Le solaire photovoltaïque raccordé au réseau Auteurs : Irène ROUDIL - Patrick ABATI - Lycée Antonin Artaud - Marseille

Les besoins énergétiques L’énergie solaire fait appel à la ressource la mieux partagée : le rayonnement solaire… En une heure, l’énergie solaire captée par la terre pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques mondiaux… pendant un an !

L’énergie solaire peut être récupérée par deux procédés : photovoltaïque pour la production d’électricité avec ou sans stockage thermique pour la production de chaleur

Production journalière d’énergie La production annuelle à Lyon est 3,5 x 365 ≈ 1300 kWh/m²

L’énergie reçue annuellement dans la région de Lyon est 1300 kWh/m² Exemple L’énergie reçue annuellement dans la région de Lyon est 1300 kWh/m² La consommation moyenne d’électricité d’un ménage (hors chauffage) est 3500 kWh/an Une surface de capteurs photovoltaïques de 30 m² avec un rendement de 10% suffirait largement à couvrir ces besoins

Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque contact sur zone N absorption des photons zone dopée N I semi-conducteur collecte des porteurs génération des porteurs zone dopée P contact sur zone P

Schéma équivalent d’une cellule La tension de sortie d’une cellule est de l’ordre de 0,5 V Association série - parallèle

Couplage des cellules en série en parallèle Pour constituer un module, les cellules sont couplées en série en parallèle Pour augmenter la tension Pour augmenter le courant Les modules sont couplés en série et parallèle La tension est supérieure à une centaine de volts La section des câbles vers l’onduleur est réduite

Influences sur les performances Éclairement T 2 60°C Température Éclairement 1 1000 W/m² Éclairement 2 500 W/m² T 1 25°C La puissance photovoltaïque produite diminue - si l’éclairement diminue - si la température de la cellule augmente R : résistance de charge Pm : puissance maximale T : température de la cellule Une adaptation de la charge améliore les performances de la cellule MPPT Poursuite du point de puissance maximale

Exemple module de 120 Wc surface 1 m² rayonnement solaire 1000 W/m² Le Watt crête (Wc) C’est l’unité de référence qui permet de comparer les performances des cellules ou des modules C’est la puissance maximale délivrée dans les conditions suivantes : Ensoleillement = 1000 W/m² Température ambiante = 25°C Epaisseur de l’atmosphère = 1,5 Exemple : module de puissance 120 Wc et de surface 1 m² Pour une puissance de rayonnement solaire incident de 1000 W/m² Ce module fournit une puissance de 120 W Son rendement est de 12% Exemple module de 120 Wc surface 1 m² rayonnement solaire 1000 W/m² puissance 120 W rendement 12%

Production mondiale de cellules Europe 25,8% Fabrication

Puissance installée dans l’U.E. Année Raccordé (MWc) Isolé (MWc) Total (MWc) 2001 220 64 284 2002 320 72 392 2003 480 82 562 2004 402 8 410 Puissance par habitant (Wc/hab) dans l’UE en 2004

Production de l’électricité Il est aujourd’hui possible de produire de l’électricité de façon décentralisée, modulable et non polluante pour la revendre au réseau onduleur utilisation modules photovoltaïques comptage de l’énergie produite sur place réseau fournie par EDF

Schéma de principe de l’onduleur Sécurité HACHEUR ONDULEUR Protection des personnes et des installations (DIN VDE 0126) Surveillance du réseau et déconnexion si écart de fréquence supérieur à 0,2 Hz écart de tension (<80% de Un ou >115% de Un)

Poursuite du point de puissance maximale MPPT = Maximum Power Point Tracking Flash éclairement 1 éclairement 2 éclairement 1 éclairement 2 Algorithme

Raccordement au réseau public Le producteur d’énergie photovoltaïque peut choisir de vendre uniquement ses excédents la totalité de sa production Cette deuxième option nécessite la mise en place d’une ligne supplémentaire choix technico - économique

Tarif de rachat Si la demande de rachat a été effectuée en 2002 : 15,25 c€ (30,50 c€ Corse et DOM) après 2002 : tarif2002 x 0,95n x K avec n : nombre d’années après 2002 K : coefficient avec ICHTTS1 : indice coût du travail année en cours ICHTTS10 : indice coût du travail en 2002 = 115.1 PsdA : indice produits et services divers année en cours PsdA0 : indice produits et services divers en 2002 = 109.9 Indexation annuelle au 1er novembre, par application du coefficient L

Tarifs de rachat en 2004 Allemagne 59 59,6 62,4 Façades 45,7 Autres 54 54,6 57,4 Toits > 100 kWc 30 kWc à 100 kWc < 30 kWc en c€ / kWh Italie : 68 c€ / kWh (façades) 48 c€ / kWh (autres) Luxembourg : 45 c€ / kWh Espagne : 41 c€ / kWh France : 14,56 c€ / kWh (29,11 c€ DOM et Corse) Pays-bas : 9,7 c€ / kWh

Production annuelle par kWc installé 900 kWh/kWc 1000 kWh/kWc 1100 kWh/kWc 1200 kWh/kWc 1300 kWh/kWc

Approche économique Prix du matériel (environ 4/5) 4 x 7000 / 5 = 5 600 € Crédit d’impôt (40% du coût du matériel) 40 x 5600 / 100 = 2 240 € Reste à charge 7000 – 2240 = 4 760 € Installation de 2 kWc sur une maison individuelle à Marseille Coût total TTC (7 € / Wc) : 7 x 2000 = 14 000 € Aide ADEME - REGION = 7 000 € Coût à l’installation 14000 – 7000 = 7 000 € Temps de retour 4760 / 336 = 14 ans Si le prix de rachat du kWh était 4 fois plus élevé (cf. Allemagne) le temps de retour serait inférieur à 4 ans Production annuelle (1200 kWh / kWc) 1200 x 2 = 2 400 kWh Gain annuel (14 c€ / kWh) 0,14 x 2400 = 336 € Installation de 2 kWc sur une maison individuelle à Marseille Coût total TTC (7 € / Wc) 7 x 2000 = 14 000 € Aide ADEME - REGION = 7 000 € Coût à l’installation : 14000 – 7000 = 7 000 € Prix du matériel (environ 4/5) : 4 x 7000 / 5 = 5 600 € Crédit d’impôt (40% du coût du matériel) : 40x5600/100 = 2 240 € Reste à charge : 7000 – 2240 = 4 760 € Production annuelle (1200 kWh / kWc) : 1200 x 2 = 2 400 kWh Gain annuel (14 c€ / kWh) : 0,14 x 2400 = 336 € Temps de retour : 4760 / 336 = 14 ans Si le prix de rachat du kWh était 4 fois plus élevé (cf. Allemagne) le temps de retour serait inférieur à 4 ans

Réalisation au lycée de l’Estaque

Les modules photovoltaïques 16 panneaux photovoltaïques de 110 Wc

90 V < Tension d’entrée < 600 V L’onduleur Solarmax 2000E Puissance nominale 1800 W 90 V < Tension d’entrée < 600 V

L’intérieur du boîtier du Solarmax Modules PV PC Réseau

Livre blanc de l’U.E. Comparaison de la tendance actuelle avec les objectifs du livre blanc de l’U.E. (en MWc)

Production électrique en 2003

Production électrique d’origine renouvelable en 2003

Tarif 2006 Le tarif de rachat est fixé pour 2006 à : 22,5 c€ pour les équipements individuels 30,5 c€ pour les équipements collectifs , le secteur tertiaire, le secteur industriel et les DOM Rappel : ce tarif était de 15,5 c€ en 2002 Le crédit d’impôt est porté de 40% à 50%

Fin

Algorithme MMPT Suite Début It = I - i Mesure U et I Calcul P = U x I non Mesure U et I Calcul P = U x I It = I + i Mesure Ut et It Calcul Pt = Ut x It Pt > P ? I = It It = I - i Début Temporisation Suite U : tension fournie par le capteur I : courant fourni par le capteur P : puissance fournie par le capteur L’indice t correspond à ces mêmes valeurs, lors de la phase de test i : valeur incrémentale de courant

Fabrication des modules Le silicium est placé dans un creuset Le lingot est découpé en briques Il est fondu en lingot L’énergie nécessaire à la fabrication d’un module représente 10% de l’énergie que ce module produira pendant sa vie Les cellules sont assemblées pour constituer un module Les plaques sont transformées en cellules Les briques sont découpées en plaques Suite