TPE 2008 2009 dossier le panneau solaire

Le panneau solaire
photovoltaïque
Réalisé par :
Coïc Maxime
Masselot Sébastien
Debaisieux Louis
Douiou Mohamed
Sommaire :
I) Qu’est-ce que le photovoltaïque ?
II) Le panneau solaire
III) La composition d’un panneau solaire
IV) Principe de fonctionnement d’un panneau solaire
V) Installation et rendements
VI) Cap sur le solaire
VII) L’utilité des panneaux solaires photovoltaïques
VIII) Production
Conclusion
Lexique
Dans le cadre de notre TPE nous avons choisi parmi les différents thèmes proposés celui
concernant l’environnement et les progrès. Nous étudierons l’une des différentes énergies
renouvelables.
Une énergie est dite renouvelable lorsqu'elle provient de sources que la nature renouvelle
en permanence, par opposition à une énergie non renouvelable dont les stocks s'épuisent.
A ce jour, elles sont divisées entre 5 catégories :
-
-
-
l’énergie hydraulique : La force de l'eau des chutes retenue par des barrages
ou celle des marées fait tourner les turbines des centrales pour produire de
l'électricité.
l’énergie éolienne : la force du vent fait tourner des éoliennes qui produisent
de l’électricité.
l’énergie solaire : Les rayons du soleil chauffent l'eau grâce à des capteurs
solaires ou fournissent de l'électricité grâce à des cellules photovoltaïques ou
des centrales solaires.
l’énergie de la géothermie : La chaleur du sous-sol chauffe directement l'eau
ou fait tourner les turbines des centrales pour produire de l'électricité.
-
l’énergie de la biomasse : La combustion de la matière organique (plantes,
arbres, déchets animaux, agricoles ou urbains) produit de la chaleur ou de
l'électricité.
Elles proviennent de 2 grandes sources naturelles : le Soleil (à l'origine du cycle de l'eau,
des marées, du vent et de la croissance des végétaux) et la Terre (qui dégage de la
chaleur).
Surnommées "énergies propres" ou "énergies vertes", leur exploitation engendre très peu
de déchets et d'émissions polluantes mais leur pouvoir énergétique est beaucoup plus
faible que celui des énergies non renouvelables.
Parmi ces énergies renouvelables nous avons choisis d’étudier l’énergie solaire.
Nous nous intéresserons aux panneaux solaires photovoltaïques.
Problématique : Pourquoi utilise-t-on le panneau solaire photovoltaïque ?
Nous verrons tout d’abord ce qu’est le photovoltaïque ainsi que le panneau solaire
photovoltaïque. Ensuite sa composition, son fonctionnement et enfin son installation et
ses rendements.
I) Qu’est-ce que le photovoltaïque ?
Le préfixe photo vient du grec phos qui signifie lumière. Volt vient du patronyme
d’Alessandro Volta (1745-1827) physicien qui a contribué aux recherches sur
l’électricité. Littéralement, photovoltaïque signifie électricité lumineuse.
Le mot photovoltaïque désigne le processus qui consiste à transformer la lumière solaire
en électricité sans aucune pièce mobile de machinerie, sans bruit, sans pollution et sans
combustible.
L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839. Il est le produit du
choc des photons de la lumière sur un matériau semi-conducteur qui transmet leur énergie
aux électrons qui génèrent un courant électrique.
II) Le panneau solaire
Le panneau photovoltaïque utilise le rayonnement solaire : une énergie propre,
silencieuse et inépuisable, ne produisant ni déchets encombrants, ni nuisance de
fonctionnement. Le panneau photovoltaïque convertit ce formidable potentiel
énergétique, la lumière naturelle, en électricité. Cette production d’énergie, consommée
sur place ou vendue aux compagnies d’électricité, se fait donc sans rejet de polluants.
Le panneau photovoltaïque, en pleine expansion en terme de développement durable,
constitue un atout majeur pour la planète et surtout en ce temps de crise. Il est d’une
grande aide pour les particuliers qui se lancent dans un tel projet.
III) La composition d’un panneau solaire
Le panneau solaire est constitué de différents matériaux :
-
une plaque avant transparente
une plaque d’EVA
un feutre de fibre de verre
l’ensemble des cellules interconnectées
une seconde plaque d’EVA
une plaque servant de substrat arrière
La plaque transparente sert de protection contre les intempéries et empêche d’abîmer le
panneau solaire.
Les plaques d’EVA: elles assurent à la fois l’adhésion des différentes couches (verre,
silicium, et le substrat arrière), la protection du silicium et des circuits électriques. Les
polymères Evatane® présentent des caractéristiques idéales pour l’encapsulation des
panneaux : une excellente transparence, une grande résistance aux U.V., une bonne
isolation électriques…
La fibre de verre (filament de verre extrêmement fin) est intéressante à plus d’un point.
Ainsi elle permet des réductions de poids en améliorant les performances, pour un prix
compétitif : on peut en faire une fabrication en séries. Elle permet par exemple un
allègement des structures d’environ 30% par rapport à l’acier.
Parmi les autres propriétés, citons l’inertie chimique, la résistance aux chocs,
l’isolation.16% de l’utilisation de la fibre de verre est dédiée à l’électricité ou à
l’électronique.
Les cellules photovoltaïques sont de fines tranches planes fabriquées à partir de matériaux
semi-conducteurs qui sont capables de conduire l’électricité ou de la transporter (voir III).
Plus de 90% des cellules solaires fabriquées à l’heure actuelle sont en silicium, un semiconducteur, présentant a la fois les propriétés d’un métal et d’un isolant. La cellule
photovoltaïque est le principal composant d’un système photovoltaïque mais elle n’est
pas capable de fournir assez d’énergie à un instant donné. Les caractéristiques électriques
d’une seule cellule (tension environ 0.5 Volts et puissance d’environ 1.5 Wc) sont
généralement insuffisantes pour alimenter les équipements électriques de tension standard
(12, 24 ou 48 Volts), c’est pourquoi les cellules solaires sont reliées entre elles pour
former un module ou panneau capable de délivrer une puissance de sortie spécifique.
Photo d’une cellule photovoltaïque.
Pourquoi le silicium ?
Le silicium a été choisi pour réaliser les cellules solaires photovoltaïques pour ses
propriétés électroniques, il est caractérisé par la présence de quatre électrons sur sa
couche périphérique.
Les différents types de cellules en silicium sont :
Cellules en silicium amorphe : le silicium lors de sa transformation produit un gaz
qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris foncé.
-
-
Avantages :
o Fonctionne avec un faible éclairement ;
o Moins cher que les autres technologies ;
o Moins sensible aux températures élevées que les cellules
monocristallin ou multi cristallin.
Inconvénients :
o Rendement faible en plein soleil (5 à 10%);
o Performances qui diminuent avec le temps.
Photo dune cellule amorphe
Cellules en silicium monocristallin : La technologie monocristalline, plus chère,
utilise des barres pures de silicium également employées dans la fabrication des
puces électroniques. Il est généralement obtenu par fusion. Lors du
refroidissement, le silicium se solidifie en ne formant qu’un seul cristal de grande
dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront ensuite
les cellules. C’est cellules sont en général d’un bleu uniforme.
-
Avantage :
o Très bon rendement (15 à 22%).
Inconvénients :
o Coût élevé ;
o Rendement faible sous un faible éclairement.
Photo d’une cellule monocristalline.
Cellules en silicium multi cristallin : Le silicium poly cristallin est obtenu par
refonte des chutes de silicium monocristallin issues des opérations d’équarrissage
(action d’amener la pièce aux dimensions voulues). Pendant le refroidissement du
silicium, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d’aspect
bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs crées par les différents cristaux
- Avantages :
o Bon rendement de conversion, mais un peu moins que le
monocristallin ;
o Moins cher à produire que le monocristallin.
- Inconvénients :
o Rendement faible sous un faible éclairement (10 à 13%).
Photo d’une cellule multi cristalline.
La plaque de substrat arrière (ou « backsheet ») est composée de PVDF (polyfluorure de
vinylidène) qui est une sorte de plastique très résistant qui réfléchi la lumière vers le
silicium.
IV) Principe de fonctionnement d’un panneau solaire
Toute la lumière du
soleil n’est pas utilisée
par le panneau solaire.
Seulement une partie du
spectre est utilisable : la
longueur d’onde
nécessaire pour arracher
un électron.
La lumière du soleil, moteur du processus, fournit l’énergie qui est convertie en courant
électrique. Cette lumière est composée de petites particules d’énergie (photons) qui se
comportent comme autant de projectiles.
Lorsqu’un photon frappe une cellule photovoltaïque, il peut rebondir dessus, la traverser
ou être absorbé par elle. Seuls les photons qui sont absorbés fournissent de l’énergie
convertible en électricité. Lorsque le matériau (semi-conducteur) absorbe suffisamment
de lumière solaire (énergie) des électrons sont arrachés des atomes du matériau par les
photons solaires. Ces électrons sont alors libre de circuler et créent un courant électrique.
Dopage de type N (Négatif) :
Les semi-conducteurs de type N sont appelés semi-conducteurs
extrinsèques. Le but d’un dopage N est de produire un excès
d’électrons porteurs dans le semi-conducteur. Afin de comprendre
comment un tel dopage s’effectue, considérons le cas du silicium
(Si). Les atomes de silicium ont quatre électrons de valence, chacun
étant lié à un atome de silicium voisin par une liaison covalente. Si
un atome ayant cinq électrons de valence, comme ceux du groupe V
de la table périodique (par exemple, le phosphore (P), l’arsenic (As)
ou l’antimoine (Sb)), est incorporé dans le réseau cristallin, alors
cet atome présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre.
Cet électron, qui n’est pas un électron de liaison, n’est que
faiblement lié à l’atome et peut être facilement excité vers la bande
de conduction. Les matériaux ainsi formés sont appelés semiconducteurs de type N parce qu’ils contiennent un excès d’électrons
négativement chargés.
Dopage de type P (Positif) :
Les semi-conducteurs de type P sont également des semiconducteurs extrinsèques. Le but d’un dopage P est de créer un
excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent, généralement un
atome de bore, est substitué à un atome de silicium dans le réseau
cristallin. En conséquence, il manque un électron pour l’une des
quatre liaisons covalentes des atomes de silicium adjacents, et
l’atome peut accepter un électron pour compléter cette quatrième
liaison, formant ainsi un trou. Quand le dopage est suffisant, le
nombre de trous dépasse de loin le nombre d’électrons.
Jonction P-N :
La jonction P-N est créer lorsque les deux type de silicium sont mis en contact. Cette
jonction doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques.
Dans le cas d'une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé
de manière à ce que le courant ne puisse pas s'établir seul : il faut qu'il y ait un apport
d'énergie, sous forme d'un photon de lumière, pour qu'un électron de la couche N soit
arraché et vienne se placer dans la couche P
Quand un photon de lumière frappe une pièce en silicium, deux choses peuvent arriver :
- le photon peut passer directement à travers le silicium (si l'énergie du photon est
inférieure à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur en silicium).
- le photon est absorbé par le silicium (si l'énergie de photon est plus grande que
l'énergie de la bande interdite de silicium).
Quand un photon est absorbé, il donne son énergie à un électron. D'habitude cet électron
est dans la bande de valence et il est fermement lié par des liens covalents avec les atomes
voisins et il est donc incapable de s’éloigner. L'énergie donnée cela par le photon "éjecte"
l’électron vers la bande de conduction, où il est libre de se déplacer au sein de la maille
du semi-conducteur. Le lien covalent que l'électron avait précédemment est maintenant en
endroit où il manque un électron - on l’appelle un trou électronique. L’absence du lien
covalent permet aux électrons des atomes voisins de se déplacer dans ce "trou", laissant
ainsi un autre trou derrière et de cette façon le trou peut se déplacer dans la maille. Ainsi,
on peut dire que les photons absorbés dans le semi-conducteur créent des trous
électroniques mobiles. Un photon doit seulement avoir une énergie plus grand que celle
de la bande de valence pour extraire un électron de la bande de valence vers la bande de
conduction : une différence de potentiel électrique (tension) et un courant électrique sont
créés.
Bande de conduction
Bande
interdite
Bande de valence
Semi-conducteur
V) Installation et rendements
1) Installation
Ce qu’il faut savoir avant tout pour chaque particulier désireux de posséder une telle
installation :
-
obtenir une déclaration de travaux à la mairie
être couvert par une Assurance Responsabilité Civile.
création du « certificat ouvrant droit à l’obligation d’achat ». (nécessaire pour
l’achat par EDF de l’énergie produite par le panneau)
réaliser une déclaration d’exploiter
C’est une installation rapide et esthétique : elle est réalisée par du personnel qualifié,
l’installation dure de 2 à 4 jours et s’intègre parfaitement à votre habitation.
L’exposition à la lumière solaire est disponible partout sur la terre, à un moment ou à un
autre. Si le soleil ne brille pas autant au nord qu’au sud, il est toujours présent ! De calais
à Perpignan, de Brest à Strasbourg, partout en France, l’installation de panneaux solaires
photovoltaïques assure une production d’énergie solaire en quantité suffisante.
Les coûts moyens d'un système photovoltaïque raccordé au réseau avec une puissance
nominale de 2000 Wc d'après une enquête réalisée septembre 2008
Coûts moyens 2000 Wc avec modules
en euros HT
"posés" en toiture
2000 Wc avec modules
"intégrés" en toiture
Fournitures
13.167 € HT
14.429 € HT
Pose
1.885 € HT
2.265 € HT
15.052 € HT
16.694 € HT
7,58 €/Wc
8,35 €/Wc
Coût total
Lors de l’installation, il est important de bien orienter son panneau solaire.
Pour les panneaux solaires mobiles et orientables, il faut les orienter en fonction de
l’endroit où l’on se situe et selon les moments de l’année pour obtenir le meilleur
rayonnement possible.
En France la plupart des panneaux solaires sont à inclinaison fixe (pour des raisons de
coûts et plus pratique à utiliser). Ils sont orientés aux alentours de 45°.
2) Rendements
L'énergie nécessaire à la fabrication du panneau photovoltaïque est compensée en 2 ou 3
ans de fonctionnement, pour une durée de vie de plusieurs dizaines d'années.
Comme nous l’avons vu précédemment, les rendements sont différents en fonction du
type de silicium utilisé dans la fabrication des cellules :
- Le silicium mono cristallin convertit en électricité environ 17% de l’énergie
solaire reçue.
- Le silicium poly cristallin convertit en électricité environ 14% de l’énergie solaire
reçue.
- Le silicium amorphe convertit en électricité environ 8% de l’énergie solaire reçue.
Une cellule photovoltaïque va produire de l’énergie de manière proportionnelle à
l’intensité lumineuse qu’elle reçoit.
A température constante, le panneau solaire aime le rayonnement : l’intensité augmente,
donc la puissance du module augmente.
A rayonnement constant, le panneau solaire n’aime pas la chaleur : la tension diminue,
donc la puissance diminue.
On peut prendre un exemple avec un panneau solaire délivrant un courant de puissance
maximale de 100 W. Constitué d'une trentaine de cellules photovoltaïques, il délivre une
tension de maximale de 15 V.
Puissance = Tension x Intensité
P=UxI
Si le panneau solaire est fortement illuminé (1000W/m²) il délivre une intensité de 6
ampères
P = 15 x 6
P = 90 W
Si le panneau solaire est peu illuminé il délivre une intensité de 0.01 A par exemple.
P = 15 x 0.01
P = 0.15 W
Quelle est l'importance de l'inclinaison des panneaux solaires ?
Le rendement des panneaux solaires dépend de leur orientation.
Angle d'incidence : C'est l'angle formé par le plan du panneau solaire est les rayons du
soleil. L'angle incident optimal est de 90°. L'angle d'incidence des rayons du soleil
détermine le rendement du panneau solaire. Le rendement du panneau solaire est définit
selon l'équation suivante :
R = sin (AI) x 100
AI : Angle d'incidence (en degrés)
R : Rendement (en %)
Quelques exemples qui nous ont permis de dresser une courbe des différents rendements
selon l’angle d’incidence :
Si l'angle d'incidence est de 90 ° :
R = 100 x sin90
R = 100 x 1
R = 100 %
Si l'angle d'incidence est de 55 ° :
R = 100 x sin55
R = 100 x 0.82
R = 82 %
Rendement d'un panneau solaire en fonction de son angle incident
100,00%
R
e
n
d
e
m
e
n
t
s
e
n
80,00%
60,00%
40,00%
20,00%
%
0,00%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Angles en degrés
3) L’effet hot spot
L’effet hot spot se produit lorsque des cellules sont assombries (par des feuilles,
par une ombre, …). A cause de cet effet les cellules assombries ne sont plus productrice
d’électricité, mais consommatrice. Ces cellules entraînent donc le courant produit par les
autres cellules vers elles, cet effet produit de la chaleur, et comme nous l’avons dit
précédemment, quand les cellules photovoltaïques chauffent, la tension diminue.
Pour y remédier, les cellules photovoltaïques sont « gérées » par des diodes qui vont
dévier le courant lorsque des cellules sont assombries. Chaque diode gère entre 18 et 20
cellules.
3) Pour illustrer notre TPE, nous avons choisi le projet Géotopia qui est en quelque sorte
une « maison de la nature ». Son projet est de développer l’initiation à la nature, à
l’environnement et au développement durable.
Voici quelques photos de cette maison :
Grâce à une collaboration avec l’équipe de Géotopia, nous avons obtenu quelques
informations concernant les panneaux solaires. Géotopia est équipée de 54 panneaux de
8.61 mètres carrés chacun soit au total 52 mètres carrés de capteurs cristallins. 42
panneaux sont intégrés au bâtiment et forment une verrière translucide au dessus du hall
d’entrée du bâtiment principal, les 22 autres panneaux sont posés sur la toiture da chaque
côté de la verrière. Les panneaux de la verrière produisent 75Wc chacun, ceux sur la
toiture produisent 130Wc. Les panneaux sont orientés au sud avec une inclinaison des
capteurs de 30°. La production annuelle estimée est de 5400 kWh. La totalité de
l’électricité produite est réinjecté dans le réseau EDF. L’électricité produite par les
panneaux intégrés est revendue 30.526 cts d’euros.
VI) Cap sur le solaire
L’énergie solaire est au cœur du plan de développement des énergies renouvelables
présenté par le gouvernement, qui prévoit une centrale photovoltaïque par région en 2011.
L’objectif affiché du gouvernement est que les énergies renouvelables représentent 23%
de la consommation finale d’ici à 2020. Les énergies renouvelables pourraient représenter
en 2012 un marché annuel de 24 milliards d’euros et 120 000 emplois.
L’idée que le gouvernement aimerait voir se
développer est les panneaux solaires sur le toit
des parkings des hypermarchés.
Afin de favoriser ce développement, un tarif
spécifique de 45 centimes/kWh est crée.
Mais aussi sur les tribunes de stade de
football comme à Saint-Etienne avec
le stade Geoffroy Guichard. La
métropole a décidé d'installer durant
l'été 2007, 2 600 m² de panneaux
solaires sur la tribune officielle du
stade.
Ces 800 panneaux produiront de
l'électricité qui sera revendue à EDF.
L'équivalent de la consommation de
60 foyers. Cette installation de
capteurs photovoltaïques est l'une des
plus importantes en France. Il s'agit
d’un projet mené par Saint-Etienne
Métropole qui se positionne comme
l'initiateur dans ce mode alternatif de
production d'électricité. Les panneaux
solaires devraient produire environ
205 000 KWh par an.
D’autres idées qu’aimeraient voir se développer le gouvernement :
Ici les panneaux solaires
sont intégrés à la toiture
d’une salle de sport.
Ici les panneaux
solaires sont
intégrés à la toiture
d’une maison.
Les panneaux solaires sont
disposés de cette manière là
formant ainsi un champ de
panneaux solaires. Ces champs
sont très présents en Allemagne.
Toyota compte proposer des Prius, son modèle
hybride vedette, avec un toit équipé de
panneaux solaires dès 2010. Pas de quoi faire
rouler la voiture mais ils pourront alimenter le
système d'air conditionné ou la radio.
VII) L’utilité des panneaux solaires photovoltaïques
Hormis le fait de fournir de l’électricité à l’utilisateur, on peut jouer avec l’énergie
solaire ! Des jouets en bois ou en métal s’animent dès qu’un rayon de lumière naturelle
ou artificielle touche leurs capteurs : les ailes de l’hélicoptère, du moulin ou de l’éolienne
se mettent à tourner, le criquet et la grenouille sautillent, une microvoiture et d’autres
véhicules au look très design s’élancent sous les yeux amusés des grands comme des
petits.
Plus fonctionnels, des sacs à dos équipés d’un capteur solaire et d’une prise allumecigare, permettent de recharger des petits appareils comme un téléphone portable, un
lecteur mp3 ou un appareil photo numérique…
Les capteurs solaires sont également utilisés pour créer, dans la maison et le jardin, des
éléments de décor animés ou lumineux tout en économisant l’électricité : des mobiles
tournoient sous l’effet de la lumière, des guirlandes de Noël, des lanternes et des boules
flottantes emmagasinent l’énergie du soleil le jour pour la restituer la nuit.
Ces différents objets jouent un rôle pédagogique en montrant comment fonctionne le
solaire et comment l’utiliser. Un moyen de familiariser les particuliers à cette énergie et
leur donner envie de l’utiliser à plus grande échelle.
Radio solaire.
Lampe de jardin solaire.
VIII) Production
Pour répondre à notre problématique, nous allons faire différentes manipulations sur un
panneau solaire : voir comment la tension évolue en fonction de l’éclairage du panneau,
nous allons jouer sur la couleur de la lumière grâce à des filtres de couleurs différentes.
Nous allons aussi cacher une surface du panneau et observer les résultats.
Lorsque l’on cache une partie du panneau, la tension diminue ; si on éclaire davantage le
panneau, la tension augmente ; enfin, si on joue sur la couleur on observe que le bleu est
plus utilisée que le rouge ce qui confirme que certaines longueurs d’ondes sont plus
utilisables que d’autres.
Conclusion :
Notre problématique était : Pourquoi utilise-t-on le panneau solaire photovoltaïque ?
Grace à tout ce que nous venons de voir nous pouvons répondre à cette question. Nous
utilisons ce type de panneau car il est simple d’utilisation, s’il est intégré ou posé il ne
sollicite aucun réglage par contre s’il est mobile et orientable, il faut le régler de façon a
obtenir le meilleur rendement possible mais cela ne nécessite aucune qualification ; et il
utilise la lumière du soleil, une énergie naturelle, inépuisable et non polluante pour
fonctionner c’est-a-dire transformer cette lumière en électricité, et que certaines longueurs
d’onde sont davantage utilisables.
Lexique :
Semi-conducteur : c’est un matériau qui se situe entre les conducteurs et les isolants. Il
nécessite un apport minimal d’énergie pour sauter la bande interdite (gap) et crée un
courant électrique ;
Bande de conduction : c’est la bande où les électrons sont libres de bouger ;
Bande de valence : bande où les électrons peuvent rejoindre la bande de conduction, ils
ne sont pas figés;
Bande interdite : c’est la bande qui se situe entre la bande de conduction et la bande de
valence;
Photons : Particules élémentaires de la lumière ;
Silicium : C'est l'élément le plus abondant sur la Terre après l'oxygène (27,6%) Il n'existe
pas à l'état libre mais sous forme de composés : de dioxyde silice (dans le sable, le quartz,
la cristobalite…) ou de silicates (dans les feldspath, la kaolinite…).
http://bio-energies-online.com/pv.aspx
http://panneausolaire.free.fr/fabrication_fonctionnement.php
http://www.dimec.unisa.it/leonardo_new/fr/PV.php