Module de formation à la gestion du photovoltaïque Niveau Concepteur

Planning Lundi : Mardi : Définir une Installation (dimensionnement) Agenda et objectifs de la formation Description d’une installation photovoltaïque autonome (panneaux, régulateur, onduleur, batteries) Mardi : Définir une Installation (dimensionnement) Mercredi : Réaliser une Installation (montage) Jeudi : Gestion énergétique Maintenance et retours d’expérience Vendredi : Présentation formation installateur Contrôle des connaissances

Sommaire Présentation de la formation Description d’une installation Photovoltaïque autonome Définir une Installation Réaliser une Installation Gestion énergétique de l’installation Maintenance Retours d’expérience

Présentation de la formation : Généralités Les énergies renouvelables constituent la solution la plus favorable à un accès plus large à l’énergie. La mise en place de moyens de production des énergies renouvelables permet, d’autre part, d'avoir des solutions alternatives et écologiques aux énergies traditionnelles. L’énergie électrique produite à partir de panneaux photovoltaïques figure en bonne place dans la liste des énergies renouvelables opérationnelles tant par la facilité d’obtention que par la simplicité de sa maintenance.

Présentation de la formation : Contenu Cette formation est destinée à apporter les connaissances nécessaires et suffisantes pour être en mesure d’effectuer: La définition d'une installation photovoltaïque (PV) La réalisation d'une installation PV La gestion de l’énergie produite par une installation PV La maintenance d'une installation PV Et ceci suivant 2 niveaux : Niveau Installateur Niveau Concepteur Seul le niveau « Concepteur » sera traité dans cette présentation

Présentation de la formation : Objectifs Objectifs à atteindre pour ce niveau Un Concepteur est en mesure de : définir complètement une installation en liaison avec le "Client" Evaluation besoins, Dimensionnement, Coût, Maintenance, etc. réaliser une installation gérer l'énergie produite en fonction du contexte savoir effectuer la totalité des tâches de maintenance

Présentation de la formation : A qui elle s'adresse Personnes à qui s'adresse cette formation Pour former des installateurs le niveau requis est celui d'une personne autonome en montage électrique. Le niveau Concepteur s'adresse à des personnes ayant des capacités : d'organisation du travail de définition d'installations électriques de choix de composants électrique Elle doit aussi être capable de réaliser l'installation et d'effectuer l'ensemble des opérations de maintenance.

Description d’une Installation Isolée Schéma standard d’une installation

Description d’une Installation Isolée Principe photovoltaïque Une jonction PN (diode) est créée à partir d’un cristal de silicium dopé P et dopé N en surface créant une barrière de potentiel. En exposant la jonction aux photons, les électrons délogés par les photons sautent dans la bande de conduction et rejoignent leur place d’origine en passant par le conducteur électrique plutôt que de franchir la barrière de potentiel, ce chemin leur demandant plus d’énergie. Une cellule photovoltaïque ainsi créée génère une tension de 0,5 volt et une intensité d’environ 20 mA/cm² en plein soleil pour la technologie silicium. TP

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Technologies actuelles Technologies à Modules cristallins Technologies couche mince Autres technologies

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Technologies à modules de silicium Le silicium permet de transformer l'énergie des rayons solaires en énergie électrique. Trois types de support : Monocristallins Polycristallins Amorphe C'est cette technologie, utilisant le silicium, qui est la plus utilisée dans le monde (87%)

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Technologies à modules de silicium Silicium Monocristallin ou Silicium Polycristallin Mono- ou PolyCristal de silicium ultra-pur Lingot "tiré" (mono) ou coulé (poly) (Dimensions typiques: 13x13 ou 15x15 cm², long. 1m) Sciés en plaquettes ("wafers", épaisseur type 200 μm), (poly: cellules éventuellement tirées en rubans) Traitements de surface (antireflet, dopage, électrodes) Encapsulées dans des modules (type 36, 72 cellules) Modules typiques: 50 à 300 Wc Efficacités courantes: Monocristallins 15-18% Polycristallins: environ 13-16%

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Technologies à modules de silicium Dans le silicium, l’énergie pour faire passer un électron d’une bande à l’autre est de 1,12 eV. Les photons dont l’énergie est inférieure à l’énergie de gap (zone A) ne sont pas utilisés, seule une partie de l’énergie des photons dont l’énergie est supérieure à l’énergie de gap (zone B) est utilisée. En moyenne, 10% de l’énergie lumineuse est réfléchie et 80% est transformée en chaleur et en moyenne seul environ 10% de l’énergie lumineuse est transformée en électricité.

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Technologies couches minces Couches déposées sur un substrat (verre, métal, plastique) matériaux avec coeff. d'absorption élevé => Epaisseurs typique 1-2 μm Silicium amorphe: a-Si:H, simple cellule, tandem, triples Egap = 1.6 eV, Jonctions p-i-n Longueur de diffusion courte => résistivité 􀃒 Efficacités typ. 6% (simple) 7% (tandem) 8% (triple) CIS ou CIGS CuInSe2 - Copper-Indium-Sélénium + évent. Gallium Efficacités typiques 10% CdTe - Tellure de cadmium Technologie simple Cadmium (polluant en faibles quantités - problèmes de recyclage ?) Efficacités typiques 8% - 11%

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Autres technologies HIT (Sanyo) Une cellules a:Si-H est superposée à une cellule monocristalline Efficacités env. 18-20% Contacts arrière (Sunpower) Pas de grille de collection avant, noires, efficacités 22% Si - Microcristalline Technologie prometteuse, arrive sur le marché (2008/9) En tandem avec une cellule amorphe a-Si:H

Description d’une Installation Isolée Panneaux solaires : Autres technologies Cellules à colorants (électrochimique) DSC – Dye Sensitized Cells Principe proche de l'absorption chlorophyllienne Développée notamment à l'EPFL par le Pr. Graetzel Technologies simples en principe à très bas coûts Efficacités de plus de 10% obtenues en laboratoire Pas encore au stade industriel

Description d’une Installation Isolée Régulateur Le régulateur fournit les fonctions de surveillance de la charge des batteries Trois types de fonctionnement Le régulateur shunt Le régulateur série Le MPPT Le plus grand nombre des régulateurs gère aussi la surveillance du seuil de décharge

Description d’une Installation Isolée Régulateur Shunt Le régulateur shunt est plutôt réservé aux générateurs de faible puissance (intensité ne dépassant pas 15A. Une diode de blocage indispensable est à mettre au débit de l'énergie produite Tout le courant produit est transféré dans les batteries jusqu'à atteindre la tension max. Lorsque cette tension est atteinte le module PV est court-circuité (excédent dissipé dans 1 résistance) Lorsque la tension est descendue à une tension de seuil, la charge alors recommence.

Description d’une Installation Isolée Régulateur Série Le régulateur Série fonctionne de façon similaire au régulateur shunt mais ne nécessite pas de diode de blocage et est utilisé pour des courants plus importants (20 à 30A). Tout le courant produit est transféré dans les batteries jusqu'à atteindre la tension max. Lorsque cette tension est atteinte le circuit est ouvert : Batteries à l’abri de la surcharge. Lorsque la tension est descendue à une tension de seuil, la charge recommence.

Description d’une Installation Isolée Régulateur MPPT Le régulateur à Max Power Point Tracking MPPT permet d'ajuster la puissance fournie à la charge de la batterie. Particulièrement recommandé dans les cas de différence de tension entre le générateur solaire et la tension des batteries (ex: 60V DC  24 V DC) Mais un régulateur MPPT ne se justifie économiquement que pour de grandes installations (plus de 500 Wc), Lorsque la tension est descendue à une tension de seuil, la charge recommence.

Description d’une Installation Isolée Régulateur MPPT En fonction de l'irradiation le système utilise la plus forte puissance Sur le générateur : Tension à vide VCC en volt Courant de court-circuit ICC en ampère Puissance crête Pc en Watt crête Utilisation à puissance max sur la tension batterie définie TP

Description d’une Installation Isolée Onduleur Appareil permettant de convertir un courant continu en courant alternatif, le plus généralement 230V 50Hz. Dans l'installation, il est considéré comme un récepteur. Trois types d'onduleur Générateur d'onde sinusoïdale A préférer car leur coût a nettement baissé Générateur d'onde carrée Fonctionnement Récepteurs à analyser (non ok pour moteurs et pour tout autres récepteurs inductifs) Générateur d'onde pseudo-sinusoïdale Le signal produit est une onde à double carré avec passage à 0.

Description d’une Installation Isolée Onduleur Avant de choisir un onduleur il faut s’assurer: qu’une solution en courant continu toujours plus économe en énergie n’existe pas; que la consommation éventuelle en mode d’attente ne pénalise pas trop l’installation solaire; que l’onduleur peut démarrer la charge (essai!); que son rendement est suffisant au point de fonctionnement de la charge que la charge tolère la distorsion de l’onduleur; que les variations de la tension de sortie sont acceptées par la charge; que l’onduleur est protégé contre les surcharges côté DC et AC et contre la surchauffe; que l’onduleur coupe les utilisateurs en cas de basse tension DC.

Description d’une Installation Isolée Onduleur Puissance à choisir : La puissance de l'onduleur doit être 2 à 3 fois supérieure à la puissance à fournir Rendement : Les appareils modernes performants atteignent un rendement supérieur à 90 % dès que la charge est de 5 à 10% de leur puissance nominale. Consommation : Attention, dans un fonctionnement occasionnel, la consommation à vide est plus importante que la consommation utile. Ex : Un onduleur performant de 500 W / 12 V consomme par exemple 0.4 A en attente, ce qui fait 9.6 Ah / j ou 115 Wh / j. TP

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Le choix, le dimensionnement et la gestion des batteries est le sujet le plus sensible d'une installation autonome Choisir une batterie est un processus qui doit allier le besoin du site et les réponses aux différents critères de choix : Faut-il une batterie? Type de batterie à employer, (on ne verra ici que les batteries au plomb) Performance à mettre en place - Rendement énergétique Coût ( facteur primordial: investissement, coût de possession) Rétention de charge (stockage saisonnier/journalier?) Besoins en maintenance Adaptation à des conditions variées (charge aléatoire, températures variables …) Sécurité Recyclage

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Caractéristiques des batteries au plomb La tension ( Volt ) la tension élémentaire est de 2V une batterie est un ensemble d’éléments montés en série Ex. : Batterie de 6V, 12V, 24V,….240V La capacité ( Ampère-heure) capacité = le nombre d’Ah restitués par une batterie pour un régime de décharge donné Ex. : une même batterie restituera 90 Ah en 10 h et 105 Ah en 100 h La densité ou masse volumique de l’électrolyte (g/cm3) la valeur nominale est donnée pour une batterie pleinement chargée elle peut varier par exemple de 1,220 à 1,300 g/cm3

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Choix de la batterie la mieux adaptée : Au point de vue technique rendement service-rendu auto-décharge tenue au cyclage maintenance faible Au point de vue financier coût total ( coût à l’installation + coût des remplacements ) nombre de renouvellements dépendants de la technologie droits de douane, taxes locales à l’importation fabrication locale, coût des transports réduits coût de maintenance et d’entretien parité de la monnaie locale coût du recyclage

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Avantages : Batterie démarrage : Bon marché et vendue partout. Batterie tubulaire : Entretien moins fréquent que batterie démarrage. Batterie AGM (absorbed glass mat) : Supportent des vitesses de charge et de décharge très élevées. Facilement transportable et très peu d’entretien. Batterie gélifiée : Bien adaptées pour les décharges profondes. Facilement transportable et très peu d’entretien. Inconvénients : Batterie démarrage : Autodécharge importante (5% par mois à 25°C) et résiste mal aux décharges profondes. Entretien fréquent (contient moins d’électrolyte que batterie tubulaire). Batterie tubulaire : Stratification électrolyte (hauteur importante). Batterie AGM (absorbed glass mat) : Sensible aux hautes températures car étanche. Batterie gélifiée : Ne supportent pas une vitesse de charge et de décharge élevée. Sensible aux hautes températures (étanche). 28

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Comparatif Coût / Durée de vie:

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Gestion de la batterie PV Protection de la batterie en évitant les surcharges et les décharges profondes Seuil haut : évite la surconsommation d’eau, la corrosion Seuil bas : limite la sulfatation irréversible Seuil de reprise de la recharge et de la décharge Lien utile sur les batteries (et autres éléments d’une installation) : http://energies-nouvelles-entreprises.pagesperso-orange.fr/camp11.htm TP

Description d’une Installation Isolée Les Batteries Gestion la plus utilisée : la coupure franche

Définition d'une Installation Le scénario de la présentation Définition d'une installation photovoltaïque Savoir évaluer le besoin client Enoncé initial du besoin Construction partagée du réalisable Obtention du besoin "contractuel" Dimensionner en fonction du besoin (avec prise en compte des fiches techniques et des recommandations techniques : Les panneaux PV Les batteries L'ensemble des composants de commande : Régulateur, Onduleur, etc. Effectuer le choix des composants Marque Type Caractéristiques techniques Evaluer le budget de réalisation Itération entre les points 1 à 4 jusqu'à la validation de la solution par le client et celui qui définit l'installation

Définition d'une Installation Le processus de définition Evaluation du besoin Client Choix des composants Dimensionnement Calcul de la demande énergétique Energie disponible localement Evaluation du coût de l'installation définie Not ok Compatibilité Besoins / Energie fournie Validation Client / Concepteur Not ok ok ok Compatibilité Coût / Financement Not ok

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client : Préalables L’implication locale est vitale pour le succès de l'opération Objectifs précis qui doivent inclure la faisabilité à long terme (finance et environnement) Les utilisateurs doivent financer leur énergie solaire Mise en place d'un plan de financement pour le renouvellement des batteries Analyse des possibilités de maintenance dès le départ (Accès, moyens de protection, etc.) Prévoir dès cette phase le sujet de la formation

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Production de lumière Éclairage public Éclairage individuel Pompage et traitement de l’eau Accès à l’information et à la communication Téléphones fixes / mobiles Ordinateurs Besoins minimaux en réfrigération Ventilation Fonctionnement de petites machines électriques Développement d’activités artisanales Aide aux tâches agricoles pénibles

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Continu vs Alternatif Privilégier les récepteurs qui fonctionnent en continu : meilleur rendement et pas besoin d’un onduleur. Alternatif bien adapté dans les cas suivants: Grand nombre de points lumineux (lampes compactes fluo AC) Grandes longueurs de câblage. Des récepteurs adaptés au Photovoltaïque: Limiter les appareils sous tension 24/24 Eclairage Éclairage public : Sodium (rendement maximal) Éclairage individuel (AC vs DC, LED, Fluo, etc.) Ne convient pas à un chauffage par résistances !! Compromis subtil entre le coût du récepteur et son efficacité énergétique Rendement relatif de différents moyens d’éclairage: Incandescence 40W : 14,5 lm/W Halogène 50W : 20 lm/W Leds blanches 1W : 100 lm/W Fluo droite 13W : 73 lm/W Fluo U 11W : 82 lm/W Fluo droite 36W : 96 lm/W Sodium : 36W : 137 lm/W Le Sodium possède un très bon rendement, mais son coût élevé ainsi que sa lumière monochromatique orangée limite son usage à l’éclairage extérieur (bien souvent). Lampes fluo compactes : Elles fonctionnent forcément en AC. Il en existe en DC, mais on y adjoint un oscillateur HF qui produit une onde sinusoidale et un circuit de préchauffage des électrodes. En AC, il est conseillé de prendre des lampes à ballast électronique. Si pour des raisons de coûts, on choisit des lampes à ballast réactif, il est important d’équilibrer les courants réactifs et utiliser des lampes inductifs et capacitives en parallèle. Dans tous les cas, il faut tester le démarrage possible et mesurer la consommation de l’onduleur pour éviter les surprises et les pannes (instabilités).

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Des moyens de réduire la consommation électrique Minuteries Pour l’éclairage des zones de passage type sanitaires, couloirs Interrupteurs crépusculaires Pour l’éclairage public Détecteurs de mouvements Pour l’éclairage de zones de passage Attention à ne pas utiliser ces appareils sur un réseau 230V AC produit par un onduleur (courant très réactif). Interrupteurs "délesteurs " : certaines charges sont activées automatiquement quand les batteries sont pleines et que l’ensoleillement est suffisant afin de ne pas gâcher l’excédent solaire. Attention : Prendre en compte la consommation journalière des ces éléments. Cette page ne traite pas de moyens pour limiter la consommation / répartir l’énergie. Il s’agit juste d’appareils permettant de baisser le besoin énergétique du client. L’utilisation de ces appareils restent pour un publique relativement avisé car il complexifie le système et peuvent parfois déteriorer les performances du réseau électrique : examples : - instabilité de la tension de sortie d’un onduleur sur lequel sont branchés des détecteurs de mouvements, car ces derniers sont alimentés en abaissant directement la tension réseau à l’aide d’un condensateur => courant très réactif. - Consommation d’un détecteur de mouvement en veille élevée par rapport au gain qu’il apporte… Avant de considérer l’interrupteur délesteur, mieux vaut confirmer que la charge considérée comme « confort » n’est pas superflue… car il s’agit d’un récepteur qui sera alimenté rarement (les batteries ayant rarement le temps de se charger à bloc…)

Exemple de calcul de la demande énergétique Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Exemple de calcul de la demande énergétique En bleu les données d’entrée En rouge les données calculées En gras la donnée de sortie : demande énergétique en kWh par jour. Le rendement de conversion s’applique à tous les récepteurs qui se situent derrière un transformateur (DC/AC ou DC/DC). Leur consommation ramenée à la tension des batteries est divisée par le rendement. Formule de calcul de la consommation par jour : durée d’utilisation x puissance nominale x quantité / rendement de conversion Autonomie : combien de jours le système doit-il fonctionner si le soleil ne vient pas recharger les batteries. Au début le besoin client sera élevé, mais quand il verra le dimensionnement (et le coût) des batteries engendré, l’autonomie en jours devrait retomber à des valeurs raisonnables (entre 1 et 3 jours). Cette valeur peut être importante pour des régions où des intempéries peuvent durer quelques jours (pluie, neige). Autonomie : Cas d’utilisation exclusive des batteries (temps couvert) Marge : Vétusté des appareils, prévision augmentation des charges, piratage Prendre en compte les consommations en veille (notice technique) : 24h/24 ! TP

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Définir le meilleur emplacement pour l’installation Facilité d’accès Sécurité contre le vol Surface disponible (prévoir possibilité extension) Ensoleillement local Orientation et inclinaison selon l'implantation géographique Éviter les masques solaires Bâtiments, clôtures… Collines Végétation

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Calculer le potentiel énergétique du lieu : Cela requiert les données de rayonnement global horizontal, en valeurs mensuelles. Les calculs plus précis, et les simulations détaillées, (par logiciel approprié) nécessiteront en outre la température ambiante, également en valeurs mensuelles. Ces valeurs sont disponibles dans des bases de données sous forme de tables ou fichiers informatisés ou à l'aide de logiciels dédiés. Le guide de formation fournit une liste de données pour quelques sites répartis dans le monde entier.

Définition d'une Installation Evaluation du besoin client Tomber d’accord sur un coût global Le budget du projet fait partie des exigences client Le coût de l’installation est issu du dimensionnement Mais bien souvent, Coût > Budget, et il faut tout recommencer !! Attention au compromis coût / qualité ! Sécurité : En aucun cas il ne faut supprimer les éléments de protection ! Robustesse : Ne pas transiger sur la qualité des composants du système. Consommation : Il vaut mieux revoir la demande énergétique que de mettre des composants peu fiables à moindre coût, ou des récepteurs de qualité médiocre (qui consomment beaucoup plus !) Le compromis coût versus qualité concerne tous les composants du système : - Éléments prépondérants: batteries, panneaux. Éléments cœur du système : onduleurs, régulateurs, … éléments de protections : fusibles, disjoncteurs récepteurs : éclairage, réfrigération, … Le compromis concerne la qualité à plusieurs niveaux: la sécurité, la consommation énergétique, la durée de vie / robustesse

Définition d'une Installation : Le dimensionnement Le dimensionnement d'un système PV autonome est un processus relativement complexe, faisant intervenir de nombreux paramètres : Récupération des éléments définis sur le site (besoins, tension de fonctionnement, énergie solaire disponible). Détermination de la puissance du générateur solaire (type, nombre de panneaux PV, puissance en Wc). Dimensionnement du stockage (capacité des batteries en Ah). Dimensionnement technique : sections de conducteurs, types de connexions, etc... Récupération données site Dimensionnement Panneaux PV Dimensionnement des batteries Dimensionnement technique

Définition d'une Installation : Le dimensionnement Calcul des pertes Itérations jusqu'à être en phase avec les données site fournies Validation du modèle trouvé Au cours de cette formation nous utiliserons une feuille de calcul au format Excel. Calcul des pertes Modif. du dimensionnement Validation modèle

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les panneaux Pour définir le générateur solaire, il faut : Récupérer le besoin validé du client Récupérer la valeur max d'irradiation du lieu d'exploitation , fonction de la latitude et longitude (Mengueme : ensoleillement 230 W/m2, irradiation 5500 Wh/m2.j, dépend du mois) : http://www.soda-is.com/eng/services/services_radiation_free_eng.php http://www.gaisma.com/en/ http://www.ines-solaire.org/france/DT1279185878/page/Logiciels.html#solaire Déterminer quels seront les appareils de contrôle (MPPT, Onduleur)  Décider des tensions de production et d'exploitation Savoir si le stockage est nécessaire Connaitre les besoins énergétiques en fonction des courants CC ou CA

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les panneaux Calcul de la puissance crête des panneaux photovoltaïques Wc : puissance crête en Watts crête ou kWatts crête Ej  : énergie journalière consommée par jour en Wh ou kWh E = W x t / Ƞ x cos φ W = puissance de l’appareil t = temps d’utilisation en heures Ƞ = rendement de l’appareil en % cos φ = cosinus phi de l’appareil K1 : coefficient de pertes des panneaux photovoltaïques k = 0,6 en général (bonne connectique – modules propres) Ir : valeur de l’irradiation solaire au site considéré tables de données météorologiques exprimée en Wh ou kWh/m² j   Wcrête = Ej / k1 x Ir

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les panneaux Pour effectuer le dimensionnement en intégrant tous les différents paramètres, on utilise soit : Une feuille Excel fournie dans ce cours Un des différents logiciels existants sur le marché Ces outils permettent d'effectuer les itérations de calcul jusqu'à la définition finale en prenant en compte : Besoins Générateur solaire Batteries Composants Pertes TP

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Exemple 1. BESOINS ENERGETIQUES: DESIGNATION DES RECEPTEURS * RECEPTEUR CC ou CA LOCALISATION Qté PUISSANCE NOMINALE (W) UTILISATION QUOTIDIENNE (h/j) RENDEMENT** ENERGIE QUOTIDIENNE CONSOMMEE (Wh/j) INTENSITE EN CC (A)*** Lampe BC 220V CA Salle réunion 2 10 3 0,9 66,67 0,93 Salle de charge 1 33,33 0,46 Batteries Téléphone 5 8 222,22 1,16   Besoins totaux Bj 322 2,55 Tension du système (V) 24 * Lister d'abord les récepteurs CC, puis les éventuels récepteurs CA Besoins totaux (Ah) 13,43 ** Pour les récepteurs CC, prendre la valeur 1. Pour les récepteurs CA, indiquer le rendement de l'onduleur (choisir une valeur entre 0,70 et 0,90) *** Intensité CC= Puissance de chaque récepteur/(rendement x U batterie) 2. DIMENSIONNEMENT DU GENERATEUR SOLAIRE PV: Puissance crête Pc = Bj / (Rb x Ri x Ej) Rb : rendement énergétique des batteries (Rb=0,7) Ri : rendement énergétique du reste de l'installation (température élevée des modules, régulateur de charge…) (Ri=0,85) Ej : ensoleillement moyen quotidien du mois le plus défavorable dans le plan du panneau (en kWh/m².j) BESOINS TOTAUX Bj (Wh/j) Rb Ri Ej PUISSANCE CRETE (Wc) NOMBRE DE MODULES (Nm) PUISSANCE UNITAIRE NORMALISEE Pcu (Wc) PUISSANCE CRETE INSTALLEE (Wc) 0,7 0,85 4 135 85 170

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les batteries Le dimensionnement des batteries nécessite d'abord de décider de la durée d'autonomie NJ [jours] désirée, c'est-à-dire le temps durant lequel l'utilisateur pourra être alimenté par la batterie sans recharge  La capacité nécessaire pour la batterie est alors calculée sur la base des besoins journaliers Ej les plus importants (en Ah). Mais une batterie ne doit pas être déchargée au-delà d'une limite de décharge profonde = K2. Ce coefficient est un compromis : Durée de vie / Décharge / Capacité de la batterie/ Coût K2 = 0,20 à 0,5

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les batteries Calcul de la capacité des batteries C : capacité de la batterie en Ah Ej : énergie journalière consommée /jour en Wh ou kWh Nj : nombre de jours d’autonomie ( 1 à 5 jours en général) K2 : coefficient de décharge profonde de la batterie (de 0, 2 à 0,5 en général) U b : tension nominale de la batterie en V Recommandation : la tension de la batterie devra être fonction de la puissance de l’installation P watts 0 à 500 W 500 à 2 kW 2 à 10 kW > 10 kW U volts 12 24 48 > 48   C = Ej x Nj / k2 x Ub TP

CAPACITE MINIMALE (Ah) Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Exemple 3. DIMENSIONNEMENT DES BATTERIES: Capacité nominale des batteries = (Bj x Aut) / (DD x U) Aut: Autonomie de stockage désirée en jours, 1 à 8 suivant le nombre de jours consécutifs sans soleil, on retiendra 3 jours pour de petits systèmes PV dédiés aux besoins domestiques (éclairage,TV, radio, etc) U: Tension des batteries (généralement 12V ou 24V) DD: Degré de décharge maximum autorisé, on retiendra généralement 50% à 70% pour les batteries solaires et 30% pour les batteries automobiles. BESOINS TOTAUX Bj (Wh) AUT DD U CAPACITE MINIMALE (Ah) CAPACITE CHOISIE (Ah) 322 3 0,5 24 81   La capacité choisie doit être supérieure à la capacité nominale et dépend aussi des batteries disponibles sur le marché.

Définition d'une Installation : Le dimensionnement Technique choix du régulateur, en fonction de sa gamme admissible de tensions en entrée les tensions possibles de sortie Son rendement sections de conducteurs, Pour éliminer la perte par effet Joule suivre les recommandations données dans les tableaux types de connexions, etc...

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Exemple 4. CHOIX DU REGULATEUR: Le régulateur doit supporter au moins les intensités suivantes: Intensité maximale de court circuit générée par les modules PV (Isc x Nm)   (A) Intensité nominale de la totalité des récepteurs CC alimentés par le régulateur 2,55 5. DIMENSIONNEMENT DES CIRCUITS ELECTRIQUES: La chute de tension maximale admissible entre les batteries et n'importe quelle charge ne doit pas excèder 0,45V (circuit CC) Chute de tension = Lc x R x I Lc : Longueur du cable à deux conducteurs (par exemple entre le régulateur et un récepteur électrique) I: Intensité nominale circulant dans le câble SECTION DU CABLE EN mm² 1 1,5 2,5 4 6 10 16 RESISTANCE R (Ohm/Mètre) 0,04 0,0274 0,01642 0,01018 0,00678 0,0039 0,00248 Exemples de calcul: 1. Chute de tension dans un câble de 15 m de long et 2,5 mm², alimentant une lampe de 8 W (12V -0,6 A): Chute de tension: 15 x 0,01642 X 0,6 = 0,15 V 2. Chute de tension dans un câble de 3 m de long et 4 mm², alimentant un onduleur 24 V/220 V consommant 200 W: Chute de tension: 3 x 0,01018 x 200/24 = 0,25 V 6. CALCUL DES RATIOS DE VERIFICATION: Degré de Décharge Quotidien (DDQ): Bj (Ah/j)/ Capacité choisie (Ah) #DIV/0! Doit être toujours inférieur ou égal à DD / AUT DD / AUT 0,17 Ratio: (Pcu x Nm x Ej x Ri x Rb) / Bj 1,26 Doit être toujours supérieur à 1 Ratio: Capacité choisie / Icc 0,00 Doit être toujours compris entre 20 et 40

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les pertes Pertes production : Cables, Diodes, Régulateur Pertes exploitation : Cables, Onduleur, récepteurs

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les pertes Il s’agit de calculer les pertes Joules dans les câbles, au niveau du régulateur et des diodes Pertes Joules dans les câbles en production et en exploitation r : résistance ohmique des conducteurs soit 0,018 Ω /mm² /m I : courant traversant les conducteurs en production ou consommation t : temps pendant lequel le conducteur est traversé par le courant en production ou consommation Ep1 = r. I². t en Wh

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les pertes Pertes dans le régulateur /onduleur   U : On considère que la chute de tension dans les impédances d’entrée et de sortie du régulateur /onduleur sont constantes et égales à 0,2 V I : courant traversant les conducteurs en production ou consommation t : temps pendant lequel le conducteur est traversé par le courant en production ou consommation Ep2 = u. i. t en Wh

Définition d'une Installation : Le dimensionnement : Les pertes Pertes en puissance dans les diodes Schottky u : tension de diode en régime passant à I nominal u = 0,4 V I : courant traversant les conducteurs en production t : temps pendant lequel le conducteur est traversé par le courant en production Ep3 = u. i. t en Wh TP

Définition d'une Installation : Choix des composants : Généralités Compromis Technologie / Cout / Qualité / Puissance La qualité doit être le facteur prioritaire afin de mettre en place les éléments nécessaires à la pérennité de l'installation Le coût doit être vu comme le facteur de faisabilité de l'installation. Un financement trop bas doit conduire à un report voire un rejet du projet. La puissance est celle qu'on peut techniquement produire en fonction de la qualité recherchée pour un financement donné Eléments à choisir : Panneaux, Batteries, Régulateur, Onduleur Peut –être mené à l'aide de nombreuses bases de données

Définition d'une Installation : Choix des composants Panneaux : Choix de la puissance à installer en fonction des besoins Choix de la puissance en fonction du stockage Technologie des panneaux Nombre de panneaux / Installation Références qualitatives du fournisseur Coût Stockage Technologie adaptée au solaire Capacité Durée de vie Maintenance

Définition d'une Installation : Choix des composants Régulateur : Choix en fonction tension d'entrée (PV) Choix en fonction tension de sortie (Batterie) Intensité ou Puissance admise Mode de gestion ( MPPT) Références qualitatives du fournisseur Coût Onduleur Nécessité de fournir du CA Puissance à fournir, Rendement Convertisseur (diminue tension pour certains récepteurs) TP

Définition d'une Installation : Evaluation du coût Faire une feuille Excel comportant l'ensemble des coûts : Partie Production : Panneaux Batteries Régulateur Cables Partie Installation Maçonnerie Châssis Armoire de cde Partie Exploitation Onduleur Appareils CC Appareils CA Cables Partie Maintenance Batteries (remplacement) Entretien général TP

Définition d'une Installation : Validation du besoin Besoins Energétiques Compatibilité Besoins / Energie fournie Ok Contraintes spécifiques Ko Capacités de financement Compatibilité Coût / Financement Ok Ko TP

Réaliser une Installation PV « La qualité de la réalisation de l’installation aura un impact déterminant sur la pérennité du système » Tout ce que l’on doit savoir et faire pour réaliser une installation photovoltaïque pérenne : Recommandations générales Règles à suivre Cinq étapes clés de la production à la consommation Sécurités à mettre en œuvre Tests à effectuer pour valider une installation PV

Réaliser une Installation PV Recommendations générales Préparer, Organiser et Planifier le travail Lire, au tout début, les documents validés définissant l'install Repréciser le « Besoin Client » et le diagnostic préalable Sortir toutes les « Notices Techniques » de tous les éléments constituant l’installation Respecter les contraintes d’installation environnementales: Intégration dans l’architecture locale Discrétion face aux interdits culturels Protéger le système contre la détérioration accidentelle, le vandalisme et le vol

Réaliser une Installation PV Règles à suivre Etapes recommandées : Etape 1 : Préparation et Organisation du Travail Etape 2 : Installation du système de production Etape 3 : Installation de la zone d’utilisation Etape 4 : Vérification du bon fonctionnement du système Production/Utilisation Etape 5 : Dossier de compte rendu d’installation

Réaliser une Installation PV Etape 1 : Préparation et Organisation Vérifier la présence de tous les équipements en les rassemblant avec leur notice technique en utilisant la liste donnée dans le cahier des charges. Vérifier la présence des outils et accessoires indispensables Avec le client revoir l’emplacement décidé du système (Régulateur et Batteries seront de préférence au centre de l'install. Réduisant ainsi les longueurs de câbles); Mettre en évidence les contraintes d’installation et présenter les emplacements des éléments principaux; penser à la ventilation du système Organiser la sécurité des personnes et du matériel par l’accès protégé du local.

Réaliser une Installation PV Etape 2 : Installation partie Production L’emplacement des composants du système étant défini, procéder à l’installation de chacun : Panneaux Solaires : Exposition suivant indication du le cahier des charges Vérifier qu'il n'y a pas d’obstacle entre capteurs et soleil Eviter les prises aux vents violents, les accès aux enfants et animaux, les chutes d’objets et dépôts de poussières, grêle … Les panneaux seront installés suivant cahier des charges. Ils peuvent être installés de trois façons différentes: Au sol, sur châssis livrés avec le matériel solaire. Au sol, sur châssis à réaliser sur place Intégrés ou fixés sur le toit du bâtiment

Réaliser une Installation PV Etape 2 : Installation partie Production Panneaux Solaires (suite) : Une attention sera portée sur les fixations, prenant en compte conditions climatiques, d’éventuels vandalismes et vols. Faciliter, aux personnes autorisées, l’accès pour le nettoyage et la maintenance réguliers. Vérifier les Polarité et la Tension dans la boite de jonction. Brancher les câbles en prévoyant l’étanchéité boite de jonction/câbles (Ne pas brancher au régulateur à cette étape !) Protéger les câbles du soleil et d’agression mécanique (gaines, cachés, enterrés…).

Réaliser une Installation PV Etape 2 : Installation partie Production Batteries : Les batteries sont les éléments du système solaire dont la durée de vie est la plus réduite, due au nombre de cycles de charge/décharge. Il faut donc avoir une attention particulière sur l'installation et la maintenance des batteries Procédure d’installation de batterie plomb-acide ouverte (batterie ouverte neuve, sans électrolyte isolée du sol) 1. Mesurer la tension aux bornes de la batterie (U=0v). 2. Mesurer la densité de l’électrolyte neuf dans le bidon (1,24 à 1,28). 3. Nettoyer le dessus de la batterie. 4. Enlever les bouchons de remplissage. 5. Remplir la batterie avec l’électrolyte, élément par élément jusqu’au repère minimal de la batterie. Laisser reposer 30mn.

Réaliser une Installation PV Etape 2 : Installation partie Production Batteries (suite) : Procédure d’installation de batterie plomb-acide ouverte (suite) 6. Mesurer à nouveau la tension de la batterie (U>12v). 7. Compléter avec l’électrolyte chaque élément jusqu’au niveau Max. 8. Replacer les bouchons et nettoyer le dessus de la batterie. 9. Enduire les bornes et cosses de vaseline. 10. Dénuder le câble pour le brancher aux cosses de la batterie ( NE PAS ENCORE CONNECTER LES COSSES AUX BORNES DE LA BATTERIE)

4. Réaliser une Installation Etape 2 : Installation partie Production Régulateur : Placer le régulateur à 1,50m du sol sur un tableau bois ou une platine, à la verticale des batteries, la notice d’utilisation du système attachée à proximité. Brancher les câbles au régulateur dans l’ordre spécifié par le constructeur , et habituellement comme suit : 1. Régulateur  Batteries 2. Panneaux  Régulateur A présent insérer la protection par fusible, entre batterie/régulateur Ne pas brancher le circuit récepteur (zone utilisation) !

4. Réaliser une Installation Etape 2 : Installation partie Production A ce stade de l’installation, le panneau commence à charger la batterie. Vérifier le bon fonctionnement du système en visualisant les indications du régulateur avec la notice technique. A l’aide d’un multimètre (V =) vérifier l’augmentation régulière de la tension batterie. Onduleur : L’onduleur transforme le courant continu, produit par les panneaux et stocké dans les batteries, en courant alternatif.

4. Réaliser une Installation Etape 3 : Installation partie Utilisation Généralités : La zone utilisation est constituée de tous les récepteurs (lampe, réfrigérateur, ventilateur, radiocassette, télévision… ) et des câbles. Deux orientation possibles : Récepteurs alimentés en courant continu 12v ou 24v Récepteurs alimentés en courant alternatif 230v nécessitant l’utilisation d’un onduleur. MAIS, le mixage du continu et de l’alternatif ,en utilisation est fortement déconseillé pour raison de sécurité des personnes.

4. Réaliser une Installation Etape 4 : Vérification du système Mesurer la tension en fournie par les panneaux Mesurer la tension de la batterie circuit ouvert Fermer le circuit utilisation Actionner chacun des récepteurs Vérifiez l'état des voyants régulateur et onduleur Mesurer l'ensemble des tensions sur partie utilisation

4. Réaliser une Installation Etape 5 : Carnet de bord La fin des tests et la rédaction du carnet de bord marquent la livraison officielle de l'installation. Le carnet de bord doit contenir : Liste des appareils installés avec leur référence Valeurs des mesures faites lors de la livraison Bilan Energie produite / Energie utilisée Remarques importantes sur l'installation Date de la prochaine maintenance

5. Gestion de l’énergie électrique consumer Energy Management vendor load utility Affiche pour le prépaiement au Sénégal

5. Gestion de l’énergie électrique Constat L’énergie solaire a un coup de production non négligeable. Elle nécessite un financement de la maintenance long terme. Les utilisateurs doivent payer pour son utilisation !! Les problèmes rencontrés par les vendeurs: Solvabilité des consommateurs Comment récupérer l’argent Déséquilibre de consommation entre les familles Fraudes / Litiges

5. Gestion de l’énergie électrique Les possibilités Vendre les systèmes Les systèmes sont vendus par l’installateur aux utilisateurs, Quelques fois à l’aide de microcrédits Nécessité de systèmes abordables Les coûts d’investissement doivent être minimisés: Composants bas coûts, généralement de qualité moyenne Coûts de maintenance élevés Recyclage non traité Exemple : Solar Home System vendus en Indonésie

5. Gestion de l’énergie électrique Les possibilités Louer les systèmes Une société de service de l’énergie investit dans les systèmes Les systèmes sont loués à l’usager avec une garantie de service Batteries rechargées pour un certain temps d’utilisation Les panneaux restent au sein de la société Minimiser les coûts d’utilisation des systèmes: Pièces de haute qualité Investissement important compensé par la diminution des coûts de maintenance et de remplacement Exemple : Société de location de lumière au Laos 78

5. Gestion de l’énergie électrique Les possibilités Mini-réseau et prépaiement Une société de service de l’énergie gère l’installation Des compteurs électriques sont installés dans chaque lieu d’utilisation Les utilisateurs achètent des crédits sous forme de carte à puce ou de pin-code, à rentrer dans le compteur. L’énergie est disponible jusqu’à épuisement des crédits. Après épuisement, le compteur coupe l’énergie Investissements importants 79

5. Gestion de l’énergie électrique Les possibilités Les compteurs à prépaiement Classiques Faciles à installer Faciles à pirater ! Type « SPLIT » Clavier dans les maisons Compteurs installés sur les poteaux électriques dans des boîtes Plus cher, mais plus robuste au piratage. Commande Puissance Clavier Disjoncteur Maximum 50 mètres Boite de compteurs Ligne électrique 80

5. Gestion de l’énergie électrique Les possibilités Les avantages du prépaiement Pour la société L’énergie est payée avant d’être consommée Limitation de la fraude (utilisation de compteurs SPLIT) Diminution du gaspillage Pour l’utilisateur Consommation à la demande Prédictibilité de la consommation : maîtrise, gestion du budget au plus proche Petits paiements TP 81

5. Gestion de l’énergie électrique Les possibilités Applications actuelles du prépaiement téléphone, eau, gaz… Le prépaiement électrique en forte augmentation + de 50 pays, dont Afrique du Sud, Sénégal, Burkina Faso… Des fournisseurs de taille mondiale : Conlog, Actaris, Landis,… Une solution efficace pour les zones périurbaines et petites villes grâce à la recharge par téléphone portable ! 82

Maintenance Tout ce Que vous devez savoir afin d’assurer une durée de vie optimale à votre installation PV Recommandations générales Le contenu de la maintenance de votre installation suivant : Une fréquence d’intervention selon le type - Entretien courant - Contrôle de l’évolution des valeurs spécifiques à votre installation Dépannage Un niveau technique d’intervention Intervention de premier niveau : La personne en charge du site Maintenance technique : Peut-être de fourniture externe au site Quel matériel pour assurer la maintenance?

Maintenance Recommandations générales La durée de vie de votre installation est étroitement liée à son utilisation et à son entretien … Toute dérive dans l’utilisation : Accroissement incontrôlé de la charge (nombre de récepteurs, durée d'utilisation charges inductives) Modification des éléments touchant la sécurité (redimensionnement, shunt, fusible, etc Modification de l’environnement immédiat de l’installation Orientation des panneaux PV modifiée Toute absence d’entretien : Pas de suivi, ni nettoyage, ni d’alerte sur l’état des éléments Niveau de l’électrolyte des batteries non vérifié Défaillance de l’état des protections contre la pluie, la chaleur, … conduiront invariablement à une réduction de l’efficacité de l’installation PV voire à son arrêt

Maintenance La fréquence Elle est définie selon le type ou le niveau de l’action à effectuer Une fréquence d’intervention pour l’entretien courant, une fréquence hebdomadaire est préconisée cependant elle reste fonction : d’événements climatiques : pluies, sable, vent violent, chaleur, etc. de modifications de l’environnement : végétation luxuriante, insectes, oiseaux colonisateurs, etc. de spécificités notées sur les appareils Pour le contrôle des valeurs spécifiques à votre installation, une fréquence semestrielle est préconisée cependant elle reste fonction : de la dégradation des performances de votre installation du contrat d’entretien conclu avec la société de maintenance Pour le dépannage la fréquence est naturellement assujettie au besoin

Maintenance Le niveau Technique Un niveau technique d’intervention La surveillance, rôle de la personne en charge du site Maintenir la sécurité autour de l’installation Procéder à l’arrêt immédiat en cas d’urgence par actions sur les organes de coupure Consigner les événements, les insatisfactions des utilisateurs Assurer l’entretien de premier niveau Rappeler les règles aux utilisateurs en cas de mauvaise utilisation Mettre à disposition de l’installateur agréé les clefs des coffrets ainsi que toutes les informations susceptibles de l’aider à diagnostiquer un dysfonctionnement La conservation et le dépannage : maintenance technique Vérifier par mesures électriques le bon fonctionnement de votre installation Détection des organes vieillissants Changements des organes défaillants

Maintenance Les Outils Le matériel indispensable ou conseillé pour la maintenance de l’installation PV Gants, lunettes de protection Multimètre multifonction avec piles et fusibles de rechange Pince ampérométrique à effet Hall mesure des courants continus ou alternatifs avec piles et fusibles de rechange Densimètre Niveau à bulle Eau distillée, Chiffons, Ruban isolant (Chatterton) Entonnoir, bassine et gobelet Fer à souder 30W/12V, Perceuse chargée Lampe de poche Tissu noir ou bâche pour occulter l’irradiation des panneaux Echelle Bicarbonate de soude (pour nettoyer les traces d’acide) Outils standards pince coupante, à dénuder, équerre, tournevis, clef à molette, couteau, marteau, pince universelle, mètre, marqueur indélébile, calculette, brosse métallique ou papier de verre) Fusibles, ampoules, interrupteurs, câbles, vaseline Documents techniques sur chaque composants de l’installation feuille de dimensionnement

Retour d'expérience Le retour d'expérience donne des éléments réels et donc indispensables à l'optimisation des projets. Ce que nous apporte cette expérience peut être classée selon les aspects suivants : Socio culturel Contraintes techniques Dimensionnement Performance du système / consommation locale

Retour d'expérience Aspect : Socio culturel Toutes les cultures ont leurs propres façons de faire et il faut impérativement prendre en compte cette dimension. Quels points à prendre en compte? Origine de la demande Village, institution territoriale Privé Association Provenance du financement Réponse au besoin : ni plus, ni moins Exhaustivité de la procédure d'analyse Partage des informations entre projets Sécurité des installations

Retour d'expérience Aspect : Contraintes Techniques Qualité des composants : un compromis dangereux avec le coût de l'installation Nouveautés techniques : Etre au courant de ce qui se fait afin de réduire les coûts. Exemple lampe LED Prendre en compte la protection locale : exemple parasites Gestion des batteries Normes de raccordements Utilisations non appropriée de l'installation

Retour d'expérience Aspect : Dimensionnement En tenant compte du contexte afin de définir correctement La fiabilité La durée de vie Evolution naturelle du site (arbres) Evolution de la demande dans le temps Modification de l'utilisation. On n'est plus en relation avec le dimensionnement initial.

Retour d'expérience Aspect : Performance

Retour d'expérience Aspect : Performance La performance est difficile à apprécier dans le contexte d'utilisation domestique Normalement 0.4 à 0.7 grâce à la gestion du stockage Le suivi de le performance du site est indispensable : permet de définir et gérer les pertes d'adapter la consommation en volume de répartir la demande d'énergie en fonction

Contrôle des connaissances 1/3 Questions : Citer les principaux éléments d’une installation photovoltaïque. De quelle façon sont-ils reliés (faire un schéma) ? Définir ce qu’est 1 Watt crête ? Le générateur solaire est-il un générateur de courant ou de tension ? Citer plusieurs paramètres dont va dépendre la puissance électrique fournie. Citer les étapes du dimensionnement d’une installation PV. Citer les types de régulateur ? A quoi servent-ils ? Quelles sont les différences de fonctionnement ? Quelle est la fonction d’un onduleur ?

Contrôle des connaissances 2/3 Pour quelles raison(s) doit-on utiliser des batteries ? Dans quelle unité se mesure la capacité d’une batterie ? Donner les avantages et inconvénients d’une batterie de démarrage ? Et d’une batterie étanche ? Ayant la valeur de la consommation journalière Ej, du coefficient de perte des panneaux k1 et de l’irradiation solaire Ir, comment calculer la puissance crête des panneaux Wc ? Ayant la valeur de la consommation journalière Ej, du coefficient de décharge profonde k2, du nombre de jours d’autonomie Nj et de la tension nominale batterie Ub, comment calculer la capacité batterie totale nécessaire au système ?

Contrôle des connaissances 3/3 Citer les différents types de pertes électriques. Donner une estimation (en pourcentage) sur la production totale d’énergie. Que doit-on vérifier à propos de l’endroit de l’installation de panneaux PV ? Où doit-on installer les batteries ? Enoncer les règles de sécurité lors de la manipulation des batteries. Quelles sont les étapes du premier remplissage en électrolyte d’une batterie ? Citer 3 moyens permettant de financer sur le long terme une installation photovoltaïque ? Décrire les moyens pour augmenter la durée de vie d’une installation photovoltaïque ?