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STI2D Terminale

AP 3.1 :

Installation photovoltaïque de

Sup’Lamache Spécialité

AP3.1 Installation Photovoltaïque Sup Lamache(élève).docx 14 mars 2011

Support : Informatique

Centre d’intérêt 1 : Typologie des systèmes énergétiques Centre d’intérêt 5 : Efficacité énergétique active

Durée prévue : 3h. Problématique : Identifier et caractériser des solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à

l'énergie d'un système.

Plan de l’étude Remarque Présentation générale

Travail demandé Détail des différentes parties à traiter

Analyse des consommations électriques du lycée Analyse de relevés sur Conso Elec

Installation Photovoltaïque de Sup La Mache Détermination de la structure et bilan énergétique

Installation d’une éolienne à Sup Lamache

Logiciels Matériels

Intranet Lamache/Conso Elec PC

Sunny Design PC

PSIM Version PC

Mode de distribution Format papier

Dossier technique associé Intranet/ STI 2DEE / série2/AP2.3

Dossier ressource associé Intranet/ STI 2DEE / série2/AP2.3

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Installation photovoltaïque de Sup’Lamache

Option EE

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AP3.1 Installation Photovoltaïque Sup Lamache(élève).docx

1. Présentation générale

Une installation photovoltaïque est installée sur les toits du lycée et mis en service depuis septembre 2009 sur une surface de 250 m²; elle répond à un besoin de réduction des besoins énergétiques du lycée. Cette étude a été essentiellement menée par des étudiants de BTS Electrotechnique du lycée dans le cadre de leur projet d’étude. Cette installation permet également d’être informé en temps réel sur les consommations électriques de chaque entité du lycée et sur la production des panneaux photovoltaïques. Vous pouvez consulter ces informations sur l’intranet lamache/Conso elec Les panneaux sont installés sur le toit du bâtiment principal E avec une exposition Sud –Est. Il existe plusieurs paliers administratifs concernant la puissance de raccordement d’une installation photovoltaïques sur le réseau d’ERDF. Ce sont 3kVA, 12kVA, 18kVA, 36kVA, 250kVA. Pour cette installation, elle a été limitée à 36kVA.

Le matériel choisi est le suivant :

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AP3.1 Installation Photovoltaïque Sup Lamache(élève).docx page 3

2. Travail demandé :

Dans cette application pratique, vous allez étudier :

- Analyse des consommations énergétiques du lycée à partir de « Conso Elec en temps réel. »

- Mise en place et dimensionnement d’une installation photovoltaïque sur le site Sup’ Lamache à l’aide du « logiciel Sdesign de la société SMA Solar Technology »

- Etude d’une installation d’une éolienne avec bilan énergétique

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3. Analyse des consommations électriques du lycée

3.1 Sous « intranet Lamache/ Conso Elec en temps réel », relever les puissances consommés par

chaque entité et celle produite par les panneaux photovoltaïque ; justifier en quelques mots les causes

de ces consommations

Heure de prise de mesure :

Entité du Lycée Valeur affichée Cause

Vie scolaire

Internat

Cuisine

Atelier

Centre de formation

Module PV

3.2 Déterminer les pourcentages de chaque consommation

Consommation Lycée : Ouvrir le fichier « relevé de consommation » en cliquant sur la flèche

Consommation

3.3 Analyse du graphique

- Que représente le premier graphique ?

- Quelle est la signification des 3 zones colorées (vert, rouge et grise) ; Que concluez-vous de ces

informations ?

- Que représente le trait bleu ? Comment est calculée cette valeur ?

- Déterminer l’énergie consommée sur une période de 24 h. Pour plus de précision, à l’aide de la

loupe +, agrandissez le graphique de façon à avoir donné sur le dernier jour.

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Soit le relevé énergétique sur une partie d’une journée

- Identifiez le moment présentant la consommation la plus basse et la plus haute ; comment peut-

on justifier ces valeurs ?

- Comparer les consommations à l’instant [07 :10 :01] et [12 :10 :01] ; développez votre analyse

- Quelle est la cause d’une consommation à [04:40 :01] ?

Production des panneaux : Ouvrir le fichier « relevé de consommation » en cliquant sur la flèche PV

Cliquer « voir affichage par jour de la production »

3.4 Analyse de la production (cf graphique en document 1)

- Que représentent ces graphiques ?

Sur le barre graphe du 31/05/2013 apparait l’information de 246.38 KWh ;

- Qu’est ce que cela signifie ?

- Comment peut-on le justifier ?

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- A partir du graphe de la puissance, estimer le temps de production sur une journée - Calculer dans ce cas, la puissance moyenne produite par les panneaux le 31/05/2013 - A-t-on un bon rendement de l’installation sachant de l’on a au maximum 33 KW (sortie

onduleur) - Refaire ses calculs sur les meilleures journées de ce mois. Que pouvez vous constatez ?

3.5 Analyse des mesures puissance, énergie journalière des panneaux photovoltaïques

Afficher maintenant les relevés de la journée (ou celle d’hier si peu d’information)

- Comment peut-on expliquer l’allure de la courbe de l’énergie (2ème

graphe)

- Sur le graphe 3, que signifie la valeur encadrée (à droite)

3.6 Comparaison de production des panneaux photovoltaïques

A partir des fichiers Excel des relevés de production et du diagramme « Comparaison des

productions »

- Quels sont les mois les plus producteurs énergétiquement ?

- Relevez les valeurs d’énergie produite du 1 janvier au 5 juillet en 2012 et 2013 ; estimez la

différence et les pertes pécuniaires engendrées à cause d’un printemps pluvieux.

- Le coût de l’installation est d’environ 250000 € ; en se référent sur une production moyenne

comme celle de 2012, déterminer le nombre d’année nécessaire pour rentabiliser l’installation.

Objectifs du projet :

Mr Buchet souhaitait équiper l’école La Mache d’un parc de formation pédagogique aux énergies

renouvelables à l’image de ses ateliers de production, ancrée sur :

- Le photovoltaïque

- L’éolien

- La biomasse

Cette installation devra être raccordée sur celle existante (étudiée précédemment). Le budget accordé à la première réalisation s’élève à 7000 Euros.

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4 Installation photovoltaïque de Sup’ Lamache

Implantation du parc photovoltaïque de Sup’ Lamache

Caractéristique des panneaux photovoltaïques

On dispose des 6 panneaux de 155 Wc, dont on a relevé les caractéristiques suivantes :

ml

mL

AI

VU

N

N

087,1

238,1

5,4

4,34

La surface d’un panneau est donc de :

²346,1087,1238,1 mlLS

Le rendement d’un panneau peut être donc estimé à :

%5,11

115,01346

8,154

346,11000

5,44,34

1000

panneau

NN

panneauS

IU

Inclinaison des

panneaux à 30°C

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Synoptique :

6 panneaux reliés en série

Coffret DC externe composé d’un parafoudre, un porte fusible et un inter sectionneur pour protéger

l’installation

Coffret DC interne composé d’un parafoudre, un porte fusible et un inter sectionneur pour protéger

l’installation

Onduleur : Adapte la tension au réseau

Sunny Back up : permet de charger les batteries et alimente notre charge

Batterie : Stocke l’énergie

Vers charge de 180 W

fonctionnant 10h/jours

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4.1 Choix de l’onduleur

A l’aide du logiciel Sunny design, vous devez déterminer l’onduleur le plus compatible pour la réalisation

de la maquette pédagogique comprenant les 6 panneaux disponible (155Wc).

Dans un premier temps nous avons saisi les informations concernant l’implantation du système et l’orientation des

panneaux.

a) Ouvrir le logiciel et saisissez les informations concernant

l’implantation du système (Pays, ville, orientation et inclinaison

des panneaux)

Ces données permettent de placer les conditions réelles de cette installation

b) Calculer la puissance crête de cette installation :

c) Choisissez dans la liste SMA un onduleur ayant des

caractéristiques correspondant au mieux à nos panneaux.

L’onduleur doit être « assisté » pour permettre de réinjecter

l’énergie produite sur le réseau.

d) Qu’appelle t -on un onduleur assisté ?

e) Justifier le choix de l’onduleur.

4.2 Choix des batteries d’accumulateur Le calcul de la capacité C du parc de batteries dépend de plusieurs données :

UL

NDAhC

)(

N, le nombre de jours avec un ensoleillement insuffisant. En France, pour une utilisation

annuelle, 5 jours de réserve en batteries sont nécessaires.

D, la demande énergétique quotidienne exprimée en Wh/jour. Il s'agit de l'énergie nécessaire

pour alimenter des appareils électriques. D s'obtient en multipliant la puissance de chacun des

appareils par leur durée d'utilisation quotidienne en heures.

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a) Calculer l’énergie nécessaire chaque jour : (voir charge installée sur synoptique)

b) Choisir un parc de batteries

U, la tension en Volt sous laquelle est installée le parc de batteries (12 V, 24 V,

48 V...). Pour cette application nous prendrons des batteries 24V.

L, la profondeur de décharge maximum des batteries (50%) ; sinon elle se

déchargerait complètement ce qui équivaut à une durée d’utilisation limitée.

UL

NDAhC )(

5 Bilan énergétique de l’éolienne :

Cette éolienne vient s’insérer dans le système photovoltaïque de « Sup lamache »

CARACTÉRISTIQUES DE L’ÉOLIENNE (AÉROGÉNÉRATEUR)

L’aérogénérateur est une machine qui a pour fonction de prélever une partie de l’énergie éolienne disponible pour la transformer en énergie électrique. L’HÉLICE L’organe de prélèvement de l’énergie éolienne est une hélice constituée de trois pales. L’angle des pales est variable en fonction de la vitesse du vent. Ceci évite d'atteindre des vitesses trop élevées en cas de coup de vent La variation de cet angle est obtenue par déformation des pales sous l’action du vent. vitesse de démarrage : 27m/s vitesse nominale de fonctionnement: 10m/s Rayon de rotation : 585 mm.

Réseau la mache

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L’ALTERNATEUR La production d’électricité est réalisée par un alternateur triphasé sans balai à aimants permanents. Il est couplé directement à l’hélice vitesse de rotation nominale : 1000tr/min Puissance nominale de sortie: 200W à 10 m/s. LE GOUVERNAIL L’extrémité arrière du bâti porte le gouvernail d’orientation de l’aérogénérateur

5.1 Détermination technique de l’hélice

a) Détermination de la puissance mécanique captée par l’hélice (à la vitesse nominale)

On veut mesurer la puissance mécanique Pu disponible sur l’arbre de sortie de l’hélice pour la vitesse nominale du vent.

Ptr= Cu × , où Cu est le couple moteur en N·m et la vitesse angulaire en rad/s.

Avec le logiciel Psim version 9, ouvrez le fichier dans intranet/ Serie2/AP2.3/ eolienne.psimsch . Enregistrer le fichier. Régler la vitesse du vent à la valeur nominale. Simuler le fonctionnement de l’éolienne.

- Afficher les courbes de la fréquence de rotation Nh de l’arbre de sortie de l’hélice.

- Afficher la courbe de la puissance mécanique Pu en multipliant les courbes : Couple et vitesse

angulaire.

- Mesurer le temps nécessaire à l’hélice pour atteindre sa fréquence de rotation nominale: _______

- Mesurer la fréquence de rotation nominale de l’hélice:_______________

- Mesurer la puissance mécanique Ptr captée par l’hélice:________________

b) Détermination du rendement de l’hélice

Le rendement ηh de l’hélice est défini par la relation : Pvent

Ptrh

où Pvent représente la puissance du vent traversant la surface circulaire balayée par les pales de l’hélice

Rotor 3

pales

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A partir des documents annexes 3 :

- Donner le coefficient de puissance Cp (valeur max) de cette éolienne

- Calculer la puissance Pvent portée par le vent à la vitesse nominale

- Calculer le rendement de l’hélice ηh.

5.2 Etude du générateur associé à l’hélice

On utilise le schéma complet de l’aérogénérateur (hélice + alternateur) associé au redresseur et à la batterie. La batterie est constituée d'accumulateurs électrochimiques au plomb. La tension Vbat aux bornes de la batterie (de 24 V) varie en fonction de son état de charge:

Vbat = 21V lorsque la batterie est complètement déchargée Vbat = 29 V lorsque la batterie est chargée.

Avec le logiciel Psim 9, ouvrez le fichier dans intranet/ Serie2/AP2.3/ eolienne avec moteur pmsm 24v psimsch. Enregistrer le fichier.

- Placer sur le schéma les appareils, voltmètre et ampèremètre, pour mesurer la tension et le courant

à la sortie de l’alternateur.

- Simuler le fonctionnement de l’éolienne en fonction du temps

- Visualiser l’évolution du courant Ialt et de la tension Valt

- Mesurer la durée de la recharge complète de la batterie en secondes. Exprimer cette durée en

heures

Modifier la durée de la simulation: double cliquer sur l’élément simulation control et régler final time pour qu’il corresponde à la fin de la charge de la batterie Simuler le fonctionnement. Afficher les courbes de la puissance électrique Pelec moy et du courant Ialt en sortie de l’alternateur.

- Mesurer la puissance fournie à la batterie au début et à la fin de la charge : Rappel : P= Valt.Ialt.cosρ avec cosρ=0.8

- Mesurer la puissance moyenne Pelec moy produite par l’alternateur en cliquant sur x - Relever la valeur mesurée de Pelec moy - Calculer le rendement moyen de l’alternateur

5.3 Bilan énergétique de l’éolienne

- Calculer le rendement moyen de l’aérogénérateur (à la vitesse nominale)

- Conclure sur l’intérêt d’utiliser une éolienne par rapport à du photovoltaïque (puissance fournie,

encombrement, rendement, utilisation etc.)

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Document ressource N°1 :

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Document ressource N°2 :

Vendre sa production d'énergie solaire à EDF

13 janvier 2010 : Attention, le gouvernement vient de changer les règles de rachat de

l'électricité issue des installations photovoltaïques. Voir en fin d'article et lire la circulaire du 1er

juillet 2010 relative aux tarifs d’achat de l’électricité photovoltaïque prévus par l’arrêté du 12 janvier

2010 et aux procédures d’instruction des dossiers.

Pour favoriser le développement et les investissements dans les énergie vertes, les Etats des pays

européens ont voté des lois qui obligent les opérateurs publics à racheter plus cher l'électricité

produite par les énergies renouvelables. L'énergie électrique produite par les panneaux solaires d'une

installation domestique peut ainsi être revendue quand l'habitation n'utilise pas toute l'électricité

produite.

Depuis le 1er juillet 2006, il est possible pour les particuliers comme pour les sociétés de vendre leur

production d'électricité verte à EDF ou à une régie locale de distribution d’électricité. Si vous

posséder des panneaux photovoltaïques, il vous est possible de revendre le surplus de production à un

prix avantageux, ce qui est une solution bien plus rentable que le stockage par batteries. Un contrat

sera établi pour une durée garantie de 15 ou 20 ans et le prix de rachat du kilowattheure que vous

produirez sera largement supérieur au prix public de l'électricité.

http://energie-verte.blogspot.fr/2008/01/revendre-sa-production-d-energie.html

http://www.bulletin-officiel.developpement-durable.gouv.fr/fiches/BO201013/met_20100013_0100_0028.pdf

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Document ressource N°3 : Calcul du rendement d’une Eolienne

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