Les systèmes photovoltaïques

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1 Les systèmes photovoltaïques
Caractéristiques d’un panneau

2 Production des systèmes photovoltaïques
L’énergie solaire reçue sur terre correspond à une puissance d’environ 1 kW/m2 . A cause des nuages, de la pollution et de la rotation de la terre cette puissance reçue fluctue au cours des jours et de l’année. Diverses grandeurs sont données par les sites de météorologie tels que le nombre d’heure d’ensoleillement d’un site qui correspond au nombre d’heure où le lieu considéré reçoit une puissance lumineuse dépassant environ 400 W/m2 (par exemple : A Rouen on compte qu’il y a 1750h d’ensoleillement par an). Pour chaque lieu est aussi donné le nombre d’heures équivalent plein soleil soit le nombre d’heures où un ensoleillement de 1kW/m² fournirait la même quantité d’énergie que la réalité.

3 Production des systèmes photovoltaïques
A Annecy le nombre d’heures équivalentes/jour est de 3,8 h sur une surface orientée au sud et inclinée d'un angle égal à la latitude. Dans le commerce, un panneau photovoltaïque est caractérisé par sa puissance crête qui correspond à la puissance électrique que fournirait le panneau sous un ensoleillement de 1000 W/m². Le coût d’une installation photovoltaïque (livraison pose comprise (inclus le remplacement de l’onduleur sur la durée de vie)) est de l’ordre de € (dont 15000€ de fournitures) pour une puissance de 3 kWc. Un crédit d’impôt est accordé par l’état d’un montant égal à 25% (anciennement 50%) des fournitures Le coût de l’énergie facturé par EDF est de 10 c€/kWh L’énergie photovoltaïque est rachetée 58 c€/kWh lors d’une pose intégrée au bâti.

4 Production des systèmes photovoltaïques
Nous allons étudier l’énergie produite et le temps de retour sur investissement d’une installation photovoltaïque située à Annemasse (nombre d’heures équivalentes :nhe: 3,8 h) constituée des panneaux donnés ci dessus : Pour le plein soleil, déterminer la puissance fournie par 1 m² de panneau Déterminer le rendement du panneau En déduire la surface nécessaire pour obtenir 3 kWc. Calculer l’énergie lumineuse reçue à Annemasse pour une surface de 20 m². Estimer la production électrique sur l’année d’une installation de 3 kWc. Calculer le coût de l’installation. Calculer les sommes reversées par an par EDF Calculer le temps au bout duquel l’installation est rentabilisé Calculer le gain financier sur 20 ans LIcence MERE

5 Les systèmes photovoltaïques
L’association en série des cellules V = n VC0

6 Nous allons étudier l’énergie produite et le temps de retour sur investissement d’une installation photovoltaïque située à Annemasse (nombre d’heures équivalentes :nhe: 3,8 h) constituée des panneaux suivants : Pour le plein soleil, déterminer la puissance fournie par le 1 m² de panneau Déterminer le rendement du panneau En déduire la surface nécessaire pour obtenir 3 kWc. Calculer l’énergie lumineuse reçue à Annemasse pour une surface de 20 m². Estimer la production électrique sur l’année d’une installation de 3 kWc. Calculer le coût de l’installation. Calculer les sommes reversées par an par EDF Calculer le temps au bout duquel l’installation est rentabilisé Calculer le gain financier sur 20 ans

7 Les systèmes photovoltaïques
L’association en parallèle des cellules I = m ICC

8 Les systèmes photovoltaïques
Problème lié à la mise en série des cellules

9 Les systèmes photovoltaïques
Problème lié à la mise en série des cellules Lors de l’association en série des 72 cellules du panneau photovoltaïque pré étudié. 1°) déterminer la charge nécessaire à l’obtention du MPPT 2°) En supposant linéaire les deux segments de droite de la caractéristique du panneau, déterminer La tension VC0 d’une cellule Le courant de court circuit d’une cellule La résistance shunt d’une cellule La résistance série d’une cellule 3°) Le panneau est maintenant relié à la charge déterminée au 1°) et qu’une cellule est occultée. Expliquer par une modélisation électrique ce qui se passe. Déterminer le courant dans le panneau Déterminer la baisse de puissance dans la charge Déterminer la tension apparaissant aux bornes de la cellule occultée ainsi que la puissance dissipée Quel moyen proposez-vous afin de limiter le problème

10 LIcence MERE

11 Les systèmes photovoltaïques
Problème lié à la mise en parallèle des cellules

12 Les systèmes photovoltaïques
LES ACCUMULATEURS Caractéristiques LIcence MERE

13 Les systèmes photovoltaïques
LES ACCUMULATEURS Dimensionnement capacité utile de la batterie (Ah) = nombre de jours d’autonomie sans apport solaire × besoin journalier (Ah) Soit : capacité nominale C20 (Ah) = nombre de jours d’autonomie sans apport solaire (jours) * besoin journalier (Ah/jour) / profondeur de décharge maximale autorisée% / coefficient réducteur de la température.

14 Les systèmes photovoltaïques
LES REGULATEURS DE CHARGE Régulateurs série Régulateurs shunt

15 Les systèmes photovoltaïques
LES REGULATEURS DE CHARGE à MPPT Influence de la batterie Influence de l’éclairement Influence de la température LIcence MERE MPPT

16 Les systèmes photovoltaïques
Principe du MPPT

17 Les systèmes photovoltaïques
La conversion de l’énergie électrique

18 Les systèmes photovoltaïques
LES CONVERTISSEURS DC/DC : HACHEURS HACHEUR ELEVATEUR HACHEUR ABAISSEUR

19 Les systèmes photovoltaïques
LES CONVERTISSEURS DC/AC : ONDULEURS

20 Temps de retour énergétique
Le temps de retour énergétique est le temps qu'il faut à un module photovoltaïque pour fournir l'énergie qu'il a fallu pour son élaboration. Au-delà de ce temps, le module fournit plus d'énergie qu'il n'en a consommée pour le produire. Suivant le procédé d'élaboration du silicium utilisé, l'énergie nécessaire pour obtenir 1 kg de silicium de qualité microélectronique (QE) à partir de quartz (sable) est variable. On prendra 130 kWh. À partir de ce silicium. il faut encore une énergie de 0,5 kWh pour fabriquer 1 Wc de cellule puis 10 kWh pour fabriquer un module de 85 Wc. Pour faire un bilan énergétique complet, il faudrait ne pas oublier l'énergie nécessaire au transport et au matériel indispensable à l'installation des modules puis à la déconstruction en fin de vie du dispositif. On n'en tiendra pas compte ici. 

21 Calculer le temps de retour énergétique pour des modules photovoltaïques dont les cellules sont élaborées à partir de silicium QE. On prendra : - Épaisseur des cellules photovoltaïques : 200 µm mais on perd la moitié du silicium lors de l'opération de sciage des lingots pour obtenir des plaquettes - Masse volumique du silicium : 2330 kg/m3 - Ensoleillement nominal : 1kW/m² - Rendement de conversion de 15% - Production énergétique pour 1 Wc installé de cellules photovoltaïques (en condition optimale): 1,4 kWh/an. On pourra d'abord calculer le temps de retour énergétique pour l’élaboration du silicium puis celui nécessaire pour passer à la cellule puis au module. Pour diminuer l'énergie consommée pour l'élaboration du silicium les applications photovoltaïques peuvent se satisfaire d'un silicium moins pur (qualité solaire : QS). Il faut alors environ 40 kWh/kg pour l'élaboration de ce silicium. Calculer le nouveau temps de retour énergétique pour des modules dont les cellules sont fabriquées à partir de silicium QS.