Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire
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A. Introduction
1. Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire.
Les sources d’énergie conventionnelles telles que le nucléaire ou les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont issues de stocks limités de matières extraites du sous-sol de la terre. Chacune d’elles provoque dans leurs utilisations des conséquences à long terme plus ou moins importantes sur l’environnement et qui tendent à être mieux maitrisées: pollution atmosphérique, changement climatique, contamination radioactive.... A l’opposé, les sources d’énergie renouvelables ont recours à des flux naturels qui traversent de façon plus ou moins permanente la Biosphère. Si il est utilisé qu’une infime partie de ces flux, alors ces énergies resteront inoffensives pour l’environnement naturel aussi bien localement que globalement. Toutes les énergies renouvelables sont issues directement ou indirectement du soleil. Son rayonnement direct peut être utilisé de deux manières : • sa chaleur peut être concentrée pour chauffer de l’eau sanitaire, des immeubles, des séchoirs, ou bien un liquide en circulation afin de produire de l’électricité par l’intermédiaire d’un alternateur ou d’une dynamo. C’est le solaire thermique. • sa lumière peut être transformée directement en courant électrique grâce à l’effet photovoltaïque L’énergie solaire qui touche la terre représente en tout environ 1 540 1015 kWh/an (1 540 péta kWh/an). C’est 15 000 fois plus que la consommation d’électricité mondiale.Il faut évidement prendre en compte l’ensoillement local ainsi que les performences des systèmes de conversion de l’énergie solaire par panneau photo voltaique (PV).
Figure 1 : Besoin énergétique et énergie disponibles issues de différentes ressources
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Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire L’étude qui vous est proposéea pour objectif de mettre en évidence les performances de l’ensemble des éléments constituants une chaine de production d’électricité basée sur des capteurs photovoltaïques puis de les monter pour simuler une installation complète par exemple celle d’un pavillon de vacances qui comporte différents besoins électriques. Page | 2
Figure 2 : Schéma d’un système PV
2. Eléments du rayonnement solaire
Il faut noter que la cellule photovoltaïque (PV), n’est pas une pile, mais un convertisseur instantané d’énergie, qui ne pourra fournir une énergie sous forme électrique que s'il reçoit une énergie sous forme de rayonnement. La cellule solaire ne peut être assimilée à aucun autre générateur classique d'énergie électrique de type continu. Ceci est dû au fait qu'elle n'est ni une source de tension constante ni une source de courant constant. Actuellement, le rendement de conversion d'énergie solaire en énergie électrique est encore faible (souvent inférieur à 12 %). Sous un ensoleillement nominal de 1000 W/m2, il faut environ 9 m 2 de panneaux PV sont nécessaires pour fournir 1 kWc, ce qui induit un coût élevé du watt crête. Ce rendement faible ainsi que le coût élevé de la source photovoltaïque ont incité les utilisateurs à exploiter le maximum de puissance électrique disponible au niveau du générateur PV. Ce maximum est généralement obtenu en assurant une bonne adaptation entre le générateur PV et le récepteur associé. Cette adaptation est effectuée à l'aide de convertisseurs statiques basés sur différents modes de fonctionnement. a) Spectre du rayonnement solaire. Constante solaire et « valeur du Soleil »
La production d'électricité photovoltaïque dépend de l'ensoleillement du lieu et de la température, donc de sa localisation géographique, de la saison et de l'heure de la journée Le rayonnement solaire permet la vie sur Terre et détermine le climat. Du fait du flux d’énergie existant à l’intérieur du Soleil, la température à la surface avoisine les 5800 K. Le spectre du rayonnement solaire s’avère donc similaire à celui d’un corps noir de 5800 K. On appelle constante solaire l’éclairement énergétique du Soleil sur l’atmosphère extérieure lorsque le Soleil et la Terre se trouvent distants d’une UA – une UA (unité astronomique) est la distance séparant la Terre du soleil, soit 149 597 890 km. Les valeurs actuellement admises sont proches de 1360 W/m-2. La constante solaire désigne l’éclairement intégré total sur la totalité du spectre (Figure 3).
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Figure 3: Spectre de rayonnement à l’extérieur de l’atmosphère terrestre comparé au spectre d’un corps noir à 5800 K.
L’éclairement qui traverse l’atmosphère terrestre varie chaque année d’environ 6,6 % en raison de la variation de distance entre la Terre et le Soleil. Les variations de l’activité solaire provoquent des modifications de l’éclairement pouvant aller jusqu’à 1 %. Le spectre du rayonnement solaire à la surface de la Terre est constitué de différents éléments (Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Le rayonnement direct provient directement du Soleil, tandis que le rayonnement diffus est diffusé par le ciel et le milieu extérieur. Un autre rayonnement encore est réfléchi par le milieu extérieur (la terre ou la mer) en fonction de l’albédo local (rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface à l'énergie solaire incidente). Le rayonnement terrestre total est appelé rayonnement global. Il convient en ce qui concerne l’éclairement global de définir la direction de la surface cible.
Figure 4: Rayonnement global total au niveau du sol et ses composantes directes, diffuses et réflectives.
L’intégralité du rayonnement qui atteint le sol traverse l’atmosphère, ce qui modifie le spectre en raison des phénomènes d’absorption et de diffusion. L’oxygène et l’azote atomiques et moléculaires absorbent le rayonnement de très courte longueur d’onde, faisant effectivement obstacle au rayonnement aux longueurs d’onde de
