Le solaire Le solaire PhotovoltaïquePhotovoltaïque

Formation à destination de la Formation à destination de la STS Electrotechnique.STS Electrotechnique.

Louis ArmandLouis Armand

PlanPlan

Module 1: GénéralitésModule 1: Généralités

Module 2: Sites raccordés au réseauModule 2: Sites raccordés au réseau

Module 3: Sites isolésModule 3: Sites isolés

Module 1: Module 1:

GénéralitésGénéralités

ApplicationsApplications

Satellites

Production raccordée au réseau, la plus forte croissance depuis années 90 grâce à des incitations financières

(tarif rachat du kWh)

De façon marginale : véhicules (courses sunracers)bateaux...

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

Un marché en forte progressionUn marché en forte progressionau niveau mondialeau niveau mondiale

Croissance actuelle de la filière mondiale = 30%

Un marché en forte progressionUn marché en forte progressionau niveau mondialeau niveau mondiale

L’effet photovoltaïqueL’effet photovoltaïque

Les cellules sont des semi conducteur fabriquées en silicium cristallin puis dopé d’atomes étrangers (bore et phosphore) qui permettent la création d’une jonction PN.Lorsque un photon heurte la surface de la cellule, le transfert de son énergie produit la rupture d’une liaison entre un électron et son atome et libère ainsi l’électron, particule négative, ce qui crée un « trou », chargé positivement. Ceci induit une différence de potentiel entre les deux couches de l’ordre de 0.6V.

Schéma équivalentSchéma équivalent

Cellule Modèle idéal.

Iph proportionnel à l’ensoleillement.

Courbes caractéristiquesCourbes caractéristiques i=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wci=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wc

Courbes caractéristiquesCourbes caractéristiques p=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wcp=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wc

Courbes caractéristiquesCourbes caractéristiques Effet de l’ensoleillementEffet de l’ensoleillement

Courbes caractéristiquesCourbes caractéristiques Effet de la températureEffet de la température

Différentes technologies deDifférentes technologies defabricationfabrication

Silicium multicristallin (52,3% du marché)

Silicium monocristallin (38,3% du marché)

Couches minces et divers– Silicium Amorphe (4,7 % du marché)– CdTe - Cadmium Tellure (1,6% du marché)– CIS - Cuivre Indium Sélénium (0,2% du marché)– Silicium cristallin en ruban (2,9% du marché)

Cellules: rendement et surface Cellules: rendement et surface nécessairenécessaire

Part de marché: Mono-cristallin : 38%

Polycristallin : 52%

Les différentes formes de modulesLes différentes formes de modules

Les capteurs les plus courants sont des panneaux rectangulaires utilisant les technologies du silicium cristallin.

Ces capteurs sont souvent installés par dessus la toiture existante d’une maison en surimposition,ou sur châssis lorsqu’on les pose sur le sol ou sur une toiture terrasse.

Arrivent aujourd’hui des produits tels que des tuiles et ardoises photovoltaïques, ou des éléments de façade ou verrières qui rendent beaucoup plus facile l’intégration dans la couverture extérieure des bâtiments.

DéfinitionsDéfinitions

Puissance crête : Puissance instantanée maximale Puissance instantanée maximale délivrée par undélivrée par un

module sous conditions standardisées exprimée en Wc.module sous conditions standardisées exprimée en Wc.

La puissance est proportionnelle à la taille de la cellule.La puissance est proportionnelle à la taille de la cellule.

Conditions standards de test : éclairement de 1000 W/m²éclairement de 1000 W/m² Air-masse de 1,5 (AM1,5) def. d’un spectre solaire Air-masse de 1,5 (AM1,5) def. d’un spectre solaire

standardstandard Température de 25°CTempérature de 25°C

Données techniques d’un moduleDonnées techniques d’un module

Conformément à la NF EN 50380 les grandeurs caractéristiquessuivantes doivent apparaître dans les spécifications techniques

desmodules, elle sont données en STC:

P crête (avec la tolérance de puissance) UMPP: La tension a puissance maximum. IMPP: Le courant a puissance maximum. U0 : la tension à vide. Icc : Le courant de court circuit. Coef. de température de la tension, du courant et de la

puissance

Diodes By-PassDiodes By-Pass

Des qu’une ombre apparaît sur une cellule, celle-ci ne peut plus produire de courant. Elle se comporte alors comme une diode polarisée en inverse.

Si I ne circule plus dans une cellule, il ne circule pas non plus dans les cellules reliées en série.

L’ombrage d’une cellule peut donc avoir des conséquences directes sur le rendement du module.

Protection par diode By-Pass: la cellule à l’ombre est court-

circuitée.

Rendement des cellules, des modules Rendement des cellules, des modules et du systèmeet du système

Cellule: η ≈ 20%

Module: Le rendement des modules se calcul par rapport à la surface totale des modules donc inférieur à celui d’une cellule du fait des espaces inutiles entre les cellules.η ≈ 12%

Système: nouvelle diminution du rendement due:- aux disparités entre les modules du générateur- au manque d’éclairage

η système = η module (0.12) . η onduleur (0.90) . η câble (0.99) = 10%

Production attendueProduction attendue

Plusieurs facteurs peuvent affecter la production d’un site

photovoltaïque :

La localisation géographique.

L’implantation du système, c’est-à-dire son orientation et son inclinaison.

Les ombrages éventuels.

Production attendueProduction attendueFacteur géographiqueFacteur géographique

En France les panneaux doivent idéalement être exposés plein sud et être inclinés à 30 degrés par rapport à l’horizontale pour produire un maximum d’énergie sur l’année.

Cependant des écarts de plus ou moins 45° par rapport au sud (c’est à - dire de sud-est à sud-ouest) et une inclinaison de 20 à 60° par rapport à l’horizontale sont acceptables et n’engendrent pas de baisse de production importante.

Production attendueProduction attendueFacteur inclinaison et orientationFacteur inclinaison et orientation

Production attendueProduction attendueFacteur inclinaison et orientationFacteur inclinaison et orientation

Principes fondamentaux:

Plus la toiture est plate plus elle peut s’écarter du Sud.

Il n’existe aucune différence entre les écarts vers l’Est ou vers l’Ouest. (Choix en fonction des ombrages).

Origine:Origine:

Arbre, bâtiment ou relief naturel installé plus au sud queArbre, bâtiment ou relief naturel installé plus au sud quel’installation.l’installation.

Evaluation:Evaluation:

Selon la taille et la hauteur de l’obstacle, sont impact seraSelon la taille et la hauteur de l’obstacle, sont impact seraplus ou moins important.plus ou moins important.

Il faut donc effectuer un relevé de masqueIl faut donc effectuer un relevé de masque . .

Production attendueProduction attendueFacteur ombrageFacteur ombrage

Module 2: Module 2:

Sites raccordés au réseauSites raccordés au réseau

Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnementInjection du surplus de la production

L’électricité produite est auto-consommée sur place sans être préalablement comptabilisée

Le surplus est comptabilisé par un compteur et vendu à EDF.

Le complément éventuel des consommations est acheté à EDF

Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnementInjection de la totalité de la production

L’électricité produite estentièrement comptabiliséepar un compteur de production et vendue à EDF.

Les consommations dusite sont comptabiliséespar un compteur spécifiqueet facturées par EDF.

Fonctionnalités et exigences d’un Fonctionnalités et exigences d’un onduleuronduleur

Conversion de l’énergie électrique

Recherche automatique du point depuissance maximale

Protection des biens et des personnes

Rendement élevé, même en charge partielle

Fonctionnement fiable, y compris pour des températures extérieurs élevées

Fonctionnalités d’un onduleurFonctionnalités d’un onduleur Conversion de l’énergie électrique

L’onduleur converti lecourant continu en courantalternatif 230V synchrone avec

leréseau EDF.

La conversion est gérée par micro-processeurs afin de garantirun courant alternatif respectant

lesnormes de qualité.

Fonctionnalités d’un onduleurFonctionnalités d’un onduleur Recherche automatique du point de puissance maximale

Les différents types d’onduleursLes différents types d’onduleurs

Les modules photovoltaïques peuvent être branchés en parallèle, en

série ou en combinant les deux. Le type de branchement influencele choix de l’onduleur.

Différents types d’onduleurs:

Onduleur centralisé pour la totalité du générateur photovoltaïque

Onduleur « string » pour le montage sur chaque string

Onduleur modulaire pour chaque module photovoltaïque, avec intégration au module possible.

Les différents types d’onduleursLes différents types d’onduleursOnduleur centralisé

Un seul onduleur pour la totalité dugénérateur.Le générateur se compose souvent deplusieurs rangées, chacune disposantd’un maximum de modules branchésen série.

Caractéristiques:Mono ou triphasé –injection en BT ouHTA

Avantages:Possibilité d’avoir des puissancesimportantes jusqu’à plusieurs MW.Robuste

Les différents types d’onduleursLes différents types d’onduleursOnduleur string

Un onduleur par rangée « string » de 10 à 20

modules.

Caractéristiques:Monophasé – injection en BT

Avantages:Bien adapté en cas d’ombres sur des

modulesAinsi qu’a des inclinaisons et orientationsdifférentes des rangées.

Les différents types d’onduleursLes différents types d’onduleursOnduleur modulaire

Un onduleur par module.L’onduleur est intégré au module, c’estdu «prêt a brancher ».

Caractéristiques:Monophasé – injection en BT

Avantages:Pas de câblage en DCUn module ombragé ou en panne n’a

aucuneconséquence sur le reste de l’installation.

Données techniques d’un onduleurDonnées techniques d’un onduleur

Coté générateur: Puissance nominale CC et puissance maxi CC. Courant nominal CC et courant maxi CC Tension nominale CC et tension maxi CC. Gamme de tension MPP pour un fonctionnement

normal. Puissance de mise sous tension et hors tension.

Coté réseau: Puissance nominale AC et puissance maxi AC. Courant nominal AC et courant maxi AC

Module 3: Module 3:

Sites isolésSites isolés

PhilosophiePhilosophieAvant d’électrifier un site isolé, il estindispensable de bien recenser ses besoins et deles limiter au strict nécessaire: Quels appareils? Combien de temps par jour? Combien de jours dans l’année?

Le dimensionnement doit toujours être réalisé auplus juste, le coût d’un système en site isolé étantparticulièrement élevé.

Schéma de principeSchéma de principe

Composants d’une installation Composants d’une installation autonomeautonome

Rôle du régulateurRôle du régulateur

Réguler la charge et la décharge de la batterie pourempêcher le vieillissement prématuré de celle-ci:

Éviter les décharges profondes (sulfatation des plaques)

Éviter les surcharges qui entraînent une perte en eau (ébullition)

Batteries: particularitésBatteries: particularitésElles doivent: Etre résistantes aux cycles répétés. Avoir un bon rendement de charge même pour de courant de

charge faibles Avoir une faible auto décharge( env. 3%/mois).

Des batteries plomb spécifiques pour les applications solaire ont été

développés (chaque cellule de batterie a une tension nominale de 2V)

soit des batteries de 12, 24 ou 48V.

Dimensionnement simplifiéDimensionnement simplifié

Bilan énergétique des appareils à alimenter.

Détermination de la capacité des batteries.

Détermination de la puissance crête

Dimensionnement simplifié Dimensionnement simplifié Bilan énergétique des appareils à alimenter

Tension d’alimentation des appareils (12V, 24V, 48V)

Puissance instantanée

Nombre d’heures d’utilisation par jour

=Besoins journaliers Bj en Wh/jour

Dimensionnement simplifié Dimensionnement simplifié Détermination de la capacité des batteries

On détermine une durée d’autonomie pendant laquelle les batteries pourront alimenter les charges sans l’aide des modules photovoltaïques

avec:Autonomie : généralement 5 joursDegré de décharge généralement compris entre 50 et 70%

Dimensionnement simplifié Dimensionnement simplifié Détermination de la puissance crête

La puissance crête de l’installation est obtenue par la formulesimplifiée suivante :

avec:– H ijmin rayonnement journalier minimum dans le plan des

modules– Rendement énergétiques des batteries = 70%– Rendement énergétique des autres composants = 90% La tension d’utilisation détermine le nombre de modules en

série. On en déduit le nombre de branches de modules en parallèle.