Technologie photovoltaïque

(I.52) Le rendement de conversion d'énergie pour les cellules solaires photovoltaïques est calculé en utilisant la relation:

(I.53) où Pin est la puissance totale de la lumière incidente sur la cellule.

L’intensité du rayonnement solaire influe considérablement sur la production électrique du module PV. Un nombre important de photons donne lieu à un déplacement plus important des électrons de la bande de valence à la bande de conduction, ce qui augmente le courant électrique généré [80].

Afin de maximiser le rayonnement solaire incident, l’inclinaison du collecteur PV doit être optimisée [80].

Plusieurs facteurs tels que l'accumulation de poussière, l'humidité et la vitesse de l'air peuvent affecter la performance des modules PV [80].

Le vieillissement, les dégradations du matériel d'emballage, des interconnexions, des dispositifs semi-conducteurs peuvent réduire les performances des modules photovoltaïques [80-83].

I.3.4. Technologie photovoltaïque

Plusieurs matériaux sont disponibles pour la fabrication des modules photovoltaïques tels que le silicium monocristallin, polycristallin, ou amorphe [84] ainsi que d’autres matériaux comme CdTe, CIS, etc. Le silicium cristallin reste le matériau le plus utilisé du fait de son rendement qui peut atteindre 15 à 18 %. Les chercheurs essayent de développer d’autres matériaux à triple jonctions. Contrairement au silicium, l’absorption d’un photon solaire se fait par 3 niveaux différents et conduit à la libération de 3 électrons à la fois, ce qui permet d’atteindre des rendements jusqu'à 37.4 % [80]. I.3.5. Les collecteurs solaires hybrides PV/T

Dans les systèmes photovoltaïques, plus de 80% du rayonnement solaire incident est réfléchi ou transformé en chaleur [85-86]. L’augmentation de la température de la cellule photovoltaïque conduit à une diminution de la performance et à la dégradation de cette dernière.

Les chercheurs proposent d’évacuer cette chaleur par l’introduction d’un fluide caloporteur (eau-air) qui extrait la chaleur. Cette dernière peut être éventuellement utilisée dans des applications thermiques. Ce type de collecteur solaire, appelé

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collecteur solaire PV/T hybride a en plus de la production électrique, trois applications possibles, le chauffage de l’air [87- 89], de l’eau [90-92], ou encore de l’eau et de l’air simultanément, appelé dans ce dernier cas, Bi fluide [93].

Des recherches ont été conduites depuis 1970 pour modéliser et améliorer la conception des collecteurs solaires PV/T [94-104]. Un intérêt particulier a été également porté à l’amélioration de l’intégration et l’évaluation de l’impact de ce type de systèmes sur le comportement énergétique et sur l’économie des constructions [105-108][85]. Toutes les études menées ont conclu que les systèmes PV/T représentent une réelle et excellente solution pour réduire l’impact énergétique des constructions.

Les systèmes PV/T disposent d'un large éventail d'applications, en plus de leur utilisation pour la production d’eau chaude sanitaire (collecteurs PV/T vitrés), ils peuvent également être intégrés dans les bâtiments commerciaux (collecteurs PV ventilés pour le préchauffage de l'air de la ventilation pendant l'hiver et la ventilation naturelle en été via la même gaine). Ainsi, le marché des PV/T pourrait même être plus attractif que celui des capteurs thermiques.

Les collecteurs PV/T peuvent être classés selon le type de fluide caloporteur (eau / glycol ou de l'air) et de la concentration du rayonnement entrant. Cinq groupes de collecteurs PV/T sont recensés [109] :

 Les collecteurs PV/T liquide.

 Les collecteurs PV/T à air.

 Les collecteurs PV/T Bi fluide.

 Les collecteurs PV ventilés avec récupération de la chaleur.

 Les collecteurs PV/T à concentration.

En plus de cette classification, il existe également des colleteurs PV/T vitrés ou non vitrés) [109] qui se différencient par l’utilisation ou pas d’une couverture vitrée.

I.3.5.1 Collecteur PV/T liquide

La configuration des collecteurs PV/T à eau (figure I.23) est similaire aux collecteurs solaires thermiques plans à eau. Les cellules PV sont placées sur l’absorbeur avec un tube en serpentin ou une série de tubes parallèles [109-110].

Deux configurations courantes des systèmes PV/T sont utilisées, configurations « à plaques parallèles » et « à tubes en plaques ».

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Figure I.23. Système solaire PV/T à tubes intégrés [110] I.3.5.2. Collecteur PV/T à air

Un collecteur PV/T à air est la combinaison d’un collecteur thermique à air et une plaque PV. Ce dernier peut couvrir les besoins en chauffage, le rafraichissement des locaux et le séchage des produits agricoles [109]. La figure I.24 illustre quelques configurations développées des collecteurs PV/T à air.

L’utilisation de l'air comme fluide caloporteur évitera les phénomènes du gel (en période froide) et d’ébullition (en période chaude), ainsi que les dommages en cas de fuite. Néanmoins, quelques inconvénients sont notés à savoir; une surface d’échange plus importante due aux caractéristiques thermo-physiques faibles de l’air, et une perte de chaleur élevée par les fuites d'air [109].

Figure I.24. Différentes configurations des collecteurs PV/T à air [110] I.3.5.3. Collecteur PV/T Bi fluide

Ce type de collecteurs PV/T permet le chauffage simultané de l’eau et de l’air. La production de l’air chaud, de l’eau chaude et de l’électricité permet d’augmenter l'efficacité totale par rapport à un collecteur PV/T classique. L'utilisation des deux fluides (bi-fluide) a pour résultat une plus large gamme d'applications thermiques avec une efficacité élevée [93]. Différentes configurations de ce système sont représentées sur la figure I.25 [110].

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Figure I.25. Différentes conceptions de collecteurs PV/T Bi fluide [110] I.3.5.4. Les collecteurs PV ventilés avec récupération de chaleur

Afin de refroidir les installations photovoltaïques installées dans les façades où les toits conventionnels, un espace d'air est souvent utilisé à l'arrière des panneaux. La circulation de l’air peut être en convection naturelle ou mécanique (PV ventilé). La récupération de cette chaleur est possible et peut permettre le chauffage des locaux. Dans ce cas le panneau PV est considéré comme hybride [109]. Les cellules photovoltaïques peuvent être aussi intégrées dans les murs trombes [113].

En plus de l'électricité et de la chaleur produite, ces façades PV ventilées présentent des avantages supplémentaires qui sont [109]:

 Une protection des façades contre le rayonnement solaire ce qui réduit les charges de rafraichissement et une limitation des pertes thermiques par infiltration. Le panneau PV agit comme une paroi supplémentaire qui joue le rôle de l’isolation.

 La ventilation des locaux est possible par ces façades en cas d’absence du chauffage.

 La façade PV constitue un revêtement de la paroi et permet de réduire le cout de construction.

I.3.5.5. Les collecteur PV/T à concentration

Une des méthodes les plus efficaces pour réduire le coût des systèmes PV est la combinaison de ces derniers avec des dispositifs de concentration du rayonnement solaire. Des miroirs moins couteux remplacent une partie des cellules PV, ce qui permet de réduire le temps d’amortissement du système pour la même performance de celui-ci (figure I.26). Une contrainte de taille, à savoir la température des cellules PV, peut néanmoins limiter le fonctionnement et l’utilisation de ces systèmes. Des dispositifs de refroidissement des cellules PV doivent alors être employés pour remédier à ce problème [109].

Les systèmes solaires sont caractérisés par un rapport de concentration. Dans le cas où sa valeur est supérieure à 2.5, un système de suivi du soleil est nécessaire. Dans

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le cas contraire aucun dispositif de suivi n’est utilisé et le concentrateur est considéré comme stationnaire [109].

Figure I.26. Schéma d’un collecteur PV /T avec des concentrateurs de rayonnement solaire [114].

Dans le cadre de ce travail, seuls les systèmes PV/T à eau sont considérés. La procédure de modélisation des collecteurs PV/T est similaire à celle d’un collecteur thermique plan.