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1 Energie solaire photovoltaïque. 2 Sommaire - Généralités - La ressource - Les panneaux - Le système.

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1 1 Energie solaire photovoltaïque

2 2 Sommaire - Généralités - La ressource - Les panneaux - Le système

3 3 Historique 1839 : effet photovoltaïque Becquerel sur un couple électrochimique 1877 : 1 ère cellule PV au sélénium 1954 : 1 ères cellules PV au silicium le rendement passe de 4,5 % à 6% en quelques mois 1955 : 1 ère commercialisation cellule PV 14 mW (2%) $ : satellite avec cellules PV (ont fonctionné 8 ans) années 60 : montée des rendements et des puissances (Japon 1963 : 242 W sur une maison)

4 4 Croissance de la filière Près de 100 GWc cumulés fin 2012 pour une production denviron de plus de 10 TWh

5 5 Des applications décentralisées Satellites Electrification des sites isolés, notamment : pompage d eau balises… pays en développement loisirs De façon marginale : véhicules (courses sunracers) bateaux...

6 6 Plus de puissance … et le réseau Toit solaire –utilisation « individuelle » –raccordés au réseau électrique Centrale des Mées (04) Octobre 2011 Puissance 12 MW, 25 ha couverts par panneaux,

7 7 Consommation humaine : kWh primaires dont kWh électriques Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : kW.h Selon les régions : de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an, soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m² et une puissance crête de plus de 1 kW/m² Une grande part de cette puissance peut être directement et aisément convertie en chaleur, une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité La ressource solaire

8 8 Spectre du Soleil

9 9 AM = air mass AM 0 AM 1,5 Rayonnement absorbé par latmosphère (O 2, CO 2, H 2 O…) AM 1,5 AM 0 AM 1 48°30° AM 2

10 10 Production annuelle dénergie: kWh/m 2.an Pour un calcul rapide

11 11 Carte solaire de la France 5,2 5,7 5,3 4,8 Pour un calcul plus précis kWh/m 2.jour Orientation Sud,inclinaison égale à la latitude

12 12 Ensoleillement W/m 2 Rayonnement en fonction de la météo

13 13 Rayonnement Global = Rayonnement direct + Rayonnement diffus + Rayonnement réfléchi * *( albédo x rayonnement total horizontal) PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire Rayonnement direct Diffusion par les molécules dair, Diffusion par aérosols Rayonnement du à lalbedo Rayonnement diffus

14 14 PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire Station météorologique de Lyon (rayonnement global horizontal) Un jour dhiver ordinaire 75 % de diffus Un beau jour dété 30% de diffus Heure solaire (h)

15 15 Le mouvement de la Terre autour du Soleil La terre tourne autour du soleil en décrivant une ellipse de faible excentricité et de période : 365 jours et ¼ Hmax = hauteur du soleil à midi – φ = latitude du lieu

16 16 Trajectoire annuelle et journalière du soleil (hémisphère nord) O S N E 4 h 00 8 h 33 6 h décembre 21 septembre 21 juin Zénith 21 mars

17 17 Masques Solaires

18 18 Courbes densoleillement Lyon plein sud En kWh/m²/j Jan Fev Mar Avr Mai Jun Jui Aou Sep Oct Nov Dec 0° 30° 60° 90°

19 19 Cellule : diode PV élémentaire dimensions de lordre de qq cm, qq watts Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle 32, 36, 72, cellules, qq 10 à qq 100 watts Typiquement : modules de 100 W (1 m²) avec 72 cellules en série (34 V) ou 2 x 36 (série – parallèle 17 V)

20 20 Eléments dun système PV Soleil Panneau Régulateur Utilisation directe Accumulateur Onduleur Utilisation AC

21 21 Lidéal est que linstallation soit orientée côté SUD. NORD SUD ESTOUEST TOIT PANNEAUX SOLAIRES ORIENTATION ET INCLINAISON

22 22 ORIENTATION ET INCLINAISON Linclinaison des panneaux doit prendre en compte : Langle par rapport de lhorizontale. On considère que lon a une perte densoleillement de 20% SUD Angle dinclinaison 60 ° 60° 90° Angle dinclinaison 90 ° 90° Angle dinclinaison 90 °

23 23 Facteur de correction ( pour projet simplifié ) ORIENTATION ET INCLINAISON

24 24 Rendement de captation en fonction de lorientation et de linclinaison Exemple à LYON, représentatif de la France Métropolitaine en zone urbaine Disque pour calcul du « Facteur de Transposition (FT) » Capteur horizontal 0° Capteur vertical 90° Inclinaison 30° Orientation SE Rendement 95% FT = 1,05

25 25 TYPES DINSTALLATIONS EN TOITURE Pose sur toiture (surimposition) Pose en encastrée ( intégré ) SURFACE POUR LIMPLANTATION Avantages : * Économie de matériaux de construction * Meilleur esthétique Avantages : * Prix moins élevé que pour lintégré * Simplicité de mise en place * Pas de pertes dues à laugmentation de Inconvénients : * Fixation sur le toit, traversées de câbles * Moins bonne esthétique

26 26 Matériaux Silicium monocristallin 12 à 14 %. polycristallin 10 à 12 amorphe 6 à 8%. Applications intérieurs, moindre coût

27 27 Coefficient de structure Le coefficient de structure dépend du type de panneaux et de leur ventilation. Le coefficient de structure : CS

28 28 OMBRAGE Lombrage prend en compte les obstacles existants naturels ( arbres, reliefs ) ou artificiels ( pylône, bâtiments, câbles) et la course du soleil ( sur la journée, sur lannée ). SUD 30 ° Obstacle naturel : arbre 60° Obstacle naturel : arbre SUD 30 ° Obstacle naturel : arbre 60° Obstacle naturel : arbre Le facteur dombrage : FO Sans ombrage : 1 Avec ombrage :0,8

29 29 OMBRAGE Il faut penser à tout ce qui peut faire de lombre Sans oublier les poussières et les salissures. Les panneaux doivent être nettoyés

30 30 LAlbèdo Grandeur sans dimension, cest le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface, à l'énergie solaire incidente. Comprise entre 0 à 1 Surface de lac, noir de fumée, 0,02 à 0,04 Forêt de conifères 0,05 à 0,15 Surface de la mer 0,05 à 0,15 Sol sombre 0,05 à 0,15 Cultures 0,15 à 0,25 Sable léger et sec 0,25 à 0,45 Glace, papier blanc0,60 à 1 Neige tassée 0,40 à 0,70 Neige fraîche 0,75 à 0,90 Miroir 1

31 31 Cellule photovoltaïque (principe) Convention diode récepteur IpIp VpVp E éclairement W/m² Convention diode générateur VpVp IpIp

32 32 Caractéristique courant tension puissance dune cellule

33 33 Panneaux PV Influence de léclairement, de la température

34 34 Caractéristiques dun module photovoltaïque au silicium cristallin selon la température Amorphe : 0,21%/ °C

35 35 Température dun module au silicium cristallin en fonctionnement

36 36 Cellule photovoltaïque, mise en série et en parallèle :

37 37 Caractéristiques dun champ PV

38 38 Cellule photovoltaïque, protection par diode bypass: Pour limiter la tension inverse à une valeur acceptable (point de vue thermique ou avalanche) : diodes de protection BYPASS Pour limiter le nombre de diodes de protection (soucis économique) : une seule diode par groupe de 24 cellules environ les diodes bypass ne conduisent quen situation de déséquilibre, et limitent la perte de puissance la caractéristique I(V) est néanmoins modifiée.

39 39 Effet des diodes bypass sur les caractéristiques résultantes I(V) Un module « isolé » par sa diode antiparallèle Caractéristiques réelles dun système avec cellules vieillies et une importante couche de poussière

40 40

41 41 Régulateur Paramètres de choix : tension et courant en entrée et en sortie, puissance, rendement, protections (panneau, batterie, régulateur), modes de charges, fonctions annexes

42 42 Batteries Paramètres de choix : Tension (12, 24, 48 Volts), Capacité (Ah) (courant de charge < 1/10 C), Nombre de SOC min donné, Electrolyte gélifié ou non Durée de vie d'une batterie en fonction de la profondeur de décharge

43 43 Capacité dune batterie daccumulateurs La capacité dune batterie correspond à la quantité délecticité quelle peut restituer. On la note en Ampère heure. La capacité nominale vaut C N = T N I N Par exemple C 10 = 105 Ah signifie quelle pourra restituer C N =105 Ah pour une décharge de I N = 10,5 A pendant T N = 10 heures. Cette capacité est fonction de la température, elle augmente lorsque la température augmente. Elle dépend du courant de décharge: Elle augmente quand le courant est plus faible que le courant nominal. Elle diminue dans le cas contraire. La variation de la capacité peut être calculée par la loi de Peukert pour laquelle la capacité Cp x, pour un courant de décharge I x sécrit: avec k 1,3

44 44 Batteries (charge) 3 phases de charge : Imax, floating, egalisation

45 45 Batteries (rendement) moyen de 0,7

46 46 Londuleur Fonctions : –Convertit le courant continu en courant alternatif usuel en phase avec le réseau –Fait fonctionner les capteurs PV au maximum de leur puissance (MPPT) quelque soient lensoleillement et la température –Se déconnecte en cas dabsence de tension du réseau –Protection des personnes par contrôle disolement du circuit continu

47 47 Onduleur Paramètres de choix : autonome / connecté au réseau, puissance, tension dentrée, cos max, forme donde, conso à vide (%de Pnom)

48 48

49 49 autoconsommation Vente totale de la production

50 50


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