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Energie solaire photovoltaïque

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Sommaire

- Généralités

- La ressource

- Les panneaux

- Le système

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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)

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Croissance de la filière

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

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Des applications décentralisées

Satellites

Electrification des sites isolés, notamment :pompage d ’eaubalises…pays en développementloisirs

De façon marginale : véhicules (courses sunracers)bateaux...

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Plus de puissance … et le réseau

• Toit solaire – utilisation

« individuelle » – raccordés au réseau

électrique

Centrale des Mées (04)Octobre 2011Puissance 12 MW, 25 ha couverts par 55 000 panneaux,

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Consommation humaine : 135.1012 kWh primaires dont14.1012 kWh électriques

Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : 720.1015 kW.h

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

La ressource solaire

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Spectre du Soleil

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Spectre du SoleilAM = air mass

AM 0

AM 1,5

Rayonnement absorbé par l’atmosphère (O2, CO2, H2O…)

AM 1,5

AM 0

AM 1

48° 30°

AM 2

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Production annuelle d’énergie:

kWh/m2.an

Pour un calcul rapide

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Carte solaire de la France

5,2

5,7

5,3

4,8

Pour un calcul plus précis

kWh/m2.jour

Orientation Sud,inclinaison égale à la latitude

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Ensoleillement W/m2

Rayonnement en fonction de la météo

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Rayonnement Global =Rayonnement direct + Rayonnement diffus + Rayonnement réfléchi *

*( albédo x rayonnement total horizontal)

PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire

Rayonnementdirect

Diffusion par les molécules d’air, Diffusion par aérosols

Rayonnement du à l’albedo

Rayonnement diffus

14PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire

Station météorologique de Lyon (rayonnement global horizontal)

Un jour d’hiver ordinaire75 % de diffus

Un beau jour d’été 30% de diffus

Heure solaire (h)

Heure solaire (h)

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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

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Trajectoire annuelle et journalière du soleil (hémisphère nord)

O

S

N

E

4 h 00

8 h 33 6 h 20

21 décembre

21 septembre

21 juinZénith

21 mars

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Masques Solaires

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Courbes d’ensoleillementLyon plein sud

En kWh/m²/j

Jan Fev Mar Avr Mai Jun Jui Aou Sep Oct Nov Dec

0°30°

60°

90°

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Cellule : diode PV élémentaire dimensions de l’ordre de qq cm, qq watts

Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle32, 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)

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Eléments d’un système PV

Soleil

Panneau

Régulateur Utilisation directe

Accumulateur

Onduleur

Utilisation AC

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L’idéal est que l’installation soit orientée côté SUD.

NORD

SUD

ESTOUEST

TOIT

PANNEAUXSOLAIRES

ORIENTATION ET INCLINAISON

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ORIENTATION ET INCLINAISON

L’inclinaison des panneaux doit prendre en compte :

L’angle par rapport de l’horizontale.

On considère que l’on a une perte d’ensoleillement de 20%

SUD

Angle d’inclinaison 60 °

60°90°

Angle d’inclinaison 90 °

90°

Angle d’inclinaison 90 °

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Facteur de correction ( pour projet simplifié )

ORIENTATION ET INCLINAISON

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Rendement de captation en fonction de l’orientation et de l’inclinaison

Exemple à LYON, représentatif de la France Métropolitaine en zone urbaine

Disque pour calcul du « Facteur de Transposition (FT) »

Capteur horizontal 0°

Capteur vertical 90°

Inclinaison 30°

Orientation SE

Rendement 95%

FT = 1,05

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TYPES D’INSTALLATIONS EN TOITURE

Pose sur toiture

(surimposition)

Pose en encastrée

( intégré )

SURFACE POUR L’IMPLANTATION

Avantages : * Économie de matériaux de construction

* Meilleur esthétique

Avantages : * Prix moins élevé que pour l’intégré

* Simplicité de mise en place

* Pas de pertes dues à l’augmentation de Inconvénients : * Fixation sur le toit, traversées de câbles

* Moins bonne esthétique

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Matériaux

Silicium monocristallin

12 à 14 %. polycristallin

10 à 12 amorphe

6 à 8%. Applications intérieurs, moindre coût

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Coefficient de structure

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

Le coefficient de structure : CS

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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°

Obstacle naturel : arbre

SUD 30

°

Obstacle naturel : arbre

60°

Obstacle naturel : arbre

Le facteur d’ombrage : FO

Sans ombrage : 1

Avec ombrage :0,8

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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

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L’AlbèdoGrandeur 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

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Cellule photovoltaïque (principe)

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T.k

V.e

sccp

p

e.I)E(II

Convention diode récepteur

Ip

Vp

E éclairement W/m²

Convention diode générateurVp

Ip

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Caractéristique courant tension puissance d’une

cellule

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Panneaux PV• Influence de l’éclairement, de la température

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Caractéristiques d’un module photovoltaïque

au silicium cristallin selon la température

Amorphe : 0,21%/ °C

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Température d’un module au silicium cristallin en fonctionnement

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Cellule photovoltaïque, mise en série et en parallèle :

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Caractéristiques d’un champ PV

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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 nombrede diodes de protection(soucis économique) :

une seule diode par groupede 24 cellules environ

les diodes bypass ne conduisent qu’en situation de déséquilibre, et limitent la perte de puissancela caractéristique I(V)est néanmoins modifiée.

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Effet des diodes bypasssur les caractéristiques résultantes I(V)

Un module « isolé » par sadiode antiparallèle

Caractéristiques réellesd’un système avec cellules vieillieset une importante couche de poussière

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RégulateurParamètres de choix : tension et courant en entrée et en

sortie, puissance, rendement, protections (panneau, batterie, régulateur), modes de charges, fonctions annexes

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BatteriesParamètres 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

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Capacité d’une batterie d’accumulateursLa 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 Peukertpour laquelle la capacité Cpx, pour un courant de décharge Ix s’écrit:avec k 1,3 k

x

xxP

I

IC

N

N

I

*T

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Batteries (charge)3 phases de charge :

Imax, floating, egalisation

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Batteries (rendement)

moyen de 0,7

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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

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OnduleurParamètres de choix : autonome / connecté au

réseau,puissance,tension d’entrée,cos max,forme d’onde,conso à vide (%de Pnom)

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autoconsommation Vente totale de la production