Photo voltaïque

Energie solaire photovoltaïque
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Sommaire
- Généralités
- La ressource
- Les panneaux
- Le système
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Historique
1839 : effet photovoltaïque Becquerel sur un couple électrochimique
1877 : 1ère cellule PV au sélénium
1954 : 1ères cellules PV au silicium
le rendement passe de 4,5 % à 6% en quelques mois
1955 : 1ère commercialisation cellule PV 14 mW (2%) $25
1958 : satellite avec cellules PV (ont fonctionné 8 ans)
années 60 : montée des rendements et des puissances
(Japon 1963 : 242 W sur une maison)
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Croissance de la filière
Près de 100 GWc cumulés fin 2012 pour une production
d’environ de plus de 10 TWh
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Des applications décentralisées
Satellites
Electrification des sites isolés, notamment :
pompage d ’eau
balises…
pays en développement
loisirs
De façon marginale :
véhicules (courses sunracers)
bateaux...
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Plus de puissance … et le réseau
• Toit solaire
– utilisation
« individuelle »
– raccordés au réseau
électrique
Centrale des Mées (04)
Octobre 2011
Puissance 12 MW, 25 ha
couverts par 55 000 panneaux,
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La ressource solaire
Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : 720.1015 kW.h
Consommation humaine : 135.1012 kWh primaires dont
14.1012 kWh électriques
Selon les régions : de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an,
soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m²
et une puissance crête de plus de 1 kW/m²
Une grande part de cette puissance peut être
directement et aisément convertie en chaleur,
une plus faible part (8 à 25%)
peut être transformée directement en électricité
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Spectre du Soleil
8
AM = air mass
AM 0
Spectre du Soleil
AM 0
48°
AM 1,5
AM 1
30°
AM 1,5 AM 2
Rayonnement absorbé par
l’atmosphère (O2, CO2, H2O…)
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Production annuelle d’énergie: kWh/m2.an
Pour un calcul rapide
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Carte solaire de la France
kWh/m2.jour
Orientation Sud,inclinaison égale à la latitude
5,2
5,3
5,7
4,8
Pour un calcul plus précis
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Rayonnement en fonction de la météo
Ensoleillement W/m2
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Rayonnement Global =
Rayonnement direct + Rayonnement diffus + Rayonnement réfléchi *
*( albédo x rayonnement total horizontal)
Diffusion par les molécules d’air,
Diffusion par aérosols
Rayonnement
direct
Rayonnement diffus
Rayonnement
du à l’albedo
PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire
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Station météorologique de Lyon
(rayonnement global horizontal)
 Un jour d’hiver ordinaire
75 % de diffus
Heure solaire (h)
Un beau jour d’été 
30% de diffus
Heure solaire (h)
PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire
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Le mouvement de la Terre autour du Soleil
• La terre tourne autour du soleil en décrivant une
ellipse de faible excentricité et de période :
365 jours et ¼
Hmax = hauteur du soleil à midi – φ = latitude du lieu
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Trajectoire annuelle et journalière du
soleil (hémisphère nord)
21 juin
Zénith
21 septembre
21 mars
21 décembre
S
O
N
4 h 00
8 h 33
6 h 20
E
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Masques Solaires
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Courbes d’ensoleillement
Lyon plein sud
En
kWh/m²/j
0°
30°
60°
90°
Jan
Nov
Fev
Dec
Mar Avr
Mai
Jun
Jui
Aou
Sep
Oct
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Cellule :
diode PV élémentaire dimensions de l’ordre de qq cm, qq watts
Module :
assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle
32, 36, 72, 216... cellules, qq 10 à qq 100 watts
Typiquement : modules de 100 W (1 m²) avec
72 cellules en série (34 V) ou
2 x 36 (série – parallèle 17 V)
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Eléments d’un système PV
Soleil
Accumulateur
Utilisation AC
Onduleur
Panneau
Régulateur
Utilisation directe
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ORIENTATION ET INCLINAISON
L’idéal est que l’installation soit orientée côté SUD.
NORD
TOIT
OUEST
EST
SUD
PANNEAUX
SOLAIRES
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ORIENTATION ET INCLINAISON
L’inclinaison des panneaux doit prendre en compte :
L’angle par rapport de l’horizontale.
SUD
60°
Angle d’inclinaison 60 °
90°
Angle d’inclinaison 90 °
On considère que l’on a une perte d’ensoleillement de 20%
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ORIENTATION ET INCLINAISON
Facteur de correction ( pour projet simplifié )
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Rendement de captation en fonction de l’orientation et de l’inclinaison
Disque pour calcul du « Facteur de Transposition (FT) »
Capteur horizontal 0°
Capteur vertical 90°
FT = 1,05
Inclinaison 30°
Rendement 95%
Orientation SE
Exemple à LYON, représentatif de la France Métropolitaine en zone urbaine
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SURFACE POUR L’IMPLANTATION
TYPES D’INSTALLATIONS EN TOITURE
Avantages : * Prix moins élevé que pour l’intégré
* Simplicité de mise en place
Pose sur
toiture
* Pas de pertes dues à
l’augmentation de 
Inconvénients : * Fixation sur le toit, traversées
de câbles
* Moins bonne esthétique
(surimposition)
Avantages : * Économie de matériaux de
construction
* Meilleur esthétique
Pose en
encastrée
( intégré )
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Matériaux
Silicium
monocristallin
 12 à 14 %.
polycristallin
 10 à 12
amorphe
 6 à 8%. Applications
intérieurs, moindre coût
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Coefficient de structure
Le coefficient de structure dépend du type de
panneaux et de leur ventilation.
Le coefficient de structure : CS
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OMBRAGE
L’ombrage prend en compte les obstacles existants naturels
( arbres, reliefs ) ou artificiels ( pylône, bâtiments, câbles) e
la course du soleil ( sur la journée, sur l’année ).
Le facteur d’ombrage :
FO
SUD
30
60°
°
Obstacle naturel :
arbre
SUD
Sans ombrage : 1
30
60°
°
Obstacle naturel :
arbre
Avec ombrage :0,8
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OMBRAGE
Il faut penser à
tout ce qui peut
faire de l’ombre
Sans oublier les poussières
et les salissures.
Les panneaux doivent être nettoyés
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L’Albèdo
Grandeur sans dimension, c’est le rapport de l'énergie solaire
réfléchie par une surface, à l'énergie solaire incidente.
Comprise entre 0 à 1
Surface de lac, noir de fumée, 0,02 à 0,04
Forêt de conifères
0,05 à 0,15
Surface de la mer
0,05 à 0,15
Sol sombre
0,05 à 0,15
Cultures
0,15 à 0,25
Sable léger et sec
0,25 à 0,45
Glace, papier blanc
0,60 à 1
Neige tassée
0,40 à 0,70
Neige fraîche
0,75 à 0,90
Miroir
1
30
Cellule photovoltaïque
(principe)
Convention diode récepteur
Ip
Convention diode générateur
Ip
Vp
E
éclairement W/m²
Vp
 e.Vp 


 k.T 1

I p  Icc (E)  Is .e
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Caractéristique courant tension puissance d’une cellule
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Panneaux PV
• Influence de l’éclairement, de la température
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Caractéristiques d’un module photovoltaïque
au silicium cristallin selon la température
Amorphe : 0,21%/
°C
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Température d’un module au silicium cristallin
en fonctionnement
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Cellule photovoltaïque, mise en série et en parallèle :
36
Caractéristiques d’un champ PV
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Cellule photovoltaïque, protection par diode bypass:
Pour limiter la tension inverse à une valeur acceptable
(point de vue thermique ou avalanche) :
diodes de protection BYPASS
Pour limiter le nombre
de diodes de protection
(soucis économique) :
les diodes bypass ne
conduisent qu’en situation
de déséquilibre, et limitent
la perte de puissance
la caractéristique I(V)
est néanmoins modifiée.
une seule diode par groupe
de 24 cellules environ
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Effet des diodes bypass
sur les caractéristiques résultantes I(V)
Caractéristiques réelles
d’un système avec cellules vieillies
et une importante couche de
poussière
Un module « isolé » par sa
diode antiparallèle
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Régulateur
Paramètres de choix : tension et courant en entrée et en sortie,
puissance, rendement, protections (panneau, batterie,
régulateur), modes de charges, fonctions annexes
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Batteries
Paramètres de choix :
Tension (12, 24, 48
Volts), Capacité (Ah) (courant de charge < 1/10
C), Nombre de cycles @ SOC min donné,
Electrolyte gélifié ou non
Durée de vie
d'une batterie
en fonction de
la profondeur
de décharge
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Capacité d’une batterie d’accumulateurs
La capacité d’une batterie correspond à la quantité d’électicité qu’elle
peut restituer. On la note en Ampère heure. La capacité nominale vaut
CN = TN  IN
Par exemple C10 = 105 Ah signifie qu’elle pourra restituer CN =105 Ah
pour une décharge de IN = 10,5 A pendant TN = 10 heures.
Cette capacité est fonction de la température, elle augmente lorsque la
température augmente.
Elle dépend du courant de décharge:
Elle augmente quand le courant est plus faible que le courant nominal.
Elle diminue dans le cas contraire.
La variation de la capacité peut être calculée par la loi de Peukert
pour laquelle la capacité Cpx, pour un courant de décharge Ix s’écrit:
avec k  1,3
CP x 
TN * I x
 Ix 
 
 IN 
k
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Batteries (charge)
3 phases de charge :
Imax, floating, egalisation
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Batteries
(rendement)
  moyen de 0,7
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L’onduleur
• Fonctions :
– Convertit le courant continu en courant alternatif usuel en
phase avec le réseau
– Fait fonctionner les capteurs PV au maximum de leur puissance
(MPPT) quelque soient l’ensoleillement et la température
– Se déconnecte en cas d’absence de tension du réseau
– Protection des personnes par contrôle d’isolement du circuit
continu
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Onduleur
Paramètres de choix :
autonome / connecté au
réseau,
puissance,
tension d’entrée,
cos  max,
forme d’onde,
conso à vide (%de Pnom)
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autoconsommation
Vente totale de la production
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