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ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE

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TABLE DES MATIERES I- INTRODUCTION II- LE RAYONNEMENT SOLAIRE. 21 : Concepts de base. 211 : Energie et puissance. 212 : Le rayonnement solaire. 213 : Air masse et constante solaire 22 : Effets gomtriques. 221 : Variations horaires et saisonnires. 222 : La fentre solaire. 223 : Orientation des modules. 23 : Effets atmosphriques. 24 : Spectre solaire. 241 : Diagramme Longueur d'onde/Energie 242 : Effets de l'atmosphre. 243 : Sensibilit des matriels solaires avec le spectre solaire. 25 : Types de modules solaires 251 : Modules fixes. 252 : Systme avec poursuite solaire - Positionnement dynamique. 253 : Modules sous concentration. 26 : Rayonnement solaire. 261 : Donnes mto. 262 : Notion de "Heures de puissance crte". III-LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES 31 : Rponse d'une cellule solaire. 311 : L'effet photovoltaque. 3111 : Historique et tat actuel. 3112 : Rappel sur les proprits des semi-conducteurs. 3113 : Rendement max thorique - rendement rel. 3114 : Schma quivalent d'une cellule solaire *) Schma quivalent simplifi. *) Schma quivalent a) Courant de court-circuit (Isc) b) Tension en circuit ouvert c) Point de puissance maximale d) Rsistance srie e) Rsistance shunt. 312 : Caractristique courant/tension (I/V). 313 : Point de fonctionnement et charge. 314 : Variation due l'nergie incidente. 315 : Variation due la temprature 3151 : Notion de NOCT. 3152 : Facteur de correction de temprature. 316 : Performance d'une cellule solaire. 3161: Le rendement. *) Variation du rendement avec la temprature. 3162 : Le facteur de forme.

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3163 : Module solaire Si cristallin et Si amorphe. 31631 : Si cristallin et Si amorphe. 3164 : Autres technologies. 32 : Procds de fabrication. 321 : Procd Czochralski. 322 : Procd ruban. 323 : Procd dendrites. 324 : Mthode de coulage des lingots. 325 : Procd couche mince:silicium amorphe hydrogn. 33 : Notion de cellule, module, panneau solaire, systme solaire. IV- LE GENERATEUR SOLAIRE. 41 : Les modules solaires en srie. 411 : Modules identiques. 412 : Modules non identiques. 42 : Les modules en parallle. 421 : Modules identiques. 422 : Modules non identiques. 43 : Le panneau photovoltaque. 44 : Diodes de protection. 441 : Diodes de blocage. 442 : Diodes by-pass. 45 : Spcification des performances d'un module solaire. 451 : Conditions imposes. 452 : Spcifications des constructeurs. 46 : Fiabilit du module (test). 47 : Choisir un panneau solaire. 471 : Critres de slection. 472 : Exemples. V- LES COMPOSANTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE. 51 : Dfinition du systme : 52 : Les rcepteurs lectriques ou charges lectriques. 53 : Les systmes de stockage. 531 : La batterie. 5311 : La capacit. 5312 : Rendement faradique ; Rendement en tension. 5313 : Profondeur de dcharge maximum. 5314 : Dure de vie. 5315 : Influence avec la temprature. 5316 : Taux de charge/dcharge. 5317 : Taux d'autodcharge. 5318 : Densit. 5319 : Taille, poids et nature. 53110 : Cot. 53111 : Scurit. 532 : Critres de slection d'une batterie. 533 : Spcification et donnes d'un constructeur de batterie. 54 : Le rgulateur. 541 : Les diffrents types de rgulateurs. Rgulateur SERIE.

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Rgulateur SHUNT. Rgulateur commande squentielle. 55 : Onduleurs. 551 : Onduleurs isols. 552 : Onduleurs synchrones. 553 : Onduleurs des pompes solaires VI- LE DIMENSIONNEMENT. 61 : La procdure de dimensionnement. 62 : Le pr dimensionnement. 621 : Module solaire 622 : Batterie. 63 : Dimensionnement des installations PV couples rseau sans batterie de stockage. 64 : Di A O ou dimensionnement assist par ordinateur. 641: SIZEPV 642 : PV Designer 643 : PVSYST 644 : DIMSOL et SOLHYBRI (logiciel France Telecom) 645 : Conclusion VII - CABLAGE. 71 : Les normes lectriques. 72 : Les fils lectriques. 73 : Taille des conducteurs lectriques. 731 : Chute de tension. 732 : Courant de surcharge, de court-circuit, pouvoir de coupure. 74 : Notion de connectique lectrique adapte aux systmes PV. Notion de corrosion lectrochimique 75 : Mise la terre Plan de masse 751 : Conformit avec la norme. 752 : Courant de fuite. 76 : Protection contre les surtensions atmosphriques. 761 : Gnralit. 762 : Mise la terre. 7621 : Exemple : Station Telecom 763 : Parafoudres - Eclateurs - Varistances - Diodes. 77 : Les instruments de contrle. 771 : Les matriels VIII - LA MAINTENANCE 81 : Maintenance et scurit 82 : La maintenance 821 : Le cblage 822 : Le module solaire *) inspection visuelle *) mesure lectrique 823 : La batterie. *) batterie tanche

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*) batterie ferme 824 : Llectronique *) le rgulateur *) les appareils lectriques. 83 : Cas dcole dune installation dfectueuse. Jeu questions/rponses entre moniteur et stagiaire IX - PROGRES A ATTENDRE 91 : Nouveau matriau et procd de fabrication des modules solaires 92 : Nouvelles formes de stockage X TP Annexe I : Fiche technique du module solaire SHELL SM55 Annexe II : Accumulateur tubulaire plomb ouvert Hawker Annexe III : Guide dexploitation des batteries Pb ouvert plaques tubulaires positives Annexe IV : Technical manual batteries Ni-Cd SUNICA SAFT Annexe V : Donnes ensoleillement pour la France valeurs non garanties. Annexe VI : Arrt du 13 mars 2002 Annexe VII : Exemple de donnes mto pour Nantes tires de Mtonorm et des donnes NASA Annexe VIII : Surface solar energy data set : Bretagne/Normandie.

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I - INTRODUCTION. Les chapitres suivants: - Le rayonnement solaire. - Les cellules solaires. - Le gnrateur solaire. - Les composants d'un systme PV. - Le dimensionnement. - Les notions de cblage et montage. - La maintenance. - Les perspectives. seront tudis dans le cours. Les systmes hybrides savoir : PV/olien. - PV/groupe lectrogne. - PV/olien/GE ne sont abords que trs succinctement. Pour lnergie solaire PV couple au rseau lectrique, seuls les textes rglementaires franais seront abords. Ne sont pas abords les diffrentes mthodes de calcul de transformation de lnergie radiative du soleil du plan horizontal au plan inclin.

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II- LE RAYONNEMENT SOLAIRE. 21 : Concepts de base. 211 : Energie et puissance. L'nergie correspond une certaine aptitude faire un certain travail; elle s'exprime en KWH ou en Joule. La puissance = Energie

Temps elle s'exprime en Watt ou KW 212 : Le rayonnement solaire. Le soleil est une source d'nergie norme. A un instant donn, l'nergie solaire la surface de la terre peut atteindre environ 1,2 10

17 Watts.

1 KW = 10 3 W

1 MW = 10 6 W

1 GW = 10 9 W

1 TW = 10 12

W Le flux nergtique reu sur une surface est la quantit d'nergie solaire disponible sur une unit de surface, elle s'exprime en KW/m ,W/m,cal/cm,langley (US). Elle se mesure avec un pyranomtre, un solarimtre ou avec des cellules solaires de rfrence. 1 langley = 1 cal/cm = 0.01163 KWH/m

Soleil : Masse : 2.1030 Kg soit 350.000 fois la masse de la terre Perte de masse : 133. 10

15 kg/an

Diamtre : 1,4 millions de kms soit 109 diamtres terrestres. Temprature de surface : 5900 degrs kelvin Puissance rayonne : 360.1018 MW => 62000.000 MW/m2 Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphre terrestre : I= 1367 W/m2 Puissance moyenne du rayonnement solaire aux confins de l'atmosphre sur le "disque de notre plante" P= 170.000 TW

Pyranomtre Kipp & Zonen constitu de 100 thermocouples imprims sur un substrat cramique

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Le rayonnement solaire sur terre varie avec la position du soleil dans le ciel, donc avec les saisons et avec les conditions mtorologiques (ciel clair, nuage, neige...). La position du soleil dans le ciel change constamment pendant la journe, position caractrise par l'lvation ou altitude et l'azimut.

a= altitude du soleil ou lvation : angle du plan avec le plan horizontal = azimut : angle de ce plan par rapport au sud ; lazimut du soleil est langle mesur dans le sens des aiguilles dune montre entre le nord gographique et le point de lhorizon directement sous le soleil ; pour un site lest lazimut vaut 90 degr et pour un site au sud lazimut vaut 180 degr.

213 : Air masse et constante solaire Une cellule solaire qui en dehors de l'atmosphre terrestre serait place perpendiculairement aux rayons du soleil recevrait une quantit quasi constante d'nergie appele constante solaire.

Prenant pour rfrence unit lpaisseur verticale de latmosphre rduite 7.8 kms et en supposant cette couche plane (terre plate), la longueur du trajet dun rayon solaire inclin par rapport lhorizontale dun angle a est donn par la formule : OM=OA/sin a Si OA = 1 on parle de nombre dair masse ou masse atmosphrique et on dsigne par masse atmosphrique ou nombre dair masse. M=1/sina Par dfinition, hors de latmosphre m = 0 (AM=0)

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pour a= 90 m=1 a= 45 m=1,41 a= 20 m=2,92 une pression p diffrente de 1013 mbar et une altitude z exprime en km on appellera par masse atmosphrique ou nombre dair-masse : m = p/1013 . 1/sin a .e(-z/7.8) p= pression atmosprique et z en kms Le nombre d'AM utilis par les constructeurs de modules solaires dans leur spcification technique est de 1,5, ce qui correspond un angle a de 42 environ. Air-masse/lieu/saison

Constante solaire en fonction de lpaisseur datmosphre traverse :

M 0 1 1.5 2 E (W/m) 1253 931 834 755

Ce sont les valeurs normalises mais dans la ralit la valeur de lclairement nergtique global dpend des paramtres qui caractrisent les composants de latmosphre (humidit, coefficient de diffusion molculaire). Pour AM=1.5 , la constante solaire peut varier de 760 W/m dans une atmosphre pollue

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876 W/m pour un ciel trs clair. Les applications terrestres des photopiles sont conditionnes et doivent prendre en considration : * les effets gomtriques mettant en cause la rotation de la terre sur son axe et sa position par rapport au soleil (rvolution orbitale). * les effets atmosphriques (conditions climatiques). 22 : Effets gomtriques. 221 : Variations horaires et saisonnires. La rotation de la terre sur son axe entrane des variations de la puissance reue pendant le jour pour un endroit donn et rien pendant la nuit. La puissance reue varie aussi avec les saisons.

222: La fentre solaire. La fentre solaire reprsente la surface effective travers laquelle passe le rayonnement solaire significatif pendant une anne et pour un endroit spcifique. Cette notion est utilise pour dterminer et mettre en vidence les problmes d'ombre dans un systme PV.

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223 : Orientation des modules. Pour un bon fonctionnement d'un systme PV et son optimisation, l'orientation des modules est importante et elle dpend de : - la latitude (lieu d'installation). - du type de systme PV (par ex pompage de l'eau, clairage) et de sa dure d'utilisation pendant l'anne. Si le gnrateur solaire est raccord sur un rseau lectrique local, l'angle d'orientation des modules sera plutt celui qui correspondra au maximum d'nergie capte pour une anne. Si le gnrateur solaire est utilis pour fournir une nergie constante pour tous les mois de l'anne, l'angle choisi sera celui correspondant au niveau d'ensoleillement du mois le plus dfavorable. Dans ce cas l on privilgie une orientation optimise pour l'hiver sachant que les surplus sont principalement l't. Il n'y a pas de surplus dans un systme PV raccord au rseau lectrique, celui-ci fait office de rcepteur de grosse capacit pouvant absorber toutes les pointes du gnrateur solaire. Pour l'hmisphre nord, les modules solaires seront placs plein sud et plein nord pour l'hmisphre sud.

b: angle par rapport l'horizontal g: .................au sud ou azimut 23 : Effets atmosphriques. La prsence de l'atmosphre associe aux effets climatiques attnue et change la nature de l'nergie

solaire. Il y a des phnomnes de rflexion, absorption, et rfraction du rayonnement solaire.

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. a: rayonnement extra-terrestre b: ........... Solaire direct c: ........... Rflchi d: ........... Diffus e: ........... Global a) Rayonnement extra-terrestre. C'est l'nergie (1353 W/m) en provenance directe du soleil traversant chaque seconde une surface place hors de l'atmosphre perpendiculairement aux rayons solaires. b) Rayonnement solaire direct C'est le rayonnement provenant directement du disque solaire qui ayant travers l'atmosphre arrive en un point donn la surface de la terre. c) Rayonnement rflchi. C'est le rayonnement solaire provenant de la surface terrestre et des objets environnants aprs rflexion ou diffusion. L'Albedo est dfini comme tant le rapport entre rayonnement rflchi et rayonnement direct ou plus exactement c'est la valeur moyenne du rapport du flux rflchi / flux incident pour toutes les longueurs d'onde et tous les angles d'incidence. La neige favorise l'albdo. d) Rayonnement diffus du ciel. C'est le rayonnement solaire provenant de la vote cleste aprs diffusion et rflexion par les constituants de l'atmosphre, l'exception de l'angle solide limit au disque solaire. e) Rayonnement diffus gal c+d f) Rayonnement global C'est le rayonnement total reu par un plan horizontal, c'est aussi la somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus. 24 : Spectre solaire. 241 : Diagramme longueur donde/nergie pour AM distinct

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__UV___ __visible_____ _infrarouge_ W = h. = h. c/ et = c/ * h = constante de Planck (6,62 10

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* = frquence * = longueur d'onde et c = vitesse de la lumire. L'nergie solaire est compose de 7% d'UV (ultraviolet), 47% de lumire visible et 46% d'IR (infrarouge).Les UV sont filtrs par la couche d'ozone dans la haute atmosphre. 242 : Effets de l'atmosphre.

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L'atmosphre joue le rle de filtre du rayonnement solaire extra-terrestre. Certaines longueurs d'onde de la lumire incidente peuvent tre absorbes plus que les autres et le chemin parcouru par le rayonnement varie tout au long de la journe et de l'anne (voir 222). La nature de l'atmosphre, ses dimensions : paisseur et teneur de ses lments chimiques constitutifs (pollution locale) varie avec la latitude et pour une latitude donne avec le site choisi. La valeur de m=1.5 ( 213) correspond une atmosphre standard donc une distribution spectrale dtermine et c'est la valeur retenue par les fabricants de modules solaires dans l'laboration de leurs fiches techniques.

243 : Sensibilit des matriels solaires avec le spectre solaire. Les modules solaires commerciaux utilisent principalement deux technologies: les photopiles au silicium cristallin et les photopiles couche mince dont le silicium amorphe.

doc : Solems

25 : Types de modules solaires 251 : Modules fixes. C'est la configuration la plus classique, les modules sont installs sur des supports fixes avec une position fixe elle aussi (voir 223).Certains supports fixes permettent cependant un rajustement de l'angle d'orientation suivant les saisons (manoeuvrables par boulons 2 3 fois par an). Les matriaux mtalliques utiliss pour la fabrication des supports ne doivent pas altrer physiquement et chimiquement les modules (acier inox, alu anodis, acier galvanis).

Universit Lisbonne doc : A .Ringnet

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252 : Systme avec poursuite solaire - Positionnement dynamique. Des systmes de poursuite solaire un axe ( d'est en ouest) ou 2 axes peuvent augmenter de faon assez significative la production d'nergie lectrique de 20 40% suivant le lieu d'installation , production d'autant plus importante si le systme de poursuite est passif et ne consomme aucune nergie lectrique propre . Ces matriels sont surtout utiliss aux USA pour des systmes coupls au rseau lectrique local et pour le pompage solaire o il est intressant d'avoir une nergie la plus constante possible durant la journe. On parle dans ce cas d'application "au fil du soleil" donc sans systme de stockage lectrique de l'nergie.

doc : Arco Solar : The 1MWc Californian Hesperia station connecte au rseau californien Southern California Edison

Company - Production de 3 millions de KWH par an

doc : Arco Solar News Vol6 N1

The 6.5 MWc solar central station on the Carrissa Plains ,elle fournissait plus de 12 millions de KWH par an et tait connecte au rseau californien PG and E (Pacific Gas and Electric company)

Vieillissement prmatur des modules du aux rflecteurs latraux

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Systme de poursuite 2 axes

Doc : Universit politechnique de Madrid

Systme de poursuite 1 axe

Doc : Universit politechnique de Madrid

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253 : Modules sous concentration.

doc : Midway Labs

Doc : Ecole technique suprieure des Ingenieurs de tlcommunications de lUniversit

Polytechnique de Madrid Dans ce cas, on utilise des systmes optiques pour concentrer l'nergie incidente sur des cellules solaires de haut rendement. Des considrations de cot et de mise en oeuvre doivent alors tre tablies pour le concentrateur, les cellules solaires et les systmes concentration de lumire doivent tre accompagns de systme de poursuite solaire car dans ce cas, c'est la seule composante du rayonnement solaire, savoir le rayonnement direct, qui peut contribuer l'amlioration du rendement nergtique global du systme. Ces systmes sont plus particulirement utiliss pour les applications installes aux faibles latitudes et ne sont peu ou pas utilises en Europe; ils sont cependant plus particulirement utiliss et tests aux USA mais il semblerait que des compagnies europennes sy intressent plus actuellement. 26: Rayonnement solaire. 261: Donnes mto. Dans les stations mtorologiques franaises on enregistre le rayonnement solaire diffus et global sur une surface horizontale avec un pyromtre. Un rcapitulatif plus directement exploitable peut tre fourni par:

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* Atlas nergtique du rayonnement solaire pour la FRANCE (1978) de JF TRICAUD (CNRS) Edition PYC. * Atlas Europen de l'nergie solaire UE * Logiciel Meteonorm * Donnes NASA * Censolar * Mto France pour la France * World Distribution of Solar Radiation de lUniversit du Wisconsin (USA) 262 : Notion de "Heures de puissance crte". Le flux nergtique du rayonnement solaire varie au cours de la journe, il s'exprime en KW/m2. La puissance crte d'un module (voir 45) est la puissance dlivre par le module solaire sous certaines conditions (E=1 KW/m2 , T=25 , AM=1,5) que l'on peut qualifier d'optimale mais pas trs raliste; c'est une donne constructeur. Pour un endroit donn, le nombre d'heures de puissance crte qui est une notion trs pratique correspond au temps en heures o l'ensoleillement constant et virtuel de 1KW/m2 fournirait la mme nergie.

Cette notion est trs utilise chez les anglo-saxons et sa connaissance permet de quantifier rapidement les possibilits offertes par le gnrateur solaire. Un module de 50Wc fournira 150 WH dans un site correspondant un ensoleillement de 3 heures de puissance crte.

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III- LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES Les cellules photovoltaques (photon : grain de lumire et volt: unit de tension) convertissent directement l'nergie lumineuse en lectricit courant continu basse tension. Comme l'nergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires. 31: Rponse d'une cellule solaire. 311: L'effet photovoltaque. C'est la transformation d'un rayonnement lumineux en nergie lectrique. 3111 : Historique et tat actuel.

module RTC 3Wc de 1967 (40 cellules de 3cm de diamtre) doc : A Ringnet

En plaant deux lectrodes mtalliques dans un liquide conducteur et en exposant l'ensemble au rayonnement solaire, on peut mesurer une faible tension. C'est ainsi que fut dcouvert l'effet photovoltaque en 1839 par le physicien franais Alexandre-Edmond BECQUEREL,pre de Henri Becquerel, le dcouvreur de la radioactivit en 1896. Ce fut donc la premire fois que l'nergie solaire fut transforme en nergie lectrique puis dans les annes 1880,l'amricain Charles FRITTS mit au point les premires cellules solaires au slnium. Dj, cette poque, Charles FRITTS envisageait qu'un jour les cellules solaires installes sur les maisons fourniraient un type nouveau d'lectricit dcentralis. Les investigations sur le silicium,les tentatives pour l'isoler,le purifier,mettre en oeuvre ses proprits physiques commencrent avant 1910 ,Einstein en expliqua les mcanismes en 1912 mais ce n'est qu'entre 1930 et 1945 qu'un premier procd industriel de purification par refroidissement progressif du silicium fondu fut mis au point. Mais ce fut le germanium qui beaucoup plus facile purifier qui fut utilis pour la fabrication des jonctions semi-conductrices du type p-n. Essayant de trouver une solution pour la production d'nergie pour l'alimentation des systmes tlphoniques en zone rurale et donc isols du rseau lectrique gnral Darryl Chapin des laboratoires amricains Bell travaillait sur les mthodes qui permettraient d'augmenter les performances de la cellule au slnium qui ne pouvait transformer que 1% de l'nergie solaire en lectricit. D'un autre ct, Carl Fuller, ingnieur chimiste, lui aussi des laboratoires Bell travaillait sur le silicium en vue de fabriquer des diodes de plus hautes performances et c'est en ajoutant des impurets au silicium qu'il dcouvrit accidentellement que la quantit d'lectricit produite tait plus importante que celle produite par les cellules photovoltaques existantes .Les efforts conjoints de Chapin et Fuller permirent ces deux chercheurs d'annoncer au public en mai 1954 que des cellules solaires base de silicium avaient t obtenues avec un rendement de 6%. Bien que ces deux scientifiques arrivrent par la suite fabriquer en laboratoire des cellules 15% de rendement, ils rencontrrent des obstacles

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conomiques et les laboratoires Bell abandonnrent leurs efforts de recherche pour diminuer les cots de fabrication.

Ce fut ensuite les seules applications spatiales qui purent utiliser conomiquement les photopiles au silicium et c'est ainsi qu'en 1958 Vanguard I fut le premier engin spatial d'une srie tre quip solaire. Les premires applications terrestres commencrent vers les annes 1965-1970 (la socit franaise RTC construisait des modules de 3Wc ds 1967) mais ce sont les chocs ptroliers des annes 74 qui stimulrent l'investissement et qui permirent une industrialisation plus importante des cellules solaires photovoltaques. La commande des modules pour la construction des centrales amricaines suprieures 1MWcrte (6,5 MWc pour celle de Carrisa Plains) permit l'industrie amricaine (Arco Solar, filiale de Atlantic Richfield Company notamment) d'accrotre sa capacit de production qui par contre coup stimula toute l'industrie photovoltaque mondiale. Lindustrie des semi-conducteurs contribua trs largement au dveloppement des cellules solaires. Une cellule solaire classique nest quune grande diode au silicium ayant la surface de la totalit de la plaquette sur laquelle elle est dpose. La taille des photopiles accompagna la taille des wafers de lindustrie des circuits intgrs. On est pass de wafers de 2 pouces dans les annes 1970 puis 3 pouces la fin des annes 70 puis 4 pouces au dbut des annes 1980 puis maintenant on a sur le march des lingots cristallins paralllpipdiques de 10 cm,12.5cm et mme 15cm de ct.

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Station exprimentale FT/RD Lannion

En 1975, les ventes mondiales totalisaient 78 kilowatts un prix de 45$ le watt , en 1983 les ventes atteignaient 15,5 MW un prix de 9$ le watt ,en 1993 les ventes dpassaient les 60MWc avec un prix de 3 6$ environ et en 2000 on atteignait les 280MWc . Deux types de technologie se partagent la quasi-totalit du march mondial: les photopiles couches minces et les photopiles cristallines avec toujours le silicium comme matriau semi-conducteur. Les photopiles couches minces utilisent en grande majorit le silicium amorphe hydrogn et les photopiles cristallines utilisent le silicium monocristallin et polycristallin. Toutes ces diffrentes technologies coexistent avec, pour l'instant, un avantage de fiabilit et de rendement pour les photopiles cristallines mais avec un potentiel de cot bas pour les photopiles couches minces (type d'industrialisation en continu plus ais et donc potentiel de robotisation plus lev). Actuellement, les rendements module empruntant le silicium cristallin tournent autour de 15% et plus (les rendements cellules sont plus levs) et les rendements module empruntant la technologie silicium couches minces autour de 6 10% suivant le matriau semi-conducteur utilis et le nombre de couches.

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la production totale mondiale en 2002 est de 561 MWc,en 2003 de 745 MWc

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Puissance PV installe dans lUnion europenne en 2001

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Photopiles flexibles ,rouleau Unisolar

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Module grande taille cellule 15cmx15cm Astropower

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3112 : Rappel sur les proprits des semi-conducteurs. Un matriau cristallin idal est caractris par une position prcise des atomes avec lequel il est constitu. Une structure cristalline est compose de sous structures toutes identiques dont pour chacune la forme et la position des atomes est bien dfinie dans un plan gomtrique donn. A faible temprature, les lectrons dans un cristal occupent le plus bas possible niveau d'nergie. A premire vue, on pourrait s'attendre a ce que l'tat d'quilibre d'un cristal serait celui dans lequel les lectrons sont tous dans le niveau d'nergie permis le plus bas. En ralit c'est diffrent. Le principe d'exclusion de Pauli montre que chaque niveau d'nergie permis peut tre occup au moins par deux lectrons chacun de spin oppos. Cela veut dire que, faible temprature, tous les tats disponibles dans un cristal et cela jusqu' un certain niveau d'nergie seront occups par deux lectrons. Ce niveau d'nergie est appel niveau de Fermi (Ef). Fonction de distribution Fermi-Dirac. 1 F(E) = -------------- 1 + e

(E-Ef) / kT

k : constante de Boltzmann

T : temprature absolue

Prs du zro absolu, f(E) vaut 1 pour une nergie gale E

f et vaut 0 en dessous de E

f. Quand la

temprature augmente,il y a changement de la distribution avec des tats d'nergie plus hauts que Ef

qui ont un probabilit finie d'occupation et des tats d'nergie plus bas que Ef qui ont une probabilit

finie dtre vide.

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Mtaux- Isolants- Semi-conducteurs.

les rectangles reprsentent les bandes permises

- Les mtaux ont une structure lectronique telle que E

f se trouve dans une bande permise.

- Les isolants ont une bande complte occupe par des lectrons et un intervalle d'nergie important entre une bande et celle de niveau immdiatement suprieur qui elle, est dpourvue d'lectrons basse temprature. E

f se trouve dans la bande interdite. Une bande ou il n'y a pas

d'lectrons ne peut forcement pas contribuer une migration d'lectrons. Et bien que cela puisse paratre plus surprenant, il en ait de mme pour une bande pleine d'lectrons. Pour qu'il y ait migration d'lectrons, l'lectron doit extraire de l'nergie d'un champ appliqu. Dans une bande toute remplie d'lectrons ce n'est pas possible car il n'y a pas de niveaux d'nergie vacants au voisinage de l'lectron excit. Ainsi un isolant ne peut conduire l'lectricit alors qu'un mtal peut le faire car les niveaux d'nergie vacants sont nombreux. Pour les isolants, la largeur de bande interdite slve plusieurs lectronvolts (>2-3 eV) - Un semi-conducteur est un isolant avec un intervalle de bande interdite plus troit (1-2eV). A faible temprature il ne conduit pas. A temprature plus leve,il y a suffisamment de possibilits dues la fonction de distribution FERMI-DIRAC pour permettre que quelques niveaux dans la bande originellement compltement pleine (bande de valence) soient maintenant vacants et que quelques uns dans la bande immdiatement suprieure (bande de conduction) soient occups. Les lectrons dans la bande de conduction avec une abondance d'tats d'nergie dans le voisinage peuvent contribu la migration d'lectrons. Comme il y a maintenant des niveaux inoccups dans la bande de valence, une contribution supplmentaire vient aussi des lectrons dans cette bande. --> Notion d'lectrons / trous Faisons l'analogie avec un parking deux tages :

(a) (b)

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Pour le cas (a) toutes les voitures sont au rez-de-chausse et comme le garage est plein aucune voiture ne peut se dplacer. Dans le cas (b), si on monte une voiture l'tage suprieur, cette voiture peut se dplacer librement, cela correspond un lectron dans la bande de conduction et cela va permettre le mouvement des voitures dans l'tage du bas qui lui correspond au mouvement dans la bande de valence. Au lieu de considrer le mouvement des voitures de l'tage du bas comme le rsultat des mouvements des voitures, il faut considrer que c'est le mouvement d une position de voiture absente. Le courant dans un semi-conducteur peut tre assimil comme la somme des lectrons en mouvement dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. Pour crer dans le silicium des possibilits de mouvement d'lectrons donc des possibilits de production d'lectricit, on va le doper c'est--dire lui introduire des impurets ou atomes d'un autre matriau qui n'a pas le mme nombre d'lectrons de valence que le silicium. Si l'on introduit du phosphore qui possde 5 lectrons de valence alors que le silicium n'en a que 4, on va crer des lectrons libres et on aura fabriqu une couche n, de la mme faon, en introduisant des atomes de bore, qui n'ont que 3 lectrons de valence, on va crer des trous (l'atome de silicium a 4 lectrons de valence, il peut se lier avec 4 autres atomes) et on aura fabriqu une couche p. Le dopage aboutit donc produire des porteurs de charge (lectrons ou trous) qui vont pouvoir circuler. Le dopage avec une impuret comportant un lectron de valence en plus est un dopage de type n pour ngatif (l'lectron est ngatif). Le dopage avec une impuret comportant un lectron de valence en moins entrane un excdent de trous et porte le nom de dopage p (pour positif comme la charge du trou). Schma d'une photopile cristalline.

Une photopile est la juxtaposition d'un semi-conducteur dop p (bore par exemple) avec un autre dop n (phosphore par exemple). A la jonction des deux couches un champ lectrique s'est donc form. Ce champ lectrique existe mme si la photopile est dans l'obscurit. Sous un ensoleillement plus ou moins important les photons ou grains de lumire venant avec une nergie

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W = h x suffisante entre en collision avec les atomes de silicium et parviennent dlocaliser des lectrons de la couche de valence et donc crer des paires d'lectrons trous qui pour des raisons d'quilibre de rpartition ont tendance se diriger vers la zone de jonction. L, sous l'action d'un champ lectrique, les paires se sparent, les lectrons de dirigeant du ct p et les trous du ct n ; les grilles mtalliques l'avant et l'arrire de la photopile collectent les lectrons et les trous qui vont donc fournir un circuit extrieur le courant lectrique ainsi produit. Si le photon est trs nergtique (s'il possde plus d'nergie que ncessaire pour librer un lectron (il ne pourra tout de mme extraire qu'un seul lectron, l'nergie excdentaire sera perdu en chaleur).

3113 Rendement max thorique - rendement rel. Le rendement thorique maximum est de 44 % pour le silicium cristallin, ce chiffre est fonction du type de semi-conducteur utilis et est directement li au "band gap", le silicium n'est pas le meilleur matriau, son "band gap" est de 1.10 ev, celui de l'arsniure de gallium (Ga As) a un "band gap" quasi optimal de 1.4 ev. Le rendement commercial des cellules monocristallines est de l'ordre de 12 17 % maximum.

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Les principales pertes sont dues : - absorption incomplte des photons. Seuls ceux dont l'nergie h. > Ef sont absorbs. - les photons d'nergie h. >> Ef voient la part d'nergie suprieure Ef perdue en chaleur, d'o l'importance du choix d'un semi-conducteur haut Ef pour un rendement lev. - rflexion optique la surface des cellules, c'est la raison pour laquelle une couche anti-reflet (SiO2, Al2O3...) est dpose la surface des cellules. - la collecte des paires d'lectrons trous n'est pas optimum, certaines paires d'lectrons trous se recombinent avant d'atteindre la jonction. - la grille en face avant ne favorise pas la transmission optique maximale du rayonnement solaire. Sa forme gomtrique est cependant trs optimise par les constructeurs. Chez certains la grille est faite par laser pour en diminuer la surface ; - le facteur de tension limit par Vco ; pour le silicium, la valeur maximale est de 0.7 volts par rapport au 1,1 volt ne reprsente que 0,7/1,1 soit 60 %, 40 % sont donc perdus de ce fait. - le facteur de forme. - pertes dues la rsistance srie (rsistance de contact des deux grilles).

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Diagramme des pertes dnergie dans une cellule au silicium cristallin 3114 : Schma quivalent d'une cellule solaire *) Schma quivalent simplifi.

Une cellule solaire a pour quivalent : Une source de courant constant en parallle avec une diode.

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La caractristique courant/tension est donc : Constante fonction de l'clairement + Caractristique d'une jonction (diode parallle) = PHOTOPILE *) Schma quivalent

Iph = Photo courant Id = Courant diode Rsh = Rsistance shunt Rs = rsistance srie V : tension aux bornes de la cellule I : courant dlivr par la cellule Avec un tel schma lectrique quivalent on peut crire: (1) I = Iph - Id - Vd/Rsh (2) Id = I

0.(e

qVd/nkT - 1) q : charge lectrique lmentaire

k : constante de Boltzmann T : temprature (3) Vd = V + Rs.I (3) dans (1) (4) I = Iph - Id - (V+RsI) ( Rsh ) (2) dans (4) (5) I = Iph - Io.(e

qVd/nkT - 1) - (V+RsI)

( Rsh ) (3) dans (5) (6) I = Iph -.Io(e

q(V+RsI/nKT) -1) - (V+RsI)

( Rsh ) en ngligeant l'effet de Rs et Rsh,on obtient : (7) I = Iph Io.e(

qV/nKT -1)

I = f(V) : on obtient une quation caractrisant une jonction p-n claire.

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a) Courant de court-circuit (Isc)

on fait V = 0 de (6) : I +(V+RsI) =Iph - Io.(e

qV+RsI/nKT -1)

( Rsh ) Isc(1+Rs) = Iph - Io(e

RsI/nKT -1)

Rsh Rsh>>Rs et Iph>>Io(e

RsI/nKT -1)

(8) Isc = Iph

b) Tension en circuit ouvert

on fait I=0 dans l'quation (6) (V+RsI) = Iph - Io(e

qV+RsI/nKT -1)

( Rsh ) I = 0 et V/Rsh >Io Iph/Io = e

qV/nKT

qV/nKT = ln(Iph/Io) (9) Voc = nKT/q.ln(Iph/Io) Voc est dtermin par les proprits du semi-conducteur car il dpend de Io qui lui-mme dpend de la densit de courant de saturation du matriau utilis.

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c) Point de puissance maximale Il est dfini sur la courbe I =f(V) par le couple (Imax,Vmax) tel que le produit est maximum. Mathmatiquement,on obtient ce point de la faon suivante: * I = Iph - Io e

qV/kT -1

* dP = d (V.I) = 0 d'aprs le calcul,on obtient : * Imax = Iph (1+Io/Iph).(qVm/kT . 1/1+qVm/kT)) * Vmax = Vo - kT/q ln(1+qVm/kT)

c) Rsistance srie

La rsistance srie a pour effet de diminuer Isc et Pmax, par contre Vco n'est pas affect

e) Rsistance shunt. L'effet de Rsh est d'augmenter la pente de la caractristique I = F(V) dans la zone ou la cellule fonctionne comme gnrateur de courant quasi-constant. Pmax et FF (facteur de forme voir 3162) sont affects.

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312: Caractristique courant/tension (I/V). Ce graphe est obtenu pratiquement en connectant un module solaire une rsistance variable et en mesurant simultanment le courant et la tension aux bornes du module.

1 : courant de court-circuit 2 : tension en circuit ouvert 3 : point de puissance maximum I varie de 0 Icc Icc: courant de court-circuit R=0 V varie de 0 Voc Voc: tension en circuit ouvert R=infini Icc * la charge est nulle ( court-circuit: R=0) * le courant est max * la tension est nulle Voc * la charge est infinie R=infini * le courant est nul * la tension est maximum. P=U.I la puissance dlivre par un module solaire reprsentant le produit de U et I varie pour chaque point de la courbe. Pour pouvoir retirer le maximum de puissance d'un module solaire celui-ci doit travailler au point de puissance maximum correspondant au produit U.I max. Pmax, Icc, Voc sont des paramtres spcifis par le constructeur. Ces valeurs sont donnes pour un ensoleillement, une temprature de fonctionnement et un air masse donn. 313: Point de fonctionnement et charge. C'est la charge (le rcepteur connect au module) qui dtermine le point de fonctionnement. Pour une charge rsistive (la plus simple) le graphe reprsentant les variations U/I est une droite dont la pente est fonction de la valeur de la rsistance.

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Courbe U/I sur charge rsistive 314: Variation due l'nergie incidente. .

graphe courant/tension/ensoleillement

La variation d'nergie incidente (ensoleillement) entrane une variation du courant proportionnel l'nergie incidente et une variation de la tension relativement faible. Ce phnomne physique est intressant lors de la recharge de batteries. Le courant de court-circuit est directement proportionnel au rayonnement incident. La tension circuit ouvert augmente rapidement pour des faibles niveaux d'clairement et ensuite augmente faiblement avec l'clairement.

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doc : Universit Science Angers laboratoire POMA-CNRS

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Exemple de type de charge connecte

Exemples de charges pouvant tre connecte :

- charge rsistive lampe incandescence - pompe volumtrique A - pompe centrifuge B et C - batterie

On remarque avec ce graphe que pour une charge donne, les variations d'ensoleillement entranent des points de puissance max eux aussi diffrents et induisent la notion d'adaptateur de charge ou convertisseur DC/DC avec fonction MPPT: maximum power point tracker). Dans le cas d'utilisation de l'nergie solaire pour la recharge de batteries, c'est dire une charge tension quasi constante ,la ncessit d'un convertisseur MPPT est bien moins vidente. Le nombre de cellules solaires mises dans un module et connectes en srie a t dfini par les constructeurs de photopiles en fonction des caractristiques lectriques de recharge des batteries 12V; leur nombre varie autour de 36 40 cellules. 315: Variation due la temprature

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si temprature augmente: - puissance diminue - rendement diminue - dure de vie diminue - courant augmente faiblement - tension diminue rapidement quand la temprature augmente (en t) la tension diminue mais la tension ncessaire la recharge d'une batterie diminue aussi, les variations vont dans le mme sens mais ne sont pas linaires : 70 mv/c/pour 36 cellules solaires 18 30 mv/c/ pour une batterie Pb/acide 12volts 3151 : Notion de NOCT. Les conditions de test standard (STC:Standard Test Conditions) mandates par le DOE/JPL (Department of Energy/Jet Propulsy Laboratory) sont 1 KW/M

2,AM 1,5, temprature de cellule de

25 . Les conditions de fonctionnement standard (SOC: Standard Operating conditions) prennent en compte les circonstances micro climatologiques et sont donnes pour E=800W/M

2; temprature

de l'air 20; vitesse du vent de 1m/s et le module solaire en circuit ouvert. NOCT: Nominal Operating Cell Temperature. Le NOCT ou temprature nominale de la cellule en fonctionnement est la temprature atteinte par la cellule quand elle est en service sous les conditions de fonctionnement standard (SOC). Le NOCT d'un module install dans un champ solaire pourra varier de 20 40 au dessus de la temprature ambiante, en fonction du type de module utilis (constructeur diffrent), de la manire dont le module est mont et de la quantit d'nergie qu'il reoit. En pratique, le NOCT est de 25 suprieur a celui donn dans la configuration de test standard (STC) et cela a pour consquence que la puissance crte relle du module en fonctionnement dans un champ solaire est plus faible que celle donne la configuration de test standard.(voir Annexe I data sheet du module Shell SM55) *) STC: NOCT:25C; E=1kw/m

2;AM1,5 P crte=40Wc

*) NOCT:45C; E=1kw/m2;AM1,5 Pc=40-0,004.(45-25)=36,8Wc

*) NOCT:45C; E=0,8kw/m2;AM1,5 Pc=36,8.0,8=29,4Wc

3152 : Facteur de correction de temprature. Pour les modules cristallins , on peut appliquer les formules suivantes : Diminution de la tension : V = Voc 0.002417 x N x (Tc-25) Augmentation du courant : I = Isc x 0.0002977 x (Tc-25) N : nombre de cellules en sries Tc : temprature des cellules en degr C courant ,tension, donc puissance varie avec la temprature; pour les cellules au silicium cristallin le facteur de correction de temprature est de -0,4% /c (-0,004/c) pour ce qui concerne la puissance crte donne par le constructeur. A 45C on a -0,004*(45-25)=-0,08. Un module de 100Wc deviendra un module de 100-(0,08*100)=92Wc. En pratique, l'impact de la temprature sur la puissance d'un module solaire est plus importante pour les gnrateurs solaires de grande dimension et dont la tension est plus grande. Sur les petits systmes chargeant les batteries, la notion de NOCT est souvent omise sachant que la

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tension aux points de fonctionnement du module ne descendra jamais au dessous de celle ncessaire un cycle de charge. Cependant, il s'agira d'tre vigilant car sous faible ensoleillement, le gnrateur solaire de qualit doit encore fournir une certaine puissance. Certains constructeurs de modules solaires donnent la puissance de leurs modules aux STC et SOC conditions. Si la seule puissance connue est celle du STC, le concepteur devra en tenir compte dans le calcul du dimensionnement car c'est la seule temprature de la cellule en fonctionnement qui conditionne la puissance dlivre par le gnrateur solaire. 316: Performance d'une cellule solaire. Elle est donne par le rendement de conversion nergtique et le facteur de forme. 3161: Le rendement. Le rendement des cellules solaires cristallines commerciales varie de 10 17% (le plus lev pour les cellules monocristallines) et celui des cellules couche mince (monocouche) de 4 10%. Un rendement de 38% a dj t obtenu en laboratoire pour des cellules de faible surface et sous concentration lumineuse (Boeing USA). BP a atteint un record defficacit de 18.3% pour une cellule 125 x 125 mm. La socit Sharp a atteint un rendement de conversion module de 17.4% (module NT-167AK). *) Variation du rendement avec la temprature.

3162: Le facteur de forme.

FF=Ipm x Vpm/(Icc x Vco) = Pmax/Icc*Vco 3163: Technologie des modules solaires 31631 : Si cristallin et Si amorphe. Cell 1 : Si cristallin Cell 2 : Si amorphe

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Diagrammes U-I Si cristallin/Si amorphe Un FF idal aurait pour valeur 1 3164 : Autres technologies GaAs : arsniure de gallium Cd-Te : tellure de cadmium CIS : cuivre indium slnium TiO2 : bioxyde de titane Photopile organique 32: Procds de fabrication. Les cellules dites" paisses", quelques centaines de microns sont les plus anciennes, ce sont les cellules au silicium cristallin; leur rendement et fiabilit sont reconnues, elles bnficient d'un stade d'tude et dveloppement plus ancien que les cellules couche mince qui ne ncessitent que quelques microns de matire active et qui ont fait leur apparition dans le grand public avec les calculettes solaires.

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321 : Procd Czochralski. C'tait le procd utilis pour la fabrication de silicium monocristallin de forme cylindrique. On met une petite quantit de polysilicium dans un creuset que l'on place dans un four pour obtenir du silicium fondu. Une seule particule solide de silicium cristallin est plong dans un bain de silicium fondu et en tournant lentement et en tirant vers le haut on obtient le barreau de monocristal qui sera utilis pour la fabrication des cellules solaires. Ce procd souffre d'tre coteux en nergie et des pertes importantes interviennent lors du sciage. 322: Procd ruban. C'est une technique peu employe dans l'industrie photovoltaque, elle offre pourtant l'avantage d'tre beaucoup plus conomique en matriau semi-conducteur car aucun sciage n'est ncessaire. La difficult majeure est de trouver le support du ruban pendant lopration de tirage

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323: Procd dendrites. C'est un procd ruban diffrent utilisant les proprits physiques de la tension de surface plutt que la capillarit utilise dans le procd ruban classique. 324: Mthode de coulage des lingots. On fabrique des lingots de silicium cristallin de section carre qui une fois scie, autorise un taux de foisonnement plus important et donc aussi un rendement surfacique plus lev. Chaque constructeur essaie de dvelopper ses propres procds dans le but d'amliorer le rendement de conversion nergtique des cellules et d'abaisser les cots de fabrication. 325: Procd couche mince:silicium amorphe hydrogn. Il est obtenu par dcomposition, en dcharge luminescente (cration d'un plasma) de silane SiH

4 ou de disilane Si

2 H

6 sur un substrat port 250C. Le matriau obtenu contient 8 15 %

d'hydrogne,et offre une bande interdite de 1,75 eV. La technique de fabrication SOLEMS est schmatise dans la figure ci-dessous :

Plac dans un bti vide le substrat (verre recouvert de SnO2) est chauff entre 200 et 250C. Trois rservoirs, quon peut isoler ou mettre en communication avec le bti travers les vannes V1, V2, V3 contiennent respectivement l'tat gazeux, le silane,SiH4,le diborane B2H6 et la phosphine PH3.Enfin un gnrateur haute frquence permet d'ioniser le gaz ou le mlange de gaz inject dans l'enceinte,donc de crer le plasma. On ouvre simultanment les vannes V1 et V2, ce qui donne un mlange de SiH4 et de B2H6 Le plasma contient Si,B et H et se dpose sur le substrat pour y former la couche P de la jonction. On ferme V2 : seul reste le silane qui forme la couche intrinsque.

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On ouvre maintenant V3, pour obtenir un mlange de silane et de phosphine, conduisant au dpt de la couche semi-conductrice N. 33: Notion de cellule, module, panneau solaire, systme solaire. La cellule solaire, de forme ronde ou carre (carre : on augmente le taux de foisonnement) est l'lment de base, un ensemble de cellules forment un module solaire, dans un module les cellules sont relies lectriquement entre elles et encapsules, donc protges des agents extrieurs. Plusieurs modules forment un panneau solaire. Plusieurs panneaux forment un systme solaire auquel viennent s'ajouter des protections, un rgulateur, un systme de stockage de l'nergie (batterie) des appareils de contrle et de mesure, un onduleur ... A : cellule solaire B : module solaire C : panneau solaire D : champ solaire

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IV- LE GENERATEUR SOLAIRE. 41: Les modules solaires en srie. 411: Modules identiques.

V = Va + Vb I = I1 + I2 412: Modules non identiques.

V = Va + Vb I # I1 # I2 Les tensions s'additionnent Le courant est limit par le module de plus faible courant connect en srie. 42: Les modules en parallle. 421: Modules identiques.

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V = Va = Vb I = I1 + I2 422: Modules non identiques.

I = I1 + I2 V # Va # Vb La tension en circuit ouvert des modules est approximativement gal la moyenne des tensions en circuit ouvert des deux modules. 43: Le panneau photovoltaque. L'assemblage srie/parallle de modules solaires est tudi spcifiquement pour chaque application lectrique. On obtient alors une tension et un courant prcis en relation avec le systme lectrique alimenter. Pour recharger une batterie de 12 volt nominal, 36 40 cellules formant le module de base seront ncessaires pour une charge optimise durant toute l'anne. Deux ou multiples de deux modules seront ncessaires pour la charge de batteries 24 volts. Un gnrateur solaire de 3 KWc/48v= ncessitera 15 branches parallles de 4 modules en srie de 50Wcrte chacun.

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44: Diodes de protection. Rappel: la diode est un lment semi-conducteur qui ne permet le passage du courant lectrique que dans un seul sens. Schma U/I d'une diode:

441: Diodes de blocage.

Doc France Telecom : diodes de blocage schottky dans boitier

Les diodes de blocage ou diodes srie sont places en srie avec un module ou une branche de modules cbls en srie afin d'empcher tout courant lectrique de retourner vers les modules. Pour les systmes solaires connects une batterie, la diode de blocage empche la circulation d'un courant inverse dans le sens batterie vers panneau durant la nuit. La chute de tension aux bornes de la diode dpend du type utilis: - diode schottky pour les systmes BT, la chute est rduite 0,4V max - diode germanium ou silicium pour les systmes de tension plus leve. La diode srie devra tre choisie pour pouvoir supporter le courant de court-circuit dune branche srie et la tension en circuit ouvert de la branche protger. (En pratique 1,5 fois cette valeur pour facteur de scurit avec radiateurs de dissipation de chaleur correctement dimensionns si ncessaire).

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Quand le panneau solaire comporte de multiples branches, les diodes srie installes sur chaque branche empcheront, en cas de dfaut sur une branche, le passage d'un courant destructeur venant des branches saines.

Fiche technique dune diode Schottky

IFav : I forward average VRWM : voltage reverse working maximum

VFM : maximum peak forward voltage IRM : Maximum peak reverse current IFSM : maximum peak non repetitive forward current

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442: Diodes by-pass.

Les diodes by-pass sont utilises pour empcher les phnomnes de point chaud et pour minimiser les pertes dans une branche srie dans le cas ou une cellule,un groupe de cellules ou un module se trouve en position circuit ouvert(coupure ou ombre porte). La diode by-pass est encore appele diode shunt car elle shunte les cellules correspondant la partie non claire. Les autres cellules continuent produire l'nergie correspondant la partie claire du module. En condition normale de fonctionnement les diodes shunt ne conduisent aucun courant.

En thorie, chaque cellule du module solaire devrait avoir une diode shunt en parallle pour une protection maximum.

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La diode shunt ou by-pass devra tre choisie de telle sorte que son courant nominal moyen soit suprieur au courant de court-circuit du module protg. La diode devra aussi supporter une tension inverse suprieure la tension en circuit ouvert de la branche srie.

La figure ci-dessus illustre les caractristiques courant/tension d'un module photovoltaque et le mme module avec une diode connecte en parallle. Le changement important qui s'opre sur les caractristiques I-V du module est dans le quadrant II. Au fur et mesure que la tension dcrot partir de o volt (augmente dans un sens ngatif) le courant qui peut passer par la cellule est pratiquement gal au courant de court-circuit du cadran I jusqu' ce que la tension de seuil soit atteinte. Au seuil de tension, approximativement 30V sur le schma, un courant trs lev peut passer par les modules. La tension tant de polarit oppose, la puissance est alors dissipe dans les cellules, contrairement au fonctionnement normal. La cellule joue alors le rle de rcepteur et non de gnrateur. Plus la tension de seuil est importante, plus la puissance dissipe dans le module est grande. Exemple : un gnrateur de 3 branches parallle et 4 branches srie

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Dans l'exemple ci dessus, 2 modules sont en dfaut et considrs comme des circuits ouverts. Sans protection, le module sain du groupe contenant les deux modules en dfaut risque de fonctionner un niveau de courant suprieur celui de son courant de court-circuit. Afin de conduire le courant en excs, le module travaillera sa tension de dfaut et au courant indiqu par la ligne en pointill. Comme de l'nergie est dissipe dans les cellules, il y aura lvation de temprature, ce qui se remarque bien avec une camra infrarouge et suivant les puissances mises en jeu cela peut aller jusqu' la dtrioration des cellules et mme jusqu'au feu (cas extrme sur centrale US). Afin d'liminer de tels inconvnients, des diodes shunts sont places en parallle avec les modules ou une srie de cellules pour shunter le courant,ceci quand la tension du module solaire est ngative. Comme on peut le voir sur le dessin ci-dessus, un fort courant passera dans le module et la diode mais la chute de tension et donc la puissance dissipe sera rduite au minimum Exemple de module M55 Siemens Solar :

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MODULES SHARP (annes 1990)

45: Spcification des performances d'un module solaire. 451: Conditions imposes. Les spcifications lectriques d'un module solaire (tension en circuit ouvert, courant de court circuit, tension et courant au point de fonctionnement maximum, puissance crte) sont donnes sous des conditions dfinies : *) Conditions de test standard (STC) pour E = 1000 W par m2, Temprature de cellule 25, Air masse = 1,5. *) Les conditions de fonctionnement standard (SOC) pour E = 1000 W/m2, Temprature de cellule = NOCT et Air masse = 1.5 *) Les conditions de fonctionnement nominal (NOC) pour E = 800 W/m2, Temprature de cellule = NOCT et Air Masse = 1.5 452 : Spcifications des constructeurs. Les spcifications des constructeurs utilisent des conditions de test standard. La rpartition spectrale de lclairement nergtique solaire de rfrence qui a t adopte pour la France (norme NFC57-100) puis par la CEI est une rpartition de lclairement nergtique solaire total (direct et diffus) correspondant artificiellement un clairement de 1000W/m avec une traverse AM=1.5 datmosphre sur une surface plane incline de 37 par rapport lhorizontale,avec un albdo (facteur de rflexion au sol) de 0.2 et avec les conditions

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mtorologiques suivantes : * hauteur deau condensable : 1.42cm * hauteur rduite dozone : 034 cm * trouble atmosphrique : 0.27m 0.50 m il faut remarquer que cette norme NFC-5700 ne reflte pas totalement la ralit puisquon associe arbitrairement AM=1.5 une constante solaire de 1000W/m (ralit 834W/m voir 2.1.3). 46 : Fiabilit du module (test). Les tests sont effectus selon la norme NF C 57-100 et les spcifications sont celles de l'ISPRA (pour l'Europe) ou JPL/DOE (Jet Propulsion Laboratory/Department of Energy USA). Ce sont des tests: Isolement lectrique : 2000 V 10 Mgohms, Impact : bille en acier tremp, diamtre 40mm, hauteur de 1m Cyclage thermique :-40 C +85 C 200 cycles Stockage humide : + 3000 h +55C, 95% RH Stockage sec : +3000 h +100 Brouillard salin : + 96h (NFC 20611) Charge statique : 2500 N/m2 Temprature : -40 +75 C Humidit relative : 0 100 % Vent tabli : 180 Km/h 47 : Choisir un panneau solaire 471 : Critres de slection : Les caractristiques courant/tension du module, la fiabilit long terme (technologie mature ou rcente), la densit nergtique, la performance aux tempratures leves, la stabilit des performances lectriques et mcaniques, les dimensions et poids, la qualit du cadre (autoporteur ou non), la qualit de ralisation de la bote de connections, la facilit de pose des diodes, la renomme du constructeur, le cot et la garantie sont les principaux critres de slection. 472 : Exemples

Electrificateur de clture Source DOE

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Signalisation source : DOE

Pompe solaire Source DOE

toit dcole source DOE

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Station tlphone mobile France Telecom sud de la France Source : A Ringnet

toit solaire 2KWc raccord EDF Ouest de la France Source A Ringnet Production annuelle : 2000 KWH pour surface de 0.5x39 soit 19.5 m

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Petit Centre France Telecom CORSE Plateau dEze (mise en service 1978) avec un taux de panne due lalimentation lectrique trs faible. Source : A Ringnet

Signalisation maritime Source DOE

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Source : Astier Electronique Plaque de rue claire toute la nuit.

Source : A Ringnet Sac dos solaire pour voyage en Annapurna

Source : Gnral Motors Sunraycer moteur 3KWMagnequench brushless motor de poids 11 livres,a parcouru en 44 heures et 54 minutes la distance entre Darwin et Adlade (nord et sud de lAustralie) la moyenne de 41 miles/h

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Source : Husqvarna Tondeuse gazon solaire.

horloge solaire : O sont les cellules ? (non visibles sur la tranche du support plastique)

Satellite japonais dobservation de Mars

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Mars Spirit en action

Deux robots envoys par la NASA ont atterri avec succs la surface de Mars, le premier le 3 janvier 2004 et le second le 24 janvier 2004. Llectricit solaire a t une des cls de la russite de cette mission dexploration la plus prcise jamais envoye cette distance. Ce robot envoy par la NASA sur la plante rouge (Mars) a envoy ses premires images seulement trois heures aprs atterrissage . La surface active de panneaux solaires est de 1.3m. Cest un systme triple jonction (3 couches de cellules). Chaque couche est forme de diffrents matriaux : gallium-indium-phosphore,gallium-arsenic et germanium. Le systme peut fournir 900WH par jour martien et 600WH par jour en fin de mission du au changement de saison et la poussire accumule. Le robot a besoin de 100 Watts pour ses activits. Sous illumination maximale, le systme solaire fournit une puissance de 140Watts pendant 4 heures par jour martien.

Doc : Mr Jean Jules Bert : pompe solaire pour 250 personnes en Hati le de la Gonave

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V- LES COMPOSANTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE : 51 : Dfinition du systme : Le systme PV gre lnergie produite. Dans un systme autonome, le panneau solaire fournit l'lectricit qui est stocke dans une batterie et gre par un rgulateur qui protge la batterie de la surcharge et dcharge profonde. Des rcepteurs lectriques peuvent tre connects directement au panneau solaire ou la batterie ou travers le rgulateur de tension. Un convertisseur =/= peut tre utilis si le systme a des rcepteurs qui fonctionnent des tensions continues diffrentes. Un convertisseur continu alternatif ou onduleur (voir 5.5) fournira le 230V alternatif qui alimentera les rcepteurs classiques 230V. Tous ces lments seront interconnects dans un tableau lectrique avec protection adquate selon l'application des rgles de scurit et normes en vigueur. 52 : Les rcepteurs lectriques ou charges lectriques : Les charges lectriques dterminent la fois le type, la taille et la performance du systme photovoltaque. Le cot du KWH solaire tant encore ce jour lev, les concepteurs de systmes PV sefforceront privilgier le rendement nergtique global. Exemple : une lampe fluo consomme 4 fois moins d'nergie puissance lumineuse gale qu'une lampe filament. Les quipements lectriques fonctionnant en courant continu peuvent simplifier le systme PV et ont souvent un rendement nergtique favorable mais les matriels sont moins rpandus sur le march, souvent plus chers et mme quelquefois inexistants pour une application donne. L'arrive sur le march d'onduleurs intelligents, fiables, au rendement de conversion nergtique important sur toute la plage de puissance peut favoriser l'option "tout 230v". Suite une panne ou dfaillance d'un de ces appareils, le remplacement est plus ais et souvent moins onreux que le matriel quivalent BT. Dans ce cas, le dimensionnement revt toute son importance car la surconsommation sera aussi viter. Le bilan nergtique global par rapport une installation BT n'est pas toujours plus dfavorable car le transport de l'nergie en BT s'accompagne de pertes importantes (voir 731). Le couplage PV/GE est facilit par le choix d'une installation 230V. 521 : Le rseau en temps que charge ou rcepteur Le rseau de distribution lectrique dun pays peut servir de charge. On parle alors de solaire coupl rseau. 5211 : CADRE LEGISLATIF POUR LA FRANCE Loi n 2000-18 du 10 fvrier 2000 Dans cette loi, larticle 10 prvoit la poursuite dun cadre lgal dobligation dachat pour certaines installations et selon les conditions fixes par dcret. Larticle 10 indique quEDF est tenue de conclure un contrat dachat de llectricit produite par les installations dont la puissance installe par site nexcde pas 12 mgawatts qui utilisent des nergies renouvelables Dcret n 2000-877 du 7 septembre 2000 Un producteur demandant bnficier de lobligation dachat doit tre titulaire dune autorisation dexploiter ou dun rcpiss de dclaration Dcret n2000-1196 du 6 dcembre 2000 Ce dcret prvu larticle 10 alina 3 de la loi, fixe par catgorie dinstallations, les limites de puissance des installations pouvant bnficier de lobligation dachat. Dcret n2001-410 du 10 mai 2001 Ce dcret prvu larticle 10 alina 4 de la loi, prcise les obligations qui simposent aux producteurs bnficiant de lobligation dachat, ainsi que les conditions dans lesquelles les ministres chargs de lconomie et de lnergie arrtent, aprs avis de la commission de rgulation de llectricit,les conditions dachat de llectricit ainsi produite.

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Arrt du 13 mars 2002,publi le 14 mars 2002,fixant les conditions dachat de llectricit produite par les installations utilisant lnergie radiative du soleil. La puissance crte dune installation bnficiant des tarifs de lannexe 1 est limite : 1 . 5 KWc pour les logements individuels 2. 1000KWc pour les btiments professionnels et les logements collectifs 3. 150 KWc pour les autres cas ANNEXE 1 Tarifs mentionns larticle 5 de larret Lnergie active fournie par le producteur est facture lacheteur sur la base des tarifs ci-dessous exprims en c/kwh hors TVA. En mtropole continentale : 15.25 En Corse, dans les dpartements doutre-mer et dans la collectivit territoriale de Saint-pierre et Miquelon : 30.50 53 : Les systmes de stockage. 531 : La batterie. La batterie permet le stockage de l'nergie lectrique produite par les modules solaires. Ce ne peut tre qu'un stockage court terme et tout stockage inter saisonnier (t pour l'hiver) ne peut tre envisag dans l'tat actuel d'avancement technologique des batteries Pb/acide, Cd/Ni,Su/Na... Ce n'est pas l'lment le plus fiable dans une installation photovoltaque mais une bonne gestion en limitera la faiblesse intrinsque. Une batterie au Pb/acide qui est la batterie la plus couramment utilise dans les installations photovoltaques ne doit jamais tre laisse dans un tat de dcharge profond pendant une longue priode. ( Nota :les valeurs chiffres cites dans ce document sont des ordres de grandeur ,pour les valeurs exactes, il faut se rfrer aux notices techniques des diffrents constructeurs de batterie) 5311 : La capacit. La capacit reprsente la quantit d'lectricit qu'une batterie peut dlivrer pendant une priode de temps donn sous un rgime de dcharge et une temprature ambiante donne. La capacit diminue avec la temprature, avec des taux de dcharge plus lev et avec l'ge. Elle s'exprime en A/H (ampre-heure). 5312 : Rendement faradique ; Rendement en tension. Le rendement faradique est le rapport entre le courant fourni lors de la charge et celui restitu lors de la dcharge. Le rendement en tension est le rapport entre la tension dlivre par la batterie lors de la dcharge et la tension de charge. 5313 : Profondeur de dcharge maximum. La profondeur de dcharge maximum reprsente le maximum en pourcentage de la capacit nominale au-del de laquelle la dcharge n'est plus souhaitable. Dans une installation solaire,la dcharge journalire moyenne correspond au dficit entre la production et la consommation journalire (idem pour dcharge saisonnire). La profondeur de dcharge maximum se situera en hiver, son seuil ne doit pas tre dpass et il se situe en gnral entre 50 et 80% de la capacit pour les batteries Pb/acide gnralement utilises dans les installations photovoltaques (voir notice constructeur).La profondeur de dcharge maximum autorise est bien suprieure la profondeur de dcharge journalire qui n'est que de quelques % de la capacit nominale et elle dpend aussi de la temprature d'utilisation la plus basse.

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5314 : Dure de vie. Elle est caractrise par le nombre de cycles charge /dcharge qu'elle supporte tout en gardant sa capacit. On peut alors parler d'ampre-heure cycle. La batterie STECO 3000 (voir notice constructeur en annexe) de 105 Ah sous 12V autorise 30000 ampre-heure cycle soit 600 cycles 50% de dcharge ou 1000 cycles 30% de dcharge. La performance en cyclage dpend de la profondeur de dcharge; pour cette raison, dans une installation PV, le taux de dcharge journalier ne doit gure dpasser les 10% de la capacit. 5315 : Influence avec la temprature. Une temprature leve augmente la capacit mais diminue la dure de vie, elle augmente aussi la consommation d'lectrolyte. L'autodcharge augmente avec la temprature. Il est souhaitable qu'une batterie Pb/acide soit mise en service dans un local ou les variations de temprature ne sont pas trop importantes. Les tensions de floating, dgalisation et de fin de charge varient avec la temprature (de 2 5mV/C/lt 2V, en fonction du type de batterie utilise) 5316 : Taux de charge/dcharge. Le taux de charge ou dcharge s'exprime en C/X , X : chiffre entre 1 et 20. X=10 correspond au taux de charge/dcharge standard des batteries stationnaires Pb/acide. Pour une batterie Pb/acide :

La raction chimique est la suivante : Pb + PbO2 +2H2SO4 dcharge_ 2PbSO4 + 2H2O Charge Les batteries librent d'abord de l'oxygne puis de l'hydrogne quand elles atteignent la tension de pleine charge; quand le taux de charge est lev,l'oxygne et l'hydrogne n'ont pas le temps de se recombiner pour former de l'eau. Pour cette raison, les batteries doivent tre installes dans un local ventil et aucune flamme ou tincelle du au soudage ou meulage n'est autoris dans le local rserv la batterie. Le taux de charge max est donn par le constructeur de batterie, tout taux de charge infrieur peut tre envisag.

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Notion de floating : une batterie exploite en floating ne fournit aucun courant, elle reoit un courant ncessaire et suffisant pour la maintenir en pleine charge (2.20 V/elt2V). Le courant de floating est infrieur au 1/1000 de la capacit pour une batterie charge, il est significatif de l'tat de vieillissement de la batterie et augmente avec celui-ci. Notion d'galisation: une batterie exploite en galisation est une batterie qui reoit un courant de charge ou d'galisation (on galise les densits des diffrents lments de la batterie) ne dpassant pas I.C/10 et dont la tension ne dpasse pas un certain seuil de charge. Une batterie solaire ne travaille ni en floating ni en galisation de faon permanente, la charge est variable, elle dpend de la taille du gnrateur solaire, de la nature de l'ensoleillement qui varie au cours de la journe et des caractristiques lectriques du rgulateur de charge utilis. 5317 : Taux d'autodcharge. C'est le taux en pourcentage d'nergie perdue quand la batterie est au repos. Un taux d'autodcharge trop lev diminue les performances d'un systme PV. Il est fonction de la nature des matriels utiliss dans la fabrication des plaques positives et ngatives de la batterie; les plaques utilisant le Pb calcium induisent un taux d'autodcharge plus faible que celles utilisant le Pb antimoine. Pour exemple, la batterie STECO 3000 conserve 75% de sa charge aprs 6 mois d'isolement. 5318 : Densit. La densit de l'lectrolyte d'une batterie mesure avec un densimtre, compose d'acide sulfurique est trs reprsentative du taux de charge, en gnral 1.28 pour une batterie bien charge 1.18 pour une batterie dcharge 80% (voir spcification du constructeur et variation ave temprature). Lors de la mesure des densits, les rgles de scurit inhrentes ce genre de manipulation doivent tre scrupuleusement observes (local ventil et aucune flamme ni fumeurs proximit, manipulateur habill de vtement anti- lectricit statique). 5319 : Taille, poids et nature. Les batteries sont en gnral des lments lourds, difficilement transportables. Les batteries tanches sont de maintenance et d'installation plus aise. Le rapport poids/nergie et volume/nergie est et reste lev malgr les efforts des constructeurs dans ce domaine et ce quelque soit la technologie utilise. Par exemple, c'est principalement la raison du faible dveloppement du vhicule lectrique. 53110 : Cot. C'est souvent le cot qui dtermine le choix de la batterie. Bien que les batteries Cad/nickel offrent de bien meilleures performances que les batteries Pb/acide, elles sont trs peu utilises dans les applications PV classiques car leur cot initial est bien plus lev. Par contre, elles conviennent parfaitement pour des applications o la temprature ambiante est trs basse. 53111 : Scurit. L'installation et la maintenance des batteries doivent s'accompagner du plus grand soin. Les fusibles utiliss aux bornes des batteries sont des fusibles haut pouvoir de coupure et quand un des ples de la batterie est mis la terre,un fusible HPC au moins doit tre connect entre la terre et la batterie.

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Schma:

Ventilation force pour les salles renfermant les batteries non tanches. 532 : Critres de slection d'une batterie. - caractristiques de charge, rsistance interne - autonomie, maximum de profondeur de dcharge - taux de dcharge max, d'autodcharge - temprature du lieu d'installation - dure de vie estime - priodicit et nature de la maintenance - Type: tanche ou pas - poids, taille, densit de stockage nergtique - visualisation aise ou non du niveau d'lectrolyte - Etat des bornes de connexion (connexion aise ou pas) - Rputation du constructeur, cot et garantie. 533 : Spcification et donnes d'un constructeur de batterie. L'tude sera limite la description de la fiche technique de la batterie stationnaire plaque positive tubulaire Hawker. (Voir annexe I) et la batterie Cd/Ni Sunica SAFT 54 : Le rgulateur. 541 : Les diffrents types de rgulateurs. Trs peu de systmes PV peuvent se passer de rgulateur de charge, cela peut cependant se concevoir pour de petits systmes ou la charge lectrique est faible et constante et o le courant de charge est limit C/50 pour une batterie classique et C/100 pour une batterie tanche ou encore dans certains cas particuliers si la batterie est du type Cad/Ni , batterie qui peut supporter une charge permanente du gnrateur solaire. Le rgulateur a pour fonction de grer la charge et dcharge batterie, il permet donc un transfert optimum d'nergie entre le gnrateur solaire et la batterie tout en minimisant le cyclage et en protgeant la batterie de la surcharge ce qui provoquerait un vieillissement prmatur. Rappel sur le principe de rgulation en courant et en tension de la charge des batteries. Classiquement, quand une batterie est dcharge, la recharge s'effectue d'abord en limitation de courant IC/10 puis quand la tension augmente la limitation s'effectue ensuite en tension (2,4 V/lment de 2 volts pour batterie Pb/acide). Avec les gnrateurs solaires la limitation en courant s'auto effectue par les caractristiques du gnrateur solaire (I solaire max < I.C/10 de la batterie).

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542 : Principe de charge des batteries au Pb/acide

Source : Trace Engineering

Les rgulateurs de charge contrlent dans le temps la tension batterie, son courant entrant, sortant et la temprature. Rgulateur SERIE

(Doc: The solar electric house)

Ce rgulateur possde un lment de commutation (relais,transistor bipolaire,mosfet,thyristor...) qui est plac entre le panneau solaire et la batterie,il est command par une lectronique qui contrle la tension et courant batterie. L'avantage de ce type de rgulateur est qu'il puisse facilement commuter de forts courants sans dissipation interne d'nergie, que la diode de blocage n'est pas toujours ncessaire. Par contre, l'inconvnient est que llment de commutation si cest un relais lectromcanique est un lment dure de vie limite et qu'une chute de tension est invitable lors de l'utilisation de composants lectroniques comme lment de commutation.

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Rgulateur SHUNT

(Doc: The solar electric house)

Source : Gnrateurs solaires dlectricit de Solar Power Corporation

Certains constructeurs de rgulateurs intgrent la fonction test des diffrents seuils de tension que mesure le rgulateur et ce, sans appareil de mesure spcifique. Pour y parvenir, lors de la fonction test, la charge est dconnecte et les modules solaires joue le rle d'alimentation stabilise, ils se trouvent mis en position circuit ouvert donc tension la plus leve. Les diffrents seuils de tension sont tests au moyen de voyants teints ou allums. Cette particularit, trop peu utilise par les constructeurs de rgulateurs, apporte une relle aide l'exploitation surtout quand la vrification des installations est effectue par un personnel peu qualifi ou dans un site trs isol et sans appareil de mesure externe. Quand la tension du module devient plus leve que celle de la batterie, la charge commence; quand la tension de la batterie atteint un niveau haut, le transistor du rgulateur conduit (mode shunt) et court-circuite travers une rsistance ou directement (technique shunt dcoupage de type PWM) le module solaire. Ds que la tension batterie diminue au dessous d'un certain seuil le transistor se retrouve bloqu et aucun courant ne traverse la rsistance shunt, toute l'nergie produite par le module solaire va la batterie.

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Rgulateur commande squentielle

Source : Solar cells Martin A.GREEN

Ces rgulateurs sont utiliss pour les gros systmes PV. Le champ solaire est divis en sous ensembles qui sont contrls sparment. Quand l'tat de charge est atteint, un puis plusieurs sous ensembles sont dconnects, linverse est aussi vrai, le ou les sous modules sont reconnects quand l'tat de charge de la batterie diminue et qu'une recharge est ncessaire. Un des avantages de ce type de rgulateur est qu'une panne dans une branche n'affecte pas le bon fonctionnement des autres branches ; l'lment de commutation d'une branche est souvent un thyristor qui bien dimensionn est un commutateur trs fiable, il joue aussi le rle de diode anti-retour. Les options. - Limiteur de dcharge : coupe la charge en cas de tension batterie basse (protection de la batterie). - Voltmtre, ampremtre, ampreheuremtre. - carte ampreheuremtrique grant les charges, dcharges avec facteur de correction : le rgulateur mesure le courant de dcharge et autorise la recharge proportionnelle la dcharge. - Compensation en temprature des seuils de dtection de tension batterie. - Alarme ou tlalarme autorise. - Protection efficace contre les surtensions atmosphriques et immunits des seuils de dtection vis vis des transitoires. - Fonction MPPT (maximum power point tracker). Bien que le nombre de cellules connectes en srie dans un module solaire soit calcul initialement pour la recharge de batteries (30 40 cellules suivant les constructeurs) le transfert d'nergie n'est pas optimum suivant qu'on est au dbut ou en fin de charge. Avec le rgulateur MPPT qui est un convertisseur dcoupage DC/DC de puissance on palie cet inconvnient .Par contre, il faut compter avec le propre rendement du convertisseur, sa fiabilit, son cot et sa disponibilit sur une gamme de puissance tendue. Il est intressant dutiliser cet quipement quand la distance modules solaires/batterie est importante. Le transfert dnergie peut seffectuer plus haute tension et donc perte optimise. On pourrait trs bien mettre 10 modules PV en srie pour recharger une batterie de 12v.

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55 : Onduleur Londuleur est un convertisseur DC/AC 230V. Onduleur synchrone/ Onduleur isol. 551 : Onduleur isol : Londuleur isol transforme le courant continu stock dans une batterie en un courant alternatif 230V/50Hz, il doit avoir les qualits suivantes :

- pertes vide et en charge faibles - rendement optimum sur toute la gamme de puissance - fiabilit importante - stabilit en frquence - aptitude fournir des surcharges transitoires (dmarrage de moteurs par exemple) - faible taux de distorsion harmonique - rversible (fonction chargeur) - reconnaissance dune charge lectrique mme faible donc mise en marche automatique - intgration de la fonction rgulateur et gestion dune autre source alternative (station

hybride). Les progrs des onduleurs se sont accompagns du progrs de llectronique de puissance et des microprocesseurs (transistors Mosfets ;IGBT,transfo HF). A lheure actuelle londuleur est trs utilis pour llectrification des sites isols, cela facilite lutilisation de tous les appareils lectriques conventionnels.

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Nature du signal lectrique

RMS : root mean square ou valeur efficace 552 : Onduleur synchrone : Londuleur synchrone est utilis pour rinjecter au fil du soleil sur un rseau lectrique lnergie provenant des modules solaires. Il intgre obligatoirement la fonction MPT et pour le couplage au rseau EDF franais il doit en ce qui concerne la protection de dcouplage tre conforme la norme allemande DIN VDE 0126 (obligation lgislative).

Principe onduleur synchrone

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Fonction de transfert

Principe du dcoupage haute frquence : En dcoupant haute frquence la tension du gnrateur solaire, on construit une tension sinusodale Pendant la dure de conduction des commutateurs lectroniques (transistors bipolaires, transistors MOS, IGBT) lnergie provient du gnrateur solaire et du condensateur. Pendant la priode de non conduction, lnergie produite par le gnrateur est emmagasine dans de condensateur.

Modulation M=1

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Modulation M= 0.5

Les transistors Q1 et Q4 ralisent lalternance positive et les transistors Q2 et Q3 lalternance ngative.

553 : Onduleur utilis pour les pompes solaires centrifuges immerges. Ce sont des onduleurs triphass frquence variable. La frquence et donc la vitesse du moteur immerg varie avec lintensit du rayonnement solaire incident (dmarrage de la pompe sous faible ensoleillement).

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Doc : Universit polytechnique de Madrid

Ltude pratique de la performance hydraulique et lectrique se fait sur banc de test Compos de :

- un rservoir - des manomtres controlant la pression donc simulant une hauteur manomtrique - un dbimtre - votmtre, ampremetre, wattmtre et acquisition de donnes

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VI- LE DIMENSIONNEMENT. 61 : La procdure de dimensionnement. Si l'nergie solaire photovoltaque est gratuite hors frais d'investissement et de maintenance, elle est aussi mesure par la taille du gnrateur. Les tapes de la procdure de dimensionnement sont les suivantes: - quantifier la demande lectrique moyenne, journalire et mensuelle. - dterminer l'nergie solaire incidente. - dterminer et quantifier le stockage batterie. - calculer la charge lectrique et l'nergie solaire du mois le plus dfavorable. - calculer la puissance lectrique du gnrateur solaire et sa surface. - choisir le rgulateur puis l'onduleur si ncessaire. - estimer la dure de vie des diffrents lments du systme - analyse conomique. La procdure de dimensionnement tudie ici ne s'applique qu'au systme gnrateur solaire/batterie de stockage,elle est un peu diffrente si le systme de production d'nergie lectrique est hybride ou compos d'un systme PV fonctionnant au fil du soleil,donc sans batterie de stockage. 62 : Le pr dimensionnement. C'est un dimensionnement grossier mais qui peut tre, dans bien des cas, suffisamment reprsentatif pour concevoir bon nombre d'installations solaires. Exemple de la valeur du gisement solaire de Lannion sur 3 annes conscutives (valeurs mesures):

Moyennes de l'ensoleillement en w/m

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Janv

ier

Fvr

ier

Mar

s

Avr

il

Mai

Juin

Juill

et

Ao

t

Sep

tem

bre

Oct

obre

Nov

embr

e

Dc

embr

e

Moy

enne

s (W

/m)

1997 1998

1999 2000

document FT/RD Lannion

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Prenons un exemple : Maison isole (Nantes latitude 47N) avec batterie de stockage Pb/acide et sans source auxiliaire (solaire PV seul et autonomie de 100%). Rendement onduleur:0.8 Tension batterie: 24V

Utilisation Puissance Rendement P relle Temps Utli Consommation

5 lampes30W 150 W 1 150 W 3 H 450 Wh rfrigrateur 80 W 0.8 100 W 3 H 300 Wh tlvision 55 W 1 55 W 2 H 110 Wh elctromnager 200 W 0.8 250 W 0.25 H 62 Wh Divers 50 W 0.8 62 W 1 H 62 Wh

Total: 984 Wh Puissance moyenne : 984/24=41W *) le rendement de 1 correspond une alimentation en 24 volts *) le rendement de 0.8 correspond une alimentation en 220 V. - Consommation totale par jour : 41 AH - Consommation crte (dmarrage de moteur exclus) en nergie continue: 205 W - ------------------------------ alternative: 412 W - Consommation totale: 984 WH 621 : MODULE SOLAIRE. La puissance crte installer est donne par la relation :

Pc = K. Pm/Gi Pm = puissance moyenne consomme Gi = moyenne du rayonnement solaire reu sur un plan inclin en KWH/M/J pour les 3 mois les plus dfavorables, c'est--dire novembre dcembre janvier pour la France mtropolitaine. On peut aussi prendre seulement lensoleillement du mois le plus dfavorable, mais dans ce cas on fiabilise plus. Dans lexemple la valeur de Gi est donne par le logiciel Meteonorm (Annexe VII). Le tableau ci-dessous rsume les valeurs densoleillement pour diffrents plans inclins.

Inclinaison modules 70 60 50 40 0

Janvier 42 43 43 42 31 Fvrier 64 66 66 66 51

Novembre 58 59 58 58 40 Dcembre 42 43 43 41 28

Moy/mois J-N- D 47.3 48.3 48.3 47 33 Moy/jour J-N-D 1.57 1.61 1.61 1.36 1.1

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K = 38 ce coefficient prend en compte : Le vieillissement et la salissure des modules photovoltaques La dispersion de la caractristique des modules Erreur sur donnes mto Le rendement de charge batterie La perte de puissance au point de fonctionnement en charge de la batterie La nature du sol La temprature ambiante Dans lexemple Pc = 38 x 41 / 1.61 pour une inclinaison des panneaux de 50-60 Pc = 968 Wc - Modules solaires choisis: Siemens M55 -55 Wc N = Pc/55 N = 17.6 En pratique N = 18 soit 9 sries de 2 modules par srie Nota : Pour une installation hybride avec GE ou olienne, langle dinclinaison serait-il le mme ? Discussion. Etude et bilan de la production dnergie lectrique dun gnrateur solaire, dune petite olienne pour le mois de dcembre 1996 Lannion.

Bilan d'nergie en dc 96 (pire mois sur 4 ans)Alimentation 50 W utile permanent

PV1 : 1270 Wc + 214 AhPV2 : 1650 Wc + 214 Ah

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

jours

sour

ce e

n W

h/j

0

20

40

60

80

100

120

% c

harg

e ba

tter

ie Energie olienneEnergie PV wh/j

bilan PV1 + 200 Ah

bilan PV2

bilan PV1+eolien 400 W

bilan PV1

document FT/RD Lannion dans ce cas,pour ce site , il faut mieux rajouter 380 Wc de panneaux solaires qune petite olienne 400W ou une batterie de 200AH dautant plus que cest le panneau solaire llment le plus fiable des 3 (batterie/petite olienne/panneau solaire). Discussion. Discussion si un groupe lectrogne tait install.

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622 : BATTERIE : Le dimensionnement de la batterie tient compte du calcul du dficit nergtique maximum pendant la priode la moins ensoleille et de la dure de la priode non ensoleille. On dtermine lautonomie de la batterie Le calcul de la capacit batterie doit prendre en compte : - le type de la batterie utilise - son rgime de dcharge - autodcharge - vieillissement - profondeur de dcharge - la temprature ambiante et le type de btiment utilis C = Cb x Pm x A x 24 Un Temp C - 20 -10 -5 0 +5 +10 +25

Cb 2.4 1.46 1.37 1.32 1.28 1.24 1.17 A : nombre de jours Dans lexemple ci-dessus : C = 1.28 x 41 x 10 x 24 = 524.6 AH 24 Ratio 41/525 =7.8%.de dcharge batterie maximum (sans soleil) si A=5 C=262.3 AH Ratio 41/262.3=15.6% Lautonomie batterie A varie suivant : -le site considr (latitude) -dcharge profonde autorise -le temps daccs au site (installation isole et sans personnel ?) -le cyclage journalier et saisonnier autoris et donc sa dure de vie. - en pratique A=5 minimum

LATITUDE JOURS DE STOCKAGE

0-30 5-10 30-40 10-15 40-50 15-20

50 20 La capacit thorique calcule est rapprocher de celle immdiatement suprieure chez le constructeur choisi. 6.3 : Dimensionnement des installations PV couples rseau sans batterie de stockage. La production lectrique dorigine solaire reprsente souvent qune partie de lnergie lectrique consomme, dans ce cas on sattache plus au ratio Pc installe/ KWH fourni par an. Dans louest de la France on considre que 1Wc install fournira 1 KWH alternatif par an .

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6.4 : Di A O ou dimensionnement assist par ordinateur. Les logiciels de dimensionnement des installations solaires des universits, centres de recherche entreprise spcialise traitent plus finement principalement des paramtres suivants : Donnes densoleillement min, max, moyenne ; min, max moyenne sur priode de x jours. Temprature ambiante, min, max Facteur de rflectivit du sol en % (Ex : neige : 75%, herbe sche : 20% ; toit bitumin : 13%) Perte dans les cblages, diodes de blocage Le profil de la charge DC, AC, temps dutilisation Rendement batterie, autodcharge, maximum DOD, facteur de temprature batterie Facteur de puissance des modules en fonction de la temprature, de lazimut, des ombres portes quand il y en a. 641: SIZEPV Sizepv est le nom d'un logiciel amricain de dimensionnement des installations photovoltaques mis au point par les SANDIA LABORATORIES d'Albuquerque. 642 : PV Designer Logiciel de Siemens Solar 643 : PVSYST Logiciel de luniversit de Genve 644 : DIMSOL et SOLHYBRI Logiciels France Telecom : solaire pur et hybride 645 : conclusion Lnergie solaire incidente est variable chaque jour et chaque anne et entre les diffrents logiciels de dimensionnement sur l