Les applications pratiques de l’énergie solaire révèlent un potentiel inexploré, avec une capacité de production significative pour répondre aux besoins énergétiques croissants au Cameroun. Cette étude innovante sur un micro-système hybride offre des solutions durables, transformant notre approche de l’énergie dans les zones rurales.
Solaire photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque fait appel à la ressource la mieux partagée : le rayonnement solaire. Elle peut être récupérée par deux procédés :
La photovoltaïque pour la production d’électricité avec ou sans stockage ;
La thermique pour la production de la chaleur.
Notons que l’homme consomme aujourd’hui une énergie correspondant à 1/800026 de l’énergie solaire qui arrive à la surface de la terre et notre intérêt porte sur la première forme de conversion : l’énergie solaire photovoltaïque.
Constituants d’un système solaire photovoltaïque
Un système photovoltaïque est principalement constitué du soleil, d’une cellule, d’un module et d’un panneau encore appelé générateur photovoltaïque (GPV) pour créer un champ photovoltaïque.
Soleil
Cellule Module Panneau Champ photovoltaïque
Figure I.6: Constituants d’un système solaire [107]
Effet photovoltaïque et principe général
C’est un phénomène physique qui consiste à créer une force électromotrice lorsque la surface d’une cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0, 3 V et 0, 7 V en fonction du matériau utilisé, sa disposition, la température et ainsi que du vieillissement de la cellule.
Le terme photovoltaïque désigne le phénomène physique et l’effet photovoltaïque la technologie associée [39].
Cellules et modules PV
Cellules PV
Une cellule solaire est l’association d’une jonction de deux zones de type opposé (jonction PN).
Il faut noter qu’aucune énergie n’est stockée dans une cellule, ni sous forme chimique ni sous aucune autre forme et elle ne génère que l’énergie électrique continue.
Une cellule possède des caractéristiques électriques non linéaires qui dépendent des conditions météorologiques : l’éclairement et la température [26].
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
Il faut rappeler que toute l’énergie de la lumière solaire n’est pas transformée en électricité :
Certains photons sont réfléchis sur la face avant des photopiles ; Certains ne sont pas assez énergétiques pour arracher un électron ;
Seuls les photons d’énergie suffisante sont absorbés et créent des paires électrons / trous.
Une particule de lumière (photon) dont l’énergie est suffisante et heurtant un atome peut arracher un électron : il crée ainsi une paire électron-trou. L’électron ayant acquis suffisamment d’énergie peut se déplacer vers la jonction N/P où la présence du champ électrique a pour conséquence la collecte de l’électron vers la région N alors, une tension électrique apparaît entre les deux côtés N et P (figure I.7).
Une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium dont une dopée P (dopée au bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel. Le dispositif devient donc un générateur électrique sous l’effet de la lumière et la collecte du courant se fait par les contacts métalliques (électrodes) et si celles-ci sont reliées à un circuit extérieur, un courant circule.
Le courant produit par une cellule photovoltaïque l’avons-nous dit, est un courant électrique continu.
La collision des photons incidents (flux lumineux) avec les électrons libres et les électrons de valence leur communique une énergie =hp où λph représente la longueur d’onde, hp la constante de Planck et c la vitesse de la lumière.
Si cette énergie est supérieure ou égale à l’énergie de gap, =Wc−Wv de ce semi-
conducteur, l’électron passe de la bande de valence Wv à la bande de conduction Wc en laissant un trou derrière lui (figure I.18). D’où l’apparition des paires électron-trou dans différents points de la jonction PN [20] [73] [77] [79].
Sous l’action du rayonnement de la lumière du soleil, les électrons sont décrochés de leurs atomes
Conducteurs
Quand les trous rejoignent les électrons au niveau de la jonction P-N, une tension est générée. Si une connexion extérieure est établie, un courant électrique continu est créé.
Les trous et les électrons commencent à se déplacer vers la jonction P-N.
Lumière du soleil
Figure I. 7: Schéma de principe du fonctionnement d’une cellule photovoltaïque [10] [12]
Toute particule minoritaire près de la jonction a une probabilité très forte pour la traverser et la jonction s’oppose uniquement au passage des porteurs majoritaires.
Figure I. 8: Diagramme de bandes d’énergie au voisinage de la jonction [12] [94]
Différentes technologies
Il existe plusieurs technologies de fabrication de cellules et en voici un résumé comparatif de l’ensemble.
Tableau I. 1: Technologies de cellules photovoltaïques [10] [12] [73] [77] [94]
| Technologies de cellules photovoltaïques | |
|---|---|
| Paramètre/Critère | Description/Valeur |
Figure I. 9: Principaux types des cellules photovoltaïques [28]
Différentes caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque
Caractéristique courant-tension
Dans la littérature, une cellule photovoltaïque est souvent présentée comme un générateur de courant électrique continu dont le comportement est équivalent à une source de courant shuntée par une diode. Pour tenir compte des phénomènes physiques au niveau de la cellule, le modèle est complété par deux résistances Rs et Rsh comme le montre le schéma équivalent de la figure I.11 : la résistance série Rs est due à la contribution des résistances de base du front de la jonction et des contacts faces avant et arrière, et la résistance shunt Rsh est une conséquence de l’état de surface le long de la périphérie de la cellule ; elle est réduite à la suite de pénétration des impuretés métalliques dans la jonction (surtout si elle est profonde), lors du dépôt de la grille métallique ou des prises de contacts sur la face diffusée de la cellule.
La figure I.10 ci-dessous illustre la caractéristique courant-tension et les grandeurs physiques associées.
Figure I. 10: Caractéristique courant-tension et grandeurs physiques associées [28]
Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque
Le schéma du circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque qui est largement utilisé dans la littérature est représenté sur la figure I.11.
Figure I. 11: Schéma électrique du modèle équivalent à une diode d’une cellule [28]
Comme le montre le schéma de la figure I.11, une photopile comporte en réalité une résistance série Rs et une résistance de dérivation ou shunt Rsh. Ces résistances ont une certaine influence sur la caractéristique (Ipv−V) de la photopile.
La figure I.11 nous permet d’écrire l’équation mathématique (courant-tension) du circuit électrique équivalent de la cellule photovoltaïque comme suit :
Le courant de la photopile a pour expression: Ipv=Iph–Id–Ir (I.01)
Avec :
Iph =Isc ( ) : photo-courant de la cellule proportionnel à l’ensoleillement Es. (I.02)
Ce courant correspond également au courant de court-circuit Isc, où ce courant est atteint lorsque l’ensoleillement Es tient la valeur maximale 1000 W/m2.
Id =I0 [exp ( ) −1] : courant traversant la diode. On peut faire apparaître le
(
potentiel thermodynamique (VT = ). (I.03)
Avec : I0 : courant de saturation inverse de la diode.
q : charge de l’électron (1.6 ×10-19 C).
k : constante de Boltzmann (1.38 ×10-23 j/°K). n : facteur d’idéalité (pratiquement 1≤ n ≤ 5). Tc : température de la jonction (en °K).
Ir = : courant dérivé par la résistance shunt. (I.04)
A partir de ces différentes équations, on peut en tirer l’expression implicite du courant délivré par une cellule photovoltaïque et ainsi que sa caractéristique courant-tension [77] [88] [94]:
I = I ( ) − I [exp ( ( ) −1] − (I.05)
pv sc 0
Avec Tc = Ta + (Tu − 20). et Ta = cos + Tmoy (I.06) Où Ta est la température du milieu ambiant, Tu est la température d’utilisation de la cellule, E est l’éclairement moyen (W/m²), TLL est la température à l’heure du lever du soleil, Tmoy est la température moyenne journalière, Tmax est la température maximale journalière et Tmin est la température minimale journalière. Cette relation est valable avec les grandeurs moyennes mensuelles d’un site.
Un module PV de caractéristiques idéales est tel que Rsh soit nulle et Rs devienne infiniment grande. D’où le courant de sortie [77]:
Ipv= Iph − I0 [exp ( )] (I.07)
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26 Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑
Questions Fréquemment Posées
Qu’est-ce que l’énergie solaire photovoltaïque?
L’énergie solaire photovoltaïque fait appel à la ressource la mieux partagée : le rayonnement solaire. Elle peut être récupérée par deux procédés : la photovoltaïque pour la production d’électricité avec ou sans stockage, et la thermique pour la production de la chaleur.
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque?
Une cellule photovoltaïque fonctionne en créant une force électromotrice lorsque la surface d’une cellule est exposée à la lumière. Seuls les photons d’énergie suffisante sont absorbés et créent des paires électrons / trous, générant ainsi une tension électrique.
Quels sont les constituants d’un système solaire photovoltaïque?
Un système photovoltaïque est principalement constitué du soleil, d’une cellule, d’un module et d’un panneau encore appelé générateur photovoltaïque (GPV) pour créer un champ photovoltaïque.