Tpe photovoltaique

Tpe photovoltaique

Introduction : Photovoltaique provient du grec « photo » qui signifie lumiere et de « volta » qui provient directement du nom du celebre physicien Allessandro Volta qui a contribue a la decouverte de l’electricite. Le photovoltaique est la transformation d’une partie de l’energie lumineuse en energie electrique. Depuis une quarantaine d’annees, le concept du photovoltaique est en plein essor grace a l’emploi de nouveaux materiaux. Tout au long de l’annee, les applications se font de plus en plus nombreuses et, de nos jours touchent un large secteur d’activite (meme si elles restent encore restreintes en France).

De nos jours, le solaire est plus que jamais synonyme de LIBERTE. Tout particulierement a notre epoque ou les hommes sont contraints d’utiliser des energies polluantes. Si nous voulons batir un monde plus propre, il faut faire en sorte que progressivement le « solaire » fasse partie integrante de notre vie, ayons l’intelligence de la saisir. Les panneaux photovoltaiques seraient-ils une solution pour subvenir a nos besoins domestiques en electricite tout en preservant l’environnement ? I- Petit historique

L’energie solaire est a l’origine du cycle de l’eau et des saisons, elle est donc indirectement a l’origine de richesses energetiques tels que le charbon, le petrole ou

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encore le gaz. L’energie solaire est utilisee depuis de nombreux siecles par exemple pour se chauffer. Depuis l’Antiquite, les hommes tentent de tirer profit de cette energie. C’est a cette epoque que jaillit l’idee d’une conversion de l’energie solaire en energie de pompage. On retrouve cette idee dans certains travaux de nombreux savants tels que Euclide, Archimede ou bien encore Heron d’Alexandrie.

Le developpement de ces techniques va s’etendre du Moyen-Age a la Renaissance avec l’ajout de verre dans certains prototypes ou bien encore l’etude des miroirs ardents ainsi que la construction de pompes solaires par Salomon de Caus. Mais l’effet photovoltaique a proprement parle n’a ete decouvert qu’en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel, qui s’est pose la question de savoir pourquoi certains materiaux faisaient des etincelles lorsqu’ils etaient exposes a la lumiere. Il a reussi a prouver qu’il s’agissait d’une conversion directe de la lumiere en energie electrique.

Mais malheureusement, a cette epoque, les appareils electriques n’existaient pas encore donc il n’y avait pas d’utilisations pratiques a cette decouverte. En 1905, Albert Einstein emet l’hypothese que la lumiere pouvait entrer a l’interieur des atomes, et que la collision entre les photons et les atomes pouvait faire sortir des electrons de leurs orbites et permettre ainsi la creation d’un courant electrique. Il faut attendre le XXeme siecle pour voir se developper aux Etats-Unis une serie de travaux et de realisations se rapportant a l’energie solaire.

Les laboratoires de Bell Telephone vont en 1954 mettre au point la premiere cellule photovoltaique de rendements acceptables (environ 6% de l’energie lumineuse convertie en energie electrique). Ce rendement sera par la suite augmente grace a la decouverte du fait que la photosensibilite du silicium pouvait etre augmentee en ajoutant des impuretes ; celui-ci atteindra vers 1960 15%. Lors de la course vers l’espace, les photopiles ont connu des progres et des ameliorations importantes. Car en effet, les photopiles sont une solution ideale pour l’alimentation en electricite des satellites.

En 1973, suite au choc petrolier, l’energie solaire subit un essor considerable. Au debut des annees 90, la prise de conscience des limites de l’electrification rurale conventionnelle (reseau cable), oblige les marches du photovoltaique a s’ouvrir afin d’atteindre les campagnes de facon plus rentable. En ce qui concerne l’Europe, celle-ci n’est pas en reste : 6centrales de plus de 300kW sont actuellement en fonctionnement. La plus grande de ces centrales 3MW, se trouve en Italie a Delphos. II- Les differentes cellules photovoltaique, principe de fonctionnement et rendements Vue generale d’un panneau solaire Vue detaillee d’un panneau solaire

Suivant leur structure cristalline, on distingue trois categories de cellules solaires. Les cellules solaires sont composees de semi-conducteurs utilises lors de la fabrication de puces informatiques. Ces semi-conducteurs transforment la lumiere en electricite. Un courant continu est ainsi produit et peut etre transforme, au moyen d’un onduleur, en courant alternatif et peut etre donc ainsi directement injecte dans le reseau d’electricite public. En general, les semi- conducteurs sont composes de silicium, l’un des elements les plus presents sur la planete. Pour fonctionner, une cellule photovoltaique a besoin de lumiere.

La lumiere du soleil est constituee d’une infinite de radiations electromagnetiques qui se propagent par ondes. La decomposition de cette lumiere blanche dans l’arc-en-ciel, ou par un prisme nous montre seulement la partie visible du spectre lumineux. Mais l’onde lumineuse vehicule aussi des « grains d’energie » appeles photons. Mais ce n’est pas tout, il faut aussi doper les plaques de silicium, c’est-a-dire creer une face N riche en electron et une face P pauvre en electrons. La surface de separation s’appelle la jonction. Au voisinage de cette jonction le phenomene est complexe.

Pour simplifier, la jonction constitue une « barriere » empechant les electrons de la face N d’aller vers les electrons de la face P. •Si l’on introduit des atomes de phosphore ayant 5 electrons de valence, 4 electrons de l’atome forment des liaisons avec l’atome de silicium et il en reste 1 qui pourra assurer la conduction. C’est un dopage de type (N) N comme negatif car la conduction se fera par les electrons supplementaires. •Si l’on introduit des atomes de bores ayant 3 electrons de valence, 3 electrons de l’atome forment des liaisons avec l’atome de silicium et il y a un « manque » d’electron que l’on appelle trou positif.

Des electrons de valence peuvent venir occuper ces trous, en liberant eux- memes des places pour assurer la conduction. C’est un dopage de type (P) P comme positif car la conduction se fera par des trous. Quand le flux de photons arrive sur les cristaux, de l’energie est absorbee. On genere des porteurs de charge au voisinage de la jonction : une difference de potentiel apparait entre les deux faces de la cellule ; c’est l’effet photovoltaique. A) Les cellules monocristallines

Ces cellules sont composees d’un seul cristal divise en deux plaques ultrafines, dopees et connectees entre elles. Elles permettent d’obtenir de hauts rendements, de l’ordre de 15 a 20%. Ces cellules monocristallines souffrent neanmoins de deux inconvenients. Premierement, leur prix reste eleve et deuxiemement, la duree d’amortissement energetique reste eleve (c’est-a-dire le temps durant lequel une cellule solaire doit produire de l’energie pur « rembourser » l’energie necessaire a sa production. Cette duree peut aller jusqu’a 7 ans B) Les cellules polycristallines

Ces cellules ressemblent beaucoup aux cellules monocristallines, mais sont composees d’un agglomerat de cristaux et non pas d’un seul cristal pur, des lors les plaques sont heterogenes et les rendements un peu plus faibles, de l’ordre de 10 a 15%. Le seul avantage est que sa production necessite moins d’energie et son prix d’achat plus bas. C) Les cellules amorphes On parle de cellules amorphes ou a couches fines lorsque la couche de silicium ne depasse pas les 1 um (epaisseur d’un cheveu humain 50 a 100 um). La production est peu couteuse grace a de moindre frais en materiaux.

En revanche, le rendement des cellules amorphes est largement inferieur a celui des autres types de cellules. Les cellules amorphes sont generalement utilisees dans des appareils portables (montre, calculatrice…) ou comme elements de facade. III- Calcul theorique de la production d’energie grace aux cellules photovoltaiques Calcul de la reception d’energie solaire par la Terre Puissance P recue par la Terre en 24 heures P=SxC P, puissance recue par la Terre en W C, constante solaire en W/m? (c=600 W/m? ) S, surface de la Terre en m? (S=5210 066E9 m? )

P=5210 066 E9x600 P=2,9583828E17 W La Terre recoit donc 2,9583828E17 W en une journee. Or, le monde consomme 17000TWh soit environ 6,12E19W On constate donc que l’energie solaire brute recue par la Terre ne suffirait pas a la consommation mondiale en energie, le monde demanderait plus qu’il ne peut recevoir, il est donc impossible de subvenir au besoin mondial electrique en comptant uniquement sur l’energie solaire. Calculons maintenant ce que pourrait produire le monde grace au photovoltaique : Admettons qu’une cellule de 1m? produise 600W soit 600W/m?.

La surface terrestre dans le monde represente 148 429 000 km?. Retirons les surfaces inexploitables : • Les terres arables, 10,1% de la superficie soit environ 14 991 329 km? • Les forets qui representent une superficie de 38 700 000 km? Il reste donc une superficie exploitable (theorique) de 94 737 671 km?. Soit une puissance de 94 737 671x 600=5. 684E10 W Le photovoltaique nous permettrait donc de produire 5. 684E10 W Ce deuxieme calcul permet donc de conclure que l’energie solaire est une solution partielle au besoin mondial en energie. IV- Avantages et limites

Avantages : L’energie solaire peut etre utilisee dans de nombreuses regions, notamment les regions equatoriales ou tropicales, ou les rayons arrivent perpendiculairement aux cellules. Il n’ont pas de pieces mobiles et sont donc ainsi appropries aux regions isolees. Les couts de fonctionnement sont faibles, les entretiens sont reduits et les panneaux ne necessitent ni combustibles, ni transports, ni personnel. Inconvenients : La nuit, il n’y a plus de lumiere, il faudrait donc prevoir un systeme de stockage comme un condensateur, ce qui represente un cout eleve

Le prix d’achat des panneaux solaires en France est l’un des plus eleve en Europe (car pas interessant financierement pour l’etat). Le rendement des cellules photovoltaiques reste tres faible (entre 10% et 15%). V- Conclusion : De nos jours, les energies renouvelables prennent un essor considerable. D’apres nos series d’experiences et nos calculs, nous pouvons conclure que l’energie solaire est solution partielle au besoin mondial en energie. De plus, nous avons montre que le soleil ne pouvait fournir l’energie necessaire pour repondre a la demande mondiale.

C’est pourquoi, dans l’optique d’un developpement de la technologie du photovoltaique, son prix devra baisser et surmonter des contraintes techniques et naturelles pour se developper partout dans le monde. Mais le monde est-il pret a faire cet effort ? Nous avons donc reussi a mener notre TPE a son terme et de nous instruire sur ce sujet passionnant. SOMMAIRE Introduction I) Petit historique II) Les differentes cellules photovoltaique, principe de fonctionnement et rendements III) Calcul theorique de la production d’energie grace aux cellules photovoltaiques IV) Avantages et inconvenients V) Conclusion Bibliographie