Principe et constitution d une installation photovoltaïque

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1 Principe et constitution d une installation photovoltaïque Cliquez pour modifier le style des sous-titres du masque Bruno ESTIBALS Maître de Conférences à l Université Paul Sabatier Toulouse III LAAS-CNRS Laboratoire d Analyse et d Architecture des Systèmes 7, avenue du Colonel Roche - F Toulouse Cedex

2 Le photovoltaïque au LAAS-CNRS 2Bruno ESTIBALS

3 Principe et constitution d une installation photovoltaïque Cliquez pour modifier le style des sous-titres du masque Quelques généralités avant de commencer 33

4 Production d électricité en France Différentes sources 4Bruno ESTIBALS

5 Production d électricité en France Les énergies renouvelables dans la production française Source : RTE Production française d électricité en 2006 : 549,1TWh 5Bruno ESTIBALS

6 Production d électricité en France Le solaire photovoltaïque dans la production française 6Bruno ESTIBALS Source : Observer/EDF Le solaire photovoltaïque est en très forte progression depuis 2004

7 Deux types d application Applications photovoltaïques en Sites Isolés 7Bruno ESTIBALS

8 Deux types d application Applications photovoltaïques raccordées Réseau Systèmes attachés à un bâtiment Injection de la totalité de l énergie Compteur de production Compteur de consommation Centrales photovoltaïques au sol 8Bruno ESTIBALS

9 Constitution d une installation Quels sont les différents éléments? TENESOL Technologies Toulouse 9Bruno ESTIBALS

10 Plan de la Présentation De la Cellule au Panneau photovoltaïque Quelques généralités sur le soleil Le panneau photovoltaïque Base du panneau : la cellule PV Comment choisir un panneau PV? Du panneau photovoltaïque à l onduleur Pourquoi un onduleur? Comment choisir un onduleur? Un plus : la commande MPPT Autres constituants d une installation Quelques conseils pratiques concernant le dimensionnement et l installation 10Bruno ESTIBALS

11 Principe et constitution d une installation photovoltaïque De la cellule Cliquez au panneau pour modifier photovoltaïque le style des sous-titres du masque

12 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh 12Bruno ESTIBALS

13 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh Le rayonnement est inhomogène suivant les régions Dans le Monde 13Bruno ESTIBALS

14 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh Le rayonnement est inhomogène suivant les régions 14Bruno ESTIBALS

15 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh Le rayonnement est inhomogène suivant les régions Dans le Monde En France 15Bruno ESTIBALS

16 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh Le rayonnement est inhomogène suivant les régions Dans le Monde En France 16Bruno ESTIBALS

17 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh Le rayonnement est inhomogène suivant les régions Dans le Monde En France 17Bruno ESTIBALS

18 Quelques généralités sur le soleil Quelques chiffres La terre intercepte une partie infime du rayonnement solaire Puissance de GW Energie annuelle de 1, kwh Le rayonnement est inhomogène suivant les régions Dans le Monde En France 45% est absorbé au sol puis rayonné Soit 6000 fois la consommation humaine annuelle!.. Une grande part de cette puissance peut être convertie en chaleur 18Bruno ESTIBALS

19 Quelques généralités sur le soleil Rayonnement et Spectre Solaire Trois types de Rayonnement 19Bruno ESTIBALS

20 Quelques généralités sur le soleil Rayonnement et Spectre Solaire Source : JC. Müller, Techniques de l Ingénieur BE Bruno ESTIBALS

21 Quelques généralités sur le soleil Rayonnement et Inclinaison Variation des angles en fonction de l heure et de la saison 21Bruno ESTIBALS

22 Quelques généralités sur le soleil Rayonnement et Inclinaison Variation des angles en fonction de l heure et de la saison 22Bruno ESTIBALS

23 Quelques généralités sur le soleil Rayonnement et Inclinaison Variation des angles en fonction de l heure et de la saison 23Bruno ESTIBALS

24 Le Panneau Photovoltaïque L interface entre le Soleil et l Electricité 24Bruno ESTIBALS

25 Le Panneau Photovoltaïque Constitution 25Bruno ESTIBALS

26 Le Panneau Photovoltaïque Constitution 26Bruno ESTIBALS

27 Base du panneau : la cellule PV Principe les photons heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couche mince Ils transfèrent leur énergie aux électrons présents dans la matière qui se mettent alors en mouvement Source : Hespul Le courant électrique continu qui se crée est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et acheminé à la cellule suivante 27Bruno ESTIBALS Le courant s additionne en passant d une cellule à l autre jusqu aux bornes de connexion du panneau

28 Base du panneau : la cellule PV Technologies utilisées Silicium Cristallin (90%) Mono-cristallin Multi-cristallin Couches minces (10%) Silicium Amorphe Silicium en Ruban Tellurure de Cadmium Cuivre Indium Selenium 28Bruno ESTIBALS

29 Base du panneau : la cellule PV Technologies utilisées et Rendement Silicium Cristallin (90%) Mono-cristallin Multi-cristallin Couches minces (10%) Silicium Amorphe Silicium en Ruban Tellurure de Cadmium Cuivre Indium Selenium Type Silicium Monocristallin Silicium Polycristallin Silicium Amorphe Silicium Cristallin Mono Couche Rendements Cellule, en Labo Module, en Labo Module commercial 24, 70% 22,70% 12-20% 20,30% 16,20% 11-15% 13,40% 10,40% 5-9% 9,40% 7% Comparaison des Rendements de diverses filières 29Bruno ESTIBALS

30 Base du panneau : la cellule PV Technologies utilisées et aspect commercial Silicium Cristallin (90%) Mono-cristallin Multi-cristallin Couches minces (10%) Silicium Amorphe Silicium en Ruban Tellurure de Cadmium Cuivre Indium Selenium Technologies commerciales en Bruno ESTIBALS

31 Base du panneau : la cellule PV Technologies utilisées et aspect «physique» Cellules en Si Mono cristallin Cellules en Si poly cristallin Silicium Amorphe CIS 31Bruno ESTIBALS

32 Base du panneau : la cellule PV Quel futur? 32Bruno ESTIBALS

33 De la cellule au panneau Connexion Série des cellules E 1 D 1 I P V E 2 D 2 VTot= N. VP N. Cellules connectées en série E 3 D 3 V N. VP Caractéristiques P de N Cellules connectées en Série V P V Connexion en Série des Cellules photovoltaïques Tension de Sortie = N fois la tension de seuil d une diode Limitation du courant par la diode la Moins éclairée 33Bruno ESTIBALS

34 De la cellule au panneau Eléments de protection But 1 : Limiter la Tension Inverse Point de vue : Thermique ou Avalanche Conduction qu en situation de déséquilibre + But 2 : Palier les défauts d une cellule Limitation de la Perte de Puissance Modification de la Caractéristique I(V) Implémentation Une seule diode par groupe de 24 cellules environ - 34Bruno ESTIBALS

35 Comment choisir un panneau? Exemple 1 : module ASE polycristallin 100W 35Bruno ESTIBALS

36 Comment choisir un panneau? Exemple 2 : module ASE amorphe 30W uno ESTIBALS

37 Comment choisir un panneau? Effet de la température sur la production uno ESTIBALS

38 Comment fixer un panneau? 4 modes principaux pour la connexion réseau SPT : Structure à plat sur toiture Fixation des modules sur les toitures (tuile, ardoise, ) SIT : Structure Intégrée en toiture Etanchéité assurée avec fixation des modules SBS : Structure brise-soleil Coupe le rayonnement direct du soleil sur les façades Constitués généralement de modules bi-verres STC : Structure type cassette Couverture de type industriel Utilisation de cassettes en acier uno ESTIBALS

39 Comment fixer un panneau? 4 modes principaux pour la connexion réseau uno ESTIBALS Source : Tenesol

40 Principe et constitution d une installation photovoltaïque Cliquez pour modifier le style des sous-titres du masque Du panneau photovoltaïque à l onduleur 4040

41 Du panneau PV à l onduleur Rappel sur les différents éléments TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

42 Pourquoi un onduleur? Pour transformer l énergie électrique produite Source Continue (=) Hache ur Redress eur TENESOL Technologies Toulouse Récepteur Continu (=) Ondule ur Source Alternative (~) Gradate ur Récepteur Alternatif (~) uno ESTIBALS

43 Pourquoi un onduleur? Pour adapter l énergie électrique produite Extraire l énergie de la source d alimentation primaire de la manière la plus approprié Adaptateur d impédance (Convertisseur Statique) TENESOL Technologies Toulouse Fournir l énergie dont la charge a besoin à chaque instant selon les spécifications demandés La conversion doit être optimale Très bon Rendement de Conversion Faible niveau d Interférences Electro Magnétiques (EMI) Commande simple et robuste Problèmes ouverts Conversion (Topologie, stabilité) Extraction d énergie de la source primaire Intégration de l ensemble uno ESTIBALS

44 Pourquoi un onduleur? Pour adapter l énergie électrique produite Extraire l énergie de la source d alimentation primaire de la manière la plus approprié Adaptateur d impédance (Convertisseur Statique) TENESOL Technologies Toulouse Fournir l énergie dont la charge a besoin à chaque instant selon les spécifications demandés La conversion doit être optimale Très bon Rendement de Conversion Faible niveau d Interférences Electro Magnétiques (EMI) Commande simple et robuste Problèmes ouverts Conversion (Topologie, stabilité) Extraction d énergie de la source primaire Intégration de l ensemble

45 Comment choisir un onduleur? Paramètres caractéristiques Puissance nominale TENESOL Technologies Puissance crête Toulouse Tension d entrée Source : SMA Tension de sortie Rendement Forme de signal (ou d onde) Type de convertisseur (ou d onduleur)

46 Comment choisir un onduleur? Paramètres caractéristiques Puissance nominale TENESOL Technologies Toulouse Puissance totale délivrée par l installation en condition normale de fonctionnement Puissance crête Puissance maximale que devra supporter l onduleur pendant un très court instant Tension d entrée Tension continue totale délivrée par le champ de panneaux photovoltaïques Tension de sortie Dans le cas d une connexion réseau EDF : 230V Rendement S exprime en % Rapport entre la puissance utile et la puissance asorbée Plus le rendement est élevé, plus l appareil est performant

47 Un plus : la commande MPPT Problématique TENESOL Technologies Toulouse

48 Exemple de commande MPPT Principe de fonctionnement Technique basée sur la Dérivée de la Puissance Analyse de dppv dt PMax 1 Détermination du sens de la recherche PP V TENESOL Technologies PPM1 Toulouse P1 VPV uno ESTIBALS

49 Exemple de commande MPPT Principe de fonctionnement Technique basée sur la Dérivée de la Puissance Analyse de dppv dt PMax 1 Détermination du sens de la recherche PP V TENESOL Technologies PPM1 Toulouse P2 Direction de P1 Recherche dppv >0 dt VPV uno ESTIBALS

50 Exemple de commande MPPT Principe de fonctionnement Technique basée sur la Dérivée de la Puissance dppv dt Analyse de Détermination du sens de la recherche Avantages Permet de s adapter aux variations de météo et de charge Augmentation de la puissance produite Conception aisée en Analogique Conception aisée en Numérique PMax 1 PMax 2 uno ESTIBALS PP V TENESOL Technologies PPM1 Toulouse PPM2 Oscillation s autour du PPM P2 P3 P1 Direction de Recherch dppv >0 edt dppv dt <0 VPV

51 Exemple de commande MPPT Principe de fonctionnement Technique basée sur la Dérivée de la Puissance dppv dt Analyse de PMax 1 Détermination du sens de la recherche Avantages PMax 2 Permet de palier les variations de météo Augmentation des performances Conception aisée en Analogique Inconvénients Pertes en statique uno ESTIBALS PP V TENESOL Technologies PPM1 Toulouse PPM2 Oscillation s autour du PPM P2 P3 P1 Direction de Recherch dppv >0 edt dppv dt <0 VPV Une commande de Poursuite de Point Maximal de Puissance permet d extraire à chaque instant le maximum de Puissance du Générateur Photovoltaïque

52 Principe et constitution d une installation photovoltaïque Cliquez pour modifier le style des sous-titres du masque Autres constitutifs de l installation 5252

53 Autres constitutifs de l installation Sectionneurs, protections, suivi de l installation, etc TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

54 Principe et constitution d une installation photovoltaïque Cliquez pour modifier le style des sous-titres du masque Et pour finir Quelques conseils pratiques concernant le dimensionnement et l installation 5454

55 Approche du problème Le lieu d installation est-il approprié? Orientation des toitures TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS 2010 Site 55 web :

56 Approche du problème Le lieu d installation est-il approprié? Orientation des toitures TENESOL Technologies Toulouse - Pas d ombre portée directe - Pas de forêt - Zone dégagée - Toiture «majeure» plein Sud - Ombres portées - Arbres diffus - Zone dense en arbre uno ESTIBALS 2010 Site 56 web :

57 Approche du problème Quel est le gisement solaire disponible? TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

58 Approche du problème Quel est le gisement solaire disponible? TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

59 Approche du problème Comment «intégrer» les panneaux à l architecture? TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

60 Approche du problème Comment «intégrer» les panneaux à l architecture? TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

61 Approche du problème Comment «intégrer» les panneaux à l architecture? TENESOL Technologies Toulouse uno ESTIBALS

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