Projet de Cours Energie en télécoms

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1 Projet de Cours Energie en télécoms THEME Câblage et installation des panneaux solaires : cas de l ESMT Membres du Groupe : Sous la direction de : ALI TAHIROU seydou AMOUZOUN charles Mr RABE ASSANE Mohamed BAH Zakariaou BARRY Khadidiatou MASTER 1: RESEAUX ET TELECOMMUNICATIONS

2 SOMMAIRE Introduction A- Généralités sur les panneaux solaires 1- Définition 2- Rayonnement solaire 3- Mesure de rayonnement solaire 4- Conversion photovoltaïque 5- L effet photovoltaïque 6- Le principe de conversion photovoltaïque 7- La cellule solaire 8- Influence de la température 9- Principe du montage des panneaux 10- Protection des cellules avec l utilisation des diodes B-Câblage des panneaux : cas d installation de L ESMT 1- Schéma de puissance 2- Schéma électrique 3- Boite de dérivation 4- Mesures : Tensions et puissances de sortie 5- Salle d énergie Conclusion Introduction L électricité issue de l énergie solaire peut être utilisée comme source d alimentation fiable et autonome dans des zones rurales ou isolées des infrastructures de fourniture d énergie publique. La conversion photovoltaïque a Page 1

3 été découverte par le physicien français E.BECQUEREL en 1839 et qui est le seul moyen connu de convertir directement la lumière solaire en énergie électrique. Mais ce n est qu un siècle plus tard que les scientifiques se sont intéressés à ce phénomène de physique.les premières utilisations remontent aux années quarante avec l aire spatiale. Aujourd hui l énergie photovoltaïque représente une solution séduisante dans des domaines d application de plus en plus nombreux comme les télécommunications et qui, même dans des conditions climatiques extrêmes, nécessitent une alimentation en courant sécurisante et fiable. Notre étude s intéresse au système photovoltaïque de l esmt à travers son installation et son câblage. Pour ce faire nous organiserons notre travail en deux grandes parties : Une première partie qui définit brièvement les panneaux photovoltaïques Une deuxième partie qui sera consacré le câblage de l installation de l esmt I- Généralités sur les panneaux solaires 1- Définition Un panneau solaire est un des composants du système appelé "Générateur solaire" Le générateur solaire à pour but de "fabriquer de l'électricité" à partir de la lumière du soleil. 2- Rayonnement solaire Page 2

4 Le soleil émet un rayonnement électromagnétique compris dans une bande de longueur d onde variant de 0,22 µm à 10 µm. La figure 1 représente la variation de la répartition spectrale énergétique. L énergie associée à ce rayonnement solaire se décompose approximativement ainsi : 9% dans la bande des ultraviolets (<0,4 µm), 47% dans la bande visible (0,4 à 0,8 µm), 44% dans la bande des infrarouges (>0,8 µm). L atmosphère terrestre reçoit ce rayonnement à une puissance moyenne de 1,37 kilowatt au mètre carré (kw/m2), a plus ou moins 3 %, selon que la terre s éloigne ou se rapproche du soleil dans sa rotation autour de celui-ci. L atmosphère en absorbe toutefois une partie, de sorte que la quantité d énergie atteignant la surface terrestre dépasse rarement 1200 W/m2. La rotation et l inclinaison de la terre font également que l énergie disponible en un point donné varie selon la latitude, l heure et la saison. Enfin, les nuages, le brouillard, les particules atmosphériques et divers autres phénomènes météorologiques causent des variations horaires et quotidiennes qui tantôt augmentent, tantôt diminuent le rayonnement solaire et le rendent diffus. Page 3

5 Figure 1 : Analyse spectrale du rayonnement solaire L utilisation du rayonnement solaire comme source d énergie pose donc un problème bien particulier. En effet, le rayonnement solaire n est pas toujours disponible ; en outre, on ne peut ni l emmagasiner ni le transporter. Le concepteur d un système qui emploie le rayonnement solaire comme source d énergie doit donc déterminer la quantité d énergie solaire disponible à l endroit visé et le moment où cette énergie est disponible. Il faut d abord comprendre l effet de la rotation (moment de la journée) et de l inclinaison (saison de l année) de la terre sur le rayonnement solaire. L absorption atmosphérique est plus faible lorsque le soleil se trouve à son point le plus haut dans le ciel, c est-à-dire plein sud dans l hémisphère nord et plein nord dans l hémisphère sud1. En effet, la distance que doit parcourir le rayonnement dans l atmosphère est plus courte lorsque le soleil est directement au-dessus de l endroit visé. C est le «midi solaire», moment où le rayonnement solaire direct est le plus intense. Comme le soleil est plus haute et que les journées sont plus longue en été, la quantité totale d énergie reçue sur un plan horizontal y est plus grande qu en hiver. Page 4

6 La figure ci-dessous illustre ce phénomène, en reproduisant la trajectoire du soleil dans le ciel au cours des quatre saisons de l année. Figure 2: Trajectoire du soleil selon les saisons pour une latitude nord La latitude a aussi un effet important : les journées estivales s allongent à mesure qu on s éloigne de l équateur, et le soleil est plus bas au midi solaire. Les journées d hiver sont également plus courtes, et le soleil encore plus bas qu à l équateur. Autrement dit, l intensité maximale (à midi) et la quantité totale de rayonnement solaire (G) sur un plan horizontal diminuent à mesure qu augmente la latitude (figure 3) Page 5

7 Figure 3: Courbes d ensoleillement typique par mois pour différentes latitudes Inversement, le rayonnement atteint son intensité maximale lorsque le plan est perpendiculaire aux rayons du soleil, donc l intensité du rayonnement solaire sur un plan quelconque augmente quand on l incline vers le soleil. Figure 4: Un plan incliné capte plus de rayonnement qu un plan horizontal 3-Mesure de rayonnement solaire L ensoleillement (G) correspond à l intensité du rayonnement solaire reçu sur un plan à un moment donné. Il s exprime habituellement en watts par mètre carré (W/m2). Comme on l explique à la section «La ressource solaire», Page 6

8 l ensoleillement varie de zéro, au lever du soleil, à sa valeur maximale, typiquement au midi solaire. L ensoleillement peut également exprimer la quantité d énergie solaire captée sur un plan pendant un intervalle déterminé. Il s exprime habituellement en kilowattheure par mètre carré (kwh/m2), en «heure de soleil maximum», en mégajoule par mètre carré (MJ/m2) ou en calorie par centimètre carré (cal/cm2) pour l intervalle déterminé, une journée ou une heure, par exemple. 1 kwh/m2 j = 1 heure de soleil maximum (1000 W/m2)/jour = 3,6 MJ/m2 j = 86 cal/cm2 j Les valeurs quotidiennes d ensoleillement sont habituellement présentées sous forme de moyennes mensuelles pour différentes latitudes et inclinaisons à des endroits précis (afin de rendre compte de l effet de conditions météorologiques différentes). Le plus souvent, on exprime l ensoleillement en «heures de soleil maximum», c est-à-dire par le nombre équivalent d heures par jour où l éclairement est en moyenne de 1000 W/m2. Ainsi, un ensoleillement de six heures de soleil maximum indique que le rayonnement reçu au cours d une journée est le même que si le soleil avait brillé pendant six heures à 1000W/m2. Les heures de soleil maximum est un indice utile pour le dimensionnement des systèmes photovoltaïques, car ces systèmes sont habituellement évalués en Watt crête (Wc), c est-à-dire sous un éclairement de 1000 W/m2. Il y a quatre types de rayonnement : Rayonnement direct : rayonnement reçu directement du soleil. Il peut être mesuré par un pyrhéliomètre. Rayonnement diffus : rayonnement provenant de toute la voûte céleste. Ce rayonnement est dû à l absorption et à la diffusion d une partie du rayonnement solaire par l atmosphère et à sa réflexion par les nuages. Il peut être mesuré par un pyranomètre avec écran masquant le soleil. Page 7

9 Rayonnement solaire réfléchi ou l albédo du sol : le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou par des objets se trouvant à sa surface. Cet albédo peut être important lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige). Rayonnement global : la somme de tous les rayonnements reçus, y compris le rayonnement réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent à sa surface. Il est mesuré par un pyranomètre ou un solarimètre sans écran. Il faut noter que certains capteurs solaires concentrent le rayonnement solaire afin d augmenter le rendement du capteur par rapport à une surface donnée. Ces capteurs à concentration ne peuvent utiliser que le rayonnement direct provenant du soleil. Dans les endroits avec une forte proportion d ensoleillement diffus, ces capteurs ne peuvent pas fonctionner efficacement car l ensoleillement diffus ne peut être concentré en un point. 4- Conversion photovoltaïque La possibilité de transformer directement l énergie lumineuse, et en particulier le rayonnement solaire en énergie électrique est apparue en 1954 avec la découverte de l effet photovoltaïque. Cet effet utilise les propriétés quantiques de la lumière permettant la transformation de l énergie incidente en courant électrique dont la cellule solaire ou photopile, est l élément de base de cette conversion photovoltaïque. 5 - L effet photovoltaïque L effet photovoltaïque est un processus de transformation de l énergie émise par le soleil, sous forme de photons, en énergie électrique à l aide de composant semiconducteur appelé cellule solaire. L effet photovoltaïque ne peut se produire que s il existe une barrière de potentiel dans le semi-conducteur avant qu il ne soit éclairé.une telle barrière existe, par exemple, à l interface entres deux volumes dopés différemment c est à dire où l on a introduit deux types différents d impuretés à concentration différente, par exemple de type P-N. Si ce matériau est éclairé, les charges électriques, rendus Page 8

10 mobiles par la lumière (l effet photoélectrique), seront séparées par la barrière avec d un coté les charges positives et de l autre coté les charges négatives. Parmi les matériaux semi-conducteurs les plus utilisés on trouve le silicium, le germanium, le sulfure de Gallium et l arséniure de Gallium. 6- Le principe de conversion photovoltaïque L effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l une présentant un excès d électrons et l autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron - trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel le courant électrique circule. Page 9

11 Figure 5: Description d une photopile ou cellule photovoltaïque 7- La cellule solaire On appelle cellule solaire un convertisseur qui permet la conversion de l énergie solaire en énergie électrique. La photopile ou cellule solaire est l élément de base d un générateur photovoltaïque. 7.1-les types de cellules Il existe trois grands types de silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe cellule au silicium mono-cristallin Pour ce genre d applications technologiques, le silicium pur est obtenu à partir de la silice de quartz ou de sable par transformation chimique métallurgique. Le silicium a un rendement électrique et une durée de vie de l ordre de deux fois celle du silicium amorphe, mais il est nettement plus cher. cellule au silicium poly-cristallin Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau est moins coûteux (que le monocristallin). Les cellules carrées ou rectangulaires sont faciles à utiliser. Page 10

12 Cellule au silicium amorphe Le silicium absorbe le rayonnement solaire jusqu à 100 fois mieux qu en état cristallin ; les cellules sont constituées par des couches très minces. 8-Influence de la température La température est un paramètre important dans le comportement des cellules. La figure (I.16) montre que l augmentation de la température entraîne une diminution nette de la tension de circuit ouvert et une augmentation du courant de court circuit, ainsi qu une diminution de la puissance maximale (une variation 20 C entraîne une diminution de 10 watts de la puissance maximale) Figure 6 : Influence de la température sur la caractéristique I (V) 9- Principe du montage des panneaux En série Ce type de branchement permet d'obtenir des tensions plus élevées, l intensité qui traverse chaque panneau est la même; elle est égale a l'intensité du panneau le "plus faible". Page 11

13 Dans ce type de branchement, la borne positive d'un panneau est reliée a la borne négative du panneau suivant (ou précédent). Si la tension entre les bornes d'un panneau est de 12V, on disposera, entre A et B d'une tension de = 48V. Si les quatre panneaux sont identiques et éclaires de la même façon, ils fournissent la même intensité, par exemple 1 A (un ampère). L'intensité fournie par l'ensemble est également de 1A. La puissance disponible (tension x intensité) est de : 48V x 1A = 48W. La puissance de l'ensemble est la somme des puissances des quatre capteurs. (Puissance fournie par un capteur : 12V x 1A = 12 W). Supposons maintenant que l'un des panneaux soit dans l'ombre, il fournira une intensité moindre, par exemple 0,2A. Dans ce cas l'intensité fournie par l'ensemble ne sera plus que de 0,2A (le panneau dans l'ombre ne peut pas être traverse par plus de 0,2A). La puissance fournie par l'ensemble sera de : 48V x 0,2A = 9,6 W. En parallèle Ce type de branchement est aussi appelé "montage en parallèle". Dans ce cas, les bornes positives des différents capteurs sont reliées entre elles, formant la borne positive de l'ensemble; de même les bornes négatives seront reliées entre elles. Ce montage n'est possible que si les panneaux ont la même tension (mais ils peuvent fournir des intensités différentes). La tension entre les bornes de l'ensemble est égale à la tension commune des différents capteurs. L'intensité fournie par l'ensemble est égale à la somme des intensités fournies par chaque panneau. C'est Page 12

14 le montage qui convient quand on a besoin d'une intensité importante. Entre A et B la tension est de 12V. L'intensité qui sort de l'ensemble (avec les mêmes hypothèses que pour le montage en série) est : 1A + 1A + 1A + 1A = 4A. La puissance disponible est donc : 12V x 4A = 48W soit la même puissance que dans le montage en série. Comme dans le cas précédent, supposons que l'un des capteurs soit mal éclaire et ne fournisse plus que 0,2A. L'intensité fournie par l'ensemble sera : 1A + 1A + 1A+ 0,2A = 3,2A. La puissance disponible est de : 12V x 3,2A = 38,4W. La perte de puissance est moins pénalisante que dans le montage en série (perte de 20% ici contre 80% pour le montage en série). Montage mixte série dérivation Dans ce cas, on monte en dérivation des ensembles de panneaux montes en série (on peut aussi monter en série des ensembles de panneaux montes en dérivation). 10- Protection des cellules avec l utilisation des diodes Lorsqu une «mauvaise» cellule ou une cellule mal éclairée, fait partie d un ensemble de cellules montées en série, et que ces cellules ne sont pas munies de diodes en antiparallèles, la tension sur la cellule défectueuse peut devenir grande (jonction polarisée en inverse c'est-à-dire en sens bloquant) sans pour autant que le Page 13

15 courant qui circule dans l ensemble devienne négligeable (les cellules solaires ont un courant inverse relativement grand). La «mauvaise» cellule est donc le siège d une dissipation importante d énergie sous forme de chaleur, ce qui est dangereux pour l encapsulation, pour elle- même et pour ses voisines. Il faut donc craindre la formation de point chaud. Pour éviter donc le phénomène du point chaud, on utilise des diodes en antiparallèle ou de court-circuit ou (diodes de by-pass), mais il n est pas nécessaire d en prévoir une pour chaque cellule. En pratique, il suffit de prévoir une diode en antiparallèle par groupe de 18 ou 36 cellules de telle sorte que la tension inverse susceptible de se développer sur une «mauvaise» cellule soit limitée à une valeur acceptable. Photo 2 : diode de protection Page 14

16 On monte sur un module PV deux types de diodes : - Diode de court-circuit ou diode antiparallèle - Diode de blocage ou diode anti retour D1 : diode de blocage. Elle empêche la décharge de la charge (accumulateurs) dans le module D2 : diode de court-circuit. Elle isole le bloc de la cellule PV défectueuse. C est une diode de by-pass qui offre un chemin de circulation de courant lorsqu une cellule sur le bloc est défectueuse. B- Câblage des panneaux : cas d installation de L ESMT 1-Schéma de puissance Le schéma de câblage de l installation de l ESMT se présente comme suit : Photo 3: Panneaux solaires de l ESMT Page 15

17 Figure 7 : schéma de câblage panneaux ESMT caractéristiques d une cellule -Type : Multicristal -Model : LA 361J45 -Output : 51w -Optimum voltage : 16,9 v -0ptimum current : 3,02 A -Dimension : 985*445*36 mm -Sérial N : Date : Schéma électrique Son schéma électrique se présente comme suit : Page 16

18 Figure 8 : schéma électrique des panneaux ESMT 3-Boite de dérivation Les boîtes de dérivation pré-câblées sont des ensembles étanches, dans lesquels arrivent les câbles électriques des panneaux solaires. Le câblage de ces boîtes permet d'avoir une sortie en 12, 24,48, ou 72 Volts, selon les modules, elles sont équipées de deux à douze entrées, selon les tensions de sortie. Elles sont généralement prévues pour une tension de 72V, compatible avec les tension de nos régulateurs standards (plusieurs modules régulateurs différents, pour avoir une tension de fin de charge décroissante. Page 17

19 Photo 4 : boite de dérivation sur le terrain 4 - Mesures : Tensions et puissances de sortie 4.1-Comparaison entre mesure théorique et pratique 1er bloc de panneau 2eme bloc de panneau 3eme bloc de panneau Page 18

20 4eme bloc de panneau 4- Salle d énergie Dans la salle d énergie nous avons deux(2) régulateurs : Photo 5 : Régulateur N 1 Page 19

21 Photo 6 : Régulateur 2 1) Les fils (rouge et noir) qui quittent les panneaux viennent au niveau de la boite de dérivation et y sont connectés de la gauche vers la droite en fonction du type de câblage des cellules (c'est-à-dire câblage en série vont de 1 à 8 et câblage en dérivation de 9 à 15). 2) Les fils sortent de la boite de dérivation en deux (2) lots et descendent au niveau de la salle d énergie ou ils seront connectés à deux (2) régulateurs. Sur le premier régulateur sont câblés le 1er lot de fils et représente la sortie de la boite de dérivation des cellules montées en série Sur le 2 eme régulateur sont câblés le 2eme lot de fils et représente la sortie. de la boite de dérivation des cellules montés en dérivation. 3) au niveau du 1er régulateur on y câble les fils du 2eme lot et on récupère à la sortie un (1) câble qui va vers la salle de transmission (vers les équipements).la tension mesurée est 18 volts avec une puissance de (3* *3)= 459w 4) au niveau du 2eme régulateur on y câble les fils du 1er lot et on récupère à la sortie deux (2) fils, un (1) va vers les batteries avec une tension de sortie de 72 volts et un autre qui va vers les équipements avec une tension 72 volts également. Puissance de sortie est 9x51=459W. Page 20

22 Conclusion Les panneaux solaires, bien qu étant couteux constituent aujourd hui une source alternative d alimentation en énergie dans les telecommunications.dans un réseau de télécommunication, il est très important que les équipements de télécommunications puissent garder en permanence leur alimentation en energie.l objectif de notre travail était d observer le câblage et installation des panneaux solaires de l ESMT ainsi que les différents tensions et puissance de sortie. Pour se faire nous avons décris les panneaux solaires a partir de son câblage ;les mesures effectuées sur le terrain nous ont permis de faire une étude comparative entre les mesures théoriques et pratiques dans le but d un dimensionnement ultérieur au besoin d une salle(de serveur par exemple) à l ESMT. Page 21

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