001_ les sciences de l'installation_solaire_photovoltaique

P.G Lyce Vaucanson 001_Installation_solaire_photovoltaique.docx STI2D T.C.-Page 1

Installation solaire photovoltaque

1 Description : Lnergie produite par le rayonnement solaire est lorigine de toute la vie sur la plante. Cest elle qui permet la croissance des vgtaux, lvaporation de leau de mer crant ainsi le cycle de leau. Cette nergie peut donc tre indirectement utilisable par exemple en brlant du bois pour crer de la chaleur, biomasse actuelle, ou bien en utilisant du ptrole ou du charbon biomasse fossile emprisonne dans la profondeur de la croute terrestre.

Cette nergie solaire peut aussi sutiliser directement en tant convertie en nergie lectrique ou en nergie thermique.

2 Exemples dquipements autonomes :

3 Description dune installation isole : Le schma ci-dessous prsente tous les principaux lments dune installation solaire de production dlectricit photovoltaque en site isol, (non reli la distribution lectrique dEDF).

Lampadaire autonome leds socit NES Energy

Alimentation dun relais de tlcommunication


4 Les diffrentes nergies mises en jeux : Le diagramme ci-dessous nous indique les diffrentes formes dnergie ainsi que les transformations qui permettent de passer de lune lautre1.

5 Le soleil source dnergie : Le soleil est une source dnergie parfaite uniquement les jours sans nuages dautre part lexprience commune nous montre les diffrences entre les jours dt et les jours dhiver concernant la fois lensoleillement et la quantit dnergie reue. Deux problmes se posent donc, bien orienter les capteurs solaires, ensuite estimer la quantit dnergie reue. Evaluer le potentiel dun site en tudiant lincidence des ombres portes sur le champ de capteur. ( on les appellent effet de masque )

Lnergie reue annuelle moyenne est connue en France et est donne titre indicative sur la carte ci-dessous. Ceci ne tient pas compte videmment des effets de masques.

1 Voir Technologies premire STI2D T.1 du rel au modle, Hachette technique, 2011, p. 99.


Pour tudier lincidence des ombres il faut connatre la position du soleil en fonction des coordonnes du lieu, de lheure ( heure solaire ) et de la date de la journe. Pour toute la France on peut approximer la position en prenant 45 de latitude Nord ce qui donne le diagramme suivant :


6 Le panneau solaire photovoltaque : Le panneau solaire est constitu dun assemblage de cellules solaires. Il peut donc tre de diffrentes dimensions. Nous tudions ici les caractristiques du module solaire de la marque kyocera KC-130.

Commenter ces courbes. Quel est leffet de la temprature ? Quel est leffet de lirradiance ?

Pas facile de calculer la position apparente du soleil sur lhorizon !


6.1 Conditions normalises de prsentation des caractristiques dun module :

6.2 Analyse du module PWX850 de Photowatt ( Bourgoin Jallieu )

Les caractristiques sont rsumes ci-dessous :

Nous pouvons vrifier sur les caractristiques I=f(Irradiance) :

Lintensit de court circuit : La tension en circuit ouvert :


7 La puissance lectrique :

7.1 En courant continu

Connectons une source de tension continue de 20V une rsistance de 8 , lorsque linterrupteur est ferm la source dbite un courant lectrique I. Ce courant est du au dplacement des lectrons du ple vers le ple + du gnrateur de tension ( le sens conventionnel positif du courant I est du ple + vers le ple - ).

BAT120V R1

8

Amps

0.00

Volts

+20.0 UI


La puissance dlivre la charge est gale au produit de la tension par lintensit du courant lectrique. Soit ici : 2,5 . 20 = 50 W

7.2 Puissance dlivre par le module solaire :

Pour tudier la puissance disponible en sortie du module solaire il faut tracer la courbe de puissance. Pour cela on dtermine P=f(V) en fonction de lirradiance :

4,5

4,0

5

Volt

Amp

I=f(V) 0,8 Kw/m

3,5

3,0

2,0

1,5

1,0

0,5

10 15 20 25

Caractristique du Module PWX850

2,5

90

5

Volt

P [w]

P=f(V) 0,8 Kw/m

30

20

10

10 15 20 25

40

50

60

70

80

BAT120V R1

8

Amps

+2.50

Volts

+20.0 UI

R18

Amps

+2.50

I

Volts

+20.0 U

P = U . I

0A

Le courant traversant lappareil de mesure de la tension est trs faible, il est donc nglig.


A partir de ce graphe on observe un maximum de la puissance dlivre par le module pour une tension de UM Volt.

Quelle est cette valeur ?

Ce maximum est-il indpendant de lirradiance ?

Consquence, si on branche une batterie de 12 V directement au module solaire avec une diode anti retour selon le schma de principe ci-dessous :

la tension impose au module solaire est alors de : Umod = Ubatt + Uf = 12 + 1 = 13V quelle est la puissance reue par la batterie ? comparer avec la puissance maximale thoriquement disponible.

8 Etude des batteries techno nergie chimique AH SOC Une installation solaire photovoltaque isole, non relie au secteur, doit stocker lnergie. La solution la plus courante consiste utiliser des batteries. Diffrentes technologies de batteries, ou accumulateurs, existent. Citons les accumulateurs au plomb (Pb-PbO2), les accumulateurs au Nickel-Cadmium (Ni-Cd), les accumulateurs Nickel-Metal-Hybride (Ni-MH). Comparons les principales cractristiques :

BATTERIE12V

D1

DIODE

U

U f

Ubatt


Les accumulateurs au plomb sont les plus utiliss pour des raisons conomiques, la raction chimique interne permet de stocker de llectricit lors de la charge et de la restitue lors de la dcharge. Lquation est la suivante :

Laccumulateur au plomb ouvert, ncessite le maintient du niveau de son lectrolyte par des appoints rguliers deau dminralise, peut en fonctionnement dgager des gaz dangereux tel que lhydrogne (H2). De ce fait ce sont maintenant des accumulateurs au plomb ferm tanche, recombinaison de gaz, qui sont utiliss dans les quipements.

8.1 Principales grandeurs caractrisant un accumulateur :

Examinons les caractristiques dune batterie au plomb tanche industrielle


Nous trouvons tout dabord sa capacit soit ici 129 Ah, sa tension nominale 12V.

Nous voyons aussi que la capacit dpend du courant de dcharge, elle varie de 129AH 84,6AH selon la grandeur du courant soit ici 28,4A 338A. La capacit dpend aussi de la temprature.

8.2 Quel diffrence de potentiel trouve ton aux bornes dun accumulateur ?

Un accumulateur au plomb est un systme non linaire, dont ltat de fonctionnement prsent dpend des conditions de ce fonctionnement : courant dbit en charge ou en dcharge, capacit de la batterie ; mais aussi dpend du pass, du vcu en quelque sorte de cet accumulateur.

Nanmoins la mesure de la tension ses bornes, la batterie tant au repos I=0A, permet davoir une ide de la capacit restante. Attention ces mesures sont toujours rapportes un lment de laccumulateur. Donc la mesure est divise par 6 pour un accumulateur 12V, lutilisation dun multimtre 20000 points est indispensable. Une diffrence de potentiel de 0,1V tant significative !

Un autre paramtre trs important est le nombre de cycle c'est--dire le nombre de charge dcharge que peut raliser une batterie durant sa vie. Ce nombre de cycle dpend de la profondeur de celui-ci :


Exemple : si on dcharge la batterie de 30% on peut raliser 900 cycles. Si il y a un cycle par jour cela donne une dure de vie de deux ans et demi.

8.3 Les contraintes respecter dans lutilisation dun parc de batteries.

La bonne utilisation dune batterie doit respecter dune part une charge jusqu une tension maximale ne pas dpasser sous peine de production de gaz, et dautre part interdire les dcharges profondes qui sont trs prjudiciables la dure de vie de la batterie.

Ces fonctions sont ralises par les automates de contrles de la charge et dcharge des parcs de batteries, autrement appels rgulateur solaires. Il en existe de diffrents principes voir plus loin.

8.4 Evaluer ltat de charge SOC (State of Charge).

Au vu de cette tude trs simplifie, on observe la difficult de dterminer la quantit dlectricit disponible un instant t dans un parc daccumulateur. Cette donne est trs importante car cest elle qui permet de dterminer par exemple le nombre de Km restant parcourir pour un vhicule lectrique, avant de tomber en panne dlectricit !

La dtermination du SOC est donc dun enjeux technologique majeur et reste difficile car il faut le dterminer en intgrant toutes les conditions de fonctionnement du parc, son histoire. Cette tche est dvolue des algorithmes pointus danalyse de donnes et didentification, reste lobjet dune recherche scientifique importante.

9 Etude des rgulateurs de charge solaire. Pour protger la dure de vie de la batterie, il est impratif dutiliser une rgulation de charge. Celle-ci peu tre de diffrentes performances selon le fabriquant. Citons les trois principales possibilits :


Rgulation sur la mesure directe de la tension aux bornes des batteries. Autoriser la charge quand la tension mesure aux bornes des batteries est infrieure la valeur maximum possible. Autoriser la consommation dnergie sur la batterie quand la tension mesure est suprieure au minimum possible. Ce fonctionnement est le plus simple et le moins performant. En effet une mesure directe de la tension aux bornes des batteries ne donne quune image imparfaite de ltat de charge de celle-ci.

Rgulation par dtermination du SOC, certains rgulateurs dterminent ltat de charge SOC du parc daccumulateurs par des algorithmes destimation en temps rel. La gestion se fait alors sur cette valeur du SOC.

Rgulation MPPT, La dernire gnration de rgulateur la plus performante dtermine le meilleur point de fonctionnement entre le champ de modules photovoltaques et ltat des batteries. Cest le MPPT qui permet la poursuite du point de fonctionnement optimal. (Maximum Power Point Tracker ).

La gestion de ces rgulateurs fait appel une technique de conception de systme de commandes base sur les automates squentiels. Ceux-ci feront lobjet dun prochain cours.


Pour approfondir

10 Etude de lautonomie dun site isol ( Daprs le sujet de BAC SSI Polynsie 2005)

Le phare de lle noire assure la scurit de la navigation en mer dans la baie de Morlaix, Finistre. Le schma de linstallation est le suivant :

La source lumineuse est une lampe halogne dune puissance de 90 W. Elle est alimente sous une tension continue de 24 V. Un systme optique est mis en place, ce qui permet daugmenter lintensit lumineuse de la lampe et la visibilit du phare. Ce systme optique sappelle lentilles de Fresnel du nom de son inventeur. Il est ralis en polycarbonate.


La commande du phare est lectronique, le coffret et la carte de commande assurent plusieurs fonctions:

Dtection de la luminosit minimale : grce une dtection par cellule photolectrique de la lumire ambiante, le phare va s'allumer automatiquement, ds que la luminosit ne permet plus une visibilit suffisante (nuit, brouillard). Dfinition du rythme du signal lumineux : une mmoire programme contient tous les rythmes normaliss. Le choix du rythme du signal lumineux se fait grce une roue codeuse. Contrle de ltat de la batterie : le phare steint en cas de dcharge excessive de la batterie pour viter de la dtriorer. Elle interrompt galement la charge de la batterie lorsque celle-ci est compltement charge. Contrle de ltat de la lampe : la dtection de fonctionnement de la lampe permet de mettre en route le changeur de lampe si le filament est rompu. Tlsurveillance du fonctionnement gnral : les informations de scurit relatives ltat du phare sont transmises vers un poste de surveillance terre.

La batterie daccumulateur au plomb tanche ralise lalimentation lectrique autonome de la lampe. Les caractristiques sont : Caractristiques :

Tension nominale : 24 V continu Capacit nominale : 250 Ah

Le panneau solaire est constitu de cellules photovoltaques qui convertissent lclairement nergtique du soleil en courant continu. Lassemblage des cellules en srie permet dobtenir une tension compatible avec la charge de la batterie. Le courant produit par le panneau est directement proportionnel lensoleillement reu : le panneau solaire fonctionne comme un gnrateur de courant. Les conditions dinstallation du panneau solaire permettent la meilleure exposition au soleil tout au long de lanne : orientation sud, inclinaison gale la latitude.

Lclairement nergtique dfinit la puissance du rayonnement solaire reue par unit de surface. Il sexprime en W/m2.

10.1 Etude de lautonomie du phare

Calculer lintensit du courant qui traverse la lampe IMAX. Quelles sont les situations mtorologiques qui conditionnent la prise en compte dun fonctionnement autonome uniquement sur lnergie stocke dans les accumulateurs ? On considre une rserve dautonomie de 10 jours comme suffisante. Le graphe ci-dessous donne le cycle de fonctionnement de la lampe du phare L=Lumire O=Obscurit :

Calculer lintensit moyenne consomme pour un cycle.


En hiver la dure de la nuit est de 15 heures. Calculer la quantit dlectricit Qd consomme par le phare en une nuit. ( Q = I . t ) Sur priode de 24 heures (un jour et une nuit), la batterie fournit au phare un courant moyen gal 1,56 A. A laide du document technique N1, dterminer la capacit relle de la batterie C correspondant ce courant de dcharge. Calculer Ta, le nombre de jours conscutifs de fonctionnement quautorise la batterie charge ? La batterie est-elle correctement dimensionne (justifier la rponse) ?

10.2 Dimensionnement du panneau solaire.

A laide de la carte donne ci-dessus, dterminer approximativement Ra lirradiation moyenne reue quotidiennement par le panneau solaire au mois de juillet. En dduire le nombre dheures Te dexposition quotidienne du panneau clairement nergtique quivalent 1 kW/m2. A laide du document technique N1, dterminer la valeur du courant Ip fourni par le panneau expos un clairement nergtique de 1 kW/m2 pour une tension de 24 V. En utilisant les rsultats prcdents, calculer la quantit dlectricit Qp produite par le panneau solaire en un jour.

Au mois de juillet, la quantit dlectricit Qd consomme quotidiennement par le phare stablit 23 Ah en moyenne.

En tenant compte du rendement de la batterie b dfini ci-dessous, calculer la quantit dlectricit Qc fournir la batterie pour assurer sa recharge complte.

Le rendement en quantit dlectricit b dfinit le rapport entre le nombre dAmpre-heures Qd restitus par la batterie lors de la dcharge et la quantit d'lectricit Qc reue lors de la charge : b = Qd / Qc. Ce rendement est estim 85 % dans les conditions de fonctionnement de lapplication.


Conclure quant la capacit du panneau solaire recharger seul la batterie pendant le mois de juillet (le mois le plus ensoleill de lanne).

11 Etude dun site Grenoblois.

Le lyce du Grsivaudan propose sur un site internet spcifique laccs aux donnes de production de sa centrale solaire. Cette centrale est directement relie au rseau EDF.

Le site est visible ici : http://solaire.lgm.ac-grenoble.fr/

Aprs visite du site :

Rsumer ses principales caractristiques. Surface de panneaux, technologie Comparer la production moyenne de deux mois en t et en hiver. En dduire la production moyenne dun m de panneau solaire pendant une anne sur ce site.

12 Analyse dune consommation EDF domestique.

Procurer vous la facture EDF de votre domicile et trouvez le nombre de KWh consomm sur un mois. Dduire la surface de panneaux solaires ncessaire pour assurer seule cette consommation. On ne tient pas compte des problmes de stockage de llectricit ni des cycles jours / nuits.

13 Bilan de consommation. Voil quelques donnes concernant la consommation de quelques appareils lectriques courants :

t pour finir, quelques petits rappels : une TV : entre 60 et 150W un ordinateur portable de bureau : entre 40 et 100W un ordinateur de gamer : environ 500W un vieux frigo : environ 1500 2000Wh/j un frigo A++ : entre 400 et 700Wh/j un frigo solaire A++ : entre 70 et 200Wh/j une lampe incandescence : c'est marqu dessus 40, 60, 75, 100W un halogne: 300 500W une lampe conomie dnergie : entre 9 et 20W une lampe LED : entre 1 et 4W une machine laver: entre 2000 et 3000Wh par cycle une cafetire : 2000W environ un micro ondes : 900W

Vous souhaiter vivre en autonomie complte dans votre chalet en montagne, dimensionner vos besoins en lectricit en fonction de vos choix de matriels. Pour chaque quipement donner : son nom / sa consommation instantane ou journalire / le nombre dheures dutilisation par jour / la consommation totale par jour en Kwh. Puis faire le bilan


14 Puissance dlivre par un module solaire. Pour tudier la puissance disponible en sortie du module solaire il faut tracer la courbe de puissance. Pour cela on dtermine P=f(V) en fonction de lirradiance :

4,5

4,0

5

Volt

Amp

I=f(V) 0,8 Kw/m

3,5

3,0

2,0

1,5

1,0

0,5

10 15 20 25

Caractristique du Module PWX850

2,5

90

5

Volt

P [w]

P=f(V) 0,8 Kw/m

30

20

10

10 15 20 25

40

50

60

70

80


15 Installation solaire photovoltaque relie au rseau

15.1 Une installation solaire relie au rseau est ralise avec des modules solaires dont les caractristiques sont donnes ci-aprs :

Puissance maximale : 130 Watts Tension maximale : 17,6 Volts Courant maximal : 7,39 Ampres Tension circuit ouvert : 21,9 Volts Courant de court circuit : 8,02 Ampres Donner la tension vide dune cellule constituant le module solaire. Reprsenter sur le graphe ci-dessous le point correspondant au courant de court circuit et le point correspondant au circuit ouvert.

Linstallation est compose de 16 modules en srie, donner la tension de circuit ouvert obtenue. La puissance maximale du panneau vaut 130 Watts, aussi appele puissance crte do la valeur de 130 Wc (Watts crte). Donner la puissance crte totale disponible.

Ces caractristiques sont donnes pour les conditions normalises de rayonnement de 1000W/m AM 1.5 et 25C

Un module


La carte ci-dessous donne la quantit dnergie moyenne produite sur une anne par KWc de panneaux installs.

Quelle est la production moyenne prvisible du groupe de panneaux solaires installs Grenoble, (correctement orient vers le Sud avec une inclinaison de 45).

900 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

1100 kWh/kWc

1200 kWh/kWc

1300 kWh/kWc


16 Inclinaison optimale des panneaux solaires. Quils soient photovoltaques ou bien thermiques les panneaux solaires doivent tre orients vers le soleil pour avoir le meilleur rendement possible. Comme la hauteur du soleil sur lhorizon varie en fonction de lheure du jour et de la saison, linclinaison et lorientation optimale est affaire de compromis, moins de monter les panneaux sur un systme de poursuite (tracker) automatique.

Linclinaison des panneaux par rapport lhorizontale est donne sur le graphe ci-dessous, on observe une lgre diffrence selon la latitude du lieu o est implant linstallation :

En France Mtropolitaine on conseil dincliner les modules solaires dun angle de 45 correspondant la latitude moyenne. Justifier cette valeur avec le graphique ci-dessus. Donner linclinaison la plus favorable en Hiver, et en t.

Des considrations architecturales peuvent intervenir. Il y a lieu alors de tenir compte dun coefficient intgrant cette donne. Le croquis ci-dessous2 donne un aperu simplifi de ces valeurs :

Donner linclinaison et lorientation optimale. Combien perd ton en pourcentage si on pose les modules vers le Sud-Ouest verticalement.

2 Source Schneider Electrique


17 Recherche du point de fonctionnement maximum Nous avons ci-dessous la caractristique dun module solaire photovoltaque de 85 W.

Sur la page suivante tracer toutes les caractristiques P=f(U) pour les diffrentes valeurs de lirradiance. Donner ensuite dans un tableau les valeurs Pmax=f(Irradiance)


Le fonctionnement dune cellule solaire

1 Lnergie solaire Une cellule solaire photovoltaque transforme lnergie reue dorigine rayonnante en lectricit. Lnergie rayonnante provient dune source lumineuse, naturelle le soleil, ou artificielle.

La puissance du rayonnement solaire est de lordre de 1350 Watt par m la limite de latmosphre. Ce rayonnement est ensuite absorb en partie par latmosphre et certaines composantes monochromatiques vont tre absorbes, ce qui donne les pics sur le graphe ci-dessous.

Lnergie porte par une onde lectromagntique monochromatique est associe un corpuscule nomm photon elle est lie la frquence de cette onde :

E = h .u (J) h constante de Planck h = 6.62606910-34 J.s et 1 eV = 1,6021765310-19 J

La longueur donde l dun rayonnement monochromatique est lie la frquence u par la relation :

u = c/l (Hz) o c est la vitesse de la lumire c=3.108 ms-1


La figure ci-dessous nous montre la correspondance entre lnergie dun photon sa frquence et sa longueur donde.

2 La cellule solaire

2.1 Une cellule solaire est constitue datomes de silicium.

Les atomes sont constitus dun noyau et dlectrons qui gravitent autour. Le modle utilis pour reprsenter latome vient de lanalogie avec le systme solaire, le soleil et les plantes gravitant autour. En fait cette reprsentation est assez simplifie. Les lectrons occupent des distances entre eux et le noyau qui sont mesures en niveaux dnergie.

Les atomes sont relis entre eux en partageant, dans certaines conditions, des lectrons. Ce sont des liaisons de covalence. Sur la figure ci-contre on observe une schmatique datomes de Si qui partagent chacun 4 lectrons avec leurs voisins proches.

Le dopage consiste introduire des impurets dans le Silicium soit en ajoutant des atomes de Phosphore ( dopage N) ou de Bore ( dopage P ). Lassociation dune couche mince dope N avec un substrat dop P donne une cellule photolectrique, ( paisseur 1 mm).


Les niveaux dnergie occups par les lectrons dpendent du matriau. La bande de valence reprsente les niveaux dnergie des liaisons entre les atomes, la bande de conduction les niveaux dnergie o les lectrons sont librs de lattraction du noyau et de la liaison covalente, ils deviennent mobiles sous laction dun champ lectrique, se sont des lectrons libres.

La figure ci-dessous prsente les trois catgories de matriaux, isolants, semi-conducteurs, conducteurs. Quobservez-vous ?

La cellule solaire photovoltaque est un semi-conducteur. Pour que le courant lectrique soit produit il faut que lnergie incidente soit suprieure au gap du matriau, Eg=1,1eV pour du silicium. ( Entre 0,7 et 4eV pour un matriau photovoltaque solaire ).

Le modle plantaire dun atome


3 Fabrication des modules solaires Les modules solaires industriels sont fabriqus avec du silicium. Les procds de fabrication du silicium sont proches de ceux utiliss pour les technologies de composants lectroniques numriques. Le cycle ci-dessous donne un aperu des grandes tapes de la fabrication dun module solaire.

4 Du rel au modle Le modle quivalent dune cellule photovoltaque et par consquence dun module photovoltaque a t labor.

Voil un projet dutilisation des possibilits de simulation de matlab / Simulink


Pour approfondir

1 Energie transporte par les photons la limite du spectre visible

Les longueurs dondes du spectre visible stendent de l = 0,4 mm pour lultra violet l = 0,78 mm pour linfra rouge. Calculer lnergie transporte par les photons dans ces deux cas de figure, on exprimera cette nergie en eV.

h = 6.62606910-34 Js 1eV = 1,6021765310-19 J c=3.108 ms-1

2 Technologie des cellules solaires Faites une recherche sur les diffrentes technologies des cellules solaires.

o Quels sont les diffrents matriaux utiliss. o Quelles sont les diffrentes performances des cellules en fonction de la nature de leur matriau. o Etudier la plus ou moins grande sensibilit de la technologie au spectre de la lumire reu. o Perspectives de la recherche actuelle.

3 Le problme du point chaud, ou hot spot Considrons trois cellules photovoltaques montes en srie. (Rappelons quun module solaire comprend souvent 36 cellules montes en srie). Les cellules A et B sont claires de manires identiques et sont la mme temprature. La cellule C est partiellement occulte. Les caractristiques

I=f(U) pour les trois cellules sont donnes graphoquement.

Tracer sur le graphe la caractristique globale quivalente lensemble des trois cellules. Pour le faire on balaye le faisceau des trois caractristiques ( droite Ligne I commun aux trois cellules ) et on relve Ua,Ub,Uc. on trace alors le point obtenu I,Ua+Ub+Uc. On arrte le trac quand Uc+Ub+Ua=0.

Cette valeur correspond la cellule C qui, en polarisation inverse a sa tension qui annule les tensions produites par les cellules A et B il ny a donc plus de courant dans le circuit.

Cette cellule ne fonctionne plus en gnrateur, elle doit dissiper la puissance I.U, cest le phnomne de point chaud.


Cellule

ACellule

B

Cellule

C

I

0,5

-0,5

0,1

I1

Ligne

I co

mmun

aux

trois

cellule

s

I0

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