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Estoppey Chauffage

Un chauffage de qualité, des energies qui respectent l'environnement !

CHAUFFAGE SOLAIRE THERMIQUE - PHOTOVOLTAÏQUE

L'énergie solaire est partout !

le soleil nous éclaire et nous apporte de la chaleur,  il est aussi à la base du déplacement des masses d’air (l’énergie éolienne). Il est le moteur du cycle de l’eau, qui actionne les turbines des barrages hydro-électriques même les plantes utilisent sa lumière pour convertir les éléments minéraux en aliments !

L’énergie solaire est l’énergie la plus répandue et la plus accessible dans le monde. En une année, l’humanité entière consomme 10 milliards de Tonnes équivalent pétrole (Tep). Cette quantité représente moins de 3 % de ce que le Soleil nous envoie gratuitement chaque jour.


L’énergie envoyée chaque heure par le soleil suffirait à répondre aux besoins de l’humanité pendant toute une année !

Cette énergie est renouvelable et son utilisation ne rejette pas de gaz à effet de serre.

La découverte de l'énergie solaire ...

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200 Avant J.C.
Archimède

Selon la légende, Archimède, qui était un mathématicien, physicien, ingénieur, inventeur, et un astronome grec très important, aurait fait placer plusieurs miroirs sur la côte pour concentrer l’énergie du soleil et mettre ainsi le feu aux navires de l’ennemi qui donnaient l’assaut.

1839

Antoine-Henry Becquerel

Il observe qu’une lumière intense dirigée sur certains matériaux génère un courant électrique.

C’est le point de départ de la technologie photovoltaïque.

1849 - 1873
Willoughby Smith
Il a découvert que  la conductivité des tiges de sélénium augmente de manière significative lorsqu'elles sont exposés à la lumière solaire.
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1870 - 1880
LeProfesseur William Grylls Adams de Kings College en Angleterre   et son élève Richard Day Evans , ont prouvé qu'il était possible de convertir l'énergie solaire directement en électricité sans aucune pièce mobile ou de la chaleur . À la fin des années 1870, ils ont soumis le sélénium à plusieurs expériences.
1883

Charles Fritts

produit la première cellule solaire au monde, un dispositif qui convertit la lumière du soleil en électricité, à l’aide de sélénium et d’or. Le rendement de la cellule est alors inférieur à 1 %, c’est-à-dire que moins de 1 % de l’énergie lumineuse est convertie en électricité.

1921

Albert Einstein 

Il reçoit le prix Nobel de physique pour sa « découverte de la loi de l’effet photoélectrique ». Einstein est le premier à formuler l’hypothèse de l’existence de quanta de lumière, que nous appelons désormais photons, et établit ainsi les bases théoriques de la technologie photovoltaïque moderne.

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1954
Gerald L. Pearson , Daryl M. Chapin et Calvin S. Fuller
Une plaquette légèrement modifiée de silicium, appelé " cellule solaire " a converti la lumière du soleil directement en énergie électrique a été dévoilée par Bell Telephone Laboratories à Murray Hill.
La cellule solaire est une excroissance de la recherche de transistor. Il a travaillé à une efficacité de seulement 6 pour cent
1954
Le s
olaire se commercialise

Les cellules solaires en silicium font leur entrée sur le marché grand public. Le New York Times souligne que la cellule en silicium pourrait permettre de « capter l’énergie presque inépuisable du soleil et la mettre au service de notre civilisation ».

1958
La course à l’espace
La course à l’espace entre les États-Unis et l’Union soviétique se traduit par des investissements importants dans la technologie solaire. Certains des premiers satellites artificiels, notamment Vanguard 1, sont alimentés par des cellules photovoltaïques.

Comment capter cette énergie pour produire de l’électricité ?

Les modules solaires photovoltaïques

Pour capter l’énergie lumineuse du soleil et la transformer en électricité, on utilise des modules photovoltaïques. Ces modules solaires, aux reflets bleutés, sont constitués, dans la plupart des cas, d’un assemblage de cellules photovoltaïques en silicium. Le silicium est fabriqué à partir de la silice (notamment présente dans le sable), une matière abondante sur toute la Terre. Mais, il faut rendre ce silicium très pur ce qui nécessite un apport important d’énergie.

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Très fragiles à l’état brut, les matériaux photovoltaïques doivent être protégés des intempéries, ce qui est en général réalisé par un verre transparent et solide qui constitue la partie supérieure d’un sandwich étudié pour résister aux agressions de l’environnement pendant plusieurs décennies.  

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La face arrière du sandwich peut être constituée d’un polymère durci spécialement conçu ou d’une deuxième couche de verre autorisant alors une semi-transparence de l’ensemble.

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Les modules les plus courants aujourd’hui sont des panneaux rectangulaires rigides d’une surface comprise entre 0,5 et 3 m2, de quelques centimètres d’épaisseur et pesant une petite dizaine de kilogrammes.

 

Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

Une cellule mesure en général 15 cm sur 15 cm, sur 180 microns d’épaisseur (0,180 mm. L’électricité correspond à un déplacement d’électrons. Aussi, pour rendre les électrons plus mobiles, le silicium découpé en fine tranche est « dopé ». La cellule photovoltaïque est en fait composée de deux zones : une zone dans laquelle une partie des atomes de silicium sont remplacés par des atomes de phosphore et une autre zone dans laquelle une partie des atomes de silicium sont remplacés par des atomes de bore.  Il en résulte la création d’un champ électrique à l’interface de ces deux zones.

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L’atome de phosphore possède un électron de plus que l’atome de silicium sur sa couche périphérique, et l’atome de bore en a un en moins.

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Ainsi quand la lumière pénètre le silicium, elle apporte de l’énergie sous forme de photons. Les photons vont communiquer leur énergie aux atomes de silicium, conduisant à la création de charges électriques. Les électrons de la zone dopée au phosphore vont rejoindre les trous de la zone dopée au bore via la connexion extérieure. Ils sont alors collectés par les grilles en métal. Au passage, leur déplacement crée un courant électrique.

Source : Hespul, mtaterre

la cellule solaire photovoltaïque, mode d'emploi

Pour exploiter l'énergie solaire et la convertir en électricité, on utilise des panneaux photovoltaïques. Ceux ci sont composés de plusieurs modules solaires placés en série. Chaque module est un ensemble de cellules photovoltaïques placées en série. Une cellule est créée à base d'une fine plaque de silicium (Si) appelée un wafer. Sur cette plaque sont déposées plusieurs couches de matériaux qui lui permettent de convertir l'énergie solaire en courant électrique.

Tout d'abord, on dépose sur la plaque une matière dopée positivement d’un côté, et négativement de l’autre. C’est ainsi que sont créées les deux bornes électriques - et +. La matière utilisée pour cela peut être un dérivé du phosphore, ou encore du silicium amorphe. Les recherches tentent actuellement de déterminer quelle matière et quel mode de dépôt a le meilleur rapport rendement/prix.
Estoppey chauffage wafers energie solaire thermique et photovoltaique
Estoppey chauffage couche panneau energie solaire thermique et photovoltaique
Par dessus cette couche est déposée une couche anti-reflets. Pour cette méthode aussi il existe plusieurs techniques. Celle qui est la plus utilisée consiste à déposer une matière bleue ou noire qui donne la couleur aux panneaux, le wafer étant à l’origine gris, avec des reliefs observables uniquement à l’échelle microscopique. La couleur et les reliefs permettent à la cellule de récupérer un maximum d’énergie solaire, en évitant que la lumière ne soit réfléchie et que de l'énergie soit ainsi perdue.
 
 Après cela, il faut placer des contacts électriques sur les cellules afin de pouvoir récupérer l’énergie produite. Il y a sur la plaque un quadrillage de contacts en argent (Ag) , déposés par sérigraphie à partir de pâte d'argent : on distingue deux lignes larges, les "BUS", sur lesquelles on place les contacts en cuivre servant à relier les cellules entre elles, et beaucoup de lignes très fines sur tout le reste de la cellule, qui servent à récupérer le courant créé sur toute la surface.

Les composants d'une installation solaire photovoltaïque

Estoppey chauffage installation energie solaire thermique et photovoltaique

Vue d’ensemble

Un système photovoltaïque est une chaîne de composants qui vont du module photovoltaïque au disjoncteur de raccordement au réseau électrique. Le courant continu disponible aux bornes du module peut être utilisé de différentes manières en raccordant ces bornes à un circuit électrique qui l’achemine vers un ensemble de composants qui forment un "système photovoltaïque" conçu et dimensionné en fonction de l’application et de l’usage qui est fait de l’électricité produite.


Dans les systèmes raccordés au réseau, l’électricité produite en courant continu est transformée en courant alternatif par l’onduleur puis comptabilisée par un compteur de production électrique préalablement installé par le gestionnaire du réseau avant d’être injectée sur le réseau. Plusieurs options de branchements sont possibles

 

Les composants et leur acquisition

Bien qu’une installation photovoltaïque requière peu de composants, ceux-ci doivent être choisis judicieusement pour répondre aux attentes du maître d’ouvrage en termes de production, d’efficacité de l’investissement et d’intérêt environnemental. Dans le cas du photovoltaïque, on peut garder en tête que tout kilowattheure "perdu" du fait d’un mauvais dimensionnement ne sera pas vendu, ni consommé, et cela sur les 20 ou 30 ans de durée de vie de l’installation.


Chaque étape du système entraîne une perte d’énergie vis-à-vis de l’énergie solaire reçue par les modules. Si le rendement de ces derniers constitue les pertes les plus importantes (rendements de 6 à 18%, selon la technologie), il ne faut pas omettre de prendre en compte les éléments en aval impactant la performance du système. Ainsi, il sera inutile de chercher le module qui aura quelques points de rendement supplémentaires si l’on n’est pas sûr de pouvoir en profiter à l’aide d’un onduleur correctement choisi et des câbles de calibre suffisant.

Source Hespul – photovoltaique-info

Dans le cas d’une centrale photovoltaïque, raccordée au réseau, on retrouve généralement les divers équipements suivants :

Une structure porteuse ou de fixation :
Fonction  :

Supporter le poids des panneaux

Résister aux contraintes environnementales.

Le compteur de production :
Fonction  :

Suivre la production du système

Le système peut aussi être équipé de batteries, destinées à stocker l’électricité.

Le système de supervision :
Fonction  :

Suivre le fonctionnement et la performance de l’installation

Permettre d’optimiser la production (détection d’anomalie)

Les panneaux photovoltaïques :
Fonction  :

Convertir le rayonnement solaire en courant continu

Assurer une fonction de couverture (projet en toiture)

Les modules sont au cœur du système. Les photovoltaïciens regroupent les autres composants dans leur jargon sous le terme "B.O.S." pour "Balance Of System".

Les composants de distribution courant ; continu (DC) ou alternatif (AC) (cables, connectiques, protections, etc.) :
Fonction  :

Raccorder les chaînes de panneaux entre elles

Protéger les chaînes de panneaux et les intervenants des risques électriques et atmosphériques

Assurer l’acheminement du courant produit vers les postes de conversion

L’onduleur :
Fonction  :

Convertir le courant continu en courant alternatif

Protéger les circuits de distribution DC et les intervenants des risques électriques et atmosphériques

Générer un courant alternatif de qualité

Transformer la basse tension en moyenne tension

Le rôle de l'onduleur photovoltaïque

 Un onduleur photovoltaïque doit remplir plusieurs fonctions essentielles dans une installation photovoltaïque raccordées au réseau.

- Conversion continu-alternatif

- Recherche du point de puissance maximum

- La protection de découplage

Recherche du point de puissance maximum du groupe photovoltaïque

Le MPPT est un système intégré à l'onduleur et qui permet de câler le courant et la tension d'entrée de l'onduleur sur le point de puissance maximale du groupe photovoltaïque.

Le groupe photovoltaïque relié à l'onduleur présente une infinité de point de fonctionnement possible, c'est-à-dire une infinité de couple courant-tension (U ; I). Mais il existe un seul point (U ; I) de tel sorte que la puissance délivrée (P=U×I) par le groupe photovoltaïque soit maximum. Ce point est le point de puissance maximum (MPP, Maximum Power Point en anglais) du groupe photovoltaïque. Veuillez lire le cours sur les caractéristiques électriques des modules photovoltaïques pour plus de précisions.

 

Il va de soi que la puissance délivrée par le groupe photovoltaïque doit être la plus importante possible, c'est-à-dire la puissance correspondant au point de puissance maximum, notée PMPP.

 

Les onduleurs photovoltaïques disposent d'un système permettant de trouver ce point de puissance maximum. Ce système s'appelle le MPPT (Maximal Power Point Tracker).

Concrêtement, il s'agit d'une unité d'électronique de puissance placée en amont du convertisseur continu → alternatif. Certains onduleurs sont munis d'un seul tracker, d'autres en sont doter de plusieurs.

Source: photovoltaique.guidenr

Un onduleur mono-tracker est composé d'un système MPPT (Maximal Power Point Tracking), d'un convertisseur continu → alternatif, d'une protection différentielle et d'une protection de découplage, ainsi qu'illustré sur la figure ci-contre.
Cette description n'est valable que pour les onduleurs sans transformateur. Les onduleurs disposant d'un transformateur n'ont pas de protection différentielle. A la place, il dispose d'un transformateur.
Un onduleur multi-tracker est composé de plusieurs système MPPT (Maximal Power Point Tracking) suivi de convertisseurs continu → continu, d'un convertisseur continu → alternatif, d'une protection différentielle et d'une protection de découplage, ainsi qu'illustré sur la figure ci-contre.
Cette description n'est valable que pour les onduleurs sans transformateur. Les onduleurs disposant d'un transformateur n'ont pas de protection différentielle. A la place, il dispose d'un transformateur.
Les convertisseurs continu → continu sont utiles pour harmoniser les tensions issues des trackers.

Conversion du courant et de la tension continus en courant et tension alternatifs

Estoppey chauffage onduleur energie solaire thermique et photovoltaique
L'onduleur est un convertisseur de type continu → alternatif.
Dans une installation photovoltaïque, l'onduleur occupe une place centrale. Il va transformer le courant continu délivrée par l'installation photovoltaïque en un courant alternatif compatible avec le réseau.
On distingue la partie continue notée DC, reliée aux modules en amont de l'onduleur, et la partie alternative notée AC, reliée au réseau en aval de l'onduleur.
Le courant et la tension continus produits par les modules photovoltaïques sont transformés, via l'onduleur, en un courant et une tension alternatives compatibles avec le réseau.
En France, les caractéristiques du réseau sont les suivantes :
  • Fréquence de 50 Hz
  • Tension efficace de 230 V
Ainsi, en France un onduleur doit injecter dans le réseau une tension alternative ayant ces propriétés.

Panneau solaire hybride : le mixte photovoltaïque / thermique

Estoppey chauffage panneau energie solaire thermique et photovoltaique

Le panneau solaire hybride est un mixte photovoltaïque et thermique, il permet de produire à la fois de l'électricité et de la chaleur.

Ce système de cogénération offre deux avantages majeurs :

    - Augmenter le rendement des cellules photovoltaïques en abaissant leur température.

    - Économiser de l'espace en combinant la production électrique et thermique sur une même surface.


Fonctionnement d'un panneau solaire mixte photovoltaïque / thermique

Un panneau solaire hybride est composé d'un capteur solaire thermique (chauffe-eau solaire) à haut rendement sur lequel sont disposées des cellules solaires photovoltaïques .


L'inconvénient d'une cellule photovoltaïque classique est que son rendement baisse à mesure que la température augmente .

En effet, une partie du rayonnement solaire n'est pas convertie en électricité et se dissipe sous forme de chaleur, augmentant la température de la cellule par rapport à la température ambiante.

 

Dans un capteur solaire hybride, le fluide qui circule dans la partie thermique pour être réchauffé permet également de refroidir les cellules photovoltaïques et donc d'augmenter leurs rendements.

La température du système solaire hybride est ainsi stabilisée à environ 45°C, cela permet de produire plus d'électricité photovoltaïque qu'un capteur PV conventionnel de même puissance crête tout en produisant de la chaleur.


Le capteur thermique permet de stabiliser la température du capteur PV et ainsi augmenter son rendement


Avantages :

- Augmentation du rendement du capteur photovoltaïque en stabilisant la température du panneau
- Production de l'électricité et de la chaleur sur une même surface

- L’exploitation n’émet pas de pollution

- Système silencieux, pas de mouvement

- L'énergie solaire est gratuite et inépuisable


Inconvénients :

- La stabilisation de la température du système engendre une production solaire thermique non optimale
- L'énergie solaire est présente par intermittence (ensoleillement / jour / nuit)