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Centrales photovoltaquesGuide pour le dimensionnement et la ralisation de projetsA lusage des bureaux dingnieurs

Le secteur conomique du photovoltaque se partage entre les petitesinstallations pour lalimentation de consommateurs isols et lesinstallations plus importantes qui sont la prfiguration des centralesphotovoltaques de demain et pourraient couvrir 10% de la consom-mation dlectricit en Suisse au dbut du 21e sicle.

Cest plus particulirement lusage des bureaux dingnieurs et des

entreprises qui auront tudier, construire et exploiter de tellescentrales lectriques que sadresse ce cours qui comporte, en plusdes bases thoriques ncessaires, une analyse des diffrentesdispositions possibles, un guide pour la conduite de projet et unchapitre consacr au dimensionnement avec prsentation dunouveau logiciel PVSYST dvelopp par l'Universit de Genve dansle cadre dune recherche finance par lOffice fdral de l'nergie.

Les deux types de centrales photovoltaques, autonomes et rac-cordes au rseau, sont tudis dans le cadre de ce cours qui rserveune place importante lintgration architecturale des modulesphotovoltaques.

ISBN 3-905232-26-X

1996, 252 pagesN de commande 724.243 f

Note:La structure de ce document diffre de celle de la version originale en langueallemande constitue du manuel PACER N 724.243 d, Photovoltaik-Planungsunterlagen fr autonome und netzgekoppelte Anlagen, complt dumanuel Photovoltaik, Strom aus Sonnenlicht fr Inselanlagen undVerbundnetz, publi chez AT Verlag.

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Centrales photovoltaquesGuide pour le dimensionnement

et la ralisation de projets

A lusage des bureaux dingnieurs

Centrales photovoltaques Guide pour le dimensionnement et la ralisation de projets

Programme d'action PACER Energies renouvelablesOffice fdral des questions conjoncturelles

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Associations de soutien

ABTIE Association des bureaux techniquesd'ingnieurs en lectricit

ASE Association suisse des lectriciensOFEL Office d'lectricit de la Suisse

romandePROMES Association des professionnels

romands de l'nergie solaireSIA Socit suisse des ingnieurs et des

architectesUCS Union des centrales suisses

d'lectricitUTS Union technique suisse


Rpertoire des auteurs

Chapitres 1, 5, 6, 7, 10 Jean-Marc Cottier, ing. EPFZ, 1200 Genve

Chapitres 2, 4, 9 Andr Mermoud, Dr phys., GAP Universit

de Genve, 1200 Genve

Chapitres 3, 8 Michel Villoz, ing. EPFL,1170 Aubonne

Chapitre 10 Jean Graf, EPFL-DA-ITB-LESO,1015 Lausanne

Avec des contributions de: Pierre Reichenbach, ing. ETS, ABTIE,

1205 Genve Moreno Sella, adjoint scientifique, OCEN,1211 Genve

Pascal Affolter et Jack Bonvin, ing. EPFL,EPFL-DA-ITB-LESO, 1015 Lausanne

Correcteur Jean-Claude Scheder, 1038 Bercher

Mise en page, photocomposition et flaschage DAC, 1006 Lausanne City Comp SA, 1110 Morges

Direction du projet et coordination

Jean Graf, EPFL-DA-ITB-LESO, 1015 Lausanne

Copyright 1996 Office fdral des questions conjonc-turelles, 3003 Berne, juin 1996.Reproduction d'extraits autorise avec indication de lasource.Diffusion: Coordination romande du programme d'actionConstruction et nergie EPFL-LESO, Case postale 12,1015 Lausanne (N de commande 724.243 f).

ISBN 3-905232-26-X

Form 724.243 f 6.96 800 xxxx

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Dune dure totale de 6 ans (1990-1995), le Programme dactionConstruction et Energie se compose des trois programmes dimpul-sions suivants:PI-BAT Entretien et rnovation des constructionsRAVEL Utilisation rationnelle de llectricitPACER Energies renouvelables

Ces trois programmes dimpulsions sont raliss en troite collabo-ration avec lconomie prive, les coles et la Confdration. Ils doi-vent favoriser une croissance conomique qualitative et, par l,

conduire une plus faible utilisation des matires premires et delnergie, avec pour corollaire un plus large recours au savoir-faire et la matire grise.

Jusquici, si lon fait abstraction du potentiel hydrolectrique, lacontribution des nergies renouvelables notre bilan nergtique estngligeable. Aussi le programme PACER a-t-il t mis sur pied afinde remdier cette situation. Dans ce but le programme cherche: favoriser les applications dont le rapport prix/performance est le

plus intressant; apporter les connaissances ncessaires aux ingnieurs, aux

architectes et aux installateurs; proposer une approche conomique nouvelle qui prenne en

compte les cots externes; informer les autorits, ainsi que les matres de louvrage.

Cours, manifestations, publications, vidos, etc.

Le programme PACER se consacre, en priorit, la formation conti-nue et linformation. Le transfert de connaissances est bas sur lesbesoins de la pratique. Il sappuie essentiellement sur des publica-tions, des cours et dautres manifestations. Les ingnieurs, archi-tectes, installateurs, ainsi que les reprsentants de certaines branchesspcialises, en constituent le public cible. La diffusion plus largedinformations plus gnrales est galement un lment important

du programme. Elle vise les matres de louvrage, les architectes, lesingnieurs et les autorits.

Le bulletin Construction et Energie, qui parat trois fois par an, four-nit tous les dtails sur ces activits. Ce bulletin peut tre obtenu gra-tuitement sur simple demande. Chaque participant un cours ouautre manifestation du programme reoit une publication spciale-ment labore cet effet. Toutes ces publications peuvent galementtre obtenues en sadressant directement la Coordination romandedu programme daction Construction et Energie EPFL-LESO, Casepostale 12, 1015 Lausanne.

Comptences

Afin de matriser cet ambitieux programme de formation, il a t faitappel des spcialistes des divers domaines concerns; ceux-ci


Avant-propos

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appartiennent au secteur priv, aux coles ou aux associations pro-fessionnelles. Ces spcialistes sont pauls par une commission quicomprend des reprsentants des associations, des coles et desbranches professionnelles concernes.

Ce sont galement les associations professionnelles qui prennent encharge lorganisation des cours et des autres activits. Pour la pr-paration de ces activits une direction de programme a t mise enplace; elle se compose du Dr Jean-Bernard Gay, du Dr Charles Filleux,de M. Jean Graf, du Dr Arthur Wellinger ainsi que de Mme IrneWuillemin et de M. Eric Mosimann. La prparation des diffrentesactivits se fait au travers de groupes de travail, ceux-ci sont respon-sables du contenu de mme que du maintien des dlais et des bud-gets.

Documentation

Le cours comprend les bases thoriques et les directives relatives auxdiffrentes phases de la ralisation dune centrale photovoltaque. Laprsente publication sert de document didactique de base et com-prend galement certains outils de travail qui faciliteront la miseen uvre dun projet: la bibliographie, la fin de chaque chapitre, permet de consulter

les documents cits et dapprofondir la question; le glossaire prsente les termes nouveaux et donne leur dfinition

exacte ; les annexes comportent des documents de rfrence quil est bon

de consulter, tout en sassurant quil nexiste pas de nouvelledition;

le logiciel et son manuel dutilisation reprsentent un puissant outilde calcul, mais aussi une bibliothque de composants dynamique,pouvant tre mise jour au fur et mesure de lapparition denouveaux produits.

La mise en page est are et comporte une large marge permettantaux participant au cours de noter leurs remarques personnelles.

Le prsent document a fait lobjet dune procdure de consultation, ila galement t soumis lapprciation des participants au premiercours pilote. Ceci a permis aux auteurs deffectuer les modificationsncessaires, ceux-ci tant toutefois libres de dcider des correctionsquils souhaitaient apporter leur texte. Dans ce sens ils assurent

lentire responsabilit de leurs textes. Des amliorations sont encorepossibles et des suggestions ventuelles peuvent tre adresses soitau directeur du cours, soit directement auprs de lOffice fdral desquestions conjoncturelles.

Pour terminer nous tenons remercier toutes les personnes qui ontcontribu la ralisation de la prsente publication.

Office fdral des questions conjoncturellesService de la technologieDr B. Hotz-HartVice-directeur


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1. Introduction 71.1 Le dveloppement du photovoltaque 91.2 Le potentiel du photovoltaque en Suisse 91.3 Les centrales photovoltaques 101.4 La structure du cours 10

2. Rayonnement incident 132.1 Gomtrie solaire 15

2.2 Energie du soleil 192.3 Rayonnement horizontal 232.4 Rayonnement sur un plan inclin 272.5 Evaluations pratiques 29

3. Gnrateur solaire 373.1 Effet photovoltaque 393.2 Technologie des cellules photovoltaques 483.3 Caractristiques des cellules photovoltaques 593.4 Structure d'un panneau photovoltaque 623.5 Champ photovoltaque 673.6 Dangers du courant continu 74

4. Onduleurs pour le rseau 794.1 Installations autonomes et rseau 814.2 Caractristiques des onduleurs 814.3 Spcifications du rseau et de l'environnement lectromagntique 834.4 Principes de fonctionnement 914.5 Prcautions de montage 96

5. Centrales photovoltaques raccordes au rseau 995.1 Principe de raccordement 1015.2 Elments d'une installation 1025.3 Protection et scurit 106

5.4 Dispositif de mesures 111

6. Types de centrales photovoltaques 1136.1 Analyse typologique 1156.2 Analyse conomique de l'intgration 1186.3 Construction sur le terrain 1206.4 Construction rapporte sur btiments 1216.5 Construction intgre au btiment 1276.6 Centrales hybrides 1296.7 Centre de dmonstration 131

7. Conduite du projet 1337.1 Planification 1357.2 Normes et prescriptions 139


Table des matires

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7.3 Autorisations et procdure 1397.4 Subventionnement 1417.5 Tarification 142

8. Installations autonomes 1478.1 Systmes 1508.2 Gnrateurs 1518.3 Batteries 1538.4 Rgulateurs 1608.5 Onduleurs 1648.6 Consommateurs 1668.7 Dimensionnement 174

9. Dimensionnement et mesures 1819.1 Prdimensionnement 1839.2 Dimensionnement dtaill 187

9.3 Contrles la rception de l'installation 2009.4 Mesures en exploitation 202

10. Arguments conomiques, cologiques, nergtiques 20910.1 Calcul conomique 21110.2 Cots externes et surcots inventoris du prix de l'nergie 21510.3 Rponses certaines critiques 22410.4 Potentiel conomique du photovoltaque 228

Glossaire 231

Adresses utiles 241

Liste des publications et vidos du programme d'action PACER 243


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1. Introduction

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1. Introduction

1.1 Le dveloppement du photovoltaque 9

1.2 Le potentiel du photovoltaque en Suisse 9

1.3 Les centrales photovoltaques 10

1.4 La structure du cours 10

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1.1 Le dveloppement duphotovoltaque

Les cots dinstallation pour la production dnergie lectrique dori-gine solaire nont pas encore atteint le niveau des cots des autresproducteurs qui alimentent les rseaux. De ce fait, le cot de pro-duction du kWh est encore suprieur au prix moyen de llectricit enEurope.

Il en rsulte que le photovoltaque sest principalement dveloppjusqu maintenant par lacquisition de petites parts de march, ouniches conomiques. Il sagissait principalement de lalimentationde consommateurs isols, non raccords au rseau, pour lesquelslalternative photovoltaque tait conomiquement intressante. Laplupart de ces installations concernent des consommateurs relative-ment modestes, tels que chalets de week-end, cabanes de clubsalpins, relais hertziens, stations de pompage, signalisation routire etferroviaire, etc. Leur puissance photovoltaque installe varie entrequelques dizaines et quelques centaines de watts, et le stockageseffectue habituellement avec des batteries.

Il nen va plus de mme depuis que des proccupations touchant

la protection de lenvironnement et la conservation des ressourcescommencent intervenir dans le choix des techniques et des ner-gies de demain. Lnergie photovoltaque est potentiellement unesource dnergie inpuisable et relativement plus acceptable pournotre environnement. En outre, lvolution des cots long terme, la hausse pour les nergies non renouvelables et la baisse pour lephotovoltaque, en fera un partenaire concurrentiel pour alimenter lesrseaux dans quelques annes.

Il nen faut pas davantage pour que les autorits responsables et lesorganisations professionnelles intresses sefforcent dj de prvoirle dveloppement de cette nouvelle source dnergie par des pro-grammes dencouragement et des cours de formation.

Cest dans ce cadre que se situe actuellement un march pour unenouvelle forme de gnrateurs photovoltaques raccords au rseau,qui sont la prfiguration des centrales photovoltaques de demain, etdont la puissance installe varie entre quelques kW et quelques cen-taines de kW.

1.2 Le potentiel du photovoltaque enSuisse

LOffice fdral de lnergie (OFEN) a publi deux tudes qui mon-trent que les installations photovoltaques peuvent couvrir environ10% de la consommation lectrique de la Suisse.

1. Introduction

9

1. Introduction

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Les surfaces ncessaires se trouvent sur les immeubles, les parkingsou le long des voies ferres et des autoroutes. Vu la croissance dumarch, la fabrication des gnrateurs photovoltaques et des ondu-leurs prendra une telle ampleur que lon peut sattendre dimpor-tantes rductions de prix. Par sa nature mme, le photovoltaque aura

des retombes conomiques sur de nombreux secteurs de lcono-mie suisse; mais, en revanche, son implantation sera lente. Il est vrai-semblable que trente quarante annes seront ncessaires pourconstruire les centaines de milliers de petites centrales photovol-taques qui, ensemble, fourniront les 10% de notre consommationdlectricit. Cest une des raisons pour lesquelles lindustrie et lco-nomie doivent tre aides au dbut de ce dmarrage, mais cest aussiloccasion de sinvestir dans cette industrie davenir.

1.3. Les centrales photovoltaques

Une centrale photovoltaque de 500 kW occupe une surface de cap-tage denviron 4500 m2. Selon la disposition des modules cela repr-sente une surface au sol qui peut varier entre 4000 m2 et 20000 m2.En faade on peut mme dire que lemprise au sol est nulle, mais lasurface quiper reste importante. Cette particularit de la produc-tion dnergie photovoltaque est un lment dterminant de tout pro-jet photovoltaque.

La ralisation dune telle installation fait appel des techniques, et des corps de mtiers trs diffrents; en particulier lorsque les l-ments de captage sont intgrs lenveloppe mme du btiment.

La liaison au rseau implique en outre un rapport nouveau avec lasocit distributrice dlectricit, lequel doit tre ngoci dans lecadre du projet.

Enfin, le matre douvrage attend non seulement une ralisation tech-niquement parfaite, mais aussi une rentabilit conomique quirponde ses prvisions.

Il rsulte de ces particularits que la ralisation dune centrale pho-tovoltaque est un projet assez complexe qui demande, au-del de laralisation technique, une attention particulire dans lorganisationdu chantier, les dmarches pralables et les calculs conomiques. Onpeut dire par exprience que la russite dun tel projet dpend en par-tie dune bonne dfinition des mandats de chaque partenaire et de ladsignation dun seul responsable.

1.4 La structure du cours

Destin avant tout des ingnieurs de bureaux dtudes ou dentre-prises ayant en charge la ralisation dune centrale photovoltaque,ce cours ne comporte pas dexercice de construction effective commecest le cas dans le prcdent cours PACER Gnrateurs photovol-taques (N 724.242 f) destin aux installateurs-lectriciens.

Il comprend en premire partie les bases ncessaires la compr-hension de la physique du rayonnement solaire et au fonctionnementdes lments dun systme photovoltaque (chapitres 2, 3 et 4).

1. Introduction

10

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Il aborde ensuite la thorie des installations autonomes (chapitre 8)et couples au rseau (chapitre 5).

En troisime partie il apporte une analyse des diffrents types de dis-position des lments de captage (chapitre 6) ainsi quun guide pour

la conduite du projet (chapitre 7).

Le dimensionnement fait lobjet dun chapitre dtaill avec la pr-sentation du nouveau logiciel PVSYST dvelopp par l'Universit deGenve dans le cadre dune recherche finance par lOFEN (cha-pitre 9).

Le dernier chapitre (chapitre 10) rassemble en guise de conclusionquelques considrations de politique nergtique qui peuvent treutiles pour la dfense dun projet photovoltaque dune certaineimportance.

1. Introduction

11

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2. Rayonnement incident

13


2.1 Gomtrie solaire 152.1.1 Le systme terre-soleil 152.1.2 Trajectoire du soleil 162.1.3 Temps solaire temps lgal 18

2.2 Energie du soleil 192.2.1 Energie renouvelable 192.2.2 Rayonnement extraterrestre 202.2.3 La masse dair 202.2.4 Rayonnements direct et diffus 212.2.5 Spectre du rayonnement 22

2.3 Rayonnement horizontal 232.3.1 Mesures densoleillement 232.3.2 Donnes mtorologiques en Suisse 242.3.3 La base de donnes Mtonorm 242.3.4 Corrections des donnes mto 252.3.5 Gnration de donnes synthtiques 262.3.6 Modle de rayonnement diffus 26

2.4 Rayonnement sur un plan inclin 272.4.1 Dfinitions gomtriques 272.4.2 Modle de transposition 27

2.5 Evaluations pratiques 292.5.1 Rayonnement horizontal 292.5.2 Rayonnement dans le plan capteur 302.5.3 Ombrages 35

Rfrences 36

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Ce chapitre doit nous amener valuer prcisment le poten-tiel nergtique quon peut attendre du rayonnement solairedans un lieu et pour une installation donns. Aprs la go-mtrie solaire, nous verrons lorigine et la structure de lner-gie qui nous vient du soleil. Les donnes mtorologiquesdterminent lnergie disponible pour le plan horizontal; ellesdoivent tre transposes dans le plan inclin des capteurs,en tenant compte de divers effets perturbateurs tels quelhorizon, les rflexions du sol et les ombrages dobjetsproches ventuels.

Logiciels utiliss

Une grande partie des informations de ce chapitre pourront tre illus-tres par le logiciel PVSYST. En particulier, les calculs de gomtriesolaire, angles dincidence, modle de rayonnement pour un cielclair, effets dincidence, ombrages de sheds, etc, pourront tre visua-liss ou tabuls pour nimporte quel lieu terrestre. PVSYST contientune bibliothque de donnes mto pour 22 stations suisses et per-met de visualiser les donnes sous forme de tables et graphiquesdivers.

Le logiciel METEONORM95 fournit des donnes mtorologiquesstandard pour nimporte quelle commune de Suisse et quelques siteseuropens [5].

2.1 Gomtrie solaire

2.1.1 Le systme terre-soleil

Le soleil est une sphre de matire gazeuse, compose principale-ment dhydrogne et dhlium, dont le diamtre atteint environ1.4million de km.

La terre dcrit autour du soleil une trajectoire lgrement elliptique

dont le soleil occupe lun des foyers (cf. figure 2.1). Sa distancemoyenne est de 149.6 millions de km, avec une variation de 1.7%.La terre traverse le grand axe de lellipse le 2 janvier (position la plusproche) et le 2 juillet (la plus loigne du soleil). Depuis la terre, lediamtre apparent du soleil est vu sous un angle de 0.5.

Laxe de rotation de la terre sur elle-mme est inclin de 23 27parrapport au plan de lcliptique (plan de lorbite terrestre). On appelledclinaison langle form par laxe terre-soleil avec le plan de lqua-teur un moment donn de lanne. La dclinaison vaut donc+ 2327au solstice dt, 2327au solstice dhiver, et est nulle auxquinoxes. Dans lapproximation dune trajectoire circulaire, la dcli-naison scrit, pour chaque jour de lanne:

sin 0.4 sin t,

o t dsigne la coordonne angulaire de la terre en prenant lqui-noxe de printemps pour origine.


15

PVSYST:gomtrie solaire22 stations suisses


METEONORM95:donnes mto standard

Trajectoire de la terre

Plan de l'cliptiqueDclinaison

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2.1.2 Trajectoire du soleil

Toute application solaire ncessite la connaissance du mouvementapparent du soleil pour un point donn de la surface terrestre, carac-tris par sa latitude (positive pour lhmisphre Nord) et salongi-tude (dfinie par rapport au mridien de Greenwich, positivementvers lest).


16

Figure 2.1Plan de lcliptique:

lorbite terrestre et les saisons

Lieu gographique:latitude et longitude

Figure 2.2

Trajectoires apparentes du soleilvuespar un observateur terrestre: pour unjour donn, le soleil dcrit un cercle

centr sur laxe de rotation de laterre, dplac un angle

par rapport au plan parallle lquateur

Equinoxe de printemps

Equinoxe dautomne

Vue de profilVue de profil Solsticed'hiver

Solsticed't

Hive

r

Grandaxe

Lignedesa

psidesou

Et

Autom

ne

Print

emps

Equinoxes

Solsticed'hiver

Horizon

Solstice

d't Parallle l'axe de rotation

Lat. 46

Parallle au

plan de l'quateur

23.5

23.5

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Pour un observateur terrestre, en considrant la dclinaison commeconstante sur une journe, le soleil dcrit un cercle autour de laxede rotation de la terre (figure 2.2). Ce cercle est parallle au plan delquateur, et sa hauteur apparente sur ce plan est donne par ladclinaison.

Au cours de la journe, linstant o le soleil passe par le mridien dulieu de lobservateur cest--dire o il est au sud dans notre hmi-sphre est le midi vrai. Pour un instant quelconque, langlehoraire AHest langle, projet sur le plan de lquateur, entre le soleilet le midi vrai ; il vaut 15 par heure (360/ 24h).

La position du soleil est dfinie par deux angles: sa hauteurHS langle entre le soleil et le plan horizontal du lieu et son azimutAZ langle avec la direction du sud, compt ngativement vers lest(sens antitrigonomtrique dans lhmisphre Nord) (figure 2.3).

Le calcul de la position du soleil est fonction de la dclinaison (soitle jour de lanne), la latitude et langle horaire ; il est effectu laidedes expressions suivantes:

On pourra tirer de nombreuses valeurs remarquables de ces deuxexpressions. Par exemple, lheure du lever du soleil est donn par lacondition HS = 0, soit:

cos AH = - tg LAT tg.

Ou encore: la hauteur maximale du soleil ( midi solaire):HSmax = 90 - LAT + ,

soit, pour Genve (46.2 de latitude), HSmax = 67.3 au solstice dtet 20.3 en hiver.

sin HS = sin LAT sin + cos LAT cos cos AHsin AZ = cos sin AH/cos HS


17

Figure 2.3Dfinition de la position du soleil

Angle horaire

Positions du soleil:hauteur et azimut

Znith

HS

AZ

Est

Ouest

Sud

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2.1.3 Temps solaire temps lgal

La dure du jour est dfinie par le passage du soleil la verticale dunmridien donn, correspondant un tour de la terre sur elle-mme,augment de larc dcrit autour du soleil durant la journe. Cepen-dant, lcart entre deux passages nest pas strictement constant aucours de lanne, pour les deux raisons suivantes: lorbite de la terre est elliptique, et larc parcouru diffre selon la

loi des aires de Kpler. Cette contribution suit un comportementsinusodal damplitude 7.8 minutes;

lobliquit de laxe de rotation induit une seconde correction, ayant

lallure dune sinusode avec une priode de 6 mois, et uneamplitude de 10 minutes.

La composition de ces deux corrections, appele quation dutemps ET, est trace sur la figure 2.5.

Lquation du temps varie lentement danne en anne, sous leffetde la prcession des quinoxes (rotation du grand axe de lellipsedenviron 20 minutes par an, soit un tour en 26000 ans) et est tabu-le dans les tables de navigation. Elle peut tre calcule, par exemple,grce une srie de Fourier 6 paramtres (valable pour 1980):

ET = 0.0072 cosJ - 0.0528 cos2J - 0.0012 cos3J

- 0.1229 sinJ - 0.1565 sin2J - 0.0041 sin3JoJ = j 2/365.25, j = N du jour de lanne.


18

Figure 2.4Trajectoires du soleil Genve

(latitude 4612N,longitude 609E). Le temps de

rfrence est le tempslgal dhiver

Temps solaire vrai(TSV)

Equation du temps(ET)

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Le temps lgal en un lieu donn dpend encore de sa longitude. Larfrence de temps terrestre est donne par le temps solaire moyende Greenwich (GMT). Par convention, la surface terrestre est diviseen fuseaux horaires, correspondant des dcalages de une heurepar rapport GMT. LEurope est dans le fuseau horaire N 1 en hiver,et lheure dt correspond au fuseau N 2.

Pour tablir la relation dfinitive entre temps solaire vraiTSV ettemps lgal TL, on doit encore introduire la position (longitude) dulieu dans le fuseau horaire:

Tous ces paramtres solaires peuvent tre obtenus (tables ou gra-phiques) pour un lieu gographique quelconque dans le logicielPVSYST.

2.2 Energie du soleil

2.2.1 Energie renouvelable

Lnergie qui nous vient du soleil reprsente la quasi-totalit delnergie disponible sur terre. Outre lapport direct sous forme de

lumire et chaleur, elle est lorigine de la biomasse (photosyn-thse), du cycle de leau, des vents, des courants ocaniques et, sousforme stocke, de nos rserves de gaz, ptrole et charbon.

Les seules ressources nergtiques non solaires sont la chaleur dela terre (gothermie, moins de 1 W/m2), les mares et lnergienuclaire (fission et peut-tre fusion).

Nos rserves duranium sont trs faibles (quelques dizainesdannes). Les nergies fossiles ne sont pas inpuisables, mais sur-tout leur utilisation mne une libration de CO2 qui modifie lqui-libre global du bilan thermique de la plante par leffet de serre. Sibien qu long terme, la seule solution viable pour lhomme, en atten-

dant les racteurs fusion nuclaire (encore hypothtiques), est dese restreindre aux nergies renouvelables: solaire, hydraulique,vent, biomasse, mares et nergie thermique des mers.

TL = TSV + FusH - Long/15 + ET


19

Figure 2.5La correction de lquationdu temps

Temps lgal (TL)

Equation du temps

Minutes

Janv. Fv. Mars Avril Mai Juin Juil. Aot Sept. Oct. Nov. Dc.

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2.2.2 Rayonnement extraterrestre

Lnergie du soleil est produite par ractions de fusion thermonu-claire, les noyaux dhydrogne (protons) sassemblent en noyauxdhlium (2 protons + 2 neutrons) avec dgagement dnergie. Cette

nergie est mise dans lespace par la surface du soleil, notammentsous forme dondes lectromagntiques. Le spectre de ce rayonne-ment correspond lmission dun corps noir port 5800K, dontle maximum est situ dans le domaine visible.

La densit moyenne dnergie reue par la terre, appele constantesolaire, est de 1367 W/m2. La valeur relle du rayonnement extra-terrestre varie de 3.3% au cours de lanne du fait de lellipticit delorbite terrestre:

Rapport un plan horizontal, le rayonnement extraterrestre estalors: Ioh = Io sin HS.

Et la moyenne du rayonnement sur 24 heures est obtenue par:Io < sin HS >.

La figure 2.6 retrace la variation de < sin HS > au cours de lannepour diffrentes latitudes.

2.2.3 La masse dair

La masse dair optique est dfinie (par ciel clair) comme la massedatmosphre traverse par le rayonnement direct pour atteindre lesol, rapporte la traverse verticale au niveau de la mer. En pre-mire approximation, elle sexprime par:MA = (1-0.1 Altitude)/ sin HS,mais pour des hauteurs de soleil faibles (infrieures 10 ou 15), ondoit tenir compte de la courbure de la terre.

Rappelons que la pression atmosphrique prsente une distribution

exponentielle en fonction de laltitude, avec un facteur damortisse-ment (diminution de 1/e = 0,37) denviron 7.8 km. Pour les altitudeshabituelles, cette approximation linaire suffit.

Io = 1367 (1 + 0.033 cos J) W/ m2o J = j /365.25,j = N du jour partir du 1er janvier


20

Figure 2.6Valeur moyenne < sinh > sur 24h,

pour diffrentes latitudes

Constante solaire

Rayonnement extraterrestre

Masse d'air optique

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2.2.4 Rayonnements direct et diffus

En traversant latmosphre, le rayonnement solaire est absorb etdiffus. Au sol, on distingue plusieurs composantes:

Le rayonnement direct est reu directement du soleil, sansdiffusion par latmosphre. Ses rayons sont parallles entre eux, ilforme donc des ombres et peut tre concentr par des miroirs.

Le rayonnement diffus est constitu des photons diffuss parlatmosphre (air, nbulosit, arosols). Sa structure varie avec lesconditions mtorologiques. Par temps couvert, on admet quil estisotrope, cest--dire quon reoit un rayonnement identique detoutes les directions de la vote cleste. Par temps clair ou voil,outre le ciel bleu relativement isotrope (diffusion sur lair), on a unecouronne plus brillante autour du soleil (composante appelecircumsolaire) et souvent un renforcement sur lhorizon, la bandehorizon (cf. figure 2.11, p. 28).

Lalbdo est la partie rflchie par le sol. Il dpend de lenviron-

nement du site, il faudra en tenir compte pour valuer le rayon-nement sur plans inclins.

On appelle direct normal le rayonnement direct mesur perpendi-culairement aux rayons du soleil. Mesur selon un plan non per-pendiculaire, le mme rayonnement irradie une plus grande surface,et est donc moins intense (effet cosinus): Ip = In cos, o estlangle dincidence (voir figure 2.10, p. 27). Par temps clair, on obtientau sol un rayonnement normal de lordre de1000 W/m2.

La diffrence avec lextraterrestre est en partie rflchie vers lespacepar les hautes couches de latmosphre, et en partie absorbe ettransforme en chaleur dans latmosphre. Lquilibre thermique delatmosphre (et de la terre) est assur par la rmission vers lespacede cette chaleur sous forme de rayonnement infrarouge.

Pour les besoins de divers modles, nous dfinissons galementlindice de clart kt, comme le rapport du rayonnement au sol nor-

malis lextraterrestre. Cette grandeur est une mesure de latt-nuation dans latmosphre, et peut tre dfinie pour chaque com-posante globale, diffuse et directe.


21

Figure 2.7Composantes du rayonnementsolaire: extraterrestre,global = direct + diffus + albdo

Direct

Diffus

Albdo

Direct normal

Indice de clart

Rayonnement extraterrestre (moyen.1367 W/m2)

Limite de l'atmosphre

Direct

Albdo

Rayonnement global(env. 1000 W/m2 parciel clair)

Diffus

7/22/2019 243F

21/230

2.2.5 Spectre du rayonnement

Le rayonnement lectromagntique est compos de grains delumire appels photons. Lnergie de chaque photon est directe-ment li la longueur donde :

E = h = h c/

o h est la constante de Planck, la frquence, c la vitesse de lalumire.

Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ lmission dun corps noir port 5800 K. Une courbe standard,compile selon les donnes recueillies par les satellites, est dsignesous le nom de AM0. Sa distribution en nergie est rpartie en:

ultraviolet UV 0.20 < < 0.38 m 6.4%

visible 0.38 < < 0.78 m 48.0%

infrarouge IR 0.78 < < 10 m 45.6%

La figure 2.8 montre lattnuation observe aprs le passage tra-vers une paisseur datmosphre correspondant 1.5 masse dair.La dfinition de ce spectre de ciel clair, not AM 1.5, sert de rf-rence pour la mesure de cellules photovoltaques. On peut gale-ment remarquer le spectre du diffus par beau temps, nettement ren-forc vers le bleu du fait de la diffusion de Rayleigh sur lair.

Les diffus par ciel couvert couvrent beaucoup mieux tout le spectrevisible (ciel blanc). Cela a son importance car nous verrons par lasuite que la sensibilit des cellules photovoltaques est maximaledans les rgions rouge et infrarouge.


22

Figure 2.8Spectre du rayonnement solaire:

AM0 (extraterrestre) et AM1.5(paisseur de 1.5 atmosphre,

correspondant une hauteur dusoleil de 48 au niveau de la mer)

Spectre AM 1.5 de rfrence

AMO

Rayonnement d'un corps noir 5900 K

AM 1.5

Absorption de la vapeur d'eaude l'atmosphre

Composante diffuse (ciel clair)

H2O1CO2 Absorption CO2

Longueur d'onde [m]

Irradia

ncespectrale[W/m2.nm

Spectre visible

Absorptionozone

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22/230

2.3 Rayonnement horizontal

2.3.1 Mesures densoleillement

Le rayonnement solaire disponible au niveau du sol est quantifi,pour divers lieux, principalement par des mesures mtorologiques.

Historiquement, ces mesures ont t enregistres grce deshlio-graphes de Campbell-Stokes: une boule de verre focalise les rayonssur un papier qui noircit. Ces mesures fournissaient un nombredheures densoleillement, cest--dire la dure pendant laquelle lerayonnement direct dpasse un certain seuil (par ailleurs mal dter-min, entre 150 et 250 W/ m2). Cette information est videmment peuprcise, mais on en dispose de nombreuses mesures depuis trslongtemps en mtorologie. Cest pourquoi un modle bas sur descorrlations a t dvelopp pour tenter dun tirer une quantificationnergtique.

Lvaluation dinstallations solaires ncessite des donnes dirra-diance, cest--dire du flux dnergie incidente sur une surface don-ne par unit de temps et de surface, exprime enW/m2 (ou sonintgration sur une dure dtermine, lirradiation, enkWh/m2 ouMJ/m2).

Les mesures mtorologiques dirradiance sont habituellementenregistres pour le plan horizontal, par des solarimtres, instru-ments de mesures fonctionnant principalement sur deux principes: les pyranomtres mettent profit leffet de serre dans une double

coupole de verre, et utilisent des thermopiles pour dterminer ladiffrence de temprature du senseur noir avec lambiant. Ilsenregistrent une trs large fraction du spectre, et sont les plusprcis (de lordre de 1% lorsquils sont soigneusement calibrs).

Mais leur prix reste lev (plus de 2000 FS). les dtecteurs photovoltaques sont plus dpendants de la

temprature, et surtout prsentent une rponse spectrale slectivelocalise dans le rouge et linfrarouge. Leur mesure dpend doncde la composition spectrale du rayonnement, et on ne peut gureen attendre une prcision meilleure que 5%. Mais ils sont net-tement plus conomiques.

les cellules de rfrence, calibres et vendues par des centresofficiels (par exemple le Centre de Recherche des Commu-nauts Europennes CEC/JRC, Ispra) sont un cas particulier dedtecteurs photovoltaques (PV).

Les cellules de rfrence sont normalement destines la mesure

des performances de panneaux PV dans les conditions standard.Nanmoins, certains les utilisent pour la mesure en continu dinstal-lations solaires, dune part cause de leur prix modique (de lordrede 500 FS), et dautre part pour leur rponse spectrale proche de celledes panneaux. Cependant, le rayonnement ainsi mesur est trs dif-ficile relier avec prcision au rayonnement global des mesuresmtorologiques. Nous prciserons ce point dlicat dans le para-graphe 9.4.3.

En mtorologie, les mesures les plus couramment disponibles por-tent sur le rayonnement global dans le plan horizontal.

Lvaluation de lnergie incidente sur un plan quelconque est effec-tue par des modles de transposition, dont nous parlerons plus loin,

qui font intervenir galement la composantedirecte, ou la compo-sante diffuse, ce qui revient au mme puisque dans le plan hori-zontal, on a la relation: Global = Direct + Diffus


23

Dure d'ensoleillement

Irradiance (flux, W /m2

)

Irradiation (nergie, kWh/ m2)

Mesures du global

Mesures mtorologiquescourantes: global horizontal

7/22/2019 243F

23/230

Le moyen le plus simple pour mesurer la composante diffuse estdutiliser un solarimtre, devant lequel on cache le rayonnementdirect, soit par un arceau plac le long de la trajectoire diurne dusoleil, soit par un cache mobile faisant un tour en 24 heures. Trs peude stations mtorologiques en sont quipes, car ils ncessitent unesurveillance et un rglage priodique de larceau ou du cache.

2.3.2 Donnes mtorologiques en Suisse

En Suisse on dispose, depuis la fin des annes 70 seulement, desdonnes enregistres par le rseau Anetz pour environ 55 stations

rparties sur tout le territoire suisse. Ces donnes comportent engnral, outre le global horizontal, la dure densoleillement, la tem-prature, lhumidit, la direction et vitesse du vent, et ne sontpublies quen valeurs mensuelles.

Pour trois stations seulement (Kloten, Davos et Locarno), desmesures horaires incluant le diffus sont actuellement disponibles.Dautre part, des mesures trs compltes ont t enregistres de1978 1982 Genve par une quipe de lUniversit.

2.3.3 La base de donnes Mtonorm

Ds 1985, un effort considrable a t entrepris pour fournir auxconcepteurs dinstallations solaires un outil fiable et standardis per-mettant dvaluer rapidement le rayonnement solaire.


24

Figure 2.9Mesures du rayonnement solaire

Pyranomtre et cellule PVde rfrence

Mesures du diffus

Pyranomtre

Thermocouples

Coupoles de verre

Tension thermo-lectrique5 - 15 mV

Trs large spectre de rayonnementsGrande acceptance angulaire

Cellule PV de rfrence

Rponse spectrale spcifique au PV SI-cristallinAcceptance angulaire limite par rflexions

Tension vide500 mV

Le datalogger calcule l'irradianceet la temprature de la cellule

Courant de court-circuit30 mA/1 ohm: 30 mV

Sparationlectrique

Shunt

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Le programme Mtonorm85 comprend une srie de 4 publicationsexposant la mthodologie, ainsi quune synthse des donnes durseau Anetz, permettant dvaluer lnergie solaire disponible ennimporte quel lieu de Suisse, et sur des plans de diverses orienta-tions, en valeurs mensuelles [2]. Ces donnes taient surtout des-

tines au calcul dinstallations thermiques, et incluent dailleurs destables de la quantit dnergie directement fournie par certains typesde capteurs.

Ces publications ont t doubles dun logiciel dusage extrmementsimple et rapide, qui fournit lensoleillement et la temprature men-suels pour un lieu et dans un plan quelconques.

Mais si des donnes mensuelles peuvent suffire pour une premireestimation des performances dun systme photovoltaque (avecune prcision de lordre de 10 20%), une analyse plus fine (dyna-mique) requiert des donnes dtailles (horaires) pour le global et lediffus. Cette exigence fait lobjet dune refonte globale du pro-

gramme Mtonorm, sous lappellationMtonorm95, disponibledepuis fin 1995. Cette nouvelle base de donnes appuie ses valeursmensuelles sur des moyennes de 10 annes de mesures (1983-1992)dans 64 stations, et fournit desdonnes horaires [3] mesures pour22 stations (tableau 2.1).


25

Tableau 2.1Donnes DRY dans Mtonorm'95

Altdorf Interlaken St-Gall

Ble Binningen La Chaux-de-Fonds St-Moritz-Samedan

Berne-Liebefeld Locarno Sion

Coire-Ems Lucerne Wynan

Davos Lugano Zurich-Kloten

Genve-Cointrin Montana Zurich-SMA

Glaris Payerne

Gthingen Pully

Les donnes horaires seront fournies sous forme de Design Refe-rence Years (DRY). Bases sur des mesures recueillies durant unedizaine dannes, les DRY sont une juxtaposition des 12 mois les plussignificatifs choisis dans cet chantillon, pour obtenir une annemoyenne reprsentative.

En attendant la sortie de Mtonorm95, on trouvera dans labibliothque de PVSYST les donnes DRY des 22 stations ci-dessus.

2.3.4 Corrections des donnes mto

Lorsquon voudra simuler un systme photovoltaque, il conviendrade choisir un site mtorologique dont les conditions soient le plusreprsentatives du lieu du systme. Or les valeurs mto peuventvarier, dun lieu lautre, en fonction de divers paramtres: rgion,microclimat, brouillards, type et orientation du terrain, etc. Laltitudeest un des paramtres les plus significatifs, notamment concernantla temprature; cest pourquoi on dfinit une distance climatique,comme la somme quadratique de la distance entre deux sites, et leurdiffrence daltitude affecte dun poids de 100:DistClim = (DistHor2 + (100 DiffAlt) 2) 1/ 2

Mtonorm85:valeurs mensuelles

Mtonorm95:valeurs horaires

Distance climatique

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Pour assurer une prcision de lordre de 5% sur le global, et 1C surla temprature, Mtonorm95 recommande de considrer commeacceptable une distance climatique jusqu 20 km. Cette exigencepermet de dlimiter des zones de validit autour des sites de mesure,qui peuvent tre trs rduites en rgions montagneuses. Ainsi par

exemple, pour la station de Sion, seul le fond de la valle du Rhnede Martigny Sierre est concern.

Pour tenter dtendre ces zones, on peut envisager dappliquer descorrections daltitude: une analyse statistique de lensemble desdonnes Anetz avait permis Mtonorm85 de dterminer des gra-dients mensuels pour lensoleillement et la temprature, dpendantde la rgion climatique et de la saison (brouillards hivernaux). Bienque ces gradients aient t tablis pour les donnes mensuelles, leurutilisation pour des simulations PV en valeurs horaires ne devraientpas introduire derreurs trop importantes en ce qui concerne la simu-lation de systmes PV.

PVSYST permet deffectuer cette correction daltitude en cas debesoin.

2.3.5 Gnration de donnes synthtiques

En dehors de ces zones de validit, ou pour des sites trangers donton ne connat que les moyennes mensuelles, les simulations dyna-miques requirent la cration de squences artificielles de valeurshoraires pour le rayonnement et la temprature. Grce desmthodes statistiques bases sur un grand nombre de donnesmto enregistres dans des rgions climatiques diffrentes, il estpossible de gnrer des valeurs horaires synthtiques qui reprodui-sent au mieux les distributions temporelles ralistes (successions dejours, successions dheures dans la journe). Une telle gnrationsera propose par Mtonorm95 et est implmente dans le logicielPVSYST avec les options suivantes: soit gnrer des suites devaleurs conformes aux distributions gnrales, mais parfaitementalatoires, aboutissant des moyennes mensuelles et annuelles nonprdetermines (on aura une distribution de bonnes et de mau-vaises annes), soit renormaliser ces donnes pour obtenir lesmoyennes mensuelles et annuelles fournies au dpart.

2.3.6 Modle de rayonnement diffus

Le traitement de lnergie reue au niveau des cellules fait intervenirdiffremment les composantes directe et diffuse. Il est donc nces-saire de disposer dune valuation diffrentie (global et diffus, oudirect et diffus) en valeurs horaires. Malheureusement, cesmesures sont rarement disponibles dans les bases de donnesmtorologiques horaires, et ne sont pas fournies par le gnrateursynthtique. Nous devrons donc encore recourir un modle, liantla proportion de diffus la seule donne disponible, soit le globalhorizontal. Un des modles les plus performants lheure actuelle(Perez-Ineichen, [4]), utilis dans METEONORM et PVSYST fait inter-venir lindice de clart kt, et une mesure de stabilit des conditionsmto par la prise en compte de ses valeurs horaires prcdente et

suivante.


26

Corrections d'altitude

Gnration de donneshoraires partir

de moyennes mensuelles

Gnration de donnes derayonnement diffus

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2.4 Rayonnement sur un plan inclin

2.4.1 Dfinitions gomtriques

Un plan inclin est caractris par son inclinaison (par rapport lhorizontale), et son orientation ou azimut par rapport au sud(ngatif vers lest, sens antitrigonomtrique).Langle dincidence est langle form entre la normale du plan etles rayons du soleil. On parle souvent dincidence normale lorsque = 0, cest--dire les rayons sont perpendiculaires au capteur.

Langle dincidence scrit, en fonction de la position du soleil (HS,AZ):

cos = cos sin HS + sin cos HS cos (AZ-)


27

Figure 2.10Dfinition des angles pour un planinclin: inclinaison , azimut et angle dincidence

2.4.2 Modle de transposition

La transposition du rayonnement du plan horizontal dans un planquelconque dpend de la gomtrie solaire, cest donc un proces-sus caractre instantan. Dans la pratique, pour des valeurshoraires, on choisit la position du soleil au milieu de lintervalle. Auxdbuts et fins de journes, lintervalle est dlimit par le lever/cou-cher du soleil.

La transposition sapplique diffremment pour chaque composantedu rayonnement.

Pour la composante directe, il sagit dune projection dans un plandiffrent, donc dune simple opration gomtrique (effet cosi-nus),

Directp = Directh cos /sin HS

Le diffus peut tre lui-mme subdivis en diverses contributions (cf.fig. 2.11). Pour le diffus isotrope, le rayonnement issu de la portion

de ciel vue par le capteur vautDiffusIsop = DiffusIsoh (1 + cos ) /2

Plan inclin: caractris parson inclinaison et son azimut

Normale au plan

Plan des capteurs

Est

Ouest

Sud

7/22/2019 243F

27/230

et le rayonnement sur la portion de sphre situe au-dessous delhorizon, issu des rflexion sur le sol (albdo), sera la fraction com-plmentaire:Albdo = Globalh (1 - cos ) /2

o le coefficient dalbdo est une mesure de la rflectivit du sol,dpendant de sa structure (cf. tableau 2.2).


28

Tableau 2.2Coefficients dalbdo usuels

Figure 2.11Composantes

du rayonnement diffus

Milieu urbain 0.14 0.20Herbe 0.15 0.25Herbe frache 0.26Neige frache 0.82Neige mouille 0.55 0.75Asphalte sec 0.09 0.15Asphalte mouill 0.18

Bton 0.25 0.35Tuiles rouges 0.33Aluminium 0.85Cuivre 0.74Acier galvanis neuf 0.35Galvanis trs sale 0.08

Le rayonnement incident sur le plan des capteurs est alors la somme:

Tout lart des modles de transposition sera alors dvaluer la contri-bution relative de chaque composante selon la donne du global etdu diffus horizontaux. Parmi ceux-ci, lemodle de Perez [5] est leplus performant: dans le diffus, il distingue les composantes cir-cumsolaire, isotrope et bande-horizon, et les value selon une para-mtrisation gnrale tablie daprs des donnes mesures dansplusieurs sites et diffrents climats.

Globalp = Directp + Diffusp + Albdop

Coefficient d'albdo

Circumsolaire

(cne 5)Diffus isotrope

Bande horizon (env. 5)

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2.5 Evaluations pratiques

2.5.1 Rayonnement horizontal

La dtermination dtaille des donnes mtorologiques sera habi-tuellement effectue grce aux logiciels Mtonorm et PVSYST.Nanmoins, les grandes lignes du comportement gnral peuventtre pressenties grce aux tableaux et figures suivants.

Le tableau 2.3 donne lnergie mensuelle disponible dans le planhorizontal, pour diverses situations en Suisse. Les figures 2.12 et 2.13montrent le global et diffus horizontaux pour un beau jour, et lesvaleurs mensuelles 1992 Genve.

Les nergies annuelles sont un peu plus faibles sur le Plateau quenmontagne: 1234 kWh/ m2 Genve, 1153 Zurich, contre 1370 pourSion ou Davos. Mais les carts ne dpassent gure 10%.


29

Figure 2.12Global et diffus horizontaux: modlepour un beau jour

Figure 2.13Global et diffus mensuels Genve

Modle ciel clair, le 21 juin Genve

Global, 8.4 kWh/m2/jour

Diffus, 1.3 kWh/m2/jour

Heure lgale

Mto Genve, mesures 1992

Global horizontal1195 kWh/m2

Diffus horizontal574 kWh/m2

Diffus global = 48%

Valeursmensuelles[Wh/m2]

Irradiance[W/m2]

Janv. Fv. Mars Avril Mai Juin Juil. Aot Sept. Oct. Nov. Dc.

7/22/2019 243F

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2.5.2 Rayonnement dans le plan capteur

Leffet de linclinaison et lorientation des capteurs peut tre valupar le facteur de transposition, notR (, ), cest--dire le rapport de

lnergie reue sur le plan considr, par rapport la valeur hori-zontale.

Ces facteurs de transposition sont calculs partir de donneshoraires, pour des priodes mensuelles ou annuelles. Ils sont en prin-cipe caractristiques dun lieu et dun climat donns.

La figure 2.14 est base sur 3 ans de mesures Genve, enregistresdans 6 plans diffrents. Elle permet de visualiser rapidement leffetde lorientation sur la quantit de rayonnement disponible annuelle-ment ou saisonnirement.

Le facteur de transposition dpend du climat, et en particulier de laquantit de rayonnement diffus. Dans le climat de Genve, repr-sentatif du Plateau suisse (avec brouillards hivernaux frquents), lapart du rayonnement diffus est de lordre de 47 53%; par contre,dans les rgions montagneuses cette part peut tre infrieure 45%,voire 42%, et linclinaison optimale annuelle passe alors 35-45.

On peut remarquer que ce facteur dpend fortement de la priodeconsidre: loptimum annuel se situe autour de 30 40 sud, maisil est plus faible en t et plus fort en hiver, avec des inclinaisons res-pectivement de 25 et 45.

On constatera que ces optimums ne sont pas trs marqus: si onreste orient au sud, une inclinaison de 60 fera perdre moins de 10%dnergie, et linstallation en faade environ 35%. Mais aux fortesinclinaisons, les pertes augmentent assez vite mesure que lazimutsloigne du sud. Dautant plus que, dans ces cas, les pertes parrflexion sur les capteurs dues lincidence du rayonnement direct(cf. 9.2.8) prennent galement de limportance.

Si on dsire effectuer une valuation mensuelle un peu plus dtaille,on choisira, selon la situation, lune des trois tables 2.4, 2.5 ou 2.6,tablies par Mtonorm laide des donnes de Kloten, Davos ouLocarno. On peut y interpoler des facteurs de transposition pourlorientation choisie, et les appliquer aux donnes mensuelles du lieuconsidr.

Enfin, la figure 2.15 montre la distribution de valeurs journalires cor-respondant 3 annes de mesures Genve, sur diffrents plans.La courbe-enveloppe correspond un modle de ciel clair.

Globalplan (, ) = R (, ) Globalhoriz


30

Facteur de transpositionmensuel /annuel

7/22/2019 243F

30/230


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Figure 2.14Facteurs de transpositiondu global calcul pour Genve(valable pour le climat du Plateausuisse, mais pas en rgions

montagneuses)

7/22/2019 243F

31/230

JANV. FEV. MARS AVRIL MAI JUIN JUIL. AOUT SEPT. OCT. NOV. DEC. ANNEE

BALE 1.03 1.64 2.61 4.07 4.87 5.40 5.52 4.55 3.50 2.26 1.13 0.87 3.13BERNE 0.90 1.68 2.74 4.13 4.97 5.70 5.90 4.71 3.57 2.16 1.03 0.77 3.20DAVOS 1.52 2.36 3.68 4.97 5.52 5.77 5.97 4.94 4.10 3.03 1.63 1.39 3.75GENEVE 0.94 1.79 2.97 4.42 5.26 6.07 6.29 5.03 3.70 2.23 1.07 0.74 3.38LA CHAUX-DE-FONDS 1.19 1.89 2.90 4.40 5.00 5.57 5.77 4.74 3.70 2.61 1.30 1.06 3.35LAUSANNE 0.97 1.82 3.00 4.47 5.19 6.00 6.23 5.00 3.77 2.32 1.13 0.80 3.40LUGANO 1.32 2.00 3.19 4.43 5.03 6.07 6.42 5.13 3.63 2.71 1.43 1.32 3.56NEUCHATEL 0.84 1.64 2.74 4.40 5.16 6.10 6.16 4.90 3.60 1.94 0.90 0.65 3.26SION 1.29 2.14 3.45 4.90 5.48 6.33 6.52 5.23 4.17 2.87 1.53 1.16 3.76SAINT-GALL 0.97 1.75 2.74 4.17 5.03 5.50 5.71 4.61 3.57 2.19 1.13 0.77 3.19ZURICH 0.84 1.64 2.68 4.17 5.06 5.70 5.81 4.71 3.57 2.03 0.97 0.68 3.16


32

Tableau 2.3Irradiation globale sur plan

horizontal, en kWh/m2/ jour,

selon Mtonorm

Tableau 2.4

Facteurs de transposition mensuelspour Kloten

(climat du Plateau)

R (,)KLOTENMOIS JANV. FEV. MARS AVRIL MAI JUIN JUIL. AOUT SEPT. OCT. NOV. DEC.

Bta Gamma0 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.0030 -90 .98 .98 .98 .97 .96 .96 .96 .97 .95 .93 .97 .9830 -45 1.21 1.20 1.13 1.06 1.01 .99 1.01 1.04 1.09 1.13 1.25 1.2030 0 1.28 1.27 1.17 1.07 1.01 .98 1.00 1.05 1.16 1.27 1.35 1.2930 45 1.15 1.13 1.06 1.01 .97 .94 .95 1.00 1.10 1.21 1.20 1.1630 90 .92 .91 .90 .89 .90 .89 .88 .90 .94 .99 .93 .93

45 -90 .94 .93 .93 .91 .89 .89 .90 .89 .86 .82 .92 .9345 -45 1.24 1.23 1.12 1.03 .96 .93 .95 .99 1.07 1.13 1.29 1.2445 0 1.35 1.32 1.17 1.04 .95 .90 .93 1.01 1.16 1.31 1.43 1.3545 45 1.16 1.13 1.03 .95 .90 .87 .88 .94 1.08 1.23 1.23 1.1845 90 .86 .84 .82 .82 .81 .80 .79 .82 .87 .94 .87 .88

60 -90 .87 .86 .85 83 .81 .80 .82 .81 .77 .74 .86 .8760 -45 1.23 1.20 1.07 .95 .87 .83 .86 .91 1.00 1.07 1.28 1.2260 0 1.35 1.31 1.12 .96 .84 .79 .82 .92 1.10 1.30 1.45 1.3660 45 1.13 1.09 .96 .87 .81 .77 .78 .86 1.01 1.20 1.20 1.1560 90 .78 .76 .74 .73 .72 .71 .70 .73 .79 .87 .79 .80

90 -90 .68 .66 .85 .63 .60 .58 .61 .60 .58 .56 .67 .6890 -45 1.04 .99 .84 .71 .61 .57 .60 .66 .75 .84 1.08 1.0490 0 1.19 1.11 .88 .68 .55 .50 .51 .63 .84 1.08 1.28 1.2090 45 .92 .87 .73 .63 ,56 .52 .53 .61 .77 .98 1.00 .9690 90 .59 .56 .55 .53 .53 .51 .50 .53 .58 .66 .61 .61

90 180 .48 .41 .39 .36 .35 .36 .34 .34 .34 .38 .43 .49

7/22/2019 243F

32/230


33

Tableau 2.5Facteurs de transposition mensuelspour Locarno

R (,)LOCARNOMOIS JANV. FEV. MARS AVRIL MAI JUIN JUIL. AOUT SEPT. OCT. NOV. DEC.

Bta Gamma

0 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.0030 -90 1.00 1.00 1.00 .99 .97 .97 .98 .99 .97 .95 .95 .9730 -45 1.45 1.31 1.20 1.09 1.02 1.00 1.02 1.07 1.14 1.26 1.36 1.4830 0 1.61 1.39 1.24 1.09 1.01 .98 1.00 1.07 1.19 1.39 1.54 1.6930 45 1.36 1.19 1.09 1.00 .95 .93 .94 .98 1.08 1.24 1.35 1.4530 90 .89 .88 .86 .87 .88 .87 .86 .86 .89 .92 .94 .93

45 -90 .96 .96 .96 .94 .90 .90 .91 .93 .91 .90 .91 .9345 -45 1.57 1.37 1.21 1.06 .97 .93 .96 .1.04 1.13 1.31 1.44 1.6245 0 1.79 1.48 1.26 1.05 .94 .90 .92 1.02 1.19 1.48 1.69 1.9145 45 1.44 1.21 1.06 .94 .88 .85 .86 .92 1.05 1.27 1.43 1.5645 90 .84 .80 .78 .79 .79 .78 .78 .77 .81 .86 .89 .88

60 -90 .90 .89 .89 86 .82 .82 .82 .85 .83 .83 .84 .8760 -45 1.60 1.36 1.17 .99 .87 .84 .86 .96 1.07 1.28 1.45 1.6660 0 1.88 1.49 1.22 .97 .83 .78 .81 .93 1.14 1.49 1.76 2.0360 45 1.45 1.17 .99 .86 .78 .75 .75 .82 .98 1.23 1.43 1.60

60 90 .76 .72 .70 .70 .69 .68 .67 .68 .72 .79 .82 .8190 -90 .71 .70 .68 .65 .61 .60 .60 .63 .63 .64 .66 .6890 -45 1.42 1.14 .92 .72 .61 .57 .60 .69 .82 1.04 1.25 1.4990 0 1.73 1.29 .96 .67 .53 .47 .49 .62 .86 1.26 1.59 1.9190 45 1.24 .93 .74 .61 ,53 .50 .50 .57 .72 .99 1.23 1,4190 90 .58 .53 .51 .51 .50 .49 .47 .49 .53 .60 .64 .63

90 180 .34 .34 .30 .31 .32 .34 .31 .30 .29 .29 .34 .34

R (,)DAVOSMOIS JANV. FEV. MARS AVRIL MAI JUIN JUIL. AOUT SEPT. OCT. NOV. DEC.

Bta Gamma0 0 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.0030 -90 1.02 1.02 1.02 1.01 1.00 1.00 1.02 1.01 .99 .94 .93 .9930 -45 1.44 1.30 1.19 1.09 1.03 1.02 1.05 1.09 1.18 1.29 1.33 1.4830 0 1.57 1.38 1.21 1.08 1.00 .97 .99 1.06 1.22 1.44 1.51 1.6830 45 1.33 1.19 1.07 .99 .93 .91 .91 .96 1.08 1.27 1.34 1.4330 90 .89 .88 .87 .87 .86 .85 .82 .84 .86 .91 .94 .93

45 -90 1.00 .99 .98 .98 .95 .95 .98 .96 .94 .87 .88 .9645 -45 1.57 1.37 1.21 1.08 .99 .96 1.00 1.06 1.19 1.34 1.40 1.6345 0 1.75 1.47 1.24 1.06 .94 .89 .92 1.02 1.23 1.54 1.65 1.9045 45 1.41 1.21 1.05 .94 .86 .82 .82 .89 1.04 1.31 1.42 1.5645 90 .84 .82 .80 .80 .77 .75 .73 .75 .77 .84 .89 .89

60 -90 .95 .94 .93 .92 .87 .87 .90 .89 .86 .79 .81 .9360 -45 1.62 1.38 1.19 1.03 .90 .87 .91 .98 1.13 1.31 1.40 1.6960 0 1.85 1.50 1.22 .99 .83 .78 .81 .92 1.18 1.56 1.71 2.0360 45 1.43 1.19 1.00 .87 .76 .72 .72 .80 .97 1.27 1.42 1.6160 90 .78 .76 .74 .73 .68 .66 .63 .65 .68 .76 .82 .84

90 -90 .81 .79 .77 .75 .66 .66 .68 .67 .66 .60 .62 .7990 -45 1.49 1,21 .99 .83 .65 .61 .65 .72 87 1.06 1.20 1.5790 0 1.75 1.35 1.02 .77 .54 .48 .50 .62 .90 1.33 1.55 1.9690 45 1.27 1.00 .81 .68 ,53 .49 .48 .55 .71 1.02 1.22 1,4790 90 .65 .62 .60 .59 .49 .48 .45 .47 .49 .57 .64 .71

90 180 .46 .45 .45 .46 .36 .37 .33 .31 .27 .26 .37 .46

Tableau 2.6

Facteurs de transposition mensuelspour Davos(climat alpin)

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Figure 2.15Distribution de valeurs du global

journalier [kWh/ m2/ jour]pour 3 ans de mesures Genve.

La courbe enveloppe correspond un modle de beau jour

TSV 4 H 5 H 6 H 7 H 8 H 9 H 10 H 11 H 12 H 13 H 14 H 15 H 16 H 17 H 18 H 19 H

JANV. . . . 0 8 14 22 36 39 39 23 5 0 . . .

FEV. . . 0 6 23 45 66 89 103 100 78 30 9 0 . .

MARS . 0 5 28 62 106 144 159 172 158 125 78 36 5 0 .

AVR. 0 3 22 64 116 167 211 241 250 228 180 130 73 2 3 0

MAI 3 17 53 111 180 236 286 308 317 303 258 189 123 58 17 0

JUIN 3 25 64 123 194 266 325 353 363 333 289 211 145 80 31 3

JUIL. 3 25 75 150 228 300 361 403 414 397 356 267 170 83 30 9

AOUT 0 9 34 84 138 203 261 292 305 283 242 178 114 50 9 0

SEPT. . 0 11 39 86 142 206 258 287 270 214 144 70 16 0 .

OCT. . . 3 11 25 53 92 139 164 158 122 61 23 3 . .

NOV. . . . 2 11 28 44 58 55 53 34 6 0 . . .

DEC . . . 0 2 11 19 22 28 22 14 5 0 . . .

Tableau 2.7Valeurs horaires moyennes du

rayonnement direct sur planhorizontal, Kloten [Wh/m2]

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2.5.3 Ombrages

Nous distinguerons deux types dombrages: lombrage lointain correspond la disparition du soleil derrire la

ligne dhorizon. On peut supposer qu un instant donn, il affectetout le champ de capteurs la fois (fonctionnement en tout ourien);

lombrage proche: les obstacles proches portent des ombrages surune partie seulement du champ. Leur traitement ncessite dereconstruire la gomtrie exacte du systme et de son environ-nement en 3 dimensions. Ils seront traits au paragraphe 9.2.5;

les ombrages mutuels de sheds sont un cas particulier desombrages proches: on en discutera galement au paragraphe 9.1.1.

En valeurs horaires, les ombrages lointains, ou effets dhorizon, sontrelativement simples traiter si on suppose que le diffus nest pastrop affect. Il suffit alors dannuler la contribution du rayonnementdirect lorsque le soleil passe sous lhorizon, tout en conservant celledu diffus isotrope et de lalbdo.

La courbe de lhorizon doit tre releve, sur le terrain ou ventuelle-ment une carte topographique, en mesurant langle dlvation delhorizon pour diffrents azimuts. Ces mesures peuvent tre repor-tes sur le diagramme de hauteur/azimut du soleil. La figure 2.16montre un exemple de profil dhorizon typique pour un environne-ment montagneux, enregistre dans PVSYST.


35

Figure 2.16Trac de lhorizon dans lediagramme hauteur/azimut du soleil

On peut valuer la perte dnergie incidente correspondante en uti-lisant le tableau 2.7 des valeurs horaires du direct, mais PVSYSTaccomplit trs bien ce travail!

Pour les valeurs mensuelles, le problme est plus complexe.Lquipe du nouveau programme Mtonorm95 a mis au point desmthodes spcifiques, et livre maintenant des donnes mesures

corriges pour les perturbations de lhorizon lors de la prise demesures sur chaque station mto, ce qui ntait pas le cas dans lesdonnes de Mtonorm85.

Ombrage lointain = effetsd'horizon

Ombrage proche

Plan d'inclinaison 35 et azimut 10

Azimut []

Derrirele plan

Derrirele plan

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Rfrences

[1] J.-A. Duffie, W.-A. Beckman. Solar Engineering of ThermalProcesses. J. Wiley & sons N.Y., 2nd edition, 1991.

[2] P. Bremer, S. Kunz, R. Volz. METEONORM85, Vol. 1 (thorie),Vol. 2 (Donnes), Vol. 3 (procdures de calcul), Vol. 4 (sourcesde donnes). Office fdral de lnergie, Berne (1986).Distribution: InfoEnergie, 2003 Neuchtel.

[3] Jan Remund, Esther Salvisberg, Stefan Kunz. METEONORM95:Energie solaire et Mtorologie. Manuel du concepteur Notions de base et logiciel METEONORM V2.0. Meteotest etOffice fdral de lnergie, Berne (1995).Distribution: InfoEnergie, 2003 Neuchtel.

[4] R. Perez, P. Ineichen, E.-L. Maxwell, R.-D. Seals, A. Zelenka:

Dynamic Global to Direct Irradiance Conversion Models.ASHRAE Transactions, Vol. 98, Part I # 3578, 1992.

[5] R. Perez et al. Modeling Daylight Availability and IrradianceComponents from Direct and Global Irradiance. Solar Energy44,pp. 271-289, 1990.


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3. Gnrateur solaire

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3. Gnrateur solaire

3.1 Effet photovoltaque 393.1.1 Proprits des semi-conducteurs 393.1.2 Principe de fonctionnement 413.1.3 Dopage des semi-conducteurs 413.1.4 Jonction p-n 433.1.5 Cellule solaire 45

3.2 Technologie des cellules photovoltaques 483.2.1 Cellules monocristallines 483.2.2 Cellules polycristallines 513.2.3 Cellules amorphes 523.2.4 Autres technologies couche mince 543.2.4.1 Cellules larsniure de gallium (GaAs) 553.2.4.2 Cellules au tellurure de cadmium (CdTe) 553.2.4.3 Cellules au sulfure de cadmium et de cuivre 553.2.4.4 Cellules au CuInSe2 563.2.4.5. Cellules lectrochimiques 563.2.5 Energie grise 58

3.3 Caractristiques des cellules photovoltaques 59

3.3.1 Courbe I-V en fonction de la lumire 593.3.2 Courbe I-V en fonction de la temprature 61

3.4 Structure dun panneau photovoltaque 623.4.1 Module au silicium cristallin 623.4.2 Panneau au silicium amorphe 653.4.3 Connexions 66

3.5 Champ photovoltaque 673.5.1 Mise en srie de modules, appairage 673.5.2 Effets de lombre 683.5.3 Protection par diode antiparallle 703.5.4 Mise en parallle de modules 713.5.5. Dimensionnement du champ photovoltaque 73

3.6 Dangers du courant continu 743.6.1 Arc lectrique 753.6.2 Risque dincendie 753.6.3 Corrosion lectrochimique 76

Rfrences 77

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Lorsque la lumire atteint une cellule solaire, une partie delnergie incidente est convertie directement en lectricitsans aucun mouvement ou raction produisant des dchetsou pollutions. Cette proprit remarquable est au cur detoute installation photovoltaque. Leffet photovoltaque futobserv pour la premire fois par Becquerel en 1839 entredes lectrodes plonges dans un lectrolyte la lumire.Dans un solide, cest en 1876 que lon observa un phnomnephotolectrique dans le slnium et ce matriau fut utilispour la mesure de la lumire avant que le silicium ne soitdvelopp.

Les cellules solaires sont fabriques depuis plus de trente ans et lesquantits actuelles produites dpassent 50 MW par anne (en 1993).Le dveloppement des cellules solaires a suivi les progrs de lindus-trie des semi-conducteurs, en particulier ceux de lindustrie du sili-cium qui constitue le principal matriau partir duquel sont fabri-ques les cellules. Les premires cellules ont t conues pourpermettre une alimentation lectrique fonctionnant plusieurs annessur les satellites. De grandes socits de llectronique se sont audbut intresses cette technologie pour alimenter des sites isols(mesures, tlcommunications, balises) avant que les successifschocs ptroliers relancent leur intrt dans les annes septante. Apartir de cette priode, des socits spcialises dans ce domaine se

sont cres, tout dabord aux USA, ensuite au Japon et en Europe.La technologie des cellules au silicium est maintenant bien matriseet les nouveaux dveloppements se concentrent sur lamliorationdu rendement et labaissement des cots de fabrication. En parallleavec ces produits existants, de nouvelles cellules, utilisant des ph-nomnes proches de la photosynthse, pourraient apparatre sur lemarch dans la prochaine dcennie si les dveloppements promet-teurs obtenus en laboratoire se concrtisent par des produits indus-triels, notamment lEPFL par le professeur Graetzel (cf. 3.2.4.5).Dans ce chapitre, on prsente leffet photovoltaque, les technologiesactuelles, les caractristiques lectriques des gnrateurs solaires etquelques effets du courant continu.

3.1 Effet photovoltaque

Les cellules solaires actuellement sur le march convertissent direc-tement la lumire en lectricit en utilisant certaines proprits desmatriaux semi-conducteurs. Pour comprendre le fonctionnementdune cellule, on se limitera ci-dessous dcrire le phnomne dansle cas du silicium et lon dcrira dautres matriaux au point 3.2.

3.1.1 Proprits des semi-conducteurs

On rappelle succinctement quelques dfinitions et quations qui per-mettront de mieux comprendre le fonctionnement dune cellulesolaire.

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3. Gnrateur solaire

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Le modle des bandes dnergie est utilis pour dcrire les solides lquilibre thermodynamique [1] et prvoir leur comportement lec-trique.

Dfinitions:

Lquilibre thermodynamiqueindique quaucun transfert dnergienexiste entre deux systmes.

Le niveau dnergiedun lectron est lnergieE quil faudrait lui four-nir pour lamener lextrieur du matriau.

Les lois de la mcanique quantique montrent que les niveaux dner-gie sont proches et se groupent enbandes dnergie. A lintrieur deces bandes, il existe une continuit des niveaux dnergie, alors queentre bandes, on dfinit unebande interdite.

La bande correspondant aux lectrons de la couche extrieure estappele bande de valence, bande qui permet la liaison des atomesentre eux. Lnergie maximale de la bande de valence est Ev. La

bande dnergie immdiatement au-dessus de la bande de valenceest appele bande de conduction, son niveau dnergie minimale estEc. La conduction lectrique utilise les lectrons de cette bande. Lesmatriaux sont caractriss par leur niveau de Fermi Ef qui corres-pond au potentiel lectrochimique ou au travail de sortie des lec-trons dans le solide.

Les mtaux ont une structure lectronique oEfse trouve lint-rieur dune bande permise. Les isolants ont une bande compltementoccupe par les lectrons et un large seuil avant la bande suivantequi est vide dlectrons basse temprature, le niveauEfest alorsentre ces deux bandes permises. Une bande vide dlectrons ne peutvidemment pas participer au courant dans un cristal. Curieusementune bande pleine ne peut pas non plus conduire de courant: pour

que le courant puisse stablir, il faut que le matriau puisse chan-ger de niveau dnergie, ce qui est le cas des mtaux o la bande deconduction nest jamais pleine. Un semi-conducteur est un isolantqui prsente une bande interdite (gap)de plus petite valeur quunisolant. A basse temprature, il est isolant; plus haute temprature,des lectrons peuvent accder la bande de conduction et il manquedes lectrons dans la bande de valence. Legaptypique des cellulesusuelles est de 1.12 eVpour le silicium 300 K.

La figure 3.1 reprsente les bandes dnergie des trois types de mat-riaux, isolants, conducteurs et semi-conducteurs.

3. Gnrateur solaire

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Figure 3.1

Bandes dnergie des matriaux Bandes

deconduction

interdite

devalence

Energiepotentielle

Ef

Ef

Mtal Isolant Semi-conducteur

Gap silicium = 1.12 eV

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3.1.2 Principe de fonctionnement

Pour crer un courant lectrique dans un semi-conducteur, il faut luifournir une nergie qui permet dextraire des lectrons de la bandede valence pour les transfrer dans la bande de conduction, soit unenergie suprieure au gap de la bande interdite. La lumire dont lesphotons transportent une nergieE = hpermet datteindre cet effet:cest leffet photovoltaque. La lumire pntrant dans un semi-conducteur permet donc, si son nergie est suprieure au gap defaire passer le semi-conducteur de ltat isolant ltat conducteur,ce phnomne augmentant lorsque la temprature du semi-conduc-teur slve. Lorsque un lectron est extrait de la bande de valencepour passer dans la bande de conduction, il laisse derrire lui unevacance ou un trou sa place: alors un autre lectron proche de labande de valence peut combler ce trou et laisser derrire lui sontour un trou, on aura ainsi tabli un courant de trous. Les deux typesde courant ne seront pas diffrencis, on parlera simplement de cou-rant, quil sagisse dlectrons ou de trous. De mme on dit que

labsorption de lnergie des photons par le semi-conducteur credes paires de porteurs lectron-trou. Leffet photolectrique modifiesimplement la conductivit lectrique de certains semi-conducteurs:ceci est utilis pour fabriquer des rsistances dpendant de la lumire(LDR), composants largement utiliss dans les appareils photogra-phiques et partout o la lumire doit tre mesure.

Pour transformer le semi-conducteur photosensible de composantpassif en composant actif, il faut pouvoir gnrer un courant de por-teurs, donc apporter une force qui obligera les lectrons et les trous scouler dans deux directions opposes. Cette force sera ralisepar un champ lectrique interne provenant du dopage du semi-conducteur.

3.1.3 Dopage des semi-conducteurs

On prsente ci-dessous lexemple du silicium qui usuellement estdop au bore ou au phosphore dans les cellules solaires.

Le dopage dun semi-conducteur pur va permettre damener descharges excdentaires qui amlioreront la conductivit du matriau.

A la figure 3.2, on reprsente une vue plane des atomes de silicium( 4 lectrons dans la couche externe) qui sont chacun lis quatreautres atomes de silicium. En regard on montre galement les deuxniveaux dnergie Ec, bas de la bande de conduction et Ev, sommet

de la bande de valence ainsi que la valeur Eg, largeur de la bandeinterdite ou gap.

En dopant le silicium avec des atomes trangers de phosphore quiont 5 lectrons dans leur couche externe, un lectron par atome dephosphore ne pourra pas se lier avec ses correspondants du silicium,il y aura alors un excdent de charges ngatives dans le cristal(figure3.3). Cet apport dlectrons cre un niveau dnergieEddansla bande interdite proche de la bande de conduction : il suffit alors depeu dnergie pour faire passer ces lectrons dans la bande deconduction et crer un courant. Le silicium ainsi dop est appelsili-cium de type n.

Par symtrie, on peut galement doper le silicium avec du bore quia seulement trois lectrons dans sa bande de valence. Le rsultat estlapparition dun excdent de trous, donc de charges positives,

3. Gnrateur solaire

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puisquil manque un lectron chaque atome de bore pour com-plter les 4 lectrons du silicium (figure 3.4). Il apparat galement unniveau dnergie Eadans la bande interdite juste au-dessus de labande de valence. Ce matriau ainsi dop est appel silicium detypep.

3. Gnrateur solaire

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Figure 3.2Silicium pur

Figure 3.3Silicium de type n

Figure 3.4

Silicium de type p

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On a vu que le dopage permet dapporter des excs de charge posi-tive ou ngative au semi-conducteur et dainsi faciliter le passagedun courant lectrique. Il faut encore pour fabriquer une cellulesolaire mettre en contact ces deux types de dopage pour profiter duchamp lectrique ainsi cr linterface entre les deux dopages: on

appelle cet lment une jonction p-n.

3.1.4 Jonction p-n

La mise en contact de deux zones dopages opposs dans un semi-conducteur constitue un lment fort connu: la diode. A linterfaceo les concentrations datome trangers font passer le silicium dutype p au type n apparat une rgion appele zone de charge despacequi provient de la tendance des lectrons excdentaires de la couchen vouloir passer du ct p o ils sont attirs par les trous exc-dentaires et de la tendance des trous vouloir passer du ct n parrciprocit. Cet change de porteurs dans la zone de charge spatiale

cre un champ lectrique qui va contrebalancer lchange de chargeset rtablir lquilibre thermique. On reprsente la figure 3.5 la zonede charge spatiale et les courbes de champ lectrique et de poten-tiel dune jonction p-n.

3. Gnrateur solaire

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Figure 3.5Jonction p-n

Potentiel

Champ

lectrique

Densit

deporteurs

Jonction

pn

p n

D

D

D

Xp

Xn

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Il est galement intressant de reprsenter les bandes dnergie auvoisinage de la transition p-n. Comme un corps lquilibre se carac-trise par un seul niveau de Fermi, ce sont les bandes de valence etde conduction qui vont varier la jonction pour suivre les variationsde dopage. A la figure 3.6, on a trac lallure de ces variations ainsi

que le logarithme naturel des concentrations dlectrons et trous la jonction.

La barrire de potentiel cre par la jonction reprsente la principalecaractristique de la diode: le courant ne pourra pas passer dans lesens renforant cette barrire mais seulement dans le sens inverse.On dfinit la tension extrieure impose la diode comme positivelorsquelle a pour effet de diminuer ce champ lectrique interne.Lorsque la tension impose est suprieure la barrire de potentiel,la courant peut passer. Comme les niveaux dnergie des semi-conducteurs dops sont tous deux lintrieur de la bande interdite,la tension de passage qui correspond la diffrence des deux poten-tiels est lgrement plus faible que le gap du semi-conducteur divis

par la charge lmentaire de llectron.

3. Gnrateur solaire

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Figure 3.6Bandes dnergie et concentration

des porteurs dans une jonction

Jonction

pn

Bandes

d'nergie

Densits

In(n)

In(p)

D = NaD = Nd

Ec

Ef

Ev

D

p n

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En pratique on calcule une valeur 300 K de:

Vd = (Eg/q) - (0.4V0.5V)

ce qui donne pour le silicium:

Vd = 1.12 eV/q - 0.45 V = 0.67VPour transformer la jonction p-n en diode, il faut encore lui ajouterdes contacts mtalliques; on peut alors tracer sa caractristique I - Ven lui imposant une tension extrieure.

Si la tension impose est positive, le courant va crotre selon la loiexponentielle:

I = Is (exp (U/Ut) - 1)

qui peut se simplifier en (env. 1% derreur):

I = Is exp (U/ Ut)

avec: U = tension impose la diodeUt = kT/q = 26 mV 300 Kk = 1.38 10-23 constante de Boltzmannq = 1.602 10-19 charge de llectronT = temprature absolue en KIs = courant de saturation

Lorsque la tension impose est ngative, le courant inverse va res-ter pratiquement nul jusqu ce que la tension atteigne une valeurqui laisse passer le courant par effet tunnel, proprit utilise par lesdiodes zener, ou jusqu ce que la tension impose provoque un cla-quage de la jonction par effet avalanche.

A la figure 3.7, on a reprsent la courbe I - V typique dune diode ausilicium.

3. Gnrateur solaire

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Figure 3.7Diode au silicium

3.1.5 Cellule solaire

La cellule solaire au silicium est une diode de grandes dimensionsavec des caractristiques de fabrication et daspect bien particulires.

Lorsquon sintresse capter la lumire avec un cristal de silicium,on saperoit que le silicium rflchit 30% de la lumire reue [2] dansles longueurs donde utiles la surface de la terre. Ce phnomne

I

U

Le courant dpend de latemprature

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est d lindice de rfraction lev du silicium, passant de 2 dans leproche IR 7 dans lUV. Ceci impose lajout dune couche anti-reflets la surface du silicium si lon veut amliorer quelque peu le rende-ment. Une autre proprit tudier est de dterminer quelle pro-fondeur dans le cristal il faut fabriquer la jonction pour optimiser le

rendement. On reviendra plus en dtail sur ces critres au cha-pitre3.2.

Lillumination dune cellule solaire produit un courant proportionnelappel photocourant, indpendant de la tension. Mais lorsque la ten-sion augmente, une partie de ce courant est redissip dans la jonc-tion selon lquation de la diode. La caractristique I/V dune cellulesolaire scrit donc:

I = Ip - Is [exp (U/Ut) - 1]

o: Ip = photocourantIs = courant de saturation de la diode

Cest une quation implicite dont la rsolution I = f (V) doit faire appel des mthodes dapproximations successives. On dfinit 2 pointsimportants sur cette courbe:

le courant de court-circuit, lorsque V = 0, vaut:

Isc = Ip

la tension de circuit ouvert, lorsque le courant est nul, scrit:

Voc = (kT/ q) ln (1 + Ip/ Is)

ou pour Isc = Is

Voc = (kT/ q) ln (Ip/ Is)

Il est important de remarquer quelle varie avec le log de Ip, doncavec le log de lillumination.

Le courant de saturation, Is, dpend de la surface de la diode (doncde la cellule) et des caractristiques de la jonction, il varie exponen-tiellement avec la temprature et double environ tous les 10 K. Cettedpendance en temprature compense largement le terme kT/q etla tension ouverte baisse avec la temprature, ce qui est importantdans le dimensionnement des systmes.

A la figure 3.8, on reprsente la caractristique dune diode dans lesquatre quadrants, 1 & 2 sans lumire et 3 & 4 sous illumination. Lalumire permet effectivement de tirer de lnergie du composant, lecourant tant de signe oppos la tension (quadr. 4).

On remarque que la courbe sous illumination est simplement dca-le vers le bas de la valeur Isc, ce qui est normal, vu lhypothse dunegnration constante du courant par la lumire. La valeur Voc repr-sente en fait lgalit du courant de gnration par la lumire et ducourant de consommation de la diode sans lumire.

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Isc = courant de court-circuitVoc = tension ouverte

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On peut complter le schma quivalent de la cellule solaire(figure 3.9) en ajoutant deux rsistances pour tenir compte des pertesinternes:Rsreprsente la rsistance srie qui tient compte des pertesohmiques du matriau, des mtallisations et du contact mtal/semi-conducteur, Rp reprsente une rsistance parallle provenant decourants parasites entre le dessus et le dessous de la cellule, par lebord en particulier et lintrieur du matriau par des inhomog-nits ou impurets.

Lquation de la caractristique I /V devient alors:

et on remarque que le courant de court-circuit (condition V = 0) nestplus strictement gal Ip.

I = Ip - Is [exp (q (V + I Rs) /kT) - 1] - (V + I Rs)/Rp

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Figure 3.8Cellule solaire: caractristique I/V

Figure 3.9Schma quivalent dune cellulesolaire

Obscurit

Isc

Isc

Id

Rp

Rs

Q1Q2

Q3 Q4

Voc

I

U

Lumire

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3.2 Technologie des cellulesphotovoltaques

Les trois premiers paragraphes seront consacrs exclusivement auxcellules fabriques partir de silicium, deuxime lment le plusabondant dans la crote terrestre aprs loxygne. Le dernier sous-chapitre traitera des autres matriaux de base.

Le silicium nexiste pas pur mais seulement sous forme oxyde, tantle constituant de base du sable. Pour fabriquer du silicium pur, onutilise la base du sable de quartz qui est cristallis. Le procd deraffinage est une rduction dans un four arc lectrique par du car-bone, la raction suit lquation:

SiO2 + 2C Si + 2CO

On fabrique de cette manire par anne plus dun million de tonnes

de ce silicium, dit mtallurgique. Sa puret est de lordre de 98 99%,les impurets les plus importantes tant laluminium et le fer. Sa prin-cipale utilisation est comme composant de laluminium et de lacier.Ce procd dextraction est relativement efficace, lnergie consom-me tant peu prs la mme que pour lextraction de laluminiumou du titane. Une petite proportion de cette production, quelquesdizaines de tonnes, sera purifie pour lindustrie de llectronique.

Pour obtenir un matriau suffisamment pur pour fabriquer des com-posants lectroniques, on utilise le procd Siemens qui lie le sili-cium un gaz partir dacide chlorhydrique, le trichlorosilane qui estensuite distill par distillation fractionne. Lquation de base qui estrversible pour la dernire opration est:

Si + 3HCl

SiHCl3 + H2

Le silicium se dpose ensuite sur une baguette de silicium chauffesous forme de petits grains polycristallins. Ce dernier pas a un mau-vais rendement de matire (env. 37%) et ncessite beaucoup dner-gie, ce qui rend son cot plus lev que le pas prcdent.

3.2.1 Cellules monocristallines

Pour passer de ltape prcdente, silicium pur environ 99.999%polycristallin, un matriau monocristallin utilisable pour les com-posants lectroniques, on utilise une troisime tape galementgourmande en nergie, le procd Czochralski.

Le polycristal est fondu dans un creuset avec un peu de dopant, parexemple du bore pour obtenir un matriau de base de type p; ausommet de ce bain, on place une bouture de silicium monocristallindans lorientation prcise que lon veut obtenir et lon fait crotre lecristal sous la bouture en tirant, tournant et contrlant trs prcis-ment la temprature. On fait crotre ainsi dans la mme orientationque la bouture des cristaux de 1 2 mtres de long et jusqu 30 cmde diamtre. Pour obtenir des tranches de silicium (wafers) denviron200 400 m, paisseur utilisable, il faut ensuite couper le matriauavec une scie diamante, ce qui perd encore peu prs la moiti de lamatire. On voit donc que le procd total a un rendement en matirefaible (15 20%) et quil est trs gourmand en nergie.

Les tapes suivantes de fabrication de la cellule seront: le dcapage de la surface pour liminer les dfauts de sciage (par

3. Gnrateur solaire

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Extraction du silicium

Purification du silicium

Cristallisation du silicium

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ex. soude caustique 40% et 120C), on essaie en gnral dobtenirune surface texture en petites pyramides pour amliorer lacollection de la lumire dans toutes les directions;

une diffusion de phosphore pour raliser la jonction (phosphine,20 minutes 900C), ce dopage va contrebalancer le dopage ini-tial p de la matire pour obtenir une couche n + en surface et n la jonction;

un dcapage de larrire et des cts pour liminer le phosphoreamen partout lors de la diffusion mais non dsir;

un dopage de larrire avec de laluminium (srigraphie et cuis-son), ce qui cre une diffusion p+ et une surface amliorant la col-lection des porteurs; on appelle cette couche champ de surfacearrire (BSF, back surface field), ce qui nest pas tout fait appro-pri, le dopage ne changeant pas de polarit mais seulement deconcentration. Les photons de grande longueur donde (rouges)gnrant des porteurs dans cette zone amliorent le courant de lacellule mais surtout la surface faible taux de recombinaisons aug-mente la tension ouverte et donc le rendement de la cellule;

le dpt dune couche antireflets sur lavant (srigraphie de TiO2ou Ta2O5 par exemple) et cuisson;

le dpt de la grille de mtallisation avant (pte dargent srigra-phie) et cuisson;

le dpt dun mtal soudable sur larrire (pte dargent srigra-phie) et cuisson;

le test et tri de toutes les cellules fabriques.

La figure 3.10 montre en coupe (chelles non respectes) une celluleau silicium monocristallin.

3. Gnrateur solaire

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Figure 3.10Cellule au Si monocristallin

1 Grille de mtallisation avant2 Couche antireflets3 Surface avant dope n et

texture3-4 Jonction et champ lectrique4 Substrat p 4-5 BSF, champ arrire5 Dopage p+ 6 Mtallisation daluminium7 Mtallisation soudable

On voit donc que cette fabrication comprend beaucoup dtapes etquelle va de nouveau consommer passablement dnergie pourtous les traitements thermiques des tempratures souvent entre400 et 900C. La tendance actuelle est de raliser des chanes de fabri-cation procds si possible secs pour viter les manipulations dewafers telles que par exemple un transfert de cassette (dcapage enmilieu liquide) une srigraphie. Les diffrents traitements ther-

miques, et mme parfois la diffusion, se font dans des fours bandeet le procd peut tre continu sans stock intermdiaire, ce qui faci-lite son automatisation. Une autre tendance est de scier toujours plus

12

1

3

4

5

6

7

n

p

p+

E

Alu

Fabrication de la cellule

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48/230

fin, 100 m tant suffisant pour capter tout le spectre reu sur terre,certains constructeurs essaient de traiter des wafers de 130 180 m,mais cette paisseur est actuellement un minimum pour limiter lacasse lors de manipulations et de chocs thermiques ventuels. Pourconomiser de la matire, de nouvelles scies utilisent un fil trs fin

portant une poussire de diamant pour la coupe et permettant deperdre seulement 200 m de matire.

La cellule au silicium monocristallin (couramment disponible sur lemarch) atteint actuellement les rendements les plus levs: certainsconstructeurs multiplient les procds sophistiqus: diffusion trsproche de la surface avant pour amliorer la collection des photonsde petite longueur donde (photons trs nergtiques et pntrantpeu dans le silicium), mtallisation avant extrmement fine dposeau fond dune gorge grave au laser, 2 couches antireflets, pouratteindre jusqu 17% de rendement. Mais la majorit des panneauxmonocristallins sur le march (en 1994) atteignent environ 13 14%de rendement. Le rendement thorique maximal dpend du spectre

lumineux reu et du gap du semi-conducteur: pour le silicium o ilvaut 1.12 eV 300 K, seuls les photons de longueur donde infrieure 1.1 m gnreront donc des porteurs et mme si son nergie estsuprieure au gap, chaque photon gnrera seulement une paire deporteurs, lexcdent dnergie tant dissip en chaleur. En tenantcompte de tous ces facteurs, le rendement thorique maximal estenviron de 22% pour le silicium cristallin. La figure 3.11 montre laportion de spectre gnrant effectivement du courant dans une cel-lule au silicium. On remarque que toute la lumire visible est utile,de mme que le proche infrarouge et lultraviolet. Dans lespace, lerendement thorique sera plus lev, la proportion dultraviolet tantplus importante.

Les facteurs qui limitent encore le rendement sont: les pertes par rflexion que lon peut limiter 4% avec les effetsdune couche antireflets dindice de rfraction de 2.3 et duneencapsulation de verre (indice 1.5);

les pertes par recombinaison: les porteurs gnrs par leffet pho-tovoltaque se recombinent parfois localement au lieu dtre spa-rs par le champ lectrique de la jonction, ceci arrive spcialementaux porteurs gnrs en profondeur ou en surface du wafer o lesdfauts sont plus denses et la prsence dimpurets plus impor-tante, ce qui cre des centres de recombinaison. Des porteurs spa-rs par le champ lectrique peuvent galement tre recombinsdurant leur trajet vers une mtallisation. La puret du silicium, ladistance de la jonction de la face avant, la qualit duBSFet la qua-

lit du traitement de la surface jouent un rle trs important; les pertes dues lombre de la grille de mtallisation frontale : onoptimise la largeur et lpaisseur de la grille, sa forme et sa den-sit vis--vis de la rsistance surfacique du silicium pour obtenir lemeilleur rendement;

les pertes ohmiques des mtallisations avant et arrire et du mat-riau (Rs)ainsi que les pertes parallles (Rp);

les pertes dues laugmentation de temprature du matriau ausoleil.

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Rendement des cellules

Pertes de rendement

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3.2.2 Cellules polycristallines

Le principal dfaut des cellules monocristallines est leur cot qui pro-vient en grande partie de lutilisation dun matriau de grande puretet demandant beaucoup dnergie pour sa fabrication. Dautre part,la puret ext

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