Inforindus Solution photovoltaïque hybride pour la RDC

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1 Inforindus Solution photovoltaïque hybride pour la RDC

2 Solution photovoltaïque hybride pour la RDC 1-Présentation des solutions Il existe en fait plusieurs types de solutions pour l alimentation d un consommateur en énergie solaire : La solution d hybridation avec le Fuel Save Controller : Le système est composé d un groupe électrogène et de panneaux solaires (il n y a pas de batteries et le groupe tourne en permanence en principe à une puissance de 30 à 40% de ses capacités pendant le jour). La solution Hybride complète : Le système est composé d un groupe électrogène, de panneaux solaires et de batteries. Dans ce cas, le groupe ne se met en route que si l apport d énergie par le solaire ou les batteries est insuffisant. Le solaire pur : Il n y a pas de groupe électrogène. Dans ce cas le système doit être dimensionné de telle façon que panneaux et batteries soient en mesure d assurer toute l énergie, même en cas de pluie ou de ciel nuageux. Ce cas est relativement onéreux car les batteries se déchargent rapidement et par conséquent leur nombre doit est très important. 2-Ensoleillement L ensoleillement du site doit être connu pour permettre de dimensionner le système. Des tables existent qui donnent ces chiffres pour toutes les régions du monde. L unité utilisée en photovoltaïque est le KWc (crête) ou KWp (peak), elle représente la puissance électrique délivrée par une installation électrique solaire pour un ensoleillement standard de w à 25. Ainsi à titre d exemple, nous pouvons comparer Bandundu et Kisangani dans le tableau suivant : Production solaire de la région : kwh/kwp/an Production solaire de la région : kwh/kwp/an

3 Exemple d ensoleillement pour la ville de Kisangani. Energie solaire journalière captée par des panneaux orienté +10 sud (moyenne) Exemple d ensoleillement pour la ville de Bandundu. Energie solaire journalière captée par des panneaux orienté +10 nord (moyenne)

4 3-La solution d hybridation avec le Fuel Save Controller Dans le cas d une hybridation, l installation d une centrale solaire en parallèle des groupes sur le réseau va ajouter de la puissance active négative sur la ligne et peut amener à faire fonctionner les groupes en sous charge mettant ainsi en danger la stabilité du réseau ainsi que la durée de vie des groupes. Afin d éliminer ces problèmes, le fabricant photovoltaïques SMA a conçu un automate qui vient s interfacer avec les groupes diesel et la centrale solaire. Cet automate le FSC Fuel Save Controller permet de diminuer l injection solaire en cas de sous charge des groupes afin de stabiliser le facteur de charge des groupes à une valeur définie à l avance (35 ou 40 % mini). Le FSC permet également de calculer automatiquement la réserve tournante minimale que les groupes doivent avoir pour assurer une diminution rapide de l intensité sur la centrale solaire suite à un passage nuageux. En cas de réserve tournante insuffisante, la centrale solaire est bridée de manière à garantir la stabilité du réseau.

5 Schéma de fonctionnement avec le FSC de SMA Dans ce schéma, le ou les groupes électrogènes restent les maîtres de la gestion de l énergie, le solaire ne vient qu aider à la production d énergie et limiter la consommation de fuel. Le FSC est juste là pour créer une communication intelligente entre la centrale solaire, les groupes diesel et les charges. Optimisation énergétique de la centrale hybride Si l utilisateur n a pas de groupe diesel, il est recommandé de rechercher le meilleur compromis entre le nombre, la puissance des groupes et la puissance solaire. Dans le cas contraire il faut adapter la puissance solaire en fonction de la configuration du ou des groupes électrogènes. Dans tous les cas le dimensionnement se fait en tenant compte des fonctionnalités du FSC de SMA. Cette analyse est effectuée grâce à un modèle informatique prenant en compte les caractéristiques des groupes, de l énergie solaire reçue sur le site, des caractéristiques des panneaux solaires et du FSC. Le facteur de charge minimal des groupes est toujours considéré égal à 40 %. L analyse des modèles hybrides est présentée sous forme de 3 graphiques : - le premier graphique représente la capacité de production solaire du système hybride en kwh ainsi que le potentiel de production solaire en kwh pour une puissance solaire installée en kwp. La capacité de production solaire est l énergie solaire réellement absorbée par le système hybride. Le potentiel de production solaire représente l énergie qui pourrait être produite intégralement par l installation solaire si toute sa production pouvait être absorbée. - Le second graphique présente la quantité de fuel économisée en fonction de la puissance solaire installée. Une deuxième courbe indique en parallèle le ratio solaire produit/solaire potentiel en fonction des kwp. - Le troisième graphique donne une indication du temps de retour de l investissement en fonction de la puissance solaire installée. Ces graphiques permettent de déterminer une zone optimale de fonctionnement qui est définie par un pay-back time inférieur à 5 ans.

6 Exemple d une centrale diesel équipée d un groupe de kva En général, la meilleure rentabilité est souvent atteinte avec plusieurs groupes électrogènes en parallèle qui ne sont activés qu en cas de nécessité et avec toujours l objectif de les faire tourner entre 30 et 40% de leur puissance maximum. 4-La solution d hybridation avec panneaux solaires et batteries Proposition technique L architecture du système se compose des éléments suivants : - un champ solaire sur structure fixe.

7 - un ensemble d onduleurs réseau DC/AC triphasé - un ensemble d onduleurs chargeurs batteries bidirectionnels Sunny Island - un ensemble de batteries - un groupe diesel - un système de régulation et de distribution des énergies - une unité de contrôle et monitoring L énergie solaire délivrée par les panneaux en DC est convertie en AC via les onduleurs réseau. La production solaire peut être directement consommée par les charges ou stockée en batterie s il y a surplus. Les onduleurs chargeurs permettent de stocker ou déstocker l énergie des batteries à la demande. Les batteries pourront être chargées par le solaire en surplus ou par le groupe diesel. La gestion de transferts d énergie est réalisée de façon automatique entre le solaire, les batteries, le groupe diesel et les charges via les Sunny Island et avec l aide d un réseau de communication entre ces éléments. Le groupe diesel permettra de recharger automatiquement les batteries si elles sont en niveau bas et/ou d alimenter les consommateurs. Champ solaire sur structure fixe Les panneaux solaires sont des panneaux silicium polycristallin de 250 Wp chacun. Un ensemble de panneaux est installé sur une structure métallique, le nombre dépend de la puissance à fournir. Les panneaux sont orientés avec un angle d inclinaison de 10 en azimut Nord ou Sud en fonction de la position du site par rapport à l équateur afin d optimiser la production annuelle d énergie. Cette inclinaison favorise également l écoulement des eaux de pluie et le nettoyage naturel des panneaux.

8 La surface occupée par le champ solaire peut être estimée à un peu plus de 1000 m², soit un carré de 35 m par 35 m pour une puissance de 75 kw. Le potentiel de production globale solaire annuelle en sortie du champ solaire fournit la consommation directe en sortie des onduleurs réseau. Une partie du surplus solaire peut être déstockée des batteries et viendra alimenter les charges. Onduleurs réseau SMA La conversion de l énergie solaire DC sur le réseau triphasé AC est réalisée par les onduleurs SMA STP. Onduleurs chargeurs bidirectionnels SMA Sunny Island Les onduleurs chargeurs Sunny Island SI 8.OH de SMA délivrent une solution triphasée avec batterie sous 48 V. La solution Multi Cluster incluant la MC Box pouvant inclure les Sunny Island SI 8.0H permet de répondre au besoin des projets. Fonctionnement des onduleurs chargeurs Sunny Island

9 Un ensemble de Sunny Island par groupes de 3 Sunny Island SI 8.OH développe la puissance nécessaire au projet: Afin d optimiser la production d énergie des Sunny Island, il est nécessaire d assurer une bonne ventilation des locaux techniques (température nominale de C). Parc Batteries Pour calculer la capacité batterie, il est nécessaire de prendre en compte la contrainte liée à leur recharge par le groupe diesel. Disposant par exemple d un groupe de 100 kva soit 80 kw en puissance active nominale cette puissance doit pouvoir à la fois alimenter les consommateurs de 40 kw et prendre en plus la recharge batterie. La puissance de recharge max des batteries est alors de 40 kw. Les batteries obéissent à une règle de limitation de courant de recharge telle que le courant de recharge max soit inférieur à 25 % de leur capacité en C10. En appliquant cette règle, on obtient une capacité minimale de batterie. En de ca de cette capacité, le courant de recharge est trop important et diminue la durée de vie de batterie. Un courant de recharge plus faible avec cette capacité réduite augmente également le temps de recharge avec risque de voir la batterie incomplètement chargée. L ensemble du parc batterie étant dispatché sur les groupes de Sunny Island, il faut donc que chaque groupe soit équipé d un parc batterie V Enersys 10 OpzV 1000 pour assurer la capacité totale en Ah sous 48 V. L énergie stockée en batterie est 3fois supérieure à une profondeur de décharge annuelle moyenne disponible par cycle. La durée de vie de la batterie est dans ce cas optimisée avec un remplacement à prévoir tous les 7 à 10 ans. Par exemple, une batterie de 168 kwh pourra délivrer 2h d autonomie à 40 kw soit 80 kwh de consommation avec une profondeur de décharge de 60 %. Un autre avantage dans l utilisation de batterie gel est de pouvoir sécuriser l installation. En effet, aucune maintenance n est nécessaire avec ce type de batterie. Afin d optimiser la production d énergie du parc batterie, il est nécessaire d assurer une bonne ventilation des locaux techniques (Température nominale de C). Système de régulation et monitoring

10 L ensemble du système hybride comporte des groupes (ou cluster) de 3 Sunny Island. Un cluster comprend trois Sunny Island ainsi qu une batterie. A l intérieur du cluster, un Sunny Island constitue le master, les deux autres sont les slaves. Le Master est le centre de commande et de communication dans un cluster. Il remplit les tâches suivantes : - mettre sous tension et couper les slaves - surveiller et commander les slaves, p. ex., régler la fréquence et la tension - commander la charge et la décharge de la batterie - surveiller la capacité et l état de charge de la batterie - enregistrer les données du cluster et de la batterie sur la carte MMC - solliciter le générateur diesel - échanger des données avec les Masters des autres clusters - lors de l actualisation du micro logiciel, effectuer la mise à jour des deux slaves - afficher les valeurs et les états du système - détecter de manière centrale les saisies utilisateur. Plusieurs clusters raccordés en parallèle forment un système multi cluster. La puissance du système augmente avec le nombre croissant de clusters. Ils nécessitent l utilisation d une MC-Box qui assure la liaison entre clusters, les consommateurs et les générateurs d énergie. Schéma des liaisons de communication entre éléments pour la régulation Exemple de graphiques d installation fonctionnant avec une énergie solaire suffisante (gauche) et insuffisante (droite) :

11 Dans le premier cas, le groupe ne s enclenche pas, dans le deuxième, il démarre en début et fin de journée car la production des panneaux est insuffisante et la charge des batteries est trop faible pour alimenter le déficit d énergie. Huilerie alimentée en énergie solaire

12 5- Durée de vie des éléments constitutifs. Panneaux solaires : 25 ans (production à 25 ans 85% de la puissance initiale Batteries OPzV solar power: 7 à 10 ans suivant type d utilisation Onduleurs et convertisseurs SMA : 10 ans Support de panneaux : 25 ans

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