FablabSU

06 14 03 14 6 Thomas Benoit Le Varlet thomaslevarlet@hotmail.com

Faisal Chatha & Thomas Le Varlet Atelier de recherche encadrée (ARE) Sujet : Piles et cellules Enseignants : Dr Rochet & Dr Marangolo Protocol e expérimental : étude de la performance de cellules photovoltaïques brisées Date : 26.02.2018 Constat motivant l’expérience Au vu des défi s écologiques et des pénuries de ressources aux portes de l’humanité, les foyers de demains devront être alimentés par de l’énergie renouvelable combiné e à un système de stockage de l’é nergie pour assurer la permanence. Les technologies actuelles permettant le mieux de répondre à ces besoins sont les panneaux solaires couplés à un convertisseur de courant ainsi qu’à une batterie. Les processus de production de ces technologies sont complexes et énergivores. Leur recyclage n’est pas évident. Dans une démarche écologique, l’optimisation de l’utilisation de ces technologies est importante. But de l’ expérience Purifier le S ilicon de ces cellules photovoltaïques est très énergivore (Stoppato , 2008) . Il convient de maximiser l’utilité de chaque cm 2 de surface de cellule photovoltaïque fabriquée afin de s’assurer que la cellule aura généré plus d’énergie durant sa durée de vie qu’il en aura été nécessaire pour la fabriquer , la mettre en se rvice et gérer sa fin de vie (Michael & Sally, 2013) . Aujourd’hui, selon Dricus de Rooij, directeur de l’approvisionnement chez Sinovoltaics, 1 à 3% des cellules photovoltaïques sont b risées lors de leur fabrication ou lors de l eur transport (Rooij, 2010) . Ces cellules cassées sont envoyées à la déchetterie ou au recyclage et, plus rarement, sont récupérées pour être adaptées à des gadgets moins regardants au niveau de la performance comme l es petits chargeurs solaires (Niclas, 2012) . Cependant , rien dans la composition des cellules photovoltaïques (Rensselaer Polytechnic Institute, 2006) ne laisse penser que ces cellules partiellement brisées ne peuvent pas être découpées à l’endroit de la brisure et utilisées pour leur rôle noble de départ, le seul rôle pour lequel une cellule photovoltaïque est rentable énergétiquement, leur rôle écologiquement salvateur, soit une application stationnaire . Nous voulons donc étudier l’i mpact sur la performance qu’a une brisure causant une perte de surface sur une cellule photovoltaïque et effectuer une comparaison avec l a performance surfacique qu’aurait eu une même cellule photovoltaïque inaltérée. L’étude de la performance se fera par le suivi du voltage , du courant et de la puissance générés en fonction de la surface altérée . Hypothèse Le voltage restera constant et le courant et la puissance générés s er ont proportionnels à la surface de la cellule photovoltaïque brisée . Les constantes • Les cellules photovoltaïques étudiées seront toutes identiques, neuves, brutes et venant du même fournisseur . • La source d’éclairage sera la même et de la même in tensité pour toutes les mesures. • La température, la pression et la composition de l’air dans la pièce sera identique pour toutes les mesures. • La méthode de brisure des cellules - le fraisage, sensé recréer au mieux les techniques actuellement disponibles i ndustriellement tout en permettant l’intégrité des cellules (Aypac, 2011) et l’obtention de découpes et de mesures précises - sera la même à chaque fois. La fraiseuse d u Fablab de l’UPMC sera utilisée. • Le multimètre utilisé sera le même pour toutes les mesures. La variable La seule variable qui changera entre 2 mesures sera la surface de la cellule photovoltaïque. Le témoin Une cellule photovoltaïque inaltérée sera utilisée comme témoin. Les mesures nécessaires lui seront pré levées (surface, voltage, courant). Cette cellule photovoltaïque témoin deviendra ensuite expérimentale dès lors qu’elle sera fraisée. Ce cycle ‘’témoin - expérimentale’’ sera reproduit pour chaque cellule photovoltaïque neuve et identique accessible. Les ré sultats attendus Si l’hypothèse est correcte, le voltage restera constant et il existera une relation linéaire entre l es surface s plus ou moins grandes de s cellule s photovoltaïques fraisées et le courant qu’elle s produi sent . Cependant, l’espace entre les doigts récupérateurs du courant et le nombre de jeux de barres ainsi que leur positionnement sont conçu s et positionnés optimalement pour les cellules photovoltaïques inaltérée . La modification de leur agencement relatif dû a u fraisage risque de réduire la performance surfacique des cellules (Yang, Pietro, Weihua, & Hui, 2011) . Matériel à pourvoir • Au moins 2 cellules photovoltaïques identiques • Une règle graduée et un marqueur • Une fraiseuse (Fablab) • Une lampe reproduisant le spectre solaire et émettant dans le proche UV (Fablab) • Un multimètre • Un ordinateur avec Excel Procédures : manipulations et interprétations 1/ Installer la lampe de manière à ce que l’ampoule soit à 10 centimètres au - dessus de la table. 2/ Tracer à l’aide d’un marqueur sur une feuille en papier un point de repère sur lequel les cellules photovoltaïques seront placées. Placer et stabiliser la feuille optimalement sous la lampe. 3/ Mesurer la surface de l a cellule photovoltaïque témoin encore inaltérée. 4/ C onnecter le multimètre au bornes positives et négatives de la cellule photovoltaïque témoin qui sera placée sur le point de repère. Prendre les mesures de tension et de courant. 5/ De manière sécuritair e, fraiser soigneusement la cellule photovoltaïque témoin (qui devient alors expérimentale) perpendiculairement à sa longueur et à 1,0 centimètre du rebord. Cela constituera la nouvelle surface théorique. S’aider d’un marqueur et d’une règle graduée pour déterminer la ligne de coupe à suivre par la fraiseuse. 6/ À l’aide d’une règle graduée, m esurer la surface de la cellule photovoltaïque expérimentale qui vient d’être fraisée . On utilisera les valeurs théo riques de la surface restante après le fraisage, mais ces mesures de la surface réelle testée nous permettront de déterminer les incertitudes lors du traitement et de l’analyse des résultats. 7/ Connecter le multimètre au bornes positives et négatives de l a cellule photovoltaïque expérimentale qui vient d’être fraisée . Prendre les mesures de tension et de courant. 8/ Répéter les étapes 5, 6 et 7 pour obtenir autant de mesures que possible dans la mesure où les bornes positives et négatives de la cellule pho tovoltaïque sont encore accessibles . Pour obtenir plus de mesures , plusieurs cellule s photovoltaïque s ‘’témoins - expérimentales’’ identiques doivent être fraisée s et testée s avec le même protocole. 9 / Ouvrir Microsoft Excel et former des graphiques montrant l’évolution de la surface théorique de la cellule photovoltaïque en fonction de sa tension générée , puis en fonction de son courant généré , et enfin en fonction de sa puissance générée (P=V*I). Ne pas oublier de prendre en compte les i ncertitude s liées à la précision de la surface réelle après le fraisage, la précision de la règle graduée, la précision du multimètre et l’incertitude correspondant aux différentes valeurs obtenues pour les différentes cellules photovoltaïques testées avec le même protocole . Cela permettra d’ajouter d es barres d’erreur s aussi bien verticales qu’horizontales. 1 0 / Si la relation entre l es puissance s générée s par l es cellule s photovoltaïque s à leurs différents stades de fraisage en fonction de leur s surface s correspondante s n’es t pas linéaire, tenter d’expliquer pourquoi. À l’inverse, si la relation est linéaire, également tenter d’expliquer pourquoi. 1 2 / Au vu de la comparaison des performances surfaciques d’une cellule photovoltaïque inaltérée avec celles d’une cellule photovoltaïque fraisée (unités : V/m 2 , A/m 2 , W/m 2 ), c onclure quant au caractère intéressant ou pas pour un industriel de découper et d’utiliser des cellules photovoltaïques partiellement brisée pour leur donner la même mission que celle pour laquelle les c ellules ont été initialement fabriquées (ignorer la viabilité économique et logistique qu’un tel processus de récupération engendrerait). Quelle configuration (série ou parallèle) un fabricant devra - t - il mettre en place pour retrouver la performance d’une cellule neuve inaltérée à partir d e cellule s découpée s ? Schéma de l’expérienc e Bibliographie Aypac. (2011, octobre 18). Howto: Cut solar cells in custom sizes. Récupéré sur Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=w50OZKEKXmk Michael, D., & Sally, M. B. (2013). Energy Balance of the Global Photovoltaic (PV) Industry - Is the PV Industry a Net Electricity Producer? Environ. Sci. Technol. 47 (7) , 3482 – 3489. Niclas, D. (2012, Janvier 6). Récupéré sur Sinovoltaics: http://sinovolta ics.com/learning - center/solar - cells/broken - solar - cells - classification - and - applications/ Rensselaer Polytechnic Institute. (2006). How do PV panels or PV cells work? Récupéré sur Lighting Research Center: http://www.lrc.rpi.edu/programs/NLPIP/lightingAnswer s/photovoltaic/04 - photovoltaic - panels - work.asp Rooij, D. d. (2010, Décembre 15). Broken solar cells – applications and recycling . Récupéré sur Sinovoltaics: http://sinovoltaics.com/solar - cells/wanted - broken - solar - cells - for - recycling - purpose/ Stoppato, A. ( 2008). Life cycle assessment of photovoltaic electricity generation. Energy, Volume 33, Issue 2 , 224 - 232. Récupéré sur https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544207002137?via%3Dihub Yang, Y., Pietro, P. A., Weihua, Z., & Hui, S. (2011). Ana lysis of industrial c‐Si solar cell's front metallization by advanced numerical simulation. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Volume 20, issue 4 , 490 - 500. doi:10.1002/pip.1148