Technologies associées aux énergies renouvelables. Systèmes solaires photovoltaïques (PV)

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1 Technologies associées aux énergies renouvelables Systèmes solaires photovoltaïques (PV) Exposé n 05 du cours ENER002 «Energies non conventionnelles» Bruxelles, 25 octobre 2005 Professeur : ir Michel Huart Faculté des Sciences Appliquées de l ULB Année académique 2005/2006 Solaire photovoltaïque Contenu Identification des applications Description des composants d un système solaire photovoltaïque Caractéristiques de fonctionnement des photopiles Paramètres influençant la productivité des modules PV Méthode de dimensionnement d une petite installation Objectifs Connaître les éléments constitutifs d un système PV Comprendre les caractéristiques de fonctionnement d un module PV Connaître les paramètres influençant la productivité Pouvoir dimensionner une petite installation

2 ER Source d énergie renouvelable Technologie ER Energie utile Soleil Système photovoltaïque Electricité Applications Systèmes en îlotage pour électrification rurale (individuel ou collectif) Systèmes pour applications isolées (télécommunication) Systèmes pour le pompage solaire Systèmes connectés au réseau Systèmes «mobiles»

3 Composants d un système photovoltaïque Modules PV Batteries Charge électrique Systèmes PV dans le bâtiment Installation raccordée au réseau à Ittre 5 modules : 24V; 230 Wc = Wc Onduleur : Wc

4 Capteurs PV en toiture Capteurs PV intégrés à la toiture Installation en toiture au Luxembourg Commune de Redange Sources : EnergiPark Réiden sa

5 Capteurs PV en toiture Installation en toiture au Luxembourg Commune de Redange 2 x 31,2 kwc +/- 500 m² 10 onduleurs SMA 5000 TL Production annuelle 2 x 27,5 MWh ou 880 kwh/kwc Sources : EnergiPark Réiden sa Capteurs PV en façade Gare de Freiburg Allemagne

6 Capteurs PV dans le vitrage Capteurs solaires orientables Exemple verger solaire Commune de Beckerich - GD Luxembourg Sources : EnergiPark Réiden sa 15 «arbres» de 16 m² = 15 x 2,28 kwc = 34,2 kwc 15 onduleurs SMA 2500 Production annuelle = 41 MWh ou 1200 kwh/kwc Le système d orientation automatique des capteurs vers la plus grande luminosité permet d augmenter la productivité de 30%

7 Pompage solaire Pompage PV : centrifuge Immergée Flottante Manuel de pompage photovoltaïque IEPF,

8 Modules photovoltaïques Définition de «Wc» ou «Wp» Watt crête = Puissance électrique du module dans les conditions suivantes: Irradiation solaire de 1000 W/m² T de jonction de 25 C Charge optimale En d autres termes, 1 Wc délivre une puissance électrique de 1 W quand il est soumis à un ensoleillement de 1000 W/m². Exemple : 1 module de 1 Wc qui reçoit 55 kwh d irradiation solaire dans les conditions standards, produira 55 Wh d électricité. Un module photovoltaïque est une plaque qui exposée à la lumière la transforme en énergie électrique sous la forme de courant continu (V, I). Les modules PV que l on retrouve sur le marché sont un assemblage de cellules PV appelées aussi photopiles. (Généralement connectée en série pour atteindre 12V) Les cellules PV sont composées d un élément semi-conducteur, généralement du silicium cristallin (mono, poly) ou de silicium amorphe de très haute pureté. Des éléments nouveaux sont en phase de développement ou de recherche. Ils reposent sur des technologies de dépôts de couches minces. La concentration est aussi appliquées afin de concentrer la lumière sur des petites surfaces (loupe de type Fresnel, miroir parabolique, ). Mais attention uniquement applicable avec du rayonnement direct. Un module PV est caractérisé par sa puissance (Wc), sa tension (généralement 12V) Généralement, les rendements de conversion photoélectriques vont de 6 à 14% (marché). Le prix des systèmes PV se situent entre 5 et 15 EUR/Wc

9 Cellule photovoltaïque Caractéristique tension/courant Point de fonctionnement optimum, càd à puissance maximum (I pm,v pm) P pm = 6,43 A x 0,55 V x 0,73 = 2,58 W I pm <I cc car influence des courants de fuite à la jonction V pm <V co car résistance du semiconducteur Sources : Cellule de fabrication ENE - Guide des énergies renouvelables, MRW 1994; p. 48 Cellule photovoltaïque Caractéristique courant/tension Photopile idéale FF = Source : «Le pompage photovoltaïque» IEPF Photopile réelle

10 Cellule photovoltaïque Influence de la température Source : «Le pompage photovoltaïque» IEPF Cellule photovoltaïque Influence de l ensoleillement La puissance optimale est pratiquement proportionnelle à l irradiation solaire captée Source : «Le pompage photovoltaïque» IEPF

11 Cellule photovoltaïque Influence de la charge électrique La zone de points de puissance maximum se situent +/- à la même tension Source : «Le pompage photovoltaïque» IEPF Couplage des modules photovoltaïques avec la charge Pour s assurer que les cellules travaillent à leur puissance maximale, il faut veiller à ce que la charge impose ce point de fonctionnement optimal. Dans le cas d une charge de type «batterie», c est elle qui fixe la tension, dès lors la tension de la batterie sera choisie en conséquence. Dans le cas du branchement d une charge résistive, il faut que l impédance de la charge évolue pour que les modules restent à leur point de fonctionnement optimal. Si ce n est pas le cas, il est parfois utile de coupler un adaptateur de charge (maximum power tracker) Un adaptateur de charge est un dispositif électronique qui crée une impédance fictive pour que le point de fonctionnement des modules soit toujours à puissance optimale

12 Batteries Les batteries sont utilisées pour stocker l énergie électrique sous une forme chimique. Elles restituent l énergie électrique au besoin selon ses caractéristiques: Capacité de stockage (Ah) (selon temps de décharge Cn) (où n = nombre d heures pour la décharge) Tension nominale (V) Durée de vie (Nombre de cycles) Courant de charge et de décharge (A) Régulateur de charge Le régulateur de charge a pour fonction principale de protéger la batterie contre les surcharges et les décharges profondes. Il est un élément essentiel pour la durée de vie de la batterie

13 Convertisseur Un convertisseur est parfois utilisé pour transformer la forme d électricité. Onduleur CC/AC : Courant continu -> Courant alternatif. Convertisseur CC/CC : Dispositif électronique qui permet de modifier la tension. Systèmes photovoltaïques complexes Charges C.C. Générateur C.C. auxil. Générateur C.A. auxil. Champ de modules 4 5 CC CC CC C.A Réseau Convertisseur Régulation Batterie Convertisseur Charges C.A Cours sur le PV, Ecole des Mines, Paris, M. Mayer -26-

14 Méthode de dimensionnement Calculer les besoins énergétiques sur une période représentative Sur base de l irradiation solaire moyenne journalière la plus défavorable de la période calculer la puissance en Wc nécessaire Calculer la capacité en batterie nécessaire en fonction du degré d autonomie souhaité Choisir le régulateur de charge permettant de supporter les intensités maximales Dimensionner le circuit électrique et les convertisseurs Méthode de dimensionnement Estimation des besoins en électricité cc et ca CJT (Wh/j) Puissance appelée max (W) Estimation de l ensoleillement journalier : Ej Par exemple : Moyenne mensuelle à Casa = Wh/j/m² Moyenne décembre à Casa = Wh/j/m² Estimation de la capacité de stockage requise (Ah) Capacité (Ah) = [CJT(Wh/j) x J(j)] / [ tension nom(v) x K bat(%) x Décharge max(%)] Vérification du non dépassement du courrant de décharge max Capacité (Ah) / Pmax(W) < 10 (si batterie C10) Estimation du champ PV (Wc) P (Wc) = CJT (Wh) / [Ej(kWj/j) x Kbat(%) x Kgen(%)] Calcul du circuit électrique et dimension des câbles (Rendre négligeable les pertes par effet Joule)

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