Étape 1 – Évaluation des besoins

CONCEPTION D’UN SYSTEME
PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME
• Les systèmes solaires autonomes
• Méthode de conception.
• Étude de cas.
• Présentation système didactique.
Les systèmes solaires autonomes
• Système solaire domestique SHS
• Système à onduleur autonome
• Systèmes hybrides
Système solaire domestique SHS
Système à onduleur autonome
Système à onduleur autonome
•Systèmes hybrides
Systèmes hybrides
Systèmes hybrides
Méthode de conception
• Étape 1 – Évaluation des besoins;
• Étape 2 – Énergie solaire récupérable;
• Étape 3 – Définition des modules PV;
• Étape 4 – Dimensionnement du stockage;
• Étape 5 – Dimensionnement du régulateur;
• Étape 6 – Plan de câblage.
Disponibilité des matériels
Étape 1
Choix des
récepteurs
Calcul de la
consommation
journalière
Optimisation des
récepteurs
Étape 3
Étape 2
Chiffrage de
l’énergie solaire
récupérable
Calcul de la
puissance
photovoltaïque
Choix du type de
module
Consommation du
régulateur
Choix de la tension
du système
Étape 4
Dimensionnement
de l’accu
Pertes accu
Technologie de
l’accu
Étape 5
Dimensionnement
du régulateur
Chute de tension
dans les câbles
Étape 6
Plan de câblage
Coût du système
Étape 1 – Évaluation des besoins
Le kWh solaire est cher  économie d’énergie
• choix de récepteurs économes en énergie;
• utilisation rationnelle.
Appareil
Nombre
Tension
Puissance
Rendement
DC/AC
Durée
d’utilisation/jour
Consommation
journalière
Étape 2 – Énergie solaire récupérable
L’énergie récupérable dépend de :
• l’orientation et l’inclinaison des modules;
• les conditions météorologiques;
• les ombrages
Comment orienter et incliner les panneaux ?
• Orientation sud pour l’hémisphère Nord;
• Inclinaison :
• Pour un fonctionnement toute l’année
orientation pour les mois les plus mauvais
méthode  latitude + 10°  Pour la France implantation
« 60° Sud »;
Pour un fonctionnement estival 20 à 30°;
Données météorologiques
Mini
Logiciel RETScreen - Station météo de Lyon Bron - Inclinaison des PV 30°
Données météorologiques
Mini
Logiciel RETScreen - Station météo de Lyon Bron - Inclinaison des PV 60°
Ombrages
Étape 3 – Définition des modules PV
E prod 
kWh j 1

 S 
I
kWhm 2  j 1
Pc
I STC  S
kWhm 2  j 1
Ne 
h/ j
I
énergie reçue sur une surface orientée S et inclinée d'un angle égal à la
latitude
m2
Avec
E : énergie produite par les panneaux
I : Irradiation du lieu considéré
S : surface des panneaux
 : rendement des panneaux (12%)
I STC
1kW m 2
E prod  Pc  N e
Eprod : énergie solaire journalière (Wh/j)
Ne : : nombre d’heures équivalentes (h/j)
Pc : puissance crête (Wc)
(conditions STC 1000W/m², 25°c, AM1,5)
Exemple: à Lyon en mars avec une
implantation « sud 60° »  Ne = 2,67 h/j
Chiffrage des pertes
Types de pertes
Chiffrage
Salissure du panneau
5 à 10% de pertes en
courant
Chute de tension entre
PV et l’accu
0,5 V
Chute de tension entre
régulateur et accu
< 0,05 V
Chute de tension aux
bornes de la diode
0,7 V
Chute de tension aux
bornes des câbles
5%
Baisse de la tension PV
avec la température
Environ 2 mV/°C.cel
Rendement du
régulateur
90 %
Rendement de l’accu
80 à 90%
Perte par désaccord de
tension
Remarque
Tension des modules
• Limiter les chutes de tension dans les câbles  Section
• Bonne ventilation des panneaux
• Évaluer la chute de tension entre PV et Accu
Upertes= 0,8 (diode) + 0,5 (câble) + 1,5 (perte d’échauffement)
Upv = Uaccu +  Upertes
Pour une application en 12 V  Upv = (6 * 2,3) + 0,8 +0,5+1,5 = 16,6 V
En pratique pour une installation 12 V prendre:
• 17 - 18 V pour l’utilisation en pays chauds au point de puissance
maximale;
• 15 – 16 V pour l’utilisation en pays tempérés.
Calcul de la puissance photovoltaïque
• Coefficient de pertes en courant
Cp = Csalissure * Caccu
de 0,64 à 09
• Puissance photovoltaïque
Esol (Wh/m²j) = Ne (h/j) * 1000 (W/m²)
 Eprod (Wh/j) = Ne (h/j) * Pc (W)
En divisant par la tension d’utilisation
Qprod (Ah/j) = Cp * Ne (h/j) * Im (A)
Pc (W) = Um (V) * Im (A)
Technologie des modules
Technologie
Caractéristiques
Utilisation
Silicium amorphe
- Bonne performance aux
faibles éclairements et
éclairements diffus.
- Rendement 7 %
- faible puissance;
- produits à bas coût;
- produits portables ou en
intérieur.
Silicium cristallin
- rendement 13 %
La plupart des applications
de plus de 50 Wc
Puissance du champ PV
0 – 500 W
500 – 2kW
2 – 10k W
> 10k W
Tension recommandée
12 V
24 V
48 V
> 48 V
Étape 4 et 5 – Dimensionnement du
stockage et du régulateur
La batterie d’accumulateur est le composant le moins durable d’un
système photovoltaïque.
• Site difficile accès  grosse batterie; Exemple batterie tubulaire : 15
ans, 1200 cycles de décharge à 80%.
• Site peu sollicité ou facile d’accès batterie solaire à plaques ou
batterie de voiture.
Calcul de la capacité de l’accu
• Déterminer le nombre de jours d’autonomie sans apport solaire Nja
• statistique météo pour définir Nja
• utilisation normale en pays tempérés  Nja = 5 à 8 jours
• Capacité de l’accu pour une décharge en 20h à 25°c (C20)
Cu (Ah) = Nja * Qcons
• Il faut tenir compte de la température d’utilisation et de la profondeur
de décharge max autorisée.
C20 (Ah) = Nja (j) * Qcons (Ah/j) / Pd * Rt
Pd : profondeur de décharge (0,7 à 0,8)
Rt : Coefficient réducteur de la température
Choix du type de batterie
Paramètres permettant le choix :
• durée de vie : Le nombre de cycles de décharge est inversement
proportionnelle à la profondeur de décharge.
• entretien : utilisateur présent sur le site ?  batterie ouverte ou
étanche;
• taux de remplacement;
• coût;
• disponibilité;
• recyclage.
Capacité pour une décharge en 20h (I20 = 0,5A)
Tension de fin de décharge par cellule 1,75V
C1 = 6,4 * 1 = 6,4 Ah
C10 = 0,96 * 10 = 9,6 Ah
Influence de la température et du temps de décharge sur la
capacité de l’accumulateur
C% = f(Temp) accu au plomb
120
100
C%
80
60
Série1
40
20
0
-40
-20
0
20
40
60
Temp(°c)
C% = f(t)
120
100
C%
80
60
Série1
40
20
0
0
2
4
6
t(h)
8
10
12
Le régulateur
• Fonction :
• Contrôle de la charge : détermine la durée de vie de l’accu.
• Contrôle de la décharge : délestage.
• Technologies :
Régulateur shunt
Régulateur série
Régulateur PWM
Dimensionnement du régulateur
• Tension nominale (12, 24 ou 48V)
• Courant d’entrée : en pratique 1,5 * ICC des PV
• Courant de sortie : Imax des récepteurs.
Étape 6 –
SYSTEME DIDACTIQUE
Bloc de 18 cellules
en série
Dossier technique
I
SYSTEME DIDACTIQUE
EXPLOITATION PEDAGOGIQUE
• Caractéristique des panneaux photovoltaïques;
• Caractéristique des accus;
• Détermination des divers rendements (batterie, panneaux,
régulateur, onduleur);
• Analyse de fonctionnement du régulateur;
• Observation des transferts d’énergie avec le régulateur;
•Techniques de dimensionnent d’une installation photovoltaïque
autonome;
• Analyse des protection nécessaires.
Dossier technique
Caractéristique des panneaux
photovoltaïques
• Modélisation des panneaux
Rsérie  1,9 
I
I
+
• Recherche du MPPT
Id
ICC = 3 A
Rshunt  62 
V
• Facteur de forme
Vd = 0,7 V
• Influence de l’orientation
P=f(U)
140
• Problèmes liés aux ombres portées
et diode de protection
et
I=f(U)
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
120
100
80
60
40
20
I=f(U)
5
4,5
4
3,5
3
V
0
I = -0,0156*U + 4,4137
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
P(W)= f(angle)
120
100
2,5
2
1,5
1
0,5
0
80
60
I = -0,5225*U + 21,216
40
20
0
10
20
30
40
50
0
0
10
20
30
40
50
60
Caractéristique des accumulateurs
•
Modélisation des accumulateurs (MET) lors de la charge et de
la décharge
I
  1
• Rendement en fonction du courant
I CC
U
charge
décharge
I
Transferts d’énergie
• Détermination des divers rendements
4
DC
95%
AC
1
Régulateur
2
86%
86%
3
95%
Analyse de fonctionnement du régulateur
•
Analyse de fonctionnement du régulateur
Ipv
Ich
Ib
Ich = 0
Ipv
Ib
Ub
Ipv
Ib
Upv
Ich = 0 A, Ib et Ub
Ipv = Ich = 4,75 A
Ipv
Ich
Ib
Upv
Ub
Ipv
Ib
Ich = Ipv / 2 = 2,66 A
Ipv
Ich
???
Ipv
Upv
Ib
Ib
Ub
Ich = 7.17 A
Ipv
Ich
Ib
Ipv
Upv
Ub
Ib
Convertisseur DC/AC
Entrée DC
Sortie AC – Charge 40W