux (par

exemple d'uranium) peuvent devenir instables et libérant

une partie de leur énergie de liaison. C’est la fission de

l’atome. [8]

Figure I. 5 : la fission nucléaire. [E]


I

7

I.2.4 - Avantage et inconvénients

I.3 - Les énergies renouvelables

I.3.1 - Définition

Les énergies renouvelables sont des énergies inépuisables, sont ainsi multiples et

fondamentalement diverses par leurs mécanismes physiques, chimiques ou biologiques,

L’exploitation des énergies renouvelables n’engendre pas ou peu de déchets et d’émissions

polluantes. On désigne aujourd'hui par énergies renouvelables un ensemble de filières diversifiées

dont la mise en œuvre n'entraîne en aucune façon l'extinction de la ressource initiale et est

renouvelable. [9]

Grâce à ces énergies peu polluantes, on peut envisager un système de production énergétique

prolifique plus respectueux de la nature. [10]

- L'énergie nucléaire est très productrice.

- Elle utilise de l'uranium que l'on peut trouver en assez grande quantité.

- De plus, elle ne rejette pas de CO2 mais seulement de la vapeur d'eau. [7]

- causent des déchets nucléaires (transports, stockage).

- En effet, ces déchets radioactifs sont très nocifs pour la santé. Ils sont

maintenus en surface et menacent les générations futures. [7]

Avantage

Inconvénients


I

8

Vent : éolienne.

Soleil : thermique, photovoltaïque.

Chaleur terrestre : géothermie.

Eau : hydroélectrique.

Biodégradation : biomasse.

Mais elles sont encore sous-exploitées par rapport à leur potentiel puisque ces énergies

renouvelables ne couvrent que 28 % de la consommation mondiale d’électricité.

Figure I. 6 : la consommation mondiale d’énergie (renouvelable e non renouvelable). [F]


I

9

I.3.2 – Les types d’énergies renouvelables

Il existe 5 familles d’énergies renouvelables :

I.3.2.1 - La géothermie

Dans certaine roche et a certaine profondeur circule l'énergie sous forme de vapeur et d'eaux

chaude, C’est ce qu'on appelle l'énergie géothermique stockée dans le sol, où elle se propage Cette

énergie du sous-sol à la surface de la terre, Sont collectées puis distribuées pour alimenter des

réseaux de chauffage urbain. La géothermie peut permettre de chauffer des locaux (avec une

température moyenne ou faible), ou de produire de l’électricité par vapeur interposée (avec une

température élevée). [11]

I.3.2.2 - Energie éolienne

Les éoliennes convertissent l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique ou électrique,

dont le principe est similaire au principe de la dynamo de vélo, où des vents forts font tourner les

pales et poussent le générateur, qui à son tour produit de l'électricité. Cette énergie ne produit pas de

la pollution et constitue une forme d'énergie indéfiniment durable. [2]

Il existe deux grandes catégories des éoliennes : [2]

Les aérogénérateurs domestiques de faible puissance qui fournissent de l'électricité aux

zones isolées.

les éoliennes de grande puissance à grande échelle connectées aux réseaux nationaux.

I.3.2.3 - Energie hydraulique

C'est l'énergie électrique résultant de la conversion mécanique de l'eau, qui se fait en faisant

glisser l'eau d'un endroit élevé, ce qui permet à la turbine de tourner, et donc un générateur

électrique est allumé pour produire de l'énergie électrique. L'énergie qui en résulte dépend de deux

facteurs:[2]

la hauteur de la cascade

le débit d'eau.

Cette énergie est caractérisée par produit une abondance permanente et un faible coût et ne

produit pas de déchets. [2]


I

10

I.3.2.4 - Energie solaire

C’est une énergie propre qui ne dégage pas d'émissions lors de sa génération, mais son coût est

élevé. Le soleil tire son énergie de la fusion du noyau d'hydrogène qui mène au noyau d'hélium.

Cette réaction produit une énergie énorme, mais elle est difficile à capter, nous utilisons donc deux

méthodes pour utiliser cette énergie : [2]

I.3.2.4.1 - Le solaire thermique

Le rayonnement solaire sont absorbée par des surfaces de couleur foncées, la faisant chauffée

et transmettant cette chaleur à un fluide caloporteur autrement dit : un liquide ou gaz chargé de

transporter de la chaleur. [2]

I.3.2.4.2 - Le solaire photovoltaïque

L'énergie solaire photovoltaïque est la conversion de l'énergie lumineuse du soleil en énergie

électrique cette conversion se produit au sein des matériaux semi-conducteurs qui ont comme

propriété de libérer leur porteur de charge sous l'influence d'une excitation extérieure .la

transformation ne se fera pas sans perte de rendement du photovoltaïque, est environ trois fois

moindre que le solaire thermique. L'énergie solaire est envoyée chaque année sur la terre plus de 40

000 fois des besoins énergétiques, Cette énergie est utilisée dans des nombreuses applications

(transport, fonctionnement de petits appareils ...) C'est également une alternative durable aux

combustibles fossiles. [2]

Donc L'énergie solaire est

la chaleur (énergie solaire thermique)

la lumière (énergie solaire photovoltaïque) émises par le soleil.

I.3.2.5 -La biomasse

L'énergie biomasse est la forme d'énergie la plus ancienne utilisée par l'homme depuis la

découverte du feu à la préhistoire (15), La biomasse désigne l’ensemble des matières organiques

pouvant se transformer en énergie, C'est aussi une source d'énergie renouvelable, Il existe trois

formes de biomasse présentant des caractéristiques physiques très variées :

Les solides (ex : le bois, paille, copeaux, bûches).

Les liquides (ex : huiles végétales).

Les gazeux (ex : biogaz). [12]

La combustion de ce matériau conduit à la fabriquer de l'électricité à partir de la chaleur

dégagée. [13]


I

11

I.3.3 - Avantage et inconvénients

Si énergies renouvelables possèdent de nombreux avantages, on recense également quelques

inconvénients à leur exploitation. [10]

Avantage

Inconvénients

* Produire de l’électricité sans rejeter de CO2.

* Une source d’énergie inépuisable et plus accessibles.

* Une production d’énergie moins impactant pour

l’environnement.

* Possibilité d’une production d’électricité décentralisée. [14]

* Elles sont dépendantes des caprices de la nature.

* Leur coût d’installation est assez important.

* L’énergie biomasse n’est pas illimitée donc n’est pas adaptée à

une exploitation intensive.

* Les éoliens nécessaires pour l’exploitation de l’énergie éolienne

émettent des bruits qui peuvent gêner les habitants et exigent un

emplacement dans une zone très venteuse.

* Les barrages hydroélectriques influent négativement sur la

faune, car ils modifient leur écosystème naturel. [15]


I

12

Figure 7 : L'énergie renouvelable et son développement. [G]

Combustib

le fossiles


I

13

I.4 - Conclusion

Le vent, la géothermie, les chutes d'eau, les marées ou même la croissance des plantes

fournissent de l'énergie renouvelable, Cette énergie génère moins de déchets.

L’énergie solaire (solaire PV, solaire thermique) qui n'est pas polluée l'atmosphère par rapport

aux énergies énergétiques comme (pétrole, charbon, gaz naturel, etc…..).

Le réchauffement de la planète est un phénomène naturel dû à la présence de différents gaz

dans l'atmosphère qui réservent une partie de la chaleur solaire réfléchie par la Terre. Le dioxyde de

carbone semble être le principal gaz responsable de l'augmentation de l'effet du réchauffement

planétaire, et sa présence est très importante dans les pays industrialisés et est principalement

produite par Combustion de combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz naturel).

Par conséquent, l'utilisation de sources d'énergie renouvelables apparaît comme la solution

appropriée pour réduire l'impact du réchauffement climatique. Favoriser le développement de ces

énergies, c'est atteindre une indépendance énergétique qui ne peut être que positive pour notre

développement.

Entrez dans l’univers des énergies renouvelables : [16]

* Qu'est-ce que l'énergie solaire ?

* Quelles sources d’énergies ?

* Pour quels besoins ?

* Comment les capter, les transformer ?

* Sous quelle forme les utiliser ?

Notion de base

sur la

conversion

photovoltaïque

NOTION DE BASE SUR LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE CHAPITRE

II

14


II

15

Qu'est-ce que l'énergie solaire ?

II.1 - Généralité

La Terre reçoit du soleil une énergie précieuse. En un an, le rayonnement du soleil représente

plus de 10 000 fois la consommation mondiale d’énergie actuelle, quels que soient les usages. Le

mot « photovoltaïque » est construit à partir de la combinaison de deux mots «photo » vient du grec

signifie lumière alors que (voltaïque) est un dérivée de volt qui représenter l'unité utilisée pour

mesurer le potentiel électrique. [17]

L’énergie photovoltaïque ne génère ni bruit, ni émissions nocives, ni gaz polluants,

contrairement à la combustion de combustibles fossiles qui génère du dioxyde de carbone, un gaz à

effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. Pour cette raison, la Principauté de

Monaco considère cette énergie comme hautement intéressante, et investit depuis plusieurs années

pour multiplier ses installations sur le territoire. [17]

La conversion photovoltaïque est la transformation directe d’une énergie électromagnétique

(rayonnement) en énergie électrique de type continu (directement utilisable) l’élément de base dans

cette conversion est la cellule solaire. [18].

II.2 - Technologie

L’élément de base dans la conversion du rayonnement est la cellule photovoltaïque ; plusieurs

cellules sont associées dans un module.ces modules sont groupés en panneaux eux même associées

pour former le champ PV. [2]

Le terme générateur PV est réservé à l’ensemble producteur d’énergie qui se situe en amont des

charges. Le générateur comprend donc le champ PV, le stockage d’énergie l’électronique de gestion

et conversion en alternatif. [2].


II

16

II.3 - Historique de la cellule solaire photovoltaïque

Quelques dates importantes dans l’histoire du photovoltaïque :

1839 : Antoine Becquerel publie un mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence

des rayons solaires relatif à une expérience menée par son fils Edmond avec une pile constituée par

des électrodes de platine et de cuivre oxydé plongeant dans une solution électrolytique acide. Cette

pile est capable de fournir un courant.

1877 : W. G. Adams et R. E. Day découvrent l'effet photovoltaïque du sélénium, et C. Frits met

au point le premier panneau photovoltaïque à base de cellules au sélénium.

1905 : Albert Einstein publie un article sur l'effet photoélectrique, ce pour quoi il obtient un prix

Nobel en 1921.

1954 : D. M. Chapin, C. S. Fuller et G. L. Pearson, deux ingénieurs des Bell Téléphone

Laboratoires (États-Unis), annoncent la mise au point d'une cellule dont le rendement de conversion

énergétique atteint 6 %, marquant ainsi véritablement la naissance de l'électricité photovoltaïque.

1959 : les États-Unis mettent en orbite Vanguard, le premier satellite alimenté par des cellules

photovoltaïques.

Années 1970 : les crises pétrolières renforcent l’intérêt et les crédits accordés à l’énergie

photovoltaïque.

1978 : le premier mégawatt crête installé est atteint dès 1978.

De 2010 à 2016 : la puissance installée du parc photovoltaïque mondial a été multipliée par 6

entre fin 2010 (50 GW) et fin 2016 (305 GW).[19]

Futur

L’industrie du photovoltaïque se tourne aujourd’hui vers le développement de techniques qui

utiliseront à terme beaucoup moins de matière ou des matériaux moins onéreux. Le solaire à

concentration, le dépôt sur ruban, les panneaux à couche fine et les matériaux organiques

constituent aujourd’hui les principaux axes de recherche et d’innovation future.

Enfin, la recherche sur le stockage d’électricité sera également importante. Ce thème transversal

de l’énergie concerne plus particulièrement le solaire photovoltaïque puisque le caractère compétitif

de cette technologie dépendra beaucoup de la capacité à adapter sa production pour répondre aux

besoins ponctuels. [19]

https://www.connaissancedesenergies.org/node/230





II

17

II.4 - Paramètre du rayonnement solaire régissant le fonctionnement des cellules

La figure II.1 présenté la gamme du rayonnement électromagnétique entourant le spectre

visible aussi que les longueurs d’onde de correspondantes.

Hors atmosphère, l’amplitude et la distribution spectrale du rayonnement solaire sont

parfaitement définie, au niveau du sol cette amplitude et cette distribution peuvent être varié.

La cellule PV n’est sensible que dans un domaine bien précis des longueurs d’onde.

Il est donc nécessaire de définir un spectre standard de référence. [2]

Figure II .1 : gamme du rayonnement électromagnétique entourant le spectre visible aussi que les

longueurs d’onde de correspondantes. [H]

Radiations

ultraviolettes Par

la couche d’ozone

L’atmosphère attenue la

lumière solaire quand elle

frappe la surface de la

terre

Spécialement Radiations

infrarouges Par la

vapeur d’eau


II

18

II.5 - Nombre d’aire masse(AM)

Le rayonnement solaire émis sous forme de radiation électromagnétique s’étend de l’UV à

l’IR (figure II. 1), Pour tenir compte de la position relative du soleil on introduit un coefficient

« m » appelé masse atmosphérique. [2]

Où nombre d’aire masse : la distance parcourue par le rayon lumineux de puis son entrée dans

l’atmosphère jusqu'à le sol. [20]

Le coefficient « m »est définit par :

m= 𝟏

𝐬𝐢𝐧(𝒉)

h : l’angle entre la position du soleil et le sol.

En partant de cette définition, le spectre solaire est divise en plusieurs aire masse (AM) - [20]

𝐀𝐌𝟏 = 𝟏 :

Le soleil est vertical sur la terre (h=90°), la puissance incidente est de 925 W/m².

𝐀𝐌𝟐 = 𝟐 :

Le soleil est crées un angle avec la terre (h=30°), la puissance incidente est de 691 W/m².

Et le nombre d’aire masse 𝑨𝑴𝟎 :

Hors atmosphère, la puissance est de 1353 W/m².

Mais les conditions standard de qualification des cellules solaire sont un spectre :

AM = 1.5

L’angle du soleil avec l’horizon est de (h ~ 45°), et la puissance est de 1000 W/m².


II

19

Figure II. 2 : conditions standard de qualification des cellules solaire. [I]

II.6 - Zone utile de spectre solaire

Les photons du spectre solaire ne vont pas être tous utilisables pour la génération de paires

(Electron -trous). [2]

Si :

E ph < E g :

Le photon n’est pas absorbé par le semi - conducteur qui est donc transparent pour cette λ.

E ph ≥ E g :

Le photon est absorbé mais une partie de l’énergie est perdu par thermalisation.

Soleil


II

20

Voir le spectre ci-dessous

Figure II. 3 : Zone utile de spectre solaire. [J]

Photons non absorbées (20%) transparence.

Zone utile (48%).

Partes par thermalisation ou en chaleur (32 %).

La cellule PV de Si ne répond que dans domaine de λϵ [0 ,4 - 1,1µm]. [2]


II

21

II.7 - Absorption du rayonnement dans la matière

La lumière est composée de photons. Les photons sont des éléments capables de traverser la

lumière et de la pénétrer. Plus généralement un rayon lumineux qui arrive sur un objet peut subir

trois événements optiques:[8]

La réflexion: la lumière est renvoyée par la surface de l'objet.

La transmission: la lumière traverse l'objet.

L’absorption: la lumière pénètre dans l'objet et n'en ressort pas, l'énergie est alors restituée

sous une autre forme.

Si on désigne par α le coefficient d’absorption du matériau, ce paramètre est fonction de la

longueur d’onde : [2]

Les faibles λ sont absorbées près de la surface du matériau, créant donc des paires

(é-trous) prés de la surface.

Plus grandes seront les λ, plus loin de la surface ils seront absorbées.

En raison de très nombreux défauts présents, la surface du si est une zone privilégiée pour

la recombinaison et donc l’annihilation (perte) des paire (électron – trous). On peut donc

concevoir que ces paires (é-trous) générées prés de la surface par les photons de faible λ ne

seront plus utilisables ce qui limite la réponse de la cellule PV au domaine (0,4 -1,1 µm)

pour le Si.

II.8 - Principe de fonctionnement d’une cellule solaire

Le fonctionnement des cellules solaire est basé sur l’effet PV, c’est d’ailleurs pourquoi on les

appelle aussi cellule PV. [18]

Elles permettent en effet la transformation directe de l’énergie solaire en énergie électrique. [1]


II

22

II.8.1 - L’effet PV

Le fonctionnement du générateur PV repose sur les propriétés des jonctions, ces jonctions

peuvent être de type p - n entre deux couches d’un même S/C dopé différents, ou enter deux S/C

différent (hétérojonction). [2], Si la jonction est éclairée les photons incidents créent des porteurs

dans chacun des régions (1-2-3). [2]

Dans les zones 1 et 3 les photos porteurs minoritaire diffusent ceux qui atteignent la ZCE

(zone de charge d’espace) sont propulses par le champ électrique vers la région ou ils deviennent

majoritaires. Ces contribuent donc au courant par leur diffusion. [2]

Dans la ZCE (la région 2) les paires (é-trous) crées par les photons sont dissociées par le

champ électrique, l’électron est propulses vers la région N et les trous vers la région P. [2]

Ces phot porteurs donne naissance un phot courant de génération ces deux contribution

s’ajoutent pour crées une photo courant résultant (Iph). [2]

Ce processus engendre une tension PV car le domaine N du S/C devint chargé négative (-) et le

domaine P de façon positive (+) le phot courant contribue au courant de la diode. Du courant

circule alors lorsque les deux couches sont fermées sur un circuit externe et il est maintenant

disponible pour le consommateur. [2]

𝑰 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑰𝒔 [𝐞𝐱𝐩 (𝒒∗𝑽

𝑲∗𝑻) − 𝟏] … …………………(1)

Iph (A) : photo – courant.

Is (A) : le courant de saturation.

I(A) : le courant généré par la photopile.

V (V) : la tension aux bornes de la cellule.

q : la charge de l'électron =1,6.10-19

C.

K : la constante de Boltzmann = 1.38. 10-23

J/K.

T : la température de fonctionnement en Kelvin.

(A) : unité de mesure du courant électrique est l'ampèremètre.

(V) : unité de mesure de la tension est le voltmètre.


II

23

h

Région 1 Région 3 h

ᵉ

h

Voir le schéma ci-dessous

Figure II.4 : principe de fonctionnement d’une cellule solaire. [K]

ᵉ


II

24

II.8.2 - Caractéristique I(V) d’une cellule PV

Le tracé de la caractéristique I(V) de la cellule solaire découle de l’équation. (1)

La caractéristique I(V) de la cellule PV correspond à la soustraction de deux courbes,

courbe (a) Iph et courbe (b) Id, ce qui traduit bien l’équation (1). [22]

Vmax Vco

Figure II. 5 : Caractéristique I(V) d’une cellule PV

Tension V(V)

Courant I(A)

Imax

Courbe (a) Iph

Iph = Icc

Courbe (b) Id

Point de

puissance

maximale


II

25

II.8.3 - Schéma électrique équivalent simple d'une cellule photovoltaïque

Figure II .6 : Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque. [L]

Iph (A) : photo – courant.

Isc : courant de court circuit (cc où sc).

Id : courant de la diode.

Rsh : Resistance caractérisant le courant de fuite de la jonction (défaut de la cellule photovoltaïque) ou la

résistance shunt.

Rs : Resistance série représentant les diverses résistances des contacte et des connections.

RL : Resistance de la charge.

I (A) : le courant généré par la photopile.

V (V) : la tension aux bornes de la cellule.

Sous les conditions de :

Court- circuit (cc)

Les électrons drainés par le champ interne de la jonction ver la zone N. rejoindront les

trous de la zone P, via la connections extérieure de la cellule PV donnant ainsi naissance

au courant (Isc ou Icc) de cette structure sous éclairement qui correspondra à la photo

courant (Iph) génère par le rayonnement. [2]

Iph = Isc


II

26

Figure II. 7 : Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque (court -circuit (cc)).

Circuit- ouvert (co)

Si la cellule est laissée en circuit ouvert (co) les porteurs générés par le rayonnement et

séparés par le champ interne de la jonction vont s’accumuler dans la zone N pour les

électrons, et dans la zone P pour les trous. Ce ci va conduire à une autre polarisation direct

de la jonction, les électrons sur la zone (N) et les trous sur la zone (P), ce qui correspond à

une autre polarisation dans le sens passant de la diode. [2]

Figure II .8 : Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque (circuit- ouvert (co)). [M]

Vco

I=0

Isc

= 0


II

27

La tension mesurée alors entre les électrons des sera la tension Vco. [2]

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 (exp (𝑞 ∗ 𝑉𝑐𝑜

𝐾 ∗ 𝑇) − 1) = 0

𝐼𝑝ℎ = 𝐼𝑠 [exp (𝑞 ∗ 𝑉𝑐𝑜

𝐾 ∗ 𝑇) − 1]

𝐼𝑝ℎ

𝐼𝑠= [exp (

𝑞 ∗ 𝑉𝑐𝑜

𝐾 ∗ 𝑇) − 1]

𝐼𝑝ℎ

𝐼𝑠+ 1 = exp (


𝐾 ∗ 𝑇)


𝐾 ∗ 𝑇= ln(

𝐼𝑝ℎ

𝐼𝑠+ 1)

𝑉𝑐𝑜 =𝐾 ∗ 𝑇

𝑞∗ [ln(

𝐼𝑝ℎ

𝐼𝑠+ 1)]

II.8.4 - Les caractéristiques de la cellule PV

la puissance fournie par la pile (cellule) est donnée par :

𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼

𝑃 = 𝑉 ∗ [𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 ∗ (exp (𝑞 ∗ 𝑉

𝐾 ∗ 𝑇) − 1)]

Le facteur de fournie est donnée par :

𝐹𝐹 =𝑉𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐼𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑐𝑜 ∗ 𝐼𝑠𝑐

le rendement de conversion η est donnée par :

𝜂 =𝑉𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐼𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒

P (solaire) : est la puissance du rayonnement solaire incident.


II

28

II.9 - Pénétration du rayonnement dans le matériau

II.9.1 - Couches antireflets (AR)

La cellule solaire PV est une plaquette de matériau semi conducteur soumis au rayonnement

incident. [2]

Le premier concerne les effets de réflectivité de la surface, si l’on expose du Silicium poly

cristallin à un rayonnement se situant dans la gamme de ʎ considérées précédemment, pour toutes

ces ʎ, pris de 40% de rayonnement incident sera réfléchie. [2]

Il va donc être nécessaire de traiter sa surface pour forcer le rayonnement à pénétrer dans le

semi conducteur.

On utilise couramment des couches antireflets (AR) obtenues par dépôt d’une couche d’oxyde

(TiO₂) sur Silicium. [2]

Cet effet d’interférences étant sélectif en fonction de ʎ, l’effet antireflet n’est maximum que

pour une zone limitée de ʎ. [2]

L’épaisseur des couches d’oxyde est de quelque certaines d’A°. [2]

Figure II .9 : pénétration du rayonnement dans le matériau. [N]

hv


II

29

Une autre préparation de la surface du Si :

II.9.2 - La texturisation

Cette opération consiste en une attaque chimique de la surface du Si.

Cette attaque est sélective, en ce qui concerne les plans cristallographiques du matériau et

conduit à la création de pyramides de quelque micron de hauteur.

L’effet de piégeage optique de la lumière est présenté sur la figure ci-dessous.

Ce traitement ne peut être appliqué qu’à des substrats mono cristallins.

Cette texturisation est suivie de dépôt de couche (AR), le coefficient de réflectivité de la

surface peut être réduit à 3 ou 4% pour toutes les ʎ considérés. [2]

Figure II .10: La texturisation. [O]

Texturisation

Couche anti reflet

Contact arrière

Contact avent


II

30

II.10 - Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?

II.10.1 - Définition d’ cellule photovoltaïque

Les cellules solaires son but est de capter le rayonnement du soleil, c’est-à-dire sa lumière, afin

de le transformer en électricité. Dans ce cas elle vient remplacer le rôle joué jusqu’ici par une pile.

[23].

Les usages de la cellule photovoltaïque sont nombreux. En effet, la cellule photovoltaïque peut

par exemple fournir l’électricité : [23]

Une habitation, lorsque l’installation est domestique.

Le réseau public d’électricité, dans le cas des centrales solaires thermiques.

Les bateaux solaires, avions solaires et autres véhicules alimentés grâce à des cellules

photovoltaïques.

II.10.2 - Le rôle des composants de la cellule photovoltaïque

Pour produire une quantité intéressante d’électricité par les cellules photovoltaïques. Selon les

matériaux de construction utilise pour élaborer une cellule solaire, d’une part son puissance et

d'autre parte son rendement, nous utilisons du matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie

lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Il en existe de nombreux, mais le

silicium, présent en quantité a la surface de la terre, est le plus utilise. [23]

II.10.3 - La structure de cellule est composée par

II.10.3.1 - Couche émetteurs de type(N)

Elle transmise la lumière incident vers la couche photoconductrice ou couche absorbant. Et la

transmutance de la couche (N) est supérieure à la couche (P), Pour passer un grand nombre des

photons à la deuxième couche et crée les paires (électron _ trous). [2]

II.10.3.2 - Couche absorbant (couche de bas de type P)

Qui transforme le rayonnement lumineux en paires (électrons - trous), par la suite sont collectés

pour réalisant une jonction à la surface de cette couche .car l'épaisseur de cette couche est

supérieure à la couche émetteur il y'a un grand nombre des porteur des charge donc la quantité de

courant est augmentée. [2]


II

31

II.10.3.3 - Couche antireflet

Cette couche est d'épaisseur de quelques (µm) utilisé pour minimiser les pertes des photons. [2]

II.10.3.4 - Les doigts métalliques

Pour faire une fenêtre optique et transmette les photons. [2]

II.10.3.5 - Couche opaque

Pour fait le contacte ohmique. [2]

Et nous en concluons : [2]

le coefficient d'absorption de la bas α bas > α émetteur.

le coefficient transmutance de la couche T émetteur > T bas.

Le courant qui domine est le courant créés par la diffusion des porteurs minoritaire des

régions (P) vers les régions (N) .pour donnent un bonne rendement.

Figure II .11 : les composants de la cellule photovoltaïque. [p]

Verre de protection

Doigt métallique

Couche antireflet

Couche transparent dope N

Couche absorbe dope P

Support métallique

Contact

Ohmiques

Les photons solaires


II

32

Avantage

-Très bon rendement (environ 150 Wc/m²)

-Durée de vie importante (+/- 30 ans)

Inconvénients

-Coût élevé

-Rendement faible sous un faible

éclairement

II.11 - Les différents types de cellules photovoltaïques

Pour transformé les rayonnements solaire, Il faut bien choisir le type de cellules photo-

voltaïques dans son panneau solaire. Par ailleurs, le choix des cellules se pose également sur la

durabilité et le prix des cellules. Le choix peut par ailleurs varier en fonction de rayonnement

solaire du projet, de sa situation géographique. [24]

Ils existent quatre principaux type de cellules solaires sont :

II.11.1 - Les cellules photovoltaïques au silicium monocristallin

Est la cellule de la première génération. La structure de cette cellule est idéale, elle consiste par

un seul cristalline de silicium qui divisée en deux couche dopé différent (N, P), le silicium fondu

se solidifie Lorsqu'il refroidit en ne formant qu’un seul cristal de grande dimension. On découpe

ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Les cellules en silicium monocristallin

ont une couleur bleue uniforme, Ces cellule besoin à une grand énergie mais permettant d'obtenir de

hauts rendement. [24]

Ces cellules ont des avantages, mais elles ne sont pas sans défauts.

Figure II.12 : cellules photovoltaïques au silicium monocristallin. [q]

Cellule

PV


II

33

II.11.2 - Les cellules photovoltaïques au silicium poly cristallin

Ces cellules sont plus simples à fabriquer et moins chères que les cellules au silicium

monocristallin.

Les cellules poly cristallines sont reconnaissables aux formes irrégulières des cristaux qui

apparaissent nettement à l’œil nu, Où il se forme de cristaux de tailles et de formes différentes

Lorsque le silicium fondu refroidi, On découpe ensuite le cristal en fines tranches. Le coloris de ce

type de cellule est bleu et parsemé de motifs laissés par les cristaux. [25]

La production de telles cellules nécessite moins d’énergie,

Mais elle a aussi des défauts

Figure II.13 : cellules photovoltaïques au silicium poly cristallin. [R]

Avantage

- Bon rendement (environ 100 Wc/m²)

- Durée de vie importante (+/- 30 ans)

-Meilleur marché que le monocristallin

Inconvénients

-Rendement faible sous

un faible éclairement.


II

34

II.11.3 - Les cellules à couches minces

Dans le domaine des couches minces, il existe trois principales filières : [2]

II.11.3.1 - Cellule de silicium amorphe

Cette cellule solaire présente de nombreux avantages et inconvénient. [26]

Figure II .14 : Cellule de silicium amorphe. [S]

Avantage

* Il est peu coûteux à fabriquer.

* Il peut également être combiné dans tout

type de support, souple ou solide.

* Il capte la lumière du soleil même les

jours nuageux.

Inconvénient

* Il offre un faible rendement,

environ 7% au maximum. Par

conséquent, pour être rentable, la

surface du panneau solaire doit être

grande.

* Ses performances diminuent avec le

temps


II

35

II.11.3.2 - Cellule au tellurure de cadmium

La cellule solaire à base de tellurure de cadmium a ses avantages et ses inconvénients. [27]

Figure II .15 : Cellule au tellurure de cadmium. [T]

Avantage

Ce matériau absorbe très bien la lumière et

peut être déposé en couches minces

Inconvénient

Son rendement reste

encore assez faible et la

toxicité du cadmium

pose un problème une

fois la cellule en fin de

vie.


II

36

Inconvénients

Fiabilité inconnue

Rendement moyen

II.11.3.3 - Cellule CZTS (cuivre zinc étain soufre)

Toujours en phase de développement et donc pas encore commercialisées.

Les cellules CZTS, fabriquées à partir de minerais non toxiques.- contrairement au silicium -,

ont l'avantage d'être fines, et peuvent donc s'appliquer sur des supports souples.

Ces cellules ont des avantages, mais elles ne sont pas sans inconvénient. [28]

Figure II.16 : Cellule CZTS (cuivre zinc étain soufre). [U]

Avantage

Utilisation de matières

premières courantes et non

toxiques

Applicable sur des supports

flexibles


II

37

II.11.4 - Cellule multi jonction

Les cellules multi-jonction sont composées de différentes couches qui permettent de convertir

différentes parties du spectre solaire et ainsi d’obtenir les meilleurs rendements de convection. [28]

Figure II .17 : Cellule multi jonction. [V]

Avantage

Rendement inégalé

Inconvénients

Pas d’application

commerciale


II

38

II.12 - Conclusion

Le silicium est le composant principal de la cellule PV. Son exploitation n'est pas un problème

car il est présent dans la croûte terrestre. Il subit donc de nombreux transferts de purification et de

distillation, et ce dernier cas est solide.

Les scientifiques peuvent continuer à construire la cellule en coupant de minces lingots de

silicium, ces derniers étant affectés par l'influence du rayonnement solaire (photon). Ensuite, il

libère de l'énergie électrique et thermique.

Les panneaux photovoltaïques créent un réseau électrique tout en préservant l'environnement,

en encourageant aujourd'hui l'utilisation des énergies renouvelables et en réduisant l'épuisement des

ressources non renouvelables, nous devons maintenir leur présence. En outre, le développement

croissant de la pollution qui nuit aux animaux et aux plantes doit être freiné. C'est pourquoi les

ressources PV doivent être encouragées. [29]

L'énergie solaire est l'une des sources d'énergie renouvelables les plus importantes obtenues

grâce à l'utilisation de panneaux solaires, mais le principal inconvénient restant de ces unités est

leur température élevée avec l'augmentation de la température de l'air, ce qui affecte négativement

les performances des panneaux solaires.

Pour connaître l'effet de la température et l'éclairage sur les performances de ces panneaux, et

sur la base d'études précédentes, nous découvrirons les facteurs climatiques qui affectent leur

efficacité (panneaux solaires).

Ce travail est basé sur une comparaison des performances de différentes types des cellules

photovoltaïques (monocristallines, poly cristallines, amorphe) en simulant un système en termes de

température ambiante et l’irradiation soleil.

Simulation du

rendement des différant

type d'une cellule

photovoltaïque en

fonction de la

Température

Et

Éclairement

SIMULATION DU RENDEMENT DES CELLULES EN

FONCTION DE LA TEMPERATURE ET ÉCLAIREMENT CHAPITRE

III

39

III.1 - La première partie (théorique)

III.1.1 - Introduction

L’effet photovoltaïque Il s'agit de la capacité à transformer l’énergie solaire en électricité. Ceci

est possible grâce à l’utilisation de cellules photovoltaïques -PV-. Ces dernières années, l'énergie

solaire est l'une des énergies renouvelables les plus importantes capturées à l'aide de panneaux

solaires.

En raison de la demande croissante d'énergie dans la plupart des secteurs industriels, le

photovoltaïque a connu un grand intérêt ces en termes d'aspect Scientifique et économique en plus

des obligations environnementales. [30]

La performance d’un système PV dépend fortement des conditions météorologiques, telle que

le rayonnement solaire, la température, la vitesse du vent et l’éclairement. Pour fournir l’énergie

continuellement durant toute l’année.

Le module photovoltaïque est représenté généralement par un circuit équivalent dont les

paramètres sont calculés expérimentalement en utilisant la caractéristique courant-tension.

Par conséquent, L’effet photovoltaïque est fonction de deux grandeurs physiques :

L’éclairement et la température, Le photovoltaïque est au cœur de la chaîne de production

d'électricité. Et pour améliorer et augmenter l'efficacité des cellules photovoltaïques, Les chercheurs

trouvent des moyens de déterminer les paramètres intrinsèques de ces cellules.

Afin de pouvoir comparer la performance les différant types des cellules photovoltaïques entre

elles, il a été défini des Conditions Standard de Test (STC) correspondant à un éclairement de

1000W/m² et à une température ambiante de 25°C.

Dans ce chapitre, nous explorerons les facteurs climatiques (température, éclairage) qui

affectent sur le rendement de différents types des cellules cristallines dans la conversion

photoélectrique.

Cette étude de simulation vise à évaluer l'efficacité des panneaux solaires de différents types de

cellules cristallines et à étudier leurs évolutions en fonction de la température et du rayonnement

solaire dans la plage de température (9 - 45 ° C). Et éclairement (4 - 1017 watts / m2).

III.1.2 - Les différents types des cellules cristallins

Il existe 3 grandes familles de cellules cristallines:

Le module monocristallin.

Le module poly cristallin.

Silicium amorphe.



III

40

III.1.3 - L’éclairement et la température influent sur l’effet photovoltaïque

L'effet photovoltaïque est fonction de deux grandeurs physiques : l'éclairement et la

température : [31]

Lorsque l'éclairement E (W / m²) augmente, le courant et la puissance produits par la cellule

et augmenter.

Figure III.1 : Influence des différents éclairements sur les caractéristiques I-V.

Lorsque la température T (°C) de la cellule augmente, la tension de sortie diminue de manière

significative, le courant augmente légèrement, de mais la puissance de sortie diminue

globalement.

Figure III.2 : Influence des différentes températures sur les caractéristiques I-V.

Point de puissance maximum



III

41

III.1.4 - Technologies et groupement des cellules photovoltaïques

Il ya deux type :

III.1.4.1 - Groupement série

Permet d’augmenter la tension de sortie. Pour un groupement de n cellules montées en série la

tension de sortie Vs a pour expression générale : [32]

Us = n. Uc Avec :

Uc : tension fournie par une cellule.

Us : la tension de sortie.

n: nombre de cellule en série.

Figure III.3 : Association série. [W]

Pour ce groupement, le courant est commun à toutes les cellules.

III.1.4.2 - Groupement en parallèle

Permet d’augmenter le courant de sortie. Pour un groupement de n cellules montées en

parallèle, le courant de sortie Is a pour expression générale : [32]

Is = n . Ic Avec :

Ic: courant fourni par une cellule.

Isle courant de sortie.

n : nombre de cellule en parallèle.

Figure III.4 : Association parallèle. [W]

Pour ce groupement, la tension est commune à toutes les cellules.



III

42

III.1.5 - Comparatif des technologies de générateurs photovoltaïques

Le tableau suivant fournit un résumé comparatif du rendement des différents types de cellules

PV dans les Conditions Standard de Test (STC) éclairement de 1000W/m² et à une température

ambiante de 25°C. [31]

Technologies

Si monocristallin

Si poly cristallin

Si amorphe

Rendement module STC

Maximal

Moyen

20.4%

16%

16%

15%

10%

6%

Tableaux III.1 : Comparatif des technologies de générateurs photovoltaïques.



III

43

III.2 - Deuxième partie (Discussion - Interprétation des résultats)

III.2.1 - Description générale de l’effet de la température et l’éclairement sur le rendement

Des études précédentes ont montré l'effet des facteurs climatiques (température, éclairage,

inclinaison et effets du vent) sur l'efficacité des panneaux solaires. [33] Conclure :

L'éclairage est un processus en chaîne avec le courant, plus les photons sont absorbés,

L’efficacité électrique a augmenté (le rendement d’électricité augmente). [34]

Si la température augmente, la puissance de sortie de la cellule photoélectrique diminue, ce

qui entraîne une diminution du rendement à un instant donné. [34]

la meilleure inclinaison est de 50 degrés, car une grande valeur de rendement de 4,18% avec

une grande puissance de 6,7 watts a été enregistrée. [35]

le vent joue le rôle d'un refroidisseur des cellules photovoltaïques, ce qui augmente son

efficacité. [35]

III.2.2 - Quelque point essentiel pour faire ce travail

À température ou éclairement constant (quel que soit le variable), le rendement d’une cellule

solaire dépend de la charge dans le circuit électrique. En circuit ouvert Pm= ∞, V=Vco ou en court-

circuit Rc=0, I=Icc, V=0, aucune énergie n’est transmise à l’extérieur. Entre ces deux extrêmes, il

existe une valeur optimale Ropt de la résistance de charge Rc pour laquelle la puissance fournie par

la cellule solaire à la résistance de charge est maximale notée :

Pm = P max. [34]

III.2.3 - L’objectif de cette simulation

Le but de ces simulations est de comparer différents photovoltaïques et d'évaluer leurs

performances en fonction de facteurs climatiques, par exemple, Température et rayonnement

solaire.

III.2.4 – Protocole de simulation

Le silicium (mono cristallin, poly cristallin, amorphe) est utilisé dans la fabrication de modules

PV. Et souvent, le rendement fourni par les fabricants du module dans des conditions standard est

d'environ 14%).

Cependant, en réalité, ce rendement fluctue environ 10% est dû à plusieurs facteurs climatiques

qui influencent grandement cette efficacité tels que la température et l'éclairage. [34]

Au cours de cette étude par simulation et en fonction de site (data. Cder. Dz: 81) pour

connaitre la température et l'éclairage pendant un jour aléatoire de chaque mois (janvier, mars, mai,

juin, août) afin de déterminer le type de cellule qui offre le meilleur rendement dans ces conditions.



III

44

III.2.4 .1 - L’influence de type de cellule

Nous étudions les performances de différents types de photovoltaïques à température

constants, 25°C et éclairage constants 1000 W/m². Pour connaître les meilleures performances des

cellules.

III.2.4 .2 - L’influence de l’éclairement

Nous choisissons différents mois de l'année (janvier, mars, mai, juin, août)

Nous étudions les performances de la cellule photovoltaïque à différentes lumières (valeur

maximale, valeur moyenne, valeur minimale) pendant une journée entière de chaque mois

séparément.

III.2.4 .3 - L’influence de la température

Nous étudions les performances de la cellule photovoltaïque à éclairage constant1000 W/m² et

à différentes températures (15, 25, 35,45).

III.2.4 .4 - Calcul du rayonnement solaire.

Ce site nous permet de calculer la puissance de l'éclairage solaire pendant la journée à

différents moments de l'année, dans n'importe quelle région du pays. [36]

Cette étude comprend :

La ville -OUM EL BOUAGHI-.

Le mois (Janvier, février, mars, avril, mai, juin, juillet, août, septembre, octobre, novembre,

décembre).

Le jour (Samedi, Dimanche, Lundi, Mardi, Mercredi, Jeudi, Vendredi).

Le type de cellule photovoltaïque.

Numération de jour dans l’année.

Déclinaison de soleil.

Calcule.



III

45

Figure III.5 : Calcul le rayonnement solaire dans la ville d’OUM EL BOUAGHI. [36]



III

46

III.2 .5 - Caractéristique du module

III.2.5.1 - Nombre de cellule

En Série (n).

En Parallèle(p).

III.2.5.2 - Caractéristique d’une cellule :

III.2.5.2.1 - Type de cellule

Monocristallin.

Poly cristallin.

Amorphe.

III.2.5.2.2 - Paramètre fixe de cellule

III.2.5.2.2.1 - Dimensions de cellule

Longueur de cellule (0.05m).

Largeur de cellule (0.05m).

III.2.5.2.2.2 - Donnée de cellule

Courant de court circuit Icc (5.09A).

Tension en circuit ouvert Vco (0.601V).

Irradiance en référence (W/m²).

Température de référence (25°C).

III.2.5.2.3 –Paramètre extérieure

L’éclairement (W/m²).

Température des cellules (°C).

Ces valeurs sont variables en fonction de la température et de l'éclairage instantanée qui appliqué à

la cellule photovoltaïque.

L'éclairage appliqué dans cette étude se limite entre (4 -1017 W/m²).

La température appliquée est confinée entre (9 -37°C).

Ce programme (MATLAB) dessiné des courbes graphiques. À travers nous pouvons facilement

évaluer les performances de la cellule photovoltaïque.



III

47

III.2.6 - MATLAB :

Est un langage de programmation, il est utilise pour la calcule numériques .matlab permet de

manipule des matrice, d’afficher des courber et des données.

Figure III.6.Comment fonctionne ce programme.

Valeurs variables en fonction

de la température et de

l'éclairage

Paramètre fixe de

cellule

Cliquez ici

Pour dessiner la

courbe

Type de cellule

Nombre et connecter les cellules

Courbe courant(A) -tension (V)

Courbe [puissance (W)/ Rendement (%)] -tension (V)



III

48

III.2.7 - L’influence de type de cellule photovoltaïque sur le rendement

En premier lieu on va vérifier l’effet du type de cellule sur le rendement photovoltaïque.

Ces simulations permettent de mesurer les paramètres caractéristiques de différents types de cellules

solaires, à savoir le courant de court-circuit (Isc), la tension en circuit ouvert (Vco), Rendement de

conversion photoélectrique (η) et puissance photovoltaïque (p).

Nous fixons la température et l'éclairage dans des conditions standard (T=25°C .E=1000 w/m²).

E : l’éclairage de la cellule photovoltaïque.

À partir de ce programme, nous obtenons les courbes suivantes :

III.2.7.1 - Courant – tension : I (A) = F (v)

Figure III.7 :L’influence de type de cellule photovoltaïque sur le courant de court- circuit et la tentions de

Circuit- ouvert.

La zone utile

(~0.3--- 0.6)



III

49

Discussion

On remarque que :

Dans cette courbe (zone utile) l'intensité du courant du court-circuit de la cellule monocristalline

atteint la valeur la plus élevée d’environ (I =5.1 A) par rapport à la courbe de la cellule poly

cristalline et amorphe.

La tension du circuit- ouvert atteint une valeur a peu prée (V =0.6v).

III.2.7.2 - Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.8 : L’influence de type de cellule photovoltaïque sur le rendement et la puissance.

Discussion

On remarque que :

Cette courbe montre que les performances de la cellule de silicium monocristalline sont la

meilleure par rapport à la cellule poly cristallin et cellule amorphe. Comme il atteint presque.

(η =100%), ainsi que pour puissance produite où sa valeur atteint (P=2,5 w).

Alors que leur valeur diminue à presque (η=95% et P=2,4 w) lorsque la cellule de silicium poly

cristallin, c'est le dernier est meilleure que la cellule de silicium aléatoire, qui a un rendement

presque égal 85% et la puissance presque égal 2.2 watts.



III

50

III.2.7.3 - Résultat et interprétation

Le photovoltaïque est l'un des meilleurs moyens de générer de l'énergie électrique.

La lumière incidente affecte la cellule photovoltaïque car elle conduit à un flux d'électrons et

les stimule à passer d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau d'énergie supérieur et ainsi obtenir

un courant électrique.

Les cellules photovoltaïques sont classées en grandes générations, Ce tableau montre le rendement de

chacun de ces types.

Tableau III .2 : L’influence de différent type de cellule photovoltaïque sur le rendement et la puissance.

Nous fixons la température et l'éclairage dans des conditions standard (T=25°C .E=1000 w/m²).

Sur la base des résultats obtenus, nous constatons que la cellule photovoltaïque monocristalline offre le

meilleur rendement par rapport à la cellule poly cristallin et cellule amorphe. Cette cellule :

Il se compose de cellules monocristallines (contenant des cristaux de forme et de dimensions

identiques et ayant les mêmes propriétés optiques et physiques).

La cellule monocristalline composée d’un seul cristal divise en deux couches dope différant (type N,

type P).

La cellule monocristalline donné de hauts rendement dans les conditions standard (E=1000 w/ m² et

T=25°C).

Nous choisirons ci-dessous ce type afin de connaître l'effet à la fois de la température et de

l'éclairage sur ses performances pendant plusieurs jours des mois différents.

Température

(°C)

Eclairement

(w/m²)

Type de cellule

Rendement η(%)

Si-monocristallin

~ 100%

T= 25°C

E= 1000w/m²

Si-poly cristallin

~ 90%

Si- amorphe

~ 85%



III

51

III.2.8 - L’influence de l’éclairage sur le rendement de la cellule de silicium monocristalline

Chacun des courbe (1, 2, 3 ... 10) représente les valeurs de (courant, énergie produite et

rendement de la cellule en termes de différence de tension) à différentes éclairage et températures

au cours des mois suivants (janvier, mars, mai, juillet, août) pour une cellule photovoltaïque

monocristallin.

On remarque que l'intensité du courant de court-circuit est directement proportionnelle à

l'intensité du rayonnement solaire, mais la tension en circuit ouvert, Sa valeur change légèrement

avec l'intensité de l'éclairage.

III.2.8 .1- L'effet de l'éclairage au mois de janvier à une température de 9 °C

La courbe ci-dessous Représente L'effet de l'éclairage dans le premier jour de janvier à une

température = 9 °C. Sur les caractéristiques de la cellule photovoltaïque (monocristallin).

III.2.8 .1.1 - Courant – tension : I (A) = F(v)

Figure III.9 : L’effet de l'éclairage dans le premier jour de janvier à une température = 9°C sur les

caractéristiques I –V.



III

52

Discussion

On remarque que :

À un éclairement maximal de E=573 w/m², le courant de court-circuit a une valeur maximale

de I=2,9 A, et la tension de circuit-ouvert est de V= 0,63 v.

Alors que le courant diminue à l'éclairage le plus bas E=119 w/m², atteignant la valeur I= 0,6

A, ainsi que la tension en circuit-ouvert qui diminue mais d'un petit pourcentage, sa valeur atteint

V=0,58 v.

III.2.8 .1.2 - Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.10 : L'effet de l'éclairage dans le premier jour de janvier à une température = 9°C sur le

rendement η et la puissance P.

Discussion

On remarque que :

Le rendement et puissance produits par la cellule photovoltaïque atteint une valeur de η = 60%,

et P=1,5 w à un éclairement maximum de E= 573 w/m².

Le rendement de la cellule diminue à une valeur de η =13%, et P=0,3 w lorsque l'éclairage est

égal à 119 w/m².

80

60

40

20



III

53

Les résultats obtenus seront précisés dans ce tableau.

Tableau III.3 : Influence des différents éclairements sur les caractéristiques d’une cellule PV dans une

Températures constant T= 9°C.

III.2.8 .2 - L'effet de l'éclairage au mois de mars à une température de 15 °C

La courbe ci-dessous Représente L'effet de l'éclairage dans neuvième jour de mois d’mars à une


III.2.8 .2 .1 - Courant – tension : I (A) = F (v)

Figure III.11 : L'effet de l'éclairage dans neuvième jour de mois d’mars à une température = 15 °C, Sur les

caractéristiques de la cellule photovoltaïque I-V.

01/01/2020

Température

(°c)

Eclairement

(W/m2)

ICC (A)

VCO (V)

PMAX(W)

η(%)

T =9°C

573

2,9

0,63

1,5

60%

446

2,3

0,62

1,2

45%

119

0,6

0,58

0,3

13%



III

54

Discussion

On remarque que :

L'intensité du courant de court-circuit et la tension en circuit-ouvert sont d'environ I= 4,4A et

V= 0,62 v à un éclairement de E= 866w/m².

Alors que l'intensité du courant Icc et la tension Vco diminuent pour atteindre I=0,7A et

V= 0,57 v lorsque l'éclairage est estimé à E= 134w/m².

III.2.8 .2 .2 - Rendement – tension : η(%) =F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.12 : rendement et puissance d’une cellule PV dans la température T= 15°C et différant éclairage.

Discussion

On remarque que :

Le rendement de la cellule et la puissance produite atteignent la valeur la plus élevée η= 90%

et P = 2.4 w à une intensité lumineuse d’E= 866 w/m².

Tandis que leur valeur tombe à η= 15% et P=0,3 w à une intensité lumineuse de E= 134w/m².

100

80

60

40

20



III

55

Les résultats obtenus seront précisés dans ce tableau.

Tableau III.4 : Influence des différents éclairements sur les caractéristiques d’une cellule PV dans le mois

de mars.

III.2.8 .3 - L'effet de l'éclairage au mois de mai à une température de 25 °C

La courbe ci-dessous clarifier L'effet de l'éclairage dans Le quinzième jour d' mai à une



Figure III.13 : L'effet de l'éclairage et une température = 25 °C, Sur les caractéristiques de la cellule

photovoltaïque I-V (mois de mai).

09/03/2020

Températur

e (°C)

Eclairement

(W/m2)

ICC (A)

VCO (V)

PMAX(W)

η (%)

T =15°C

866

4,4

0,62

2,4

90%

567

2,9

0,61

1,4

59%

134

0,7

0,57

0,3

15%



III

56

Discussion

On remarque que :

À éclairage E= 1017w/m², Le courant de court-circuit égal (I= 5,2 A) et la tension de circuit-

ouvert égale (V=0,61 v).

Mais à éclairage E=134w/m², le courant diminue considérablement pour atteindre (I= 0,7A), et

la tension en circuit-ouvert diminue mais d’un très petit pourcentage, sa valeur varie entre (0,5 - 0,6

volts).

III.2.8 .3 .2 -Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.14 : rendement et puissance d’une cellule PV dans la température T= 25°C et différant éclairage

en fonction de tension.

Discussion

On remarque que :

À l'illumination maximale, estimée à E= 1017 w/m², le rendement de la cellule atteint la valeur

la plus élevée, qui est presque 100%, et il en va de même pour l'énergie produite atteignant à P =

2,6w.

Le rendement de la cellule diminue en diminuant l'intensité du rayonnement solaire et

atteignant 10% à éclairement E= 134 w/m², Et à cette lumière la puissance est égale P= 0.5w.



III

57

Les résultats obtenus sont présentés dans ce tableau.


de Mai.

III.2.8 .4 - L'effet de l'éclairage au mois de juillet à une température de 33 °C

La courbe ci-dessous clarifier L'effet de l'éclairage dans Le 20 /07/2020 à une température = 33

°C. Sur les caractéristiques de la cellule photovoltaïque (monocristallin).


Figure III.15 : les caractéristiques de la cellule photovoltaïque I-V dans une température fixe et différent

éclairement (mois de juillet).

15/05/2020

Température

(°C)

Eclairement

(W/m2)

ICC (A) VCO (V) PMAX(W) η (%)

T = 25°

1017

5,2

0,6

2,6

Presque 100%

581

3

0,59

1,45

58%

134

0,7

0,55

0,3

10%



III

58

Discussion

On remarque que :

La cellule photovoltaïque produit un courant de (I=5,1A), à un éclairage de E=999 w/m².

Tandis que sa valeur diminue jusqu'à ce qu'elle soit presque inexistante à très faible éclairage E=4

w/m².

À ces lumières, l'intensité change, mais dans de légères proportions.

III.2.8 .4 .2 - Rendement – tension : η(%) =F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.16 : rendement et puissance d’une cellule PV dans la température T= 33°C et différant éclairage

en fonction de tension.

Discussion

On remarque que :

Lorsque l'illumination est estimée à E=4w/m², le rendement de la cellule est presque nul, mais sa valeur

augmente à mesure que l'intensité de l'illumination tombant sur la cellule photovoltaïque augmente jusqu'à

η= 98% à l'illumination maximale E= 999w/m².

Quant à l'intensité, elle est directement proportionnelle aux performances de la cellule.

Le tableau suivant montre les valeurs de courant de court-circuit, la tension de circuit-ouvert, la

puissance et le rendement d'une cellule photovoltaïque à différentes lumières et à température

constante T =33°C.

100

80

60

40

20



III

59


de juillet.

III.2.8 .5 - L'effet de l'éclairage au mois d’août à une température de 37 °C

On observe dans cette courbe l'effet de l'éclairage à température constante sur les propriétés de

la cellule photovoltaïque dans le 17/08/2020.


Figure III.17: L'effet de l'éclairage dans le (17/08/2020) à une T= 37°C sur les caractéristique I-V.

20/07/2020

Température

(°C)

Eclairement

(W/m2)

ICC (A) VCO (V) PMAX (W) η (%)

T= 33°C

999

5,1

0,59

2,45

Presque

98%

367

1,9

0,57

0,8

35%

4

Presque

0

0.42

Presque

0

Presque

0%



III

60

Discussion

On remarque que :

L'intensité du courant électrique change avec le changement de l'intensité de l’éclairage, car sa

valeur est comprise entre (0,4 – 5 A) lorsque l'intensité du rayonnement solaire entrant est comprise

entre (92 – 991 w/m²).

La valeur de la tension de court-circuit augmente de 0,52 volts à 0,58 volts Respectivement aux

mêmes valeurs de luminosité.

III.2.8 .5 .2 - Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.18 : Influence des différents éclairements sur le rendement et puissance d’une cellule PV dans

le mois d’août.

Discussion

On remarque que

Lorsqu'elle est allumée E= 991 w/m², le rendement de la cellule atteint jusqu'à 96% et la

puissance produite atteint à P= 2,3 w.

Lors de l'éclairage E= 92w/m², le rendement de la cellule diminue à la valeur 8% et la

puissance à la valeur P=0,2 w respectivement.

Le tableau ci-dessous présent les caractéristiques d'une cellule photovoltaïque dans sous

différents éclairages et température constant T=37°C.

100

80

60

40

20



III

61

Tableau III.7 : Influence des différents éclairements sur les caractéristiques d’une cellule PV à une

Température constant T= 37°C.

III.2.8 .6 - Résultat et interprétation

Le tableau ci-dessous présent L'effet d'éclairage et la température de différents mois sur les

propriétés de la cellule photovoltaïque.

Tableau III 8 : L'effet d'éclairage et la température de différents mois sur les caractéristiques de la cellule

photovoltaïque.

17/08/2020

Température

(°C)

Eclairement

(W/m2)

ICC (A) VCO (V) PMAX(W) η (%)

T=37°C

991

5

0,58

2,3

Presque

96%

710

3,6

0,57

1,7

68%

92

0,4

0,52

0,2

8%

Mois

Température

(°C)

Eclairage (w/m2)

η (%)

Janvier

01/01/2020

9°

573

60%

Mars

09/03/2020

15°

866

90%

Mai

15/05/2020

25°

1017

Presque

100%

Juillet

20/07/2020

33°

999

98%

Aout

17/08/2020

37°

991

96%



III

62

Les cellules solaires sont considérées comme une forme d'énergie renouvelable et propre, car

elles produisent de l'électricité de type continu (directement utilisable). L'intensité de son courant

dépend de la durée d'ensoleillement et de l'intensité de la lumière solaire, ainsi que de l'efficacité de

la cellule photovoltaïque à convertir l'énergie solaire en énergie électrique.

À différents éclairages et températures de l'air selon le mois étudié

En fonction des résultats obtenus à partir de ces simulations. On constate que plus l'intensité de

l'éclairage est élevée, plus la valeur du courant électrique est élevée, meilleur est le rendement de la

cellule photovoltaïque et sa puissance productive est meilleure. Ceci est dû au principe de

fonctionnement de la cellule photovoltaïque.

Lors d'un éclairage suffisant de la cellule photovoltaïque, les photons incidents à la surface de

la cellule conduisent à la formation d'un paire (électron-trou) .il faut que l'énergie du photon

incident doit être supérieure à l'énergie de gap. Ces électrons gagnent de l'énergie qui leur permet

de passer de la région P à la région N, et de transférer les trous de la région N à la région,

Les électrons rassemblés dans la région N se déplacent à travers l'interface métallique pour se

fondre à nouveau avec les trous. Ce mouvement génère un courant électrique dont la direction est

opposée à la direction du mouvement des électrons.

Enfin. Nous concluons que plus le rayonnement solaire est important, plus la valeur du courant

résultant est élevée, ce qui conduit à une augmentation de la valeur de la puissance produite pour la

cellule, et l'augmentation du rendement de la cellule photoélectrique. On note également que ce

rendement dépend du type de cellule solaire.



III

63

III.2.9-L’influence de la température sur le rendement de la cellule de silicium monocristalline

Chacune des courbes (1, 2), représente les caractéristique d'une cellule PV (courant, rendement

produite et la puissance de la cellule en termes de différence de potentiel) à éclairage constant

E=1000 w/m² et à différentes températures (15, 25, 35,45) d'une cellule photovoltaïque

monocristalline.

III.2.9.1 - Courant – tension : I (A) = F (v)

Figure III.19 : L'effet de la température Sur les caractéristiques de la cellule photovoltaïque I-V à un

éclairage 1000w/m².

Discussion

On remarque que :

La valeur la plus élevée de la tension en circuit ouvert est d'environ V= 0,62 v à la basse

température de T=15 °C, alors que cette valeur diminue pour atteindre V=0,56 v à la haute

température de T=45 °C.

En revanche, l'intensité du courant de court-circuit est Presque fixe quelle que soit la différence

de température.



III

64

III.2.9.2 - Rendement – tension : η(%) = F(v), Puissance – tension : P(w) =F(v)

Figure III.20 : Influence des différentes températures sur le rendement et la puissance d’une cellule PV à un

éclairement fixe (E=1000 w/m²).

Discussion

On remarque que :

Cela indique que la température a un effet négatif sur le rendement de la cellule, car La

performance de la cellule à la température maximale est approximativement égal η=90%.

Au contraire, à la température la plus basse, les performances de la cellule atteignent la valeur

la plus élevée presque égal η= 100%.

Dans ce tableau ci-dessous, nous expliquons les caractéristiques de la cellule à un éclairage

constant et à différentes températures.



III

65

Tableau III.9 : Influence des différentes températures sur les caractéristique d’une cellule PV à un

éclairement fixe (E=1000 w/m²).

III.2.9.3 - Résultat et interprétation

Tableau III.10 : L'effet de la température sur le rendement de la cellule photovoltaïque à un éclairement

constant.

Eclairement

(W/m2)

Température

(°C)

ICC(A)

Presque

VCO(V)

PMAX (W)

η (%)

E=1000w/m²

15°C

5,1

0,62

2,7

Presque

100%

25°C

5,1

0,6

2,5

99%

35°C

5,1

0,58

2,4

95%

5°C

5,1

0,56

2,3

90%

Eclairement

fixe (w/m2)

Température (°C)

Rendement η (%)

E=1000w/m²

15°C

Presque 100%

25°C

99%

35°C

95%

45°C

90%



III

66

Pour que la cellule photovoltaïque fonctionne bien, il faut l'exposer longtemps à la lumière.

Cette dernière provoque une augmentation de la température d’cellule, et cette élévation entraîne

une diminution du rendement de la cellule et de son puissance productive. Ceci est dû à la

diminution de la tension de la cellule.

À des températures différentes et un éclairage constant, on remarque ce qui suit.

L'augmentation de la température de la cellule photovoltaïque a un effet notable sur sa tension.

En revanche, l'effet de la température sur le courant PV est minime, la raison en est lorsque la

cellule photovoltaïque est exposée à la lumière, Des liaisons équivalentes sont rompues et donnée

des paires (trous-électrons), ce qui conduit à son tour à la production d'une tension (tension de

circuit-ouvert) .Les valeurs de cette tension sont inversement proportionnelles aux valeurs du

courant de saturation.

À mesure que la température augmente, la température de la cellule augmente, cela conduit à

une augmentation de la concentration intrinsèque et donc la valeur du courant de saturation

augmente, ce qui conduit à une diminution la valeur de la tension en circuit-ouvert et le rendement

de la cellule photoélectrique.

Enfin, La tension de circuit-ouvert est inversement proportionnelle à la température, donc

L'intensité diminue à une température élevée .et le courant de court-circuit Presque fixe. Cela

conduit à une diminution de la valeur de rendement et la puissance de la cellule photovoltaïque.



III

67

III.2.10 - Conclusion

Dans ce chapitre, sur la base des résultats obtenus par simulations, nous avons observé l'effet de

(température, l’éclairement) sur les propriétés de la cellule solaire.

Et nous avons conclu :

Lorsque l'éclairement E (W / m²) augmente :

Le courant produit par la cellule augmente. Cela conduit à une augmentation de la

puissance de cellule photovoltaïque.

Une augmentation de la valeur de rendement de la cellule photovoltaïque.

Cette augmentation est liée au type de cellule photovoltaïque. Parce qu'une cellule

solaire monocristalline a un meilleur rendement que la cellule poly cristalline et la

cellule amorphe.

Lorsque la température de la cellule T augmente :

La tension de sortie diminue fortement.

le courant augmente légèrement, ce qui conduit à une diminution de la puissance

de sortie en général.

Le rendement est également réduit.

CONCLUSION GENERALE

68

Conclusion générale

Pour Améliorer la production d'électricité à partir d'installations photovoltaïques. Il est

nécessaire de diriger de manière optimale l'énergie solaire afin de capter le maximum de

rayonnement solaire.

L'éclairage et la température sont deux paramètres très importants dans le comportement des

cellules solaires. Cela affecte grandement la caractéristique I-V des cellules solaires.

La température est un paramètre très important qui ne peut être négligé dans le comportement

des cellules solaires. Une très petite partie de l'énergie incidente totale est réfléchie sur la surface du

capteur et est extraite sous forme d'énergie électrique, ainsi Pendant le processus de production

d'électricité, la température de cette cellule photovoltaïque augmente, ce qui entraîne une

diminution dans sa puissance.

D'où l'importance d'étudier l'effet de l'éclairage et de la température pour améliorer les

performances des systèmes photovoltaïques en fonction de leurs différents types et connaître leurs

performances et leurs rendement.

De ce point de vue nous avons fait ce travail, et le but est une simulation numérique utilisant

MATLAB pour vérifier l'effet du rayonnement solaire et de la température ambiante sur les

propriétés de la cellule solaire.

Les résultats ont montré que l'effet du rayonnement solaire et de la température a un rôle

majeur sur le rendement de la cellule photovoltaïque.

En effet, à l'augmentation de l'éclairage solaire augmente la quantité de photons tombant sur la

cellule photovoltaïque, qui à son tour fonctionne pour la conversion photoélectrique d'un côté et la

chauffer de l'autre, ce qui affecte les caractéristique de la cellule photovoltaïque. Les résultats

montrent que plus le rapport d'éclairage élevé, plus le rendement élevé. Au contraire, plus la

température est élevé, moins le rendement de la cellule photovoltaïque.

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Abstract:

The objective of this work is a numerical simulation with the MATLAB

code, in order to verify the effect of solar irradiance and ambient temperature on

the characteristics of a solar cell.

The results obtained show that the impact of solar radiation and

temperature is major.

Keywords: photovoltaic solar cell, solar radiation, ambient temperature.

:ملخص

للتحقق من تأثير MATLAB الهدف من هذا العمل هو محاكاة عددية باستعمال

.على خصائص الخلية الشمسية الحرارة المحيطة الإشعاع الشمسي ودرجة

التي تم الحصول عليها أن تأثير الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة النتائج أظهرت

.كبير

: الخلايا الشمسية الكهروضوئية ، الإشعاع الشمسي ، درجة الكلمات المفتاحية

.الحرارة المحيطة

Résumé:

L’objectif de ce travail est d’une simulation numérique avec le code

MATLAB, afin de vérifier l'effet de l'éclairement solaire et la température

ambiante sur les caractéristiques d'une cellule solaire.

Les résultats obtenus montrent que l’impact du rayonnement solaire et la

température est majeure.

Mots clés : cellule solaire photovoltaïques, rayonnement solaire, température

ambiante.

ANNEXE

73

Annexe 1

Calcul du rayonnement solaire

Figure : Calcul le rayonnement solaire dans la ville d’OUM EL BOUAGHI.

(data. Cder. Dz: 81)

Ce site nous permet de calculer la puissance de

l'éclairage solaire pendant la journée à différents

moments de l'année, dans n'importe quelle région

du pays.

Documents

ulation du rendement des différents types de cellules