LE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE

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1 LE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE P R É S E N TAT I O N : S Y LVA I N D E L E N C L O S

2 AU SOMMAIRE Bibliographie L énergie solaire Les chiffres du photovoltaïque L effet photovoltaïque Constituants d une installation Conception d une installation Exemples

3 BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE Livres consultables à la BULCO

4 I. L ÉNERGIE SOLAIRE

5 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 1. CARACTÉRISTIQUES DU SOLEIL Composition du soleil 74 % H 2, 25 % He + divers Réaction de fusion thermonucléaire H 2 + H He + γ + 5,49 MeV Puissance rayonnée ~ 3, W Photo : Température de surface ~ K Distance Terre-Soleil ~ km

6 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 2.SOURCES DIRECTES ET INDIRECTES Rayonnement Biomasse Eau Mer Vent Lumière et chaleur Photosynthèse Cycle de l eau Courants océaniques Réchauffement de masses d air Panneau solaire photovoltaïque ou thermique Chauffage Barrages Hydroliennes Eoliennes

7 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 3. LE SOLEIL VU DE LA TERRE Relations géométriques Terre- Soleil Trajectoire du soleil dans le ciel en fonction des saisons

8 L ÉNERGIE SOLAIRE 4. DIAGRAMME DE HAUTEUR AVEC SILHOUETTE DES OBSTACLES Permet d estimer l énergie solaire reçue au lieu exact d implantation des panneaux

9 L ÉNERGIE SOLAIRE 5. DÉNOMINATION DES ANGLES

10 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 6. RAYONNEMENT GLOBAL Rayonnement global = rayonnement direct + rayonnement diffus + albédo Tous contribuent à l énergie photovoltaïque

11 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 7. RAYONNEMENT ET IRRADIATION SOLAIRE En intérieur : 1 à 10 W.m -2

12 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 8. INTERACTION AVEC L ATMOSPHÈRE Rayonnement extra-atmosphère : W.m -2 0, ( mm ) Limite de l atmosphère : ~ km ULTRA VIOLET VISIBLE INFRA ROUGE proche moyen lointain réfléchi diffus absorbé direct Surface terrestre : W.m -2 W/ m 2. 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 spectre visible Pertes par dispersion Intensité à la limite de l'atmosphère Absorption par H2O Absorption par O3 CO ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 longueur d'onde ( µm )

13 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 9. NOTION «D AIR-MASSE» OU MASSE ATMOSPHÉRIQUE Air-Masse : épaisseur d atmosphère traversée Soleil au zénith : AM1 Soleil à 30 : AM2 Soleil à 48 : AM1,5 (STC) A M atmosphère Conditions standards de test des panneaux (STC) : Rayonnement instantané de 1000 W.m -2 Soleil bas = masse d air traversée importante h sol Spectre solaire AM 1,5 25 C (Dans ce cas, la puissance est donnée en wattcrête W c )

14 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 10. RAYONNEMENT GLOBAL REÇU PAR JOUR Rayonnement global reçu pendant une journée (en kwh / m 2 / jour) Lieu géographique Mois de l année Orientation Inclinaison Importance de la couverture nuageuse 1000 W.m -2 : soleil au zénith, ciel sans nuage 100 à 500 W.m -2 : ciel nuageux < 50 W.m -2 : ciel très couvert

15 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 11. RAYONNEMENT GLOBAL REÇU PAR JOUR : EXEMPLES Site Décembre Mars Juin Septembre Ostende 0,96 3,21 4,69 3,83 Paris 1,12 3,23 4,43 3,98 Mâcon 1,25 3,55 4,63 4,49 Nice 3,76 4,79 5,11 5,26 Orientation sud, inclinaison 60 / horizontale (kwh/m 2 /jour) Energie reçue sur un plan horizontal : kwh/m 2 /an à Lille ( 2,7kWh/m 2 /jour) kwh/m 2 /an à Nice ( 4,5 kwh/m 2 /jour)

16 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 11. RAYONNEMENT GLOBAL REÇU PAR JOUR : EXEMPLE À DUNKERQUE Journées ensoleillées 7,8 kwh.m -2 6,5 kwh.m -2 Journées nuageuses et pluvieuses 1 kwh.m -2 Irradiation solaire mesurée sur une semaine par la station météo de l IUT GTE (01 08 juin 2011)

17 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 11. RAYONNEMENT GLOBAL REÇU PAR JOUR : EXEMPLE À DUNKERQUE Journées ensoleillées pyranomètre 1,3 kwh.m -2 Journées nuageuses et pluvieuses 0,16 kwh.m -2 Irradiation solaire mesurée sur une semaine par la station météo de l IUT GTE (08 14 janvier 2011)

18 I. L ÉNERGIE SOLAIRE 11. RAYONNEMENT GLOBAL REÇU PAR JOUR : EXEMPLE À DUNKERQUE 1 er juin 2011 : P max = 900 W.m heures d ensoleillement 08 janvier 2011 : P max = 300 W.m -2 8 heures d ensoleillement 75 % de l énergie produite par des panneaux photovoltaïques sur les 6 mois les plus chauds

19 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN EUROPE Allemagne 7,6 GW installés en ,7 GW en cumulé 27,6 TWh en 2012 (soit 4,6 % de son électricité produite)

20 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE Chiffres clés* 4,5 GW installés au 09/ GW installés en GWh produits en 2012 Objectif 2020 : 5,4 GW * :

21 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE

22 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE Centrale de Toul Rosières (Meurthe et Moselle) : 10 ème plus grande centrale au monde et première en Europe 115 MW pour 1,4 millions de panneaux en Si couche mince sur 367 ha

23 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE Sud de la France : 2016 Nord de la France : 2019

24 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE

25 II. LES CHIFFRES DU PHOTOVOLTAÏQUE LE PHOTOVOLTAÏQUE EN FRANCE Les tarifs de rachat du 1 er janvier au 31 mars 2014 ( Fin du crédit d impôt en 2014

26 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE

27 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 1. PRINCIPE GÉNÉRAL Effet photovoltaïque = conversion de lumière en électricité Absorption de la lumière par le matériau Transfert d énergie des photons aux électrons Collecte des charges électriques

28 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 2. INTERACTION LUMIÈRE - MATIÈRE lumière Absorption Matière Réflexion transmission On cherche à optimiser l absorption

29 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 3. TRANSFERT D ÉNERGIE DES PHOTONS AUX ÉLECTRONS Energie photon Bande de conduction (électrons libres) désexcitation spontanée E g Bande interdite ou gap optique photon 1: E = E g photon 2: E > E g Bande de valence (électrons liés) + + Electrons périphériques E g = hc / λ = 1,24 / λ E g en ev et λ en µm Libération du noyau E g = 1,1 ev pour le Si cristallin E g = 1,77 ev pour le Si amorphe Electrons libres Trous

30 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 3. TRANSFERT D ÉNERGIE DES PHOTONS AUX ÉLECTRONS (Source REE n 5 de mai 1998) Zone A : photons non absorbés (24%) Zone B : énergie perdue en chaleur (33%) Pertes supplémentaires par réflexion, collecteurs Rendement : 10 à 15% Exploitation du spectre solaire hors atmosphère par le Silicium

31 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 4. COLLECTE DES CHARGES ÉLECTRIQUES On doit collecter les électrons libres avant qu ils ne se recombinent avec les trous On crée une jonction au sein du matériau Dopage des semi-conducteurs Le silicium possède 4 électrons de valence Dopage de type N : atomes de Phosphore (5 électrons de valence) Dopage de type P : atomes de Bore (3 électrons de valence) Le champ électrique ainsi créé sépare les charges électriques positives et négatives Une cellule photovoltaïque est similaire à une diode (symbole : ) (on l appelle aussi photodiode)

32 III. L EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 5. CONSTITUTION D UNE CELLULE ET CARACTÉRISTIQUE COURANT- TENSION Constitution d une cellule solaire Caractéristique d une cellule solaire

33 CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION

34 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 1. VUE D ENSEMBLE Installation électrique raccordée au réseau D après document schneider-electric

35 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 1. VUE D ENSEMBLE Modules Onduleur Coffrets de protection DC et AC, compteurs Réseau Installation connectée au réseau Modules Régulateur de charge Batteries Récepteurs Installation pour site isolé

36 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Matériaux utilisés Silicium (Si) Monocristallin Polycristallin Amorphe Tellurure de Cadmium (CdTe) Cuivre Indium Gallium Selenium (CIGS) Si monocristallin, polycristallin et amorphe CdTe CIGS

37 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Marché mondial des modules PV Source : eurobser ER

38 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Caractéristique d une cellule de Si Tension à vide : 0,6 V Tension au point maximal de puissance : 0,46 V Module = assemblage de cellules en série Rendement d un module Espaces vides, connexions η module < η cellule

39 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Rendement des cellules en laboratoire Si Monocristallin 25% Polycristallin 20% Amorphe 13,5% CdTe 16,5% CIGS 20,1% Rendement des modules Si Monocristallin 13 à 15% Polycristallin 12 à 14% Amorphe 5 à 7% CdTe 8 à 11% CIGS 7 à 11% η installation = η module (0,14) x η onduleur (0,90) x η câbles (0,99) = 0,12

40 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Vidéos de la fabrication d une cellule et d un module

41 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Surface nécessaire pour une installation de 1 kw c en fonction de la technologie Si amorphe (~15 m 2 ) CdTe (~11 m 2 ) CIGS(~10 m 2 ) Si mono (~7 m 2 ) Si poly (~8 m 2 )

42 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 2. LES CELLULES ET MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Cas particulier des modules en silicium pour recharge de batterie Tension à vide : 0,6 V Tension au point maximal de puissance : 0,46 V Tension de la batterie chargée : 14 V Pertes dans les câbles + influence de la température : 2 à 3 V Tension de sortie du panneau : 16,5 V Nombre de cellules nécessaires : 16,5 / 0,46 = 36 Panneau ET Solar 100 W / 12 V 4 rangées de 9 cellules

43 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Modules connectés au réseau Association série-parallèle pour atteindre la tension et le courant optimal Tension typique pour installation < 3 kw : 150 à 400 VDC Tension typique pour installations jusque 100 kw : 400 à 700 V DC P N =245 W c (STC) U N = 29 V I N = 8,45 A U co =36,7 V I cc =8,98 A Dimension d une cellule : 156 x 156 mm Dimension du panneau : 1680 x 990 mm Masse du panneau : 24 kg Panneau solarwatt de 60 cellules monocristallines Modèle M GET AK black

44 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES W.m W.m W.m W.m W.m W I r = W.m -2 : P mpp = V mpp x I mpp = 23,6 x 7,2 = 170 W I r = 600 W.m -2 : P mpp = 95 W I r = 200 W.m -2 : P mpp = 30 W

45 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Association en série, parallèle et série-parallèle de modules identiques

46 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Données électriques Courbes caractéristiques Données mécaniques Garanties Fiche technique d un panneau SANYO

47 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Détail des données électriques

48 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Remarque : V pm /V oc ~ 0,8

49 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES La température influe fortement sur la tension mais peu sur l intensité

50 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES Augmentation de 30 C / température STC = diminution de puissance de 10 à 15 % Paramètre important : le «NOCT» (Nominal Operating Cell Temperature) ou TUC (Température d Utilisation de la Cellule) : température atteinte en circuit ouvert sous 800 W/m 2, 25 C ambiant et vent 1 m/s (40 à 50 C). Le mieux est d avoir un NOCT le plus faible possible

51 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 3. CARACTÉRISTIQUES DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES En résumé, un module se caractérise par : Sa tension, son intensité et sa puissance crête dans les conditions STC Son rendement (dépendant de la technologie) Sa surface Son NOCT

52 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Rôles de l onduleur Adapte la tension de sortie des panneaux aux récepteurs (ou au réseau) Protège l installation Optimise le rendement Types d onduleurs Onduleurs 12 V DC / 230 V AC : ~ 200 Onduleurs pour installations connectées au réseau : V DC / 230 V AC (1 000 à selon la puissance)

53 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Onduleurs centraux 3 j (P>10 kw) Onduleurs string ou multi-string (P<10 kw) Onduleurs intégrés aux panneaux

54 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Ensemble de panneaux Suivi du P max Conversion DC/AC Couplage/ découplage Norme VDE : découplage <0,2 s en cas de problème sur le réseau défaut d isolement courant de fuite tension différente du réseau

55 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Rendement d un onduleur : Contrairement à une idée reçue, le rendement d un onduleur n est pas maximal pour 100% de sa puissance nominale. Généralement, on sous dimensionne l onduleur / puissance du champ (~0,9 x P génépv )

56 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Autres critères pour le dimensionnement et l installation : Adapter la tension max admise par l onduleur à la tension ouverte max du champ (surtension = destruction de l onduleur). On prend une marge de sécurité (facteur kt) qui dépend de l altitude : kt = 1,15 pour alt < 800 m kt = 1,20 entre 800 et m kt = 1,25 pour alt > m Compatibilité de la plage MPPT de l onduleur avec le générateur Chaleur = usure prématurée de l électronique. Placer l onduleur dans une pièce aérée Exemple 12 panneaux en série ayant une tension ouverte de 22 V STC En haute montagne, l onduleur doit supporter : 12 x 22 x 1,25 = 330 V DC Le centre de la plage MPPT de l onduleur doit être autour de 300 V

57 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Etapes de mise en marche d un onduleur Vérification d absence de défaut d isolation sur champ PV Mise en fonctionnement dès que la tension DC atteint une valeur seuil Couplage au réseau si détection de tension côté AC Synchronisation de la tension (amplitude, fréquence) Injection Découplage en cas de défaut ou si tension DC < valeur seuil Recherche permanente de la P max par variation d impédance depuis V OC

58 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 4. CARACTÉRISTIQUES DES ONDULEURS Entrée (DC) Puissance DC max. (pour cos φ=1) Sunny Boy 3000TL Sunny Boy 4000TL Sunny Boy 5000TL 3200 W 4200 W 5300 W Tension DC max. 550 V 550 V 550 V Exemple de fiche technique d onduleurs SMA Plage de tension photovoltaïque, MPPT 188 V 440 V 175 V 440 V 175 V 440 V Tension nominale DC 400 V 400 V 400 V Tension DC min. / tension de démarrage Courant max. par MPPT / par entrée 125 V / 150 V 125 V / 150 V 125 V / 150 V 17 A / 17 A 2 x 15 A / 15 A 2 x 15 A / 15 A Rendement européen (tient compte du rendement à charge partielle) : Nombre de MPP trackers / Nombre max. d entrées (en parallèle) Sortie (AC) Puissance nominale AC (pour 230 V, 50 Hz) 1 / 2 2 / A : 2, B : 2 2 / A : 2, B : W 4000 W 4600 W η euro =0,03η 5% +0,06η 10% +0,13η 20% +0,10η 30% +0,48η 50% +0,20η 100% Puissance apparente AC max VA 4000 VA 5000 VA Tension nominale AC ; plage 220, 230, 240 V ; V 220, 230, 240 V ; V 220, 230, 240 V ; V Prix : environ pour un 3 kw Fréquence du réseau AC ; plage 50, 60 Hz ; ± 5 Hz 50, 60 Hz ; ± 5 Hz 50, 60 Hz ; ± 5 Hz Courant de sortie max. 16 A 22 A 22 A Facteur de puissance (cos φ) Phases d'injection / Phases de raccordement 1 / 1 1 / 1 1 / 1 Rendement Rendement max. / Euro-eta 97,0 % / 96,3 % 97,0 % / 96,4 % 97,0 % / 96,5 %

59 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Le stockage de l énergie Représente 10 à 15% du coût initial mais peut atteindre 50% sur la durée de vie de l installation (remplacement tous les 7 à 10 ans) Types de batteries (accumulateurs) Plomb NiCd NiMH

60 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Les batteries au plomb Longévité Bon rapport qualité / prix Entretien faible ou nul Bonne tenue aux températures extrêmes Charge possible à faible courant Eviter les décharges profondes et les surcharges Maintenir les batteries chargées en cas de stockage

61 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Les batteries NiCd et NiMH Petites capacités disponibles sous de multiples formes (boutons, bâtons, prismes ) de 30 à mah Plus compactes que batteries plomb Excellente tenue à la chaleur Charge difficile à moins de 0 C Effet mémoire

62 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Paramètres influant sur la capacité d une batterie au plomb éviter les décharges profondes : taux de décharge (importance du régulateur de charge) éviter les températures trop basses (-1% de capacité pour chaque C en moins) et trop hautes (diminution de la durée de vie en usage à long terme) éviter les décharges rapides : vitesse de décharge (capacité C 10, C 20, C 100 )

63 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Importance du taux de décharge* * d après «le photovoltaïque pour tous, ed. le moniteur

64 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Exemple de fiche technique d une batterie solaire (marque Sonnenschein) A600 solar series

65 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Précautions d emploi Acide sulfurique : risques de brûlures Dégagement d hydrogène pendant la charge : risque d explosion Forte intensité en cas de court-circuit (arc électrique) : projection de matière en fusion, fumées nocives, risque d incendie Implantation dans un local spécifique ventilé (pour P> 1 kw) dans un bac de récupération permettant d assurer la rétention de 20% de l électrolyte. Installation réalisée par un professionnel qualifié

66 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 5. LES BATTERIES EN SITE ISOLÉ Quels critères de sélection? Rapport qualité prix : accu à plaques à grille (les moins coûteux, durée de vie 3 à 5 ans avec maintenance régulière et utilisation «douce») Capacité en Ah Durée de vie et nombre de cycles : accu à plaques blindées (tubulaires) ou accu bloc (plaques à lattes) Nécessité de maintenance et coûts de maintenance Taille et place nécessaire Autodécharge Aptitude pour une utilisation mobile (secousses, position inclinée) : Accu gel

67 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 6. LE RÉGULATEUR DE CHARGE (SITE ISOLÉ) Importance du régulateur de charge Contrôle les flux d énergie Protège la batterie contre les décharges profondes Protège la batterie contre les surcharges Contrôle éventuellement la recharge des batteries par d autres systèmes (éolienne, générateur d appoint, hydraulique ) Il représente généralement moins de 5 % du coût total mais sa fonction est primordiale et ses qualités vont fortement influencer le coût final

68 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 6. LE RÉGULATEUR DE CHARGE (SITE ISOLÉ) Principe de fonctionnement relais 1 relais 2 Situation normale - + La panneau solaire charge la batterie - + La batterie alimente le récepteur Fusible - + Batterie normalement chargée. Les relais R1 et R2 sont fermés Photopile Batterie Récepteur - + relais 1 relais 2 La charge est interrompue - + La batterie alimente le récepteur Fusible - + PROTECTION SURCHARGE Batterie pleinement chargée Le relais R1 est ouvert. Photopile Batterie Récepteur - + relais 1 relais 2 Le panneau charge la batterie - + L utilisation est mise hors service Fusible - + PROTECTION DECHARGE Batterie fortement déchargée Le relais R2 est ouvert. Photopile Batterie Récepteur

69 IV. CONSTITUANTS D UNE INSTALLATION 7. AUTRES COMPOSANTS Boitier de raccordements pour le générateur Utilisé si présence de plusieurs strings Protection contre les surtensions des modules et de l onduleur Protection contre les surcharges à l aide de fusibles Protection contre les court-circuits Protection type IP54 Eventuellement parafoudres Câbles Unipolaire côté DC Non propagateur de flamme (type C2) large gamme de température ambiante (-40 à 120 C) Dimensionnement des câbles : doivent pouvoir supporter 1,25I sc (courant de court-circuit de la totalité des chaînes en parallèle)

70 ESTIMATION DE LA PRODUCTION D UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE

71 V. ESTIMATION DE LA PRODUCTION D UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE Quelles données? Lieu d implantation Irradiation solaire I r du lieu (kwh.m -2.an -1 ) Orientation Inclinaison Type de pose Estimation de la production d une installation de puissance P Appliquer un facteur de correction F c selon l angle d inclinaison et l orientation Energie incidente annuelle E inc = I r x F c Appliquer un facteur de correction R p dépendant du type de pose (aération) R p = 0,7 en intégré (mauvaise ventilation = hausse de température) R p = 0,75 en surimposé R p = 0,8 pour pose au sol ou toitures-terrasses (très bonne ventilation) Prendre en compte le rendement η de l onduleur Energie annuelle produite (estimée) par le champ de puissance P : E prod (kwh/an) = E inc (kwh/m 2 /an) x P c (kw) x R p x η

72 V. ESTIMATION DE LA PRODUCTION D UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE Facteurs de correction sur l énergie reçue / l horizontale et / Sud

73 V. ESTIMATION DE LA PRODUCTION D UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE Autre source : PVGIS Dunkerque : kwh/m 2 /an dans le plan des panneaux inclinés selon l angle optimal

74 V. ESTIMATION DE LA PRODUCTION D UN CHAMP PHOTOVOLTAÏQUE Exemple de calcul Installation comprenant 12 panneaux CNPV de 230 W c Onduleur de rendement η=0,95 Orientation sud-est à 30 dans le nord de la France (I r = kwh/m 2 /an, F c = 1,06) Type de pose : intégration en toiture (R p = 0,7) Calcul de l énergie produite (sortie onduleur) : E prod (Wh/an) = x 1,06 x (12x230) x 0,7 x 0,95 E prod (Wh/an) = kwh/an = 2,2 MWh

75 CONCEPTION D UNE INSTALLATION

76 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION Les éléments importants Le toit : quelle taille, quelle orientation, quelle inclinaison? Les exigences architecturales du propriétaire La présence ou non d obstacles La capacité financière du propriétaire

77 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION Ressources financières Taille du toit Tarif de rachat de l électricité Nombre de modules (calepinage) Emplacement du ou des onduleurs Parafoudres Boitier de raccordement Taille de l installation Choix du matériel Configuration de l installation Estimation de la production Autres composants Modules Onduleur Technologie modules et onduleur(s) Energie solaire reçue sur le lieu d implantation

78 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Les données de l installation Investissement maximum de Surface de toiture disponible : 51 m 2 (long. : 8,5 m, larg. : 6 m) Inclinaison et orientation du toit : 45 Sud Lieu d implantation : nord de la France Aucun obstacle devant et sur le toit Coût estimé (matériel et main-d œuvre) : TTC/kW c Exigence du propriétaire : obtenir un maximum de rendement. On optera donc pour des panneaux monocristallins (7 m 2 / kw c )

79 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Calcul de la taille de l installation Critère financier : /(4500 /kw c ) = 6,4 kw c Critère dimensionnel :51m 2 /(7m 2 /kw c ) = 7,3 kwc N.B : depuis mars 2011, les installations bénéficiant du meilleur tarif de rachat (34,75 c depuis janvier 2013) doivent avoir une puissance inférieure à 9 kw contre 3 kw auparavant Critère limitant : financier

80 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Choix des modules et nombre L installateur propose des panneaux solaires en Si monocristallin de marque CNPV Puissance : 235 Wc (STC) V mpp = 30,7 V I mpp = 7,66 A Dimensions : 1,65 m x 0,992 m (1,63 m 2 ) Poids : 20 kg Surface pour 1kWc : (1000x1,63)/235 = 6,9 m 2 Nombre app. de modules pour 6,36 kwc : 27

81 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Calepinage en position verticale (24 panneaux = 5,6 kw) Option retenue Calepinage en position horizontale (25 panneaux soit 5,9 kw) Remarque : La largeur du toit est un peu juste (reste 12 cm de chaque coté)

82 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Calcul des tensions extrêmes (-10 C et 70 C) pour un coef de -0,35%/ C pour le CNPV 235 (V OC =37,5 V): V OC-10 C =37,5+(0,35x35x37,5/100)=42,1 V V OC+70 C =37,5-(0,35x45x37,5/100)=31,6 V Caractéristiques de l onduleur : Pas d ombrage, P ~ 5 kw un seul onduleur suffit P onduleur = 0,90 à 0,95 P géné P onduleur = 0,90x5,6 = 5,04 kw Vérifier les tension et courant max à ne JAMAIS dépasser.

83 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Exemple d onduleur : Conergy IPG 5S P DCrecommandée = 5 kw P DCmax = 5,8 kw Tension DC max : 940 V Plage MPPT : V Tension démarrage: 220 V Courant max : 19A N (modules) max : V DCmax /V OC-10 C =940/42,1=22 modules série N (modules) min = V DCmin /V OC+70 C =220/31,6 =7 modules série Conclusion : 2 strings de 12 panneaux

84 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Fiche technique du conergy IPG 5S

85 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Caractéristiques en entrée d onduleur avec le raccordement choisi : V DCmax = 505,2 V < 950 V I sc = 2 x 8,2 = 16,4 A < 19 A V mpp = 12 x 30,3 = 363,6 V ( [275 ; 750]V plage MPPT) I mpp = 2x7,6 = 15,2 A Rendement européen onduleur : 97% + - Vers onduleur (une seule entrée DC Pour le Conergy IPG 5S)

86 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Estimation de la production annuelle : Modules intégrés à la toiture : R p = 0,75 Nord de la France 45 - Sud : I r = kwh/m 2 /an E prod estimée = x 5,6 x 0,75 x 0,97 = kwh/an Gain estimé à 34,75 c le kwh : Coût estimé de l installation : Crédit d impôt : 11% soit env (matériel uniquement) Autres réductions (variables selon les communes) : 2000 Temps de retour : 12 ans environ

87 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Estimation de la production annuelle avec le logiciel CALSOL

88 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE

89 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION EXEMPLE D UNE INSTALLATION DE 5 kw EN MAISON INDIVIDUELLE Schéma électrique simplifié de l installation

90 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION PRISE EN COMPTE DES MASQUES Eviter tout type d ombrage (ou «masque») A toute heure de la journée Aux différentes saisons Pourquoi? Si un seul panneau dans une série est ombragé, même partiellement, c est la production de la série tout entière qui est diminuée Masques les plus courants Montagnes Cheminées Poteaux électriques Arbres

91 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION PRISE EN COMPTE DES MASQUES Carte des masques réalisée à l aide d un clinomètre Point P0 : altitude 0 A (azimut) H (hauteur angulaire) p

92 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION PRISE EN COMPTE DES MASQUES Hauteur en ordonnée Azimut en abscisse Photos : sigma-tec.fr

93 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION PRISE EN COMPTE DES MASQUES Exemple de masque en zone urbaine

94 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION PRISE EN COMPTE DES MASQUES Ombrage d arbre Ombrage de bâtiment Ombrage de cheminée

95 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION INSTALLATION DE 40 KW À GRANDE-SYNTHE (SOLARES)

96 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION INSTALLATION DE 40 KW À GRANDE-SYNTHE (SOLARES) Boite de jonction en amont de l onduleur MPPT1 : 33 A max MPPT2 : 11 A max fusible disjoncteur parafoudre Interrupteur pompiers

97 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION INSTALLATION DE 40 KW À GRANDE-SYNTHE (SOLARES) Arrivée des câbles Vers onduleur MPPT1 MPPT2 Câble spécifique non propagateur de flamme (pompiers)

98 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION INSTALLATION DE 40 KW À GRANDE-SYNTHE (SOLARES) Onduleurs SMA TL17000 onduleurs Coffret de protection AC Coffret de protection DC

99 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION QUELS SONT LES RISQUES ET COMMENT LES ÉVITER? Risques chantiers Vandalisme (vol de câbles ou de modules) Casse pendant le pose Sécurité électrique (risque de chocs électriques, travail à mains nues sur coffrets, déconnexion de câbles sous tension, habilitation électrique) Chute d outils (barrières de protection)) Dommages au bâtiment Résistance structurelle du bâtiment (15 à 20 kg/m 2 ) Défauts d étanchéité (qualipvbât) Dommages à l installation photovoltaïque Défauts de tenue mécanique (déformations : neige en montagne ; arrachements : cyclones dans les DOM) Tenue des installations correcte dans l ensemble

100 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION INSTALLATION DE 40 KW À GRANDE-SYNTHE (SOLARES) Foudre Parafoudres obligatoires dans certaines zones Pertes d exploitation Défauts de conception Défauts de mise en œuvre Non fonctionnement de composants Baisse de performance électrique des modules Défauts de conception Défauts de dimensionnement Ombrages Mauvaise connexion de câbles, de parafoudres

101 VI. CONCEPTION D UNE INSTALLATION INSTALLATION DE 40 KW À GRANDE-SYNTHE (SOLARES) Non raccordement au réseau Les normes : NF EN pour le Si cristallin NF EN pour les couches minces NF EN conformité électrique Exiger la fourniture d un certificat réalisé par un laboratoire indépendant. DIN VDE : onduleur Attestation de conformité délivrée par le consuel

102 LA MAINTENANCE* Périodicité Une fois par an De préférence juste avant les beaux jours Vérifications et mesures préconisées Bon fonctionnement de l onduleur (affichage, historique) Bon fonctionnement des équipements de sécurité Contrôle visuel du générateur (encrassement, châssis) et des câbles apparents Journalisation des messages d erreur dans le BRG et au niveau de l onduleur Elagage de nouvelles branches d arbre ou tonte de gazon (pour les installations au sol) * : d après «le photovoltaïque pour tous», ed. Le moniteur

103 VERS L AUTOCONSOMMATION? Intéressant si : La parité réseau est atteinte (prix du kwh photovoltaïque < prix du kwh réseau) ET Courbe de charge de consommation correspond à celle de la production solaire L autoconsommation chez le particulier aujourd hui* Sans disposition particulière, seule 20% de la production est autoconsommée Avec la domotique, on peut espérer atteindre 40% (sans système de stockage) * Source : le journal du photovoltaïque, nov. 2013, hors série n 10

104 FIN DU COURS DES QUESTIONS?

105 LES SYSTÈMES AUTONOMES EN SITE ISOLÉ Installation connectée au réseau : production d un maximum d énergie en fonction de la surface disponible et des ressources financières Système autonome : recherche du meilleur compromis entre les besoins en électricité et le coût de l installation Modules Régulateur de charge Batteries Récepteurs

106 LES SYSTÈMES AUTONOMES EN SITE ISOLÉ CONCEPTION D UNE INSTALLATION Etape 1 : détermination des besoins de l utilisateur Il faut privilégier les économies Evaluer les besoins en énergie (puissance des appareils et durée d utilisation) Pour quelle utilisation? (annuelle, estivale ) Quelle tension? (dépend de la puissance du système) Etape 2 : Evaluer le potentiel solaire du site Cartes d ensoleillement Masques Orientation Inclinaison Utilisation annuelle : optimiser pour l hiver soit latitude + 10 (60 en France) Utilisation estivale : inclinaison de 20 à 30

107 LES SYSTÈMES AUTONOMES EN SITE ISOLÉ CONCEPTION D UNE INSTALLATION Etape 3 : Choix des modules photovoltaïques Calcul de la puissance crête Eprod (Wh/j) = Cp x Esol (kwh/m2.j) x Pc (W) * Cp : coefficient de perte (0,75 en moyenne)