Solaire

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les cellules photovoltaïques  :

 

 


 

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énergie renouvelables

 


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Généralités:

 

Depuis la fin du 20ème siècle le solaire a une croissance moyenne de 25 % par année ( 37% en 2003)

Les coûts ont été considérablement réduit ces dernières années ( -25%)

 

ci-contre la production mondiale d'électricité à partir du solaire.

 

 

On remarque un forte augmentation de la production. Cette augmentation est due à une politique des producteurs et des distributeurs visant à vendre (et donc produire) de l'électricité verte.

Des programmes existent de rachat de cette électricité même à des particuliers ainsi que des arrangements financiers pour des entreprises utilisant cette énergie.

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Les principaux constructeurs

 

exemples de production:

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Allemagne : EEG ( 1.04 2000)

  • rachat à 0,55 cts Euro/kWh
  • 400 MW installé (2003)

Genève  : courant "vitale vert"

  • 6MW prévu en 2006
  • rachat 80cts CHF/kWh

Mont-Soleil (suisse)

  • centrale de 0,5 MW

Bruxelles : (Belgique)

  • le long du stade Baudouin au Hexsel

 

 

Les bases  du solaire :

 

Le soleil nous envoie un rayonnement électromagnétique (appelé rayonnement solaire) qui se situe dans le domaine de la lumière et est composé d'infra-rouge, de lumière visible et d'ultra-violet.

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Ci-contre la représentation de la composition spectral du rayonnement solaire dans un graphique de l'irradiance spectrale [W/(mm.m2)]en fonction de la longueur d'onde [mm].

 

  • les UV représentent 6% du rayonnement
  • le domaine visible comprend 48 % du rayonnement
  • les IR englobent les 46% du rayonnement

 

Énergie Annuelle sur la terre

1,6 . 1018 kWh soit 15 ’000
fois la consommation mondiale d’énergie primaire

 

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Ensoleillement

Course solaire :

Du fait que l'axe de rotation de la terre n'est pas perpendiculaire au plan galactique, la course du soleil dans notre ciel n'est pas identique au fil des jours de l'année.

 

  • En été le soleil se lève un peu plus au nord que uniquement l'est. A midi il est très haut dans le ciel et se couche également au-delà de l'ouest.
  • En hivers  sa course reste basse favorisant l'éclairage des façades sud
  • En automne et au printemps  sa course varie entre les positions de l'été et celles de l'hivers.

Du fait de ces variations de courses solaires, il résulte qu'il n'y pas que les exposions "plein sud" qui sont profitable  pour la pose de panneau solaire.

 

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Énergie annuelle reçue :

Sur la représentation ci-contre, on trouve les valeur en % de l'énergie annuelle reçue en fonction de l'orientation.

 

  • Les éléments horizontaux : 90 %

 

  • éléments inclinés sur toit plat : 95 à 100%

 

  • toitures inclinées 95 à 100%

 

  • protection solaire 95 à 100 %

 

  • façades de 50 à 70 %.

 

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On admet que sous l'énergie reçue peut atteindre 1kW / m2. En général cette valeur est un peu sur-estimée.

 

 

les cellules :

 

Les cellules photovoltaïque sont faites à partir de matériaux semi-conducteur qui transforme l'énergie des ondes électromagnétiques (photons) proche (infra-rouge) ou égale à celle de la lumière visible en courant électrique  en mettant des électrons de la bande de valence sur la bande de conduction (par absorbsions d'énergie).

 

Les cellules sont exposées à un bombardement de photons. Une partie des photons sera réfléchie, une seconde traversera la cellule (des recherches sont en cours pour mettre des récupérateurs de chaleur solaire -eau sous des cellules photovoltaïques) et le reste sera absorbé par la cellule. L'énergie  absorbée (à des photon d''énergie supérieure à celle du band gap) permet aux électrons d'être libérés (laissant un ion positif). En dopant ( mettre des impureté dans le cristal voir semi-conducteurs) le cristal type N et type P,  on crée une tension qui  permet la séparation des charges positives ( ions positif) et des charges négatives ( électrons). Les électrons libérés par l'absorbsion de l'énergie lumineuse  créeront le courant de la cellule

Principe physique :

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type de cellule :

cellule monocristalline  (c-Si) cellules polycristallines (c-Si) cellules amorphes ou à couche mince (a-Si)
Cette cellule est composé d'un seul cristal à 2 couches. Ces cellules ont un prix relativement élevé, mais un rendement de l'ordre que 15 à 22 %.

L'énergie pour mettre des électrons dans la bande de conduction est pour les cellules cristallines de l'ordre de 1,1V.

Comme son nom l'indique cette cellule est composée de plusieurs cristaux ce qui a 2 effets
  • diminuer le rendement (10 à 15%
  • diminuer le prix de fabrication

L'énergie pour mettre des électrons dans la bande de conduction est pour les cellules cristallines de l'ordre de 1,1V.

C'est généralement ce type de cellule qui est utiliser dans le fabrication des montre, calculatrice, etc.. Le rendement est seulement de 5 à 10 % mais le prix est également "bas".

Un avantage de ce type de cellule est qu'elle fonctionne avec de la lumière visible produite de manière artificiel comme par exemple les tubes fluorescents.

L'énergie pour mettre des électrons dans la bande de conduction est pour les cellules amorphes de l'ordre de 1,7 V.

 

fabrication:

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Utilisations :

 

Ces cellules sont utilisées dans différents type de panneaux , par exemple :

 

pour montage en façade Pour toit transparent (marquise) en montage horizontaux
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avec support souple montage par-dessus toit existant Tuile-solaire 1
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montage isolé parabole : four solaire tuiles solaires 2

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raccordement des panneaux :

 

Le raccordement des panneaux n'est généralement pas problématique, puisqu'il s'agit juste de faire des montages série - parallèle de panneau et de rangée de panneaux. Le tension n'étant pas très élevée, le courant peut être assez important et il faut donc prévoir une section des fils suffisante (la tension d'une cellule est de 0,5 V, mais les panneaux sont des ensembles de cellule).

 

Raccordement sur la distribution de l'énergie :

Il existe 2 tendances dans l'emploi de l'énergie électrique produite par le solaire.

 

  • charger des batteries  et utiliser une distribution en tension continue (DC)
  • alimenter des onduleurs et réinjecter dans le réseau l'énergie alternative (AC)

 

méthode DC

Ci- contre un schéma de principe d'une installation solaire (faite par ademe.fr/aquitaine)

 

  • En vert : courant continu
  • En rouge courant alternatif
  • (contrairement à la légende de l'animation)

En cliquant sur l'image vous verrez une animation de ce montage sur le site cité plus haut ( donc pas sur le CD).

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méthode AC

 

Sur ce petit schéma le distributeur a imposer un comptage de l'énergie produite avant de l'utiliser. Cette méthode permet de fixer un prix d'achat/ de vente différent que celui de l'énergie du réseau.

 

Il est aussi possible de brancher directement la sortie du onduleur sur l'installation de distribution (après le compteur). Dès lors l'énergie produite sera directement utiliser localement et le compteur "tournera" moins vite ou en cas de production plus importante que la consommation locale le compteur "tournera à l'envers" diminuant ainsi le montant totale de la facture.

 

Quelque soit la solution choisie ou imposée, il est important que l'onduleur soit équipé d'un dispositif de mise hors tension de  la sortie en cas de coupure de courant du réseau pour éviter de réalimenter un réseau coupé doit intentionnellement soit accidentellement.

Des essais avec beaucoup d'installation en service branché sur un même réseau ont montré la fiabilité de ces systèmes qui n'ont pas provoquer un îlotage de ces installations en maintenant ces installations sous tension ( donc la coupure à eu lieu).

Un désavantage de ce système est qu'en cas de coupure de la part de votre distributeur votre installation qui peut produire de l'électricité ne pourra dès lors plus fonctionner. Il est bien sûr possible de contourner ce défaut en investissant encore un peu plus ...

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Ci-contre. représentation temporelle de la consommation, de la production solaire et des besoin au réseau de l'énergie électrique.

 

On remarque dans ce graphique que lors d'un journée d'ensoleillement moyen la couverture des besoins est presque intégralement assurée par les panneaux solaires. Le réseau n'est dès lors utile que pour couvrir les pointes de consommation ainsi que la consommation nocturne.

La partie excédentaire peut être revendue au distributeur.

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