Principe de fonctionnement d’une cellule
Les matériaux semi-conducteurs : Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité est intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de valence du silicium permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique. Effet photovoltaïque : Le fonctionnement d’une cellule solaire repose sur le principe de l’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le Français Alexandre-Edmond Becquerel, il désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les Semi- conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière du soleil en électricité .
En fait, la photopile est composée de matériaux semi-conducteurs dopés P (manque d’électrons) et N (excès d’électrons) dont la jonction de type P-N permet aux électrons excédentaires de la zone N de traverser la jonction et d’occuper les trous de la zone P.
Ainsi, lorsque la lumière frappe la surface (dopée N) d’une cellule photovoltaïque, les photons constituant cette lumière communiquent leur énergie aux atomes du matériau en libérant les électrons des atomes qui génèrent ainsi des charges N (les électrons) et des charges P (les trous). Or le déplacement d’électrons (créé par l’énergie des photons) est synonyme de production d’électricité.
Types de cellules photovoltaïques
Les cellules monocristallines : Les cellules monocristallines est la première génération de photopiles. Elles ont un taux de rendement excellent (12-16%) (23% en Laboratoire) ; Leur méthode de fabrication est laborieuse et difficile. En plus il faut une grande quantité d’énergie pour obtenir du cristal pur. Ce qui fait que leur production est très chère.
Les cellules poly-cristallines : Le coût de production de ces cellules est moins élevé que les précédentes le procédé nécessite aussi moins d ‘énergie. Mais le rendement 11-13% (18% en Labo) est plus faible que celui les cellules monocristallines.
Les cellules amorphes : Avec un Coût de production bien plus bas et un rendement plus bas : 8-10% (13% en labo), ces cellules ont une durée de vie plus faible que celle des cellules cristallines. C’est le silicium amorphe que l’on trouve le plus souvent dans les produits de consommation comme les calculatrices, les montres etc.… Toutefois, ils réagissent mieux à des températures élevées ou à une lumière diffuse.
De plus, les cellules mono et poly-cristallines sont les types de cellules les plus répandues sur le marché du photovoltaïque (environ 60% de la production).
Les cellules nanocristallines : Ces dernières générations de photopiles fonctionnent selon un principe qui différencie lesfonctions d’absorption de la lumière et de séparation des charges électriques. Un rendement global de 10,4 % est confirmé par des mesures au laboratoire. Le procédé de fabrication et le coût de production sont encore plus bas que ceux des autres types de cellules.
Les composantes du système photovoltaïque utiles
Dans les infrastructures hors-réseau, le système PV est soit indépendant ou possède une configuration centralisée qui dessert plusieurs unités. Le système distribue soit un courant direct continu (CD) ou un courant alternatif (CA). Les principales composantes d’un système autonome sont principalement les panneaux PV, les batteries et un régulateur ou contrôleur de la charge d’énergie. En plus de ces composantes de base, d’autres éléments utilisés généralement dans les installations de l’éclairage public seront présentés dans cette partie.
Chaque composante du système est dimensionnée en fonction des contraintes techniques du système. Les caractéristiques de ces composantes doivent être bien comprises pour déterminer la plage de fonctionnement du système .
Le panneau PV : Les panneaux PV ou les module sont formés de cellules d’un matériau semi- conducteur qui transforme les radiations provenant du soleil en électricité CD. Le panneau est recouvert d’un matériau transparent qui le protège de l’eau et est conçu pour que le montage soit facile. Les panneaux sont installés dans un endroit ensoleillé (l’ombre réduit la performance) sur une inclinaison avec un angle équivalent à la latitude du site mais ne doit pas avoir moins de 15 degrés pour faciliter le ruissellement des eaux de pluie et l’évacuation de la poussière. Les panneaux faits de silicone monocristal et de polycristal de silicone amorphe (fine pellicule) sont certifiés par un standard international et ont une garantie de plus de 25 ans et sont habituellement d´un choix sûr. Les coûts actuels des panneaux représentent 35 à 40 pour-cent de coûts initiaux d’installation.
La Batterie : Une batterie électrique est un composant électrochimique, elle comporte des électrodes positives et négatives composées d’alliages dissemblables plongées dans un électrolyte (acide). L’ensemble est encapsulé dans un bac scellé ou muni d’un bouchon de remplissage et d’un évent. Les réactions d’oxydoréduction sont réversibles pour les batteries qui n’ont pas été trop chargées surchargées pendant très longtemps. Un fonctionnement prolongé dans l’un ou l’autre de ces états aboutirait à la destruction définitive de la batterie.
La batterie sert à stocker l’énergie produite par les modules PV. Il y a nécessité de stockage chaque fois que la demande énergétique est décalée dans le temps vis-à-vis de l’apport énergétique solaire.
En effet : La demande énergétique est fonction de la charge à alimenter ; les appareils utilisés fonctionnent soit en continu, soit à la demande ; L’apport énergétique solaire est périodique (alternance jour/nuit, été/hiver) et aléatoire (conditions météorologiques).
Ce décalage entre la demande et l’apport énergétique nécessite un stockage d’électricité. Le système tampon utilisé le plus couramment pour les systèmes photovoltaïques est la batterie d’accumulateur électrochimique.
La batterie remplit deux fonctions importantes dans un système d’éclairage photovoltaïque avec batterie. Il s’agit des fonctions de :
Autonomie. Une batterie permet de répondre aux besoins de la charge en tout temps, même la nuit ou par temps nuageux.
Stabilisation de la tension. Une batterie permet de fournir une tension constante, en éliminant les écarts de tension du champ photovoltaïque et en permettant aux appareils un fonctionnement à une tension optimisée.
Les types de lampes
Lampes à induction : Un courant électrique passant dans une vapeur de mercure basse pression produit un rayonnement ultraviolet (UV) qui est absorbé par l’enduit de phosphore et émis comme lumière.
La différence fondamentale est qu’il n’y a pas d’électrodes ou du fil dans la lampe. Les lampes à induction sont appelées » des lampes sans électrodes » à cause de cette caractéristique. L’ampoule de verre a un creux et dans ceci il y a une bobine d’induction qui est connectée à une haute fréquence produite par un équipement de contrôle monté dans le champ de la lampe. C’est la variation du champ magnétique dans la lampe qui produit du courant à travers la vapeur de mercure ionisée.
Avantages de Lampes à induction : Lampe à basse consommation d’énergie ; La longue durée de vie (50.000 heures) réduit l’entretien et le coût de la maintenance ; La « basse dissipation de la chaleur » ; Bon indice de rendu des couleurs (80% à la température 2700K) ; Équipement de contrôle intégrant la forme de la lampe.
Inconvénients de Lampes à induction : L’investissement initial élevé peut dissuader les acheteurs qui ne comprennent pas l’amortissement rapide par les bas coûts d’exploitation ; La température initiale » minimum 0 °C ; La production réduite de la lumière avec les températures au-dessus de 40 °C ; L’extinction fréquente de la lampe.
LED : Une diode électroluminescente, abrégée sous les sigles DEL ou LED (en anglais : Light Emitting Diode), est un composant optoélectronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique incohérent à partir de la conversion d’énergie électrique lorsqu’un courant la traverse. Les LED fonctionnent toujours en courant continu basse tension de 0,5 à 3 Volts par LED selon la couleur. Elles sont souvent montées en séries pour augmenter le niveau de tension. Elles sont généralement alimentées en continu 9V, 12V ou 24V, à partir de batteries, de piles ou de photopiles.
L’efficacité lumineuse d’une LED : L’efficacité lumineuse des LED dépend de la technologie utilisée. Elle varie énormément avec la couleur émise par la LED, ainsi qu’avec le fabriquant.
Avantages de la technologie LED : Allumage instantané (contrairement aux lampes ou tubes fluorescents) ; Durée de vie importante (50 000 à 100 000 heures) ; Fiabilité : grande résistance aux chocs, vibrations et écrasement ; Insensibilité aux allumages répétés et aux basses températures ; Directivité: l’angle d’émission des LED actuelles peut varier de 15° à 120°. On peut donc obtenir au choix des éclairages très directifs sans ajout de réflecteurs ; Possibilité de contrôle de l’intensité lumineuse très facile, par simple variation de la tension d’alimentation ; Possibilité de contrôle de la température de couleur (cas du mélange de LED colorées). Utilisation possible à basse puissance et basse tension (utilisation directe sur batteries). Faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) grâce à un très bon rendement ; Taille beaucoup plus petite que les lampes classiques. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices ;
Atout non négligeable en matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, leur inertie lumineuse est quasiment nulle. Elles s’allument et s’éteignent en un temps très court et atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique
I.1. Introduction
I.2. Cellule photovoltaïque
I.2.1. Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
I.2.2 .Types de cellules photovoltaïques
I.3. Les composantes du système photovoltaïque utiles pour notre étude
I.3.1. Le panneau PV
I.3.2. La Batterie
I.3.3. Les régulateurs
I.3.4. Le luminaire
I.3.5. Les types de lampes
I.3.6. Dispositif de contrôle du temps d’allumage du luminaire
I.3.7. Les Candélabres
I.4. Quelques normes
I.4.1. Normes des modules photovoltaïques
I.4.2. Normes d’installation des panneaux solaires
I.4.3. Norme européenne de l’éclairage public
Conclusion
Chapitre II : Etude du système d’éclairage
II. 1. Introduction
II.2. Présentation du site
II.3. Description de l’installation
II.4. Dimensionnement du système d’éclairage au niveau de l’axe 2×2 voies
II.4.1. Caractéristiques des luminaires à installer
II.4.2. Dimensionnement d’un point lumineux
II.4.3. Dimensionnement de l’axe linéaire en 2×2 voies
II.5. Dimensionnement du système d’éclairage au niveau des giratoires
II.5.1. Dimensionnement d’un point lumineux
II.5.2. Dimensionnement d‘un giratoire
Conclusion
Chapitre III : Etudes financières
III.1. Introduction
III.2. Le coût de l’éclairage public classique
III.2.1. Le coût de l’installation
III.2.2. Le coût d’approvisionnement en énergie électrique par la SENELEC
III.3. Le coût l’éclairage public avec l’énergie solaire
III.3.1. Le coût d’investissement
III.3.2. Le coût d’entretien et de maintenance
III.4. Comparaison de l’éclairage public solaire et l’éclairage public classique
Conclusion
Conclusion générale et perspectives
