Kit photovoltaïque Kit COMMUNICANT pour études et projets autour de la production d énergie solaire photovoltaïque Kit photovoltaïque en un clin d œil Sections Electrotechnique, Energétique Points Forts & Activités Clés : Support de projet élèves autour du solaire photovoltaïque (ex: Conception d un système autonome en énergie) fourni avec un exemple de scénario pédagogique Panneaux solaires à inclinaison réglable mobiles ou pouvant être fixés au sol ou sur un mur Suivi des données de fonctionnement de l installation Logiciel de dimensionnement d installation photovoltaïque Étude des technologies de panneaux solaires, des technologies de stockage (Régulateur et Batteries solaires) et distribution TBT et 230V (Onduleur) Étude du rendement énergétique et de l impact de l inclinaison sur le rendement Activités de mesurage, réalisation (Câblage et raccordement), bilans énergétiques, dimensionnement et justification de composants, communication, analyses technico-économiques Multiples possibilités d acquisition de mesure pour diagnostic (Tensions, Intensités, Températures, Intensité lumineuse ) Ajout possible d une éolienne 400W pour compléter les activités liées aux énergies renouvelables Evolution possible vers une structure de communication à distance, nous consulter. Composants Particuliers 2 panneaux photovoltaïques monocristallins en 90Wc avec sonde d ensoleillement 1 ensemble d alimentation électrique comprenant notamment: 1 automate de gestion avec affichage digital pour lecture de données ayant aussi pour fonction l acquisition de données 1 onduleur 12V / 230V 200W 1 batterie gel étanche 12V 75Ah avec sonde de température et coffre étanche Logiciel d acquisition et traitement des données sur PC Références : CH15: Kit photovoltaïque (Composants photovoltaïques seulement: 2 modules 90Wc et support métallique, Onduleur, Automate de gestion, Logiciel, Batterie avec et coffre, Relais mercure, Shunts et Câbles) CH15-CH16: Kit photovoltaïque (Tous composants - Ensemble avec armoire non câblé) CH15-CH16-CH17: Kit photovoltaïque (Tous composants - Ensemble câblé) CH18: Option Chargeur de batterie pour simulation d une source électrique auxiliaire CH19: Kit éclairage TBT et 230V EO11: Option Eolienne 400W 12V EO12: Mât pour éolienne EO13: Support mural pour éolienne Caractéristiques Alimentation électrique : 230 V pour l alimentation du chargeur Dimensions de la structure: L x l x H : 1500 mm x 540 mm x 1280 mm Masse : 110 Kg Architecture du système Description fonctionnelle Ce produit a été dimensionné pour permettre l étude de la production d électricité par énergie solaire photovoltaïque et de son stockage. Il met en œuvre une chaîne complète de production, stockage et distribution d énergie électrique photovoltaïque. Son caractère modulaire en fait un support idéal pour la réalisation de projets élèves autour du photovoltaïque Exemples de scénarios d utilisation Alimentation autonome d une antenne de télécommunication Alimentation autonome d un camping car, voilier Sous-ensemble Panneaux solaires Il permet de convertir l énergie solaire en énergie électrique. Il est destiné à une utilisation externe et est principalement constitué de : Un châssis monté sur 4 roulettes supportant un ensemble de 2 panneaux solaires (12V - 90Wc 16.8% de rendement) Une cellule de mesure de l ensoleillement Un câble de liaison entre les panneaux et le coffret de commande Plus d informations sur www.erm-automatismes.com MàJ: 20130902 1/8
Architecture du système (suite) Capteur luminosité PC local Alimentation photovoltaïque (Dans CH15, CH16 et CH17) AUTOMATE DE GESTION, COMMUNICATION TBT ( cc) Protection 10A Distribution sur bornier BATTERIE CHARGEUR Capteur température 230V EDF ONDULEUR Option Chargeur (Dans CH18) 230V Protection 6A avec différentiel 30mA Distribution sur bornier Protection et Distribution électrique (Dans CH16 et CH17) Sous-ensemble Eolienne 12V 400W (Option) Il permet de convertir l énergie du vent en énergie électrique. La production électrique est assurée par un alternateur qui produit du courant électrique, un alternateur et un régulateur permettent de transformer cette production en courant continu Il est destiné à une utilisation externe et est principalement constitué d une éolienne 400W 12V (Diamètre 1.15m) sur mât ayant les caractéristiques suivantes: Régulateur de charge interne avec réglage externe pour tous types de batteries Pales en carbone à pas variable par déformation suivant la force du vent Alternateur sans balai à aimant permanent Contrôle électronique de la tension Ce sous ensemble est raccordé à l armoire du kit photovoltaïque Fixation de l éolienne sur un mur vertical (10 m de câble fournis) : Réf EO13 Deux types d installation proposés Une notice d installation est fournie avec le système Fixation de l éolienne sur un mat haubané de 8,8m (20 m de câble fournis): Réf EO12 2/8
Architecture du système (suite) Diamètre du rotor Poids Vitesse de démarrage Tension Puissance maximale Régulateur intégré Pales (3) Corps Kwh/mois Vitesse du vent limite 1.15 m 5.85 Kg 3.13 m/s 12 V 400 Watts à 12.5 m/s Vitesse de rotation et tension Fibre de carbone Aluminium moulé de qualité aviation 38 kwh/mois à 5.4 m/s de moyenne 177 Km/h (49.2 m/s) Caractéristiques de l éolienne Sous-ensemble Coffret électrique de gestion et distribution Il permet de gérer la production, distribuer et convertir l énergie électrique. Il est principalement constitué de : Une coffret électrique 1000 x 750 x 320 avec porte transparente Un onduleur 12V 230V, 200VA, 94% de rendement Un automate de gestion (Régulation de charge, acquisition et communication de données) avec shunts et relais mercure Disjoncteurs, sectionneurs et relais de distribution électrique Un système de gestion des sécurités Un chargeur de batterie (En option) ayant deux rôles: Simuler l utilisation d une source auxiliaire (ex: groupe électrogène) en complément des modules photovoltaïques Assurer la charge de la batterie en cas de non exposition prolongée des panneaux Sous-ensemble Stockage d énergie Il permet de stocker l électricité produite par les panneaux photovoltaïques Il est principalement constitué: D une batterie gel étanche 12V, 75Ah D un coffre d implantation des batteries avec aérations D une sonde de température Fonctions de l automate de gestion L automate de gestion assure: La régulation de charge simple ou double (Charge normale ou charge d égalisation) et la compensation en température des seuils de régulation de charge La limitation de décharge par délestage de récepteurs L acquisition des données de production Tension batterie Courant entrant dans la batterie et courant sortant de la batterie Courants DC production panneaux, productible panneaux Courant DC production auxiliaire Courants DC consommation 1 et 2 Température des batteries Ensoleillement (W/m²) Le traitement des données de production (Moyennes, sommes ) Le stockage des données de production (6 mois de valeurs horaires, 4 ans de valeurs journalières) La communication des données vers un ordinateur (Protocole USB) et leur traitement avec le logiciel (Fourni) Phaesoft ou un modem externe (Nous contacter pour cette configuration) L automate possède un afficheur LCD 2 lignes de 16 caractères avec défilement des mesures et de l état du système Principaux composants Fonctions du logiciel Phaesoft Phaesoft est le complément logiciel de l automate de gestion. Il permet de récupérer les données stockées dans l automate de gestion et d en gérer les fonctions (câble fourni). Il est possible de contrôler en temps réel et à distance la configuration et le bon fonctionnement des installations. Il assure trois fonctions principales: Paramétrage de l automate de gestion (Aussi possible avec le menu déroulant de l automate) Ajustement des paramètres de régulation (Seuils de tension, Temporisation ) Visualisation, pilotage et contrôle des flux énergétiques de l installation en temps réel Récupération et mise en forme des données de production Connaissance des différentes alarmes Analyses automatiques mensuelles et annuelles des courbes des tensions batteries minimales, moyennes et maximale Répartition de la production électrique entre panneaux et source auxiliaire (ex: Groupe Electrogène) Bilan Consommation / Production comparé à la consommation prévue lors du dimensionnement initial L ensemble des données peut être exporté vers Excel pour des traitements complémentaires. 3/8
Principaux composants (suite) Exemples de courbes récupérées sur l automate de gestion et le logiciel Phaesoft Graphique Production / Consommation Graphique Balance Batterie Lignes principales des nomenclatures Qté CH15 CH15-CH16 CH15-CH16-CH17 Module photovoltaïque monocristallin ET Solar 90Wc 12V 2 Oui Oui Oui Structure métallique 3 positions 30, 45 et 60 degrés 1 Oui Oui Oui Régulateur PN-GM 12V et bornier débrochable 1 Oui Oui Oui Câble USB /jack PN-GM 2m 1 Oui Oui Oui Sonde d ensoleillement 1 Oui Oui Oui Sonde température PT1000 5m 1 Oui Oui Oui Logiciel Phaesoft 1 Oui Oui Oui Accumulateur SB 12V 75Ah 1 Oui Oui Oui Coffre batterie 70L 1 Oui Oui Oui Onduleur Sinus AJ275 200W 12V 1 Oui Oui Oui Shunt mono 1 Oui Oui Oui Socle isolant Shunt mono 1 Oui Oui Oui Varistance fusible 1 Oui Oui Oui Relais mercure 35NC-12V 1 Oui Oui Oui Coffret IP65 1000x750x320 1 Non Oui Oui Kit de support platine pour coffret 1 Non Oui Oui Inter-sectionneur bipolaire 40A de tête à déclenchement à distance 2 Non Oui Oui Auxiliaire de commande à émission de courant 12V DC 2 Non Oui Oui Coup de poing d arrêt d urgence 1 Non Oui Oui Disjoncteur Uni+Neutre 2A 1 Non Oui Oui Disjoncteur Uni+Neutre 10A 1 Non Oui Oui Disjoncteur Uni+Neutre 20A 2 Non Oui Oui Disjoncteur différentiel 6A 30mA 1 Non Oui Oui Relais de puissance 30A 12Vcc 1 Non Oui Oui Presse-étoupes plastiques, Ecrous, Etiquettes, Colliers, Manchons, Embouts, Câbles, Fils, Support boutonnerie, Flasque d extrémité, Equerres de blocage, Repères Rail Non Oui Oui DIN, Goulotte, Vis, Lampes, Barre de terre Montage Non Non Oui 4/8
Activités pédagogiques envisagées Dimensionnement & Bilans énergétiques Analyse fonctionnelle Dimensionnement d une installation et évaluation de la production d'énergie Tracé du masque solaire & Utilisation de données météo pour déterminer le potentiel solaire Estimation des consommations électriques Détermination du champ photovoltaïque, des batteries, de l onduleur Utilisation d un logiciel de dimensionnement d une installation Vérification des données de dimensionnement de l'installation (Puissance photovoltaïque, Sections de câbles, Puissance onduleur, Capacité des batteries, Taille protections...) Analyses économiques et environnementales Analyses technico-économiques (Cas d'un particulier, d'une entreprise, d'une collectivité...) Temps de retour sur investissement en fonction des subventions Comparaison d un investissement photovoltaïque avec un raccordement au réseau EDF Production d électricité dans les pays en voie de développement Analyses environnementales Emissions de CO2 évitées Problématique de la production décentralisée comparée à la production centralisée (Pertes en ligne ) Automate & Communication Programmation et paramétrage de l automate de gestion (ex: Récupération et paramétrage des données de production) Étude des problématiques de délestage Etude et mise en place de l architecture de communication suivant le protocole choisi (Choix et Paramétrage du modem...) (Nous consulter pour le matériel adéquat) Etude des protocoles de communication (RTC, Ethernet, Gsm, Satellite...) Mise en service & Réalisation Câblage du coffret électrique, raccordement des panneaux, des batteries Mise en service de l installation Mise en place de l'acquisition de données d'ensoleillement et température Mise en place d un groupe électrogène (Réel ou simulé par un chargeur de batterie) Mesurage Mesures et interprétation de données (Courant, Tension, Charges, Températures, Ensoleillement) Détermination de l inclinaison optimale Rendement global de l installation, Rendement de l onduleur Maintenance Diagnostic (Création de pannes: Couverture sur panneaux, Câble déconnecté...) Planification et organisation des interventions de maintenance (Vérification des connexions, Nettoyage des panneaux, Surveillance des batteries...) Changement d'un panneau défectueux Approche pédagogique Travaux Pratiques proposés par ERM Automatismes (Orientation Professionnelle) TP1: Analyse et mise en service du système Objectif: Effectuer la première mise en service afin de livrer l installation au client Chronologie: Préparation de l intervention de mise en service (Lecture du dossier technique, Analyse fonctionnelle, Mode opératoire) Vérification sur site de la conformité de l installation et de ses fonctionnalités Paramétrage et mise en service du système Explication du fonctionnement de l installation au client Etablissement du rapport de première mise en service TP2: Maintenance préventive Objectif: Remplacement d un composant présentant un défaut de fonctionnement, les batteries continuant à alimenter les charges électriques Chronologie: Identifier les caractéristiques de l élément, trouver une référence et passer la commande Réaliser la demande d autorisation de travail Déconnecter les panneaux solaires et remplacer l appareil défectueux Rétablir les connections et contrôler le fonctionnement Etablir le rapport de maintenance et mettre à jour le cahier de suivi d intervention TP3: Réalisation d une modification du fonctionnement de l installation et câblage associé Objectif: L automate de gestion PN-GM doit gérer la charge des batteries en connectant le chargeur de batterie autonome (Groupe électrogène simulé) sur le circuit (Option Chargeur nécessaire) Chronologie: Modification du schéma de commande et puissance afin de répondre aux modifications prévues Choix des nouveaux composants à utiliser Vérification des protections des circuits en fonction des nouveaux composants Implantation du matériel dans l armoire et réalisation du câblage Paramétrage de l automate, essais et mise en service de la nouvelle fonction Compte rendu de la modification et mise à jour du cahier de suivi d intervention sur le système Fiches activités professionnelles proposées: Etablir la nomenclature et le devis de l installation Compléter la nomenclature et implanter les composants de l armoire électrique Réaliser le raccordement électrique de l appareillage électrique du coffret électrique Réaliser la mise en service de l installation Réaliser la maintenance corrective de l installation 5/8
Travaux Pratiques proposés par ERM Automatismes (Orientation Technologique) TP1: Comparer et dater (5h) Module 1.1: Appropriation du Kit photovoltaïque Rechercher les procédés élémentaires mis en œuvre dans le Kit Photovoltaïque Relever l ensoleillement sur une journée pour estimer l énergie disponible Mesurer les puissances et énergies demandées par les récepteurs Module 1.2: Etude comparée d applications dans leurs contextes Comparer 2 systèmes équivalents de production autonome d énergie coexistants : Kit photovoltaïque et un groupe électrogène Représenter l organisation fonctionnelle du Kit photovoltaïque en complétant un diagramme FAST Dessiner la structure du Kit photovoltaïque : schémas électriques normalisés (DAO) TP2: Analyser et valider les procédés (11h) Module 2.1: Analyse et validation de la Transformation de l Energie Relever et modéliser la caractéristique d un panneau photovoltaïque Mesurer le bilan énergétique du convertisseur continu/alternatif Module 2.2: Analyse et validation du Stockage de l Energie Relever un point de fonctionnement de la batterie Etudier la caractéristique de la batterie : point de fonctionnement, capacité Relever du sens de circulation de l énergie : réversibilité de la batterie Gérer l énergie : régulation de la charge, délestage de la demande Approche pédagogique (suite) Module 2.3: Analyse et validation du Déplacement de l Energie Protéger les personnes - Protéger le matériel Relever le facteur de puissance sur le réseau alternatif Module 2.4: Analyse et validation de la Transformation de l Information Relever et modéliser la caractéristique d un capteur de courant et de tension Configurer le PN-GM TP3: Concevoir (2h) Module 3.1: Dimensionnement et choix des composants Dimensionner les principaux composants de l installation (Nombre de panneaux, Tension de l installation, Capacité des batteries ) Choisir le relais de gestion de la charge, son dimensionnement et sa technologie : électro-mécanique ou statique Choisir l électro-pompe : dimensionnement, basse consommation Fiches activités technologiques proposées: Réaliser l étude technique de l affaire proposée Réaliser la planification du chantier de l affaire Diaporama d aide au montage et au câblage 280, rue Edouard Daladier - 84200 Carpentras - France - Tél. + 33 (0) 4 90 60 05 68 - Fax + 33 (0) 4 90 60 66 26 www.erm-automatismes.com - contact@erm-automatismes.com 6/8
Informations sur le photovoltaïque Transformation de l énergie lumineuse: le photovoltaïque et la jonction PN Une cellule photovoltaïque est principalement constitué à partir de silicium dopé (Semi-conducteur: jonction p-n). Lorsqu une cellule est exposé au rayonnement électromagnétique solaire, les photons de la lumière transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Cette énergie permet aux électrons de libérer des atomes, générant ainsi des électrons (charges N) et des trous (charges P). Ces charges sont alors maintenues séparées par un champ électrique qui constitue une «barrière de potentiel». Une fois les charges P et N isolées, il suffit de fermer le circuit entre ces 2 zones (P et N) pour mettre en mouvement les électrons et crée ainsi un courant électrique. Rendement des modules photovoltaïques Le rendement des modules en fonction des différentes technologies fait apparaître des différences importantes. Calcul du rendement: Puissance de rayonnement à l entrée de l atmosphère (Constante solaire): 1350W/m² Puissance de rayonnement au niveau du sol: 1000W/m² Puissance obtenue par conversion photovoltaïque: 110 à 150W/m² Rendement: 11 à 15% Le Watt Crête (Wc) Unité de puissance de référence qui permet de comparer les cellules et modules Puissance maximale délivrée sous des conditions de test standard (Rayonnement au sol: 1000W/m² - Température: 25 C) Caractéristique Courant-Tension La caractéristique Courant-Tension d un module cristallin fait apparaître un point de puissance maximum dont la tension est proche des 17/18Volts à 25 C et 1000W/m2. L évolution en fonction de la température montre que la tension décroît et le courant augmente quand la température s élève. 7/8
Ensoleillements moyens en France Informations sur le photovoltaïque (suite) Marseille Toulouse Nantes Lyon Paris Mulhouse Ensoleillement moyen pour une orientation Sud à 30 5.0 kwh/m².j 4.2 kwh/m².j 3.7 kwh/m².j 3.7 kwh/m².j 3.2 kwh/m².j 3.2 kwh/m².j Impacts de l orientation et de l inclinaison (1 = Orientation Sud, Inclinaison 30 ) Orientation Sud: Horizontal 0.93, Inclinaison 60 0.91, Inclinaison 90 0.68 Inclinaison 30 : Orientation Est 0.9, Orientation Sud-est 0.96 Potentiel de production d électricité photovoltaïque sur le territoire français A titre indicatif, l installation d un kwc nécessite environ 8m² de panneaux solaires Les trois applications principales du solaire photovoltaïque Système autonome Le module charge une batterie qui permet d utiliser l énergie à convenance. La charge et la décharge de la batterie sont contrôlées et gérées par un dispositif de gestion d énergie. Sur certains systèmes un dispositif d acquisition de données permet de surveiller le fonctionnement du système Généralement des appareillages de conversion d énergie sont également intégrés: Onduleur : pour fournir à l utilisateur une tension alternative conventionnelle (230Vac) Chargeur : pour apporter une charge complémentaire à partir d une source auxiliaire (Groupe électrogène, Eolien) Ce type de système nécessite un dimensionnement du système tenant compte de la localisation, du besoin et de l autonomie de la batterie. Fil du soleil L énergie électrique produite par les modules solaires est directement utilisée par le récepteur. Il n y a donc pas de stockage électrochimique. Généralement les générateurs «au fil du soleil» sont destinés à alimenter des moteurs électriques en courant continu ou alternatif (dans ce cas un appareil de conversion d énergie est requis). Les principales applications sont celles où l on peut envisager un stockage d énergie sous une autre forme que l énergie électrique (par exemple : stockage d eau, stockage de froid ) Autres applications : application pour lesquelles le service rendu ne nécessite pas des contraintes spéciales liées à la fourniture d énergie : aération, ventilation Connecté au réseau Tout ou partie de l énergie produite est injectée dans le réseau de distribution électrique. Il existe principalement deux variantes : L «injection simple» : la totalité de l énergie produite est injectée dans le réseau. L «injection secours», avec batterie, permet de fournir de l énergie de façon autonome en cas de d absence du réseau public (Coupure due a des aléas climatiques ou techniques). Ainsi une garantie de service de distribution électrique est assurée. 280, rue Edouard Daladier - 84200 Carpentras - France - Tél. + 33 (0) 4 90 60 05 68 - Fax + 33 (0) 4 90 60 66 26 www.erm-automatismes.com - contact@erm-automatismes.com 8/8