Contribution a l’ étude des performances des  systemes photovoltaiıques dans les conditions environnementales saheliennes

Contribution a l’ étude des performances des 
systemes photovoltaiıques dans les conditions
environnementales saheliennes

 L’energie solaire photovolta ¨ıque 

Le rayonnement solaire est la ressource la plus importante, car elle impacte tous les processus environnementaux agissant sur la surface de la terre. Le soleil fournit a la terre une énorme quantite d’ énergie. L’ énergie du rayonnement solaire est utilis ée sous deux formes : la produc- tion de chaleur et la production d’electricit é via les cellules photovolta ¨ıques et la concentration thermodynamique [Mayer et al., 2014]. Les principaux axes d’utilisation de l’energie solaire sont : • le solaire thermique : il utilise des capteurs qui transforment les rayonnements solaires en energie thermique et les r écup érent principalement pour chauffer un gaz ou un liquide ` (air, eau etc.) ; • le solaire a concentration thermodynamique ( ` Solar Concentrated Power (SCP)) : il utilise des miroirs qui concentrent l’energie solaire vers un tube contenant un fluide caloporteur qui chauffe jusqu’a une temp érature pouvant atteindre 250 ◦C a 1000 ` ◦C. La chaleur obtenue est transferée a un circuit de fluide caloporteur, la vapeur alors produite actionne une ` turbine couplee a un alternateur qui produit de l’ électricit é [Grange, 2012]. Jusqu’en fin 2013, la capacite globale install é dans le monde était de 4GW [Philibert, 2013] ; • le solaire photovolta¨ıque (PV) : la lumiere solaire (photons) transmet son énergie aux électrons contenus dans la cellule photovolta ¨ıque capable de convertir le rayonnement L’energie solaire photovolta ¨ıque 11 L’energie solaire photovolta ¨ıque : genéralit és solaire en electricit é. Les électrons sont alors mis en mouvement, produisant ainsi un cou- rant electrique. Jusqu’en fin 2014, la capacit é globale install ée dans le monde était de 177 GW [IEA, 2015]. Ce type d’energie solaire sera d évelopp é dans les sections suivantes ; • le solaire photovolta¨ıque thermique (photovoltaic thermal PV/T) : les modules PV/T sont construits par la combinaison de cellules photovolta¨ıques hybridees avec un collecteur thermique solaire formant un dispositif qui convertit le rayonnement solaire en electricit éét en chaleur simultanement [Hasan et Sumathy, 2010]. Ce type de syst éme est souvent ` integr é au b atiment pour disposer de l’eau chaude en plus de l’ ˆ electricit é.

 La cellule photovolta¨ıque

 Les cellules photovolta¨ıques constituent les eléments primaires des syst émes photovoltaique, qui permettent la conversion du rayonnement solaire en electricit é. Les cellules photovolta ¨ıques sont composees de semi-conducteurs qui permettent de transformer directement l’ énergie des rayonnements solaires en energie électrique. L’ énergie solaire photovolta ¨ıque est l’une des energies renouvelables les plus prometteuses, elle est souvent consid érée comme la technolo- gie du futur. Au cours de ces 60 derniers annees, la notion de syst éme photovoltaique a evolu é de quelques milliwatts (premiere cellule photovoltaique de silicium du Laboratoire de Bell) a plusieurs m égawatts (centrale électriques contemporaines) [Luque et Hegedus, 2011]. En ef- fet, le photovolta¨ıque (PV) a connu une hausse mondiale considerable, seulement en 2014 une capacite de 38,7 GW a été install ée [IEA, 2015]. L’effet photoelectrique est un ph énom éne physique propre à certains mat ériaux qui pro- duisent de l’electricit é lorsqu’ils sont expos és a la lumi ére. La conversion photovoltaique est definie comme la transformation de l’ énergie des photons solaires en énergie électrique a tra- ` vers l’effet photoelectrique. Cette conversion est assur ée par les cellules photovolta ¨ıques. Une cellule photovolta¨ıque typique en silicium est un dispositif comprenant plusieurs couches : une grille conductrice sur la surface superieure, un rev étement antireflet, une couche fine de type ˆ N, une couche dopee P (jonction P-N) et une électrode dans la surface arri ére de la cellule. La ` figure 1.6 illustre la structure physique d’une cellule PV [Goetzberger et al., 2003]. Dans la cellule solaire, la separation des porteurs de charges se fait gr ace ˆ a la jonction P-N. Ces deux zones ` P et N forment respectivement la base et l’emetteur de la cellule. La juxtaposition de ces deux zones forme un champ electrique, qui repousse les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P. Les charges sont ensuite collectees par les contacts m étalliques sur les faces avant et arriere de la cellule. Un courant est ainsi g énéré par la cellule [Grau, 2012]. L’energie solaire photovolta ¨ıque 12 L’energie solaire photovolta ¨ıque : genéralit és FIGURE 1.6 – Schema d’une cellule photovoltaique typique en silicium [Goetzberger et al., 2003]. 

Modelisation mathématique d’une cellule

Dans la litterature, il existe plusieurs mod éles pour d écrire le comportement électrique d’une cellule photovolta¨ıque. Ces modeles sont bas és sur la relation courant-tension provenant du circuit electrique équivalent de la cellule PV. Les paragraphes suivants pr ésentent les mod éles ` les plus utilises. 

 Modele à deux diodes 

 Le modele g énéralement utilis é pour simuler le comportement des cellules PV est celui a deux ` diodes. Ce modele est complexe mais offre une meilleure pr écision [Xiao ét al., 2004]. Le circuit equivalent de la cellule est donn é par la figure 1.7. Dans ce mod éle la diode D1 mod élise les pertes du courant photoelectrique ; tandis que la diode D2 mod élise les pertes de recombi- naison dans la region de d épl étion de la cellule. Les r ésistances Rp et Rs modelisent les pertes resistives dans la cellule [Ishaque ét al., 2011]. Le circuit electrique équivalent de la cellule permet d’ecrire l’expression du courant ( I) (equation 1.3.1. I = IL − ID1 − ID2 −  V + IRs Rp  (1.3.1) L’energie solaire photovolta ¨ıque 13 L’energie solaire photovolta ¨ıque : genéralit és ou : ` le courant ID1 est donne par l’ équation 1.3.2 ; ID1 = I01  exp  q (V + IRs) a1kTC  − 1  (1.3.2) le courant ID2 est donne par l’ équation 1.3.3. ID2 = I02  exp  q (V + IRs) a2kTC  − 1  (1.3.3) Avec : I01 : courant de saturation inverse de la diode (D1), I02 : courant de saturation inverse de la diode (D2), IL : photocourant, a1 et a2 : facteurs d’idealit é des diodes ( D1) et (D2) respectivement, Rp : resistance shunt, Rs : resistance s érie, k = 1.381 × 10−23(J/K) : la constance de Boltzmann, q = 1.602 × 10−19(C) : charge elémentaire, TC : temperature de la cellule. FIGURE 1.7 – Circuit equivalent du mod éle à deux diodes. 

Modele à une diode

Le modele à une diode est largement utilis é dans la simulation des caract éristiques des cel- lules PV. Ce modele comprend une source de courant en parall éle à une diode, une r ésistance serie et une r ésistance Shunt. Il offre un bon compromis entre la simplicit é et la pr écision [Chatterjee et al., 2011, Chenni et al., 2007] et il est utilise parfois avec des simplifications (modele à une diode simplifi é) mais toujours avec la m éme structure de la source de courant ˆ en parallele à une diode [Villalva ét al., 2009]. Le circuit electrique équivalent au mod éle à une ` diode est donne par la figure 1.8. Le courant de la cellule est donn é par l’ équation 1.3.4. I = IL − I0  exp  q (V + IRs) akTC  − 1  −  V + IRs Rp  (1.3.4) FIGURE 1.8 – Circuit equivalent du mod éle à une diode. 

Modele de la cellule id éale 

 Le modele de la cellule id éale est le mod éle le plus simple pour caract ériser la cellule PV [Xiao et al., 2004]. Il comprend une source de courant en parallele à une diode comme illustrédans la figure 1.9. La relation courant- tension de ce modele est donn ée par l’ équation 1.3.5. I = IL − I0  exp  qV ) akTC  − 1  (1.3.5) L’energie solaire photovoltaique 15 L’energie solaire photovolta ¨ıque : genéralit és FIGURE 1.9 – Circuit equivalent du mod éle de la cellule idéale. 

 Caracteristiques électriques d’une cellule PV 

 La cellule PV est normalement conc¸ue pour fonctionner comme un genérateur. Par contre, il se peut que cette meme cellule, lorsqu’elle est interconnect ˆ ee avec d’autres cellules, fonctionne comme un recepteur en absorbant de l’ énergie d ébit ée par les autres cellules. La caract éristique électrique d’une cellule PV montrant ses diff érents r égimes de fonctionnement est illustr ée dans la figure 1.10 [Abete et al., 1990]. La caracteristique d’une cellule photovolta ¨ıque balaie trois quadrants sur les quatre existants. Le fonctionnement dans le quadrant 1 est celui normal, en effet dans ce quadrant la cellule est un genérateur, elle produit donc de l’ énergie. La cellule PV est un recepteur dans le quadrant 2 et dans le quadrant 4. Le fonctionnement dans ces deux quadrants peut causer la destruction de la cellule PV par phenom éne d’ échauffement local [Ndiaye, 2013]. FIGURE 1.10 – Caracteristique I-V d’une cellule PV avec les diff érents quadrants de fonction- nement. L’energie solaire photovolta ¨ıque 16 L’energie solaire photovolta ¨ıque : genéralit és 

Modules et champs photovolta¨ıques

 Un module PV est typiquement constitue de plusieurs cellules connect ées en s érie et en parall éle ` pour genérer la tension et le courant de sortie d ésir és. Une association de ( Ns) cellules en serie permet d’augmenter la tension (Vmod = Vcell × Ns) ; alors que l’association en parallele de ( ` Np) cellules permet d’augmenter le courant (Imod = Icell × Np) (figure 1.11). FIGURE 1.11 – Caracteristique d’un groupement en s érie (a) et d’un groupement en parall éle ` (b) de cellules PV identiques. Le module a deux fonctions, il permet de delivrer une tension et un courant profitables dans l’utilisation industrielle et protege les cellules de l’effet des param étres environnementaux. ` Les cellules PV sont integr ées dans les modules apr és leur interconnexion et sont prot égés a` l’aide d’une plaque en verre transparent, d’un encapsulent (genéralement du polym ére éthyl éne- ` vinyle acetate) et d’une feuille arri ére (backsheet) [Sharma et Chandel, 2013]. La structure d’un ` module photovolta¨ıque est illustree dans la figure 1.12. L’energie solaire photovolta ¨ıque : genéralit és FIGURE 1.12 – Vue en section d’un module photovolta¨ıque typique [Sharma et Chandel, 2013]. Le nombre de cellules dans un module depend de l’application pour laquelle il est destin é. Les modules PV usuels ont eté initialement conc¸us pour charger les batteries de 12 V ; ainsi, de nombreux modules ont une tension de sortie (tension de circuit ouvert) de 12 V. Ces modules PV ont genéralement 36 cellules connect ées en s érie. Ces modules produisent une tension de sortie qui est suffisante pour charger les batteries 12 V ainsi que pour compenser les chutes de tension dans les circuits electriques et des syst émes de contr ` ole et de gestion de l’ ˆ energie. Avec la croissance des applications des modules PV au cours des dernieres ann ées, il existe une gamme de plus en plus grande de modules PV. Pour couvrir la consommation d’un systeme ` donne, les modules sont connect és en s érie ou en parall éle pour former un champ photo- ` volta¨ıque. Le champ photovolta¨ıque est la base de tout systeme photovoltaique dans n’importe quelle application. Lorsque des modules sont connectes en s érie, les tensions s’additionnent et le courant traversant les modules reste identique ; alors que pour la connexion en parallele, les ` courants des differents modules s’additionnent et la tension reste identique. 1.3.5 Les systemes photovoltaique Le rayonnement solaire, converti en courant continu a l’aide de panneau solaire est utilis é pour alimenter des charges selon l’application desir ée. Dans le cas de certaines applications en sites isoles (syst émes autonomes), le syst éme alimente directement les diff érentes charges. Dans d’autres cas, le courant produit par le champ photovolta¨ıque est injecte au r éseau électrique. Les paragraphes suivants decrivent plusieurs configurations possibles d’un syst éme photovoltaique. L’energie solaire photovoltaique 

 Les systemes photovoltaique autonomes 

Les systemes photovoltaique autonomes dependent uniquement de l’ énergie solaire pour repondre a la demande d’ électricit é. L’ énergie produite par les modules photovolta ¨ıques au cours de la journee peut étre utilis ˆ ee imm édiatement ou stock ée dans des accumulateurs (bat- teries), servant la nuit ou pendant des periodes de pr ésence de couvertures nuageuses. Ces systemes peuvent étre subdivis ˆ es selon les charges connect ées au syst éme (courant continue ` (DC) ou alternatif (AC)) : • Systemes autonomes avec charges à courant continu (DC) : ils sont conc¸us pour des appli- ` cations qui utilisent directement l’energie produit par les modules photovoltaiques pour alimenter les charges DC : petits systemes résidentiels, pompage de l’eau, éclairage public étc. La figure 1.13 illustre le schema simplifi é d’un syst éme autonome à courant continu.