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Le solaire Photovoltaïque Formation à destination de la STS Electrotechnique. Louis Armand.

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1 Le solaire Photovoltaïque Formation à destination de la STS Electrotechnique. Louis Armand

2 Plan Module 1: Généralités Module 1: Généralités Module 2: Sites raccordés au réseau Module 2: Sites raccordés au réseau Module 3: Sites isolés Module 3: Sites isolés

3 Module 1: Généralités

4 Applications Satellites Production raccordée au réseau, la plus forte croissance depuis années 90 grâce à des incitations financières (tarif rachat du kWh) De façon marginale : véhicules (courses sunracers) bateaux... Electrification des sites isolés, notamment : pompage d eau balises… pays en développement

5 Un marché en forte progression au niveau mondiale Croissance actuelle de la filière mondiale = 30%

6 Un marché en forte progression au niveau mondiale

7 Leffet photovoltaïque Les cellules sont des semi conducteur fabriquées en silicium cristallin puis dopé datomes étrangers (bore et phosphore) qui permettent la création dune jonction PN. Lorsque un photon heurte la surface de la cellule, le transfert de son énergie produit la rupture dune liaison entre un électron et son atome et libère ainsi lélectron, particule négative, ce qui crée un « trou », chargé positivement. Ceci induit une différence de potentiel entre les deux couches de lordre de 0.6V.

8 Schéma équivalent Cellule Modèle idéal. Iph proportionnel à lensoleillement.

9 Courbes caractéristiques i=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wc

10 Courbes caractéristiques p=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wc

11 Courbes caractéristiques Effet de lensoleillement

12 Courbes caractéristiques Effet de la température

13 Différentes technologies de fabrication Silicium multicristallin (52,3% du marché) Silicium monocristallin (38,3% du marché) Couches minces et divers – Silicium Amorphe (4,7 % du marché) – CdTe - Cadmium Tellure (1,6% du marché) – CIS - Cuivre Indium Sélénium (0,2% du marché) – Silicium cristallin en ruban (2,9% du marché)

14 Cellules: rendement et surface nécessaire Part de marché: Mono-cristallin : 38% Polycristallin : 52%

15 Les différentes formes de modules Les capteurs les plus courants sont des panneaux rectangulaires utilisant les technologies du silicium cristallin. Ces capteurs sont souvent installés par dessus la toiture existante dune maison en surimposition,ou sur châssis lorsquon les pose sur le sol ou sur une toiture terrasse. Arrivent aujourdhui des produits tels que des tuiles et ardoises photovoltaïques, ou des éléments de façade ou verrières qui rendent beaucoup plus facile lintégration dans la couverture extérieure des bâtiments.

16 Définitions Puissance instantanée maximale délivrée par un Puissance crête : Puissance instantanée maximale délivrée par un module sous conditions standardisées exprimée en Wc. La puissance est proportionnelle à la taille de la cellule. Conditions standards de test : éclairement de 1000 W/m² éclairement de 1000 W/m² Air-masse de 1,5 (AM1,5) def. dun spectre solaire standard Air-masse de 1,5 (AM1,5) def. dun spectre solaire standard Température de 25°C Température de 25°C

17 Données techniques dun module Conformément à la NF EN les grandeurs caractéristiques suivantes doivent apparaître dans les spécifications techniques des modules, elle sont données en STC: P crête (avec la tolérance de puissance) UMPP: La tension a puissance maximum. IMPP: Le courant a puissance maximum. U0 : la tension à vide. Icc : Le courant de court circuit. Coef. de température de la tension, du courant et de la puissance

18 Diodes By-Pass Des quune ombre apparaît sur une cellule, celle-ci ne peut plus produire de courant. Elle se comporte alors comme une diode polarisée en inverse. Si I ne circule plus dans une cellule, il ne circule pas non plus dans les cellules reliées en série. Lombrage dune cellule peut donc avoir des conséquences directes sur le rendement du module. Protection par diode By-Pass: la cellule à lombre est court-circuitée.

19 Rendement des cellules, des modules et du système Cellule: η 20% Module: Le rendement des modules se calcul par rapport à la surface totale des modules donc inférieur à celui dune cellule du fait des espaces inutiles entre les cellules. η 12% Système: nouvelle diminution du rendement due: - aux disparités entre les modules du générateur - au manque déclairage η système = η module (0.12). η onduleur (0.90). η câble (0.99) = 10%

20 Production attendue Plusieurs facteurs peuvent affecter la production dun site photovoltaïque : La localisation géographique. Limplantation du système, cest-à-dire son orientation et son inclinaison. Les ombrages éventuels.

21 Production attendue Facteur géographique

22 En France les panneaux doivent idéalement être exposés plein sud et être inclinés à 30 degrés par rapport à lhorizontale pour produire un maximum dénergie sur lannée. Cependant des écarts de plus ou moins 45° par rapport au sud (cest à - dire de sud-est à sud-ouest) et une inclinaison de 20 à 60° par rapport à lhorizontale sont acceptables et nengendrent pas de baisse de production importante. Production attendue Facteur inclinaison et orientation

23 Principes fondamentaux: Plus la toiture est plate plus elle peut sécarter du Sud. Il nexiste aucune différence entre les écarts vers lEst ou vers lOuest. (Choix en fonction des ombrages).

24 Origine: Origine: Arbre, bâtiment ou relief naturel installé plus au sud que linstallation. Evaluation: Evaluation: Selon la taille et la hauteur de lobstacle, sont impact sera plus ou moins important. Il faut donc effectuer un relevé de masque. Production attendue Facteur ombrage

25 Module 2: Sites raccordés au réseau

26 Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement Injection du surplus de la production Lélectricité produite est auto- consommée sur place sans être préalablement comptabilisée Le surplus est comptabilisé par un compteur et vendu à EDF. Le complément éventuel des consommations est acheté à EDF

27 Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement Injection de la totalité de la production Lélectricité produite est entièrement comptabilisée par un compteur de production et vendue à EDF. Les consommations du site sont comptabilisées par un compteur spécifique et facturées par EDF.

28 Fonctionnalités et exigences dun onduleur Conversion de lénergie électrique Recherche automatique du point de puissance maximale Protection des biens et des personnes Rendement élevé, même en charge partielle Fonctionnement fiable, y compris pour des températures extérieurs élevées

29 Fonctionnalités dun onduleur Fonctionnalités dun onduleur Conversion de lénergie électrique Londuleur converti le courant continu en courant alternatif 230V synchrone avec le réseau EDF. La conversion est gérée par micro-processeurs afin de garantir un courant alternatif respectant les normes de qualité.

30 Fonctionnalités dun onduleur Fonctionnalités dun onduleur Recherche automatique du point de puissance maximale

31 Les différents types donduleurs Les modules photovoltaïques peuvent être branchés en parallèle, en série ou en combinant les deux. Le type de branchement influence le choix de londuleur. Différents types donduleurs: Onduleur centralisé pour la totalité du générateur photovoltaïque Onduleur « string » pour le montage sur chaque string Onduleur modulaire pour chaque module photovoltaïque, avec intégration au module possible.

32 Les différents types donduleurs Les différents types donduleurs Onduleur centralisé Un seul onduleur pour la totalité du générateur. Le générateur se compose souvent de plusieurs rangées, chacune disposant dun maximum de modules branchés en série. Caractéristiques: Mono ou triphasé –injection en BT ou HTA Avantages: Possibilité davoir des puissances importantes jusquà plusieurs MW. Robuste

33 Les différents types donduleurs Les différents types donduleurs Onduleur string Un onduleur par rangée « string » de 10 à 20 modules. Caractéristiques: Monophasé – injection en BT Avantages: Bien adapté en cas dombres sur des modules Ainsi qua des inclinaisons et orientations différentes des rangées.

34 Les différents types donduleurs Les différents types donduleurs Onduleur modulaire Un onduleur par module. Londuleur est intégré au module, cest du «prêt a brancher ». Caractéristiques: Monophasé – injection en BT Avantages: Pas de câblage en DC Un module ombragé ou en panne na aucune conséquence sur le reste de linstallation.

35 Données techniques dun onduleur Coté générateur: Puissance nominale CC et puissance maxi CC. Courant nominal CC et courant maxi CC Tension nominale CC et tension maxi CC. Gamme de tension MPP pour un fonctionnement normal. Puissance de mise sous tension et hors tension. Coté réseau: Puissance nominale AC et puissance maxi AC. Courant nominal AC et courant maxi AC

36 Module 3: Sites isolés

37 Philosophie Avant délectrifier un site isolé, il est indispensable de bien recenser ses besoins et de les limiter au strict nécessaire: Quels appareils? Combien de temps par jour? Combien de jours dans lannée? Le dimensionnement doit toujours être réalisé au plus juste, le coût dun système en site isolé étant particulièrement élevé.

38 Schéma de principe

39 Composants dune installation autonome

40 Rôle du régulateur Réguler la charge et la décharge de la batterie pour empêcher le vieillissement prématuré de celle-ci: Éviter les décharges profondes (sulfatation des plaques) Éviter les surcharges qui entraînent une perte en eau (ébullition)

41 Batteries: particularités Elles doivent: Etre résistantes aux cycles répétés. Avoir un bon rendement de charge même pour de courant de charge faibles Avoir une faible auto décharge( env. 3%/mois). Des batteries plomb spécifiques pour les applications solaire ont été développés (chaque cellule de batterie a une tension nominale de 2V) soit des batteries de 12, 24 ou 48V.

42 Dimensionnement simplifié Bilan énergétique des appareils à alimenter. Détermination de la capacité des batteries. Détermination de la puissance crête

43 Dimensionnement simplifié Dimensionnement simplifié Bilan énergétique des appareils à alimenter Tension dalimentation des appareils (12V, 24V, 48V) Puissance instantanée Nombre dheures dutilisation par jour =Besoins journaliers Bj en Wh/jour

44 Dimensionnement simplifié Dimensionnement simplifié Détermination de la capacité des batteries On détermine une durée dautonomie pendant laquelle les batteries pourront alimenter les charges sans laide des modules photovoltaïques avec: Autonomie : généralement 5 jours Degré de décharge généralement compris entre 50 et 70%

45 Dimensionnement simplifié Dimensionnement simplifié Détermination de la puissance crête La puissance crête de linstallation est obtenue par la formule simplifiée suivante : avec: – H ijmin rayonnement journalier minimum dans le plan des modules – Rendement énergétiques des batteries = 70% – Rendement énergétique des autres composants = 90% La tension dutilisation détermine le nombre de modules en série. On en déduit le nombre de branches de modules en parallèle.


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