L'objectif de ce mémoire est d'analyser le potentiel des installations photovoltaïques connectées au réseau électrique insulaire. Notre étude porte sur trois types de systèmes : l'intégration de centrales PV dans le réseau électrique, l'utilisation de système PV en toiture pour réduire les chutes de tension en bout de ligne et un système à vocation expérimentale. La première partie offre une analyse détaillée de l'apport du photovoltaïque dans le réseau de distribution d'électricité corse. La simultanéité entre la charge et la puissance fournie par une centrale PV y est étudiée ainsi que le taux de disponibilité effectif plus communément appelé TDE. La deuxième partie du mémoire est consacrée au secteur résidentiel et plus particulièrement au renforcement des bouts de lignes électriques via la solution photovoltaïque. En effet, de nombreux foyers connaissent aujourd'hui encore des problèmes de chutes de tension. Pour assurer à l'usager un confort maximal nous avons donc choisi cette solution car l'île possède un ensoleillement remarquable et que la population est de plus en plus sensibilisée à ce type d'énergie. Enfin, le troisième et dernier chapitre représente la partie expérimentale de cette thèse. Elle concerne la modélisation d'un système photovoltaïque de 850 Wc connecté au réseau électrique et situé sur le site universitaire de Vignola. Le suivi et le monitoring ont été assurés depuis sa mise en service en 2000. Une étude des performances et de l'interaction entre le réseau et l'onduleur ont mis en évidence les problèmes de productions liés aux fluctuations du réseau. Des modifications nécessaires des paramètres de l'onduleur ont conduits à des performances très satisfaisantes. . Ce travail qui constitue une étude très large de l'intégration de systèmes PV dans le réseau insulaire corse à travers des applications variées devra être complété par une étude du secteur administratifs et surtout d'une étude plus poussée de la relation réseau/système PV.

Compte-tenu des défis énergétiques actuels, les systèmes électriques hybrides présentent un atout intéressant en vue d'une meilleure maîtrise de l'énergie, en particulier lors de l'usage de sources d'énergies renouvelables. Ces systèmes permettent de diversifier les sources afin de bénéficier de chacune d'entre elles en respectant leurs propres caractéristiques. Bien entendu, une stratégie de contrôle appropriée doit être mise en oeuvre afin de gérer efficacement l'énergie tout en respectant les caractéristiques et contraintes de chacun des composants (sources, charges) du système. De plus, pour des systèmes d'entraînement, l'électronique de puissance permet de récupérer l'énergie durant certaines phases de fonctionnement, évitant ainsi de la dissiper sous forme de chaleur. La présente étude a été appliquée à un système ascenseur alimenté par plusieurs sources. La première partie de ce mémoire expose les problèmes énergétiques auxquels nous devons faire face aujourd'hui (pénuries des ressources, efficacité énergétique) pour ensuite se focaliser sur les économies réalisables sur les ascenseurs européens. La structure générale de systèmes électriques hybrides est introduite avec des exemples d'applications. Dans une seconde partie, le dimensionnement du système a été réalisé afin de respecter le cahier des charges d'ascenseurs en termes de performances. De plus, nous avons ajouté diverses sources d'énergie ainsi que la possibilité d'effectuer des phases de récupération. Une modélisation de l'ensemble a permis de mettre au point une stratégie de contrôle pour ce système hybride. Les résultats de simulations ont été reproduits expérimentalement montrant des gains d'efficacité non négligeables. Une plateforme expérimentale a été construite afin de valider la stratégie de commande sur un système réel. Le contrôle s'effectue à l'aide de l'outil de prototypage rapide dSPACE, facilitant ainsi la modification de stratégie. Cette plateforme constitue ainsi un outil complet pour la commande de systèmes électriques hybrides en vue de la gestion d'énergie.

In the first chapter of this thesis, we will present the principle of PV solar cells with a special emphasis on the CIS absorber. In the second and third chapter, we will describe the methods we used to treat the many body problem. Finally, in the last chapter, we will apply methods presented in chapter 2 and 3 to CIS and pay a particular attention to the dependence of the bandgap on the anion displacement and the concentration of defects.

Les systèmes hybrides EnR/H2 sont une solution innovante au problème du stockage des énergies renouvelables. Ces systèmes comprennent : une ou plusieurs sources renouvelables d'énergie ; un électrolyseur pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène lorsque la source renouvelable fournit un excédent d'énergie ; à l'inverse, lorsque la demande excède la capacité de la source renouvelable, une pile à combustible consomme les gaz afin de fournir le complément d'énergie nécessaire. Afin de développer ces solutions dans le futur : il est nécessaire de constituer un ensemble de références architecturales correspondant aux applications cibles pour les systèmes hybrides EnR/H2 ; et de posséder un instrument décisionnel permettant le dimensionnement optimum des sous-systèmes selon plusieurs critères (efficacité énergétique du système ou coût du kWh). Un code numérique de dimensionnement sous langage MATLAB®, baptisé ORIENTE, a donc été développé dans le cadre des travaux de recherches qui s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-07-PANH-012). Les différents partenaires de ce projet sont la société HELION, l'Université De Corse, le CEA, l'INPT - LAPLACE et ARMINES. Les applications concernées par ce code, sont l'électrification de sites isolés, la gestion énergétique de micro-réseaux électriques et l'écrêtage de pointes de puissance sur un réseau électrique. La première application sera traitée via un démonstrateur qui sera installé à Cadarache début 2011, sur le site du CEA, celle-ci concerne l'alimentation d'un pylône météorologique. Cette application est labellisée par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. La 2ème application concerne l'étude d'un micro-réseau sur le site de MAFATE (îlet de la Réunion). Cette étudie est en partenariat avec l'ARER. La dernière application, nommée projet MYRTE a été traitée à travers une plateforme technologique sur le site de Vignola (près d'Ajaccio) pour des modes de contrôle-commande répondant à de l'écrêtage de pointe et à du lissage de la production photovoltaïque. Cette plateforme est financée par la région, l'Etat et l'Europe (FEDER). Cette application a fait l'objet d'une labellisation par CAPENERGIES.

Conception et réalisation de cristaux photoniques et de réseaux de diffraction pour les cellules photovoltaïques silicium en couches ultra-minces Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques (CP) et des réseaux de diffraction. L'objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d'augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2D dans la couche active de silicium, l'absorption intégrée sur l'ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l'influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l'IMEC, en Belgique. Les mesures d'absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l'absorption intégrée est peu sensible à l'angle d'incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d'environ 15mA/cm², soit 20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L'absorption aux grandes longueurs d'onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu'à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

Ce travail étudie le potentiel du silicium de type n purifié par voie métallurgique pour la fabrication de cellules photovoltaïques à bas coût. Les teneurs élevées en dopants conduisent à de faibles valeurs de résistivité, ainsi qu'à une diminution de la durée de vie des porteurs de charge. La fabrication de cellules photovoltaïques a permis d'obtenir des rendements de conversion variant de 13.7% à 15.0% sur 148.6cm². Avec un procédé de fabrication amélioré, des rendements de 16.0% pourraient être obtenus. La résistivité des plaquettes a été identifiée comme facteur limitant les performances des cellules. Le co-dopage au gallium a été proposé pour augmenter la gamme de résistivité. Les cellules photovoltaïques réalisées montrent une excellente stabilité sous illumination et de faibles coefficients en température de la tension de circuit-ouvert. Ces travaux de thèse ont permis de définir le potentiel du silicium de type n purifié par voie métallurgique et de définir les spécifications nécessaires initiales au niveau de la charge à purifier pour permettre la fabrication de cellules photovoltaïques efficaces.

Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques(CP) et des réseaux de diffraction. L'objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d'augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2Ddans la couche active de silicium, l'absorption intégrée sur l'ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l'influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l'IMEC, en Belgique. Les mesures d'absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l'absorption intégrée est peu sensible à l'angle d'incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d'environ 15mA/cm², soit20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L'absorption aux grandes longueurs d'onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu'à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

La libéralisation des marchés de l'électricité associée à l'intégration des énergies renouvelables a conduit à introduire la notion d'utilisation locale de ces nouvelles sources de production. L'objectif de ce travail est de proposer une méthodologie de supervision multi-niveaux et d'optimiser la supervision des ces unités de production. Le système hybride pris en compte dans cette thèse est une combinaison de trois microturbines à gaz, une centrale photovoltaïque, et un système de stockage à court terme (supercapacités), connecté à un réseau électrique. La supervision à moyen terme est un traitement du problème d'engagement unité (Unite Commitment Problem), qui consiste à coordonner la production d'unités génératrices, de façon à satisfaire une demande globale d'électricité prévisionnelle sur 24h tout en minimisant le coût du carburant et les émissions toxiques (CO et NOx) et en respectant les contraintes physiques et opérationnelles de chaque unité. Nous n'avons pas traité les rejets de CO2. Dans cette thèse, une supervision temps réel à base de logique floue a été proposée. Une méthodologie des plans d'expériences (Experimental Design Method EDM) a été suggérée afin d'améliorer la méthodologie graphique en minimisant certaines fonctions objectifs et optimisant les paramètres du superviseur flou. Cette stratégie de supervision a été finalement validée sur une centrale multisource combinant dispositifs réels et simulation temps réel.

Pour que l'énergie photovoltaïque devienne compétitive, les coûts de production doivent être baissés et l'efficacité des cellules augmentée. Les cellules solaires à base de nanocristaux semi-conducteurs constituent une approche prometteuse pour remplir ces objectifs combinant une mise en œuvre par voie liquide avec la possibilité d'ajuster précisément la largeur de bande interdite et les niveaux électroniques. Aujourd'hui, les rendements de conversion des cellules constituées de nanocristaux de sulfure de plomb approchent les 7%. Seulement, à cause des normes européennes destinées à l'affranchissement du plomb du fait de ses risques pour la santé et l'environnement, de nouveaux matériaux doivent être trouvés. Cette thèse concerne la synthèse de nouveaux types de nanocristaux semi-conducteurs et leur application dans des cellules solaires. La synthèse des nanocristaux de CuInSe2 et de SnS de taille et de forme contrôlées a été effectuée, notamment par des voies de synthèses reproductibles dont le passage à grande échelle est facilement possible. Une analyse approfondie de la structure des nanocristaux de SnS par spectroscopie Mössbauer a montré que ces nanocristaux avaient une forte tendance à s'oxyder, ce qui limite leur utilisation dans des dispositifs électroniques après exposition à l'air. La constitution de couches minces continues ayant de bonnes propriétés électriques a été effectuée par le dépôt contrôlé de nanocristaux ainsi que l'échange de leurs ligands de surface. En particulier, un nouveau type de ligand inorganique a été utilisé qui a montré une augmentation de la conductivité des films multiplié par quatre ordres de grandeurs par rapport aux ligands initiaux. Enfin, la préparation de cellules solaires basées sur ces couches minces de nanocristaux a montré des résultats encourageants et notamment un clair effet photovoltaïque lorsque le dépôt est effectué sous atmosphère inerte.

Au cours de la dernière décennie, le marché photovoltaïque a été multiplié par 10, le prix des panneaux solaires réduit de 60%, et la Chine est devenue le premier producteur mondial. L'objectif de cette thèse est d'identifier les mécanismes à l'origine de ces fortes mutations. Grâce à des entretiens auprès d'acteurs de l'industrie photovoltaïque chinoise, et l'analyse de données de brevets, nous expliquons comment la Chine a réussi à acquérir la technologie et le savoir-faire nécessaires à ce succès. Le transfert de technologie a eu lieu grâce au déploiement du marché d'équipement de production et au recrutement de cadres formés dans les pays industrialisés. En revanche, la propriété intellectuelle n'a joué aucun rôle. L'analyse de l'évolution du coût des modules grâce au modèle de courbe d'apprentissage nous permet de prédire une réduction du coût de deux tiers d'ici à 2020. Elle donne des indications quant à la future compétitivité de l'électricité photovoltaïque. Enfin, une attention particulière est portée aux tarifs de rachat de l'électricité, qui ont largement contribué au développement du marché photovoltaïque. Nous analysons leur influence sur le marché et leur capacité à s'adapter à la volatilité du prix des modules, en analysant des séries temporelles. Nous construisons aussi un modèle théorique pour analyser l'influence du comportement stratégique des entreprises sur l'efficacité d'un tarif de rachat. Cela permet de suggérer des recommandations quant à la conception de ces instruments incitatifs.