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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
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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
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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
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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
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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
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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 …
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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
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4/ Solaire thermique pour la production d’électricité
Principe
Docs : A. Ferriere
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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
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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
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sola
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Clai
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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
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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.
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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
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Cathode Anode
Conversion : lumière / électricité.
photon
ZCE
contactmétallique
6/ Effet photovoltaïque CELLULE A JONCTION PN
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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
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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
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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).
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PV
COM
BAT
OND
CH
L
10/ Système autonome
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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
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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)
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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
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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
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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.
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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
