Micro-centrale photovoltaïque de l Université de Nantes : un support pédagogique pour tous les niveaux

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1 UDPPC 31 oct Micro-centrale photovoltaïque de l Université de Nantes : un support pédagogique pour tous les niveaux N. Barreau (MCF-HDR Univ. Nantes) 1

2 Grandes lignes Pourquoi enseigner le photovoltaïque? Les différents éléments : - la source : le soleil - le convertisseur : la cellule - la production : le système complet La micro-centrale PV de l UFR 2

3 Préambule quelques définitions Définir avec des mots la notion d énergie gr. energeia, " force en action " Grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes, avec lesquels il entre en interaction. Unité Joule [J], mais en PV on utilisera surtout : ev = 1, J Wh = 3, J Définir avec des mots la notion de puissance En physique, la puissance est la quantité d énergie fournie ou susceptible d'être fournie par unité de temps. Unité Watt [W] 3

4 Notions de grandeur L Homme n a pas attendu qu il n y ait plus de pierre pour sortir de l Age de Pierre 4

5 Que faire de cette énergie? - On peut chauffer solaire thermique - On peut faire de l électricité solaire photovoltaïque 5

6 Pourquoi enseigner le PV? ~ 20 réacteurs nucléaires Europe : orange Rest of world : yellow Cumulative installed PV capacity (source EPIA) 6

7 La source : le soleil Fusion nucléaire : H en He -) Perte de masse... 4, kg/s -) Puissance émise... 3, W -) Irradiance... 6, W/m 2 -) Température de surface 5760 K Soleil C 5500 C Terre 1 UA = 1, km 1,7 % Solstice d hiver = UA Solstice d été = UA Equinoxes = 1 UA ==> D(irradiance) 6,6 % + 1 % Constante Solaire W/m 1 UA 7

8 La source : le soleil Spectre hors atmosphère Corps noir à 5800 C Visible UV IR 8

9 La source : le soleil 9

10 La source : le soleil ENSOLEILLEMENT GLOBAL ANNUEL [kwh/m 2 ] 10

11 Le convertisseur : la cellule Énergie disponible Énergie devenue utilisable Pertes Rendement d un convertisseur = Énergie utilisable Énergie disponible 11

12 Le convertisseur : la cellule Générer Séparer Collecter E 12

13 Le convertisseur : la cellule Aujourd hui le silicium représente plus de 90 % du marché PV De la fabrication de la cellule à celle du panneau Fabrication des wafers Fabrication des panneaux Une cellule : 0,6-0,7 V ; courant dépendant de la taille (15 x 15 cm² : 5 A) 13

14 Le convertisseur : le panneau Module c-si standard Encapsulation 14

15 Le convertisseur : le panneau Évaluation des performances des panneaux On définit des conditions standard de test (STC) : Température du panneau : 25 C Éclairement : 1000 W/m² Spectre : AMG1.5 La puissance crête (W c ) d un panneau est par convention déterminée dans ces conditions Un fabricant vous vend une puissance crête! Attention à la dépendance en température! 15

16 La production d énergie : le système Aujourd hui : Le panneau représente moins de 50 % du coût du système. 16

17 La production d énergie : le système Influence de l éclairement (W/m²) sur la production Courant de court-circuit : il croît linéairement avec l éclairement (G) I I. cc. STC Influence de la température des panneaux sur la production cc Tension de circuit ouvert : il croît de manière logarithmique avec l éclairement (G) DV oc ln Courant de court-circuit : ne dépend que très peu de T (légère augmentation avec T) G G G G STC STC Tension de circuit ouvert : décroît linéairement avec T V oc ( T) Voc. STC K( T TSTC ) K : constante pour un dispo. (V/ C) 17

18 La production d énergie : le système Deux exemples de fiches techniques fournies par constructeurs: 18

19 L outil pédagogique : la micro-centrale La microcentrale de l UFR Sciences et Techniques Université de Nantes 2 séries de 4 panneaux Sanyo (HIP) Par série : 960 Wc, onduleur SMA 1200 W Capteurs : - éclairement, - température ambiante et panneaux, - vitesse du vent 19

20 La micro centrale de l UFR sciences de Nantes Objectif : comparer le comportement pour deux situation différentes (1 et 2): - Inclinaison - Isolation thermique Avec techno silicium : facile à modéliser Dans un premier temps : configuration identique 20

21 60 «cellules» en série : en fait 4x¼ en parallèle Dimension module =0.861*1.61 m² Dimension cell = 200 cm² Rendt= 20% Voc (cell) = 43.6/60=0.727 V Jsc (cell) = 7.37/200=36.85 ma/cm² FF (cell) = rendt/voc*jsc = 74.7% Inclinaison i = 20 Orientation = Sud g = 0 surface = (4*.861*1.61) =5.55 m² ; Perte cell module I module = I cell la plus faible Surface active : rendement Perte résistive : FF Perte absorption EVA et verre 21

22 Capteur : Eclairement Global horizontal Gh (W/m²). Module silicium amorphe T back ( ) = Sonde de température au dos T a ( ) = Temp ambiante Onduleur SMA = P nominal = 1200 W - Performance photovoltaïque à Pmax : Vpm=Vpv, Ipm=Ipv, Pm=Ppv - Performance électrique AC après onduleur : Iac, Vac, Pac - Mesure toutes les 5 minutes - Webbox, sunnyportal 22

23 01/10/2011 Tback Tm-Ta Heure W/m² C C ma ma W Volt Volt C C W 23 Figure : Schéma d'installation de la microcentrale

24 Ipm (ma) Mesures Instantanées Courant : le plus sensible à éclairement 7000 Ipv / ombrage 21/10 ombrage diffus :00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 h 24

25 Vpv (V) Ipv = Ipm (ma) 1200 Tm-Ta ( C) Upv (V) Upv Vent non pris en compte k = 0,026 C.m²/W Pour Tm = 25 C = 0, Tm-Ta ( C) Linear Fit of cleandata Tc-Ta Eclairement (W/m²) G (W/m²) 140 Pour G>400 W/m² Vpv 8000 Effet de la température peu visible a faible Coef de tension :q 0.3%/ C pente = V/ C V/ C Par module W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² W/m² T ( C) Tc ( C) 25

26 Wh/Wc Prod. totale kwh Production sur une année Production totale: Intéressant mais par pertinent pour comparer deux installations Onduleur 1 : 1678 kwh Onduleur 2 : 1701 kwh 50 0 Sept 11 Nov 11 Jan 12 Mars 12 Mai 12 Juil 12 Sept Production relative: Pertinent pour comparer deux installations Sept 11 Nov 11 Jan 12 Mars 12 Mai 12 Juil Sept 12

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