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Cellules, modules et systèmes photovoltaïques 3 Installation photovoltaïque raccordée au réseau (compétence électrique) Version de janvier 2011.

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2 Cellules, modules et systèmes photovoltaïques 3 Installation photovoltaïque raccordée au réseau (compétence électrique) Version de janvier 2011

3 2 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Cristallin : 300 m Couches minces : 1 à 3 m Silicium polycristallin (p-Si) Silicium monocristallin (m-Si) Type de cellules photovoltaïques Silicium amorphe (a-Si) Couche mince de diséléniure de cuivre et dindium CIS Tellure de cadmium Cd Te

4 3 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques De la silice au silicium… Filière Silicium Cristallin Silicium purifiéCelluleModule Procédé chimique de purification Moulage Sciage Traitement De surface Lamination SystèmesLingotWafer

5 4 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Filière Silicium Cristallin

6 5 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Photowatt Technologies Filière Silicium Cristallin

7 6 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Four à diffusion 800 °C Filière Silicium Cristallin

8 7 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Tri des cellules Filière Silicium Cristallin

9 8 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Filière couches minces

10 9 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Leffet photovoltaïque

11 10 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Leffet photovoltaïque

12 11 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La cellule photovoltaïque Électrode négative Électrode positive Silicium dopé n Couche limite Silicium dopé p

13 12 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Exemples de cellules cristallines MonocristallinPolycristallin Tailles les plus courantes : 4 = 101 mm 5 = 125,5 mm 6 = 155,5 mm

14 13 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Exemples de cellules couches minces La surface nest pas standardisée

15 14 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Rendement dune cellule p-Sim-Si Technologie de cellule Rendement actuel en laboratoire (2008) Rendement actuel (2008) m Si monocristallin 24,7 %13 à 17 % p Si polycristallin 19,8 %9 à 15 % a Si amorphe 13 %4 à 9 %

16 15 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques U = R x I (V Ω A) P = U x I (W V A) P = R x I x I = R x I² Grandeurs en courant Continu U (Volts, V) I (Ampères,A) + - R(Ohms, Ω)

17 16 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Rappels délectricité U : tension (Volt - V) I : courant (Ampère - A) P : puissance (Watt - W) Pc : puissance dune cellule, dun module, dun système mesurée dans les Conditions Standard de Test (Watt-crête - Wc) Les Conditions Standard de Test – STC : Eclairement énergétique = W/m² T cellule = 25 °C A.M = 1,5 En courant continu : Puissance : P = U x I (en W ; Watt) Energie : E = U x I x t (en Wh ; Wattheure) En courant alternatif (monophasé) Puissance active : P = U x I x cos phi (W ; Watt) Puissance apparente : S = U x I (en VA) Energie : E = U x I x cos phi x t (en Wh ; Wattheure)

18 17 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Caractéristique courant tension puissance dune cellule

19 18 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Différentes tailles de cellules en polycristallin 101 x x 50,550,5 x 50,5 Performance à 1 kW/m² et 25°C Valeurs typiques, cellule nue Cellule½ cellule¼ cellule Tension circuit ouvertV co (V)0,6 Courant de court-circuitI cc (A)31,50,75 Puissance Max. (env. 10%)P mpp (W)1,30,650,32 Tension à puissance MaxV mpp (V)0,47 Courant à puissance MaxI mpp (A)2,71,360,68

20 19 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La constitution dun module photovoltaïque 1.Les cellules photovoltaïques sont fragiles et sensibles à lenvironnement extérieur nécessité de protection mécanique 2.La tension et la puissance dune cellule ne sont pas adaptées aux applications courantes nécessité de les coupler Doù constitution de modules photovoltaïques

21 20 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques U La constitution dun module photovoltaïque Montage en série des cellules photovoltaïques La mise en série des cellules permet daugmenter la tension tout en conservant le courant dune cellule (nécessité dappairage des cellules)

22 21 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La constitution dun module photovoltaïque Câblage des cellules photovoltaïques Les cellules sont connectées entre elles par de fins rubans métalliques (cuivre étamé), du contact en face avant (-) au contact en face arrière (+) Cellules ruban

23 22 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La constitution dun module photovoltaïque Encapsulation des cellules mises en série Les cellules sont encapsulées sous vide entre 2 films thermoplastiques transparents (EVA: Ethylène Acétate de Vinyle) Le plus souvent présence dun cadre en aluminium avec un joint périphérique pour permettre la dilatation Un verre trempé en face avant protège les cellules sur le plan mécanique tout en laissant passer la lumière La face arrière est constituée dun verre ou dune feuille TEDLAR CADRE JOINT CELLULES (36 en série) RUBAN VERRE EVA

24 23 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Coupe dun laminé PV bi-verre 3-9Le processus photovoltaïque 1.Verre face et arrière 2.Protection par EVA 3.Cellules cristallines

25 24 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Coupe dun module PV (verre-polymère) avec cadre 3-10Le processus photovoltaïque 1.Cadre en aluminium 2.Joint détanchéité 3.Verre 4.Support EVA 5.Cellule cristalline 6.Film Tedlar

26 25 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La constitution dun module photovoltaïque Connexion La boîte de connexion étanche regroupe les bornes de raccordement, les diodes by-pass Les 2 câbles unipolaires y sont raccordés Voir rôle des diodes dans le chapitre « sécurité des personnes et des biens »

27 26 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La connectique Pour les câbles inter-modules, de groupes et principaux Câbles unipolaire équivalent classe II - PV 1000-F (cf. guide UTE C ) Stabilité aux UV – Tenue aux intempéries – Tension : 1,15 Vco minimum, en pratique niveaux de tension: 600 à 1000V Tenue en température : –70°C température ambiante pour courant max –90°C à lâme Connecteurs spécifiés pour courant continu et dimensionnés à lidentique des câbles Étiquette signalant « ne pas déconnecter en charge » Protection contre les contacts directs Tenue aux intempéries (température, UV, étanchéité IP54,…)

28 27 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La constitution dun module photovoltaïque

29 28 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques La constitution dun module photovoltaïque

30 29 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Caractéristiques dun module photovoltaïque au silicium cristallin selon lensoleillement

31 30 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Vitesse dair en surface : 1 m/s Température de lair : 20 °C Eclairement énergétique : 800W/m² Cest la température de la cellule dans des conditions conventionnelles de fonctionnement : TUC : Température dUtilisation des Cellules NOCT : Normal Operating Cell Temperature

32 31 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Caractéristiques dun module photovoltaïque au silicium cristallin selon la température Amorphe : 0,21%/ °C

33 32 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Température dun module au silicium cristallin en fonctionnement

34 33 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les modules photovoltaïques Caractéristiques : Isolation classe II Diodes by-pass intégrées Tension maximum admissible élevée (500 à 1000 V) Courant inverse admissible : au moins 2 x Icc Connecteurs débrochables détrompés

35 34 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Fiches techniques de modules

36 35 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Fiches techniques de modules

37 36 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Fiches techniques de modules

38 37 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Fiches techniques de modules

39 38 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques MonocristallinPolycristallinCouches minces CEI 61215CEI Différents modules photovoltaïques au silicium Conformité :

40 39 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Spécification des modules photovoltaïques P m Puissance nominale (dans les conditions STC, en Wc) I cc Courant de court circuit (en A) V oc Tension de circuit ouvert (en V) V mpp Tension à puissance maximale (en V) I mpp Intensité à puissance maximale (en A) k i Coefficient de température pour lintensité (en %/°C) k v Coefficient de température pour la tension (en %/°C) k p Coefficient de température pour la puissance (en %/°C) TUC (NOCT en anglais) Température dUtilisation des Cellules (en °C) I=f(V) Diagramme des caractéristiques Surface active des cellules (en m²) Rendement du module (en %) FF Facteur de Forme Certification (CEI ou CEI 61646)

41 40 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Fiche technique dun module photovoltaïque

42 41 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Comparaison cristallin / amorphe (pour une même surface)

43 42 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Rendement dun module PV module STC c S E P η Technologie de cellule Rendement actuel (2008) Surface photovoltaïque pour 1kWc m Si :monocristallin13 à 17 %7 à 8 m² p Si :polycristallin9 à 15 %9 à 11 m² a Si :amorphe4 à 9 %16 à 20 m² m+a Si : mono + amorphe16 à 18 %6 à 8 m² Autres semi-conducteurs CdTe (Tellurure de Cadmium ) 9 à 10 %10 à 11 m² C.I.S (Diselénure de cuivre et dindium) 10 à 12 %11 à 13 m²

44 43 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Consommation dénergie et de matériaux pour les couches minces et le cristallin Couche minceCristallinCouche minceCristallin

45 44 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Le champ de modules photovoltaïques

46 45 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Mise en série et en parallèle de modules

47 46 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Caractéristiques dun champ PV

48 47 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Systèmes photovoltaïques Systèmes de pompage Systèmes autonomes Systèmes hybrides Systèmes raccordés réseau

49 48 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes autonomes au fil du soleil Application principale : Pompage Convertisseur Réservoir

50 49 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes autonomes au fil du soleil Application principale : Pompage

51 50 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes autonomes avec batterie daccumulateurs Applications principales : Électrification habitat, télécommunication, signalisation routière, etc. Distribution en alternatif (230 volts) Distribution en continu (12, volts)

52 51 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes autonomes avec batterie daccumulateurs Applications principales : Électrification habitat, télécommunication, signalisation routière, etc.

53 52 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes hybrides individuels

54 53 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes hybrides individuels

55 54 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes hybrides (électrification villageoise)

56 55 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes hybrides (électrification villageoise)

57 56 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes PV raccordés réseau Vente totale Compteur non consommation Compteur production Compteur consommation Champ photovoltaïque Réseau de distribution Disjoncteur Onduleur Interrupteur sectionneur Courant continu Courant alternatif Disjoncteur

58 57 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes PV raccordés réseau Vente du surplus Disjoncteur Champ photovoltaïque Réseau de distribution Courant continu Courant alternatif Onduleur Réseau de distribution Interrupteur sectionneur Compteur production Compteur consommation Limite de concession

59 58 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les systèmes PV raccordés réseau Photo NTD Photo CLIPSOL

60 59 PV (compétence électrique) – Chap. 3 : Cellules, modules et systèmes photovoltaïques Les points à retenir Différentes technologies de cellules Silicium monocristallin (13 à 17%), Silicium polycristallin (9 à 15%), Silicium amorphe (5 à 9%), CIS, CdTe Condition standard STC W/m²; AM = 1,5; température de cellule de 25°C ; Grandeurs caractéristiques dune cellule Vco = 0,6 V ; Icc fonction de la surface ; Grandeurs caractéristiques dun module à n cellules en série Vco = n x 0,6 V ; Icc fonction de la surface dune cellule ; Influence de lensoleillement Intensité quasiment proportionnelle à lensoleillement Influence de la température Vco diminue quand la température augmente (P diminiue de 0,5%/C pour le silicium cristallin, et 0,21%/°C pour lamorphe) Module et connecteur de classe II Normes des modules : CEI et CEI Les différents systèmes Les systèmes de pompage au fil du soleil Les systèmes autonomes Les systèmes hybrides Les systèmes raccordés au réseau de distribution : –Vente du surplus –Vente du total


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