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

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

Module 1: Généralités

Applications Satellites Electrification des sites isolés, notamment : pompage d ’eau balises… pays en développement 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...

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

Un marché en forte progression au niveau mondiale

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

Schéma équivalent Cellule Iph proportionnel à l’ensoleillement. Modèle idéal. Iph proportionnel à l’ensoleillement.

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

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

Courbes caractéristiques Effet de l’ensoleillement

Courbes caractéristiques Effet de la température

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)

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

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 d’une maison en surimposition,ou sur châssis lorsqu’on les pose sur le sol ou sur une toiture terrasse. Arrivent aujourd’hui des produits tels que des tuiles et ardoises photovoltaïques, ou des éléments de façade ou verrières qui rendent beaucoup plus facile l’intégration dans la couverture extérieure des bâtiments.

Définitions 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 Air-masse de 1,5 (AM1,5) def. d’un spectre solaire standard Température de 25°C

Données techniques d’un module Conformément à la NF EN 50380 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

Diodes By-Pass Protection par diode By-Pass: la cellule à l’ombre est court-circuitée. Des qu’une 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. L’ombrage d’une cellule peut donc avoir des conséquences directes sur le rendement du module.

Rendement des cellules, des modules et du système Module: Le rendement des modules se calcul par rapport à la surface totale des modules donc inférieur à celui d’une 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 d’éclairage η système = η module (0.12) . η onduleur (0.90) . η câble (0.99) = 10%

Production attendue Plusieurs facteurs peuvent affecter la production d’un site photovoltaïque : La localisation géographique. L’implantation du système, c’est-à-dire son orientation et son inclinaison. Les ombrages éventuels.

Production attendue Facteur géographique

Production attendue Facteur inclinaison et orientation En France les panneaux doivent idéalement être exposés plein sud et être inclinés à 30 degrés par rapport à l’horizontale pour produire un maximum d’énergie sur l’année. Cependant des écarts de plus ou moins 45° par rapport au sud (c’est à - dire de sud-est à sud-ouest) et une inclinaison de 20 à 60° par rapport à l’horizontale sont acceptables et n’engendrent pas de baisse de production importante.

Production attendue Facteur inclinaison et orientation Principes fondamentaux: Plus la toiture est plate plus elle peut s’écarter du Sud. Il n’existe aucune différence entre les écarts vers l’Est ou vers l’Ouest. (Choix en fonction des ombrages).

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

Sites raccordés au réseau Module 2: Sites raccordés au réseau

Principe de fonctionnement Injection du surplus de la production L’électricité 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

Principe de fonctionnement Injection de la totalité de la production L’électricité 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.

Fonctionnalités et exigences d’un onduleur Conversion de l’énergie 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

Fonctionnalités d’un onduleur Conversion de l’énergie électrique L’onduleur 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.

Fonctionnalités d’un onduleur Recherche automatique du point de puissance maximale

Les différents types d’onduleurs Les modules photovoltaïques peuvent être branchés en parallèle, en série ou en combinant les deux. Le type de branchement influence le choix de l’onduleur. Différents types d’onduleurs: 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.

Les différents types d’onduleurs Onduleur centralisé Un seul onduleur pour la totalité du générateur. Le générateur se compose souvent de plusieurs rangées, chacune disposant d’un maximum de modules branchés en série. Caractéristiques: Mono ou triphasé –injection en BT ou HTA Avantages: Possibilité d’avoir des puissances importantes jusqu’à plusieurs MW. Robuste

Les différents types d’onduleurs Onduleur string Un onduleur par rangée « string » de 10 à 20 modules. Caractéristiques: Monophasé – injection en BT Avantages: Bien adapté en cas d’ombres sur des modules Ainsi qu’a des inclinaisons et orientations différentes des rangées.

Les différents types d’onduleurs Onduleur modulaire Un onduleur par module. L’onduleur est intégré au module, c’est du «prêt a brancher ». Caractéristiques: Monophasé – injection en BT Avantages: Pas de câblage en DC Un module ombragé ou en panne n’a aucune conséquence sur le reste de l’installation.

Données techniques d’un 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

Module 3: Sites isolés

Philosophie Avant d’électrifier 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 l’année? Le dimensionnement doit toujours être réalisé au plus juste, le coût d’un système en site isolé étant particulièrement élevé.

Schéma de principe

Composants d’une installation autonome

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)

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.

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

Dimensionnement simplifié Bilan énergétique des appareils à alimenter Tension d’alimentation des appareils (12V, 24V, 48V) Puissance instantanée Nombre d’heures d’utilisation par jour =Besoins journaliers Bj en Wh/jour

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

Dimensionnement simplifié Détermination de la puissance crête La puissance crête de l’installation 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 d’utilisation détermine le nombre de modules en série. On en déduit le nombre de branches de modules en parallèle.