Cours PV complet PDF

Plan du cours  Introduction o Energies renouvelables  Rayonnement solaire  Rappel sur les matériaux o Isolant, conducteur, semi-conducteur, o Jonction PN  Effet photovoltaïque o Effet photo-électrique o Modèle électrique d’une cellule PV  Optimisation de la puissance PV  Techn...

Plan du cours  Introduction o Energies renouvelables  Rayonnement solaire  Rappel sur les matériaux o Isolant, conducteur, semi-conducteur, o Jonction PN  Effet photovoltaïque o Effet photo-électrique o Modèle électrique d’une cellule PV  Optimisation de la puissance PV  Technologies photovoltaïques  Dimensionnement d’une installation photovoltaïque o Panneaux PV, régulateurs, onduleurs, Batteries, câbles o Logiciel PV syst Pof. MRABTI tarik 1 Sources d’énergie renouvelables Pof. MRABTI tarik 2  Energie solaire thermique (CSP)  Centrale à capteurs paraboliques ou cylindro-paraboliques Les miroirs paraboliques sont concentrés sur des tubes où un liquide caloporteur est porté à haute température Pof. MRABTI tarik 3  Energie solaire thermique (CSP) Principe de fonctionnement Cette technologie utilise la chaleur des rayonnement solaire 1 Miroirs cylindro-paraboliques 2 Tube contenant un fluide caloporteur 3 Générateur de vapeur: le fluide à 400C°, à son tour chauffe de l’eau pour produire de la vapeur 4 Turbine: transformation de l’énergie cinétique en énergie mécanique 5 Alternateur: énergie électrique 6 Condensateur: condenser la vapeur afin de redevenir de l’eau qui répartira vers l’échangeur de chaleur Pof. MRABTI tarik 4  Energie solaire thermique (CSP)  Centrale à capteurs plans (tour) Des miroirs captent le rayonnement solaire en un point (chaudière) de façon à générer des températures très élevées (de 400 à 1 000 °C). La chaleur obtenue transforme de l'eau en vapeur d'eau dans une chaudière. La vapeur sous pression fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur. L'alternateur produit un courant électrique alternatif. Pof. MRABTI tarik 5  Energie éolienne L’énergie éolienne est l’énergie du vent. C’est une énergie plus respectueuse de l’environnement que les énergies classiques telles que les combustibles fossiles ou l’énergie nucléaire, car elle cause moins de pollution. Quoique le vent soit une source d’énergie gratuite, sa puissance varie considérablement en fonction du lieu et du moment ainsi que du climat et des saisons. Le vent ne peut assurer un apport énergétique régulier et il est difficile à contrôler. Toutefois, il est possible de prévoir la vitesse moyenne du vent, sa direction et son intensité dans certains lieux Il existe deux types d’éoliennes, les unes avec un axe horizontal, parallèle au sol, et les autres avec un axe vertical, perpendiculaire au sol. Les plus vieux modèles d’éoliennes étaient munis de nombreuses pales. Les éoliennes modernes comptent en général trois pales. L’éolienne à axe horizontal tourne dans un plan vertical et doit être face au vent pour être efficace. Pof. MRABTI tarik 6  Energie éolienne  Le vent fait tourner les pales de l’éolienne, solidaires du rotor. o Un rotor à faible vitesse de rotation qui transforme l’énergie du vent Le rotor tourne à l’intérieur du stator. Lorsque l’aimant du rotor passe à en énergie mécanique (le rotor comprend les pales et l’arbre principal). proximité de l’une des bobines du stator, les électrons contenus dans la bobine se déplacent, générant un courant électrique, c’est-à-dire o Une génératrice qui produit de l’électricité. À l’intérieur, on trouve des qu’ils délivrent une tension sinusoïdale. aimants et une bobine autour de laquelle est enroulé un long conducteur en cuivre. Quand l’aimant tourne, l’électricité est produite dans la bobine. Pof. MRABTI tarik 7  Energie géothermique L’eau chaude contenue dans le sol près d’un volcan, d’un geyser ou d’une source thermale est amenée par forage dans un circuit pour en extraire la vapeur afin de produire de l’électricité. Pof. MRABTI tarik 8  Energie biomasse Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d'énergie. les ressources constitutives de la biomasse: les produits issus de l’agriculture les ressources halieutiques : produits animaux de la mer et des zones humides et leurs déchets, algues et microalgues le bois des forêts qui fournit en majeure partie les ressources de bois-énergie les déchets naturels du bois et de la forêt les déchets issus des industries agro-alimentaires, des habitations et des collectivités urbaines Pof. MRABTI tarik 9  Energie biomasse Une centrale biomasse produit de l’électricité à partir de la vapeur d’eau qui se dégage lors de la combustion de matières végétales ou animales, effectuée dans une chambre de combustion. Ce processus se fait en plusieurs étapes : 1 La combustion : La biomasse est brûlée dans une chambre à combustion. 2 La production de vapeur : La biomasse dégage de la chaleur qui va chauffer de l'eau dans une chaudière. L'eau se transforme en vapeur, envoyée sous pression vers des turbines. 3 La production d'électricité : La vapeur fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif. Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à moyenne et haute tension. 4 Le recyclage : A la sortie de la turbine, une partie de la vapeur est récupérée pour être utilisée pour le chauffage. C'est ce que l'on appelle la cogénération. Pof. MRABTI tarik 10  Energie hydraulique La première fonction du barrage est simple, elle est de retenir une importante quantité d'eau dont la principale raison est de produire de l'électricité et pour cela il suffit d'ouvrir les vannes pour que l'eau s’engouffre dans d'un canal pour être par la suite dirigée vers une centrale hydraulique qui est située en contre-bas pour augmenter la hauteur de la chute. A la sortie de la conduite, la pression et/ou la vitesse entraîne la rotation d’une turbine qui est reliée à un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. L'énergie produite dépend de la puissance de l'eau qui dépend du débit et de la hauteur de la chute. L'eau est ensuite relâché pour reprendre le cours normal de la rivière. Pof. MRABTI tarik 11  Potentiel solaire marocaine Avec 3 000 heures d’ensoleillement par an et une irradiation moyenne de plus de 5 KWh/m², Pof. MRABTI tarik 12  Rayonnement solaire Pour pouvoir dimensionner une installation solaire, il est nécessaire de connaître la quantité d'énergie disponible. Dans un plan donné, l'irradiation incidente, appelée irradiation globale, est la somme de trois composantes (ou deux si le plan est horizontal) : - l'irradiation directe (kWh/m²/j), qui provient directement du soleil. Cette composante est nulle lorsque le soleil est caché par des nuages ou par un obstacle(bâtiment, masque lointain). - l'irradiation diffuse (kWh/m²/j) qui correspond au rayonnement reçu de la voûte céleste, hormis le rayonnement direct. - l'irradiation réfléchie (kWh/m²/j) qui correspond au rayonnement renvoyé par le sol et l'environnement. Cette composante est nulle sur un plan horizontal. Pof. MRABTI tarik 13 Rayonnement solaire Pof. MRABTI tarik 14  Rayonnement solaire: coordonnées azimutales Pour repérer la position du soleil dans le ciel, on utilise deux angles : La hauteur X : angle entre la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal L’azimut Y : angle entre cette projection et la direction du Sud : il est compté positivement vers l'Ouest et négativement vers l'Est. Pof. MRABTI tarik 15  Rayonnement solaire: coordonnées azimutales Diagramme de la trajectoire du soleil Pof. MRABTI tarik 16  Rayonnement solaire: Spectre solaire Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde (λ) s’étend du ultraviolet (0.2µm) à l’infrarouge lointaine (2.5µm). Chaque photon transporte une énergie Eph, qui s’écrit sous la forme : Où : h: la constante de Planck, c: la vitesse de la lumière. Zone utile du spectre solaire pour le silicium. Zone utile du spectre solaire pour les cellules multi17jonction. Pof. MRABTI tarik  Rayonnement solaire: Masse d’aire zénith Le coefficient de masse d'air définit la longueur du trajet optique direct à travers l' atmosphère terrestre , exprimé sous forme de rapport par rapport à la longueur du trajet verticalement vers le haut, c'est-à-dire au zénith. Le coefficient de masse d'air peut être utilisé pour aider à caractériser le spectre solaire après que le rayonnement solaire ait traversé l'atmosphère. AM0: W = 1.360W/m2 (hors atmosphère, caractérisation des cellules pour les applications spatiale). AM1: Soleil au zénith (au niveau de la mer). Lorsque le soleil se déplace plus bas dans le ciel, la lumière traverse une plus grande épaisseur d'air, perdant plus d'énergie. AM1.5: W ~ 1.000 W/m2 (970 W/m2 ) Le coefficient de masse d'air (AM) est couramment utilisé pour caractériser les performances des cellules solaires dans des conditions standardisées, Les rendements des cellules sont déterminés par rapport à AM1.5 à la température de 25°, utilisé comme référence. Pof. MRABTI tarik 18  Station météorologique - Pyranomètre qui permet la mesure de la puissance du rayonnement solaire global en Watts par mètre carré - Anémomètre qui permet de mesurer la vitesse du vent - Pluviométrie qui mesure l'ensemble des précipitations sous forme de pluie, de grêle ou de neige. La mesure utilisée est généralement le millimètre - Thermocouple utilisé pour la mesure de la température - Hygromètre (humidimètre) est un appareil qui sert à mesurer l’humidité relative de l’aire. Pyrhéliomètre qui est un appareil météorologique. Il est destiné à la mesure de l’intensité du rayonnement solaire direct. Puisqu’il ne mesure que le rayonnement directement normal (DNI) issu du soleil, alors il est fixé sur le suiveur solaire. Pof. MRABTI tarik 19  Introduction à la conversion d’énergie solaire photovoltaïque L’utilisation photovoltaïque de l’énergie solaire consiste à convertir directement le rayonnement lumineux en électricité. Elle emploie pour ce faire des modules ou panneaux photovoltaïques, composés de cellules solaires ou de photopiles qui réalisent cette transformation d’énergie. La conversion photovoltaïque est basée sur l’absorption de photons dans un matériau semi-conducteur qui fournit des charges électriques, donc du courant, dans un circuit extérieur. Pof. MRABTI tarik 20  Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants Si l’on classe les éléments chimiques solides à la température ambiante en fonction de leurs résistivités (ρ), on constate qu’il se place dans leurs grande majorités en deux groupes. Isolant [ 1011 ≤ ρ ≤ 1019 ] Ω Cm Conducteur [ 1.5 10-6 ≤ ρ ≤ 10-4 ] Ω Cm Semi-conducteur Quelques éléments ont une résistivité intermédiaires. Pour cette raison ils ont le nom de semi-conducteur [ 10-3 ≤ ρ ≤ 106 ] Ω Cm Pof. MRABTI tarik 21  Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants Par leurs propriétés électriques, les matériaux peuvent être classés en trois groupes: les conducteurs, les semi- conducteurs et les isolants. 1- Conducteurs Un conducteur est un matériau qui conduit aisément le courant électrique. Les meilleurs conducteurs sont des matériaux constitués d’un seul élément comme le cuivre, l’argent, l’or et l’aluminium, ces éléments étant caractérisés par un seul électron de valence faiblement lié à l’atome. Ces électrons de valence peu retenus peuvent facilement se détacher de leur atomes 2- Isolants Un isolant est un matériau qui ne conduit pas le courant électrique sous des conditions normales. La plupart des bons isolants sont des matériaux composés de plusieurs éléments, contrairement aux conducteurs. Les électrons de valence sont solidement rattachés aux atomes, laissant très peu d’électrons libres de se déplacer dans un isolant. 3- Semi-conducteurs Un semi-conducteur est un matériau se situant entre le conducteur et l’isolant. Un semi-conducteur à l’état pur (intrinsèque ) n’est pas un bon conducteur ni un bon isolant. Les éléments uniques les plus utilisés pour les semi- conducteurs sont le Silicium, le Germanium et le carbone. Des éléments composés tels l’Arséniure de gallium sont aussi couramment utilisés pour les semi-conducteurs. Pof. MRABTI tarik 22  Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants diagrammes d’énergie Bandes d’énergie La couche de valence d’un atome représente une bande d’un certain niveau énergétique et que les électrons de valence sont confinés à cette bande. Lorsqu’un un électron acquiert assez d’énergie additionnelle d’une source externe, il peut quitter la couche de valence, devenir un électron libre et exister dans ce que l’on désigne comme étant la bande de conduction. En terme d’énergie, la différence entre la bande de valence et la bande de conduction est appelée un écart énergétique (Gap). Pof. MRABTI tarik 23 diagrammes d’énergie pour un isolant  Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants diagrammes d’énergie Un semi-conducteur possède un écart énergétique plus restreint, permettant à quelques électrons de sauter vers la bande de conduction et devenir des électrons libres. Diagrammes d’énergie pour un semi-conducteur Pof. MRABTI tarik 24  Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants diagrammes d’énergie Les bandes énergétiques se chevauchent dans un conducteur. Dans un matériau conducteur, il existe toujours un grand nombre d’électrons libres. Diagrammes d’énergie pour un conducteur Pof. MRABTI tarik 25  Rappel sur les Semi-conducteurs, Conducteurs et Isolants Semi conducteur dopé N Pof. MRABTI tarik 26  Rappel sur les Semi-conducteurs, Conducteurs et Isolants Semi conducteur dopé p Pof. MRABTI tarik 27  Rappel sur les Semi-conducteurs, Jonction P-N Jonction PN Pof. MRABTI tarik 28  Rappel sur les Semi-conducteurs, Jonction P-N Jonction PN: Zone de transition (déplétion) Pof. MRABTI tarik 29  Rappel sur les Semi-conducteurs, Jonction P-N Jonction PN: Diode polarisée en inverse Pof. MRABTI tarik 30  Rappel sur les Semi-conducteurs, Jonction P-N Jonction PN: Diode polarisée en direct Pof. MRABTI tarik 31  Caractéristiques Courant-tension Diode  Diode polarisée en direct: Caractéristique courant-tension Id = Is ( exp ( V/nUT - 1) ) R: résistance de protection de la diode: E : Tension de polarisation Is : courant de saturation , il est lié directement à la structure Id : Courant qui circule dans la diode physique ( dopage, l’épaisseur, géométrique, l’épaisseur V: tension aux bornes de la diode effective de la zone de diffusion, l’épaisseur de la zone de UT: tension thermodynamique qui vaut UT=kT/e charge d’espace, la constante de diffusion et la longueur de n: le coefficient d'émission (n=1 silicium) diffusion. Pof. MRABTI tarik 32  Caractéristiques Courant-tension Photodiode  Courant-tension d’une diode au silicium dans l’obscurité et sous illumination  Lorsque la diode est illuminée, apparaît dans cette diode un photo- courant qui dépend de la quantité de lumière incidente. D’où le terme photodiode, également employé pour désigner une photopile  La courbe sous illumination est simplement décalée par rapport à la première d’une valeur Icc, qui traduit la génération constante du courant par la lumière. Cette valeur est appelée courant de court-circuit, puisque c’est le courant que génère la photopile sous lumière à tension nulle (en court-circuit). La valeur Vco (ou Voc) à l’inverse, est la tension de circuit ouvert, tension de la photopile sous lumière à courant nul. Pof. MRABTI tarik 33  Caractéristiques Courant-tension Photodiode Tant qu'aucune lumière ne brille sur la photodiode, elle se comporte comme une jonction p-n normale. En appliquant une tension inverse, seul un petit courant inverse peut circuler, appelé courant d'obscurité Is. Dès que la lumière éclaire la diode, un photo-courant indépendant de la tension V est ajouté à la courbe caractéristique de la diode. Parce qu'il s'écoule dans le sens inverse, il déplace la courbe I= f(V) vers le bas. Dans le quadrant IV, la photodiode fonctionne comme une cellule solaire : avec une tension appliquée positivement, le résultat donne un courant négatif. Sur la figure 37, les flèches présentées signifient que l'énergie n'est pas utilisée à partir de l'appareil mais elle est générée Pof. MRABTI tarik 34  Effet photovoltaïque: photoélectrique  Une cellule solaire ou photovoltaïque n’est rien d’autre qu’une photodiode, avec des améliorations, qui fonctionne sans polarisation extérieure et qui débite son photo-courant dans une charge.  Lorsque la jonction est exposée à un rayonnement, les photons incidents dont l’énergie est suffisante peuvent créer des paires électrons-trous dans les zones N et P. sous l'effet du champ électrique, l’électron se déplace du côté N tandis que le trou migre du côté P  Consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule qui génère un courant électrique continu.  Conversion directe de l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique: Ce n’est pas la chaleur qui fait fonctionner une cellule PV, mais uniquement la lumière. Pof. MRABTI tarik 35  Cellule photovoltaïque: modèle électrique Model simple 𝑽 𝑰 𝑽 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑰𝑫 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑰𝑺 𝐞𝐱𝐩 −1 𝒏𝑽𝑻 Model standard 𝑽𝑷𝑽 𝑰.𝑹𝒔 𝑽𝑷𝑽 + 𝑰. 𝑹𝒔 𝑰 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑰𝒔 𝒆 𝒏.𝑽𝑻 −1 − 𝑹𝒔𝒉  La résistance série 𝑹𝒔 décrit notamment les pertes ohmiques au niveau des contacts avant de la cellule solaire et à l'interface métal-semi-conducteur. Elle est due au mouvement des électrons dans la base, au contact métallique entre les grilles et le silicium et à la résistance des grilles à l’avant et à l’arrière de la photo  En revanche, la fuite les courants aux bords de la cellule solaire ainsi que les court-circuits ponctuels de la jonction p-n sont modélisé par la résistance shunt 𝑹𝒔𝒉 𝒐𝒖 𝑹𝒑. Elle est à l’origine d’un courant de fuite liée à la vitesse de recombinaison intrinsèque à la jonction.  Les résistances shunt et série modifient la forme de la caractéristique, en accentuant les pentes Pof. MRABTI tarik 36  Cellule photovoltaïque: paramètres du circuit équivalent  Courant de court-circuit 𝑰𝒔𝒄 𝒐𝒖 𝑰𝒄𝒄 Le courant de court-circuit 𝐼 est délivré par les cellules solaires lorsqu'il est court-circuité ; la tension V entre ces bornes est donc 0. On a : 𝑉 𝐼 𝑉 =𝐼 − 𝐼 exp −1 ⟹𝐼 =𝐼 𝑉=0 𝑛𝑉 =𝐼 − 𝐼 𝑒 − 1 = 𝑰𝒑𝒉 Pof. MRABTI tarik 37  Cellule photovoltaïque: paramètres du circuit équivalent  Tension du circuit ouvert 𝑽𝒐𝒄 𝒐𝒖 𝑽𝒄𝒐 Le deuxième cas extrême se produit lorsque le courant devient nul. Dans ce cas, la tension au borne de la cellule est appelée tension en circuit ouvert 𝑽𝑪𝑶. Afin de déterminer la tension en circuit ouvert, on utilise l’expression de 𝐼 𝑉 vu précédemment : 𝑉 𝐼 𝑉 =𝐼 − 𝐼 exp −1 =0 𝑛𝑉 𝑰𝒔𝒄 𝑽𝑪𝑶 = 𝑽 𝑰 = 0 = 𝒏. 𝑽𝑻. 𝑳𝒏 +1 ; 𝐴𝑣𝑒𝑐 𝐼 ≈𝐼 𝑰𝒔 La tension de circuit ouvert 𝑽𝒄𝒐 est donné par: 𝑰𝒔𝒄 𝑽𝑪𝑶 = 𝒏. 𝑽𝑻. 𝑳𝒏 +𝟏 𝑰𝒔 𝑰𝒔𝒄 𝑃𝑜𝑢𝑟 𝐼𝑠𝑐 >> 𝐼𝑠, on trouve donc : 𝑽𝑪𝑶 = 𝒏. 𝑽𝑻. 𝑳𝒏 𝑰𝒔 Pof. MRABTI tarik 38  Cellule photovoltaïque: modèle électrique  Détermination des paramètres du circuit équivalent o Résistance shunt Rsh De très bonnes valeurs de départ pour les deux résistances 𝑅 𝑒𝑡 𝑅 sont obtenues à partir de du gradient de la courbe dans les points de court-circuit et de circuit ouvert. Pour cela, nous allons maintenant considérer le point de court-circuit : Ici la plus grande partie de Iph s'écoule vers l'extérieur de sorte que la tension VD sur devient petit. 𝑽𝑷𝑽 + 𝑰. 𝑹𝒔 Le courant ID de la diode peut donc être ignoré et donc on peut écrire : 𝑰 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑹𝒔𝒉 𝒅𝑰 𝟏 𝑹𝒔 𝒅𝑰 La pente de la courbe se trouve à partir de la dérivée : =𝟎− − 𝒅𝑽𝑷𝑽 𝑹𝒔𝒉 𝑹𝒔𝒉 𝒅𝑽𝑷𝑽 La résolution de l'équation donne : 𝒅𝑰 𝟏 =− 𝒅𝑽𝑷𝑽 𝑹𝒔𝒉 + 𝑹𝒔 𝒅𝑽𝑷𝑽 En général, on a 𝑹𝑺 0), cela signifie que le point de fonctionnement du système s’approche du PPM. En conséquence, l’algorithme continue a perturbé la tension Vpv dans la même direction. Si au contraire la puissance diminue (∆P/∆V-Ipv/Vpv, le point de fonctionnement est à gauche du PPM, - Si dIpv/dVpv=-Ipv/Vpv, le point de fonctionnement est sur le PPM, - Si dIpv/dVpv 19,625kwh 𝑃𝑐 = 4.088 𝑘𝑤 il faut choisir 14 panneaux Pof. MRABTI tarik 89  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Les batteries solaire sont conçu pour charge et décharge  les batteries solaires sont prévues pour fonctionner un certain nombre de cycles  La capacité d'une batterie solaire est exprimée en ampères heure (Ah). Cette capacité représente le courant que la batterie peut potentiellement débiter.  La vitesse de décharge de la batterie a également un impact sur la capacité : plus la décharge est rapide, plus la capacité réelle de la batterie est faible. Cette vitesse de décharge est indiquée également sur la batterie : C10, C20, C100… Exemple: une batterie de 70 Ah en C100 aura réellement une capacité de 70 Ah si la décharge dure 100 heures sur une intensité de 0.7A. Si la décharge ne prend que 20h, donc sur une intensité de 2.75A, la capacité de cette batterie tombera aux environs de 55 Ah, pour passer à seulement 50 Ah en 10 heures avec 5A. Attention ! Une batterie solaire ne doit jamais être déchargée totalement. Au-delà de 40% de décharge, la batterie est en danger. Pof. MRABTI tarik 90  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Etat de charge et profondeur de décharge  L'état de charge (SOC: State of Charge), exprimé en %, est le rapport entre la capacité résiduelle et la capacité nominale de l'accumulateur. C'est à dire l'énergie restant dans la batterie.  La profondeur de décharge (DOD: Depht of Discharge), exprimé en %, est le rapport entre la capacité déjà déchargée et la capacité nominale de l'accumulateur. C'est à dire l'énergie consommée dans la batterie.  La somme des valeurs de SOC et DOD donne toujours 100%. Exemple : Une batterie qui a une profondeur de décharge de 30% a un état de charge de 70%. Courant de charge correct: Ne pas recharger les batteries avec un courant de charge supérieur à celui préconisé dans la fiche technique de ces batteries. La manière dont c’est précisé est habituellement : Courant de charge maximum = 0.2C. 0.2C signifie que le courant de charge recommandé est égale à 20% de la capacité du parc de batterie. Ainsi si nous avons une batterie de 100Ah, 0.2C correspond à un courant de charge de 20A ( 0.2 X 100 = 20). Pof. MRABTI tarik 91  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Charge & décharge de la batterie Bulk – à courant constant: Durant cette étape, la tension augmente lentement. Dès que la tension d’Absorption est atteinte, l’étape suivante démarre. La batterie plomb est à environ 85% de sa capacité ( SOC). Absorption – Tension constante : La tension de charge est maintenue à un niveau relativement élevée afin de recharger complètement la batterie dans un délais raisonnable. Durant cette étape, le courant diminue lentement. Dès que ce courant est proche de zéro, l’étape suivante démarre. La batterie est pleine à 100% (SOC). - Mode "Bulk" : c'est la première phase de charge, le chargeur impose un courant limité et constant. La tension monte rapidement, puis plus lentement, la batterie peut absorber de 10 à 20% Float – Tension constante : de sa capacité par heure. (batterie déchargée à 80%) La tension est abaissée à un niveau de - Mode "Absorption" : c'est la deuxième phase de charge, à partir d'un certain seuil, le courant compensation de l’autodécharge. commence à diminuer et la tension reste constante. Cette tension est maintenue jusqu'à la charge complète de la batterie. Batterie chargée à 80% - Mode "Floating" : cette phase intervient lorsque la batterie est chargée. La tension est réduite et maintenue à une valeur d'entretien plus basse, destinée à compenser l'autodécharge Pof. MRABTI tarik de la 92 batterie. ( batterie chargé à 100%)  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Le cyclage Un cycle charge/décharge d'une batterie lui fait subir un léger affaiblissement de sa capacité, qui est d'autant plus important que la décharge est profonde. La durée de vie d'une batterie est donc liée au nombre de cycles charge/décharge et à leur profondeur. Le nombre de cycles varie fortement en fonction du type de batterie (Plomb Ouvert, AGM, GEL, OPzS, OPzV, Lithium). Pof. MRABTI tarik 93  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Effet de la température Un facteur important qui déterminera la durée de vie d’une batterie, est sa température de fonctionnement. Si vous regardez la fiche technique d’une batterie, il est possible de trouver un tableau ou un graphe tel que ci-dessous : Dans ce tableau, vous trouverez la durée de vie en fonction de différentes températures. Ainsi si les batteries ont chaud tout le temps, leur durée de vie sera raccourcie. La température est un facteur que vous ne devez pas ignorer ! Ce facteur a une influence très importante sur la durée de vie des batteries : A 30°C, la durée de vie sera diminuée de 50%. A 40°C, la durée de vie sera diminuée encore de 50%. Ainsi, vous aurez une durée de vie d’un quart de ce qu’elle serait à 20°C !!! Pof. MRABTI tarik 94  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Choix de la tension du banc de batterie Puissance de l’installation PV Tension recommandée De 0 à 800 Wc 12V De 800 à 1600 Wc 24V Au dessus de 1600 Wc 48V Pof. MRABTI tarik 95  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Assemblage des panneaux 12V /100 Ah 12V /100 Ah 12V /100 Ah =24V /100 Ah 12V /100 Ah =12V /200 Ah Pof. MRABTI tarik 96  Dimensionnement d’une installation PV Batterie solaire  Calcul des batteries nécessaires 1) Estimation du besoin: E = 900wh 𝐸∗𝑁 900 ∗ 3 2) Capacité nécessaire 𝐶= = = 450Ah  𝑵: nombre de jours 𝐷𝑂𝐷 ∗ 𝑉𝑏 0.5 ∗ 12 d’autonomie  Tension de la batterie Nb 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 = 𝐶 450 Vb=12V 3) Nombre de batterie = = 4.5 𝐶1 100  DOD: 50% On peut choisir 5 Batteries 12V/100Ah Pof. MRABTI tarik 97  Dimensionnement d’une installation PV Régulateur  Rôle d’un régulateur solaire La fonction essentielle d'un régulateur de charge solaire est de maintenir l'état de charge des batteries à un niveau le plus élevé possible, tout en les protégeant à la fois contre la surcharge et une décharge trop profonde : une batterie ne doit pas être surchargée, ni trop déchargée. Emplacement: entre le panneau et la batterie. Il existe deux grandes catégories de régulateurs solaires : Régulateurs MPPT: circuit Régulateurs PWM: chargeur intelligent (algorithme) +30% de simple idéal pour les panneaux rendement que chargeur PWM. P+10% Prég=140w  Courant de charge de la batterie (qui va sortir de mon régulateur) Prég=U * Ich Ich=Prég / U= 140/14.5=9.65A On peut choisir un régulateur de 15A (15A> Ich+Ich *10%) Remarque: D’une manière générale la tension et le courant de travail doivent être inférieures de 10% à ceux indiqués Pof. MRABTI tarik 100 par mon régulateur  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV Un onduleur est un dispositif électronique de puissance permet d'établir la connexion entre le réseau électrique et l’installation photovoltaïque en toute sécurité. IL transforme ensuite le courant continu issu des panneaux solaire (12v – 48v) en courant alternatif monophasé (220v) ou triphasé (380v) utilisable par les appareils domestiques. La recherche du point de puissance maximum du champ photovoltaïque La protection de découplage (ou déconnexion automatique du réseau) Le contrôle de l’isolement de la partie CC de l’installation photovoltaïque Pof. MRABTI tarik 101  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  Critères de choix et d’achat d’un onduleur pour panneaux solaires Le choix et le nombre d'onduleurs repose sur 3 critères : La compatibilité en puissance La compatibilité en tension La compatibilité en courant A partir de ces 3 critères, le dimensionnement des onduleurs va imposer la façon de câbler les modules entre eux. Pof. MRABTI tarik 102  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV Dans le commerce on trouve plusieurs types d'onduleurs : multi-tracker ou mono-tracker, avec ou sans transformateur (permet d'isoler les panneaux du restant de l'installation électrique. Certains panneaux (SunPower) imposent ce type d'onduleur), ainsi que des onduleurs avec une option de supervision en ligne. Certains onduleurs ont plusieurs trackers (Multi-mppt), ce qui permet d'exploiter des champs photovoltaïque avec des ensoleillement différents. Plus la plage de tension du tracker MPP est élevée, plus l'onduleur sera capable d'exploiter les panneaux avec de faibles luminosités (matin et soir). Un onduleur dit hybride détermine la source de courant la plus économique de manière totalement indépendante et intelligente. Cela signifie qu’il choisit entre les panneaux photovoltaïques, les batteries solaires et le réseau électrique. Cette technologie est une solution complète pour l'autoconsommation. Durée de vie et garantie : La durée de vie statistique d’un onduleur est donnée pour 10 ans. La garantie des produits varie de 5 (onduleur string) à 20 ans (micro-onduleur). Pof. MRABTI tarik 103  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  Rendement de l’onduleur photovoltaïque L’onduleur convertit un courant et une tension continus en un courant et une tension alternatifs. Cette conversion s’effectue grâce à des composants électriques qui chauffent (diodes, condensateurs, etc.). Une partie de la puissance continue en entrée de l’onduleur est dissipée sous forme de chaleur. On définit le rendement de l’onduleur comme le rapport de la puissance de sortie (alternative) sur la puissance d’entrée (continue) Remarque : Il faut se fier au rendement « européen » qui prend en compte le fonctionnement réel de l’onduleur et pas uniquement sur le rendement « maximal ». Les rendements atteignent aujourd’hui autour de 95-98%. Pof. MRABTI tarik 104 Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV Pof. MRABTI tarik 105  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  Schéma d’un onduleur double tracker  Les onduleurs Double Tracker sont des onduleurs conçus avec 2 régulateurs MPPT, il permettent ainsi la recherche de 2 points maximum de puissance.  Ces onduleurs ont l’avantage de pouvoir recevoir 2 séries de panneaux solaires ayant une orientation et inclinaison différentes, un gros plus pour les toitures en 4 pans, ou encore lorsque seulement une partie de la toiture est ombragée. Pof. MRABTI tarik 106  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV On peut mettre beaucoup de petits onduleurs. Cela permet d’affecter l'installation en cas de panne d'un onduleur. Par contre, cela coute plus cher, les rendements sont un peu inférieurs, l'installation des onduleurs est plus couteuse, et au bout de 10 ans, on passe son temps à changer des onduleurs qui sont tombés en panne. Cela permet aussi de bien gérer les zones parfois ombragées et les orientations différentes de panneaux (plusieurs toitures orientées différemment). On peut au contraire mettre un gros onduleur central. Cela coute moins cher à l'achat et à l'installation et les rendements sont très bons. Par contre, en cas de panne, c'est toute l'installation qui est stoppée et aucun chiffre d'affaire ne rentre jusqu'à ce que l'onduleur central soit réparé ou remplacé. Il faut aussi faire très attention au fait que les onduleurs sont raccordés au réseau électrique de la maison, et doivent donc être capable de fonctionner harmonieusement avec ce réseau. Dans une habitation, pour des raisons de sécurité des habitants, tous les circuits doivent avoir en amont un disjoncteur différentiel 30 mA. Certains onduleurs conçus pour des installations industrielles équipées de différentiels de 100 mA ont beaucoup de disfonctionnements dans les habitations. Disjoncteur 30mA Pof. MRABTI tarik 107  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  Configurations / Concepts des onduleurs Pof. MRABTI tarik 108  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  Effet de la température sur l’onduleur Il ne faut pas dépasser la température maximale de fonctionnement de l'onduleur. il faut s'assurer que l'onduleur se situe dans un local bien ventilé. En général, la plage de température de fonctionnement d’un onduleur est compris entre -25°C et 60 °C. La température de fonctionnement d'un onduleur est indiquée sur sa fiche technique. Lorsque la température de l'onduleur dépasse la valeur maximale, l'onduleur limite volontairement la puissance délivrée, en quittant le point de puissance maximum du groupe photovoltaïque. la température a une forte influence sur la durée de vie de l'onduleur Pof. MRABTI tarik 109  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  On considère une installation photovoltaïque comportant 24 panneaux PV  La puissance crête : Pc = 230 Wc  La tension à vide : Uco = 37.95 V  La tension MPP : Umpp = 30.45 V  Le courant de court-circuit : Icc = 8.1A  Choix des paramètres de l’onduleur 1. Puissance de l’onduleur (P) 80% ≤ 𝑃 ≤ 100% 2. Tension de l’onduleur (U) 𝑈 ≤ 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑚𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑠 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑢𝑠 𝑙𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢𝑥 (𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒) 3. Intensité de l’onduleur (U) 𝑈 ≤ 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑚𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑢𝑠 𝑙𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢𝑥 (𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙è𝑙𝑒) Pof. MRABTI tarik 110  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV La puissance totale du champ photovoltaïque crête : Pct= 24* 230 = 5520 Wc = 5,52kw 4,41𝑘𝑤 ≤ 𝑃 ≤ 5,52𝑘𝑤 Opter pour un onduleur (étudier la compatibilité) de caractéristiques techniques suivantes: - Puissance de 5 kw - Tension d’entrée: U = 600 V - Courant d’entrée: I = 12 A - Plage de fonctionnement de l’onduleur: [Umpptmin= 200V - Umpptmax=520V] - Deux entrées (2 trackers) Umpptmin 𝐸𝑚𝑖𝑛 (𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢𝑥 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒) = Umpp ∗ 0,85 Umpptmax 𝐸𝑚ax (𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚aximal 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢𝑥 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒) = Umpp ∗ 1,15 Umppt,min est la valeur minimale de la tension pour laquelle le tracker (MPPT) fonctionne Umppt,max est la valeur maximale de la tension pour laquelle le tracker (MPPT) fonctionne Umpp est la tension de puissance maximale des modules photovoltaïque Le coefficient 1.15 est un coefficient de majoration permettant de calculer la tension MPP à -20 °C. Pof.de Le coefficient 0.85 est un coefficient de minoration permettant MRABTI tarik la tension MPP à 70 °C. calculer 111  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV 200 𝐸𝑚𝑖𝑛 (𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢𝑥 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒) = = 7,72 panneaux 30,45 ∗ 0,85 520 𝐸𝑚ax (𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚aximal 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢𝑥 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒) = = 14,85 panneaux 30,45 ∗ 1,15 7𝑝 ≤ 𝑁𝑏 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒 ≤ 15𝑝 L’équivalent en tension donne 7𝑝 ∗ 37,95𝑉 ≤ 𝑁𝑏 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒 ≤ 15𝑝 ∗ 37,95𝑉 266𝑉 ≤ 𝑁𝑏 𝑒𝑛 𝑠é𝑟𝑖𝑒 ≤ 569𝑉 Pour 15 panneaux en série la tension maximale est 569V, cette valeur est bien supérieure à 520V Pour 12 panneaux 12𝑝 ∗ 37,95𝑉 = 455,4𝑉 ≤ 520𝑉  Dans notre cas, on dispose d’une installation de 24 panneaux et d’un onduleur de deux entrées, donc on peut mettre deux série ou deux chaines de 12 panneaux chacune  Par conséquent, une configuration à 12 modules en série Pof. est MRABTI compatible tarik avec la tension maximale admissible de l'onduleur. 112  Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV  COURANT MAXIMAL ADMISSIBLE PAR L'ONDULEUR : Imax(A)= 12A.  COURANT DE COURT-CIRCUIT DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES : Icc (A)= 8,1A. o NOMBRE MAXIMUM DE CHAÎNES EN PARALLELE: 12 𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚aximal 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑖nes 𝑒𝑛 parallèle = = 1,18 (𝑐ℎ𝑎𝑖𝑛𝑒𝑠) 8,1 ∗ 1,25 Nous pouvons mettre au maximum une chaîne par tracker. Pof. MRABTI tarik 113 Dimensionnement d’une installation PV Onduleur PV Tracker 1 Sortie AC Tracker 2 Pof. MRABTI tarik 114  Dimensionnement d’une installation PV Câbles PV  Calcul de la section des câbles DC Indépendamment de l'aspect économique, le choix de la section des câbles de l'installation s'effectue selon 2 critères majeurs :  La chute de tension tolérée.  Le courant maximale admissible dans les câbles. En pratique, un câble n'est pas un conducteur parfait: il se comporte comme une résistance. La résistance d'un câble de cuivre est très faible, mais n'est pas nulle. Celle-ci est proportionnelle à la longueur du câble et inversement proportionnelle à la section du câble. On a l'expression suivante : où L est la longueur du câble (m), S est la section du câble (m²) et ρ (Ω.m) est la résistivité du câble. Celle-ci dépend du matériau : ρ = 2.7 × 10-8 Ω.m pour un câble en aluminium ρ = 1.7 × 10-8 Ω.m pour un câble en cuivre ρ = 1.6 × 10-8 Ω.m pour un câble en argent. Pof. MRABTI tarik 115  Dimensionnement d’une installation PV Câbles PV  Calcul de la section des câbles DC La résistance du câble provoque une chute de potentiel entre le départ du câble et la fin du câble. En effet : U = VA - VB = R × I. Ainsi, si le câble est un conducteur parfait, alors R=0 et U = 0, soit : VA = VB. Mais comme R > 0 pour un câble réel, on a VA > VB, ce qui correspond à une chute de potentiel. On parle communément de chute de tension, mais en réalité il s'agit d'une chute de potentiel (car la tension est une différence de potentiel). Cette chute de tension conduit à une dissipation d'énergie par effet joule (le câble va chauffer). Dans une installation PV, cela va induire des pertes de puissances. L'optimisation technico-économique d'une installation photovoltaïque conduit donc à réduire au maximum ces chutes de tension. Le guide de l'UTE C15-712 relatif aux installations photovoltaïques indique que la chute de tension dans la partie DC devra être inférieure à 3%, idéalement 1%. Cela signifie : UTE: UNION TECHNIQUE DE L'ELECTRICITE Pof. MRABTI tarik 116  Dimensionnement d’une installation PV Câbles PV Notons ε la chute de tension admissible tolérée par l'UTE C15-712 Dans la pratique, la longueur des câbles est connue. Dès lors, on calcule la section de ces câbles sous la contrainte d'une chute de tension maximale de 3 %. Cette section des câbles se calcule par la formule: Pof. MRABTI tarik 117  Dimensionnement d’une installation PV Câbles PV Exemple Les modules Yingli poly-cristallins de puissance 230 W ont une intensité nominale de 7,8 A et une tension nominale de 29.5 V. La tension de circuit ouvert est de 37 V et le courant de court-circuit est de 8,4 A. Si on fait une chaine (string) de 20 modules en série, la tension nominale totale est de 590 V (20 x 29,5V) et celle de circuit ouvert est de 740 V (20 x 37 V). Pour cet exemple, on va considérer une distance maximale de 120 m jusqu'à l’onduleur, ainsi pour limiter les pertes à moins de 3%, disons 1% : La chute de tension dans le câble est de 1% x 590 V = 5,9 V. Ainsi, la section du câble devra être, pour un conducteur en cuivre : S = (1.7 × 10-8 Ω.m x 120 m x 7,8 A) / (1% x 590 V) = 1591,2 x 10-8 / 5,9 = 269,7 x 10-8 m² = 2,7 mm². La section commercialisée directement supérieure à 2,7 mm² est 3 mm². Pof. MRABTI tarik 118  Dimensionnement d’une installation photovoltaïques Exemple Ptot=2300 w On a 2300 w>2000w On va travailler avec la tension de batterie de U= 48V Installation PV Ec=15620 wh (voir diapo 88) Ep =19.625kwh Nombre de Ep ∗ 𝑁 𝑪= batteries 𝐷𝑂𝐷 ∗ 𝑉𝑏  N: dépend de la région, si la région est ensoleillée on peut choisir N=1 c’est-à-dire la batterie va fonctionner une journée (une journée d’autonomie)  Si le soleil apparaitre tend en temps (chaque trois jours par exemple) dans ce cas on peut prendre N=4 c’est-à-dire la batterie va fonctionner pendant 4 jours (4 jours d’autonomie)  𝐷𝑂𝐷 = 80% c′est à dire on va laisser la batterie se déchrage jusqu′à SOC =20% 19625 ∗ 1 𝑁=1 𝐶= = 511Ah 𝐷𝑂𝐷=80% 0,8 ∗ 48 Dans notre installation on doit avoir une capacité de nos batteries égale: 500 Ah Pof. MRABTI On peut opter (sélectionner) pour une batterie tarik commércialisée de 12 V et 250 Ah 119  Dimensionnement d’une installation photovoltaïques Exemple  𝑁𝑏 𝑑𝑒 𝑠é𝑟𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 ∶ =2 12V 12V 12V 12V /250Ah /250Ah /250Ah /250Ah  𝑁𝑏 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑝𝑎𝑟 𝑠é𝑟𝑖𝑒 ∶ =4 12V 12V 12V 12V /250Ah /250Ah /250Ah /250Ah 48𝑉/500𝐴ℎ En totale on a besoin de 8 batteries de type 12V/250Ah 2 série de 4 batteries chacune Remarque: on peut choisir directement une batterie de 48/500Ah s’elle existe. Pof. MRABTI tarik 120  Dimensionnement d’une installation photovoltaïques Exemple ∗ 𝑃𝑐 = = 4,08kw on va choisir 14 panneaux de 325wc (le détaille voir diapo_89) 21,840𝑘𝑤ℎ > 19,625kwh 48𝑉 𝑅é𝑔𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 48𝑉/2𝑘𝑤 48𝑉 𝑅é𝑔𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 48𝑉/2𝑘𝑤 𝑅é𝑔𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 48𝑉/2𝑘𝑤 O𝑛𝑑𝑢𝑙𝑒𝑢𝑟 4kw 𝑅é𝑔𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑢𝑟 48𝑉/2𝑘𝑤 Pof. MRABTI tarik 121  Dimensionnement d’une installation photovoltaïques Exemple  Choix de l’onduleur Puissance minimale de l’onduleur : 4kw Les contraintes!: Courant de démarrage (Id > 4x In (In: Courant nominal)) Puissance de démarrage est très élevée dans quelques ms !! Il faut choisir un onduleur avec une puissance de démarrage compatible avec la puissance totale de l’installation en tenant compte l’effet du courant de démarrage, si non y aura le risque d’avoir des problèmes surtout si les différents dispositifs électriques démarrent en même temps ou même instant Dans la fiche technique de chaque onduleur on trouve la puissance de démarrage (10kw par exemple) Pof. MRABTI tarik 122