These étude et realisation d'un systeme suiveur solaire à deux axes

‫ا ا‬ ‫ا‬ ‫ر ا ا‬ ‫ا‬ République Algérienne Démocratique et Populaire ‫ا‬ ‫وا‬ ‫ا‬ ‫وزارة ا‬ Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique ' ‫ا‬! "# $ % Université de HASSIBA BEN BOUALI – CHLEF – ‫آ ا موا ) ت‬ Faculté de technologie Département de électrotechnique

En vue de l’obtention d’un diplôme licence LMD Option : commande électrique

Présenté par :

Encadrés par :

MEKRELOUF Ali BENYAMINA Abderrahmen

Jury: Mr: BENYAMINA MAAMAR Promotion 2011

Mr. SAIDI HAMZA

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Je dédie ce modeste travail à ceux qui sont la source de mon inspiration et mon courage. A ma très cher mère, qui ma donne toujours l’espoir de vivre et qui n’a jamais cessé de prier pour moi. A mon très cher père, pour ses encouragements et son soutien, Et surtout pour son sacrifice afin que rien n’entrave le déroulement de mes études. A mes chers frères

A mes sœurs A tous mes amis

Ali & Abderrahmen

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Nous tenons à remercier en premier lieu ALLAH, le tout puissant, qui nous a donné le courage et la volonté pour bien mener ce modeste travail. Ainsi, nous remercions notre encadreur monsieur SAIDI HAMZA pour leur soin exceptionnel et conseils judicieux. Nous remercions Tous les enseignants du département ELT, qui ont assurés notre formation durant tout cycle d’étude. Enfin, nous remercions tous ceux qui nous ont aidé à accomplir notre travail, de près comme de loin.

Ali & Abderrahmen

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Sommaire Introduction générale

Chapitre I : le rayonnement solaire ..................................................................... 01 I.1/- Introduction ...............................................................................................01 I.2- Mouvement du Globe terrestre ..............................................................01 I.3- La sphère céleste ......................................................................................02 I.4- Les coordonnées célestes ..........................................................................02 I.4.1- Les coordonnées géographiques ...............................02 I.4.1.1- Longitude ...................................................................02 I.4.1.2- Latitude .......................................................................03 I.4.2- Les coordonnées horaires ..........................................................03 I.4.2.1- La déclinaison solaire ................................................03 I.4.2.2- Angle horaire .............................................................04 I.4.3- Les coordonnées horizontales ..................................................05 I.4.3.1- Hauteur angulaire du soleil .....................................05 I.4.3.2- Azimut .......................................................................05 I.4.4- Temps solaires ...........................................................................05 I.4.4.1- Temps solaire vrai ....................................................05 I.4.4.2- Temps solaire moyen ...............................................06 I.4.5- Angle horaire de coucher du soleil ..........................................06 I.5- Le rayonnement solaire .........................................................................06 I.5.1- Types de rayonnements .............................................................06 I.5.1.1- Rayonnement direct ..................................................06 I.5.1.2- Rayonnement diffus .................................................06 I.5.1.3- Rayonnement global .................................................07 I.6- Rayonnement en Algérie ........................................................................07 UHBCH

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I.7- Conclusion ................................................................................................08

Chapitre II : La conversion photovoltaïque ............................................................09 II.1- Introduction .............................................................................................09 II.2- L’effet photovoltaïque ..............................................................................09 II.2.1- effet photoélectrique interne ....................................................09 II. 3- la jonction PN ...........................................................................................10 II.3.1- La polarisation directe ............................................................12 II.3.2- La polarisation inverse ............................................................12 II.3.3- L’éclairement a deux effets sur le fonctionnement ................13 II. 4- Les cellules solaires ..................................................................................14 II.4.1- Les principaux types de cellule ................................................14 II.4.1.1- Cellule en silicium amorphe ....................................14 II.4.1.2- Cellule en silicium monocristallin ..........................14 II.4.1.3- Cellule en silicium poly cristallin ............................15 II.4.2- Modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque ..........16 II.4.3- Caractéristiques électriques des photopiles ...........................18 II.4.3.1- Caractéristique Courant- Tension ........................18 II.5- L’influence de l'éclairement solaire et de la température ..................20 II.5.1- L’influence de l'éclairement solaire .........................................21 II.5.2- L’influence de la température .................................................21 II.6- Regroupement des cellules ......................................................................22 II.6.1- Association en série ....................................................................23 II.6.2- Association en parallèle ............................................................24 II.6.3- Association mixte ................................................................... 25 II.6.4- Les diodes de by-pass (protection) ...................................... 26 II.7- Les modules photovoltaïques ............................................................. 27 II.7.1- Caractéristiques nominales des modules PV .................... 27 II.8- Conclusion ................................................................................................28 UHBCH

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Chapitre III :Système de poursuite du soleil ..........................................................29 III.1- Introduction ..............................................................................29 III.2- Position du soleil par rapport à un observateur ...............................29 III.2.1- Angle de zénith .......................................................................29 III.2.2- Angle d’azimut ........................................................................29 III.2.3- Angle extérieur d’azimut .........................................................30 III.2.4- Angle d’incidence .....................................................................30 III.3- Orientation de la surface .....................................................................31 III.3.1- Rotation suivant un axe .........................................................31 III.3.1.1- Axe vertical et inclinaison fixe de la surface .....31 III.3.1.2- Axe horizontal, surface parallèle à l'axe ..........31 III.3.2- Rotation suivant deux axes ...................................................32 III.4- Différents types de montures ...............................................................33 III.4.1- Monture altazimutale ...........................................................33 III.4.2- Monture équatoriale ..............................................................34 III.5- Comparaison entre un système PV fixe et un système mobile ...........35 III.6- Conclusion ........................................................................................... 35

CHAP IV : Realisation ...........................................................................................36 IV.1- Introduction ............................................................................................36 IV.2- Schéma Synoptique .................................................................................36 IV. 3- réalisation du suiveur ............................................................................37 IV. 3.1-Partie mécanique ......................................................................37 IV. 3.1.1-Description de la structure ..................................38 IV. 3.1.2-Orientation à l’axe horizon (élévation) ...............39 IV. 3.1.3-Orientation à l’axe vertical (l’azimute) ...............40 IV. 3.1.4-Chois d’emplacement du capteur .........................40 IV. 3.1.5-Chois du moteur électrique ...................................41 UHBCH

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IV. 3.1.6-les vérins électriques ............................................41 IV. 3.1.7-Le moteur à courant continue .............................41 IV. 3.2-Partie électronique ..................................................................42 IV. 3.2.1-Le bloc d’alimentation .........................................42 IV. 3.1.2-chois du capteur de lumière .................................42 IV. 3.2.2.1-La photorésistance ..................................42 IV. 3.2.3-Carte de puissance ................................................44 IV. 3.2.3.1-Constutiants ..............................................45 IV. 3.2.4-Carte de traitement ................................................47 IV. 3.2.5- pic16f877A ..............................................................49 IV. 3.2.5.1- Choix du microcontrôleur ....................51 IV. 3.2.6- L’oscillateur ........................................................52 IV. 3.2.7- Le module de conversion A/N ..........................53 IV. 3.2.8- La programmation du pic .................................53 IV. 3.2.8.1- organigramme ........................................57 IV. 3.2.8.2- programme sous logiciel microC ..........58 IV. 3.2.8.3- simulation en Isis ....................................58 IV. 4. Test et Problèmes rencontrés ..............................................................59 IV. 5. Conclusion ............................................................................................59 Conclusion générale ..................................................................................................60 Bibliographies ...........................................................................................................61 Annexes ................................................................................................................ 62

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Introduction générale Les énergies renouvelables sont des énergies qui se renouvèlent assez rapidement pour être considérées comme inépuisable à l’échelle humaine du temps. Face aux prévisions d’épuisement inévitable des ressources mondiales en énergie fossile (pétrole, gaz, charbon...), en énergie d’origine thermonucléaire (uranium, plutonium...), face aux multiples crises pétrolières, économiques, aux changements climatiques dus à l’effet de serre, la science s’est tout naturellement intéressée aux ressources dites " renouvelables " et notamment vers la plus ancienne, le soleil, qui déverse chaque jour l’équivalent de 100 000 milliards de TEP (tonnes équivalent pétrole). Cette valeur est à comparer aux 9,58 milliards de TEP que représente la consommation annuelle mondiale en énergie primaire (1998). Considéré dans l’Antiquité comme un dieu, le soleil est aujourd’hui réduit au statut d’énergie, une énergie qu’il nous faut la capter, la transformer, la stocker.... Capter cette énergie et la transformer directement en électricité par effet photovoltaïque, provient de la conversion de la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semi-conducteurs comme le silicium ou ceux qui sont recouvert d’une mince couche métallique. Ces matériaux photosensibles ont la propriété de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est apportée par les photons, (composants de la lumière) qui heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant électrique. Ce courant continu de micro puissance calculé en watt crête (Wc) peut être transformé en courant alternatif. Dans ce contexte, notre motivation dans ce travail développé en chapitres est d’optimiser l’énergie fournie par les panneaux photovoltaïques dans le but de maximiser la quantité d’éclairement absorbé par les panneaux photovoltaïques en suivant le mouvement du soleil pendant la journée. Notre mémoire est organisé de la manière suivante : -

Le premier chapitre concerne l’état de l’art du rayonnement solaire

-

le second chapitre porte sur la conversion photovoltaïque mobile.

-

Le troisième chapitre présente les différents systèmes de poursuite du soleil

-

Quatrième chapitre concerne la réalisation du suiveur de soleil a deux axes et la programmation du PIC

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Le rayonnement solaire

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I.1- Introduction La ressource de base la plus importante pour tous les potentiels énergétiques renouvelables est l'énergie solaire, c’est le rayonnement émis dans toutes les directions par le soleil, et que la terre reçoit à raison d'une puissance moyenne de 1,4 kW/m², pour une surface perpendiculaire à la direction terre-soleil. Ce flux solaire est atténué lors de la traversée de l'atmosphère par absorption ou diffusion, suivant les conditions météorologiques et la latitude du lieu au niveau du sol. Afin d’exploiter au mieux cette ressource énergétique et pour un bon dimensionnement des installations solaires, il est nécessaire de connaître la quantité de l’énergie solaire disponible à un endroit spécifique à chaque instant de la journée et de l’année. Pour cette raison, on a jugé nécessaire de présenter dans ce chapitre une notion générale sur les coordonnées célestes ainsi que le rayonnement solaire.

I.2- Mouvement du Globe terrestre :[1] La terre décrit autour du soleil une orbite elliptique quasi circulaire avec une période de 365,25 jours. Le plan de cette orbite est appelé plan de l’écliptique. C’est au solstice d’hiver (21décembre) que la terre est la plus proche du soleil, et au solstice d’été (22juin) qu’elle en est la plus éloignée. La terre tourne sur elle-même avec une période de 24h. Son axe de rotation (l’axe des pôles) a une orientation fixe dans l’espace. Il fait un angle 23°27 avec la normale au plan de l’écliptique.

Figure I.1- Variation saisonnière du rayonnement solaire

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I.3- La sphère céleste : La sphère céleste est une sphère imaginaire d’un diamètre immense, avec la terre au centre. On considère que tous les objets visibles dans le ciel se trouvent sur la surface de la sphère céleste. On peut résumer les différentes caractéristiques sur la sphère elle même comme est représenté sur la figure (I-2)

Figure I.2- La sphère céleste La direction des objets peut être quantifiée de façon précise à l’aide d’un système de coordonnées célestes.

I.4- Les coordonnées célestes : I.4.1- Les coordonnées géographiques : Ce sont les coordonnées angulaires qui permettent le repérage d’un point sur la terre I.4.1.1- Longitude : La longitude d’un lieu λ correspond à l’angle que fait le plan méridien passant par ce lieu avec un plan méridien retenu comme origine. On a choisi pour méridien (origine 0°) le plan passant par l’observatoire de Greenwich. Par convention on affecte du signe (+) les méridiens situés à l’est de ce méridien, et du signe (-) les méridiens situés à l’ouest.

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I.4.1.2- Latitude : La latitude d’un lieu Φ correspond à l’angle avec le plan équatoriaal, que fait le rayon joignant le centre de la terre à ce lieu. L’équateur terrestre est donc caractérisé par une latitude égale à 0°, le pole nord parr la latitude +90° et le pole sud par la laatitude -90°. Cette convention de signe affecte le signe (+) à tous les lieux de l’hémisphère noord et le signe (–) à tous les lieux de l’hémisphère sud. Chlef : Φ =36.100 N

Figurre I.3- Les coordonnées géographiques I.4.2- Les coordonnées horai aires I.4.2.1- La déclinaison solair re : C’est l’angle formé paar la direction du soleil et le plan équatorial terrestre. Elle varie tout au long de l’année, entrre deux valeurs extrêmes (-23°27’et

+23°°27’environ) et elle

s’annule aux équinoxes de prinntemps et d’automne, sa valeur peut être calcuulée par la formule: δ = 23.45sin (360 ⋅ (284 + n) /365)

(I .1)

n : numéro du jour dans l’année ée

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Figure I.4- La déclinaison du soleil en fonction des jours I.4.2.2- Angle horaire (w) : L’angle horaire du soleil est l’angle formé par le plan méridien du lieu et celui qui passe par la direction du soleil si l’on prend comme origine le méridien de Greenwich, l’angle horaire est compris entre 0 et 360 d e g r é s La valeur de l’angle horaire est nulle à midi solaire, négative le matin, positive dans l'après midi et augmente de 15 par heure, L'angle horaire et est obtenu de la façon suivante : w= 180 x (TSV / 12 - 1)

(I .2)

ou encore : w = 360 x (TSV - 12)/ 24

(I .3)

w :en degrés

Figure I. 5- les coordonnées horaires

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I.4.3- Les coordonnées horizontales h : Le repérage du soleil see fait par l’intermédiaire de deux angles : I.4.3.1- Hauteur angulaire du d soleil (h) : C’est l’angle formé paar le plan horizontal au lieu d’observationn et la direction du soleil. Cette hauteur durant le jour peut varier de 0 (soleil à l’horizon) à 90 (soleil au zénith) h = Arc Sin (Sin (Φ) x Sin (δ) + Cos (Φ) x Cos (δ) x Cos (w))

(I .4)

I.4.3.2- Azimut(a): C’est l’angle compris enntre le méridien du lieu et le plan vertical passant p par le soleil. La connaissance de l’azimut ut du soleil est indispensable pour le calcul de l’anngle d’incidence des rayons sur une surface non horrizontale

ure I.6- Les coordonnées horizontales Figu I.4.4- Temps solaires :

I.4.4.1- Temps solaire vrai : On appelle " Temps Solaire Vrai " (en abrégé TSV) en un lieu et à un instant donné, l’angle horaire du Soleil en ce lieu et à cet instant .C’est une notion qui traduit à la fois le mouvement de rotation de la Terre sur elle-même elle même et son mouvement autour du Soleil. Son introduction est naturelle, car il il est lié à l’alternance des jours et des nuits. C’est le TSV qui est indiqué sur les cadrans solaires. Remarque importante : La définition de TSV donnée ci-dessus ci dessus est la définition en Astronomie. En physique, on prend, par commodité, TSV = 12h pour la valeur valeur nulle de l’angle horaire (c’est-à-dire (c’est midi). C’est cette dernière définition que nous utiliserons par la suite. TSV = 12 + (w/15) ( en heures. UHBCH

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I.4.4.2- Temps solaire moyen : La vitesse de la Terre sur son orbite n’est pas constante au cours de l’année. Pour avoir un temps qui " s’écoule " à vitesse constante (celui mesuré par les horloges), on définit donc un temps solaire moyen. Historiquement, la journée solaire moyenne a été utilisée pour définir les unités de temps. On a encore avec une bonne précision 1 jour = 24h 00m 00s. L’écart entre TSV et TSM varie selon la date, mais est nul en moyenne, par définition. L’expression de cet écart porte le nom de " Equation du temps ". I.4.5- Angle horaire de coucher du soleil : L’angle horaire du soleil est le déplacement angulaire du soleil autour de l’axe polaire. Dans sa course d’est en ouest, par rapport au méridien local. Il est donné par l’équation Suivante : Ws= arcos (- tan (Φ) tan (δ))

(I .5)

δ : Déclinaison solaire. Φ: latitude.

I.5- Le rayonnement solaire : Le rayonnement solaire est un rayonnement thermique qui se propage sous la forme d’ondes électromagnétiques. En dehors de l’atmosphère terrestre, il donne un éclairement énergétique à peu prés constant et égale à 1367w/m2, appelé de ce fait constante solaire.

I.5.1- Types de rayonnements : :[1] I.5.1.1- Rayonnement direct : Le rayonnement solaire direct se définit comme étant le rayonnement provenant du seul disque solaire. Il est donc nul lorsque le soleil est occulté par les nuages. I.5.1.2 - Rayonnement diffus : Dans sa traversée de l’atmosphère, le rayonnement solaire est diffusé par les molécules de l’air et les particules en suspension. Le rayonnement solaire diffus n’est donc nul que la nuit.

I.5.1.3- Rayonnement global : UHBCH

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C’est la somme des deux types de rayonnements direct et diffus.

Figure I.7- Composantes du rayonnement global sur une surface inclinée

I.6- Rayonnement en Algérie :[2] L’Algérie possédant un gisement solaire important, de part son climat, la puissance solaire maximale en tout point de notre pays est d’environ 1Kw/m2. L’énergie journalière maximale moyenne (ciel clair, mois de juillet) dépasse les 6Kw/m2 et l’énergie annuelle maximale en Algérie est de l'ordre de 2500 Kw/m2 La carte ci-dessous représente les différentes zones énergétiques de l’Algérie.

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Figure I.8- les différentes zones énergétiques dans l’Algérie

I.7- Conclusion : L’étude du rayonnement solaire s'avère nécessaire pour le choix du meilleur site en vue d'une installation d'un système de captation solaire. Le rayonnement reçu par un capteur solaire dépend également du niveau d’ensoleillement du site considéré et de son orientation par rapport au soleil. Un capteur solaire fixe reçoit le maximum d’énergie lorsqu’il est orienté vers le sud et est incliné selon un angle pratiquement égal à la latitude du lieu. Pour que le rayonnement solaire soit perpendiculaire au panneau solaire, et afin d'optimiser tout le système de captation, il est nécessaire de recourir à la technique de poursuite du soleil.

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La conversion photovoltaïque

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II.1- Introduction : Le développement de l’exploitation des énergies renouvelables a connu une forte croissance ces dernières années. La production d’électricité par des sources d’énergie renouvelables offre une plus grande sûreté d’approvisionnement des consommateurs tout en respectant les normes écologiques de l’énergie. Nous rappelons brièvement le principe de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique reposant sur l’effet photoélectrique, c’est à dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau. Le domaine « Génie électrique » étant notre spécialité, nous nous sommes attachés à utiliser des modèles électriques simplifiés pour décrire le comportement des différentes cellules rencontrées tout au long de ce chapitre.

II.2- L’effet photovoltaïque: L’effet photovoltaïque a été découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Il est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur, lequel génère alors une tension électrique. Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie.

II.2.1- effet photoélectrique interne :[2] Le rayonnement solaire est constitué de photons dont l’énergie est décrite par la relation suivante : E [J]=hν=h.c/λ •

h : constante de Planck.

•

λ : longueur d’onde [m].

•

c : célérité de la lumière dans le vide

•

ν: fréquence [Hz].

(II.1)

Quand un photon heurte la cellule, il transmet son énergie aux électrons des semiconducteurs. Si l’énergie absorbée est suffisante pour permettre le passage de la bande interdite (hv > Egap = Econcuction - Evalence), ces électrons quittent leur bande de valence et entrent dans la bande dite de conduction. Cette émission d'électrons et des trous correspondants (on parle de paires électron-trou) due à l'action de la lumière est appelée effet photoélectrique interne (car les électrons ne sont pas éjectés en dehors de l’atome). Les propriétés physiques du matériau sont alors modifiées et celui-ci devient conducteur UHBCH

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(photoconductivité). Si à l’inverse l’énergie du photon n’est pas suffisante, il traverse le matériau sans transmettre d’énergie.

Figure II.1- effet photoélectrique interne Ainsi, un matériau semi-conducteur conducteur dont la bande interdite est comprise entre 0.7 et 0.4 eV est un matériau dit photovoltaïque du spectre solaire. Le défi est de récupérer la paire électron-trou électron ainsi généré, car si celle-ci ci n’est pas récupérée suffisamment rapidement il y a recombinaison entre l’électron et le trou. Pour pouvoir valoriser le potentiel électrique de cet effet, on utilisera la différence de potentiel pote induite par une jonction pn.

II. 3- la jonction PN : Une cellule solaire est composée d’une jonction p-n,, la couche supérieure étant un matériau de type n et la couche inférieure de type p. Pour fabriquer ces jonctions, on effectue un traitement de surface pour déposer un semi-conducteur semi conducteur de type n sur la surface externe d’un matériau de type p.

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Figure II.2-- la jonction PN La mise en contact de ces matériaux génère une barrière de potentiel à la base du champ électrique permanent. Cette barrière, appelée zone de déplétion, est formée par recombinaison du surplus de trous et d’électrons des zones p et n remis en contact. Le schéma suivant représente les niveaux d’énergie au voisinage voisinage de la jonction :

Figure II.3-les les niveaux d’énergie au voisinage de la jonction Si la température d’une telle jonction augmente, les électrons rempliront progressivement tous les états d’énergie, annulant la bande interdite et par là, l’effet de la jonction p-n. Une telle jonction présente un comportement bien caractéristique selon qu’elle soit soumise à une différence de potentiel dans le sens direct ou dans le sens inverse.

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II.3.1- La polarisation directe :[2] De la jonction (en respectant les bornes) provoque un abaissement de la barrière de potentiel et permet un passage important de courant dû aux porteurs majoritaires.

Figure II.44- caractéristique de la polarisation directe II.3.2-La polarisation inverse : Provoque un renforcement de la barrière de potentiel (élargissement de la zone de déplétion par recombinaison) et un courant dû aux porteurs minoritaires (trous dans le type n et électrons dans le type p). Ce courant, très faible, varie peu en fonction de la tension.

Figure II.55- caractéristique de la polarisation inverse Cette caractéristique est à la base des diodes électriques, composant électronique qui ne permet le passage de courant que dans un sens.

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Ce schéma montre la relation typique entre l’intensité du courant et le potentiel d’un tel composant :

Figure II.6- relation typique entre le courant et le potentiel v Pour créer un courant utilisable dans cette jonction p-n, n, deux moyens sont possibles : •

Soit abaisser la barrière de potentiel (grâce à une polarisation directe). La jonction est alors réceptrice (diodes de redressement).

•

Soit fournir une énergie supplémentaire (d’origine lumineuse, thermique…) aux porteurs de la bande de valence. La jonction est alors génératrice. Il ne reste alors plus qu’à collecter les charges avant leur recombinaison. L'effet du rayonnement lorsqu’il fournit assez d'énergie (si celle-ci celle ci est supérieure à la largeur de la bande interdite) terdite) fait apparaître des paires supplémentaires d’électron trou porteur (apparition simultanée d'un porteur n et d'un porteur p) dans la jonction. Les porteurs p ainsi créés ont tendance à migrer vers le matériau p et les porteurs n vers le matériau n,, renforçant la barrière de potentiel. Une partie des porteurs générés par le rayonnement sera elle aussi soumise à divers phénomènes de recombinaison (disparition simultanée d'un porteur n et d'un porteur p).

II.3.3- L’éclairement a deux effets sur le fonctionnement : Si le système fonctionne en mode récepteur (quadrant III) : la résistance diminue avec l’éclairement, c’est la photorésistance. Si le système fonctionne en mode générateur (quadrant IV) : le courant "courtcircuit" est proportionnel à l’éclairement et la tension à vide est celle de la diode en polarisation directe. C’est la cellule photovoltaïque photovoltaïque à jonction PN. C’est sur ce quadrant IV que sont basées les caractéristiques des cellules. cellules UHBCH

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Figure II.7II. l’effet de L’éclairement

II. 4- Les cellules solaires : Les cellules solaires ou cellules photovoltaïques sont des composantes optoélectrique qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l’aide des matériaux semi-conducteurs. conducteurs. Le matériau de base est dans la plupart des cas le silicium. Selon le procédé de fabrication, on obtiendra des photopiles plus ou moins performantes, sous forme amorphe, poly cristalline, ou monocristalline .d’autres matériaux sont utilisables : Arséniure de Gallium (AsGa), Tellurure de Cadium (CdTe). (CdTe

II.4.1-Les Les principaux types de cellule : II.4.1.1-Cellule Cellule en silicium amorphe : Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des de montres dites "solaires". Avantages: elles fonctionnent avec un éclairement faible. elles sont moins chères que les autres. Inconvénients : Leur rendement (6%) est moins bon que les autres en plein soleil. Leurs performances diminuent sensiblement avec le temps. II.4.1.2-Cellule Cellule en silicium monocristallin : On s’arrange, lors du refroidissement du silicium fondu pour qu’il se solidifie en ne formant qu’un seul cristal de grande dimension. On découpe le cristal en fines tranches qui donneront qui les cellules. ules. Ces cellules sont en général d’un bleu uniforme. UHBCH

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Avantages : bon rendement (17%). Inconvénients : les cellules sont chères. fonctionnement très médiocre sous un faible éclairement. II.4.1.3-Cellule en silicium poly cristallin : Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux .ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs crées par les différents cristaux. Avantages : bon rendement (13%), mais cependant moins bon que le monocristallin. moins chère que le monocristallin. Inconvénients : les mêmes que le cristallin. Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité prix). Il existe d’autres types de cellule, certains étant en cours d’étude. Leur utilisation est pratiquement négligeable actuellement.

Les cellules

Les cellules

monocristallines

poly cristallines

Les cellules amorphes

Figure II.8- Différents types de cellules.

II.4.2- Modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque :

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Lorsqu’une jonction PN réalisée à partir de matériaux sensibles à la lumière est éclairée, elle présente la particularité de pouvoir fonctionner en générateur d’énergie. Ce comportement en statique peut être décrit par l’équation électrique définissant le comportement d’une diode classique. Ainsi,

le régime électrique statique d’une cellule

photovoltaïque constituée d’une jonction PN en silicium peut être décrit via l’équation suivante : ( '

1!

"#

%$( II.2)

représente le potentiel thermodynamique. )*+, :le courant de saturation de la Où &' jonction. K.la constante de Boltzman (1.381 10-23 Joules/Kelvin). T : la température de la cellule en Kelvin. e : la charge d’un électron. n. le facteur de non idéalité de la jonction. )-.// :le courant fourni par la cellule. 0-.// : la tension aux bornes de la cellule. )-- : le courant produit par la cellule lorsqu’elle est mise en court-circuit. 1 *234, : la résistance modélisant les courants de fuites de la jonction. et finalement, 1 *.56. : la résistance série caractérisant les diverses résistances de contacts et de connexions. La Figure II.8 représente avec des composants électriques, le comportement électrique équivalent déduit de l’équation précédente.

Figure II.9-Schéma électrique équivalent d’une cellule en silicium cristallin La courbe présentée en Figure II.10 (a) représente la caractéristique courant-tension normalisée notée I(V) d’une cellule solaire en silicium multi-cristallin ayant un rendement de 19.8%. La densité de courant délivrée par la cellule, ici notée J, est exprimée en ampère par unité de surface (cm²). La tension présente aux bornes de la cellule est exprimée en volt et ne dépend pas de la surface de la cellule. Le courant de court-circuit de la cellule est de 38.1mA/cm² (noté dans les notices constructeurs Icc ou alors Isc pour la terminologie anglaise signifiant Short-Circuit current) et la tension de circuit ouvert s’élève à 654mV (Voc, pour Open Circuit Voltage).

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Figure II.10- Caractéristique courant-tension d’une cellule en silicium multi-cristallin. (a) Courbe réelle mesurée par le constructeur, (b) Courbe simulée.

Un paramètre important est souvent utilisé à partir de la caractéristique I(V) pour qualifier la qualité d’une cellule ou d’un générateur PV : c’est le facteur de remplissage ou fil factor (FF). Il est illustré sur la Figure II.11. Ce coefficient représente le rapport entre la puissance maximale que peut délivrer la cellule notée Pmax et la puissance formée par le rectangle Icc*Voc. Plus la valeur de ce facteur sera grande, plus la puissance exploitable le sera également. Les meilleures cellules auront donc fait l’objet de compromis technologiques pour atteindre le plus possible les caractéristiques idéales.

Figure II.11- Notion de facteur de forme FF pour une cellule photoélectrique. Vco Le modèle électrique de la Figure II.8est facilement adaptable à tout logiciel de type circuit. Nous l’avons utilisé pour modéliser par exemple la caractéristique d’une cellule en silicium multi-cristallin à l’aide du logiciel de simulation électrique PSIM. Nous retrouvons en Figure II.11, les éléments du schéma électrique équivalent présenté précédemment. La résistance non-linéaire nous a servi à reproduire la caractéristique réelle d’une diode à jonction PN.

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Figure II.12.. Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire en silicium sous PSIM. Figure II.12.. Schéma électrique équivalent d’une cellule solaire en silicium sous PSIM. Grâce à ce montage simplifié, nous pouvons simuler les caractéristiques statiques d’une cellule photovoltaïque soumise à un ensoleillement et à une température constante donnés, quelle que soit sa technologie. Il suffit simplement de modifier les paramètres du modèle pour avoir les bonnes caractéristiques.

Caractéristiques électriques des photopiles : II.4.3-Caractéristiques II.4.3.1-Caractéristique Caractéristique CourantCourant Tension :

Figure II.13- Caractéristique CourantCourant Tension de photopile Avec, •

Icc [A] : courant de court-circuit court dû à l’éclairement E

•

Vco : tension en circuit ouvert. Pour créer un courant, on place des électrodes sur chacun des matériaux et on les relie

par un circuit électrique. Ces raccordements et leur fabrication provoqueront des effets

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résistifs parasites qui différencieront les caractéristiques réelles des cellules cellul de ce comportement théorique.

Figure II.14- Caractéristiques électriques des cellules et modules

Sous un éclairement donné, toute cellule photovoltaïque est caractérisée par une courbe courant-tension tension représentant l'ensemble des configurations électriques que peut prendre la cellule. Trois grandeurs physiques définissent cette courbe: •

Sa tension à vide : Vco. Cette valeur représenterait la tension générée par une cellule éclairée non raccordée.

•

Son courant court-circuit: circuit: Icc. Cette Cette valeur représenterait le courant généré par une cellule éclairée raccordée à elle-même. elle

•

Son point de puissance maximal: MPP (en ( anglais : maximal power point) obtenu pour une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appelés aussi Vmpp, Impp).

Figure II.15II.1 Caractéristiques courant-tension UHBCH

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Remarque : Pour permettre une comparaison de l’efficacité de différentes cellules, on définit ces caractéristiques dans des conditions de test bien précises (STC = Standard Test Conditions). Ces conditions sont : émission lumineuse de 1 000 W/m², température de 25 °C, conditions spectrales Air Mass 1.5 (composition du spectre identique au spectre solaire lorsqu’il traverse une épaisseur et demie d’atmosphère, ce qui correspond à un angle d’incidence de 41.8°° par rapport à l’horizontale). Actuellement, les cellules présentent des valeurs de l’ordre de 0.5V-3.5A-2.1 0.5V 2.1 Wc.

II.5- L’influence de l’éclairement et de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV : Dans le cas d’application solaire de cellules PV, les caractéristiques standard des cellules PV (puissance crête, Icc, Vco) sont indiquées dans le cas de tests de fonctionnement standard en laboratoire (STC) c’est à dire une répartition du rayonnement rayonnement de type solaire AM = 1,5, un rayonnement incident normal sur la cellule PV de 1 000 W / m², et une température de cellule à + 25 °C plus ou moins 2°C, la vitesse de l’air circulant autour de la cellule - environ à 2 m / s - n’est pas précisée car elle elle est prise en compte dans la température de la cellule. II.5.1/- L’influence de l'éclairement solaire sur le fonctionnement d’une cellule PV : La luminosité influence considérablement les performances des cellules.

Figure II.16- L’influence de l'éclairement solaire sur la cellule PV UHBCH

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Comme

le

montre

ce

graphique,

le

courant

de

court-circuit (Icc) court-

croît

proportionnellement avec l’éclairement, alors que la tension à vide (Vco) varie très peu (environ 0,5 V). Ainsi, au plus la couverture nuageuse est importante, au plus l’intensité du courant généré est faible.

II.5.2/- L’influence de la température sur le fonctionnement d’une cellule PV : La température a une influence considérable sur le comportement de la cellule et donc sur su son rendement. Cette influence se traduit principalement par une diminution de la tension générée (et une très légère augmentation du courant). Suivant les modèles, ce comportement induit, par degré, une perte de 0.5 % du rendement par rapport au rendement ent maximum de la cellule. On comprendra donc tout l’intérêt d’une ventilation correcte cte à l’arrière des panneaux .

Figure II.17- L’influence de température solaire sur la cellule PV La perte de tension d’un module ou d’une cellule peut peut être estimée par la formule suivante : U(T°) = U(25°C) + (∆T°*a)

(II.3)

Avec : •

∆T T : augmentation de température température par rapport aux conditions STC (25°C)

•

a : coefficient de température Voc [mV/K], valeur fournie par le fabriquant

II.6- Regroupement des cellules: cellules UHBCH

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Dans les conditions standardisées de test, la puissance maximale pour une cellule Si (silicium) de 100 cm² (10 sur 10) tourne aux alentours de 1,25 Watt. Cette cellule constitue donc un générateur de très faible puissance, insuffisant pour les applications électriques courantes. Les modules sont donc réalisés par association, en série et/ou en parallèle, par de cellules élémentaires. La connexion en série augmente la tension pour un même courant alors que la connexion en parallèle augmente le courant pour une tension identique. Pour que l'électricité générée soit utilisable pour nos applications électriques, électr il est donc nécessaire d’associer entre elles un grand nombre de cellules. Les modules (généralement présentés sous forme de panneaux) sont constitués d’un certain nombre de cellules élémentaires placées en série afin de rendre la tension à la sortie sorti utilisable. Ces modules sont ensuite associés en réseau (série-parallèle) (série parallèle) de façon à obtenir les tensions/courants désirés. II.6.1- Association en série: Par association en série (appelée "String"), les cellules sont traversées par le même courant et la tension résultante correspond à la somme des tensions générées par chacune des cellules

Figure II.18: II.1 Association en série de Ns cellules solaires Dans le cas ou un module défectueux existe au niveau de la chaîne série, il se comporte en tant que récepteur car tous les autres modules de la chaîne y dissiperont une partie importante de la puissance. Pour pallier à ce problème, on place des diodes de protection en parallèle avec chaque module, Ces diodes ne débitant qu’un très faible courant en fonctionnement normal, alors que si le module protégé se dégrade, la diode conduit et dévie le courant délivré par les autres modules (Figure ( II.19).

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Figure II.19:: Elimination de l'influence de la cellule défaillante, cas série II.6.2- Association en parallèle : Dans un tel montage, les modules doivent avoir la même tension de circuit ouvert et des courants de court circuit qui peuvent être différent .on aura donc un courant égal à la somme des courants de chaque module alors que la tension sera celle du module (Figure ( II.18).

Figure II.20:: Association en parallèle de Np cellules identiques Dans Le cas ou un module défectueux existe au niveau de la chaîne parallèle, les autres modules de la branche dissiperont de la puissance dans ce module. Pour remédier à ce problème, on place en série avec chaque module une diode polarisée en inverse et on ajoute une diode anti retour tour en série avec la branche des modules parallèles (figure19). (figure19

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Figure II.21- Elimination de l'influence de la cellule défaillante, cas en parallèle. II.6.3- Association mixte : Si pour une application donnée il est nécessaire de faire augmenter le courant et la tension délivrée par les cellules solaires, on réalise un groupement mixte ou groupement série parallèle. On parlera dans ce cas de module et de panneaux solaires. Un panneau solaire est par définition un ensemble de modules regroupés selon un montage mixte, le module étant à son tour composé d’un ensemble de cellules montés généralement en série. Il est possible d’utiliser un montage de NC cellules identiques en série sur un module, NSP nombre de branche (placées en parallèle) et NMS nombre de modules par branche La courbe de fonctionnement de cette association est une courbe semblable à celle de la cellule de base, obtenue en modifiant les échelles sur les deux axes. La puissance PM d’un module s’exprime en watt-crête et c’est par définition la puissance fournie par le module à sa charge optimale sous un éclairement de 1KW/m² et à une température de 28°C. La puissance totale disponible Pt, dans ces conditions, est égale à : PT = N MSNSPPM

(II.4)

La résistance optimale est donnée par : Ropt = (NMS/NSP) Roptm

(II.5)

Où Roptm est la résistance optimale du module dans les mêmes conditions.

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Figure II.22- Association mixte de NSP branches et de NMS module composés de NC cellules identiques. II.6.4- Les diodes de by-pass pass (protection) : Il arrive fréquemment que les cellules élémentaires qui composent le module ne présentent pas toutes la même courbe caractéristique au même moment. Les raisons peuvent être multiples : variété inévitable de fabrication, défaillance, différence d’éclairement ou de température (dues par exemple à un ombrage non uniforme du module, un encrassement,…). Sous certaines conditions, la cellule la plus faible peut alors se comporter comme une cellule réceptrice, eptrice, dissipant la puissance générée par la cellule la plus forte. Celle-ci Celle peut même être détruite si la contrainte ou la température tempé devient trop importante. Pour éviter ce phénomène, on place des diodes de by-pass by pass (empêchant tout courant ou tension inverses). Celles-ci ci sont placées en série lorsque les cellules sont connectées en parallèle et en parallèle lorsque les cellules sont connectées en série. Les modules aujourd’hui commercialisés comprennent généralement des diodes de protection situées en parallèle des différents strings qui le composent.

Figure II.23II. Les diodes de protection UHBCH

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L’utilisation de ces by-pass by pass induit néanmoins des perturbations de la courbe caractéristique, modifiant le point de puissance maximal du module :

Figure II.241-effet II. de diodes de protection

Pour ne pas induire inutilement ces pertes, il est donc très important que ces diodes de by-pass pass soient utilisées et placées en cohérence avec les ombres générées par l’environnement du module.

II.7-Les Les modules photovoltaïques : Le module photovoltaïque est un ensemble de cellules interconnectées entre elles pour obtenir le courant et la tension souhaités. Le module standard commercialisé, connectant 36 cellules cristallines en série pour des applications en 12 V, a généralement néralement une tension à vide supérieure à 20 V et le point optimal de fonctionnement est au voisinage de 16 V à 25 °C. Mais la température du module sous rayonnement est souvent supérieure à 40 °C, et les performances des cellules sont réduites. On compte en général par cellule une baisse de 2 mV/°C, soit 72 mV/°C pour les modules de 36 cellules. La tension du module tombe alors au alentours de 14 V ce qui est idéal pour la charge d’une batterie. II.7.1-Caractéristiques Caractéristiques nominales des modules PV :

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La tension de circuit ouvert mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, VCO (V) Volt. L’intensité de court-circuit mesurée aux bornes de la cellule PV aux conditions de fonctionnement standard, ICC (A) Ampère. Notes : Le rendement du module est le rendement d’une cellule diminué par les pertes dues aux connexions des cellules entre elles, à la transparence des matériaux d’encapsulation, et éventuellement à la chute de tension dans la diode « anti-retour » lorsqu’il faut protéger la batterie d’une éventuelle décharge nocturne.

II.8-Conclusion : Ce chapitre nous a permis d’explorer le principe de la conversion photovoltaïque et de voir la réaction des pv vis-à-vis la variation des paramètres.

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Système de poursuite du soleil

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III.1- Introduction : L’orientation des capteurs est un problème important dans l’utilisation des capteurs à rayonnement concentré. En effet, le principe même de la concentration suppose que le rayonnement parvienne à la surface réfléchissante dans une direction déterminée. Puisque la position apparente du soleil par rapport à un point de captation est constamment variable à l’échelle d’une journée, nous serons donc obligés de modifier constamment la position du concentrateur afin de suivre celle du soleil en utilisant un système de poursuite automatique.

III.2- Position du soleil par rapport à un observateur : L’énergie solaire que reçoit une surface est régie uniquement par des lois astronomiques et géométriques. Ces dernières faisant intervenir la latitude de lieu, la déclinaison solaire, l’heure du jour et enfin l’orientation de la surface réceptrice. La position du soleil dépend du temps solaire, du numéro du jour et de l’année, elle est exprimée par différents angles : III.2.1- Angle de zénith : C’est l’angle entre la verticale d’une surface est un rayon du soleil, il est donné par l’équation suivante :

78

cos