Caractérisation et impact du dépôt sec de poussières Sahariennes sur les performances des panneaux Photovoltaïques

Caractérisation et impact du dépôt sec de
poussières Sahariennes sur les performances des
panneaux Photovoltaïques

La spectrophotométrie UV-Visible et Réectance diuse

La spectrophotométrie UV-Visible (HP 8452A Diode-tableau) 

Dans cette étude, le spectrophotomètre à faisceau unique commandé par un microprocesseur dans le Visible/UV sur la gamme de 190 à 820 nm avec une résolution de 2 nm est utilisé pour envoyer un rayonnent électromagnétique sur la couche mince de poussière décrit à la gure 2.3. Il mesure la transmittance de ce rayonnement et celle du verre propre de référence. Cette transmittance mesurée permettra de valider celle issue de la modélisation des pertes du rayonnement solaire atteignant les surfaces des cellules PV. La spectrophotométrie est une méthode analytique quantitative qui consiste à mesurer l’absorbance ou la transmittance d’une substance chimique. Cette technique consiste à émettre un faisceau de lumière à partir d’une source. Ce faisceau est décomposé par un monochromateur, de telle sorte qu’on obtienne un faisceau de lumière approximativement monochromatique (Girard et al., 1982). Le faisceau traverse alors une cuve. La cuve qui peut être en quartz, verre ou en plexiglas doit être à faces parallèles pour éviter des eets de lentille. Elle est de longueur utile (longueur optique) et renferme le produit absorbant, à la concentration (C). Cette longueur optique vaut couramment 1 cm, mais il est possible Chapitre. Données et Méthodes 21 d’utiliser des cuves de plusieurs cm. Le rayon lumineux ayant traversé la cuve, est ensuite focalisé sur un détecteur comme le montre la gure 2.4. Celui-ci convertit le ux énergétique lumineux reçu en un signal électrique (Jassim et al., 2013). Figure 2.4: Principe du spectrophotomètre. 

 La Réectance diuse (spectrophotomètre modèle Cary 2300)

 L’interaction entre la lumière et les particules de poussière sur la gamme de longueur d’onde 250-2500 nm a été étudiée grâce à l’analyse de Spectroscopie en Réectance Diuse (SRD). Pour les mesures de réectance diuse, on a utilisé un spectrophotomètre double faisceau UV-Visible-PIR (205-2500nm), modèle Cary 2300, équipé d’une sphère d’intégration de 10 cm de diamètre. L’intérieur de la sphère est recouverte de halo (polytétrauoroéthylène). Le halon a la propriété de rééchir environ 100% les radiations d’une grande partie de la région d’étude. On peut donc l’utiliser comme référence (Gugliermetti et al., 2004). Cette analyse permet de connaître la capacité diusive des poussières en présence de lumière. La SRD est une technique utilisée avec un spectrophotomètre (ultra-violetProche-Infra Rouge) UV-PIR pour étudier les caractéristiques spectrales d’échantillons de diérent types tels que, les solides opaques, poudres, cristaux, . . . . Elle est basée sur le principe de la réexion spéculaire et celle diuse. La réexion diuse est l’ensemble du rayonnement diusé, soit directement par la surface soit après de multiple réexions à l’intérieur du matériau. En eet, quand un rayon de lumière de longueur d’onde atteint  la surface d’un milieu dont l’épaisseur est importante par rapport à la longueur d’onde, il peut faire l’objet d’un phénomène de réfraction, réexion, absorption ou diusion, par exemple. Ce phénomène dépend de la composition du matériau, de sa structure interne et de l’état de sa surface (Roig, 2015). Ainsi, la spectrométrie de réexion diuse est basée sur l’interaction d’un faisceau lumineux avec un milieu pulvérulent. D’ailleurs, ces phénomènes contribuent à renvoyer de manière diuse une partie de la radiation incidente dans l’hémisphère entourant l’échantillon. L’intensité de la lumière renvoyée dépend aussi des propriétés optiques de l’échantillon par exemple de l’indice de réfraction et d’absorption, taille, morphologie et état de surface des particules (Roig et al., 2016). Ainsi, pour mesurer le spectre de réexion diuse, on dilue l’analyte dans un milieu dispersif non absorbant et on utilise un spectre de référence. Cette dilution est indispensable pour minimiser certaines distorsions spectrales et éviter la saturation de certaines bandes d’absorption. Cette technique est détaillée dans les travaux de Ueda et al. (2005). 

 L’éllipsométrie (éllipsométre spectroscopique Sopra GES-5E) 

Après avoir réalisé les couches minces de poussières déposées sur les substrats de verre, nous avons utilisé un éllipsométre spectroscopique Sopra GES-5E decrit par Desmarchelier (2014)pour déterminer les indices de réfractions (imaginaires et réels) des échantillons sur une très large gamme de longueur d’onde. Ces indices optiques ont été comparés à ceux mesurés par la station AERONET de Dakar. Ils seront considérés comme paramètres d’entrée de nos modèles pour une étude approfondie des pertes des propriétés optiques et électriques du rayonnement solaire en présence du dépôt sec de poussière sur les surfaces des panneaux PV. L’éllipsométrie est une technique de caractérisation des couches minces. Elle est utilisée dans plusieurs domaines (Tompkins et al., 2005). Cette technique ore des capacités inégalées pour la métrologie des couches minces. Elle est sensible à la présence de surface et d’interface. L’ellipsométrie permet de caractériser les épaisseurs des couches avec une résolution à l’angström (Shim et al., 2004; Azzam et al., 1977). Le principe de la technique repose sur la mesure du changement de l’état de polarisation d’un faisceau lumineux après réexion sur une surface. Il mesure physiquement deux paramètres tels que, l’état de polarisation de la lumière et l’intensité du rayonnement rééchi (Fujiwara, 2007). Les paramètres physiques de l’échantillon analysé sont issus de modèles des interactions onde-matière. La technique permet d’obtenir des informations sur la surface d’un échantillon massif, sur le volume d’un lm mince ou encore sur les interfaces (Richter et al., 2005). Chapitre. Données et Méthodes 23 Elle présente plusieurs avantages (Tompkins et al., 1999). Elle est très simple, rapide à mettre en ÷uvre, non destructif, permet des suivis in-situ en temps réel et elle est applicable à une très large gamme d’échantillons (Richter et al., 2005).

Microscope optique numérique Kéyence

Le microscope optique numérique de type VHX-1000 (Kéyence) du laboratoire Laplace nous a permis de mesurer l’épaisseur des couches minces de poussière déposées sur les plaques de verre. De plus, le Kéyence servira à visualiser la morphologie des poussières avec des images de haute qualité. Le VHX-1000 est un outil polyvalent qui permet d’eectuer des observations nettes d’objets en trois dimensions (3D) grâce à une profondeur de champ 20 fois supérieure à celle d’un microscope optique conventionnel comme représenté à la gure 2.5. Il dispose d’un jeu d’optique très complet (20x-200x, 100x-1000x, 500x-5000x) et un système d’observation orientable soit avec un éclairage par réexion inclinable ou avec un éclairage par transmission. Il permet de faire des images de grande qualité sur des échantillons très variés tels que, des lames minces, des sections polies et des échantillons macroscopiques (Adeyemi et al., 2009). Figure 2.5: Microscope optique numérique. 

 Présentation des modèles climatiques de dépôt de poussière 

Les applications de ce type d’instrument sont diverses. On peut citer entre autres : l’imagerie á deux dimensions (2D) et la cartographie haute résolution de lames minces. Il permet aussi de faire l’acquisition d’image optique á trois dimensions (3D) rapide (images tridimensionnelles) de haute-résolution pour toutes les applications industrielles et dans le domaine des sciences du vivant. C’est un instrument, exible grâce à ses congurations pratiques dont un support motorisé, inclinable qui est équipé d’objectifs hautes performances en amenant le grandissement jusqu’à x5000 fois comme le montre la gure 2.5. La platine motorisée en X-Y et Z permet la reconstitution d’images 3D (Zhang et al., 2006).

Présentation des modèles climatiques de dépôt de poussière

Le cycle des poussières est composé de trois phases qui sont : l’émission, le transport et le dépôt. Le processus de dépôt qui est notre sujet d’étude est assez complexe et dicile à mesurer, car il dépend de plusieurs paramètres atmosphériques (vitesse et direction du vent, température, humidité, . . . ) et il existe de faible d’instrument de mesures in situ. Ainsi, pour déterminer les ux de dépôt des poussières à Dakar, nous avons eu recours à des modèles climatiques intégrant des modules de dépôt de poussières. Dans ce travail, nous avons utilisé deux modèles climatiques intégrant le dépôt sec de poussières que sont ALADIN et MERRA-2. Grâce aux simulations de ces modèles nous avons caractérisé les épaisseurs optiques et les ux de dépôt de poussière en Afrique de l’Ouest et plus particulièrement au Sénégal. Ainsi, nous allons valider les résultats des simulations des épaisseurs optiques des modèles par les AOD mesurées à la station AERONET de Dakar et celles du dépôt, par des poussières collectées durant des campagnes dans la zone par Skonieczny et al. (2013). Cette validation nous permettra ensuite d’étendre nos simulation dans tout le Sahel. 

 ALADIN

 Premièrement, nous avons utilisé ALADIN (Aire Limitée Adaptation dynamique Développement InterNational) pour simuler les ux de dépôts de poussière en Afrique de l’Ouest et au Sénégal durant la période 2006-2010. Nous avons eectué des simulations mensuelles et journalières pour la période comprise entre le 1er janvier 2006 et le 31 décembre 2010. Les intégrations numériques sont eectuées sur un domaine assez large (4◦S-40◦N, 40◦W-50◦E) incluant toutes les sources d’émission de poussières dans le Sahara et celles de la partie occidentale du désert d’Arabie. Ce choix réduit les erreurs de prédiction des concentrations de poussières dues au couplage latéral, car aucune modélisation de la poussière n’est incluse dans le modèle global de couplage. D’ailleurs, nous avons pris soin de nous assurer Chapitre. Données et Méthodes 25 qu’aucune zone d’émission de poussière n’était présente à l’extérieur et à proximité du domaine de la zone limitée. Le domaine de post-traitement a été volontairement diminué an de faciliter l’exploitation des résultats; il s’étend de 2◦N à 38◦N et de 39◦W à 45◦E. La résolution horizontale est de 20 x 20 km avec 60 niveaux verticaux; de la surface à 67 km et avec un pas de temps de 600 secondes (Farda et al., 2010). ALADIN est un modèle, bi-spectral à aire limitée, développé par la Météo-France (Horányi et al., 1996). En plus, ce modèle est un résultat de la collaboration entre cette dernière et le Centre Européen de Prévision Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT) (Nabat et al., 2020; Daniel et al., 2019). Historiquement, il a été développé depuis le début des années 1990 au sein d’un large consortium regroupant des centres météorologiques en Europe et en Afrique du nord (Csima and Horányi, 2008). C’est un modèle de prédiction numérique atmosphérique spectral d’équations primitives utilisant un schéma d’intégration semi-implicite, semi-lagrangien à deux niveaux et une initialisation de ltre numérique (Bubnová et al., 1995; Radnóti, 1995). Il est muni d’une table d’interpolation permettant de simuler les propriétés optiques des aérosols désertiques (Farda et al., 2010). Il est conçu pour tourner jusqu’à une résolution de 7 à 10 km, ce qui en fait un outil de prévision numérique fondamental sur des zones géographiques du globe où les modèles globaux ont une résolution plus grossière. ALADIN peut également être utilisé dans un système de descente d’échelle entre des modèles globaux et des modèles à aire limitée à très haute résolution, comme un outil de couplage intermédiaire. Toutes les étapes des variables pronostiques atmosphériques, processus aérosol, radiatif atmosphérique (gazeux, nuages, et aérosols), convection profonde et orographie dans le modèle ALADIN sont bien documentées dans les travaux de (Mokhtari et al., 2015; Farda et al., 2010; Mallet et al., 2019). Avec ce modèle, le transport de la poussière et les propriétés optiques sont calculés par le modèle d’aérosol log-normal inorganique organique à trois moments (ORILAM) développé par (Tulet et al., 2005). Ce modèle Log-normal étudie l’évolution de la composition de l’aérosol, le rayon moyen et des informations sur la distribution des aérosols (Binkowski et al., 2003). Le dépôt sec est calculé en utilisant le concept de résistance décrit par plusieurs travaux tels que, (Seinfeld et al., 2016; Cruz et al., 1997; Roupsard et al., 2013). La sédimentation des aérosols est déterminée par la vélocité gravitationnelle (Tulet et al., 2005; Nabat et al., 2015) et l’élimination par voie humide des aérosols de poussière est calculée à l’aide du sous-modèle SCAVenging (Tost et al., 2006; Tulet et al., 2010). Le dépôt sec et la sédimentation sont déterminés par la diusivité brownienne (Tulet et al., 2005; Morcrette, 1989). ALADIN est couplé au modèle global ARPEGE (Action de Recherche Petit Echelle Grande Echelle) (Courtier et al., 1991; Déqué et al., 1994). ARPEGE est un modèle de prévision numérique et planétaire qui fournit les conditions initiales et limites toutes les trois heures, c’est un élément fondamental pour la prévision opérationnelle du temps à Météo-France. Présentation des modèles climatiques de dépôt de poussière ARPEGE est aussi un modèle à équations primitives avec une troncature spectrale triangulaire sur l’horizontale, une résolution horizontale variable, une représentation en éléments nis sur la verticale et une coordonnée verticale hybride (Cassou and Terray, 2001). Il utilise un schéma temporel semi-lagrangien à deux niveaux, semi-implicite. La résolution horizontale du modèle ARPEGE est de 7,5 km environ sur la France et de 37 km aux antipodes. Sa résolution verticale est de 105 niveaux, avec un premier niveau à 10 mètres au dessus de la surface et un niveau supérieur à 70 km environ. Le pas de temps de ce modèle est de 360 secondes (Piazza et al., 2016).