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AP 3.1 :
Installation photovoltaïque de
Sup’Lamache
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Terminale
Spécialité
Support : Informatique
Centre d’intérêt 1 : Typologie des systèmes énergétiques
Centre d’intérêt 5 : Efficacité énergétique active
Durée prévue : 3h.
Problématique : Identifier et caractériser des solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à
l'énergie d'un système.
Plan de l’étude
Remarque
Présentation générale
Travail demandé
Détail des différentes parties à traiter
Analyse des consommations électriques du lycée
Installation Photovoltaïque de Sup La Mache
Installation d’une éolienne à Sup Lamache
Analyse de relevés sur Conso Elec
Détermination de la structure et bilan énergétique
Logiciels
Intranet Lamache/Conso Elec
Sunny Design
PSIM Version
Mode de distribution
Dossier technique associé
Dossier ressource associé
AP3.1 Installation Photovoltaïque Sup Lamache(élève).docx
Matériels
PC
PC
PC
Format papier
Intranet/ STI 2DEE / série2/AP2.3
Intranet/ STI 2DEE / série2/AP2.3
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Terminale
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Installation photovoltaïque de
Sup’Lamache
1. Présentation générale
Une installation photovoltaïque est installée sur les toits du lycée et mis en service depuis
septembre 2009 sur une surface de 250 m²; elle répond à un besoin de réduction des
besoins énergétiques du lycée.
Cette étude a été essentiellement menée par des étudiants de BTS Electrotechnique du
lycée dans le cadre de leur projet d’étude. Cette installation permet également d’être
informé en temps réel sur les consommations électriques de chaque entité du lycée et sur
la production des panneaux photovoltaïques.
Vous pouvez consulter
ces informations sur
l’intranet
lamache/Conso elec
Les panneaux sont installés sur le toit du bâtiment principal E avec une exposition Sud –Est.
Il existe plusieurs paliers administratifs concernant la puissance de raccordement d’une
installation photovoltaïques sur le réseau d’ERDF. Ce sont 3kVA, 12kVA, 18kVA, 36kVA,
250kVA. Pour cette installation, elle a été limitée à 36kVA.
Le matériel choisi est le suivant :
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2. Travail demandé :
Dans cette application pratique, vous allez étudier :
-
Analyse des consommations énergétiques du lycée à partir de « Conso Elec en temps
réel. »
Mise en place et dimensionnement d’une installation photovoltaïque sur le site Sup’
Lamache à l’aide du « logiciel Sdesign de la société SMA Solar Technology »
Etude
d’une
installation
d’une
éolienne
avec
bilan
énergétique
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3. Analyse des consommations électriques du lycée
3.1 Sous « intranet Lamache/ Conso Elec en temps réel », relever les puissances consommés par
chaque entité et celle produite par les panneaux photovoltaïque ; justifier en quelques mots les causes
de ces consommations
Heure de prise de mesure :
Entité du Lycée
Valeur affichée
Cause
Vie scolaire
Internat
Cuisine
Atelier
Centre de formation
Module PV
3.2 Déterminer les pourcentages de chaque consommation
Consommation Lycée : Ouvrir le fichier « relevé de consommation » en cliquant sur la flèche
Consommation
3.3 Analyse du graphique
-
Que représente le premier graphique ?
Quelle est la signification des 3 zones colorées (vert, rouge et grise) ; Que concluez-vous de ces
informations ?
Que représente le trait bleu ? Comment est calculée cette valeur ?
Déterminer l’énergie consommée sur une période de 24 h. Pour plus de précision, à l’aide de la
loupe +, agrandissez le graphique de façon à avoir donné sur le dernier jour.
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Soit le relevé énergétique sur une partie d’une journée
-
Identifiez le moment présentant la consommation la plus basse et la plus haute ; comment peuton justifier ces valeurs ?
Comparer les consommations à l’instant [07 :10 :01] et [12 :10 :01] ; développez votre analyse
Quelle est la cause d’une consommation à [04:40 :01] ?
Production des panneaux : Ouvrir le fichier « relevé de consommation » en cliquant sur la flèche PV
Cliquer « voir affichage par jour de la production »
3.4 Analyse de la production (cf graphique en document 1)
-
Que représentent ces graphiques ?
Sur le barre graphe du 31/05/2013 apparait l’information de 246.38 KWh ;
-
Qu’est ce que cela signifie ?
-
Comment peut-on le justifier ?
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-
A partir du graphe de la puissance, estimer le temps de production sur une journée
Calculer dans ce cas, la puissance moyenne produite par les panneaux le 31/05/2013
A-t-on un bon rendement de l’installation sachant de l’on a au maximum 33 KW (sortie
onduleur)
Refaire ses calculs sur les meilleures journées de ce mois. Que pouvez vous constatez ?
3.5 Analyse des mesures puissance, énergie journalière des panneaux photovoltaïques
Afficher maintenant les relevés de la journée (ou celle d’hier si peu d’information)
-
Comment peut-on expliquer l’allure de la courbe de l’énergie (2ème graphe)
Sur le graphe 3, que signifie la valeur encadrée (à droite)
3.6 Comparaison de production des panneaux photovoltaïques
A partir des fichiers Excel des relevés de production et du diagramme « Comparaison des
productions »
-
Quels sont les mois les plus producteurs énergétiquement ?
-
Relevez les valeurs d’énergie produite du 1 janvier au 5 juillet en 2012 et 2013 ; estimez la
différence et les pertes pécuniaires engendrées à cause d’un printemps pluvieux.
-
Le coût de l’installation est d’environ 250000 € ; en se référent sur une production moyenne
comme celle de 2012, déterminer le nombre d’année nécessaire pour rentabiliser l’installation.
Objectifs du projet :
Mr Buchet souhaitait équiper l’école La Mache d’un parc de formation pédagogique aux énergies
renouvelables à l’image de ses ateliers de production, ancrée sur :
-
Le photovoltaïque
-
L’éolien
-
La biomasse
Cette installation devra être raccordée sur celle existante (étudiée précédemment). Le
budget accordé à la première réalisation s’élève à 7000 Euros.
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4 Installation photovoltaïque de Sup’ Lamache
Implantation du parc photovoltaïque de Sup’ Lamache
Inclinaison des
panneaux à 30°C
Caractéristique des panneaux photovoltaïques
On dispose des 6 panneaux de 155 Wc, dont on a relevé les caractéristiques suivantes :
La surface d’un panneau est donc de :
U N  34,4V
I N  4,5 A
L  1,238m
l  1,087 m
S  L  l  1,238  1,087  1,346m²
Le rendement d’un panneau peut être donc estimé à :
UN  IN
34,4  4,5
154,8


 0,115
1000  S 1000  1,346 1346
 panneau  11,5%
 panneau 
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Installation photovoltaïque de
Sup’Lamache
Synoptique :
Vers charge de 180 W
fonctionnant 10h/jours
6 panneaux reliés en série
Coffret DC externe composé d’un parafoudre, un porte fusible et un inter sectionneur pour protéger
l’installation
Coffret DC interne composé d’un parafoudre, un porte fusible et un inter sectionneur pour protéger
l’installation
Onduleur : Adapte la tension au réseau
Sunny Back up : permet de charger les batteries et alimente notre charge
Batterie : Stocke l’énergie
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4.1 Choix de l’onduleur
A l’aide du logiciel Sunny design, vous devez déterminer l’onduleur le plus compatible pour la réalisation
de la maquette pédagogique comprenant les 6 panneaux disponible (155Wc).
Dans un premier temps nous avons saisi les informations concernant l’implantation du système et l’orientation des
panneaux.
a) Ouvrir le logiciel et saisissez les informations concernant
l’implantation du système (Pays, ville, orientation et inclinaison
des panneaux)
Ces données permettent de placer les conditions réelles de cette
installation
b) Calculer la puissance crête de cette installation :
c) Choisissez
dans la liste SMA un onduleur ayant des
caractéristiques correspondant au mieux à nos panneaux.
L’onduleur doit être « assisté » pour permettre de réinjecter
l’énergie produite sur le réseau.
d) Qu’appelle t -on un onduleur assisté ?
e) Justifier le choix de l’onduleur.
4.2 Choix des batteries d’accumulateur
Le calcul de la capacité C du parc de batteries dépend de plusieurs données :
C ( Ah ) 
D N
L U
N, le nombre de jours avec un ensoleillement insuffisant. En France, pour une utilisation
annuelle, 5 jours de réserve en batteries sont nécessaires.
D, la demande énergétique quotidienne exprimée en Wh/jour. Il s'agit de l'énergie nécessaire
pour alimenter des appareils électriques. D s'obtient en multipliant la puissance de chacun des
appareils par leur durée d'utilisation quotidienne en heures.
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a) Calculer l’énergie nécessaire chaque jour : (voir charge installée sur synoptique)
b) Choisir un parc de batteries
U, la tension en Volt sous laquelle est installée le parc de batteries (12 V, 24 V,
48 V...). Pour cette application nous prendrons des batteries 24V.
L, la profondeur de décharge maximum des batteries (50%) ; sinon elle se
déchargerait complètement ce qui équivaut à une durée d’utilisation limitée.
C ( Ah ) 
D N

L U
5 Bilan énergétique de l’éolienne :
Cette éolienne vient s’insérer dans le système photovoltaïque de « Sup lamache »
Réseau la mache
CARACTÉRISTIQUES DE L’ÉOLIENNE (AÉROGÉNÉRATEUR)
L’aérogénérateur est une machine qui a pour fonction de prélever une partie de l’énergie éolienne disponible pour la
transformer en énergie électrique.
L’HÉLICE
L’organe de prélèvement de l’énergie éolienne est une hélice constituée de
trois pales. L’angle des pales est variable en fonction de la vitesse du vent.
Ceci évite d'atteindre des vitesses trop élevées en cas de coup de vent
La variation de cet angle est obtenue par déformation des pales sous l’action
du vent.
vitesse de démarrage : 27m/s
vitesse nominale de fonctionnement: 10m/s
Rayon de rotation : 585 mm.
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L’ALTERNATEUR
La production d’électricité est réalisée par un alternateur triphasé sans balai
à aimants permanents. Il est couplé directement à l’hélice
vitesse de rotation nominale : 1000tr/min
Puissance nominale de sortie: 200W à 10 m/s.
LE GOUVERNAIL
L’extrémité arrière du bâti porte le gouvernail d’orientation de l’aérogénérateur
5.1
Détermination technique de l’hélice
Rotor 3
pales
a) Détermination de la puissance mécanique captée par l’hélice (à la vitesse nominale)
On veut mesurer la puissance mécanique Pu disponible sur l’arbre de sortie de l’hélice pour la vitesse
nominale du vent.
Ptr= Cu × , où Cu est le couple moteur en N·m et la vitesse angulaire en rad/s.
Avec le logiciel Psim version 9, ouvrez le fichier dans intranet/ Serie2/AP2.3/ eolienne.psimsch .
Enregistrer le fichier.
Régler la vitesse du vent à la valeur nominale. Simuler le fonctionnement de l’éolienne.
-
Afficher les courbes de la fréquence de rotation Nh de l’arbre de sortie de l’hélice.
Afficher la courbe de la puissance mécanique Pu en multipliant les courbes : Couple et vitesse
angulaire.
Mesurer le temps nécessaire à l’hélice pour atteindre sa fréquence de rotation nominale: _______
Mesurer la fréquence de rotation nominale de l’hélice:_______________
Mesurer la puissance mécanique Ptr captée par l’hélice:________________
b) Détermination du rendement de l’hélice
Le rendement ηh de l’hélice est défini par la relation :  h 
Ptr
Pvent
où Pvent représente la puissance du vent traversant la surface circulaire balayée par les pales de l’hélice
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A partir des documents annexes 3 :
5.2
Donner le coefficient de puissance Cp (valeur max) de cette éolienne
Calculer la puissance Pvent portée par le vent à la vitesse nominale
Calculer le rendement de l’hélice ηh.
Etude du générateur associé à l’hélice
On utilise le schéma complet de l’aérogénérateur (hélice + alternateur) associé au redresseur et à la
batterie.
La batterie est constituée d'accumulateurs électrochimiques au plomb. La tension Vbat aux bornes de la
batterie (de 24 V) varie en fonction de son état de charge:
Vbat = 21V lorsque la batterie est complètement déchargée
Vbat = 29 V lorsque la batterie est chargée.
Avec le logiciel Psim 9, ouvrez le fichier dans intranet/ Serie2/AP2.3/ eolienne avec moteur pmsm 24v
psimsch. Enregistrer le fichier.
-
Placer sur le schéma les appareils, voltmètre et ampèremètre, pour mesurer la tension et le courant
à la sortie de l’alternateur.
Simuler le fonctionnement de l’éolienne en fonction du temps
Visualiser l’évolution du courant Ialt et de la tension Valt
Mesurer la durée de la recharge complète de la batterie en secondes. Exprimer cette durée en
heures
Modifier la durée de la simulation: double cliquer sur l’élément simulation control et régler final time
pour qu’il corresponde à la fin de la charge de la batterie
Simuler le fonctionnement. Afficher les courbes de la puissance électrique Pelec moy et du courant Ialt en
sortie de l’alternateur.
-
Mesurer la puissance fournie à la batterie au début et à la fin de la charge :
Rappel : P= Valt.Ialt.cosρ avec cosρ=0.8
-
Mesurer la puissance moyenne Pelec moy produite par l’alternateur en cliquant sur x
Relever la valeur mesurée de Pelec moy
Calculer le rendement moyen de l’alternateur
5.3
Bilan énergétique de l’éolienne
-
Calculer le rendement moyen de l’aérogénérateur (à la vitesse nominale)
-
Conclure sur l’intérêt d’utiliser une éolienne par rapport à du photovoltaïque (puissance fournie,
encombrement, rendement, utilisation etc.)
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Document ressource N°1 :
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Document ressource N°2 :
Vendre sa production d'énergie solaire à EDF
13 janvier 2010 : Attention, le gouvernement vient de changer les règles de rachat de
l'électricité issue des installations photovoltaïques. Voir en fin d'article et lire la circulaire du 1er
juillet 2010 relative aux tarifs d’achat de l’électricité photovoltaïque prévus par l’arrêté du 12 janvier
2010 et aux procédures d’instruction des dossiers.
Pour favoriser le développement et les investissements dans les énergie vertes, les Etats des pays
européens ont voté des lois qui obligent les opérateurs publics à racheter plus cher l'électricité
produite par les énergies renouvelables. L'énergie électrique produite par les panneaux solaires d'une
installation domestique peut ainsi être revendue quand l'habitation n'utilise pas toute l'électricité
produite.
Depuis le 1er juillet 2006, il est possible pour les particuliers comme pour les sociétés de vendre leur
production d'électricité verte à EDF ou à une régie locale de distribution d’électricité. Si vous
posséder des panneaux photovoltaïques, il vous est possible de revendre le surplus de production à un
prix avantageux, ce qui est une solution bien plus rentable que le stockage par batteries. Un contrat
sera établi pour une durée garantie de 15 ou 20 ans et le prix de rachat du kilowattheure que vous
produirez sera largement supérieur au prix public de l'électricité.
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Document ressource N°3 : Calcul du rendement d’une Eolienne
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