École thématique internationale sur les technologies ...

École thématique internationale sur les technologies CSP et PV avec Smart Grid Ouarzazate, Maroc, 4 - 6 Avril 2015

Plateforme des Technologies Photovoltaïques pour la Formation, la Recherche, l’Innovation et la Production d’Électricité à l’ENS-UM5 de Rabat

Abdelfettah BARHDADI Équipe de Recherche en Physique des Semiconducteurs et Énergie Solaire (PSES) École Normale Supérieure, Université Mohammed V Agdal, Rabat, Maroc

Surface

710 850 km²

Population

Environ 34 Millions

Produit Intérieur Brut (PIB) par Habitant

3200 US $

Indice de Développement Humain (IDH)

0.591

Universités pour la Science et la Technologie

13 Publiques + 7 Privées = 20 Universités

Potentiel en Énergie Solaire

< DNI > = 5 kWh/m²/jour

(3000 h/an)

Potentiel en Énergie Éolienne

25 GW (exploitation on-shore)

Potentiel en Énergie Hydraulique

 200 Sites favorables pour l’installation de petites centrales 2

Situation Énergétique au Maroc

Pas de ressources fossiles ou fissiles

Besoins énergétiques croissants

Grand potentiel en Énergies Renouvelables

Lancement de :

Stratégie Nationale de Développement des Énergies Renouvelables (2 novembre 2009)

Stratégie Nationale de Développement des Énergies Renouvelables 2 Objectifs Principaux 1) Production de l’électricité propre (42 % de la puissance totale installée en 2020) :   14 % à partir de l’énergie solaire (environ 2000 MW) : Plan Solaire Marocain  > 14 % à partir de l’énergie éolienne (2280 MW de puissance) : Programme Marocain Intégré de l’Énergie Éolienne  > 14 % à partir de l’énergie hydroélectrique (2700 MW de puissance) Programme National de Développement de l’Hydroélectricité

2) Intégration Industrielle à Court Terme : Développement d’une Industrie Marocaine Compétitive en Énergies Renouvelables

Plan Solaire Marocain (PSM) Pour produire de l’électricité propre à partir de l’énergie solaire : Conversion Thermodynamique

Conversion du Rayonnement Solaire en électricité

Centrales Solaires CSP

Conversion Indirecte

Centrales PV Classiques Conversion Photovoltaïque Conversion Directe

[1] Le Photovoltaïque: Technologies , Marchés et Intégration industrielle B. Ikken et al., IRESEN, 2013

Centrales PV à Concentration (CPV) Meilleur potentiel d’intégration industrielle au Maroc : 40% à court terme et plus de 80% à moyen terme [1]

Pourquoi le CPV a le meilleur potentiel d’intégration industrielle au Maroc ? 

Technologie adaptée aux zones à climat chaud, sec, avec un DNI élevé



La plupart des matériaux et procédés de fabrication sont standards (peu d’obstacles d’intégration).



Seules les photopiles sont fabriquées ailleurs, et sont facilement accessibles



Seulement 1‰ de matériaux semi-conducteurs est utilisé par comparaison au PV ordinaire



Une synergie avec les technologies CSP déployées au Maroc: économie d’échelle en terme de production des composants (héliostats, structures métalliques, moteurs, régulation, etc.)



Avenir très prometteur dans les régions bien ensoleillées

Technologie relativement récente, émergente, donc très fertile en terme de R&D : Il y a encore beaucoup à faire pour améliorer les performances et réduire les coûts

D’où le positionnement de l’équipe de Recherche PSES

7

Presentation of PSES Research Structure Location

High Education School - ENS Mohammed V University

Director

Prof. A. BARHDADI

Researchers

6 seniors + 4 juniors

Main Research Topic

Photovoltaic Materials and Systems

Scientific Publications

65

Sc. Communications & Invited Talks

110

Master theses, PhD & Higher Degrees

35

Funded Research Projects

8

Co-edition of Scientific Journals

2

Organization of Scientific Events

13

Main Scientific Partners

7

Main Industrial Partners

5

http://www.ensrabat.ac.ma/index.php/equipes-de-recherche/68-physique-des-semi-conducteurs-et-d-energie-solaire-pses

Main Scientific Partners INSTITUTION Institut de Recherche en Énergie Solaire et Énergies Nouvelles IRESEN, Morocco International Centre for Theoretical Physics ICTP, Italy

African Network for Solar Energy ANSOLE, Germany Société Marocaine de Développement des Énergies Renouvelables SMADER, Morocco African Network for Optics and Photonics LAM, Senegal

LOGO

RELATIONSHIP Partner in Projects

Associate

Co-founder & North African Coordinator Co-founder & Vice President Co-founder & Moroccan Coordinator

Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique CNRST, Morocco

Partner in Projects

Institut National d’Energie Solaire CEA-INES, France

Partner in Projects

Main Industrial Partners COMPANY

RESEARCH PROJECT

STATUS

PHOTOWATT TECHNOLOGIES France

Passivation of electrical activity of defects generated by fast isothermal processing in silicon

Done

BEGHELLI Italy

Implementation, study and optimization of a new generation of HCPV grid connected power plant

Under Progress

RESING Morocco NOMISMA ENERGIA Italy

HELIOSLITE France JET ENERGY INTERNATIONAL Morocco

LOGO

Photovoltaic productivity mapping at the regional scale anywhere in Morocco - PROPRE Macroeconomic impact of solar energy on Moroccan electricity sector & regulatory : Proposals for incentive programs New solutions to optimize PV performances by a low cost cleaning and highly integrated system - SOLEIL -

Accepted

New solutions to optimize PV performances by a low cost cleaning and highly integrated system - SOLEIL -

Accepted

Under Progress

Accepted

Most Recent Achievement

Progress in Setting up the first Platform for Training, Research and Innovation in PV and CPV systems at Moroccan University

This Platform is including the following scientific equipments :

1st Grid-Connected HCPV Power Plant (8.16 kWp) Up to 80 kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid

7.67 m

Installed in the framework of Cooperation Project with UM5R-Beghelli

Up to 60 kWh 12 (AC) per sunny day are generated and injected into the grid

2nd Grid-Connected PV Power Plant (2 kWp) based on Mono-Silicon Technology

7.67 m

Installed in the framework of PROPRE.MA Inno-PV Project co-financed by IRESEN

Up to 80 kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid

3nd Grid-Connected PV Power Plant (2 kWp) based on Multi-Silicon Technology

7.67 m

Up to 80 in kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid Installed the framework of PROPRE.MA Inno-PV Project co-financed by IRESEN

4th Grid-Connected PV Power Plant (2 kWp) based on Amorphous-Silicon Technology

7.67 m

Installed the framework of PROPRE.MA Inno-PV Project co-financed by IRESEN Up to 80 in kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid

5th Grid-Connected Innovative Power Plant combining CPV and PV (up to 20 kWp)

7.67 m

Up to 80 kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid

Will be installed in the framework of SOLEIL Inno-PV Project co-financed by IRESEN

Équipements de mesure et de caractérisation

 Pyréliomètre  Pyranomètre  Anémomètre  Girouette  Appareils de mesure de l’humidité et de la température  Appareil de mesure de la résistivité électrique des couches minces  Caméra solaire

Production locale de l’électricité solaire

Avec les centrales déjà installées

l’ENS-UM5R est devenue la 1ère Université Publique Marocaine qui couvre  20 % de ses besoins en énergie avec de l’électricité solaire produite in-situ

Présentation de la Centrale HCPV

Présentation de la centrale basée sur la Technologie Photovoltaïque à Haute Concentration HCPV

– 1ère centrale installée dans la plateforme de l’ENS-UM5R –

Principles of Photovoltaic Photovoltaic: What is it ? Photovoltaic is the DIRECT CONVERSION of sunlight into electricity Photovoltaic is Unique There is presently no way to produce electricity DIRECTLY from sunlight except the Photovoltaic Conversion Photovoltaic: what requires ? This conversion requires photovoltaic panels (PV modules) and light (Photons)

Photocell PV module

+

= Photons

Iph

PV modules exposed to the sunlight produce directly an electric current: Photocurrent Iph

The photocurrent Iph properties (1) Le photo-courant Iph d’une photopile est pratiquement proportionnel à l’éclairement solaire qu’elle reçoit E (W/m2): Iph ∝ E

E3 = 1000 W/m2 ∆ Iph

E2 = 600 W/m2

Iph

∆ Iph

E1 = 200 W/m2 Voc reste presque Cte

The photocurrent Iph properties (2) Or, l’éclairement solaire E est donné par:

E (W/m2) = Flux Φ des photons solaires

x

Énergie moyenne du photon

hν

Constante

E ∝ Φ Application: Au niveau du sol, dans les conditions standards, nous avons :

Φ = 5,7 1021 photons/m2.s

et

hν = 1.1 eV = 1.76 10-19 J

Ce qui donne: E = 1000 W/m2 C’est la valeur nominale de l’éclairement solaire au niveau du sol

The photocurrent Iph properties (3)

Iph ∝ E ∝ Φ Pour augmenter le photo-courant Iph d’une photopile, il faut augmenter Φ

Comment ? En focalisant le même nombre de photons solaires incidents sur une petite surface de capture (c-à-d sur une photopile de petite surface)

On fait donc une concentration du rayonnement solaire

C’est le principe du CPV

Concentrated PhotoVoltaic (CPV) Technologies To concentrate the sunlight onto the photocells, 2 main technologies are used The Standard Technology: Fresnel Lens

The New Technology: Parabolic Mirrors

Incoming Sunlight

outcoming Sunlight

Our HCPV is based on this new technology

Utilisation des lois de l’optique géométrique appliquée aux systèmes centrés

Conditions required for sunlight concentration L’application des lois de l’optique géométrique (lois de SnellDescartes) nécessite: L’utilisation de rayons lumineux directs (Direct Sunlight)

Rayons lumineux  à la surface de capture (utilisation d’un suiveur solaire, Sun Tracker) By concentrating the direct sunlight onto the photocell surface we only increase the photons flux, but not their absorption To increase their absorption, we have to choose appropriate photocells : Multilayer photocells

Conditions required to maximize photons absorption

Multilayer photocells

Standard PV module compared to HCPV module based on Parabolic Mirror Technology

Standard PV module :

HCPV module :

A set of 4 x 8 = 32 photocells

A set of 8 x 8 = 64 photocells

Each photocell has its own parabolic miror

One Photocell

One Photocell with integrated optic parts

Description of a HCPV module of the Power Plant 64 Parabolic mirrors

Aluminum slim heat sinks

The concentration factor of direct sun rays is up to 1100 X

Front glasses Aluminum Frame

64 multilayer photocells (Ge, As, In, Ga) of 3 x 3 mm² and 40 % efficiency connected in series 28

Characteristics and performances of the HCPV module Item

Value

Size

91.2 cm x 91.2 cm x 17.4 cm

Active Area

0.732 m2

Module Weight

32 Kg

Operating Temperature

- 40°C to +85°C

Total Number

48 HCPV modules

Maximum Conversion Efficiency

23 %

Maximum Photo-voltage

176 V -DC- Each

Maximum photocurrent (Iph)

1.02 A -DC- Each

Nominal Peak Power Capacity PMPP

170 W -DC- Each

Each module has its own inverter which converts the 176 V -DC- voltage into 230 V -AC- 50 Hz mono-phase power output 17/04/2015

29

Description of the high precision 2 axis sun tracker

Metallic frame

Central axis

Cradle ( Berceau ) Screw jack ( Vérin )

Pole ( Poteau )

The tracker moves horizontally (Azimuthal Rotation) and vertically (Zenithal Elevation) to track the sun all the day (from the sunrise until the sunset)

17/04/2015

31

Completed Installation: 42.65 m² kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid Up to 80

8.16 kWp

7.67 m Front side of the system Up to 60 kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid 32

Completed Installation Up to 80 kWh (AC) per sunny day are generated and injected into the grid

33

Back side of the system

Components of the HCPV power system

48 HCPV Modules

High precision 2 axis Sun Tracker (Heliostat)

48 DC/AC module Inverters

Electronic Control box

Solar Camera

Meteo Station with data logger

Pyrhelio. for DNI measures

Full remote control of the system’s performances from anywhere by internet

The HCPV power system in whole Item

Score

Nominal Peak Power Capacity PMPP

8.16 kWp

Number of single modules

48

Total Weight

3900 Kg

Full Size

7.67 m x 5.56 m = 42.65 m²

Electricity Generation

Up to 60 kWh (AC) / sunny day

Feeding Voltage

380 V AC

Achievement Date

4 April 2013

17/04/2015

35

17/04/2015

36

Full Remote Control of the system’s performances from anywhere by Internet

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Remote Control and Monitoring of the whole HCPV System

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Remote control of the 48 HCPV single modules

39

Remote control and review of the all PV energy production

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Efficiency of PV and CPV systems

Up to 60 % more efficiency from CPV systems in summer

Energy production from PV and CPV

17/04/2015

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HCPV System : where it better performs ?

Les parties claires sont donc les plus exploitables pour la filière CPV. Dans ces régions du monde, les systèmes CPV sont rentables

Puissance totale en CPV installée chaque année

Puissance totale en CPV installée par pays

Grid-connected CPV capacity by country through end of November 2014. All countries with a total installation of 1 MWp or more are shown separately

Rendements de la technologie CPV

Prix du kWh généré par CPV

Coût moyen actualisé de l'électricité des systèmes CPV sous irradiation solaire élevée (DNI) de 2000 kWh/m².a et 2500 kWh/m2.a en 2013

Prix du kWh généré par les technologies CSP, PV et CPV

LCOE of PV, CSP and CPV plants under high solar irradiation of 2000 - 2500 kWh/m2.a