Le photovoltaïque dans tous ses états (2/2)

Après la présentation des principes sur lesquels repose le photovoltaïque, il m’a semblé assez intéressant d’aller voir de plus près l’ensemble de ces technologies…
C’est sur le site expérimental solaire Lumiwatt dans le Pas-de-Calais, à Loos-en-Gohelle (au pied des terrils), que nous allons nous promener aujourd’hui.

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Lumiwatt : Vue du haut du terril

J’ai eu l’opportunité de le visiter en septembre dernier (sous le soleil) puis il y a quelques jours (sous le brouillard). On y retrouve l’ensemble des technologies explicitées dans le post précédent à savoir :
– le silicium monocristallin,
– le silicium polycristallin,
– la technologie couche mince (CdTe, CIS, CIGS, a-Si simple et triple jonction),
– la technologie hybride (HIT et « micromorphe »).

Cette plateforme expérimentale et vitrine technologique Lumiwatt a été mise en place en 2010 par le Cd2E (Création Développement des Eco-Entreprises, pôle d’excellence),EdF, Eiffage Energie et la ville de Loos-en-Gohelle mais le projet de plate-forme a été engagé par les fondateurs de l’association Technologies Solaires pour Tous dès 2008 Elle a pu se cristalliser autour de partenaires clé : HEI, ENSAM, EdF, Eiffage, la commune de Loos-en-Gohelle.

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Les missions
Cette plate-forme a diverses vocations.
C’est avant tout une plateforme permettant de montrer que le photovoltaïque a toute sa place dans les Hauts de France, région pourtant non réputée pour la fréquence de son soleil… et que son implantation dans ces latitudes est loin d’être aberrante. La production n’est pas négligeable et il est intéressant de montrer que certaines technologies sont même mieux adaptées avec ce type d’ensoleillement.

Lumiwatt a également une vocation pédagogique pour développer la connaissance des filières de l’énergie renouvelable : des partenariats avec des bureaux d’étude mais aussi des institutions éducatives ou de centres de formation permettent de faire découvrir les différentes technologies (leur principe, leur fonctionnement, leurs contraintes) dans des conditions réelles, d’appréhender leur performance dans une région à ensoleillement moyen, de toucher du doigt les risques potentiels pour apprendre à les prévenir, de découvrir les règles de l’art pour l’exploitation et la maintenance.

C’est également une plateforme support à des projets de R&D :
–  les différentes technologies peuvent être testées et évaluées en lien avec les fabricants en conditions réelles et en toute objectivité,
– la capitalisation de données* (depuis 2011) selon de multiples scénarios de conditions météorologiques et selon diverses conditions d’exploitation permet d’étudier les performances des différentes technologies  afin d’acquérir des connaissances et du savoir faire,
– des centres de recherche dédiés (ex : l’INES– Institut National de l’Energie Solaire) peuvent appuyer leur recherches plus fondamentales (amélioration des caractéristiques du silicium, recherche d’un meilleur rendement) sur ce type de plate-formes.

*Les données qui sont suivies concernent la puissance, l’intensité délivrée (CC et CA), la température des cellules et les conditions météo (Température, vent et luminosité).

Les technologies d’un peu plus près et leurs performances

Certains panneaux sont fixes (sheds orientés plein sud, 30° – la configuration optimale pour la performance du cristallin), tandis que d’autres peuvent suivre la course du soleil (tracker 1 axe -déplacement Est/Ouest ou deux axes Est/Ouest  + dans un plan par rapport à l’horizontale).
La puissance installée est pour chacun d’eux de l’ordre de 3 000  Wc (sauf pour le Silicium amorphe simple jonction – voir plus loin).

  • Les technologies classiques au silicium
    Il s’agit de la technologie « phare » représentant 85% de la production mondiale.

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Au sein de la filière Silicium monocristallin, deux technologies sont également évaluées et comparées : la voie ordinaire et le back contact. Ce dernier emploie du silicium très pur (dopé n) avec les électrodes situées en face arrière : l’intégralité de la cellule reçoit le rayonnement incident.

  • Les technologies couches minces (hors silicium)

Les modules à base de CdTe installés ici ont pour fabricant un des leaders mondiaux en matière de fabrication de panneaux phoovoltaïques : First Solar (américain) qui s’est de plus, engagé dans un programme de collecte et recyclage de ses panneaux.
Le fournisseur pour la technique couche mince CIGS est Solibro (allemand, leader mondial dans les couches minces CIGS). Pour le CIS, le fabricant est Wurth Solar (allemand).

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  • Les technologies couches minces (silicium amorphe)

Le silicium amorphe simple jonction (fournisseur Free Energy) a une puissance installée de 1344 Wc.

La technologie couche mince silicium amorphe triple jonction présente ici est sous la forme de membranes souples (fabricant Unisolar) qui présentent l’avantage d’une grande légèreté, d’une facilité de mise en oeuvre  : particulièrement adapté en toiture ou en terrasse (faible prise au vent).

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  • Les technologies hybrides

La technologie HIT est ici celle du fabricant japonais Sanyo : elle permet de tirer parti de l’ensoleillement direct (Si monocristallin) et diffus (Si amorphe).  Ce module photovoltaïque HIT SANYO lancé en 2009 apparait comme le plus performant au monde.

La technologie micromorphe est constituée de silicium amorphe en symbiose avec des microcristaux de Si monocristallin : le fournisseur est Sharp

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Etude de l’orientation
Les trackers à un axe reprennent pratiquement toutes les technologies des sheds à savoir le silicium monocristallin (ordinaire et back contact) et polycristallin puis en couche mince (CdTe, CIS, CIGS, a-Si triple jonction) et la technologie hybride HIT.
Les trackers à deux axes concernent les seules technologies mono et polycristallin.

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Panneaux trackers à un axe

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Panneaux trackers deux axes

Quelques résultats

  • Généralités

La production annuelle est comprise entre 65 et 68 MWh/an. Cette production est revendue intégralement.
L’acquisition de données a permis de montrer de façon tranchée qu’une différence d’ensoleillement ne conduit pas forcément à une perte de production en conséquence ce qui prouve que l’ensoleillement direct n’est pas le paramètre clé pour la performance de certaines technologies, notamment les couches minces.

En ce qui concerne les panneaux fixes, les meilleurs résultats sont obtenus pour le monocristallin en back-contact suivi de la technologie hybride HIT. Cette dernière étant sensible aussi bien à l’ensoleillement direct que l’ensoleillement diffus.

La plateforme Lumiwatt a également permis de mettre en évidence la performance intéressante des couches minces en hiver, supérieure à celle du polycristallin (18% de rendement pour le CIGS en décembre 2015).

Influence de l’orientation

L’acquisition de données montre une production supplémentaire de l’ordre de 14 à 20 %  du montage sur un axe par rapport à un panneau fixe. Le bas de la fourchette concerne le monocristallin et le haut de la fourchette correspond au polycristallin.

Pour ce qui est de la configuration deux axes, le surplus de production par rapport au panneau fixe peut aller jusqu’à 40% (la meilleure année). Autre point notable également pour cette configuration : aucune différence de rendement n’est observée entre la technologie polycristallin et monocristallin.

  • Influence de la température

Ce paramètre est extrêmement important : la perte de puissance a été estimée à 0.5% par °C d’élévation de température pour le polycristallin au-delà de 30 °C (lié à l’augmentation de la résistance électrique des cellules).
Le tracker couche minde CdTe est moins affecté car il fait l’objet d’une moindre montée en température d’où une moindre perte de puissance.

La phase 2 de Lumiwatt
Une deuxième phase de la plate-forme vient juste d’être lancée. Elle combine cette fois plusieurs types d’énergies renouvelables de façon à montrer leur complémentarité :
– l’éolien (classique à axe horizontal et une autre à axe vertical),
– les panneaux photovoltaïques (couche mince CIS/polycristallin) orientés 45° Sud-Est et Sud-Ouest,
– les panneaux photovoltaïques en position verticale ou horizontale.

Le but est de développer une connaissance scientifique et technique de la gestion globale d’un système énergétique intégrant des EnR sur la base de partenariats avec les fabricants (Cap Vent, Eiffage, Unéole, Eynersis) et centres de recherche R&D (pôle MEDEE).

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Panneaux polycristallins et couche mince (45° – Sud Ouest)

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Panneaux disposés en façade (90°) et sur le toit (0°), panneaux fixes SE (45°) – Eolienne axe horizontal

La plate-forme permet également de tester la performance d’un panneau placé à la verticale (sur un mur de bâtiment par exemple). Il s’avère que la technologie couche mince donne de meilleurs résultats que le cristallin.

L’aspect stockage de l’énergie est aussi étudié avec, pour l’instant, deux types de batteries (batterie au plomb (Eynersis) et technologie Li-ion). Les deux technologies, de capacité de stockage différente sont comparées (et d’autres vont également être implantées, dont le stockage par l’hydrogène)

batteries

Enfin, le but de cette 2e phase est également d’étudier les usages possibles de la production de l’énergie renouvelable selon 4 configurations différentes :
– usage pour l’éclairage public,
– besoins nocturnes,
– lissage de la production et écrêtage de la production de pointe
– possibilités d’autoconsommation.

Bref, le développement de la plate-forme se poursuit, avec toujours plus de points d’études permettant de capitaliser les connaissances.

1 comment for “Le photovoltaïque dans tous ses états (2/2)

  1. 10/04/2017 at 14:27

    Vraiment intéressant comme promenade. En tout cas, merci à l’auteur. Cela m’a permis de savoir beaucoup de choses 🙂

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