Energie solaire photovoltaïque

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

Historique 1839 : effet photovoltaïque Becquerel sur un couple électrochimique 1877 : 1ère cellule PV au sélénium 1954 : 1ères cellules PV au silicium le rendement passe de 4,5 % à 6% en quelques mois 1955 : 1ère commercialisation cellule PV 14 mW (2%) $25 1958 : satellite avec cellules PV (ont fonctionné 8 ans) années 60 : montée des rendements et des puissances (Japon 1963 : 242 W sur une maison)

Croissance de la filière Près de 100 GWc cumulés fin 2012 pour une production d’environ de plus de 10 TWh

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

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 55 000 panneaux,

La ressource solaire 14.1012 kWh électriques Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : 720.1015 kW.h Consommation humaine : 135.1012 kWh primaires dont 14.1012 kWh électriques 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

Spectre du Soleil

Spectre du Soleil AM = air mass AM 2 AM 1 AM 0 AM 1,5 Rayonnement absorbé par l’atmosphère (O2, CO2, H2O…) AM 1 48° 30° AM 2

Production annuelle d’énergie: kWh/m2.an Pour un calcul rapide

Carte solaire de la France kWh/m2.jour 5,2 5,7 5,3 4,8 Orientation Sud,inclinaison égale à la latitude Pour un calcul plus précis

Rayonnement en fonction de la météo Ensoleillement W/m2

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

Station météorologique de Lyon (rayonnement global horizontal)  Un jour d’hiver ordinaire 75 % de diffus Heure solaire (h) Un beau jour d’été  30% de diffus Heure solaire (h) PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire

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

Trajectoire annuelle et journalière du soleil (hémisphère nord) 21 décembre 21 septembre 21 juin Zénith 21 mars

Masques Solaires

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

Cellule : diode PV élémentaire dimensions de l’ordre de qq cm, qq watts Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle 32, 36, 72, 216... 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)

Eléments d’un système PV Utilisation AC Soleil Accumulateur Onduleur Panneau Régulateur Utilisation directe

ORIENTATION ET INCLINAISON L’idéal est que l’installation soit orientée côté SUD. NORD SUD EST OUEST TOIT PANNEAUX SOLAIRES

ORIENTATION ET INCLINAISON L’inclinaison des panneaux doit prendre en compte : L’angle par rapport de l’horizontale. 90° Angle d’inclinaison 90 ° SUD Angle d’inclinaison 60 ° 60° On considère que l’on a une perte d’ensoleillement de 20%

ORIENTATION ET INCLINAISON Facteur de correction ( pour projet simplifié )

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

SURFACE POUR L’IMPLANTATION TYPES D’INSTALLATIONS EN TOITURE Avantages : * Prix moins élevé que pour l’intégré * Simplicité de mise en place * Pas de pertes dues à l’augmentation de  Pose sur toiture (surimposition) Inconvénients : * Fixation sur le toit, traversées de câbles * Moins bonne esthétique Pose en encastrée ( intégré ) Avantages : * Économie de matériaux de construction * Meilleur esthétique

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

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

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

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

L’Albèdo Grandeur sans dimension, c’est 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 blanc 0,60 à 1 Neige tassée 0,40 à 0,70 Neige fraîche 0,75 à 0,90 Miroir 1

Cellule photovoltaïque (principe) Convention diode récepteur Convention diode générateur Vp Ip Ip Vp E éclairement W/m²

Caractéristique courant tension puissance d’une cellule

Panneaux PV Influence de l’éclairement, de la température

Caractéristiques d’un module photovoltaïque au silicium cristallin selon la température Amorphe : 0,21%/ °C

Température d’un module au silicium cristallin en fonctionnement

Cellule photovoltaïque, mise en série et en parallèle :

Caractéristiques d’un champ PV

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) : les diodes bypass ne conduisent qu’en situation de déséquilibre, et limitent la perte de puissance la caractéristique I(V) est néanmoins modifiée. une seule diode par groupe de 24 cellules environ

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

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

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

Capacité d’une batterie d’accumulateurs La capacité d’une batterie correspond à la quantité d’électicité qu’elle peut restituer. On la note en Ampère heure. La capacité nominale vaut CN = TN  IN Par exemple C10 = 105 Ah signifie qu’elle pourra restituer CN =105 Ah pour une décharge de IN = 10,5 A pendant TN = 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 Cpx, pour un courant de décharge Ix s’écrit: avec k  1,3

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

Batteries (rendement)   moyen de 0,7

L’onduleur 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 l’ensoleillement et la température Se déconnecte en cas d’absence de tension du réseau Protection des personnes par contrôle d’isolement du circuit continu

Onduleur Paramètres de choix : autonome / connecté au réseau, puissance, tension d’entrée, cos  max, forme d’onde, conso à vide (%de Pnom)

autoconsommation Vente totale de la production