Rapport de TER Récupération et analyse des informations contenues sur la centrale photovoltaïque du bâtiment 3A

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1 Rapport de TER Récupération et analyse des informations contenues sur la centrale photovoltaïque du bâtiment 3A Responsable du module : Neermalsing Vassant SEWRAJ Encadré par : Thierry PERISSE 1 CHELGHOUM Reda KEBBI Oualid BAH Mamadou Aliou

2 Sommaire I- Introduction II- III- Types et principe de fonctionnement de panneaux photovoltaïques Présentation de l installation IV- Norme RS 485 V- Mise en œuvre 1- Rapatriement des données 2- Traitement avec le logiciel LABVIEW VI- VII- Etude avec le logiciel PVSYS Discussion des résultats VIII- Conclusion IX- Annexes X- Webographie 2

3 I- Introduction L'effet photovoltaïque à été découvert en 1987 par le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz et son principe à été expliqué pour une première fois par Abert Einstein. En 1955, Des chercheurs américains (Chapin, Fuller, Pearson et Prince) ont développés une cellule photovoltaïque à haut rendement à 6 %. Quelques années plus tard, en 1959, les américains ont lancé un satellite alimenté par des piles photovoltaïques ayant un rendement de 9 %. Aujourd hui, l'énergie photovoltaïque est à la disposition des particuliers et des entreprises et le rendement des PV ont accrus jusqu'à 17 %. Dans le cadre de ce projet d initiation à la recherche nous allons étudier la centrale photovoltaïque du bâtiment 3A de l'université Paul Sabatier afin de récupérer et d'analyser ses informations à partir du matériels (Onduleurs PV, Webbox, capteur d'irradiation et température, et un ordinateur) et logiciels (LABVIEW et PVsyst) mis à notre disposition. Vu que le câblage sur le réseau RS485 est déjà fait, donc dans un premier temps, nous allons extraire et mémoriser les informations reçues de l'onduleur et du capteur (irradiation, température des panneaux, etc.) envoyées à la Webbox. À partir d'un ordinateur on récupérera et on traitera ces informations (puissance, Énergie, température, etc...) à partir du logiciel LABVIEW, pour réaliser un suivi en temps réel des caractéristiques de l'installation. Dans la seconde partie on ferra une analyse supplémentaire avec le logiciel PVsyst. Pour faire une comparaison entre les deux études. 3

4 II. Types de modules solaires photovoltaïques : Actuellement, nous distinguons trois (3) types de panneaux photovoltaïques qui sont différenciés par le type de cellules qui les composent. 1- Les cellules monocristallines : Ce sont les photopiles de la première génération. Elles sont issues d'un seul bloc de silicium fondu et offrent le meilleur rendement (12à 17 % dans les STC). Leur méthode de production est difficile et demande une grande quantité d'énergie, et donc, très chère. Elles sont en général de couleur bleu marine, foncée et uniforme. Cellule monocristalline Module monocristallin 2- Les cellules polycristallines : Ce sont des photopiles issues d'un bloc de silicium cristallisé sous forme de cristaux multiples qui sont visibles à l œil nu. Elles ont un rendement de 11 à 14 %. Leur coût de production est moins élevé que les cellules monocristallines et coûtent moins chère. Elles sont de couleur bleu avec des reflets. Cellule polycristalline Module polycristallin 4

5 3- Les cellules amorphes : Elles s'obtiennent par la méthode de PVD (Physical vapor deposition) ; elles sont produites à partir d'un gaz de silicium qui est projeté sur une surface souple ou rigide. C est la méthode la moins coûteuse mais les panneaux produits présentent un rendement très faible (5 à 8 % dans les STC), leur couleur est souvent grise et parfois marronne. Cellule amorphe Module amorphe Principe de Fonctionnement La cellule photovoltaïque est fabriquée à partir de deux couches de silicium (matériau semiconducteur) : - La couche supérieure est dopée par un élément contenant plus d'électrons que le silicium (phosphore 5 électrons). Cette couche est appelée semi-conducteur de type N. -La couche inférieure est dopée par un élément contenant moins d'électrons que le silicium (le Bore 3 électrons). Cette couche est appelée semi-conducteur de type P. L empilement de ces deux (2) couches met en place une jonction PN qui permet le passage des électrons d'une couche à l autre, lorsqu un photon de lumière arrive avec une énergie (h* ) sur la cellule (création de paires électrons-trous). Cette énergie crée une rupture entre un atome de silicium et un électron, modifiant les charges électrique. C'est ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque. Les électrons arrachés de la couche N viennent se placer dans la couche P et les trous de la couche P dans la couche N. Des électrodes sont placées sur les couches, une au dessus de la couche N, et l'autre au dessous de la couche P qui sont appelées respectivement cathode et anode. Une différence de potentiel électrique est ainsi crée. (Voir le schéma ci dessous). 5

6 III. Présentation de la centrale photovoltaïque : Une centrale photovoltaïque est un ensemble destiné à la production de l'électricité. Elle est constituée de modules solaires photovoltaïques (PV) reliés entre eux (en série ou en parallèle). C est un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïque à base de silicium reliées entre elles électriquement. Dans notre projet on avait à notre disposition le matériel suivant : 1- Des panneaux solaires souples Ce sont des panneaux photovoltaïques fournis par Solar Integrated installés sur le toit du bâtiment 3A de l'université Paul Sabatier. Ils sont constitués de 4 modules solaires photovoltaïques reliés en série dont 2 sur chaque pente du toit. La dimension d'un module est 5800mm*2000mm, pesant 56,7 kg et fournissant une puissance maximale de 200 w (voir annexe 1). 2- Un onduleur SMA de type 2500 / 3000 C'est un convertisseur statique continu-alternatif (DC-AC) installé dans la salle de TP (G45 du Bât3A). Il permet à partir de la tension continue délivrée par les panneaux photovoltaïques d'obtenir une tension alternative (de valeur efficace de 230 v, et de fréquence 50 Hz), adaptées aux caractéristiques du réseaux électrique(edf) (voir annexe 2). 6

7 3- Une Sunny Webbox de chez SMA C'est la centrale de communication de l'installation. Elle collecte en continu toutes les données de l'onduleur en les envoyant sur le serveur de la salle de TP dans des fichiers d extension.csv ou.xml. Ce qui permet déjà à l'exploitant de les récupérer et de s'informer en temps réel sur les l état actuel de l'installation(irradiation, température des modules etc). 4- Un ordinateur Avec l'ordinateur on récupère toutes les données reçues et archivées par la Webbox sous forme de fichier Excel d extension.csv afin de les exploiter et de les analyser avec le logiciel LABVIEW. IV- Norme RS 485 RS485 communément appelé EIA 485, est une norme définie par l'eia, Electronic Industries Association qui a été publié en avril Elle précise les caractéristiques électriques des émetteurs et des récepteurs pour une utilisation dans les systèmes multipoints en mode symétrie, c'est à dire entre plusieurs éléments communicants. 1- Caractéristiques. Tous comme la RS 422, une ligne de RS485 peut être en mode ''full duplex'', sur quatre (4) fils, mais en plus, elle supporte un mode ''half duplex'', sur deux fils. Sa liaison peut aller jusqu'à 32 modules dont chaque module doit avoir une impédance d'entrée de 12 kω. La longueurs d'une ligne peut aller jusqu'à 1200 m et peut transférer des données jusqu'à 10Mbits/s mais pas les deux à la fois. Par exemple, sur 1200 m, on peut transférer 90 Kbits/s, sur 100 m, on peut arriver à 1Mbits/s et pour atteindre 10Mbits/s, la longueur ne doit pas dépasser 15 m. La capacité permettant la ligne de RS485 de transmettre des données sur des grandes distances à des vitesses élevée est dû à sa liaison symétrique (ou différentielle) qui est aussi, peut sensible aux parasites induits, ceux ci affectent les deux fils de la ligne et se trouve bloqués par l'entrée différentielle du récepteur. Le schéma ci dessous l'explicite de plus. L émetteur possédant un amplificateur différentielle qui transmet des états logiques à la double ligne sous forme de deux (2) tensions V + et V -, et le récepteur un montage à amplificateur opérationnel qui résulte la différence de potentielle entre les deux (2) fils de ligne. 7

8 E V1 V2 Parasite S = V1 - V2 0 -V +V Vp (-Vp+Vp) - (+V+Vp) = - 2V 1 +V -V Vp (+V+Vp) - (-Vp+Vp) = +2V Nous voyons dans ce tableau que si un parasite de valeur Vp apparaît sur la ligne, la sortie ne s'en trouve affectée. 2- Gestion du réseau multipoints RS485 Le fait de pouvoir raccorder 32 modules sur un même bus amène la question sur le mode de gestion du réseau. Donc une méthode de transmission doit être adapté pour que chaque module puisse transmettre et recevoir des donnés, selon des règles précises. De nombreuses méthodes de transmissions ou de communications existent, en particulier le protocole Modbus développé par la société MODICION. Le protocole Modbus RS485 fonctionne sur le mode Maître/Esclave. Et dans ce protocole, il y a un seul maître et ''n'' esclaves. Le principe de fonctionnement s'effectue comme suit : Il ne peut y avoir qu'un seul élément qui émet sur le bus Le maître envoie une demande et attend une réponse ; L'esclave interrogé répond à la demande du maître ; deux ou plusieurs esclaves ne peuvent dialoguer ensemble ; Le maître envoie un message à tous les esclaves présent sur le réseau sans attendre de réponse et ceux ci exécute l'ordre du message sans émettre de réponse. 8

9 IV. Mise en Œuvre : 1- Rapatriement des fichiers avec des tâches planifiés : Téléchargement automatique des fichiers : Pour récupérer les fichiers d extension.csv à partir de la mémoire de l'onduleur vers la mémoire de l'ordinateur de la salle G46 de façon automatique on a opter pour une tache planifiée sous Windows à l'aide d'un utilitaire de deux fichiers qui sont exécutés par les commandes DOS : Le fichier (solaire.bat) : ftp -s:c:\sol2013:\solaire.ftp Ici on indique le chemin du fichier solaire.ftp (écrit dans un fichier texte et on le sauvegarde avec une extension.bat) Le fichier solaire.ftp : À l'aide des instructions du fichier solaire.ftp on récupère directement les fichiers disponibles dans la mémoire de l onduleur. open user sma prompt lcd C:\sol2013 cd DATA\2013 mget* quit aller à l adresse indiquée connexion en mode utilisateur mot de passe (de la session utilisateur) supprime la demande de confirmation répertoire de téléchargement des fichiers mémoire de l'onduleur ou se trouve les fichiers.csv Afin de pouvoir exécuter cette commande automatiquement on a crée une tâche planifiée qui fait appel au fichier solaire.ftp ; dans ce qui ce suit on explique le régalage des différents paramètres de cette tâche : On commence par ouvrir le planificateur de tâches: 9

10 Une fois la fenêtre ouverte on crée une nouvelle tâche: On cherche le fichier.ftp On donne un nom à la tâche et on indique l'heure et la date de début et le nom d'utilisateur : 10

11 Enfin on règle les différents paramètres d exécution (date, heure, planification...): Une fois qu on a réglé ces différents paramètres, la récupération des fichiers se fait automatiquement vers la base de données de l'ordinateur, une fois que ce dernier est en marche et dans ce qui suit on indique ce chemin au programme de Labview pour l'analyse le traitement de ces mesures. 2- Traitement des données avec le logiciel LABVIEW : Après avoir rapatrié les fichiers Excel (.csv) générés par la Webbox sur l ordinateur avec des tâches planifiées. Dans cette partie on traite les informations contenues dans la Webbox pour tracer les différentes caractéristiques du panneau. A- Face avant : La face avant du vi comporte plusieurs onglets : Accueil. Evolution de l irradiation. Evolution de la température du panneau. Evolution de la puissance accumulée. Evolution de la puissance instantanée. i. Onglet accueil : Sur l onglet accueil on affiche les données relatives au dernières mesures de la (température, irradiation, puissance instantanée, puissance accumulée et la température du panneau) ainsi que l heure du prélèvement de la mesure. On dispose aussi d un bouton poussoir permettant de basculer entre deux modes de fonctionnement le premier étant la lecture du fichier du jour pour suivre l évolution de des mesures en temps réel, le deuxième mode est la lecture d un fichier autre que celui du jour.pour le deuxième mode de fonctionnement on dispose d un menu déroulant permettant de choisir le fichier à lire à partir de la base de données disponible sur l ordinateur. 11

12 Chemin du fichier en à partir de la base de données Chemin du fichier en cours de lecture Poussoir pour désactiver la lecture du fichier du jour Date et heure de l ordinateur Dernières mesures prélevés en mode lecture du fichier du jour ii. Onglet Evolution de l irradiation : Capture de la face avant «onglet accueil» Sur cet onglet on visualise : L évolution de l irradiation en fonction du temps Ir=f (temps). Un tableau contenant toutes les mesures de l irradiation avec l heure correspondant au prélèvement. Tableau de mesures 12 Tracé de la caractéristique i=f (temps)

13 Pour les autres onglets on a refait la même procédure que dans l onglet évolution de l irradiation pour : la température, la puissance instantanée et la puissance accumulée. B- Diagramme : i. Lecture du fichier : On a commencé notre programmation par la lecture du fichier Excel généré par la Webbox en utilisant le vi «Lire un fichier tableur». Le problème qui s est tout de suite posé lors de la lecture, est que le fichier (.csv) contenait des caractères spéciaux qui empêchaient l exploitation directe de ses données. Il contenait des chaines de caractères et des caractères spéciaux tel que les deux points «:» et les points virgules «;». Pour y remédier nous avons utilisé les deux vi «supprimer une portion d un tableau» et «Rechercher et remplacer une chaîne». Nous avons utilisé le vi remplacer une portion pour supprimer les lignes contenant des caractères (5 premières lignes) ainsi que les lignes correspondant aux mesures ayant été prélevées pendant que les panneaux n était pas en service (entre 22h et 6h du matin). Le problème des chaînes de caractères et la suppression des lignes inutiles à l exploitation des résultats ayant été résolu. On a du mettre en forme le tableau obtenu en remplaçant les deux point «:» et le «.» par une virgule «,» en utilisant le vi «Rechercher et remplacer une chaîne» afin que dernier soit exploitable sous LABVIEW. Partie de la portion supprimée du fichier.csv généré par la Webbox «Image du vi recherche et remplacer une portion + supprimer une portion d un tableau» ii. Création du chemin du fichier Pour que la programme se mette par défaut à lire le fichier de la journée on a du générer le chemin du fichier du jour de manière automatique. Comme les fichiers de la base de données ont pour nom la date du jour de leur création sous le format AAAA-MM-JJ, on a donc utilisé le vi «Date et heure en secondes» afin d extraire la date sous le format AAAA-MM-JJ pour générer le chemin du fichier. Une fois la date obtenue on rajoute en amont le chemin du dossier dans lequel on stocke les fichiers rapatriés et en aval l extension (.csv). Pour cela on a utilisé le vi «Concaténer des chaînes» et on a pu obtenir une chaine du style : chemin_du_dossier\aaaa-mm-jj.csv.une fois le chemin du fichier généré le programme se met à lire le fichier du jour de manière automatique à moins de désactiver cette option avec le bouton poussoir de la face avant pour basculer vers un choix manuel de fichier avec un menu déroulant. 13

14 iii. Tracé des caractéristiques : Dans cette partie on trace les caractéristiques du panneau. Pour cela on extrait les données du tableau mis en forme crée précédemment et stocké dans un fichier «fichier_converti» à l aide du vi «indexer un tableau», ce vi nous permet d extraire les lignes et les colonnes que nous désirons. Après l extraction des vecteurs lignes ou colonnes souhaités on trace l évolution des grandeurs souhaitées avec le vi «Construire un graphe XY». iv. Séquences du programme : Après avoir programmé les différentes étapes du programme nous avons classé les étapes selon leur ordre d exécution en les plaçant à l intérieur d une «structure séquence déroulée». Pour exécuter le programme en continu on a placé la séquence dans une boucle «while» qui s exécute toute les 5 minutes, pour cela on a utilisé le vi «attendre un multiple de millisecondes». V- Etude avec le logiciel PVsyst : Le PVsyst est un logiciel de simulation qui permet d estimer la production d une centrale photovoltaïque à partir du matériel utilisé dans l installation (type de panneaux, inclinaison, surface occupée par les panneaux, type d onduleur ) ainsi que le gisement solaire du site de l installation. Le but d utiliser PVsyst dans notre projet est de comparer les résultats simulés par PVsyst et ceux obtenus avec le logiciel LABVIEW (Irradiation, température, puissance fournie... etc). Pour notre étude on a d abord introduit dans le logiciel l inclinaison des panneaux ainsi que leur orientation. Puis on introduit au logiciel : le type des panneaux, surface des panneaux et le type de l onduleur. On a aussi introduit le nombre de modules ainsi que leurs dispositions (série et parallèle). 14

15 Après avoir défini l installation dans le logiciel on revient au menu principal et on choisi dans le menu l option Tools, puis on clique sur Import météo data alors une nouvelle fenêtre apparaît pour importer les données météo souhaitées. Dans la fenêtre on coche «PV GIS Europe+Africa» car c est la seule base de données qui nous permet d accéder aux données météo récentes gratuitement. A partir du lien internet proposé dans l aide contextuelle on recherche le site (Bâtiment 3A) et on copie les données qui s affichent et on les colle dans le champ Site dans PVsys, les autres cases (latitude, longitude, altitude ) se rempliront automatiquement, on clique alors sur Save site. Pour lancer la simulation on revient au menu principal et on choisit project design > grid connected > Simlation, dans la fenêtre qui apparaît on clique sur simulation et on verra les résultats apparaître Les résultats que nous avons obtenus n étaient pas ceux souhaités, on obtenait les résultats entre 1990 et 1991 sans possibilité de modification de la date pour une date plus récente. Même si le fichier chargé au préalable pour l année 2012 a été chargé avec succès. Ceci vient peut être de la version de PVsys utilisée car c est une version d évaluation. Pour y remédier nous avons essayé de télécharger les fichiers météo sous un autre format (.csv et.txt) et de les lire avec PVsys mais cela n a pas fonctionné, on obtenait toujours des résultats entre 1990 et

16 VII Discussion des résultats : Apres avoir réalisé le programme Labview et automatiser le rapatriement des fichiers sur le répertoire crée sur l ordinateur, on a testé le bon fonctionnement des deux modes du programme (suivi en temps réel et lecture a partir du répertoire crée). Et on a pu constater un bon déroulement des séquences programmées.en effet on a obtenu des résultats adéquats à titre d exemple pour une journée bien ensoleillée (02/03/2013) on a obtenu une courbe très proche de la cloche théorique d ensoleillement «on peut voir le tracé de cette courbe sur l image de la face avant dans la partie IV-2-a-ii». Egalement on peut connaître à tout moment la puissance produite depuis la mise en service des panneaux et la puissance instantanée de l installation. VIII- Conclusion : Dans ce TER on a pu travailler pendant deux mois en équipe pour mener et réaliser un projet. Il nous a beaucoup apporté, tant en terme de connaissances techniques, qu en terme de gestion et d organisation. Les différentes revues de ce projet nous ont permis de nous mettre dans des situations comme on le sera plus tard en entreprise. Ce projet constitue pour nous une expérience enrichissante et ceci s est fait sentir à travers : Les nombreuses recherches bibliographiques. Les efforts fournis pour la compréhension des différents point du projet vu que nous n avions aucune notion sur les logiciels Labview et PVsyst. La mise en commun des savoirs et compétences des membres du groupe. Gestion du temps, les choses ne se sont pas déroulés comme on l avait planifié et on a du finir le projet dans les derniers jours. 16

17 IX- Annexes : ANNEXE 1 : PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE 17

18 ANNEXE 2 : ONDULEUR SUNNY BOY SMA 18

19 X- Webographie : cprojet2011/onduleur-sma-sb dfr pdf 19