Projet installation Photovoltaïque au Bénin. Le Gal Adrien Le Gouic Claude BTS Domotique

Transcription

1 Projet installation Photovoltaïque au Bénin Le Gal Adrien Le Gouic Claude BTS Domotique

2 Sommaire: Introduction: Inventaire de l'installation: page 3 pages 4 et 5 Schéma de principe de l'installation: page 6 Principe de fonctionnement: page 7 Mise en situation précise de l'installation: Dimensionnement de l'installation: Dossier technique et notice d'utilisation: Conclusion: Annexes : pages 8, 9, 10 et 11 pages 12, 13, 14 et 15 pages 16, 17, et 18 page 19 pages 20, 21, 22, 23, 24 et 25 2

3 Introduction Ce projet a pour but d'étudier la faisabilité d'une installation photovoltaïque au Bénin pour pouvoir utiliser des ordinateurs. Ce projet est à but écologique et pédagogique puisque il permet l'utilisation d'outils multimédias grâce à l'énergie solaire, dans le cadre de la découverte de l'informatique pour des enfants au Bénin. Ce dossier étudie et détaille les différentes manières de concevoir une installation photovoltaïque pour un site isolé, où l'accès à l'électricité n'est pas possible. Les informations présentes dans ce dossier proviennent de livres («L'énergie solaire et photovoltaïque pour le particulier» édition Eyrolles et de «Produire son électricité» édition Ulmer.) et de sites internet (L'INES, Arebor, l'ines,.). 3

4 Inventaire de l'installation: Batterie: Batterie Banner 12V 125Ah La batterie serre à stocker l'énergie. Il existe trois types de batteries: -Les batteries au plomb, les plus économiques, elles nécessitent un entretient régulier (Environ tout les 6 mois). -Les Batteries GEL, Elles ont l'avantage d'éviter tout risque d'écoulement, elles ont moins besoin de maintenance. On peut ne pas les charger pendant un certain temps sans les détériorer. -Les Batteries AGM, Elles ont une intensités maximale légèrement supérieur aux batteries GEL. Son rendement sera donc légèrement meilleur. De plus elles sont plus tolérantes aux erreurs de manipulation. Régulateur de charge. Régulateur solaire Steca Pr 1010 écran LCD 10A 12V/24V Sa fonction principale est de contrôler et d'afficher l état de la batterie. Il autorise la charge complète de celle ci, en éliminant tout risque de surcharge et interrompt l alimentation des destinataires si l état de charge de la batterie devient inférieur au seuil de déclenchement de la sécurité antidécharge profonde; prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie qui est le seul composant fragile de l'installation photovoltaïque. Onduleur. Onduleur Studer AJ Sine Wave inverter 12Vdc 230 Vac Un onduleur est un dispositif électronique de puissance permettant de délivrer une tension alternatif à partir d'une tension continue. 4

5 Panneaux photovoltaïques Panneau Photovoltaïque sut toit habtation Un panneau photovoltaïque est un dispositif destiné à utiliser les rayons du soleil pour produire de l'énergie électrique. Disjoncteur Les disjoncteurs permettent de protéger l'installation des courts circuits et des surcharges électriques. Ils sont placés en amont de l'installation ainsi que l'interrupteur différentiel, qui a pour but de protéger les personnes. 5

6 Schéma de principe de l'installation Ce schéma représente l'installation du système photovoltaïque. Les batteries permettent de stocker l'électricité et de recharger un appareil ( Ordinateur, rasoir, ). L'installation est à placer dans un endroit qui dispose d'un ensoleillement maximum, évité de placer l'installation juste à côté d'un bâtiment ou d'un endroit ombragé. 6

7 Principe de fonctionnement Le principe du photovoltaïque fut découvert en 1839 par le physicien Alexandre Becquerel. L'effet photovoltaïque apparaît lorsque un matériau semi conducteur absorbe des photons ( rayons du soleil), ce qui permet de produire un courant électrique. Un panneau photovoltaïque est composé de plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles en série ou en parallèle. Plus leurs nombres sont élevées et plus la puissance du panneaux est grande, donc les panneaux produisent plus d'électricité. Une cellule photovoltaïque est composée de semi conducteur (c'est un corps dont la résistivité n'est pas linéaire. Par exemple, il peut être parfaitement isolant sous un certain seuil de tension, et voir sa résistivité diminuer au delà de ce seuil de tension ) de type P (semi conducteur en déficit d'électrons donc positivement chargé) et d'un autre type N (semi conducteur en excès d'électrons donc négativement chargé). Sous l'effet des photons (présent dans les rayons de lumière ou du soleil), un déplacement d'électrons entre les semi conducteurs de type P et N se produit, ce qui a pour effet la création d'un courant électrique (courant continu et non alternatif). Exemple avec le schéma ci-dessous. Les semi conducteurs utilisés dans les panneaux photovoltaïque sont du silicium. C'est un composant qu'on trouve abondamment sur la surface terrestre. Silicium Silicium Polycristallin Silicium amorphe Ils existent différents types de cellules photovoltaïques, le silicium cristallin ou le silicium amorphe. Le silicium cristallin possède un très bon rendements et une durée de vie de 20 ans, on en distingue deux types : le monocristallin et le polycristallin. Le silicium amorphes est du silicium en poudre fixé sur des couches minces de quelques microns. Il est moins cher mais il est plus esthétique. 7

8 Mise en situation précise de l'installation Contexte du projet Nous devons, dans ce projet, étudier la mise à la disposition de panneaux photovoltaïques pour recharger des ordinateurs dans des écoles au Bénin. Objectifs du projet: Cette installation doit être mobile et doit pouvoir alimenter les batteries qui permettront de recharger les ordinateurs. Deux hypothèses installations : 1) Installation nomade transportable (voiture, barque, vélo, bus ) 2) Installation fixée sur le toit d une pirogue qui se déplacerait de village en village. Contraintes liées à l environnement: Les contraintes liées à l environnement seraient que lorsque le temps serait nuageux, ceci compliquerait la recharge de l'installation. En effet les rayons du soleil auraient plus de mal à atteindre le panneau photovoltaïque Le deuxième problème est que les villages sont sur l eau et donc il y a un problème de circulation entre eux. Le moyen le plus adapter pour la circulation dans ce cas serait la pirogue. Contraintes techniques: Dans certains villages, l accès à l électricité est difficile. Donc, les énergies renouvelables sont un moyen d apporter de l électricité aux habitants. Les panneaux photovoltaïques permettraient de fournir un confort aux habitants tout en prenant compte du climat (Temps nuageux peut limiter la production d électricité). Sécurités : Pour la sécurité nous devrions faire en sorte que les composants soient isoler de l eau car ils pourraient être Détériorés (Utilisation de caisson étanche pour isoler le matériels). Le matériel électrique devra êtres aux normes, de telle sorte que les personnes soient protégées des risques électriques. Dans le cas où les panneaux serait sur le bateau, ils devront être installés de tel sorte qu ils ne se décrochent pas. Exigence culturelle et politique: Le Bénin est un PVD (Pays en voie de développement), dans ce pays les énergies renouvelables sont à exploiter. Donc c est un bon moyen de sensibiliser les habitants du Bénin. Les associations peuvent aider les habitants à exploiter l'énergie du soleil, ceci leur permettraient de pouvoir avoir de électricité pour leurs vies quotidiennes. 8

9 Montage des panneaux photovoltaïques Lorsque les deux panneaux photovoltaïques sont en dérivation, les intensités sortant de chaque panneaux s'additionnent ( Loi des nœuds) et la tension sortant du montage est égal à la tension d'un panneaux si les panneaux sont identiques. Ce montage est recommandé car lorsque un des deux panneaux ne fonctionne plus, l'autre panneau peut encore alimenter l'installation. (Exemple avec deux panneaux : Un panneau photovoltaïque produit 5,5A, donc l'intensité de l'installation est égal à 11A, la tension de l'installation est de 12V, tension de sortie d'un panneau) Le montage en série des panneaux photovoltaïques permet d'additionner les tension des deux panneaux mais l'intensité de l'installation est identique à celle d'un panneau, si les deux panneaux sont identiques. Si l'un des deux panneaux ne fonctionne plus, alors le reste de l'installation n'est plus fourni en électricité. (Exemple avec deux panneaux : Si un panneau produit 12V, alors la tension de l'installation est de 24V, l'intensité de l'installation est égal à la l'intensité de sortie d'un panneau c'est à dire 5,5A) 9

10 Mise en place de l'installation : Cette installation photovoltaïque peut être installée de différentes manières, du moment quelle soit exposée pleinement aux rayons du soleil. La première méthode pourrait être d'installer les panneaux sur des roulettes pour pouvoir les déplacés facilement, ce qui permettrait d'alimenter l'installation dans un jardin ou dans une cour d'habitation. La deuxième solution pourrait être d'installer les panneaux photovoltaïques sur le toit d'une pirogue. Les panneaux seraient fixés au bateau grâce à des montants métalliques sur chaque côtés de la pirogue. Ce qui permettrait à l'installation d'être mobile sur l'eau et d'aller de village en village. Les montants qui permettent la fixation des panneaux pourront être coulissant, ce qui permettrai d'orienter les panneaux de 45 en direction du soleil ( Angle optimal pour l'orientation des panneaux). Un panneau 110Wc représente 1,42 m de longueur et 0,655 m de largeur (voir annexe panneau photovoltaïque). Si deux panneaux étaient installés sur le toit du bateau, alors la longueur total serait de 2,84 m de longueur et 1,31 m de largeur, ce qui permet de rester dans les dimensions de certaines pirogue, tout en faisant attention aux fixations des panneaux sur le bateau. 10

11 Les batteries et le reste de l'installation (Régulateur, disjoncteurs, onduleur,.) seraient placés dans des caisses étanches. Ce qui permettraient de les protéger de l'eau et de les transporter facilement en bateau ou en voiture. Il faut aussi que l'installation soit ventilée, car le régulateur, les batteries et l'onduleur produisent de la chaleur, ce qui risque à terme d'endommager le matériel. Le bac a batteries, le matériel de l'installation et les panneaux sont reliées entre eux par des gaines qui permet de protéger les câbles de l'humidité et de la poussière. Une prise de courant est installée sur le caisson du matériel de l'installation pour pouvoir brancher un appareil électroménager (Ordinateur, rasoir,.). Ces exemples d'installations permettraient d'obtenir de l'électricité dans un milieu ensoleiller où l'accès à électricité n'est pas possible. Coût de l'installation : Panneau photovoltaïque monocristallin 110Wc : environ 500 Régulateur STECA avec afficheur 10A : 129 ; régulateur 15A : 149 Batterie 100Ah sur : 229 ; 200Ah : 429 Onduleur 200W sur : 245 Exemple : Si notre installation comportaient deux panneaux photovoltaïques 110Wc ( 2* 500= 1000 ), un régulateur 15A avec afficheur (149 ), une batterie 200Ah (429 ) et un onduleur 200W (245 ), notre installation coûterait minimum 1823 ( sans les caisses étanches, les câbles, les disjoncteurs, ). 11

12 Dimensionnement de l'installation Les exemples de dimensionnent d'installation sont réalisés grâce aux méthodes de calculs de l' ADEME ( Agence De l'environnement et de la Maîtrise de l Énergie ) et de l'ines (Institut National de l Énergie Solaire). Les calculs ci-dessous détaillent le dimensionnement de l'installation dans plusieurs cas. Pour ces exemples, le nombres de jour d'autonomie de l'installation sans soleil seraient de 2 jours pour une utilisation quotidienne de l'appareil de 4 heures. La quantité d ensoleillement du mois le plus faible du Bénin est de 4 kwh/ m²*jour. Le temps d ensoleillement maximum ( Lorsque le coefficient d ensoleillement est le plus fort) dans une journée est de 3 heures. Dimensionnement n 1 : Unité centrale et un écran. La puissance d'une unité centrale et de son écran est en moyenne de 130 W ( 90 W pour l'unité centrale et de 40 W pour l'écran). Besoin Journalier de l'installation= 130*4 Heures= 520 Wh/jour soit 0,52 Kwh/ jour. Puissance des panneaux photovoltaïque= BJ/( facteur de conversion pour les différentes pertes(convertisseur, modules Photovoltaïque) * quantité d ensoleillement ) = 0,52 / ( 0,6*4) =0,216 Kwc donc 216,66 Wc soit une puissance crête de l'installation de 220 Wc. Par exemple on pourrait installer deux panneaux photovoltaïques Photowatt PW6-110Wc ( voir annexe) pour obtenir une puissance crête de 220Wc, l'intensité de sorti de l'installation serait de 11A car les deux modules photovoltaïques seraient installés en dérivation. Capacité batterie = ( BJ * Autonomie souhaité en jours) / (Degré décharge batterie en pourcentage * Tension Batterie) = ( 520W * 2) / (0,5 * 12V) = 173,33Ah soit 200Ah de capacité de batterie. Une batterie 200Ah 12 V de APB énergie peut être choisie pour cette installation ( voir annexe batterie photovoltaïque). Le temps de chargement de la batterie : Intensité de sortie des panneaux photovoltaïque = 11 A Lorsque l ensoleillement est au maximum pendant une journée : 3 heures * 11 = 33 Ah Capacité batterie Production Installation = = 167 Ah restant à charger. Lors du reste de la journée, l'ensoleillement est de 60% par rapport à l'ensoleillement 12

13 maximum : 0,6 *( Temps de charge Batterie * Intensité de sortie de l'installation) = Capacité batterie restant à charger = 0,6* ( T * 11 A) = 167 Ah 6,6 *T = 167 Ah T = 167/6,6 = 25,3 heures Temps de chargement total de la batterie de l'installation : 3 heures + 25,3heures = 28,3 heures. Le régulateur se choisit en fonction de l'intensité ( I en Ampère) de sortie de l'installation photovoltaïque. Pour cette exemple, un régulateur Steca de 15A suffirait car les deux panneaux photovoltaïques montés en dérivation produisent un courant de sortie de 11A ( voir en annexe caractéristiques techniques des régulateur Steca). L'onduleur autonome (ou convertisseur) se choisit en fonction de la puissance des appareils en sortie de l'installation, dans ce cas on prends la puissance initial de l'unité central et de son écran, soit 130 W donc on choisit un onduleur de 200W ( voir en annexe caractéristique techniques des onduleurs/convertisseurs). Dimensionnement n 2 : PC Portable Puissance PC Portable pour le recharger sur l'installation photovoltaïque : 40 W Temps de chargement de la batterie du PC Portable par jour : 5 Heures Besoin Journalier de l'installation = 40 * 5 = 200 Wh/ jour soit 0,2 Kwh/ jour. Puissance Panneaux Photovoltaïques = BJ/( facteur de conversion pour les différentes pertes* quantité d ensoleillement )= 0,2 / ( 0,6 * 4) = 0,083 Kwc soit 85 Wc Capacité batterie = ( BJ * Autonomie souhaité en jours) / (Degré décharge batterie en pourcentage * Tension Batterie) = ( 200 * 2) / ( 0,5 * 12) = 66,67 soit 70 Ah Puissance PC Portable pour un fonctionnement directement sur l'installation photovoltaïque : 60 W Temps d 'utilisation de l'appareil par jour= 4 Heures Besoin Journalier de l'installation= 60 * 4 = 240 Wh/ jour soit 0,24 Kwh/jour Puissance Panneaux Photovoltaïques = BJ/(facteur de conversion pour les différentes pertes* Quantité d ensoleillement )= 0,24 /(0,6 * 4)= 0,1Kwc soit 100 Wc. 13

14 Capacité batterie = ( BJ * Autonomie souhaité en jours) / (Degré décharge batterie en pourcentage * Tension Batterie) = ( 240 *2 ) / ( 0,5 * 12)= 80 Ah oit une batterie de 100Ah. La puissance de cette installation serait de 100 Wc et la capacité de stockage serai de 80 Ah. Donc un panneau photovoltaïque Photowatt PW6-110Wc ( voir annexe) et une batterie de 100Ah 12V suffiront pour cette installation. Le temps de chargement de la batterie : Intensité de sortie de l'installation =5,5A Lorsque l ensoleillement est au maximum pendant une journée : 3 heures * 5,5 = 16,5 Ah Capacité batterie Production Installation = ,5 = 83,5Ah restant à charger. Lors du reste de la journée, l'ensoleillement est de 60% par rapport à l'ensoleillement maximum : 0,6 *( Temps de charge Batterie * Intensité de sortie de l'installation) = Capacité batterie restant à charger = 0,6* ( T * 5,5 A) = 83,5 Ah 3,3 *T = 83,5 Ah T = 83,5/3,3= 25,3 heures Temps de chargement total de la batterie de l'installation : 3 heures + 25,3heures = 28,3 heures. Le régulateur se choisit en fonction de l'intensité de sortie du panneau photovoltaïque ( I en Ampère), pour cette exemple un régulateur de 10A suffit pour cette installation car le courant de sortie du panneau est de 5,5 A. ( voir annexe) L'onduleur se choisit en fonction de la puissance des appareils en sortie de l'installation, dans ce cas on prends la puissance initial du PC portable (60W), donc on choisit un onduleur de 100W ( voir documentation en annexe). Dimensionnement n 3 ; Netbook Pour ce dimensionnement nous allons prendre exemple avec 5 Netbooks. Puissance du Netbooks pour le recharger sur l'installation photovoltaïque : 15 W Temps de Chargement par jour : 2 Heures 14

15 Besoin Journalier de l'installation = 15* 2*5 =150 Wh/ jour soit 0,15Kwh/jour. Puissance Panneaux Photovoltaïques = BJ/( facteur de conversion pour les différentes pertes* quantité d ensoleillement )= 0,15/ ( 0,6 *4) = 0,0625 Kwc soit 70 Wc Capacité batterie = ( BJ * Autonomie souhaité en jours) / (Degré décharge batterie en pourcentage * Tension Batterie) = ( 150 * 2 ) / ( 0,5 *12) = 50 Ah Puissance du Netbook pour un fonctionnement directement sur l'installation photovoltaïque : 25 W Temps de l'utilisation de l'appareil par jour = 4 heures Besoin Journalier de l'installation= 5 * 4 *25 =500 Wh/jour soit 0,5 Kwh/jour Puissance Panneaux Photovoltaïques = BJ/( facteur de conversion pour les différentes pertes* quantité d ensoleillement )= 0,5 / ( 0,6 *4) = 0,208Kwc soit 220 Wc Capacité batterie = ( BJ * Autonomie souhaité en jours) / (Degré décharge batterie en pourcentage * Tension Batterie) = ( 500 * 2) / ( 0,5 *12) =166,67 soit 200Ah La puissance de cette installation serait de 220 Wc ( en prenant deux modules photovoltaïques Photowatt de 110Wc chacun ( voir annexe)) et la capacité de stockage serait 200Ah ( en utilisant une batterie APB energy ( voir annexe)). Les modules photovoltaïques seraient montés en dérivation. Le temps de chargement de la batterie : Intensité de sortie de l'installation = 11 A Lorsque l ensoleillement est au maximum pendant une journée : 3 heures * 11 = 33 Ah Capacité batterie Production Installation = = 167 Ah restant à charger. Lors du reste de la journée, l'ensoleillement est de 60% par rapport à l'ensoleillement maximum : 0,6 *( Temps de charge Batterie * Intensité de sortie de l'installation) = Capacité batterie restant à charger = 0,6* ( T * 11 A) = 167 Ah 6,6 *T = 167 Ah T = 167/6,6 = 25,3 heures Temps de chargement total de la batterie de l'installation : 3 heures + 25,3heures = 28,3 heures. Le régulateur se choisit en fonction de l'intensité ( I en Ampère) de l'installation, pour cette exemple un régulateur de 15A suffirait car l'intensité en sortie des deux panneaux photovoltaïques serait de 11A (voir documentation en annexe). L'onduleur se choisit en fonction de la puissance des appareils en sortie de l'installation, dans ce cas la puissance de l'onduleur serait de 200W car la puissance de l'installation est de 125 W (les 5 netbooks *puissance unitaire= 5*25= 125 W) (en rapport à la documentation en annexe). 15

16 Dossier technique et notice d'utilisation Schéma de câblage de l'installation : Schéma installation photovoltaïque Déssiné le : 22/04/2012 Photovoltaïque Par : Adrien Le Gal 16

17 Notice d'utilisation Mise en place des panneaux Pour une utilisation maximale des panneaux photovoltaïques, il est préférable de les orienter vers le soleil et éviter un maximum d'ombrage (Ombre d'arbres, bâtiments, ). Dans la journée on peut recharger les batteries d'ordinateurs et recharger les batteries du panneau photovoltaïque en même temps, ou recharger les batteries du panneau pendant la journée pour pouvoir utiliser les ordinateurs la nuit. Utilisation du menu du régulateur Le régulateur est un composant important de l'installation car il permet d'afficher la charge de la batterie et de réguler le fonctionnement de l'installation. Un régulateur a plusieurs menus : 1) 2) 3) 4) 5) 6) Il affiche l'état de charge de la batterie. Il affiche la tension de la batterie mesurée par le régulateur Cela nous indique le courant à la sortie du panneau solaire. Il affiche le courant de charge dans la batterie. Le courant prélever de par la sortie sous charge est indiqué Il indique la sommes des Ah (Capacité batterie) chargés depuis la premier installation est affiché. 7) Il indique la somme des Ah (Capacité batterie) déchargés depuis la première installation. 8) Il Averti de protection contre décharge profonde de la batterie. 9) Il indique le débranchement de la charge Les touches sur le régulateur permettent de naviguer dans les menus. Lorsque la batterie du panneau Photovoltaïque est chargé, on peut le voir sur le régulateur. 17

18 Nous pouvons brancher les ordinateurs sur la prise 230V alternative. Cette prise est installé sur le côté de la caisse du matériel de l'installation. Il n'y a plus que à profiter du fonctionnement de l'ordinateur grâce à l'énergie du soleil. 18

19 Conclusion Ce projet démontre que une installation au Bénin serait possible pour les cas développés dans ce dossier (Ordinateur et son écran, ordinateur portable, Netbooks). Mais ceci reste une approche théorique, pour valider ce projet il faudrait pouvoir tester les cas de figures développés dans ce dossier en condition réelle et avec le matériel adéquate. Il faudrait essayer d'installer des panneaux photovoltaïques sur une pirogue ou un bateau pour étudier la stabilité de l'installation, tester la charge et la décharge des batteries dans des conditions climatiques proches de celles du Bénin, relever la consommation de l'onduleur et enfin voir si l'utilisation d'ordinateurs est possible avec cette installation. Si ce projet ne reste pas à l'état d'étude, il faut faire appel à des professionnels ou des particuliers qui ont déjà installé et configuré une installation photovoltaïque pour un site isolé. Des associations tel que l'ademe ou des instituts tels que l'ines peuvent renseigner sur ce genre de projet. Les énergies renouvelables (dont le photovoltaïque) sont des source d' énergies future, une alternative aux moyens de productions d'électricité polluantes et dangereuses, il faut continuer à développer ce concept. 19

20 Annexes Panneaux Photovoltaïques 20

21 Régulateur : 21

22 Onduleur 22

23 23

24 Batteries 24

25 25