C/TD Solaire photovoltaïque - Site Vincent...

1

C/TD Solaire photovoltaïque

PLAN :1/ Rappel sur les unités.2/ Place du photovoltaïque (PV) parmi les énergies.3/ Applications du photovoltaïque.4/ Solaire thermique5/ La ressource solaire.6/ Matériaux et Technologies7/ Association de cellules8/ Protections des cellules9/ Convertisseurs (protec, MPP, …)10/ Syst PV(cablâge, protec, dimensionnement)11/ Connecté réseau (structure, modalité, connexion)

Objectifs : Apporter les connaissances de base sur l’énergie solaire et sur l’énergie photovoltaïque en particulier.

V. Boitier janvier 2013 M1CESE module P5.

2

L’énergie électrique sert à alimenter des appareils, aussi …

avant de récupérer de l’énergieprovenant du soleil

(photovoltaïque ou autre), regardons notre consommation

… et les unités associées

3

Puissance : unité le watt W1 Watt = 1J / 1S

Energie :1 joule = 1V 1A 1s1 cal = 4.18 J c’est la quantité d’énergie nécessaire pour faire passer 1g d'eau de 24 à 25°C1 Wh = une puissance de 1 W pendant 1h = 3600 J1 kWh = une puissance de 1000 W pendant 1h = 3.6 MJ

ou une puissance de 100 W pendant 10hpar convention 1Tep = 11700 kWh

P(W) = F(N).V(ms-1) P(W) = C(Nm)(rds-1) P(W) = U(V).I(A) E = 0t P(t)dt

1/ Rappel sur les unités : Energie-Puissance À savoir : P (W)= E(J) / D (s)

P : puissanceE : énergieD : durée

Puissance = Energie / Durée

Combien d’énergie pour faire chauffer 10l d’eau de 14 à 100°C?

Relation utile : U (J)= m(g).Cm(J/g/°C). (°C)U : variation d’énergie interne de la masse d’eau. : masse volumique de l’eauCm : capacité calorifique massique de l’eau

(4,18 J/g/°C) : variation de température

http://ww

w.m

atton.fr

4http://www.cnetfrance.fr/http://www.france-digital-phone.com/http://www.apple.com/fr/iphone/specs.html

Dans un iphone 4, on trouve une batterie Li-ion polymère.Caractéristiques :

V = 3,7VE = 5,25 W.hr

Capacité de cette batterie? (mAh)

Sur le site d’Apple : Temps de conversation :

jusqu’à 8 heures en 3GNavigation sur Internet :

jusqu’à 6 heures en 3G Consommation instantanée (puissance)? Courant qui sort de la batterie?

1/ Rappel sur les unités : Consommation iphone 4.

Relation utile : Pour un accumulateur (batterie rechargeable)

E (Wh)= C(Ah). V(V)E : énergie nominale stockée C : capacité (attention rien à voir avec la capacité d’un condensateur!)V : tension

5

Pour chauffer 10 l d'eau de 0 °C à 100 °C : 4.18 M J = 1.2 kWh en 1 h : 1.2kW en 1 s : 4.2 MWéolienne : 2 MW, centrale nucléaire : 1000 MWpuissance mondiale : 3400 GW

1 MW éolien fournit environ 2 à 4 GWh1 MW solaire environ 0,8 à 1,5 GWh1 MW nucléaire environ 7 GWh

(1 an = 8760 heures)

lundi 05/01/2009 à 19h : le pic de consommation a

culminé à 91 200 MW

1/ Rappel sur les unités :

Disponibilité de la ressource :

Puissance énergie : attention aux chiffres!

Prévisions nécessaires

6

A la fin de ce cours, vous devrez être capable de choisir correctement le panneau solaire et les éléments connexes qui conviendront à l’application…Le photovoltaïque … abordons le sujet!…C’est une énergie renouvelable mais est-ce la principale?

7

Source (2011):

2/ Place du photovoltaïque (PV) parmi les énergies.

Total production électriquephotovoltaïquemondiale en 2010 : 33,2 TWh soit 0,8% de la production électrique mondiale d’origine Renouvelable(7,9 en 2007 ,2,7 en 2004)

Total production électrique mondiale en 2010 d’origine renouvelable: 4 159 TWh soit 20 % de la production totale d’électricité(21 198 TWh).

MONDE

www.energies-renouvelables.org/electricite_renouvelable.asp

8www.energies-renouvelables.org/electricite_renouvelable.asp

2/ Place du photovoltaïque (PV) parmi les énergies.

FRANCE

Source (2011):

9

Ce n’est donc pas la principale énergie renouvelable certes mais ……Dans quel cas utilise-t-on du solaire photovoltaïque?

10

3/ Photovoltaïque : des applications décentralisées

Satellites

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

De façon marginale : véhicules (courses sunracers)avion, bateau

Sources : Bernard Multon, Stephan Astier

Phot

o: V

B

11

3/ Photovoltaïque: plus de puissance … et le réseau

Phot

o :

2005

Pow

erLi

ght

Corp

Phot

o :

2005

Pow

erLi

ght

Corp

Bavaria solarpark (Allemagne)62 000m² de panneaux

pour 10 MW

Centrale de grande puissance

Toit solaire - utilisation

« individuelle »- Raccordé au réseau

électriquePhoto: VB

12

3/ Photovoltaïque: plus de puissance … et le réseau

Phot

o :

2005

Pow

erLi

ght

Corp

Toit solaire utilisation « individuelle »

Université Paul Sabatier2,3 kWc Si amorphe4 panneaux (500 W, 132V, 4A chacun)Convertisseur DC/AC + sécurités

Photo: VB

Photo: VB

13

cellules_souples_Technologie amorphe En rouleau

14

Phot

o :

2005

Pow

erLi

ght

Corp

Centrale de grande puissance

Ancien silo de missiles(plateau d’Albion) 8,6 haFerme photovoltaïque au solde Ferrassières (Drome)14500 modules / 1,726 Mwc /

3/ Photovoltaïque: plus de puissance … et le réseau

Photo: VBPhoto: VB

Photo: VB

15

Nous venons de voir les deux types d’utilisation du PV : - Sites isolés (non connecté au réseau)

(avec ou sans stockage de l’énergie) - Installations de production connectées au réseau.

Avant d’aller plus sur la partie technique du photovoltaïque…

Avec le soleil, on peut aussi récupérer de la chaleur et la convertir ensuite en électricité …

16

Principe : système concentrateur de chaleurpuis …échangeur et turbine ou générateur (moteur Stirling)

Miroir à auges

Paraboles Diam : 8m Pe=10kW

4/ Solaire thermique pour la production d’électricité

Champs de miroir + récepteur

17

4/ Solaire thermique pour la production d’électricité

Principe

Docs : A. Ferriere

18

Solar Two Barstow

Californie 97-200085000 m² 12,4 MWe

4/ Solaire thermique : Exemples

Ancienne installation Themis en France

(83-86) 10740 m² miroir2,5 MWe

Tour solaire Manzanares (Espagne)194 m de haut6000m²de miroir

Désert MojaveCalifornie

2000000 m² cylindro-paraboliques

354 MWe

Photo: VB

19

avec le soleil, on peut donc faire de l’électricité directement :

solaire photovoltaïque

ou indirectement : récupérer de la chaleurgénérer de la vapeurentraîner une turbinereliée à un alternateur.

Avec le soleil, on peut aussi utiliser directement la chaleur produite …

20

4/ Solaire thermique pour le chauffage.

le chauffage de l’eau

le chauffage de la maison

ww

w.e

nerg

ies-

reno

uvel

able

s.or

g/f-

sola

ire_t

herm

ique

.asp

:

dess

ins

Clai

re L

affa

rgue

un chauffe-eau solaire couvre entre 40 et 80 % des besoins en eau chaude (surface entre 2 et 5 m² pour 4 personnes - 200l)

le système solaire combiné couvre 25 à 60 % des besoins en chauffage et en eau chaude (surface environ 1 à 1,2 m² pour 10 m² de maison).

21

http://images.wikia.com/solarcooking/images/7/73/Minimum_Solar_Box_Cooker_Photo.jpg

http

://s

olar

cook

ing.

org/

Bend

er-B

ayla

-Som

alia

.htm

Solar Steam cooking system installed at Sangi Industres,Hyderabad for their industrial canteen to cook for 500 workers.

http://www.gadhiasolar.net/solarsteam.html

Solar Steam cooking System installed at Sri Saibaba Santhan Shirdi to cook for 3000 people per day

4/ Solaire thermique pour la cuisine.

Photo: VB

Photo: VB

22

Avec le soleil, on peut donc récupérer : de l’électricité directement

ou indirectement, de la chaleur.

Oui mais la ressource n’est pas toujours là… :

Une ressource inépuisable mais variable …

23

18 % de la surface de la France = 99300km²avec 2000 kWh/m²/an et 10% de rendement global, on obtient une production électrique de 20 000 TWh =conso élec de la planète.

5/ La ressource solaire

Docs : A. Ferriere PROMES

Réserves mondiales d’énergie primaires

24

Selon les régions, une énergie 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 1000 W/m²En France environ 1500 kWh/m²/an

Une grande part de cette puissance par unité de surface peut être directement et aisément convertie en chaleur,une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité

5/ La ressource solaire

Trois composantes dans le rayonnement reçu au sol : le direct, le diffus et le réfléchi.

diffus

réfléchi.

25

Course du soleil au fil des jours..

Toulouse.

hauteur(°)

21 dec21-nov 21 jan

21-oct 21-fev

21-sep 21-mars

21-août 21-avril

21-juil 21-mai21-juin11

5

6

7

8

9

10

1213

14

15

16

17

18

19

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Azimut

Hau

teur

Sud OuestEst

21 dec 21 dec21-nov 21 jan 21-nov 21 jan21-oct 21-fev 21-oct 21-fev

66

181818

21 dec

21-nov 21 jan

21-oct 21-fev

21-sep 21-mars

21-août 21-avril

21-juil 21-mai21-juin11

7

8

9

10

12

13

14

15

16

17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

Azimut

Hau

teur

Antananarivo (Madagascar.)

…la position du soleil varie sur la journée, …sur l’année …et en fonction du lieu.

5/ Une ressource variable.

azimut(°)

haut

eur(

°)

012345678910

01 janv 20 févr 10 avr 30 mai 19 juil 07 sept 27 oct 16 déc

ENER

GIE

SOLA

IRE

kWh/

m²

5/ Une ressource variable.

…variable …Sur l’année en fonction de la météo…Energies journalières

Irradiation solairekWh/m² (Millau 2005)

Surface Horizontale données : Météo France

Journées du 20 et 21 /07/2006 données : LAAS)

Irradiance sur une surface horizontale Échelle entre 0 et 1000 W/m² (Max vers 13h30)

…variable sur la journée …

800 W/m²

0

W/m

²

27

5/ Carte solaire de la France

En kWh / m² et par jour

Moyenne annuelle pour une surface orientée au Sud et inclinée avec un angle égal à la latitude du lieu.

28

5/ Rendement de captation en fonction de l’orientation et de l’inclinaison. Calcul du facteur de transposition (FT)

29 Application à Toulouse.

30

5/ Spectre du soleil

Infra rougeUltra violet

Densité spectrale de l’irradiationAM0 (extraterrestre) et AM1.5(épaisseur de 1.5 atmosphère,correspondant à une hauteur dusoleil de 48° au niveau de la mer)

Cent

rale

s ph

otov

olta

ïque

s IS

BN 3

-905

232-

26-X

31

La ressource est inépuisable, variable …

Quand il y a du soleil, comment les cellules font-elles de l’électricité? …

32

Un photon arrive avec une énergieE=hC/. si il a assez d’énergie il arrache un électron lié au réseau cristallin du semi-conducteur électron devient libres création paire électron-trou, naturellement il y a une recombinaison mais comme il y a un champ électrique dans la ZCE(Zone de Charge d’Espace) à l’interface entre les zones N et P l’électron va d’un côté, le trou

(charge +) de l’autre les charges + s’accumulent d’un côté, les – de l’autre créationd’une tension électrique entre les deux côtés de la cellule. créationd’un courant électrique si la cellule est refermée sur une charge.

6/ Effet photovoltaïque CELLULE A JONCTION PN

type ntype p

contactmétallique

I II III

E = h > Eg

E

33

Cathode Anode

Conversion : lumière / électricité.

photon

ZCE

contactmétallique

6/ Effet photovoltaïque CELLULE A JONCTION PN

34

Bandes énergétiques au sein de l’atome de Si

Eg = Ec-Ev 1eVSi E=hC/ < Eg, pas de conversion PV : zone ASi E=hC/ > Eg, conversion PV,L’énergie > à Eg est perdue sous forme de chaleur. zone B

Photon électrons passe de BV vers BC du semi-conducteur et deviennent libres création paire électron-trou, séparation avant recombinaison dans la ZCE.

Pertes des porteurs photogénérés partransmission et excès d’énergie

PV varie entre5 et 40%, 

valeur typique 10%.

PV =Pelec.

Cellule PV = grosse photo-diode.

(doc BP Solar)

6/ Effet photovoltaïque CELLULE A JONCTION PN

35

6/ Matériaux et Technologies

Silicium multicristallin :labo 19%.cellules indus 11, 14%.62 % du marché

Silicium monocristallin :labo 25%.cellules indus 12, 16%.27 % du marché

amorphelabo 13%.modules 6 à 8%.< 3% du marché

36

6/ Cellule multispectrale.

37

6/ Matériaux et Technologies

Sources : Energie solaire photovoltaïque Ed DunodBoeing.com

Cellules multi-jonctions avec système concentrateur.

40%. (12-2006)

Silicium monocristallin

12 à 16 %.polycristallin

10 à 14 %amorphe

6 à 8%.

38

Fabrication des cellules …

39

6/ Fabrication.

40

6/ Fabrication.

41

Un morceau de lingot brutUne tranche avant le dépôt de

la couche anti-reflet.

Photo: VB

Photo: VB

42

Et quelles sont les caractéristiques électriques des cellules et des panneaux? …

43

7/ cellule PV.

Cellule : Photo diode de grande surface(en convention générateur).Mise en série , la tension augmente, le courant est fixé par la cellule la moins éclairée.Mise en parallèle , la tension est la même, le courant est égal à la somme des courants de chaque branchesModule : mise en série de cellules, module « 12 volts » => 36 cellules22 volts à vide, 16 – 17 volts au MPP

Vp

Ip

44

7/ Caractéristiques électriques

convention générateur

pPV = vPV. iPVPpv> 0 dans le quadrant 1

le panneau fournie de l’énergie.Le panneau travaillera normalementtoujours dans ce cadran.

tension VPV(V)

Cou

rant

IP

V(m

A)

Caractéristique I(V)panneau a-Si 15cm x 5cm

Schéma équivalent à une dioded’une cellule photovoltaïque

Voc (V) : tension de circuit ouvertIsc(A) : courant de court circuitPmax (W) : puissance maximale Vmp, Imp : tension et courant @ pmax

45

convention générateur

Caractéristiques I(V) et P(V)

pPV = vPV. iPV

Les docs techniques donnent ces paramètres dans les

STC (1000W/m², AM1.5 et 25°C)

Placez :

7/ Caractéristiques électriques

Le rendement photovoltaïque PV est défini parPV = pmax / (G.S)

S (m²) étant la surface du panneau.

46

La tension maximale (Voc) est proportionnelle au nombre de cellules en série. Si N cellules

Voc = N. VoccellLe courant de court-circuit est proportionnel à la surface Scell (m²) de chaque cellule et à l’irradiation G (W/m²).

Isc = K . Scell . G K =12 mA/cm² pour du Sic @1000 W/m² et 25°C

La puissance maximale d’un panneau est aussi proportionnelle à l’irradiation G (W/m²) (cf diapo suivante).

Pmax = K’ . G

7/ Caractéristiques électriques

47

Irradiance G (W/m²) (T = 25°C, AM 1.5)

Température T (°C)(G = 1000 W/m², AM 1.5)

Photowatt PW1650.72 cellules

7/ Influence éclairement et température sur Pmax.

48

8/ protection des cellules.

Diode série : empêche le courant d’aller dans le «mauvais» sens.

Diode bypass : elle limite la tension inverse et protège le panneau (hotspot), et limite la perte de puissance (effet d’ombrage). Elles ne conduisent qu’en cas de déséquilibre.

49

Générateur PV de 36 cellules (2x18)avec deuxdiodesby pass.

Courbe (1) : Eclairement homogène sur l’ensemble du générateur (1000W/m²).Courbe (2) : Une cellule moins éclairée (200 W/m²) que le reste du générateur (1000 W/m²). Courbe (3) : idem (2) mais sans diodes by-pass.

8/ effet d’ombrage avec ou sans diode bypass.

Sour

ce :

HD

R C.

Alo

nso

50

9/ Convertisseurs (protections, MPP, …)

Source : Morningstar Corp

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

51

9/ maximum de puissance (MPPT)

Le point de puissance maximum fluctue à cause des variations rapides possibles de la caractéristique I(V) induites par :

température, ensoleillement,tension continue (EDC batt, conso)

et des éventuels maxima locaux :poussières, ombres.

(voir feuille Excel).

52

PV

COM

BAT

OND

CH

L

10/ Système autonome

53

Source : L'électricité Photovoltaïque, Collection : "le point sur"1995

Durée de vie d'une batterie en fonction de la profondeur de décharge

10/ Batteries

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

54

Source : Sunny Boy-Mastervolt

10/ Onduleurs

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

55

LAMPES : Température de couleur et IRC (100 pour lumière du jour)

AC ou DCConsommationConsommation à videPuissance de démarrage

10/ Charges

Sources : Wikipedia + http://energie-environnement.ch/info_pdf/irc.pdf

56

Distance recommandée entre deux rangées de capteurs.

7-5Montage des installations

10/ Système photovoltaïque : installation

Attention aux effets d’ombrages induits par : batiments, végétation, cheminée, autres panneaux, …Inclinaison /Espacement

57

Raccordement par câble sortant par presse étoupe orienté vers le bas, règle de la goutte d’eau

10/ Système photovoltaïque : câblage

Traversée de murs

Source : Labouret

58

10/ Système photovoltaïque, câblage.

R =2.ρ.l / SU limitée à 2% de la tension utilisée

Pertes en ligne en courant continu.

59

Les masses métalliques doivent être reliées à la terre. Il faut limiter les aires de boucles.

10/ Système photovoltaïque : câblage et protections

mauvais câblage : boucle induite entre polarités

mauvais câblage : boucle induite entre

une polaritéet la masse

bon câblage : limitation des aires de boucles induites

Source : Syst. PV raccordés au réseau, ADEME

Protection contre la foudre

60

10/ Système photovoltaïque : protectionsProtection coté courant continu

- contre les surcharges et les courts-circuits* par fusibles (sur pôle et non à la masse)* par disjoncteurs spécifiques pour le continu

1 pôle si U<60V2 pôles si U>60V

* protection sur chargeur et sur onduleur- contre la foudre

* liaison à la terre des châssis et parties métalliques par conducteur en Cu de 25 mm2

* interconnexion des masses par conducteur relié à la terre* limitation des aires de câblage* parafoudres bipolaires sur circuit continu et sur réseau alternatif

Varistances: 1ns à 10nsZener: 2ps à 0.1nsSur boite de jonction si L > 10m

- pôle + relié à la terre si tension > 48V ou si atmosphère humide(pour éviter la corrosion électrolytique)

Protection coté alternatif- onduleur avec fonction de découplage ( en général intégrée )

* tension trop faible ou trop élevée -20% ou+ 15%* écart de fréquence inf. à 0.2 Hz

- régime de neutre TT - protection par DDR 30 mA - DDR 500 mA type S ( retard 45ms )- Parafoudre - sectionneur au point de connexion

61

10/ Système photovoltaïque : protections

Exemple de mise en oeuvre

62

Autoconsommation et vente du surplus Vente totale de la production

11/ Système photovoltaïque connecté au réseau

Types de raccordement

63

11/ Système photovoltaïque connecté au réseau

Schéma de protection foudre

(certaines protections peuvent être internes à l’onduleur)

Tarifs d’achat fin 2012Tarifs de base : 37c€/kWh , 20c€/kWh, 11c€/kWhsi : intégration, intégration simplifiée, surimposition

Production en France : 1200 kWh/kWc/an (10m²)

64

11/ Système photovoltaïque connecté au réseau : Coûts

Est ce qu’un projet PV est rentable ?De nombreux facteurs peuvent conduire à des écarts de temps de retour sur l’investissement très différents d’un système à l’autre; retour sur investissement environ 10 ans actuellement.. S

ourc

e :

Mai

son

écol

ogiq

ue J

uille

t 201

2

< 3 kWc 3 à 3,5 € HT/Wc3 à 36 kWc 2,3 à 3 € HT/W

Coûts d’un système PV raccordé réseau (2012).

BiblioHespul INESwww.outilssolaires.comwww.photovoltaique.info

Hespul INESwww.outilssolaires.comwww.photovoltaique.info

65

Conclusion

Systèmes autonomes petite puissance : éclairage, réfrigérationpompage (fil de l’eau)alimentation TV, radio, balise,émetteur

Energie encore chère, systèmes fiable (pas de parties tournantes), problème du stockage (les batteries sont les maillons faibles).

Systèmes connectés au réseau:Une filière qui s’est beaucoup développée et a subi

un gros coup de froid mais ça repart …

66

Conclusion en chiffres (quiz)

Soleil quand il fait beau ….. sur l’annéeou par jour

Panneau PV technos …rendement …paramètres influents …durée de vie …

Utilisations du PV 2 types …Batteries technos … dod max …

cycle … durée de vie …Chargeurs/régulateurs … lire notice!Onduleurs 2 types …Protections …Charges …Prix …

67

3 SOURCES D’ENERGIE – PHOTOVOLTAIQUE – INTERIEUR // EXTERIEUR

conditions

caractéristique de la source

rendement

Puissance récupérée

intérieur 100 µW/cm² 5% -10%

5 µW/cm²

extérieur 100 mW/cm² 10% –25%

10 mW/cm²

Comparé à une utilisation extérieure, le PV est moins favorable en intérieur : 

• Une intensité lumineuse beaucoup plus faible• Un spectre lumineux différent• Le rendement des cellules est plus faible• Les surfaces disponibles sont plus petites

La puissance récupérée est réduite.

kW/m²

Indoor Ruud

 Vullers–Micropo

wer

gene

ratio

n‐ascisprin

gschoo

lon 

embe

dded

system

s20

08 // H

olst Cen

tre ‐Imec