Introduction

Comme pour toutes applications de l’énergie solaire, une bonne connaissance du gisement solaire est nécessaire à l’étude des systèmes photovoltaïques. Par gisement solaire, on entend ici les différentes caractéristiques du rayonnement solaire, susceptibles d’influencer les performances d’un système en un lieu donné.Ainsi, dans ce chapitre, nous ferons des rappels sur le gisement solaire avant d’introduire la notion d’effet photovoltaïque et de la cellule solaire photovoltaïque. Enfin nous présenterons les différents composants constituant le système photovoltaïque étudié puis nous dénoncerons les avantages et inconvénients de l’énergie photovoltaïque.

Rayonnement solaire

Le soleil émet en permanence, dans toutes les directions de l’espace, des rayonnements électromagnétiques composés de «grains» de lumière appelés photons. Ces rayonnements se propagent à la vitesse de la lumière ; il lui faut donc, en moyenne, 499 secondes, soit 8 minutes et 19 secondes, pour atteindre notre atmosphère [2].L’énergie, Eph, de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde λ par la relation Où h est la constante de Planck, h=6.62.10-34 J.s Le rayonnement reçu par l’atmosphère terrestre n’occupe qu’une faible portion du spectre d’ondes électromagnétiques solaire. Il est caractérisé par des longueurs d’ondes comprisesentre 0,2 et 2,5 μm, il inclut le domaine du visible (ondes lumineuses de 0,4 à 0,8μm).Les capteurs d’énergie solaire, qui correspondent aux cellules solaires devront donc êtrecompatibles avec ces longueurs d’ondes pour pouvoir piéger les photons et les restituer sousforme d’électrons [3].La figure (I-1) présente la courbe d’énergie du corps noir à 6000K, le rayonnementsolaire hors de l’atmosphère et le rayonnement solaire au niveau de la mer en fonction de lalongueur d’onde. Ces courbes montrent que 9,2% de l’énergie de ce spectre se trouve dans l’ultraviolet, 42,4% dans le visible et 48,4% dans l’infrarouge.Figure (I.1) : Répartition spectrale du rayonnement solaire, d’après [3.Lorsqu’il traverse l’atmosphère, le rayonnement solaire perd de son intensité car il est partiellement réfléchi et absorbé (principalement par la vapeur d’eau et par d’autres gaz atmosphériques). Le rayonnement qui traverse est en partie diffusé par l’air et par les particules solides en suspension dans l’air. On distingue donc: Le rayonnement direct qui est reçu du solaire, directement sans diffusion par l’atmosphère.Le rayonnement diffus qui est constitué de la lumière diffusée par l’atmosphère.L’albédo est la partie réfléchie par le sol dépendant de l’environnement du site.En somme, le rayonnement global se calcule comme suit:La conception du système photovoltaïque nécessite la connaissance du rayonnement solaire utile sur le site à étudier. Plus on reçoit une grande énergie solaire, moins on a de panneaux solaires et inversement.

Irradiation solaire

L’irradiation solaire exprime la quantité d’énergie reçue, au niveau du sol, par unité de surface. Ses unités usuelles sont le J/m2, J/cm2, Wh/m2, ou bien kWh/m2.Elle dépend de nombreux facteurs, dont principalement la couverture nuageuse, la durée du jour, l’instant considéré dans la journée, l’orientation et l’inclinaison de la surface, la latitude du lieu, son degré de pollution et la hauteur angulaire du soleil au-dessus de l’horizon.La combinaison de tous ces paramètres produit la variabilité dans l’espace et dans le temps de l’irradiation solaire. Dans les régions du globe comprises entre 40o nord et sud,l’énergie globale annuelle reçue par une surface horizontale est comprise entre 1400 et 2500 kWh/m2 [4].L’irradiation solaire est différente de l’éclairement ou irradiance qui est défini comme une puissance reçue par unité de surface et s’exprime en W/m2 (watt par mètre carré).

Coordonnées géographiques terrestres

Un point sur la surface de la terre est repéré par ces coordonnées :

Latitude (φ)

Une latitude donne la localisation d’un point par rapport à l’équateur. Elle est comptée,de 0o à 90°, positivement vers le pôle Nord et négativement vers le pôle Sud.

Longitude (L)

La longitude d’un lieu donné est l’angle formé par le méridien de ce lieu avec le méridien d’origine (méridien de Greenwich). Elle est comptée, de 0° à 180°, positivement vers l’est et négativement vers l’ouest.

Altitude

L’altitude est l’élévation d’un lieu par rapport au niveau de la mer, mesurée en mètre (m).

Position du soleil

La position apparente du soleil est repérée à chaque instant de la journée et de l’année par deux systèmes de coordonnées:

Coordonnées horaires

Les coordonnées horaires sont liées à l’heure de l’observation, et n’ont aucune relation avec la position de l’observateur sur la terre. Elles ont comme plan de référence le plan de l’équateur. Les coordonnées horaires sont au nombre de deux:

Déclinaison du soleil (δ, d)

La déclinaison est l’angle que fait la direction d’observation du soleil avec sa projection sur le plan équatorial. Elle est exprimée en degrés(°), minute (‘) et seconde ( ») d’arc. Elletraduit l’inclinaison du plan équatorial par rapport au plan écliptique.En considérant la déclinaison δ comme constante sur une journée, l’équation de Copernic fournit la relation qui relie ces deux grandeurs [5]:2 𝜋 (284 + 𝑛)𝛿 = 23,45 [𝑠𝑖𝑛. ](I-2)Où n: est le numéro du jour de l’année à partir du premier janvier.La déclinaison solaire varie de -23°27’ au solstice d’hiver à +23°27’ au solstice d’été et elle est nulle aux équinoxes [6], et cette variation entraîne des variations de la hauteur du soleil pour un même site.En juin, l’hémisphère nord se trouve rapproché du soleil ; le soleil est plus haut sur l’horizon pour une même heure et la durée du jour est plus grande. L’irradiation journalière est ainsi automatiquement augmentée par rapport au solstice d’hiver, en décembre.Chapitre I Notions générales et système PV

 Angle horaire du soleil (ω, Ah, h)

L’angle horaire étant l’angle ou l’arc compté sur l’équateur dans le sens rétrograde à partir du plan vertical du lieu passant par le sud jusqu’au plan méridien passant par le centre du soleil. Il mesure la course du soleil dans le ciel.L’angle horaire définit le temps solaire vrai TSV, il est midi TSV si ω=0 [7]. Exprimé en degrés d’angle, sa valeur est nulle à midi solaire, elle est négative le matin, positive en après midi et augmente de 15° par heure (un tour de 360° en 24 heures).L’angle horaire ω (°) est donné par la formule suivante [8] :ω = 15 (TSV-12) (I-3)TSV : le Temps Solaire Vrai en heures. C’est le temps repéré de façon que le soleil se trouve au zénith à midi. Cette formule n’est pas valable pour les heures de lever et de coucher du soleil. Il faut ainsi déterminer l’angle solaire au coucher, et au lever qui dépendent de la déclinaison (𝛿) et de la latitude (𝜑) du lieu. [9]𝜔0 = 𝑐𝑜𝑠-1 (- tan 𝜑 tan 𝛿) (I-4)L’angle solaire au coucher est tout simplement l’opposé de l’angle solaire au lever.

Coordonnées horizontales

Les coordonnées horizontales dépendent du lieu d’observation. Elles ont comme plan de référence le plan horizontal, perpendiculaire à la verticale du lieu. Un objet est repéré dans système de coordonnées par ces composantes:

Hauteur du soleil (γ, H)

La hauteur angulaire du soleil, communément appelée hauteur du soleil ou élévation du soleil, est l’angle compris entre la direction apparente du soleil avec sa projection sur le plan horizontal du lieu considéré. Sa valeur est nulle au lever ou au coucher du soleil et maximale lorsque le soleil est à son zénith.Elle varie au cours de la journée en fonction de la déclinaison δ de l’angle horaire ω, et de la latitude φ.