Chapitre I :
ETAT DE L’ART DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUE
Introduction
Dans ce chapitre, nous présentons des généralités sur une énergie renouvelable avec son utilisation pour la production électrique. Notre étude va être consacrée sur les différentes étapes de conversion de cette énergie dès le soleil jusqu’au réseau électrique, ce qui nous oblige de présenter assez de détails et d’informations sur les panneaux et les systèmes photovoltaïques.
Energie et Conversion Photovoltaïque
Une origine de l’énergie solaire a été révélée et expliquée par Hans Bethe en 1938. Il a montré que l’énergie est générée dans le soleil, dans le processus de la fusion thermonucléaire de l’hydrogène en hélium. Les réactions thermonucléaires ont lieu dans le noyau du Soleil 1.
Rayonnement Solaire
Rayonnement solaire extraterrestre
L’énergie générée au cœur du Soleil atteint la Terre sous forme d’ondes électromagnétiques. Le rayonnement solaire à l’entrée de l’atmosphère terrestre est connu sous le nom de rayonnement extraterrestre. En raison des changements de la distance de la terre du soleil et de l’activité solaire, l’intensité du rayonnement extraterrestre varie dans une fourchette de 1307 à 1393 W/m2 1.
Rayonnement solaire terrestre
Le rayonnement terrestre désigne le rayonnement solaire qui, après avoir traversé l’atmosphère terrestre, atteint la terre. Le rayonnement terrestre peut atteindre l 000 W/m2 au maximum et se situe généralement dans la gamme de longueurs d’onde de 0,29 à 2,5 μm.
De tous les rayonnements qui atteignent la Terre, environ 03 % sont dans l’ultraviolet, environ 42 % dans le visible et environ 55 % dans la partie infrarouge du spectre de rayonnement électromagnétique 1.
La distribution spectrale de l’intensité du rayonnement extraterrestre et terrestre est donnée dans la Figure I.1.
Figure I.1 : Spectre du rayonnement solaire.
(1) au-dessus de l’atmosphère et (2) au niveau de la mer ainsi que (3) le spectre du rayonnement généré par un corps noir à 5250 °C. 2
Rayonnement direct
En traversant l’atmosphère terrestre, le rayonnement solaire s’affaiblit en raison de la diffusion et l’absorption sur les atomes, les molécules et les ions des gaz présents. Le degré d’atténuation dépend de la longueur du trajet du rayonnement solaire à travers l’atmosphère terrestre et de ses propriétés physiques et chimiques.
Le composant le plus important, si l’on considère l’apport aux systèmes d’énergie renouvelable, est le rayonnement solaire direct qui provient du soleil sous forme de rayons parallèles sans être obstrué par des objets non-transparents (par exemple, des nuages) et qui est réduit uniquement par les différents composants transparents des couches atmosphériques. Le rayonnement solaire direct génère des ombres sombres des objets éclairés 2.
Rayonnement diffus
La deuxième composante qui fait toujours partie du rayonnement solaire est le rayonnement solaire diffus ; il s’agit du rayonnement qui a été dispersé par les composants de l’atmosphère, notamment les nuages, les vapeurs, les produits chimiques ou toute autre particule en suspension dans l’atmosphère. Jours ensoleillés seulement 10-20 %, alors que pendant les jours nuageux jusqu’à 100 % 2.
Rayonnement réfléchit (Albédo)
Une troisième composante est le rayonnement solaire réfléchi qui est également reçu de plusieurs directions. C’est pourquoi le rayonnement réfléchi est généralement considéré comme faisant partie du rayonnement solaire diffus et est mesuré à l’aide des mêmes appareils.
Le rayonnement solaire réfléchi est important principalement sur les surfaces inclinées avec de grands angles par rapport sur le plan horizontal, pour les zones à haute densité de population, pour les zones à forte réflectance du sol ou du bâti (albédo). Sinon, sur les surfaces horizontales, cette composante est très faible et peut être négligée 2.
| Avec | B la composante directe (Beam) | D la composante diffuse | R la composante réfléchit |
|---|---|---|---|
| réfléchie par les nuages | absorbée par les nuages |
Figure I.2 : Composantes du rayonnement solaire au niveau du sol.
Gisement et Energie Solaire en Chiffres
Au niveau mondial
La carte et les données pour le monde ont été publiées en parallèle avec Global Solar Atlas, qui est publié par le Groupe de la BANQUE MONDIALE, financé par ESMAP et préparé par SOLARGIS. Les pays du sud de la méditerranée notamment l’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus élevés au monde comme le montre les figures ci-dessous :
Figure I.3 : Potentiel d’énergie photovoltaïque dans le monde 3.
Cette énergie dite Photovoltaïque représente l’une des technologies les plus prometteuses pour relever le défi mondial des besoins urgent en énergie, réduire la dégradation climatique et permet un développement durable.
Poussée par les politiques d’énergie durable, par un engagement profond des pays, par le développement technologique et la réduction de coûts, la capacité PV installée connaît actuellement une croissance rapide. Selon le rapport annuel « Statistiques de capacité renouvelable 2021 » d’IRENA, En 2020, la puissance PV cumulée a atteint 707,5 GW par rapport à seulement 40,2 GW en 2010.
La figure I.4 donne l’évolution de la capacité et les ajouts annuels mondiaux d’énergie solaire photovoltaïque de 2010 à 2020, cela confirme l’augmentation exponentielle de l’énergie produite de nature Solaire photovoltaïque qui a atteint, en 2018, 549 828 GWhs par rapport à 32 148 GWhs en 2010 4.
Figure I.4 : Puissance installée dans le monde (2010-2020). 4
En Algérie
L’Algérie, compte tenu de sa position géographique, dispose de l’un des gisements solaires les plus élevés au monde. La durée d’insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et peut même atteindre 3 900 heures notamment dans les hauts plateaux et le Sahara. Ainsi, sur l’ensemble du territoire, l’énergie solaire globale reçue par jour sur une surface horizontale d’un mètre carré varie entre 5.1 KWh au Nord et 6,6 KWh dans le Grand Sud, soit près de 1860 kWh/m²/an au Nord et 2409 kWh/m²/an au sud du pays 5.
Figure I.5 : Potentiel d’énergie photovoltaïque en Algérie 3.
Selon la même source, en 2020, la puissance PV cumulée a atteint 423 MW par rapport à seulement 49,1 MW en 2015. La figure I.6 montre l’évolution de la puissance installée en photovoltaïque pour la période de 2010 à 2020 en Algérie, cela confirme l’augmentation exponentielle de l’énergie produite de nature Solaire photovoltaïque qui a atteint, en 2018, 373,6 GWhs par rapport à 13,7 GWhs en 2010 4.
Figure I.6 : Puissance installée en Algérie (2010-2020) 4.
Semi-Conducteurs
Matériaux semi-conducteurs
Les matériaux semi-conducteurs sont les matériaux de base qui sont utilisés dans les dispositifs photovoltaïques (PV). Un matériau semi-conducteur a une conductivité σ (en S/cm) qui est utilisée pour distinguer les matériaux conducteurs des matériaux isolants. Cette conductivité est particulièrement sensible à la température, aux impuretés présentes dans le matériau et à la lumière. Par conséquent, la conductivité et donc aussi la résistivité, ρ (en Ω.cm) peuvent être accordées aux valeurs souhaitées en modifiant la quantité d’impuretés, appelées dopants donneurs et accepteurs.
Les conducteurs, sont les métaux, parmi lesquels on trouve l’argent et le cuivre, dont la conductivité, σ, est supérieure à 103 S/cm. Leur conductivité ne peut être modifiée que dans une gamme étroite de valeurs. Les isolants ont une conductivité, σ, inférieure à 10-8 S/cm. est le verre. Entre ces deux extrêmes, les semi-conducteurs ont une large gamme de conductivité et, par conséquent, selon les conditions, ils peuvent également se comporter comme un isolant ou un conducteur 6.
| Tableau I.1 : Partie du tableau périodique des éléments liés aux semi-conducteurs utilisés dans le domaine photovoltaïque. |
|---|
Bandes d’énergie dans les semi-conducteurs
Lorsque des atomes individuels sont rassemblés dans un réseau cristallin, des bandes d’énergie se forment dans un matériau semi-conducteur. Ces bandes d’énergie indiquent les états d’énergie autorisés des électrons dans des conditions de liaison et de conduction respectives selon les mécanismes suivants.
À zéro Kelvin, les électrons d’un semi-conducteur sont tous liés à leurs atomes dans leurs états d’énergie les plus bas ; ils restent dans ce qu’on appelle la bande de Valence. En gagnant une quantité discrète d’énergie, un électron peut passer du haut de la bande de Valence Ev au bas de la bande de conduction Ec, où il est libre de se déplacer vers d’autres états vides sous la force d’un champ électrique ou d’une diffusion.
La quantité discrète d’énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction doit donc être supérieure à (Ec-Ev). Cette différence d’énergie est appelée l’énergie de la bande interdite Eg. L’énergie de la bande interdite dépend de la composition du matériau et de la température. Pour les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les dispositifs photovoltaïques, Eg est comprise entre ~1,1 eV pour le silicium et des valeurs de ~2,5 eV pour d’autres composés 6.
Jonction PN
Type P
L’atome de silicium semi-conducteur possède quatre électrons (de valence) dans son orbite la plus externe (2, 8, 4). Ces électrons sont partagés, ce qui lui permet de former une liaison covalente avec quatre autres atomes de silicium. Il peut être dopé avec du bore (B) qui possède trois électrons de valence (les plus extérieurs). Ainsi, un électron peut être pris par le bore, laissant un trou, à sa place, dans la bande de valence du silicium. Cela permet aux électrons de la bande de valence de se déplacer librement.
Les électrons vont essayer de remplir les trous, de quitter leur place ou de laisser des trous à leur place. Cela donnera l’impression que le trou se déplace dans la direction opposée, sous forme de charge positive à travers le semi-conducteur. La Figure I.7 montre un dopage P avec du bore.
Comme le déplacement des trous correspond à un manque d’électrons, le cristal dopé devient un pôle positif. Par conséquent, il est considéré comme un semi-conducteur de type P. Quant au dopant, le bore, il comprendra un électron qui le rendra négativement chargé. Par conséquent, il est d’accepteur 7.
Type N
Le silicium peut également être dopé avec des impuretés de phosphore (P) qui possède cinq électrons d’orbite externe. Le cinquième électron est libre de se déplacer et constitue le porteur de charges. L’électron quitte l’impureté phosphoreuse et s’ajoute maintenant à l’atome de silicium. Le phosphore (P) est donc considéré comme un donneur.
Cet électron a besoin de moins d’énergie que les autres électrons pour passer de la bande de valence à la bande de conduction.
La Figure I.8 montre le dopage N avec du phosphore (P). Les atomes de silicium sont maintenant des semi-conducteurs de type N, car le porteur majoritaire est constitué d’électrons chargés négativement, tandis que le phosphore devient chargé positivement 7.
Figure I.7 : Dopage P d’un semi-conducteur de Si avec du bore (B) 7.
Figure I.8 : Dopage N du semi-conducteur Si avec du phosphore (P). 7
La jonction P-N
Une jonction p-n représente un composant électrique connu sous le nom de diode, qui a une fonction connue sous le nom de condition de polarisation direct qui permet à un courant électrique de circuler dans une direction, et une condition de polarisation inverse qui bloque le courant dans la direction opposée.
Le type P et le type N sont tous deux électriquement neutres. Cependant, lorsque les deux couches sont additionnées, une diffusion se produit. Le processus de diffusion se produit lorsque les électrons se déplacent du type N vers le type P, en laissant des trous derrière eux, tandis que l’inverse se produit pour le type P. Cela crée la jonction p-n.
La diffusion continuera à se produire jusqu’à ce que les électrons aient une charge électrique suffisamment importante pour repousser d’autres porteurs de traverser la jonction. Une fois l’état d’équilibre atteint, une barrière de potentiel sera produite au niveau des jonctions.
La barrière de potentiel s’oppose au flux d’électrons et de trous qui traversent la jonction. Par conséquent, le donneur repoussera les trous, et l’accepteur repoussera les électrons. Les charges libres ne peuvent donc pas se reposer dans une position et s’appauvrissent. C’est ce qu’on appelle la couche d’appauvrissement 7.
L’effet photoélectrique
Lorsque les photons de la lumière solaire sont absorbés par la cellule de silicium, les électrons sont libres de se déplacer à travers la couche d’appauvrissement.
Les électrons se déplacent du type P vers le type N, mais ne reviennent pas. Étant donné que le type N a maintenant un excès d’électrons, il est le côté négatif, tandis que le type P est le positif. Si des conducteurs électriques sont fixés aux côtés positifs et négatifs, formant ainsi un circuit électrique, les électrons peuvent être capturés sous la forme d’un courant électrique. Le courant produit est un courant continu (CC) 7.
________________________
1 « Titre de l’article, » Source, Année.
2 « Titre de l’article, » Source, Année.
3 « Titre de l’article, » Source, Année.
4 « Titre de l’article, » Source, Année.
5 « Titre de l’article, » Source, Année.
6 « Titre de l’article, » Source, Année.
7 « Titre de l’article, » Source, Année.