Chapitre II-3Conception et dimensionnement des installations

Taïb AJZOUL, Professeur au Département de Physique (FS de Tétouan)

Système isolé Système connecté au réseau

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Chapitre II-3 - Conception et dimensionnement des systèmes PV raccordés aux réseaux1- Taille du système et sélection des modules2- Estimation de la surface requise en fonction de la technologie des cellules3- Configuration électrique de l’installation en fonction du type d’onduleur

•Configuration avec un onduleur central dans la plage de basses tensions • Configuration avec un onduleur central dans la plage des tensions plus élevées • Configuration avec un onduleur central selon le principe maître-esclave•Configuration avec onduleurs de chaîne (string) et générateurs partiels•Configuration avec MPPT multiples

Plan du Chapitre II-3

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•Configuration avec onduleurs de module (micro-onduleur)• Configuration avec autoconsommation de l’électricité solaire• Exemple avec autoconsommation de l’électricité solaire• Exemple de gestion élémentaire des charges par relais commandé par onduleur• Augmentation de l’autoconsommation par stockage temporaire

4- Autres données et caractéristiques concernant l’onduleur•Lieu d’installation de l’onduleur•Dimensionnement de l’onduleur en fonction de la puissance•Rendement annuels de l’onduleur en fonction du radio de puissance•Choix de la tension aux bornes de l’onduleur

Plan du Chapitre II-3

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•Onduleur et nombre maximum de modules dans une chaîne•Plage de fonctionnement de l’onduleur•Onduleur et optimisation de la conception

5- Dimensionnement des câbles •Dimensionnement d’un câble de module ou de chaîne•Dimensionnement du câble principal de courant continu•Dimensionnement du câble de raccordement de courant alternatif

6- Protection contre la foudre et mise à la terre et protection contre les surtensions

•Protection contre la foudre et mise à la terre•Principe de protection contre les sur tensions des système PV

7- Dispositifs de protection en courant alternatif (CA) et raccordement au réseau8- Logiciels pour la planification et le dimensionnement des

Plan du Chapitre II-3

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Conception et dimensionnement des systèmes PV raccordés au réseaux

Vente total de la production photovoltaïque

Autoconsommation (vente de surplus)

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Taille du système PV et sélection des modules

Dans le cas d’une vente total de la production photovoltaïque, la puissanceet la taille de l’installation PV sont déterminées par le coût del’investissement et la surface disponible (par exemple, la surface de latoiture inclinée).

En cas d’autoconsommation (vente de surplus), il faut en plus tenir comptede la consommation des appareils utilisés.

La surface appropriée pour l’installation PV est déterminée en accord avecle client lors de la visite sur site.

Il faut ensuite déterminer le nombre de modules qui peuvent être installéssur la surface ce qui permettra de déduire la puissance totale del’installation.

Règle empirique : 1 kWc = 8 m2 de surface PV

Le tableau suivant peut être utilisé pour une estimation plus précise de lasurface requise en fonction de la technologie des cellules :

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Estimation de la surface requise en fonction de la technologie des cellules

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Configuration électrique de l’installation en fonction du type d’onduleur

La configuration électrique du champ

photovoltaïque est déterminée en

fonction des types d’onduleurs utilisés :

Onduleurs centraux,

Onduleurs de chaine (onduleurs string),

Onduleurs de module (micro-onduleurs).

Le choix de type d’onduleurs est dicté

par la taille de l’installation et par

son implantation.

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Configuration avec un onduleur central dans la plage de basses tensions

Cet onduleur est utilisé dans la plage de basses tensions (UCC

Configuration avec un onduleur central dans la plage des tensions plus élevées

L’inconvénient réside ici dans les pertes plus élevées en cas d’ombrage enraison de la longueur des chaînes.

Onduleur central utilisé dans la plage des tensions plus élevées

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Configuration avec un onduleur central selon le principe maître-esclave

Se système utilise plusieurs onduleurs centraux ( 3 ou 4). Unonduleur est le maître et fonction dans la plage de faible irradiation.Lorsque l’irradiation augmente, la limite de puissance du maître estatteinte et l’onduleur suivant (esclave) est mis en circuit.

Le maître et l’esclavesont permutés à uncycle donné « maîtretournant » afin quetous les onduleurssoient exposés à unecharge homogène.

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Configuration avec onduleurs de chaîne (string) et générateurs partiels

Dans ce système, un onduleur est utilisé par générateur partielformé par des modules en série (string).

Il faut veiller à grouper au sein d’une même chaîne uniquement desmodules identiques avec des conditions environnementalessimilaires (orientation, ombrage, etc.).

Les chaînes de modules étant raccordées directement aux onduleurs, les boîtes de jonction et les liaisons principales CC deviennent inutiles (réduction de câblage).

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Configuration avec MPPT multiples

Sur des installations sousombrages ou sur lesinstallation dont lesgénérateurs ont desorientations différentes, ilest intéressant d’utiliserplusieurs régulateurs etun onduleur doté deplusieurs MPPT.

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Configuration avec onduleurs de module (micro-onduleur)

Dans cette configuration, un onduleur de module oumicro-onduleur est dédié à un module (ou à 2 modulesdans certain cas).

C’est la meilleur condition d’un rendement élevé et d’uneadaptation optimale de l’onduleur aux modules PV.

Dans le cas d’onduleurs de module, une installation PV eut être étendue sans limitation. Cependant, il faut tenir compte de la forte augmentation du courant alternatif en raison du branchement en parallèle de tous les onduleurs de modules. 14

Configuration avec autoconsommation de l’électricité solaire

Plus les coûts de production d’électricité photovoltaïque baissent, plus il sera intéressant pour un exploitant de consommer lui-même l’électricité qu’il produit.

Consommation propre d'électricité solaire (kWh/a)Consommation propre (%)

Production d'électricité solaire (kWh/a)

Consommation propre d'électricité solaire (kWh/a)Part de couverture solaire (%)

Consommation d'électricité (kWh/a)

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Exemple avec autoconsommation de l’électricité solaire

Maison individuelle à Berlin ayant une consommation électrique annuelle de 3600 kWh et un système PV de 2,2 kWC.

La simulation a permis d’obtenir sur l’année, avec les conditions météorologiques moyennes à Berlin, un part d’autoconsommation de 50 % et une part d’autoproduction de près de 30 %.

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Exemple avec autoconsommation de l’électricité solaire (PV 5kWc)

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Exemple de gestion élémentaire des charges par relais commandé par onduleur

Fonctionnement automatique lave-linge et lave-vaisselle lorsque l’électricité solaire est suffisante. 18

Augmentation de l’autoconsommation par stockage temporaire

La batterie peut ainsi décaler l’électricité solaire du jour vers la soirée ou la nuit. 19

Lieu d’installation de l’onduleur

Le lieu d’installation idéal des onduleurs est un endroit frais, sec, nonpoussiéreux et à l’intérieur. Il est judicieux de les installer à proximité ducoffret du conteur ou à côté du boîtier de jonction si les conditionsambiantes l’autorisent.

Les onduleurs centraux de grande taille sont souvent installés dans unearmoire à onduleur, conjointement avec les dispositifs de protection et decommutation, ainsi que les compteurs.

Les onduleur sont aussi de plus en plus disposés en toiture ou à l’extérieur.Les appareils conçus pour être utilisés à l’extérieur sont préparés auxconditions hivernales extérieures avec une protection contre lerayonnement solaire direct.

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Dimensionnement de l’onduleur en fonction de la puissance

Des consignes de conception et d’installation sont données dans la fichetechnique de l’onduleur. Le niveau de tension et la puissance de l’onduleursont déterminés selon la configuration électrique choisie (centralisée oudécentralisée).

Les puissances du générateur solaire et de l’onduleur doivent êtreharmonisées.

La plage de puissance suivante peut être indiquée pour la conception :

0,8 x PPV < PWR < 1,2 x PPV Recommandation PWR CA = 1,1 x PPV

Le radio de puissance est le rapport entre la puissance du générateur PV etla puissance nominale CA de l’onduleur :

SRCA= PPV / PWR CA 0,83 < SRCA < 1,25 Recommandation : SRCA =0,9

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Rendement annuels en fonction du radio de puissance

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Choix de la tension aux bornes de l’onduleur

La tension aux bornes de l’onduleur résulte de la somme des tensions des module branchés en série dans une chaîne.

Cette tension dépend principalement de la température.

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Nombre maximum de modules dans une chaîne

Le nombre maximum de modules dans une chaîne est obtenu en calculantle quotient de la tension d’entrée maximale de l’onduleur par la tension àvide d’un module à -10°C :

nmax= UWR max / UL (Module -10°C)

UL (Module -10°C) peut être calculé en fonction du coefficient de températurepour la tension bL :

Cas où bL est indiqué en % par °C :

UL (Module -10°C) = (1-35°C x bL / 100 %)x UL (STC)

Cas où bL est indiqué en mV par °C :

UL (Module -10°C) = UL (STC) - 35°C x bL

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Nombre minimum de modules dans une chaîne

Le nombre minimum de modules dans une chaîne est déterminé enfonction de la température en pleine irradiation en été (entre 60°C et70°C).

Le nombre minimum de modules dans une chaîne est le rapport entre latension d’entrée minimale de l’onduleur au MPP et la tension du moduleau MPP à 70°C :

nmin= UMPP (WR min) / UMPP (Module 70°C)

UMPP (Module 70°C) peut être calculé en fonction du coefficient de températurepour la tension bL :

Cas où bMPP est indiqué en % par °C :

UMPP (Module 70°C) = (1+45°C x bMPP/ 100 )x UMPP (STC)

Cas où bMPP est indiqué en mV par °C :

UMPP (Module 70°C) = UMPP (STC) +45°C x bMPP 25

Détermination du nombre de chaînes

Il faut que le courant maximum du générateur PV ne dépasse pas lecourant d’entrée maximum.

Le nombre maximum de chaînes est égale au quotient du courant d’entréeCC maximum admissible de l’onduleur par le courant de chaîne maximum :

nBranche = Imax WR / Imax Branche

Le courant de branche maximum est généralement le courant de court-circuit sous STC. Des irradiations notables supérieures à 1000 W/m2peuvent se produisent. Il faut donc choisir un courant maximum égal à 1,25fois le courant MPP.

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Plage de fonctionnement de l’onduleur

Le dimensionnement de l’onduleur à pour objectif de faire concorder le plus possible tous les points de fonctionnement du système PV avec la plage de fonctionnement de l’onduleur.

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Optimisation de la conception

Les stratégies suivantes sont à suivre afin d’optimiser la conception :

Réduction des pertes par régulation lors des pointes de puissance,

Exploitation d’une plage de fonctionnement en tension à haute niveauénergétique avec un bon rendement de l’onduleur,

Dans le cas des systèmes masqués par une ombre ou d’un montage surchâssis des rangées de modules, il convient que le MPP global en casd’ombre se trouve dans la fenêtre de recherche du MPP de l’onduleur,

Si l’onduleur est exposé à des températures ambiantes élevées, ilconvient de le dimensionner de manière à ce que sa régulation ne réduisepas la puissance de sortie en raison de cette température.

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Adaptation de l’onduleur au réseau

L’onduleur doit pouvoir fournir les services suivants :

Le dispositif de réduction de puissance (régulateur de tension)

Le soutien statique du réseau (fourniture d’une puissance réactiveen fonctionnement normal et réduction progressive de la puissanceactive).

Le soutien dynamique du réseau (Rester sur le réseau en cas dedéfaut du réseau et injection d’une courant réactif pour le soutiendynamique de la tension en cas de creux de tension.

L’onduleur doit être capable de délivrer ou d’absorber despuissances réactives avec des facteurs de puissance capacitifs etinductifs cos j entre 0,95et 1 conformément aux consignes fourniespar le gestionnaire du réseau. 29

Adaptation de l’onduleur au réseau – Cas d’un onduleur de forte puissance

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Dimensionnement des câbles

Une disposition adéquate des modules permet de minimiser lalongueur des lignes de câblage en réduisant les pertes.

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Dimensionnement des câbles

Exemple de schéma de câblage d’un système 6 kW avec onduleurcentral.

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Dimensionnement des câbles

Trois critères essentiels sont à respecter lors du dimensionnement :

la rigidité diélectrique : La tension à vide maximale du générateurPV à -10°C ne doit pas excéder la rigidité électrique du câble. Larigidité électrique des câbles solaires est généralement de l’ordre de1000 V/m,

la réduction des pertes en ligne : Les pertes de puissanceprovoquées par l’ensemble des lignes doivent être limitées à 1% auxconditions STC.

le courant admissible de la ligne : La section des câbles est choisieen fonction des intensités maximales du courants (voir tableausuivant).

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Dimensionnement des câbles –Courant admissible des câbles solaires

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Dimensionnement d’un câble de module ou de chaîne

Il convient de réaliser le câble d’arrivée vers l’onduleur avec la mêmesection, généralement de 4 mm2, que les liaisons de raccordement desmodules.

La majorité des modules sont fournis avec des câbles de raccordementet des connecteurs.

Pour les modules non équipés de câble, on utilise les formulessuivantes pour calculer la section des câbles de module ou de chaîne :

AM=2 x LM x Ist/(1% x UMPP x K)

AM=2 x LM x Ist2/(1% x PSt x K)

AM=2 x LM x Pst/(1% x UMPP2 x K)

La valeur calculée est arrondie à la section de ligne couranteimmédiatement supérieure : 2.5 mm2, 4 mm2 ou 6 mm2. 35

Dimensionnement d’un câble de module ou de chaîne

Les formules suivantes sont utilisées pour calculer les pertes depuissances totales de l’ensemble des lignes de module ou de chaînepour la section choisie :

PM=2 x n x LM x Ist2/(AMx K)

PM=2 x n x LM x Pst2/(AMx UMPP

2 x K)

La distribution dans l’espace des modules peut donner lieu à dessections différentes pour les câbles de chaîne. Dans ce cas, on utilise laformule suivante :

PM=2 x n x Ist2 x (L1/A1+ L2/A2 + L3/A3+ …) /K

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Dimensionnement d’un câble de module ou de chaîneCourbes de longueur de ligne

37

Dimensionnement d’un câble de module ou de chaîneCourbes de longueur de ligne

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Dimensionnement du câble principal de courant continu

Le câble principal de CC ainsi que les lignes communes CC desgénérateurs photovoltaïques partiels doivent pouvoir supporter lecourant maximum produit par le générateur PV.

Ainsi, le câble principal de CC est dimensionné à 1,25 fois le courant decourt-circuit du générateur aux conditions STC.

Imax=1,25 x Ik PV

La section est obtenue à partir de :

AGL= 2 x LGL x In2/((v x PPV-PM) x K) ;

Avec le facteur de perte v=1 % ou v= 2 % pour le concept de bassetension.

Les pertes en ligne réelles du câble principal CC sont calculées par :

PGL= 2 x LGL x In2 /(AGL x K); PGL= 2 x LGL x PPV

2 /(AGL x UMPP2 x K)

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Dimensionnement du câble de raccordement de courant alternatif

Pour des raisons économiques et énergétiques, il est recommandé delimiter les pertes de puissance CA des systèmes PV à 1 % max.

La section pour l’injection monophasée est obtenue par :

AWL=2 x LWL x In AC x cos j/ (1% Un x K)

La section pour l’injection triphasé est :

AWL=31/2 x LWL x In AC x cos j/ (1% Un x K)

Les formules suivantes sont utilisées pour calculer pertes de puissance:

PWL=2 x LWL x In AC x cos j/ (AWLx K)

PWL=31/2 x LWL x In AC x Pn/ (Un x AWLx K x cos j)= 3 x LWL x In

2AC / (AWLx K)

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Protection contre la foudre et mise à la terre et protection contre les surtensions

Dommage provoqués par la foudre sur des modules PV.41

Protection contre la foudre et mise à la terre

Plus la surface de la boucle ouverte dans le circuit électrique dugénérateur est petite, plus la tension d’induction générée par uncourant de foudre dans les lignes de module est faible.

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Protection contre la foudre et mise à la terre

Un système de protection contre les foudre se compose d’undispositif de capture, de descente de paratonnerre (fil de cuivre de16 mm2 minimum) et de l’équipement de mise à la terre.

La flèche ou la profondeurde pénétration p d’unesphère fictive entre deuxdispositifs de capture secalcule par la méthode de lasphère fictive :

P =r –( r2 - (d/2)2 )1/2

r est le rayon de la sphèrefictive,

d est l’écart entre deux tigesde capture. 43

Protection contre la foudre et mise à la terre

Tiges de captureinutilement hautes quiprovoquent des pertespar ombrages.

Hauteur et espacement des tigesde capture déterminés avec laméthode de la sphère fictive.

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Principe de protection contre les sur tensions des systèmes PV

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Dispositifs de protection en courant alternatif (CA) et raccordement au réseau

Les circuits CA photovoltaïque doivent être protégés du côté de latension alternative par des dispositifs de protection CA au niveau dupoint de raccordement :

1. Dispositif de protection du réseau et du système (protection dedécouplage), agissant sur le dispositif de coupure (sectionneurautomatique),

2. Disjoncteur différentiel (DDR : dispositif à courant différentielrésiduel),

3. Disjoncteur MCB pour miniature circuit breaker.

46

Détermination des coûts

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Les systèmes PV raccordés réseauVente totale

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Les systèmes PV raccordés réseauVente du surplus

Disjoncteur

Champ photovoltaïque

Réseau de distribution

Courant continuCourant alternatif

Onduleur

Réseau de distribution

Interrupteur sectionneur

Compteur production

Compteur consommation

Limite de concession

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• Il existe sur le marché de nombreux logiciels qui permettentla planification et le dimensionnement des installationsphotovoltaïques.

• D. MAZILLE, V. BOITIER présentent une étude comparativeentre six logiciels disponibles en version française.

Logiciels pour la planification et le dimensionnement des installations photovoltaïques

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PV Syst est un logiciel développé par l’université de Genève.

Il a la particularité de proposer une version totalement gratuite et complète pendant 30 jours.

Logiciel PVSyst

Téléchargement en mode évaluation pendant 1 mois : http://www.pvsyst.com/fr/download 51

http://www.pvsyst.com/fr/download

Le logiciel Archeliosest conçu par AlainRicaud de l’universitéde Savoie.

Le logiciel esttotalement gratuit,mais sans plugins etsans la base dedonnées.

Logiciel Archelios

Utilisation de Archelios en ligne :https://www.archelios.com/online/bin/Archelios-Online-Login.php?lang=fr

en ligne

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https://www.archelios.com/online/bin/Archelios-Online-Login.php?lang=fr

Le logiciel CalSol estdisponible en ligne.

Ce logiciel n’est pas unlogiciel dédié audimensionnement,néanmoins il fournitun ordre de grandeur.

Il dispose d’autresoutils très pratiquesqui serviront dans lesautres logiciels.

Logiciel CalSol

Utilisation de CalSol en ligne :http://ines.solaire.free.fr/ 53

http://ines.solaire.free.fr/

PVGIS est un logiciel enligne disponible sur le siteinternet de laCommission Européenne.

Il s’agit en fait des carteinteractives couplées àun système de calcul.

Logiciel PVGIS

Utilisation de PVGIS en ligne :Logiciel http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ 54

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Retscreen International est un centre d’aide à la décision sur les énergies propres financé par Ressource Naturel Canada.

La partie photovoltaïque permet d’étudier plusieurs types d’installations.

Logiciel RETScreen

Téléchargement gratuit de RETScreen :www.retscreen.net/ 55

http://www.retscreen.net/

TecSol est un logiciel en ligne.

Il dispose d’outils de dimensionnement des installations photovoltaïques pour un site isolé ou raccordé au réseau.

Logiciel TecSol

Utilisation de TecSol en ligne :http://www.tecsol.fr/calculs/

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http://www.tecsol.fr/calculs/

• Le Logiciel Sunny Design est disponible en versions web et PC.

• C’est un logiciel conçu pour la planification et la configuration desinstallations photovoltaïques.

• Il fournit des recommandations de dimensionnement pour l’installationphotovoltaïque et pour le système photovoltaïque hybride.

• Il propose des générateurs photovoltaïques et des onduleurs quirépondent au mieux aux exigences en termes de puissance, derendement énergétique et de rentabilité.

• Il fournit la possibilité de déterminer et d’optimiser l’autoconsommation,le dimensionnement des câbles et l’analyser de la rentabilité.

https://www.sma.de/fr/produits/logiciel-de-planification/sunny-design-web.html

Logiciel Sunny Design

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https://www.sma.de/fr/produits/logiciel-de-planification/sunny-design-web.html