Réception de la conférence pour publication dans l'EBS de l'Université d'État "Leti" de Saint-Pétersbourg. La conversion de l'énergie solaire est une voie prometteuse pour le développement énergétique. Les principales pertes d'énergie irréversibles dans les cellules solaires sont liées à

Types de convertisseurs photoélectriques

Les dispositifs les plus économes en énergie pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique (puisqu’il s’agit d’une transition énergétique directe en une seule étape) sont les convertisseurs photovoltaïques à semi-conducteurs (PVC). À une température d'équilibre caractéristique des cellules photovoltaïques de l'ordre de 300 à 350 Kelvin et une T solaire ~ 6 000 K, leur efficacité théorique maximale est > 90 %. Cela signifie que, grâce à l'optimisation de la structure et des paramètres du convertisseur, visant à réduire les pertes d'énergie irréversibles, il sera tout à fait possible d'augmenter le rendement pratique à 50 % ou plus (en laboratoire, un rendement de 40 % a déjà été atteint). été atteint).

La recherche théorique et les développements pratiques dans le domaine de la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire ont confirmé la possibilité d'atteindre des valeurs d'efficacité aussi élevées avec les cellules solaires et ont identifié les principaux moyens d'atteindre cet objectif.

La conversion d'énergie dans les cellules photovoltaïques repose sur l'effet photovoltaïque, qui se produit dans des structures semi-conductrices inhomogènes lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire. L'hétérogénéité de la structure PV peut être obtenue en dopant le même semi-conducteur avec différentes impuretés (créant des jonctions p-n) ou en connectant différents semi-conducteurs avec des bandes interdites inégales - l'énergie d'élimination des électrons de l'atome (créant des hétérojonctions), ou en modifiant le produit chimique composition semi-conductrice, conduisant à l'apparition d'un gradient de la bande interdite (création de structures graduées-gap). Diverses combinaisons des méthodes ci-dessus sont également possibles. L'efficacité de la conversion dépend des caractéristiques électriques de la structure semi-conductrice inhomogène, ainsi que des propriétés optiques de la cellule solaire, parmi lesquelles le rôle le plus important est joué par la photoconductivité, provoquée par l'effet photoélectrique interne des semi-conducteurs lorsqu'ils sont irradiés par la lumière du soleil. Le principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques peut être expliqué à l’aide de l’exemple des convertisseurs à jonctions p-n, largement utilisés dans l’énergie solaire et spatiale moderne. Une jonction électron-trou est créée en dopant une tranche de matériau semi-conducteur monocristallin avec un certain type de conductivité (c'est-à-dire de type p ou n) avec une impureté, assurant la création d'une couche superficielle avec une conductivité opposée. taper.

La concentration de dopant dans cette couche doit être nettement supérieure à la concentration de dopant dans le matériau de base (monocristal d'origine) afin de neutraliser les principaux porteurs de charge libres qui y sont présents et de créer une conductivité de signe opposé. À la limite des couches n et p, en raison du flux de charges, des zones appauvries se forment avec une charge volumétrique positive non compensée dans la couche n et une charge volumétrique négative dans la couche p. Ces zones forment ensemble une jonction p-n. La barrière de potentiel (différence de potentiel de contact) qui apparaît à la transition empêche le passage des principaux porteurs de charge, c'est-à-dire électrons du côté de la couche p, mais permettent librement aux porteurs minoritaires de passer dans des directions opposées. Cette propriété des jonctions p-n détermine la possibilité d'obtenir une photo-emf lors de l'irradiation d'une cellule solaire avec la lumière du soleil. Les porteurs de charge hors équilibre (paires électron-trou) créés par la lumière dans les deux couches de la cellule photovoltaïque sont séparés au niveau de la jonction p-n : les porteurs minoritaires (c'est-à-dire les électrons) traversent librement la jonction et les porteurs majoritaires (trous) sont retenus. Ainsi, sous l'influence du rayonnement solaire, un courant de porteurs de charge minoritaires hors équilibre - photoélectrons et phototrous - circulera à travers la jonction p-n dans les deux sens, ce qui est exactement ce qui est nécessaire au fonctionnement de la cellule solaire. Si nous fermons maintenant le circuit externe, alors les électrons de la couche n, après avoir travaillé sur la charge, reviendront à la couche p et là se recombineront (s'uniront) avec des trous se déplaçant à l'intérieur de la cellule solaire dans la direction opposée. Pour collecter et éliminer les électrons dans un circuit externe, il existe un système de contact à la surface de la structure semi-conductrice de la cellule solaire. Sur la surface avant éclairée du convertisseur, les contacts sont réalisés sous forme de grille ou de peigne, et à l'arrière ils peuvent être pleins.

Les principales pertes d'énergie irréversibles dans les cellules solaires sont liées à :

réflexion du rayonnement solaire depuis la surface du convertisseur,
le passage d'une partie du rayonnement à travers la cellule photovoltaïque sans absorption dans celle-ci,
diffusion de l'énergie photonique excédentaire sur les vibrations thermiques du réseau,
recombinaison des photopaires formés sur les surfaces et dans le volume de la cellule photovoltaïque,
résistance interne du convertisseur,
et quelques autres processus physiques.

Pour réduire tous les types de pertes d'énergie dans les centrales solaires, diverses mesures sont développées et appliquées avec succès. Ceux-ci inclus:

l'utilisation de semi-conducteurs avec des bandes interdites optimales pour le rayonnement solaire ;
amélioration ciblée des propriétés de la structure semi-conductrice grâce à son dopage optimal et à la création de champs électriques intégrés ;
transition de structures semi-conductrices homogènes à hétérogènes et à espacement progressif ;
optimisation des paramètres de conception PV (profondeur de jonction pn, épaisseur de la couche de base, fréquence de la grille de contact, etc.) ;
l'utilisation de revêtements optiques multifonctionnels qui assurent l'antireflet, la régulation thermique et la protection des cellules solaires contre le rayonnement cosmique ;
développement de cellules solaires transparentes dans la région des ondes longues du spectre solaire au-delà du bord de la bande d'absorption principale ;
création de cellules photovoltaïques en cascade à partir de semi-conducteurs spécialement sélectionnés pour leur largeur de bande interdite, permettant de convertir dans chaque cascade le rayonnement ayant traversé la cascade précédente, etc. ;

En outre, une augmentation significative de l'efficacité des cellules solaires a été obtenue grâce à la création de convertisseurs à sensibilité double face (jusqu'à +80 % de l'efficacité existante d'un côté), à l'utilisation de structures réémettrices luminescentes et à l'étude préliminaire décomposition du spectre solaire en deux ou plusieurs régions spectrales à l'aide de séparateurs de faisceaux à film multicouche (miroirs dichroïques). ) avec transformation ultérieure de chaque partie du spectre par une cellule photovoltaïque séparée, etc.

Dans les systèmes de conversion d'énergie des centrales solaires (centrales solaires), en principe, tous les types de cellules solaires de diverses structures basées sur divers matériaux semi-conducteurs qui ont été créés et sont actuellement en cours de développement peuvent être utilisés, mais toutes ne satisfont pas aux exigences. ensemble d'exigences pour ces systèmes :

haute fiabilité avec une longue durée de vie (des dizaines d'années !) ;
disponibilité des matières premières en quantités suffisantes pour la fabrication des éléments du système de conversion et possibilité d'organiser leur production en série ;
des coûts énergétiques pour la création d'un système de conversion acceptables en termes de délais de récupération ;
Coûts énergétiques et de masse minimaux associés à la gestion du système de conversion et de transmission d'énergie (espace), y compris l'orientation et la stabilisation de la station dans son ensemble ;
Facilité d'entretien.

Par exemple, certains matériaux prometteurs sont difficiles à obtenir dans les quantités nécessaires à la création de centrales solaires en raison des réserves naturelles limitées de matières premières et de la complexité de leur transformation. Certaines méthodes pour améliorer les caractéristiques énergétiques et opérationnelles des cellules solaires, par exemple par la création de structures complexes, sont peu compatibles avec les possibilités d'organiser leur production en série à faible coût, etc. Une productivité élevée ne peut être obtenue qu'en organisant une production photovoltaïque entièrement automatisée, par exemple basée sur la technologie des bandes, et en créant un réseau développé d'entreprises spécialisées du profil approprié, c'est-à-dire en fait, toute une industrie, comparable en échelle à l’industrie radioélectronique moderne. La production de cellules solaires et l'assemblage de panneaux solaires sur des lignes automatisées réduiront le coût du module de batterie de 2 à 2,5 fois.

Le silicium et l'arséniure de gallium (GaAs) sont actuellement considérés comme les matériaux les plus probables pour les systèmes photovoltaïques permettant de convertir l'énergie solaire en SES, et dans ce dernier cas, nous parlons d'hétérophotoconvertisseurs (HPC) avec une structure AlGaAs-GaAs.

Comme on le sait, les FEC (convertisseurs photovoltaïques) à base d'un composé d'arsenic et de gallium (GaAs) ont un rendement théorique supérieur à celui des FEC au silicium, car leur largeur de bande interdite coïncide pratiquement avec la largeur de bande interdite optimale pour les convertisseurs d'énergie solaire à semi-conducteurs = 1,4. eV. Pour le silicium, cet indicateur = 1,1 eV.

En raison du niveau plus élevé d'absorption du rayonnement solaire, déterminé par les transitions optiques directes dans GaAs, des cellules photovoltaïques à haut rendement basées sur ceux-ci peuvent être obtenues avec une épaisseur de cellule photovoltaïque nettement inférieure à celle du silicium. En principe, il suffit d'avoir une épaisseur de GFP de 5 à 6 microns pour obtenir une efficacité de l'ordre d'au moins 20 %, alors que l'épaisseur des éléments en silicium ne peut être inférieure à 50 à 100 microns sans une diminution notable de leur efficacité. . Cette circonstance permet de compter sur la création de films légers HFP, dont la production nécessitera relativement peu de matière première, surtout s'il est possible d'utiliser non pas GaAs comme substrat, mais un autre matériau, par exemple du saphir synthétique (Al2 O3 ).

Les GFC présentent également des caractéristiques opérationnelles plus favorables en termes d'exigences pour les convertisseurs SES par rapport aux cellules photovoltaïques au silicium. Ainsi, en particulier, la possibilité d'atteindre de petites valeurs initiales de courants de saturation inverse dans les jonctions p-n en raison de la grande bande interdite permet de minimiser l'ampleur des gradients de température négatifs d'efficacité et de puissance optimale du HPC et, en plus , élargissent considérablement la zone de dépendance linéaire de cette dernière à la densité de flux lumineux . Les dépendances expérimentales de l'efficacité des HFP à la température indiquent que l'augmentation de la température d'équilibre de ces derniers à 150-180°C n'entraîne pas une diminution significative de leur efficacité et de leur puissance spécifique optimale. Dans le même temps, pour les cellules solaires au silicium, une augmentation de la température au-dessus de 60-70°C est presque critique : le rendement chute de moitié.

En raison de leur résistance aux températures élevées, les cellules solaires à l’arséniure de gallium peuvent être utilisées comme concentrateurs de rayonnement solaire. La température de fonctionnement du HFP à base de GaAs atteint 180 °C, ce qui est déjà une température de fonctionnement acceptable pour les moteurs thermiques et les turbines à vapeur. Ainsi, aux 30% de rendement intrinsèque des HFP à base d'arséniure de gallium (à 150°C), on peut ajouter le rendement d'un moteur thermique utilisant la chaleur perdue du liquide refroidissant les photocellules. Par conséquent, le rendement global de l'installation, qui utilise également le troisième cycle d'extraction de chaleur à basse température du liquide de refroidissement après la turbine pour le chauffage des locaux, peut être encore supérieur à 50 à 60 %.

En outre, les HFC à base de GaAs sont beaucoup moins susceptibles d'être détruits par des flux de protons et d'électrons à haute énergie que les FEC au silicium en raison du niveau élevé d'absorption de la lumière dans le GaAs, ainsi que de la faible durée de vie et de la longueur de diffusion requises des porteurs minoritaires. De plus, des expériences ont montré qu'une partie importante des défauts de rayonnement dans les HFP à base de GaAs disparaissent après leur traitement thermique (recuit) à une température d'environ 150-180 °C. Si les HFC GaAs fonctionnent constamment à une température de l'ordre de 150°C, alors le degré de dégradation de leur efficacité par rayonnement sera relativement faible pendant toute la période de fonctionnement actif des stations (cela est particulièrement vrai pour les centrales solaires spatiales, pour lesquels le faible poids et la taille du FEC ainsi que le rendement élevé sont importants).

De manière générale, nous pouvons conclure que les caractéristiques énergétiques, de masse et opérationnelles des HFC à base de GaAs sont plus conformes aux exigences du SES et du SCES (espace) que les caractéristiques des FEC au silicium. Cependant, le silicium est un matériau beaucoup plus accessible et largement utilisé que l’arséniure de gallium. Le silicium est répandu dans la nature et l'approvisionnement en matières premières pour créer des cellules solaires à partir de celui-ci est presque illimité. La technologie de fabrication de cellules solaires au silicium est bien établie et est constamment améliorée. Il existe une réelle perspective de réduire le coût des cellules solaires en silicium d'un à deux ordres de grandeur avec l'introduction de nouvelles méthodes de production automatisées, qui permettent notamment de produire des rubans de silicium, des cellules solaires de grande surface, etc.

Les prix des batteries photovoltaïques au silicium ont diminué de 20 à 30 fois en 25 ans, passant de 70 à 100 dollars/watt dans les années 70 à 3,5 dollars/watt en 2000 et continuent de baisser. En Occident, une révolution dans le secteur énergétique est attendue lorsque les prix franchiront la barre des 3 dollars. Selon certains calculs, cela pourrait se produire dès 2002, et pour la Russie, avec les tarifs énergétiques actuels, ce moment se fera au prix de 1 watt d'énergie solaire de 0,3 à 0,5 dollar, c'est-à-dire d'un ordre de grandeur inférieur. prix. Tous les facteurs pris ensemble jouent ici un rôle : les tarifs douaniers, le climat, les latitudes géographiques et la capacité de l’État à fixer les prix réels et à réaliser des investissements à long terme. Dans les structures réelles à hétérojonctions, le rendement atteint aujourd'hui plus de 30 %, et dans les semi-conducteurs homogènes tels que le silicium monocristallin, jusqu'à 18 %. Le rendement moyen des cellules solaires à base de silicium monocristallin est aujourd'hui d'environ 12 %, bien qu'il atteigne 18 %. Ce sont principalement des SB en silicium que l’on voit aujourd’hui sur les toits des maisons du monde entier.

Contrairement au silicium, le gallium est un matériau très rare, ce qui limite la possibilité de produire des HFP à base de GaAs dans les quantités nécessaires à une mise en œuvre généralisée.

Le gallium est extrait principalement de la bauxite, mais la possibilité de l'obtenir à partir de cendres de charbon et d'eau de mer est également envisagée. Les plus grandes réserves de gallium se trouvent dans l'eau de mer, mais la concentration y est très faible, le rendement de récupération est estimé à seulement 1 % et, par conséquent, les coûts de production risquent d'être prohibitifs. La technologie de production de HFP à base de GaAs par des méthodes d'épitaxie liquide et gazeuse (croissance orientée d'un monocristal à la surface d'un autre (sur un substrat)) n'a pas encore été développée dans la même mesure que la technologie de production de HFP à base de GaAs. PVS au silicium, et par conséquent, le coût des HFP est désormais nettement plus élevé (par ordre de grandeur) que le coût des cellules solaires au silicium.

Le coût des HFP lors de leur production en série basée sur une technologie améliorée sera probablement également considérablement réduit, et en général, le coût du système de conversion d'un système de conversion de puissance SES basé sur des HFP GaAs peut être tout à fait comparable au coût d'un système de conversion de puissance au silicium. système basé. Ainsi, à l'heure actuelle, il est difficile de donner une préférence claire à l'un des deux matériaux semi-conducteurs considérés - le silicium ou l'arséniure de gallium, et seul le développement ultérieur de leur technologie de production montrera quelle option sera la plus rationnelle pour les systèmes terrestres et spatiaux. basée sur l'énergie solaire. Dans la mesure où les SB produisent du courant continu, il s'agit de le transformer en courant alternatif industriel 50 Hz, 220 V. Une classe particulière d'appareils - les onduleurs - s'acquitte parfaitement de cette tâche.

Calcul du système photovoltaïque.

L’énergie des cellules solaires peut être utilisée de la même manière que l’énergie d’autres sources d’énergie, à la différence que les cellules solaires ne craignent pas les courts-circuits. Chacun d'eux est conçu pour maintenir une certaine quantité de courant à une tension donnée. Mais contrairement aux autres sources de courant, les caractéristiques d’une cellule solaire dépendent de la quantité de lumière incidente sur sa surface. Par exemple, un cloud entrant peut réduire la puissance de sortie de plus de 50 %. De plus, les écarts dans les conditions technologiques entraînent une dispersion des paramètres de sortie des éléments d'un lot. Par conséquent, la volonté d’assurer une efficacité maximale des convertisseurs photovoltaïques conduit à la nécessité de trier les cellules par courant de sortie. Comme exemple clair d'« un mauvais mouton gâtant tout le troupeau », on peut citer le suivant : insérer une section de tuyau d'un diamètre beaucoup plus petit dans une brèche dans une conduite d'eau de grand diamètre ; en conséquence, le débit d'eau sera diminuer fortement. Quelque chose de similaire se produit dans une chaîne de cellules solaires avec des paramètres de sortie hétérogènes.

Les cellules solaires au silicium sont des dispositifs non linéaires et leur comportement ne peut être décrit par une formule simple telle que la loi d'Ohm. Au lieu de cela, pour expliquer les caractéristiques d'un élément, vous pouvez utiliser une famille de courbes faciles à comprendre : les caractéristiques courant-tension (CVC).

La tension en circuit ouvert générée par un élément varie légèrement d'un élément à l'autre dans un même lot et d'un fabricant à l'autre et est d'environ 0,6 V. Cette valeur ne dépend pas de la taille de l'élément. La situation est différente avec le courant. Cela dépend de l’intensité de la lumière et de la taille de l’élément, qui fait référence à sa surface.

Un élément mesurant 100 à 100 mm est 100 fois plus grand qu'un élément mesurant 10 à 10 mm et, par conséquent, sous le même éclairage, il produira un courant 100 fois supérieur.

En chargeant l'élément, vous pouvez tracer la dépendance de la puissance de sortie sur la tension, obtenant quelque chose de similaire à celui illustré sur la figure 2.

La puissance crête correspond à une tension d'environ 0,47 V. Ainsi, afin d'évaluer correctement la qualité de la cellule solaire, ainsi que dans un souci de comparaison des éléments entre eux dans les mêmes conditions, il est nécessaire de la charger de manière à que la tension de sortie est égale à 0,47 V. Une fois le solaire sélectionné, les éléments pour le travail doivent être soudés. Les éléments série sont équipés de grilles collectrices de courant, conçues pour y souder des conducteurs.

Les batteries peuvent être disposées dans n'importe quelle combinaison souhaitée. La batterie la plus simple est une chaîne d’éléments connectés en série. Vous pouvez également connecter des chaînes en parallèle, ce qui donne lieu à une connexion dite série-parallèle.

Un point important dans le fonctionnement des cellules solaires est leur régime de température. Lorsque l'élément est chauffé d'un degré au-dessus de 25°C, il perd 0,002 V en tension, soit 0,4%/degré. La figure 3 montre une famille de courbes caractéristiques courant-tension pour des températures de 25°C et 60°C.

Par une journée ensoleillée, les éléments chauffent jusqu'à 60-70°C, perdant 0,07-0,09 V chacun. C'est la principale raison de la diminution de l'efficacité des cellules solaires, entraînant une baisse de la tension générée par l'élément. L'efficacité d'une cellule solaire conventionnelle se situe actuellement entre 10 et 16 %. Cela signifie qu'un élément mesurant 100 à 100 mm dans des conditions standard peut générer 1 à 1,6 W.

Tous les systèmes photovoltaïques peuvent être divisés en deux types : autonomes et connectés au réseau électrique. Les stations du deuxième type libèrent l'énergie excédentaire dans le réseau, qui sert de réserve en cas de pénurie d'énergie interne.

Un système autonome se compose généralement d'un ensemble de modules solaires placés sur une structure porteuse ou sur le toit, d'une batterie, d'un contrôleur de charge/décharge de batterie et de câbles de connexion. Les modules solaires constituent le composant principal de la construction de systèmes photovoltaïques. Ils peuvent être fabriqués avec n'importe quelle tension de sortie.

Une fois les cellules solaires sélectionnées, elles doivent être soudées. Les éléments série sont équipés de grilles collectrices de courant pour y souder des conducteurs. Les batteries peuvent être fabriquées dans n’importe quelle combinaison.

La batterie la plus simple est une chaîne d’éléments connectés en série.

Vous pouvez connecter ces chaînes en parallèle, obtenant ainsi une connexion dite série-parallèle. En parallèle, seules des chaînes (lignes) de tension identique peuvent être connectées, et leurs courants sont additionnés selon la loi de Kirchhoff.

Pour une utilisation terrestre, ils sont généralement utilisés pour charger des batteries d'une tension nominale de 12 V. Dans ce cas, en règle générale, 36 cellules solaires sont connectées en série et scellées par laminage sur du verre, du PCB ou de l'aluminium. Les éléments sont situés entre deux couches de film d'étanchéité, sans lame d'air. La technologie de laminage sous vide vous permet de répondre à cette exigence. Dans le cas d'un entrefer entre le verre de protection et l'élément, les pertes par réflexion et absorption atteindraient 20 à 30 % contre 12 % sans entrefer.

Les paramètres électriques d'une cellule solaire sont présentés ainsi que d'une cellule solaire individuelle sous la forme d'une courbe courant-tension dans des conditions standards (Standard Test Conditions), c'est-à-dire avec un rayonnement solaire de 1000 W/m2, température - 25°C. et spectre solaire à une latitude de 45° (AM1.5) .

Le point d'intersection de la courbe avec l'axe de tension est appelé tension à vide - Uxx, le point d'intersection avec l'axe de courant est appelé courant de court-circuit Is.

La puissance maximale du module est définie comme la puissance la plus élevée selon les STC (Standard Test Conditions). La tension correspondant à la puissance maximale est appelée tension de puissance maximale (tension de fonctionnement - Up), et le courant correspondant est appelé courant de puissance maximale (courant de fonctionnement - Ip).

La tension de fonctionnement d'un module composé de 36 éléments sera donc d'environ 16...17 V (0,45...0,47 V par élément) à 25°C.

Cette marge de tension par rapport à la tension d'une charge complète de la batterie (14,4 V) est nécessaire pour compenser les pertes dans le contrôleur de charge-décharge de la batterie (qui sera discutée plus tard), et principalement - une diminution de la tension de fonctionnement du module lorsque le module est chauffé par rayonnement : Le coefficient de température du silicium est d'environ moins 0,4%/degré (0,002 V/degré pour un élément).

Il est à noter que la tension en circuit ouvert du module dépend peu de l'éclairement, tandis que le courant de court-circuit, et donc le courant de fonctionnement, est directement proportionnel à l'éclairement.

Ainsi, lorsqu'ils sont chauffés dans des conditions de fonctionnement réelles, les modules chauffent jusqu'à une température de 60 à 70°C, ce qui correspond à un déplacement du point de tension de fonctionnement, par exemple pour un module avec une tension de fonctionnement de 17 V - de 17 V à 13,7-14,4 V (0,38-0,4 V par élément).

Sur la base de tout ce qui précède, il est nécessaire d'aborder le calcul du nombre d'éléments du module connectés en série. Si le consommateur a besoin d'une tension alternative, alors un onduleur-convertisseur de tension continue en tension alternative est ajouté à cela. trousse.

Le calcul du FES signifie la détermination de la puissance nominale des modules, de leur nombre, du schéma de connexion ; sélection du type, des conditions de fonctionnement et de la capacité de la batterie ; puissance de l'onduleur et du contrôleur de charge-décharge ; détermination des paramètres du câble de connexion.

Tout d’abord, il faut déterminer la puissance totale de tous les consommateurs connectés simultanément. La puissance de chacun d’eux est mesurée en watts et est indiquée dans les fiches techniques des produits. A ce stade, vous pouvez déjà sélectionner la puissance de l'onduleur, qui doit être au moins 1,25 fois supérieure à celle calculée. Il convient de garder à l'esprit qu'un appareil aussi astucieux qu'un réfrigérateur à compresseur consomme au moment du démarrage 7 fois plus d'énergie que la puissance nominale.

La plage nominale des onduleurs est de 150, 300, 500, 800, 1 500, 2 500, 5 000 W. Pour les stations puissantes (plus de 1 kW), la tension de la station est sélectionnée au moins 48 V, car À des puissances plus élevées, les onduleurs fonctionnent mieux avec des tensions initiales plus élevées.

L'étape suivante consiste à déterminer la capacité de la batterie. La capacité de la batterie est sélectionnée parmi une gamme standard de capacités, arrondie au côté plus grand que celui calculé. Et la capacité calculée est obtenue en divisant simplement la puissance totale des consommateurs par le produit de la tension de la batterie et de la profondeur de décharge de la batterie en fractions.

Par exemple, si la puissance totale des consommateurs est de 1 000 Wh par jour et que la profondeur de décharge autorisée d'une batterie 12 V est de 50 %, alors la capacité calculée sera :

1000 / (12 x 0,5) = 167 Ah

Lors du calcul de la capacité de la batterie en mode totalement autonome, il est nécessaire de prendre en compte la présence de jours nuageux dans la nature pendant lesquels la batterie doit assurer le fonctionnement des consommateurs.

La dernière étape consiste à déterminer la puissance totale et le nombre de modules solaires. Le calcul nécessitera la valeur du rayonnement solaire, qui est prise pendant la période de fonctionnement de la station, lorsque le rayonnement solaire est minime. Dans le cas d'une utilisation toute l'année, nous sommes en décembre.

La section « météorologie » fournit les valeurs mensuelles et annuelles totales du rayonnement solaire pour les principales régions de Russie, ainsi que la gradation selon les différentes orientations du plan récepteur de lumière.

En prenant à partir de là la valeur du rayonnement solaire pour la période qui nous intéresse et en la divisant par 1000, nous obtenons ce qu'on appelle le nombre de pico-heures, c'est-à-dire le temps conditionnel pendant lequel le soleil brille avec une intensité de 1000 W/ m2.

Par exemple, pour la latitude de Moscou et le mois de juillet, la valeur du rayonnement solaire est de 167 kWh/m2 lorsque le site est orienté vers le sud selon un angle de 40° par rapport à l'horizon. Cela signifie qu'en juillet le soleil brille en moyenne pendant 167 heures (5,5 heures par jour) avec une intensité de 1000 W/m2, bien que l'éclairement maximum à midi sur une zone orientée perpendiculairement au flux lumineux ne dépasse pas 700-750 W. /m2.

Le module avec puissance Pw pendant la période sélectionnée générera la quantité d'énergie suivante : W = k Pw E / 1000, où E est la valeur d'ensoleillement pour la période sélectionnée, coefficient k égal à 0,5 en été et 0,7 en hiver.

Ce coefficient corrige la perte de puissance des cellules solaires lorsqu'elles sont chauffées au soleil, et prend également en compte l'incidence inclinée des rayons sur la surface des modules pendant la journée.

La différence de valeur en hiver et en été est due à un moindre échauffement des éléments en hiver.

Sur la base de la puissance totale de l'énergie consommée et de la formule ci-dessus, il est facile de calculer la puissance totale des modules. Et le connaissant, en le divisant simplement par la puissance d'un module, on obtient le nombre de modules.

Lors de la création d’une centrale solaire, il est fortement recommandé de réduire au maximum la puissance des consommateurs. Par exemple, utilisez (si possible) uniquement des lampes fluorescentes comme éclairage. De telles lampes, avec une consommation 5 fois inférieure, fournissent un flux lumineux équivalent au flux lumineux d'une lampe à incandescence.

Pour les petites installations PV, il est conseillé d'installer ses modules sur un support rotatif pour une rotation optimale par rapport aux rayons incidents. Cela augmentera la capacité de la station de 20 à 30 %.

Un peu sur les onduleurs.

Les onduleurs ou convertisseurs de courant continu en courant alternatif sont conçus pour fournir une alimentation électrique de haute qualité à divers équipements et appareils dans des conditions d'absence ou de mauvaise qualité d'un réseau d'alimentation en courant alternatif avec une fréquence de 50 Hz et une tension de 220 V. , diverses situations d'urgence, etc.

L'onduleur est un convertisseur d'impulsions de courant continu d'une tension de 12 (24, 48, 60) V en courant alternatif d'une tension stabilisée de 220 V avec une fréquence de 50 Hz. La plupart des onduleurs ont une tension SINEUSOÏDALE STABILISÉE en sortie, ce qui leur permet d'être utilisés pour alimenter presque tous les équipements et appareils.

Structurellement, l'onduleur se présente sous la forme d'une unité de bureau. Sur le panneau avant de l'onduleur se trouvent un interrupteur de fonctionnement du produit et un indicateur de fonctionnement du convertisseur. Sur le panneau arrière du produit se trouvent des broches (bornes) pour connecter une source CC, par exemple une batterie, une broche de mise à la terre pour le boîtier de l'onduleur, un trou avec un support de ventilateur (refroidissement) et une prise Euro tripolaire. pour connecter la charge.

La tension stabilisée à la sortie de l'onduleur vous permet de fournir une alimentation électrique de haute qualité à la charge lorsque la tension d'entrée change/fluctue, par exemple lorsque la batterie est déchargée ou des fluctuations du courant consommé par la charge. L'isolation galvanique garantie de la source DC à l'entrée et du circuit AC avec la charge à la sortie de l'onduleur vous permet de ne pas prendre de mesures supplémentaires pour assurer la sécurité de fonctionnement lors de l'utilisation de diverses sources DC ou de tout équipement électrique. Le refroidissement forcé de la partie puissance et le faible niveau sonore lors du fonctionnement de l'onduleur permettent, d'une part, d'assurer de bonnes caractéristiques de poids et d'encombrement du produit, d'autre part, avec ce type de refroidissement ils ne créent pas d'inconvénients pendant le fonctionnement sous forme de bruit.

Panneau de commande intégré avec affichage électronique
Potentiomètre de capacité qui permet des réglages précis
Bande normalisée avec connexion par broches : WE WY STEROW
Freinage en marche arrière intégré
Radiateur avec ventilateur
Fixation esthétique
Alimentation 230 V - 400 V
Surcharge 150% - 60s
Temps de montée en puissance 0,01...1000 secondes
Filtre électrique intégré, classe A
Température de fonctionnement : -5°C - à +45°C
Port RS485
Réglage du pas de fréquence : 0,01 Hz - 1 kHz
Classe de protection IP 20

Fournit fonctionnellement : l'augmentation, la diminution de la fréquence, le contrôle de la surcharge et de la surchauffe.

Les dispositifs les plus économes en énergie pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique (puisqu’il s’agit d’une transition énergétique directe en une seule étape) sont les convertisseurs photovoltaïques à semi-conducteurs (PVC). À une température d'équilibre caractéristique des cellules solaires de l'ordre de 300 à 350 Kelvin et une température solaire de ~ 6 000 K, leur efficacité théorique maximale est > 90 %. Cela signifie que, grâce à l'optimisation de la structure et des paramètres du convertisseur, visant à réduire les pertes d'énergie irréversibles, il sera tout à fait possible d'augmenter le rendement pratique à 50 % ou plus (en laboratoire, un rendement de 40 % a déjà été atteint). été atteint).

La conversion d'énergie dans les cellules photovoltaïques est basée sur l'effet photovoltaïque, qui se produit dans des structures semi-conductrices inhomogènes lorsqu'elles sont exposées au rayonnement solaire. L'hétérogénéité de la structure des cellules photovoltaïques peut être obtenue en dopant le même semi-conducteur avec diverses impuretés (créant des jonctions p-n) ou en connectant différents semi-conducteurs avec une largeur de bande interdite inégale - l'énergie d'abstraction électronique d'un atome (création d'hétérojonctions), ou en raison de changements dans la composition chimique du semi-conducteur, conduisant à l'apparition d'un gradient de largeur de bande interdite (création de structures de lacunes). Diverses combinaisons des méthodes ci-dessus sont également possibles. L'efficacité de la conversion dépend des caractéristiques électriques de la structure semi-conductrice inhomogène, ainsi que des propriétés optiques de la cellule solaire, parmi lesquelles le rôle le plus important est joué par la photoconductivité, provoquée par l'effet photoélectrique interne des semi-conducteurs lorsqu'ils sont irradiés par la lumière du soleil. Le principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques peut être expliqué à l’aide de l’exemple des convertisseurs à jonctions p-n, largement utilisés dans l’énergie solaire et spatiale moderne. Une jonction électron-trou est créée en dopant une tranche de matériau semi-conducteur monocristallin avec un certain type de conductivité (c'est-à-dire de type p ou n) avec une impureté, assurant la création d'une couche superficielle avec une conductivité opposée. taper. La concentration de dopant dans cette couche doit être nettement supérieure à la concentration de dopant dans le matériau de base (monocristal d'origine) afin de neutraliser les principaux porteurs de charge libres qui y sont présents et de créer une conductivité de signe opposé. À la limite des couches n et p, en raison du flux de charges, des zones appauvries se forment avec une charge volumétrique positive non compensée dans la couche n et une charge volumétrique négative dans la couche p. Ces zones forment ensemble une jonction p-n. La barrière de potentiel (différence de potentiel de contact) qui apparaît à la transition empêche le passage des principaux porteurs de charge, c'est-à-dire électrons du côté de la couche p, mais permettent librement aux porteurs minoritaires de passer dans des directions opposées. Cette propriété des jonctions p-n détermine la possibilité d'obtenir une photo-emf lors de l'irradiation d'une cellule solaire avec la lumière du soleil. Les porteurs de charge hors équilibre (paires électron-trou) créés par la lumière dans les deux couches de la cellule photovoltaïque sont séparés au niveau de la jonction p-n : les porteurs minoritaires (c'est-à-dire les électrons) traversent librement la jonction et les porteurs majoritaires (trous) sont retenus. Ainsi, sous l'influence du rayonnement solaire, un courant de porteurs de charge minoritaires hors équilibre - photoélectrons et phototrous - circulera à travers la jonction p-n dans les deux sens, ce qui est exactement ce qui est nécessaire au fonctionnement de la cellule solaire. Si nous fermons maintenant le circuit externe, alors les électrons de la couche n, après avoir travaillé sur la charge, reviendront à la couche p et là se recombineront (s'uniront) avec des trous se déplaçant à l'intérieur de la cellule solaire dans la direction opposée. Pour collecter et éliminer les électrons dans un circuit externe, il existe un système de contact à la surface de la structure semi-conductrice de la cellule solaire. Sur la surface avant éclairée du convertisseur, les contacts sont réalisés sous forme de grille ou de peigne, et à l'arrière ils peuvent être pleins. Les principales pertes d'énergie irréversibles dans les cellules solaires sont liées à :

Ш réflexion du rayonnement solaire par la surface du convertisseur,
Ш en faisant passer une partie du rayonnement à travers la cellule photovoltaïque sans absorption dans celle-ci,
Ш diffusion de l'énergie photonique excédentaire sur les vibrations thermiques du réseau,
Ш recombinaison des photocouples formés sur les surfaces et dans le volume de la cellule photovoltaïque,
Ø résistance interne du convertisseur,
Ш et quelques autres processus physiques.

Pour réduire tous les types de pertes d'énergie dans les centrales solaires, diverses mesures sont développées et appliquées avec succès. Ceux-ci inclus:

b utilisation de semi-conducteurs avec une bande interdite optimale pour le rayonnement solaire ;

b amélioration ciblée des propriétés de la structure semi-conductrice grâce à son dopage optimal et à la création de champs électriques intégrés ;

b transition de structures semi-conductrices homogènes à hétérogènes et à gradient d'espacement ;

b optimisation des paramètres de conception PV (profondeur de jonction pn, épaisseur de la couche de base, fréquence de la grille de contact, etc.) ;

b l'utilisation de revêtements optiques multifonctionnels qui assurent l'antireflet, la régulation thermique et la protection des cellules solaires contre le rayonnement cosmique ;

b développement de cellules solaires transparentes dans la région des ondes longues du spectre solaire au-delà du bord de la bande d'absorption principale ;

b création de cellules solaires en cascade à partir de semi-conducteurs spécialement sélectionnés pour leur largeur de bande interdite, permettant de convertir dans chaque cascade le rayonnement ayant traversé la cascade précédente, etc. ;

· haute fiabilité avec une longue durée de vie (des dizaines d'années !) ;
· disponibilité des matières premières en quantités suffisantes pour la fabrication des éléments du système de conversion et possibilité d'organiser leur production en série ;
· des coûts énergétiques pour la création d'un système de conversion acceptables du point de vue des délais de récupération ;
· coûts minimaux d'énergie et de masse associés à la gestion du système de conversion et de transmission d'énergie (espace), y compris l'orientation et la stabilisation de la station dans son ensemble ;
· Facilité d'entretien.

Par exemple, certains matériaux prometteurs sont difficiles à obtenir dans les quantités nécessaires à la création de centrales solaires en raison des réserves naturelles limitées de matières premières et de la complexité de leur transformation. Certaines méthodes pour améliorer les caractéristiques énergétiques et opérationnelles des cellules solaires, par exemple par la création de structures complexes, sont peu compatibles avec les possibilités d'organiser leur production en série à faible coût, etc. Une productivité élevée ne peut être obtenue qu'en organisant une production photovoltaïque entièrement automatisée, par exemple basée sur la technologie des bandes, et en créant un réseau développé d'entreprises spécialisées du profil approprié, c'est-à-dire en fait, toute une industrie, comparable en échelle à l’industrie radioélectronique moderne. La production de cellules solaires et l'assemblage de cellules solaires sur des lignes automatisées réduiront le coût d'un module de batterie de 2 à 2,5 fois. Le silicium et l'arséniure de gallium (GaAs) sont actuellement considérés comme les matériaux les plus probables pour les systèmes photovoltaïques destinés à convertir l'énergie solaire. énergie des centrales solaires, et dans ce dernier cas, on parle d'hétérophotoconvertisseurs (HPC) avec une structure AlGaAs-GaAs.

Les GFC présentent également des caractéristiques opérationnelles plus favorables en termes d'exigences pour les convertisseurs SES par rapport aux cellules photovoltaïques au silicium. Ainsi, en particulier, la possibilité d'atteindre de petites valeurs initiales de courants de saturation inverse dans les jonctions p-n en raison de la grande bande interdite permet de minimiser l'ampleur des gradients de température négatifs d'efficacité et de puissance optimale du HPC et, en plus , élargissent considérablement la zone de dépendance linéaire de cette dernière à la densité de flux lumineux . Les dépendances expérimentales de l'efficacité des HFP sur la température indiquent que l'augmentation de la température d'équilibre de ces derniers à 150-180 °C n'entraîne pas une diminution significative de leur efficacité et de leur puissance spécifique optimale. Dans le même temps, pour les cellules solaires au silicium, une augmentation de la température supérieure à 60-70°C est presque critique - le rendement diminue de moitié.

En outre, les HFC à base de GaAs sont beaucoup moins susceptibles d'être détruits par des flux de protons et d'électrons à haute énergie que les FEC au silicium en raison du niveau élevé d'absorption de la lumière dans le GaAs, ainsi que de la faible durée de vie et de la longueur de diffusion requises des porteurs minoritaires. De plus, des expériences ont montré qu'une partie importante des défauts de rayonnement dans les HFP à base de GaAs disparaissent après leur traitement thermique (recuit) à une température d'environ 150-180 °C. Si les HFC GaAs fonctionnent constamment à une température de l'ordre de 150 °C, le degré de dégradation de leur efficacité par rayonnement sera relativement faible pendant toute la période de fonctionnement actif des stations (cela est particulièrement vrai pour les centrales solaires spatiales, pour lesquels le faible poids et la taille du FEC ainsi que le rendement élevé sont importants).

Dans les vaisseaux spatiaux, où la principale source de courant sont les panneaux solaires et où des rapports clairs entre masse, taille et efficacité sont très importants, le matériau principal du soleil. La batterie, bien sûr, est en arséniure de gallium. La capacité de ce composé dans les cellules solaires à ne pas perdre d'efficacité lorsqu'il est chauffé par un rayonnement solaire 3 à 5 fois concentré est très importante pour les centrales solaires spatiales, ce qui réduit par conséquent le besoin en gallium, rare. Un potentiel supplémentaire d'économie de gallium est associé à l'utilisation de saphir synthétique (Al 2 O 3) plutôt que de GaAs comme substrat HFP. Le coût des HFP lors de leur production en série basée sur une technologie améliorée sera probablement également considérablement réduit, et en général le coût du système de conversion d'énergie du système de conversion SES basé sur GaAs HFP peut être tout à fait proportionnel au coût d'un système à base de silicium. Ainsi, à l'heure actuelle, il est difficile de donner une préférence claire à l'un des deux matériaux semi-conducteurs considérés - le silicium ou l'arséniure de gallium, et seul le développement ultérieur de leur technologie de production montrera quelle option sera la plus rationnelle pour les systèmes terrestres et spatiaux. basée sur l'énergie solaire. Dans la mesure où les SB produisent du courant continu, il s'agit de le transformer en courant alternatif industriel 50 Hz, 220 V. Une classe particulière d'appareils - les onduleurs - s'acquitte parfaitement de cette tâche.

Zagatin Sergueï

Le thème de mon travail, « Conversions photovoltaïques de l’énergie solaire », est le plus pertinent à l’heure actuelle.

Dans le résumé, j'ai décrit des méthodes de conversion de l'énergie solaire qui pourraient répondre aux besoins énergétiques en croissance rapide pendant plusieurs milliers d'années. L’électricité est le type d’énergie le plus pratique à utiliser et à transmettre, car le rayonnement solaire est une source d’énergie pratiquement inépuisable.

À mon avis, le développement à grande échelle de l'énergie photovoltaïque donnera une impulsion considérable au développement des régions de la Terre où le rayonnement solaire annuel moyen est élevé.

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Complété par : Zagatin S.V.

élève de classe 10A

Responsable : Luchina T.V.

Professeur de physique

2008

	INTRODUCTION………………………………………………………
	LA CONVERSION DE L'ÉNERGIE SOLAIRE EST UNE VOIE PROMETTEUSE POUR LE DÉVELOPPEMENT DE L'ÉNERGIE ÉNERGÉTIQUE…...
	CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE DE L'ÉNERGIE SOLAIRE………………………………………………………………………………..
	CONCLUSION……………………………………………………
	LITTÉRATURE………………………………………………………

INTRODUCTION

La croissance rapide de la consommation d’énergie est l’un des traits les plus caractéristiques de l’activité technique humaine de la seconde moitié du XXe siècle. Jusqu’à récemment, le développement énergétique ne rencontrait pas de difficultés fondamentales. L'augmentation de la production d'énergie s'est produite principalement en raison d'une augmentation de la production de pétrole et de gaz, les plus faciles à consommer. Cependant, l’énergie s’est avérée être le premier grand secteur de l’économie mondiale à faire face à une situation d’épuisement de sa base de matières premières traditionnelles. Au début des années 70, une crise énergétique a éclaté dans de nombreux pays. L’une des raisons de cette crise était la disponibilité limitée des ressources énergétiques fossiles. En outre, le pétrole, le gaz et le charbon constituent également les matières premières les plus précieuses pour l’industrie chimique en développement rapide. Il est donc aujourd’hui de plus en plus difficile de maintenir un rythme élevé de développement énergétique en utilisant uniquement les sources d’énergie fossiles traditionnelles.

L'énergie nucléaire a également été récemment confrontée à des difficultés importantes, principalement liées à la nécessité d'augmenter fortement les coûts pour garantir la sécurité des centrales nucléaires.

La pollution de l'environnement par les produits de combustion de sources fossiles, principalement le charbon et le combustible nucléaire, est à l'origine de la détérioration de la situation environnementale sur Terre. La « pollution thermique » de la planète qui se produit lors de la combustion de tout type de carburant est également importante. Selon certains scientifiques, la limite supérieure autorisée de production d'énergie sur Terre n'est que de deux ordres de grandeur supérieure à la moyenne mondiale actuelle. Cette augmentation de la consommation d'énergie pourrait entraîner une augmentation de la température à la surface de la Terre d'environ un degré. Une perturbation de l’équilibre énergétique de la planète à une telle échelle peut conduire à un changement climatique irréversible et dangereux. Ces circonstances déterminent le rôle croissant des sources d'énergie renouvelables, dont l'utilisation généralisée n'entraînera pas de perturbation de l'équilibre écologique de la Terre.

CONVERSION DE L'ÉNERGIE SOLAIRE - UNE VOIE PROMETTEUSE

La plupart des types d'énergie renouvelables - l'hydroélectricité, l'énergie mécanique et thermique provenant des océans du monde, l'énergie éolienne et géothermique - se caractérisent soit par un potentiel limité, soit par des difficultés significatives d'utilisation à grande échelle. Le potentiel total de la plupart des sources d’énergie renouvelables n’augmentera la consommation d’énergie par rapport aux niveaux actuels que d’un ordre de grandeur. Mais il existe une autre source d’énergie : le Soleil. Le Soleil, étoile de classe spectrale 2, naine jaune, est une étoile très moyenne dans tous ses paramètres principaux : masse, rayon, température et magnitude absolue. Mais cette étoile a une caractéristique unique : c'est « notre étoile », et l'humanité doit toute son existence à cette étoile moyenne. Notre étoile fournit à la Terre une puissance d'environ 10 17 W - telle est la puissance de la « tache ensoleillée » d'un diamètre de 12,7 mille km, qui éclaire en permanence la face de notre planète face au Soleil. L'intensité de la lumière solaire au niveau de la mer aux latitudes méridionales, lorsque le Soleil est à son zénith, est de 1 kW/m. 2 . En développant des méthodes très efficaces de conversion de l’énergie solaire, le Soleil peut répondre à des besoins énergétiques en croissance rapide pendant plusieurs centaines d’années.

Les arguments des opposants à l’utilisation à grande échelle de l’énergie solaire se résument principalement aux arguments suivants :

La puissance spécifique du rayonnement solaire est faible et une conversion à grande échelle de l’énergie solaire nécessitera de très grandes superficies.
La conversion de l’énergie solaire est très coûteuse et nécessite des coûts de matériaux et de main-d’œuvre presque irréalistes.

En effet, quelle sera la superficie de la Terre couverte par les systèmes de conversion pour produire une part significative de l’électricité dans le budget énergétique mondial ? Ce domaine dépend évidemment de l’efficacité des systèmes de conversion utilisés. Pour évaluer l'efficacité des convertisseurs photovoltaïques qui convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique à l'aide de photocellules à semi-conducteurs, nous introduisons la notion de coefficient de performance (efficacité) d'une photocellule, définie comme le rapport de la puissance électrique générée par un élément donné à la puissance d'un rayon de soleil incident sur la surface de la photocellule. Ainsi, avec un rendement des convertisseurs solaires égal à 10% (valeurs d'efficacité typiques des cellules solaires au silicium, largement utilisées dans la production industrielle de masse pour les besoins de l'énergie au sol), pour la production de 10 12 W d'électricité il faudrait couvrir une superficie de 4 10 avec des photoconvertisseurs 10 m2 , égal à un carré de 200 km de côté. Dans ce cas, l’intensité du rayonnement solaire est prise égale à 250 W/m 2 , ce qui correspond à la moyenne annuelle typique des latitudes méridionales. Autrement dit, la « faible densité » du rayonnement solaire n’est pas un obstacle au développement de l’énergie solaire à grande échelle. Les moyens possibles de créer des convertisseurs d'énergie solaire rentables seront abordés dans les sections suivantes de cet article.

Les considérations ci-dessus constituent un argument assez convaincant : le problème de la conversion de l’énergie solaire doit être résolu aujourd’hui pour pouvoir utiliser cette énergie demain. On peut au moins en plaisantant considérer ce problème dans le cadre de la résolution des problèmes énergétiques de la fusion thermonucléaire contrôlée, lorsqu'un réacteur efficace (le Soleil) est créé par la nature elle-même et fournit une ressource pour un fonctionnement fiable et sûr pendant plusieurs millions d'années, et que notre La tâche consiste uniquement à développer une sous-station de conversion au sol. Récemment, des recherches approfondies ont été menées dans le monde dans le domaine de l'énergie solaire, qui ont montré que dans un avenir proche, cette méthode de production d'énergie peut devenir économiquement justifiée et trouver une large application.

La Russie est riche en ressources naturelles. Nous disposons d’importantes réserves de combustibles fossiles – charbon, pétrole, gaz. Cependant, l’utilisation de l’énergie solaire revêt également une grande importance pour notre pays. Malgré le fait qu'une partie importante du territoire russe se trouve à des latitudes élevées, certaines très grandes régions du sud de notre pays bénéficient d'un climat très favorable à l'utilisation généralisée de l'énergie solaire.

L’utilisation de l’énergie solaire présente des perspectives encore plus grandes dans les pays de la ceinture équatoriale terrestre et dans les zones proches de cette ceinture, caractérisées par un niveau élevé d’énergie solaire. Ainsi, dans un certain nombre de régions d'Asie centrale, la durée d'irradiation solaire directe atteint 3 000 heures par an et l'arrivée annuelle d'énergie solaire sur une surface horizontale est de 1 500 à 1 850 kWh/m. 2 .

Les principales orientations de travail dans le domaine de la conversion de l'énergie solaire sont actuellement :

chauffage thermique direct (production d'énergie thermique) et conversion thermodynamique (production d'énergie électrique avec conversion intermédiaire de l'énergie solaire en énergie thermique) ;
conversion photovoltaïque de l'énergie solaire.

Le chauffage thermique direct est la méthode la plus simple de conversion de l'énergie solaire et est largement utilisé dans les régions du sud de la Russie et dans les pays équatoriaux dans les installations de chauffage solaire, l'approvisionnement en eau chaude, le refroidissement des bâtiments, le dessalement de l'eau, etc. Les installations utilisant la chaleur solaire reposent sur des capteurs solaires plats - absorbeurs du rayonnement solaire. L'eau ou tout autre liquide, étant en contact avec l'absorbeur, est chauffé et éliminé à l'aide d'une pompe ou d'une circulation naturelle. Le liquide chauffé entre ensuite dans le stockage, d'où il est consommé selon les besoins. Cet appareil n’est pas sans rappeler les systèmes de distribution d’eau chaude sanitaire.

L’électricité est le type d’énergie le plus pratique à utiliser et à transmettre. Par conséquent, l'intérêt des chercheurs pour le développement et la création de centrales solaires utilisant la conversion intermédiaire de l'énergie solaire en chaleur avec sa conversion ultérieure en électricité est compréhensible.

Dans le monde actuel, les centrales solaires thermiques les plus courantes sont de deux types : 1) de type tour (Fig. 1) avec concentration de l'énergie solaire sur un récepteur solaire, réalisée à l'aide d'un grand nombre de miroirs plats ; 2) des systèmes dispersés de paraboloïdes et de cylindres paraboliques, au centre desquels se trouvent des récepteurs thermiques et des convertisseurs de faible puissance.

CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

Une contribution importante à la compréhension du mécanisme d'action de l'effet photoélectrique dans les semi-conducteurs a été apportée par le fondateur de l'Institut physico-technique (PTI) de l'Académie des sciences de Russie, l'académicien A.F. Ioffé. Il rêvait déjà d’utiliser des photocellules à semi-conducteurs dans l’énergie solaire dans les années trente, lorsque B.T. Kolomiets et Yu.P. Maslakovets a créé des cellules solaires au soufre-thallium à l'Institut physicotechnique avec une efficacité record de 1% pour l'époque.

L'utilisation pratique à grande échelle des panneaux solaires à des fins énergétiques a commencé avec le lancement en 1958 de satellites artificiels terrestres - le Spoutnik-3 soviétique et l'Avangard-1 américain. Depuis lors, pendant plus de 35 ans, les batteries solaires à semi-conducteurs ont été la principale et presque la seule source d'approvisionnement en énergie pour les engins spatiaux et les grandes stations orbitales telles que Saliout et Mir. Le vaste travail de base accumulé par les scientifiques dans le domaine des batteries solaires pour applications spatiales a également permis de développer les travaux sur l'énergie photovoltaïque au sol.

La base des photocellules est une structure semi-conductrice avec une jonction pn (Fig. 2), qui apparaît à l'interface de deux semi-conducteurs avec des mécanismes de conduction différents. Notez que cette terminologie provient des mots anglais positive (positive) et négative (négative). Différents types de conductivité sont obtenus en modifiant le type d'impuretés introduites dans le semi-conducteur. Par exemple, les atomes du groupe III du tableau périodique D.I. Mendeleev, introduit dans le réseau cristallin de silicium, confère à ce dernier une conductivité trouée (positive) et aux impuretés du groupe V - électronique (négative). Le contact des semi-conducteurs p ou n conduit à la formation d'un champ électrique de contact entre eux, qui joue un rôle extrêmement important dans le fonctionnement d'une photocellule solaire. Expliquons la raison de l'apparition d'une différence de potentiel de contact. Lorsque les semi-conducteurs de type p et n sont combinés en un seul cristal, un flux de diffusion d'électrons apparaît du semi-conducteur de type n vers le semi-conducteur de type p et, inversement, un flux de trous du semi-conducteur p vers le semi-conducteur n. À la suite de ce processus, la partie du semi-conducteur de type P adjacente à la jonction p-n sera chargée négativement, et la partie du semi-conducteur de type n adjacente à la jonction p-n, au contraire, acquerra une charge positive. Ainsi, une double couche chargée se forme à proximité de la jonction p-n, ce qui contrecarre le processus de diffusion des électrons et des trous. En effet, la diffusion tend à créer un flux d'électrons de la région n vers la région p, et le champ de la couche chargée, au contraire, renvoie les électrons vers la région n. De la même manière, le champ d’une jonction p-n neutralise la diffusion des trous de la région p vers la région n. À la suite de deux processus agissant dans des directions opposées (diffusion et mouvement des porteurs de courant dans un champ électrique), un état d'équilibre stationnaire s'établit : une couche chargée apparaît à la frontière, empêchant la pénétration des électrons du n-semi-conducteur et trous du semi-conducteur p. En d'autres termes, dans la région de la jonction p-n, une barrière énergétique (potentielle) apparaît, pour surmonter laquelle les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p doivent dépenser une certaine énergie. Sans nous arrêter à décrire les caractéristiques électriques de la jonction pn, largement utilisée dans les redresseurs, transistors et autres dispositifs semi-conducteurs, considérons le fonctionnement de la jonction pn dans les photocellules.

Lorsque la lumière est absorbée dans un semi-conducteur, les paires électron-trou sont excitées. Dans un semi-conducteur homogène, la photoexcitation augmente uniquement l'énergie des électrons et des trous, sans les séparer dans l'espace, c'est-à-dire que les électrons et les trous sont séparés dans « l'espace énergétique », mais restent proches dans l'espace géométrique. Pour la séparation des porteurs de courant et l'apparition de la force photoélectromotrice (photoEMF), une force supplémentaire doit exister. La séparation la plus efficace des porteurs hors équilibre se produit précisément dans la région de la jonction pn (Fig. 2). Les porteurs « minoritaires » générés près de la jonction p-n (trous dans le semi-conducteur n et électrons dans le semi-conducteur p) diffusent vers la jonction p-n, sont captés par le champ de la jonction p-n et projetés dans le semi-conducteur, dans lequel ils deviennent porteurs majoritaires : les électrons seront localisés dans le semi-conducteur de type n, et les trous sont dans un semi-conducteur de type p. En conséquence, le semi-conducteur de type P reçoit une charge positive en excès et le semi-conducteur de type N reçoit une charge négative en excès. Entre les régions n et p de la cellule photoélectrique, une différence de potentiel apparaît - photoEMF. La polarité du photoEMF correspond à la polarisation « directe » de la jonction p-n, qui abaisse la hauteur de la barrière et favorise l'injection de trous de la région p vers la région n et d'électrons de la région n vers la région p. . Sous l'action de ces deux mécanismes opposés - l'accumulation de porteurs de courant sous l'influence de la lumière et leur sortie due à une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel - différentes valeurs de phototension s'établissent à différentes intensités lumineuses. Dans ce cas, la valeur de la phototension dans une large plage d'éclairage augmente proportionnellement au logarithme de l'intensité lumineuse. À très forte intensité lumineuse, lorsque la barrière de potentiel s'avère pratiquement nulle, la valeur du photoEMF atteint la « saturation » et devient égale à la hauteur de la barrière au niveau de la jonction p-n non éclairée. Lorsqu'elle est éclairée par le rayonnement direct et solaire concentré jusqu'à 100 à 1 000 fois, la valeur du photoEMF est de 50 à 85 % de la valeur de la différence de potentiel de contact de la jonction p-n.

Nous avons examiné le processus d'apparition du photoEMF qui se produit au niveau des contacts des régions p et n de la jonction pn. Lorsqu'une jonction pn éclairée est court-circuitée, un courant circule dans le circuit électrique qui est proportionnel à l'intensité de l'éclairage et au nombre de paires électron-trou générées par la lumière. Lorsqu’une charge utile, telle qu’une calculatrice alimentée par une batterie solaire, est connectée au circuit électrique, le courant dans le circuit diminue légèrement. Typiquement, la résistance électrique de la charge utile dans le circuit de cellules solaires est choisie de manière à obtenir la puissance électrique maximale délivrée à cette charge.

Une cellule photovoltaïque est constituée d'une plaquette constituée d'un matériau semi-conducteur, tel que le silicium. Des régions avec des conductivités de types p et n sont créées dans la plaque (Fig. 2). Les méthodes permettant de créer ces zones comprennent, par exemple, la méthode de diffusion d'impuretés ou la méthode de croissance d'un semi-conducteur sur un autre. Ensuite, les contacts électriques inférieurs et supérieurs sont réalisés (les électrodes sont ombrées sur la figure), et le contact inférieur est solide, et le contact supérieur est réalisé sous la forme d'une structure en peigne (fines bandes reliées par un bus de collecte de courant relativement large ).

Le matériau principal pour produire des cellules solaires est le silicium. La technologie de production de silicium semi-conducteur et de photocellules qui en découle repose sur des méthodes développées en microélectronique - la technologie industrielle la plus développée. Le silicium, apparemment, est généralement l’un des matériaux naturels les plus étudiés, et également le deuxième plus abondant après l’oxygène. Sachant que les premières cellules solaires ont été fabriquées à base de silicium il y a une quarantaine d'années, il est naturel que ce matériau joue un rôle primordial dans les programmes d'énergie solaire photovoltaïque. Les photocellules en silicium monocristallin combinent les avantages de l'utilisation d'un matériau semi-conducteur relativement bon marché avec les paramètres élevés des dispositifs obtenus à partir de celui-ci.

Jusqu'à récemment, les cellules solaires destinées à un usage terrestre ainsi qu'à des applications spatiales étaient fabriquées à base de silicium monocristallin relativement coûteux. La réduction du coût du silicium initial, le développement de méthodes performantes de fabrication de plaquettes à partir de lingots et de technologies avancées de fabrication de cellules solaires ont permis de réduire à plusieurs reprises le coût des cellules solaires au sol basées sur celles-ci. Les principales orientations de travail pour réduire davantage le coût de l'électricité solaire sont : l'obtention d'éléments à base de silicium polycristallin bon marché, y compris en bandes ; développement d'éléments à couches minces bon marché à base de silicium amorphe et d'autres matériaux semi-conducteurs ; Conversion du rayonnement solaire concentré à l'aide d'éléments à base de silicium très efficaces et d'un matériau semi-conducteur aluminium-gallium-arsenic relativement nouveau.

La figure 3 montre deux schémas d'installations photovoltaïques avec des concentrateurs de rayonnement solaire sous forme de miroirs (en haut) et de lentilles de Fresnel (en bas). Une lentille de Fresnel est une plaque en plexiglas d'une épaisseur de 1 à 3 mm dont un côté est plat et de l'autre un profil en forme d'anneaux concentriques, reprenant le profil d'une lentille convexe. Les lentilles de Fresnel sont nettement moins chères que les lentilles convexes conventionnelles et offrent un degré de concentration de 2 à 3 000 « soleils ».

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le monde dans le développement de cellules solaires au silicium fonctionnant sous irradiation solaire concentrée. Des éléments de silicium avec une efficacité > 25 % ont été créés dans des conditions d'irradiation à la surface de la Terre à un niveau de concentration de 20 à 50 « soleils ». Des degrés de concentration nettement plus élevés sont autorisés par les photocellules basées sur le matériau semi-conducteur aluminium-gallium-arsenic, créées pour la première fois à l'Institut physico-technique du même nom. UN F. Ioffé en 1969. Dans de telles cellules solaires, des valeurs d'efficacité > 25 % sont atteintes à des niveaux de concentration allant jusqu'à 1 000 fois. Malgré le coût élevé de tels éléments, leur contribution au coût de l'électricité produite ne s'avère pas décisive à des degrés élevés de concentration du rayonnement solaire en raison d'une réduction significative (jusqu'à 1000 fois) de leur surface. La situation dans laquelle le coût des photocellules n'apporte pas une contribution significative au coût total d'une installation solaire justifie la complexité et l'augmentation du coût d'une photocellule si cela garantit une augmentation de l'efficacité. Cela explique l'attention actuelle portée au développement de cellules solaires en cascade, qui peuvent permettre d'obtenir une augmentation significative de l'efficacité. Dans une cellule solaire en cascade, le spectre solaire est divisé en deux (ou plusieurs) parties, par exemple visible et infrarouge, chacune étant convertie à l'aide de photocellules fabriquées à partir de matériaux différents. Dans ce cas, les pertes d’énergie des quanta de rayonnement solaire sont réduites. Par exemple, dans les cascades à deux éléments, la valeur théorique du rendement dépasse 40 %.

CONCLUSION

De ce qui précède, il ressort que l’énergie solaire photovoltaïque est prometteuse. Le rayonnement solaire est une source d'énergie pratiquement inépuisable, il atteint tous les coins de la Terre, est « à portée de main » pour tout consommateur et constitue une source d'énergie respectueuse de l'environnement et abordable.

L'inconvénient du rayonnement solaire en tant que source d'énergie est l'irrégularité de son arrivée à la surface de la Terre, déterminée par la cyclicité quotidienne et saisonnière, ainsi que par les conditions météorologiques. Par conséquent, le problème de l’accumulation de l’électricité produite à l’aide des centrales solaires est très important. Actuellement, ce problème est résolu principalement en utilisant des dispositifs de stockage de produits chimiques conventionnels - les batteries. L'une des méthodes de stockage prometteuses est l'utilisation de l'électricité pour électrolyser l'eau en hydrogène et en oxygène, suivie du stockage et de l'utilisation de l'hydrogène comme carburant respectueux de l'environnement, puisque la combustion de l'hydrogène ne produit que de la vapeur d'eau.

Le développement à grande échelle du photovoltaïque donnera une impulsion considérable au développement des régions de la Terre où le rayonnement solaire annuel moyen est élevé. Cela s'applique principalement aux zones désertiques et arides qui, avec « l'arrivée » de l'électricité solaire, deviendront des zones propices à une agriculture active - les greniers de la Terre. Cela signifie-t-il que les efforts des spécialistes doivent se concentrer uniquement sur le développement de convertisseurs photoélectriques et la résolution de problèmes directement liés ? Bien sûr que non. Vous ne pouvez pas développer une direction au prix de la suppression d’autres directions. Il en va de même pour l’industrie de l’énergie électrique : elle ne peut pas être construite sur la base d’un seul type de ressource. Elle doit s’appuyer sur de nombreuses sources : solaire, éolienne, nucléaire et, bien sûr, les sources fossiles traditionnelles. Cela permettra de trouver des modalités optimales pour leur interaction, évoluant progressivement vers un secteur énergétique du futur parfait, respectueux de l'environnement et fiable.

LITTÉRATURE

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Alferov Zh.I. Énergie solaire photovoltaïque / Dans : L'avenir de la science. M. : Connaissance, 1978. P. 92-101.
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Grilikhes V.A., Orlov P.P., Popov L.B. Énergie solaire et vols spatiaux. M. : Nauka, 1984.

La croissance rapide de la consommation d’énergie conduit à une limitation des ressources énergétiques fossiles. Il est de plus en plus difficile de maintenir un rythme élevé de développement énergétique grâce à l’utilisation de sources d’énergie traditionnelles. Le thème de mon travail, « Conversions photovoltaïques de l’énergie solaire », est le plus pertinent à l’heure actuelle.

Revoir

Dans le résumé « Conversions photovoltaïques de l'énergie solaire », Sergey a dévoilé en détail le sujet choisi. Cet article examine les problèmes actuels de la conversion de l'énergie solaire : le chauffage thermique direct et la conversion photoélectrique.

Développant le sujet, S. Zagatin s'appuie sur les travaux d'A.F. Ioffé. Dans ses travaux, il examine l'utilisation de cellules photovoltaïques à semi-conducteurs dans l'énergie solaire, l'histoire de l'utilisation des batteries solaires, ainsi que le processus d'émergence du photoEMF.

Le travail de Sergei a une intégrité logique, le volume des parties du résumé est cohérent. La présentation du matériel est scientifique et intéressante, illustrée de dessins. Il y a une évaluation personnelle de la question à l'étude.

Lors de la préparation du résumé, une quantité suffisante de littérature a été utilisée.

Je considère qu'il est possible d'évaluer le travail effectué par S. Zagatin

à "5".

Superviseur

La plupart des types d'énergie renouvelables - l'hydroélectricité, l'énergie mécanique et thermique provenant des océans du monde, l'énergie éolienne et géothermique - se caractérisent soit par un potentiel limité, soit par des difficultés significatives d'utilisation à grande échelle. Le potentiel total de la plupart des sources d’énergie renouvelables n’augmentera la consommation d’énergie par rapport aux niveaux actuels que d’un ordre de grandeur. Mais il existe une autre source d’énergie : le Soleil. Le Soleil, étoile de classe spectrale 2, naine jaune, est une étoile très moyenne dans tous ses paramètres principaux : masse, rayon, température et magnitude absolue. Mais cette étoile a une caractéristique unique : c'est « notre étoile », et l'humanité doit toute son existence à cette étoile moyenne. Notre étoile fournit à la Terre une puissance d'environ 10 17 W - telle est la puissance du « lapin solaire » d'un diamètre de 12,7 mille km, qui éclaire en permanence la face de notre planète face au Soleil. L'intensité de la lumière solaire au niveau de la mer, aux latitudes méridionales, lorsque le Soleil est à son zénith, est de 1 kW/m2. En développant des méthodes très efficaces de conversion de l’énergie solaire, le Soleil peut répondre à des besoins énergétiques en croissance rapide pendant plusieurs centaines d’années.

Les arguments des opposants à l’utilisation à grande échelle de l’énergie solaire se résument principalement aux arguments suivants :

1. La puissance spécifique du rayonnement solaire est faible et la conversion à grande échelle de l’énergie solaire nécessitera de très grandes surfaces.

2. La conversion de l’énergie solaire est très coûteuse et nécessite des coûts de matériaux et de main-d’œuvre presque irréalistes.

En effet, quelle sera la superficie de la Terre couverte par les systèmes de conversion pour produire une part significative de l’électricité dans le budget énergétique mondial ? Ce domaine dépend évidemment de l’efficacité des systèmes de conversion utilisés. Pour évaluer l'efficacité des convertisseurs photovoltaïques qui convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique à l'aide de photocellules à semi-conducteurs, nous introduisons la notion de coefficient de performance (efficacité) d'une photocellule, définie comme le rapport de la puissance électrique générée par un élément donné à la puissance d'un rayon de soleil incident sur la surface de la photocellule. Ainsi, avec un rendement des convertisseurs solaires égal à 10 % (valeurs d'efficacité typiques des photocellules au silicium, largement utilisées dans la production industrielle en série pour les besoins de l'énergie au sol), pour produire 10 12 W d'électricité, il faudrait couvrir une superficie de 4 * 10 10 m 2 avec des photoconvertisseurs égale au carré de 200 km de côté. Dans ce cas, l'intensité du rayonnement solaire est estimée à 250 W/m 2 , ce qui correspond à la valeur moyenne typique tout au long de l'année pour les latitudes méridionales. Autrement dit, la « faible densité » du rayonnement solaire n’est pas un obstacle au développement de l’énergie solaire à grande échelle.

Les principales orientations de travail dans le domaine de la conversion de l'énergie solaire sont actuellement :

— chauffage thermique direct (réception d'énergie thermique) et conversion thermodynamique (réception d'énergie électrique avec conversion intermédiaire de l'énergie solaire en chaleur) ;

— conversion photoélectrique de l'énergie solaire.

Dans le monde actuel, les centrales solaires thermiques les plus courantes sont de deux types : 1) de type tour avec concentration de l'énergie solaire sur un récepteur solaire, réalisée à l'aide d'un grand nombre de miroirs plats ; 2) des systèmes dispersés de paraboloïdes et de cylindres paraboliques, au centre desquels se trouvent des récepteurs thermiques et des convertisseurs de faible puissance.

2. DÉVELOPPEMENT DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

À la fin des années 70 et au début des années 80, sept centrales solaires pilotes (SPP) du type dit à tour d'une puissance de 0,5 à 10 MW ont été construites dans différents pays du monde. La plus grande centrale solaire d'une capacité de 10 MW (Solar One) a été construite en Californie. Toutes ces centrales solaires sont construites sur le même principe : un champ de miroirs héliostats placé au niveau du sol qui suit le soleil réfléchit les rayons du soleil sur un récepteur monté au sommet d'une tour assez haute. Le récepteur est essentiellement une chaudière solaire dans laquelle de la vapeur d'eau de paramètres moyens est générée, qui est ensuite envoyée à une turbine à vapeur standard.

À l’heure actuelle, aucun de ces SPP n’est plus en activité, puisque les programmes de recherche prévus pour eux sont terminés et que leur exploitation en tant que centrales électriques commerciales s’est révélée non rentable. En 1992, la société Edison de Californie du Sud a fondé un consortium d'entreprises énergétiques et industrielles qui, en collaboration avec le ministère américain de l'Énergie, ont financé le projet de centrale solaire à deux tours Solar en reconstruisant Solar One. La puissance de Solar Two, selon le projet, devrait être de 10 MW, c'est-à-dire rester la même qu'auparavant. L'idée principale de la reconstruction envisagée est de remplacer le récepteur existant à production directe de vapeur d'eau par un récepteur avec un liquide de refroidissement intermédiaire (sels de nitrate). La conception de la centrale solaire comprendra un réservoir de stockage de nitrate au lieu de la batterie de gravier utilisée dans Solar One avec de l'huile à haute température comme liquide de refroidissement. Le lancement de la centrale solaire reconstruite était prévu pour 1996. Les développeurs le considèrent comme un prototype qui permettra dans l'étape suivante de créer une centrale solaire d'une capacité de 100 MW. On suppose qu’à cette échelle, une centrale solaire de ce type sera compétitive par rapport aux centrales thermiques utilisant des combustibles fossiles.

Le deuxième projet, la centrale solaire à tour PHOEBUS, est mis en œuvre par un consortium allemand. Le projet prévoit la création d'une centrale solaire de démonstration hybride (solaire-carburant) d'une capacité de 30 MW avec un récepteur volumétrique dans lequel l'air atmosphérique sera chauffé, qui sera ensuite envoyé vers une chaudière à vapeur, où de la vapeur d'eau est générée, qui fonctionne dans le cycle de Rankine. Sur le trajet de l'air du récepteur à la chaudière, un brûleur est censé brûler du gaz naturel dont la quantité est régulée de manière à maintenir la puissance spécifiée tout au long de la journée. Les calculs montrent que, par exemple, pour un rayonnement solaire annuel de 6,5 GJ/m2 (similaire à celui typique des régions du sud de l'Ukraine), cette centrale solaire, qui a une surface totale d'héliostat de 160 000 m2, recevra 290,2 GW. *h/an d'énergie solaire, et la quantité d'énergie apportée avec le carburant sera de 176,0 GWh/an. Parallèlement, la centrale solaire produira 87,9 GWh d'électricité par an avec un rendement annuel moyen de 18,8 %. Avec de tels indicateurs, on peut s'attendre à ce que le coût de l'électricité produite dans une centrale solaire soit au niveau des centrales thermiques utilisant des combustibles fossiles.

Depuis le milieu des années 80, en Californie du Sud, la société LUZ a créé et mis en exploitation commerciale neuf centrales solaires à concentrateurs cylindriques paraboliques (PCC) dont les capacités unitaires ont augmenté de première centrale solaire à la suivante de 13,8 à 80 MW. . La capacité totale de ces centrales solaires a atteint 350 MW. Dans ces SES, des PCC avec une ouverture ont été utilisés, qui ont augmenté lors de la transition du premier SES aux suivants. En suivant le soleil sur un seul axe, les concentrateurs concentrent le rayonnement solaire sur des récepteurs tubulaires enfermés dans des tubes sous vide. Un fluide caloporteur à haute température circule à l'intérieur du récepteur, qui chauffe jusqu'à 380°C puis transfère la chaleur de la vapeur d'eau au générateur de vapeur. La conception de ces centrales solaires prévoit également la combustion d'une certaine quantité de gaz naturel dans un générateur de vapeur pour produire une pointe d'électricité supplémentaire, ainsi que pour compenser la diminution de l'ensoleillement.

Ces centrales solaires ont été créées et exploitées à une époque où il existait aux États-Unis des lois autorisant les centrales solaires à atteindre le seuil de rentabilité. L'expiration de ces lois à la fin des années 80 a conduit à la faillite de la société LUZ et à l'arrêt de la construction de nouvelles centrales solaires de ce type.

La KJC (Kramer Junction Company), qui exploitait cinq des neuf centrales solaires construites (de 3 à 7), s'est donné pour mission d'augmenter l'efficacité de ces centrales solaires, de réduire les coûts de leur exploitation et de les rendre économiquement attractives. dans les nouvelles conditions. Ce programme est actuellement mis en œuvre avec succès.

La Suisse est devenue l'un des leaders dans l'utilisation de l'énergie solaire. Selon les données de 1997, environ 2 600 installations solaires basées sur des convertisseurs photoélectriques d'une capacité de 1 à 1 000 kW ont été construites ici. Le programme « Solar-91 » et réalisé sous le slogan « Pour une Suisse indépendante en énergie » apporte une contribution significative à la résolution des problèmes environnementaux et à l’indépendance énergétique d’un pays qui importe aujourd’hui plus de 70 % de son énergie. Une centrale solaire d'une capacité de 2 à 3 kW est le plus souvent installée sur les toits et les façades des bâtiments. Cette installation produit en moyenne 2000 kWh d'électricité par an, ce qui est suffisant pour les besoins domestiques d'un foyer suisse moyen. Les grandes entreprises installent des installations solaires d'une capacité allant jusqu'à 300 kW sur les toits des bâtiments de production. Une telle station couvre les besoins en électricité de l'entreprise à hauteur de 50 à 60 %.

Dans les hautes Alpes, où il n'est pas rentable de poser des lignes électriques, des centrales solaires de grande puissance sont également construites. L'expérience d'exploitation montre que le Sun est déjà en mesure de répondre aux besoins de tous les bâtiments résidentiels du pays. Les installations solaires, situées sur les toits et les murs des maisons, sur les écrans antibruit des autoroutes, sur les structures de transport et industrielles, ne nécessitent pas de territoire agricole coûteux pour leur placement. Une installation solaire autonome à proximité du village de Grimsel fournit de l'électricité pour l'éclairage 24 heures sur 24 du tunnel routier. Près de la ville de Shur, des panneaux solaires installés sur une section de 700 mètres de mur antibruit fournissent 100 kW d'électricité par an.

Le concept moderne d'utilisation de l'énergie solaire s'est pleinement exprimé lors de la construction des bâtiments de l'usine de verre à vitre d'Arisdorf, où des panneaux solaires d'une puissance totale de 50 kW se sont vu attribuer un rôle supplémentaire lors de la conception en tant qu'éléments de sol et de façade. L'efficacité des convertisseurs solaires diminue sensiblement avec un fort chauffage, c'est pourquoi des canalisations de ventilation sont posées sous les panneaux pour pomper l'air extérieur. Des photoconvertisseurs bleu foncé scintillant au soleil sur les façades sud et ouest du bâtiment administratif, alimentant le réseau en électricité, font office de bardage décoratif.

Dans les pays en développement, des installations relativement petites sont utilisées pour alimenter en électricité les maisons individuelles, dans les villages reculés pour équiper des centres culturels où, grâce aux PMT, on peut utiliser des téléviseurs, etc. Dans ce cas, ce n'est pas le coût de l'électricité qui vient au premier plan, mais l'effet social. Les programmes d'introduction du photovoltaïque dans ces pays sont activement soutenus par les organisations internationales ; la Banque mondiale participe à leur financement sur la base de « l'Initiative solaire » qu'elle propose. Par exemple, au Kenya, au cours des 5 dernières années, 20 000 maisons rurales ont été électrifiées grâce au photovoltaïque. Un vaste programme d'introduction de photomultiplicateurs est en cours de mise en œuvre en Inde, entre 1986 et 1992. Rs 690 millions ont été dépensés pour installer des PMT dans les zones rurales.

Dans les pays industrialisés, la mise en œuvre active des photomultiplicateurs s'explique par plusieurs facteurs. Premièrement, les PMT sont considérés comme des sources respectueuses de l’environnement, capables de réduire les impacts nocifs sur l’environnement. Deuxièmement, l'utilisation de PMT dans les habitations privées augmente l'autonomie énergétique et protège le propriétaire en cas d'éventuelles interruptions de l'alimentation électrique centralisée.

3. CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

La base des photocellules est une structure semi-conductrice avec une jonction p-n qui apparaît à l'interface de deux semi-conducteurs avec des mécanismes de conduction différents. Notez que cette terminologie provient des mots anglais positive (positive) et négative (négative). Différents types de conductivité sont obtenus en modifiant le type d'impuretés introduites dans le semi-conducteur. Par exemple, les atomes du groupe III du tableau périodique D.I. Mendeleïev, introduit dans le réseau cristallin du silicium, confère à ce dernier une conductivité trouée (positive) et aux impuretés du groupe V - électronique (négative). Le contact de p ou n semi-conducteurs conduit à la formation d'un champ électrique de contact entre eux, qui joue un rôle extrêmement important dans le fonctionnement d'une photocellule solaire. Expliquons la raison de l'apparition d'une différence de potentiel de contact. Lorsque les semi-conducteurs de type p et n sont combinés en un seul cristal, un flux de diffusion d'électrons apparaît du semi-conducteur de type n vers le semi-conducteur de type p et, inversement, un flux de trous du semi-conducteur p vers le semi-conducteur n. À la suite de ce processus, la partie du semi-conducteur de type P adjacente à la jonction p-n sera chargée négativement, et la partie du semi-conducteur de type n adjacente à la jonction p-n, au contraire, acquerra une charge positive. Ainsi, une double couche chargée se forme à proximité de la jonction p-n, ce qui contrecarre le processus de diffusion des électrons et des trous. En effet, la diffusion tend à créer un flux d'électrons de la région n vers la région p, et le champ de la couche chargée, au contraire, renvoie les électrons vers la région n. De même, le champ dans la jonction pn neutralise la diffusion des trous de la région p vers la région n. À la suite de deux processus agissant dans des directions opposées (diffusion et mouvement des porteurs de courant dans un champ électrique), un état d'équilibre stationnaire s'établit : une couche chargée apparaît à la frontière, empêchant la pénétration des électrons du n-semi-conducteur et trous du semi-conducteur p. En d'autres termes, dans la région de la jonction p-n, une barrière énergétique (potentielle) apparaît, pour surmonter laquelle les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p doivent dépenser une certaine énergie. Sans nous arrêter à décrire les caractéristiques électriques de la jonction pn, largement utilisée dans les redresseurs, transistors et autres dispositifs semi-conducteurs, considérons le fonctionnement de la jonction pn dans les photocellules.

Lorsque la lumière est absorbée dans un semi-conducteur, les paires électron-trou sont excitées. Dans un semi-conducteur homogène, la photoexcitation augmente uniquement l’énergie des électrons et des trous sans les séparer dans l’espace, c’est-à-dire que les électrons et les trous sont séparés dans « l’espace énergétique » mais restent proches les uns des autres dans l’espace géométrique. Pour la séparation des porteurs de courant et l'apparition de la force photoélectromotrice (photoEMF), une force supplémentaire doit exister. La séparation la plus efficace des porteurs hors équilibre se produit précisément dans la région de la jonction pn. Les porteurs « minoritaires » générés près de la jonction p-n (trous dans le semi-conducteur n et électrons dans le semi-conducteur p) diffusent vers la jonction p-n, sont captés par le champ de la jonction p-n et projetés dans le semi-conducteur, dans lequel ils deviennent porteurs majoritaires : les électrons seront localisés dans un semi-conducteur de type n, et les trous dans un semi-conducteur de type p. En conséquence, le semi-conducteur de type P reçoit une charge positive en excès et le semi-conducteur de type N reçoit une charge négative. Une différence de potentiel (photoEMF) se produit entre les régions n et p de la cellule photoélectrique. La polarité du photoEMF correspond à la polarisation « directe » de la jonction p-n, qui abaisse la hauteur de la barrière et favorise l'injection de trous de la région p vers la région n et d'électrons de la région n vers la région p. . En raison de l'action de ces deux mécanismes opposés — l'accumulation de porteurs de courant sous l'influence de la lumière et leur sortie due à une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel — à différentes intensités lumineuses, différentes valeurs de phototension s'établissent. Dans ce cas, la valeur de la phototension dans une large plage d'éclairage augmente proportionnellement au logarithme de l'intensité lumineuse. À très forte intensité lumineuse, lorsque la barrière de potentiel s'avère pratiquement nulle, la valeur du photoEMF atteint la « saturation » et devient égale à la hauteur de la barrière au niveau de la jonction p-n non éclairée. Lorsqu'elle est exposée au rayonnement direct et solaire concentré jusqu'à 100 à 1 000 fois, la valeur photoEMF représente 50 à 85 % de la différence de potentiel de contact de la jonction p-n.

Ainsi, le processus d'apparition de phototension qui se produit au niveau des contacts des régions p et n de la jonction p-n est pris en compte. Lorsqu'une jonction pn éclairée est court-circuitée, un courant circule dans le circuit électrique qui est proportionnel à l'intensité de l'éclairage et au nombre de paires électron-trou générées par la lumière. Lorsqu’une charge utile, telle qu’une calculatrice alimentée par une batterie solaire, est connectée au circuit électrique, le courant dans le circuit diminue légèrement. Typiquement, la résistance électrique de la charge utile dans le circuit de cellules solaires est choisie de manière à obtenir la puissance électrique maximale délivrée à cette charge.

Une cellule photovoltaïque est constituée d'une plaquette constituée d'un matériau semi-conducteur, tel que le silicium. Des régions avec des conductivités de types p et n sont créées dans la plaque. Les méthodes permettant de créer ces zones comprennent, par exemple, la méthode de diffusion d'impuretés ou la méthode de croissance d'un semi-conducteur sur un autre. Ensuite, les contacts électriques inférieur et supérieur sont réalisés, le contact inférieur étant massif, et le contact supérieur étant réalisé sous la forme d'une structure en peigne (fines bandes reliées par un bus de collecte de courant relativement large).

Jusqu'à récemment, les cellules solaires destinées à un usage terrestre ainsi qu'à des applications spatiales étaient fabriquées à base de silicium monocristallin relativement coûteux. La réduction du coût du silicium initial, le développement de méthodes performantes de fabrication de plaquettes à partir de lingots et de technologies avancées de fabrication de cellules solaires ont permis de réduire à plusieurs reprises le coût des cellules solaires au sol basées sur celles-ci. Les principaux domaines de travail pour réduire davantage le coût de l'électricité solaire sont : l'obtention d'éléments à base de silicium polycristallin bon marché, y compris en bandes ; développement d'éléments à couches minces bon marché à base de silicium amorphe et d'autres matériaux semi-conducteurs ; Conversion du rayonnement solaire concentré à l'aide d'éléments à base de silicium très efficaces et d'un matériau semi-conducteur aluminium-gallium-arsenic relativement nouveau.

Une lentille de Fresnel est une plaque en plexiglas de 1 à 3 mm d'épaisseur dont un côté est plat et de l'autre un profil en forme d'anneaux concentriques, reprenant le profil d'une lentille convexe. Les lentilles de Fresnel sont nettement moins chères que les lentilles convexes conventionnelles et offrent un degré de concentration de 2 à 3 000 « soleils ».

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le monde dans le développement de cellules solaires au silicium fonctionnant sous irradiation solaire concentrée. Des éléments de silicium d'une efficacité >25 % ont été créés dans des conditions d'irradiation à la surface de la Terre à un degré de concentration de 20 à 50 « soleils ». Des degrés de concentration nettement plus élevés sont autorisés par les photocellules basées sur le matériau semi-conducteur aluminium-gallium-arsenic, créées pour la première fois à l'Institut physico-technique. UN F. Ioffé en 1969. Dans de telles cellules solaires, des valeurs d'efficacité > 25 % sont atteintes à des niveaux de concentration allant jusqu'à 1 000 fois. Malgré le coût élevé de tels éléments, leur contribution au coût de l'électricité produite ne s'avère pas décisive à des degrés élevés de concentration du rayonnement solaire en raison d'une réduction significative (jusqu'à 1000 fois) de leur surface. La situation dans laquelle le coût des photocellules n'apporte pas une contribution significative au coût total d'une installation solaire justifie la complexité et l'augmentation du coût d'une photocellule si cela garantit une augmentation de l'efficacité. Cela explique l'attention actuelle portée au développement de cellules solaires en cascade, qui peuvent permettre d'obtenir une augmentation significative de l'efficacité. Dans une cellule solaire en cascade, le spectre solaire est divisé en deux (ou plusieurs) parties, par exemple visible et infrarouge, chacune étant convertie à l'aide de photocellules fabriquées à partir de matériaux différents. Dans ce cas, les pertes d’énergie des quanta de rayonnement solaire sont réduites. Par exemple, dans les cascades à deux éléments, la valeur théorique du rendement dépasse 40 %.

Figure 9. Cellule solaire comme exemple de conversion photovoltaïque

Convertisseurs photoconducteurs

Ces convertisseurs convertissent une modification de la grandeur mesurée en une modification de la résistance du matériau utilisé (Fig. 8). Bien que les matériaux utilisés soient des semi-conducteurs, les convertisseurs photoconducteurs ne sont pas toujours des semi-conducteurs car ils ne présentent pas de transitions entre les différents types de semi-conducteurs. De tels convertisseurs sont appelés passifs, c'est-à-dire besoin d'une alimentation externe. Souvent leur nom caractérise le type de conversion utilisé, par exemple les résistances photosensibles.

La résistance d'un matériau est fonction de la densité des porteurs de charge majoritaires, et comme la densité augmente avec l'intensité du rayonnement, la conductivité augmente. Puisque la conductivité est inversement proportionnelle à la résistance, on peut conclure que la résistance est une fonction inverse de l’intensité de l’irradiation. La valeur de la résistance sous irradiation totale est généralement de 100 à 200 Ohms, et dans l'obscurité totale, cette résistance est égale aux mégaohms. Les matériaux les plus couramment utilisés dans la conception de résistances photodépendantes sont le sulfure de cadmium ou le séléniure de cadmium.

Cellules solaires

Les cellules solaires sont des convertisseurs photovoltaïques qui convertissent l'énergie électromagnétique émise en énergie électrique, c'est-à-dire en énergie électrique. la modification de la valeur de rayonnement mesurée est convertie en une modification de la tension de sortie (Fig. 9).

La conception du convertisseur comprend une couche de matériau photosensible à haute résistivité placée entre deux électrodes conductrices. L'une des électrodes est constituée d'un matériau transparent à travers lequel le rayonnement passe et frappe le matériau photosensible. Lorsqu'il est entièrement éclairé, un élément produit une tension de sortie entre les électrodes d'environ 0,5 V.

En règle générale, comme couche photoélectrique, des photocellules à valve à semi-conducteurs (photocellules avec couche de blocage) sont utilisées (Fig. 9). Regarder: Conceptions de photocellules à valve

L'un des paramètres les plus importants d'une cellule photoélectrique utilisée comme source d'énergie électrique est le facteur d'efficacité (rendement). L'efficacité d'une cellule solaire est le rapport entre la puissance maximale du courant électrique pouvant être obtenue à partir d'une photocellule et la puissance du rayonnement lumineux incident sur la photocellule. Plus l'efficacité est grande, plus la part du spectre lumineux qui participe à la génération des porteurs de courant est importante. L’un des moyens d’augmenter l’efficacité des cellules solaires consiste à créer des photocellules présentant les caractéristiques spectrales les plus larges possibles. Les photocellules en silicium ont un rendement allant jusqu'à 12 %. Les photocellules à base de composés d'arséniure de gallium ont un rendement allant jusqu'à 20 %.