Système solaire photovoltaïque
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Comment fonctionne le système solaire photovoltaïque ?

L’ampleur de l’énergie thermique du soleil en fait une source d’énergie très attrayante. Cette énergie peut être directement convertie en électricité à courant continu et en énergie thermique. L’énergie solaire est une source d’énergie renouvelable propre, abondante et inépuisable disponible sur la terre. Les panneaux solaires ou les systèmes solaires photovoltaïques utilisant des panneaux (panneaux SPV) sont disposés sur des toits ou dans des fermes solaires de manière à ce que le rayonnement solaire tombe sur les panneaux solaires photovoltaïques pour faciliter une réaction qui convertit le rayonnement lumineux du soleil en électricité.

L’énergie solaire peut être utilisée pour alimenter un seul bâtiment ou être utilisée à l’échelle industrielle. Lorsqu’elle est utilisée à petite échelle, l’électricité supplémentaire peut être stockée dans une batterie ou injectée dans le réseau électrique. L’énergie solaire est illimitée et la seule limite est notre capacité à la convertir en électricité de manière rentable. De minuscules panneaux solaires photovoltaïques alimentent des calculatrices, des jouets et des cabines téléphoniques.

Définition d'un système solaire photovoltaïque

Un système solaire photovoltaïque convertit l’énergie solaire en énergie électrique tout comme une batterie convertit l’énergie chimique en énergie électrique ou un moteur automobile convertit l’énergie chimique en énergie mécanique ou un moteur électrique (dans un véhicule électrique, VE) convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. Une cellule SPV convertit l’énergie solaire en énergie électrique. Une cellule solaire ne produit pas d’électricité en utilisant la chaleur du soleil, mais les rayons lumineux incidents interagissent avec les matériaux semi-conducteurs pour produire de l’électricité.

L’électricité peut être définie comme le flux d’électrons. Comment les systèmes solaires photovoltaïques créent-ils ce flux ? En général, il faut fournir de l’énergie pour éloigner les électrons du noyau des atomes. Les électrons de valence (c’est-à-dire ceux qui se trouvent dans l’enveloppe extérieure de l’atome) ont les niveaux d’énergie les plus élevés des électrons qui sont encore liés à leurs atomes parents (car ils sont très éloignés du noyau, par rapport aux électrons de l’enveloppe intérieure). Une énergie supplémentaire est nécessaire pour retirer complètement un électron de l’atome. Les électrons libres ont donc des niveaux d’énergie plus élevés que les électrons de valence.

Fig1. Energy band diagram

La figure ci-dessus représente un diagramme de bande d’énergie, qui montre deux niveaux d’énergie, une bande de valence et une bande de conduction. Les électrons de valence sont situés dans la bande de valence et les électrons libres dans la bande de conduction supérieure. Dans les semi-conducteurs, il existe un vide entre les bandes de valence et de conduction. Il faut donc fournir de l’énergie pour que les électrons de valence passent dans la bande de conduction. Cela signifie que de l’énergie doit être fournie pour retirer les électrons de valence de leurs atomes parents et les transformer en électrons libres.

Que sont les systèmes solaires photovoltaïques ?

Lorsque le silicium pur est à la température de 0 K (0 degré Kelvin = – 273°C), toutes les positions des enveloppes électroniques externes sont occupées, en raison des liaisons covalentes entre les atomes, et il n’y a pas d’électrons libres. La bande de valence est donc complètement pleine et la bande de conduction est complètement vide. Bien que les électrons de valence aient l’énergie la plus élevée, ils nécessitent le moins d’énergie pour être retirés de l’atome (énergie d’ionisation). Ceci peut être illustré par l’exemple d’un atome de plomb. Ici, l’énergie d’ionisation (d’un atome gazeux) du premier électron enlevé est de 716 kJ/mol et celle requise pour le second électron est de 1450 kJ/mol. Les valeurs équivalentes pour Si sont 786 et 1577 kJ/mol.

Chaque électron se déplaçant vers la bande de conduction laisse un site vacant(appelé trou) dans la liaison de valence. Ce processus est appelé la génération de paires électron-trou. Un trou dans un cristal de silicium peut, comme un électron libre, se déplacer dans le cristal. Le moyen par lequel le trou se déplace est le suivant : Un électron d’une liaison proche d’un trou peut facilement sauter dans le trou, laissant derrière lui une liaison incomplète, c’est-à-dire un nouveau trou. Cela se produit rapidement et fréquemment – les électrons des liaisons proches changent de position avec les trous, envoyant des trous de manière aléatoire et erratique dans tout le solide ; plus la température du matériau est élevée, plus les électrons et les trous sont agités et plus ils se déplacent.

La génération d’électrons et de trous par la lumière est le processus central de l’effet photovoltaïque global, mais elle ne produit pas elle-même un courant. S’il n’y avait pas d’autre mécanisme impliqué dans une cellule solaire, les électrons et les trous générés par la lumière erreraient au hasard dans le cristal pendant un certain temps, puis perdraient leur énergie par voie thermique en retournant en position de valence. Pour exploiter les électrons et les trous afin de produire une force électrique et un courant, un autre mécanisme est nécessaire : une barrière “potentielle” intégrée*. Une cellule photovoltaïque est constituée de deux fines tranches de silicium prises en sandwich et fixées à des fils métalliques.

Lors de la fabrication des lingots, le silicium est pré-dopé avant d’être découpé en tranches et expédié. Le dopage n’est rien d’autre que l’ajout d’impuretés dans la tranche de silicium cristallin pour la rendre conductrice d’électricité. Le silicium possède 4 électrons dans la coquille extérieure. Ces matériaux de dopage positifs (de type p) sont invariablement du bore, qui possède 3 électrons (trivalent) ; il est appelé porteur positif. (Accepteur) Dopant. Le dopant négatif (de type n) est le phosphore, qui possède 5 électrons (pentavalent) ; il est appelé le dopantporteur négatif (donneur).

Une cellule photovoltaïque contient une couche barrière qui est constituée par des charges électriques opposées se faisant face de part et d’autre d’une ligne de séparation. Cette barrière de potentiel sépare sélectivement les électrons et les trous générés par la lumière, envoyant plus d’électrons d’un côté de la cellule, et plus de trous de l’autre. Ainsi séparés, les électrons et les trous sont moins susceptibles de se rejoindre et de perdre leur énergie électrique. Cette séparation des charges crée une différence de tension entre les deux extrémités de la cellule, qui peut être utilisée pour générer un courant électrique dans un circuit externe.

Lorsqu’une cellule photovoltaïque est exposée à la lumière du soleil, des paquets d’énergie lumineuse, appelés photons, peuvent faire sortir de leur orbite certains des électrons de la couche P inférieure, en passant par le champ électrique établi à la jonction P-N, pour les faire passer dans la couche N. La couche N, avec son surplus d’électrons, développe un flux d’électrons en excès, qui produit une force électrique pour repousser les électrons supplémentaires. Ces électrons en excès sont à leur tour repoussés dans le fil métallique vers la couche P inférieure, qui a perdu une partie de ses électrons. Ainsi, le courant électrique continuera à circuler jusqu’à ce que les rayons du soleil soient incidents sur les panneaux.

Un système solaire photovoltaïque ne peut avoir qu'une faible efficacité énergétique.

Les cellules des systèmes solaires photovoltaïques actuels ne convertissent qu’environ 10 à 14 % de l’énergie radiante en énergie électrique. Les centrales à combustible fossile, quant à elles, convertissent de 30 à 40 % de l’énergie chimique de leur combustible en énergie électrique. Le rendement de conversion des sources d’énergie électrochimiques est beaucoup plus élevé, jusqu’à 90 à 95 %.

Qu'est-ce que le rendement de conversion d'un système solaire photovoltaïque ?

Rendement d’un dispositif = énergie utile produite / énergie absorbée

Dans le cas d’un système solaire photovoltaïque, le rendement est d’environ 15 %, ce qui signifie que si nous disposons d’une surface de cellule de 1m2 pour chaque 100W/m2 de rayonnement incident, seuls 15 W seront fournis au circuit.

Rendement de la cellule SPV = 15 W/m2/ 100 W/m2 = 15 %.

Dans le cas des batteries au plomb, nous pouvons distinguer deux types de rendement, le rendement coulombien (ou Ah ou ampère-heure) et le rendement énergétique (ou Wh ou wattheure). Pendant un processus de charge qui convertit l’énergie électrique en énergie chimique, le rendement Ah est d’environ 90 % et le rendement énergétique d’environ 75 %.

Principe de fonctionnement du système solaire photovoltaïque

Fabrication de cellules pour systèmes solaires photovoltaïques

La matière première est le quartz (sable) qui est la deuxième matière la plus abondante. Le quartz est un minéral largement répandu. Il existe de nombreuses variétés qui se composent principalement de silice ou de dioxyde de silicium (SiO2) avec de petites fractions d’impuretés comme le lithium, le sodium, le potassium et le titane.
Le processus de fabrication d’une cellule solaire à partir d’une tranche de silicium implique trois types d’industries
a.) Industries produisant des cellules solaires à partir de quartz
b.) Les industries produisant des plaquettes de silicium à partir de quartz et d’acier inoxydable.
c.) Industries produisant des cellules solaires à partir de plaquettes de silicium

Comment sont fabriquées les plaquettes de silicium dans le système solaire photovoltaïque ?

Dans un premier temps, le silicium pur est produit par réduction et purification du dioxyde de silicium impur dans le quartz. Le procédé Czochralski (Cz): L’industrie photovoltaïque utilise actuellement deux voies principales pour convertir les matières premières de polysilicium en plaquettes finies : la voie monocristalline utilisant le procédé Czochralski (Cz) et la voie multicristalline utilisant le procédé de solidification directionnelle (DS). Les principales différences entre ces deux approches résident dans la manière dont le polysilicium est fondu, dans la manière dont il est formé en lingot, dans la taille du lingot et dans la manière dont les lingots sont façonnés en briques pour le découpage des plaquettes.

  • Procédé Czochralski (Cz): La méthode Cz crée un lingot cylindrique, qui est suivi de plusieurs étapes de sciage à ruban et à fil pour produire des plaquettes. Pour un creuset type de 24 pouces de diamètre chargé d’une charge initiale d’environ 180 kg, il faut environ 35 heures pour faire fondre le polysilicium dans un creuset Cz, plonger le cristal d’ensemencement dans la masse fondue et extraire le col, l’épaule, le corps et le cône terminal. Le résultat est un lingot cylindrique de Cz d’une masse de 150-200 kg. Pour laisser les métaux et autres contaminants derrière soi, il est nécessaire de laisser 2 à 4 kg de déchets de pot dans le creuset.
  • Procédé de solidification directionnelle (DS): Les plaquettes multicristallines DS sont fabriquées à partir de lingots plus courts mais beaucoup plus larges et plus lourds – environ 800 kg – qui prennent la forme d’un cube lorsque le polysilicium est fondu dans un creuset en quartz. Après la fusion du polysilicium, le processus de DS est induit en créant un gradient de température où la surface inférieure du creuset est refroidie à une certaine vitesse. Comme pour les lingots de Cz, les sections des lingots de DS produites lors du rognage et de l’équarrissage peuvent être refondues pour les générations suivantes de lingots. Dans le cas des lingots DS, cependant, la section supérieure n’est généralement pas recyclée en raison de la forte concentration d’impuretés.

Étant donné que le processus commence par un creuset de fusion de forme cubique, les lingots et les plaquettes de DS sont naturellement de forme carrée, ce qui facilite la création de cellules multicristallines qui peuvent occuper essentiellement toute la surface d’un module complet. Environ 76 heures sont nécessaires pour produire un lingot de silicium DS typique, qui est scié en 36 briques à partir d’une découpe de 6 x 6. Une brique finie typique a une section carrée de 156,75 mm x 156,75 mm (246 cm2 de surface) et une hauteur de 286 mm, ce qui donne 1 040 plaquettes par brique lorsque l’épaisseur de la plaquette est de 180 µm et qu’il y a une perte de kerf de 95 µm par plaquette. Ainsi, 35 000 à 40 000 plaquettes sont produites par lingot de DS.

Bibliographie
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Basic PV Principles and Methods NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Woodhouse, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas, et Robert Margolis. 2019. Coûts de fabrication des modules photovoltaïques en silicium cristallin et tarification durable : Benchmark 1H 2018 et feuille de route pour la réduction des coûts. Golden, CO : National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. pp. 15 et s.

Les différents types de systèmes solaires photovoltaïques

Alors que les prix des combustibles fossiles continuent d’augmenter et que les normes d’émission deviennent de plus en plus strictes dans le monde entier, la demande d’énergies renouvelables, telles que l’énergie solaire et éolienne, et de solutions de stockage de l’énergie continuera d’augmenter.

Le terme solaire fait référence au soleil. Les batteries solaires sont celles qui sont utilisées pour stocker l’énergie convertie à partir du rayonnement solaire ou de l’énergie lumineuse en électricité à l’aide de cellules solaires (également appelées cellules solaires photovoltaïques, ou cellules PV) par le biais des effets photovoltaïques. Elles n’impliquent pas de réactions chimiques comme dans les batteries. La cellule PV est composée d’un matériau semi-conducteur, qui combine certaines propriétés des métaux et certaines propriétés des isolants, ce qui le rend capable de convertir la lumière en électricité.

Lorsque la lumière est absorbée par un semi-conducteur, les photons de la lumière peuvent transférer leur énergie aux électrons, générant ainsi un flux d’électrons. Qu’est-ce que le courant électrique ? C’est le flux d’électrons. Ce courant sort du semi-conducteur vers les fils de sortie. Ces fils sont connectés à la batterie ou au réseau par l’intermédiaire de circuits électroniques et d’un onduleur pour contrôler et générer du courant alternatif.

Méthodes d'utilisation de la puissance d'un système solaire photovoltaïque

Système SPV autonome (ou hors réseau) :

Ici, l’énergie solaire est utilisée pour une maison individuelle, une unité industrielle ou une petite communauté. L’énergie produite par les panneaux solaires est envoyée à la batterie via un contrôleur électronique et les batteries stockent l’énergie. Le courant continu de la batterie est inversé en courant alternatif ; les charges électriques tirent leur électricité de ces batteries. Normalement, un système solaire en toiture de 1 kW nécessite 10 m² de surface. mètres de zone sans ombre. Le dimensionnement réel dépend toutefois des facteurs locaux de rayonnement solaire et des conditions météorologiques, de l’efficacité du module solaire, de la forme du toit, etc.

Fig 2. Un système solaire simple hors réseau
Fig 2. Un système solaire simple hors réseau

Système solaire photovoltaïque direct relié au réseau (ou système relié au réseau)

Dans un système direct relié au réseau (ou système relié au réseau), les panneaux SPV seront connectés aux lignes de distribution d’électricité publique par le biais d’un contrôleur et d’un compteur d’énergie. Ici
aucune batterie n’est utilisée.
L’électricité est d’abord utilisée pour alimenter les besoins électriques immédiats de la maison. Lorsque ces besoins sont satisfaits, l’électricité supplémentaire est envoyée au réseau par le biais du compteur d’énergie. Avec un système d’énergie solaire connecté au réseau, lorsque la maison a besoin de plus d’énergie que ce que les panneaux solaires produisent, le reste de l’électricité nécessaire est fourni par le réseau électrique.

Ainsi, par exemple, si la charge électrique de la maison consomme 20 ampères de courant et que l’énergie solaire ne peut générer que 12 ampères, 8 ampères seront prélevés sur le réseau. Évidemment, la nuit, tous les besoins en électricité sont satisfaits par le réseau, car avec un système de connexion au réseau, vous ne stockez pas l’énergie que vous produisez pendant la journée.

L’un des inconvénients de ce type de système est que lorsque l’électricité est coupée, le système l’est aussi. C’est pour des raisons de sécurité car les monteurs de lignes qui travaillent sur les lignes électriques doivent savoir qu’aucune source n’alimente le réseau. Les onduleurs reliés au réseau doivent se déconnecter automatiquement lorsqu’ils ne détectent pas le réseau. Cela signifie que vous ne pouvez pas fournir d’électricité pendant une panne ou une urgence et que vous ne pouvez pas stocker l’énergie pour une utilisation ultérieure. Vous ne pouvez pas non plus contrôler le moment où vous utilisez l’énergie de votre système, par exemple pendant les périodes de pointe.

Système solaire photovoltaïque interactif ou relié au réseau (hybride)

Il existe encore un autre système où nous pouvons alimenter le système de réseau. Nous pouvons gagner de l’argent ou récupérer l’énergie que nous fournissons à chaque fois que cela est nécessaire.

Système solaire photovoltaïque sans stockage sur batterie - Interactif ou relié au réseau (hybride)

Ces systèmes SPV produisent de l’électricité solaire et alimentent les charges internes et le système de distribution local. Ce type de composants de système SPV est (a) Panneau SPV et (b) Onduleur. Le système connecté au réseau est similaire à un système électrique ordinaire, sauf qu’une partie ou la totalité de l’électricité provient du soleil. L’inconvénient de ces systèmes sans stockage sur batterie est qu’ils ne disposent pas d’une alimentation électrique pendant les coupures de courant.

Avantages du système solaire photovoltaïque relié au réseau (hybride) sans stockage sur batterie

Il s’agit du système le moins coûteux et dont l’entretien est négligeable.
Si le système produit plus d’énergie que ce dont la maison a besoin, l’énergie supplémentaire est échangée avec le réseau électrique.
Les systèmes directs au réseau ont un rendement plus élevé parce qu’il n’y a pas de batteries.
Une tension plus élevée signifie une taille de fil plus petite.
Le coût approximatif des systèmes solaires en toiture connectés au réseau pour l’exercice 2018-19 variait entre 53 roupies par watt et 60 roupies par watt.

Schéma du système solaire photovoltaïque Fig 3. Solaire lié au réseau sans batterie
Fig 3. Solaire lié au réseau sans batterie
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Système solaire photovoltaïque interactif ou relié au réseau (hybride) avec stockage sur batterie.

Ce type de système solaire photovoltaïque est connecté au réseau et peut bénéficier d’incitations de l’État, tout en réduisant votre facture d’électricité. En même temps, s’il y a une panne de courant, ce système a une alimentation de secours. Les systèmes alimentés par le réseau et basés sur des batteries fournissent du courant pendant une panne et l’énergie peut être stockée pour être utilisée en cas d’urgence. Les charges essentielles telles que l’éclairage et les appareils ménagers disposent également d’une alimentation de secours en cas de panne de courant. Il est également possible d’utiliser l’énergie pendant les périodes de pointe, car l’énergie a été stockée dans la batterie pour être utilisée ultérieurement.

Les principaux inconvénients de ce système solaire photovoltaïque sont que son coût est plus élevé que celui des systèmes de base reliés au réseau et qu’il est moins efficace. Il y a aussi des composants supplémentaires. L’ajout des batteries nécessite également un contrôleur de charge pour les protéger. Il doit également y avoir un sous-panneau qui contient les charges importantes que vous voulez sauvegarder. Toutes les charges que la maison utilise sur le réseau ne sont pas sauvegardées par le système. Les charges importantes qui sont nécessaires en cas de panne de courant. Ils sont isolés dans un sous-panneau de secours.

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