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Energie solaire photovoltaïque
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Sommaire
- Généralités
- La ressource
- Les panneaux
- Le système
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Historique
1839 : effet photovoltaïque Becquerel sur un couple électrochimique
1877 : 1ère cellule PV au sélénium
1954 : 1ères cellules PV au silicium le rendement passe de 4,5 % à 6% en quelques mois
1955 : 1ère commercialisation cellule PV 14 mW (2%) $25
1958 : satellite avec cellules PV (ont fonctionné 8 ans)
années 60 : montée des rendements et des puissances(Japon 1963 : 242 W sur une maison)
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Croissance de la filière
Près de 100 GWc cumulés fin 2012 pour une production d’environ de plus de 10 TWh
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Des applications décentralisées
Satellites
Electrification des sites isolés, notamment :pompage d ’eaubalises…pays en développementloisirs
De façon marginale : véhicules (courses sunracers)bateaux...
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Plus de puissance … et le réseau
• Toit solaire – utilisation
« individuelle » – raccordés au réseau
électrique
Centrale des Mées (04)Octobre 2011Puissance 12 MW, 25 ha couverts par 55 000 panneaux,
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Consommation humaine : 135.1012 kWh primaires dont14.1012 kWh électriques
Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : 720.1015 kW.h
Selon les régions : 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 1 kW/m²
Une grande part de cette puissance peut être directement et aisément convertie en chaleur,une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité
La ressource solaire
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Spectre du Soleil
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Spectre du SoleilAM = air mass
AM 0
AM 1,5
Rayonnement absorbé par l’atmosphère (O2, CO2, H2O…)
AM 1,5
AM 0
AM 1
48° 30°
AM 2
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Production annuelle d’énergie:
kWh/m2.an
Pour un calcul rapide
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Carte solaire de la France
5,2
5,7
5,3
4,8
Pour un calcul plus précis
kWh/m2.jour
Orientation Sud,inclinaison égale à la latitude
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Ensoleillement W/m2
Rayonnement en fonction de la météo
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Rayonnement Global =Rayonnement direct + Rayonnement diffus + Rayonnement réfléchi *
*( albédo x rayonnement total horizontal)
PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire
Rayonnementdirect
Diffusion par les molécules d’air, Diffusion par aérosols
Rayonnement du à l’albedo
Rayonnement diffus
14PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire
Station météorologique de Lyon (rayonnement global horizontal)
Un jour d’hiver ordinaire75 % de diffus
Un beau jour d’été 30% de diffus
Heure solaire (h)
Heure solaire (h)
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Le mouvement de la Terre autour du Soleil
• La terre tourne autour du soleil en décrivant une ellipse de faible excentricité et de période :365 jours et ¼
Hmax = hauteur du soleil à midi – φ = latitude du lieu
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Trajectoire annuelle et journalière du soleil (hémisphère nord)
O
S
N
E
4 h 00
8 h 33 6 h 20
21 décembre
21 septembre
21 juinZénith
21 mars
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Masques Solaires
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Courbes d’ensoleillementLyon plein sud
En kWh/m²/j
Jan Fev Mar Avr Mai Jun Jui Aou Sep Oct Nov Dec
0°30°
60°
90°
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Cellule : diode PV élémentaire dimensions de l’ordre de qq cm, qq watts
Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle32, 36, 72, 216... cellules, qq 10 à qq 100 watts
Typiquement : modules de 100 W (1 m²) avec 72 cellules en série (34 V) ou 2 x 36 (série – parallèle 17 V)
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Eléments d’un système PV
Soleil
Panneau
Régulateur Utilisation directe
Accumulateur
Onduleur
Utilisation AC
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L’idéal est que l’installation soit orientée côté SUD.
NORD
SUD
ESTOUEST
TOIT
PANNEAUXSOLAIRES
ORIENTATION ET INCLINAISON
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ORIENTATION ET INCLINAISON
L’inclinaison des panneaux doit prendre en compte :
L’angle par rapport de l’horizontale.
On considère que l’on a une perte d’ensoleillement de 20%
SUD
Angle d’inclinaison 60 °
60°90°
Angle d’inclinaison 90 °
90°
Angle d’inclinaison 90 °
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Facteur de correction ( pour projet simplifié )
ORIENTATION ET INCLINAISON
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Rendement de captation en fonction de l’orientation et de l’inclinaison
Exemple à LYON, représentatif de la France Métropolitaine en zone urbaine
Disque pour calcul du « Facteur de Transposition (FT) »
Capteur horizontal 0°
Capteur vertical 90°
Inclinaison 30°
Orientation SE
Rendement 95%
FT = 1,05
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TYPES D’INSTALLATIONS EN TOITURE
Pose sur toiture
(surimposition)
Pose en encastrée
( intégré )
SURFACE POUR L’IMPLANTATION
Avantages : * Économie de matériaux de construction
* Meilleur esthétique
Avantages : * Prix moins élevé que pour l’intégré
* Simplicité de mise en place
* Pas de pertes dues à l’augmentation de Inconvénients : * Fixation sur le toit, traversées de câbles
* Moins bonne esthétique
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Matériaux
Silicium monocristallin
12 à 14 %. polycristallin
10 à 12 amorphe
6 à 8%. Applications intérieurs, moindre coût
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Coefficient de structure
Le coefficient de structure dépend du type de panneaux et de leur ventilation.
Le coefficient de structure : CS
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OMBRAGE
L’ombrage prend en compte les obstacles existants naturels
( arbres, reliefs ) ou artificiels ( pylône, bâtiments, câbles) et
la course du soleil ( sur la journée, sur l’année ).
SUD 30
°
Obstacle naturel : arbre
60°
Obstacle naturel : arbre
SUD 30
°
Obstacle naturel : arbre
60°
Obstacle naturel : arbre
Le facteur d’ombrage : FO
Sans ombrage : 1
Avec ombrage :0,8
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OMBRAGE
Il faut penser à tout ce qui peut faire de l’ombre
Sans oublier les poussières et les salissures.Les panneaux doivent être nettoyés
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L’AlbèdoGrandeur sans dimension, c’est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface, à l'énergie solaire incidente.
Comprise entre 0 à 1
Surface de lac, noir de fumée, 0,02 à 0,04
Forêt de conifères 0,05 à 0,15
Surface de la mer 0,05 à 0,15
Sol sombre 0,05 à 0,15
Cultures 0,15 à 0,25
Sable léger et sec 0,25 à 0,45
Glace, papier blanc 0,60 à 1
Neige tassée 0,40 à 0,70
Neige fraîche 0,75 à 0,90
Miroir 1
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Cellule photovoltaïque (principe)
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T.k
V.e
sccp
p
e.I)E(II
Convention diode récepteur
Ip
Vp
E éclairement W/m²
Convention diode générateurVp
Ip
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Caractéristique courant tension puissance d’une
cellule
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Panneaux PV• Influence de l’éclairement, de la température
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Caractéristiques d’un module photovoltaïque
au silicium cristallin selon la température
Amorphe : 0,21%/ °C
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Température d’un module au silicium cristallin en fonctionnement
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Cellule photovoltaïque, mise en série et en parallèle :
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Caractéristiques d’un champ PV
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Cellule photovoltaïque, protection par diode bypass:
Pour limiter la tension inverse à une valeur acceptable(point de vue thermique ou avalanche) :diodes de protection BYPASS
Pour limiter le nombrede diodes de protection(soucis économique) :
une seule diode par groupede 24 cellules environ
les diodes bypass ne conduisent qu’en situation de déséquilibre, et limitent la perte de puissancela caractéristique I(V)est néanmoins modifiée.
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Effet des diodes bypasssur les caractéristiques résultantes I(V)
Un module « isolé » par sadiode antiparallèle
Caractéristiques réellesd’un système avec cellules vieillieset une importante couche de poussière
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RégulateurParamètres 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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BatteriesParamètres 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
Durée de vie d'une batterie en fonction de la profondeur de décharge
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Capacité d’une batterie d’accumulateursLa capacité d’une batterie correspond à la quantité d’électicité
qu’elle peut restituer. On la note en Ampère heure. La capacité nominale vaut
CN = TN IN
Par exemple C10 = 105 Ah signifie qu’elle pourra restituer CN =105 Ah pour une décharge de IN = 10,5 A pendant TN = 10 heures.
Cette capacité est fonction de la température, elle augmente lorsque la température augmente.
Elle dépend du courant de décharge: Elle augmente quand le courant est plus faible que le courant nominal.Elle diminue dans le cas contraire. La variation de la capacité peut être calculée par la loi de Peukertpour laquelle la capacité Cpx, pour un courant de décharge Ix s’écrit:avec k 1,3 k
x
xxP
I
IC
N
N
I
*T
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Batteries (charge)3 phases de charge :
Imax, floating, egalisation
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Batteries (rendement)
moyen de 0,7
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L’onduleur• Fonctions :
– Convertit le courant continu en courant alternatif usuel en phase avec le réseau
– Fait fonctionner les capteurs PV au maximum de leur puissance (MPPT) quelque soient l’ensoleillement et la température
– Se déconnecte en cas d’absence de tension du réseau – Protection des personnes par contrôle d’isolement du
circuit continu
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OnduleurParamètres de choix : autonome / connecté au
réseau,puissance,tension d’entrée,cos max,forme d’onde,conso à vide (%de Pnom)
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autoconsommation Vente totale de la production