Rapport fin de Stage Installation photovoltaïque poulailler Installations et maintenances des panneaux photovoltaïque Projet réaliser par : * Ziane youcef * Barboucha Rafik * Boussaidi Adel DEDICACES On a le plaisir de dédier ce travail à : Notre Dieu qui nous a donné la santé, la force, le courage, la croyance, le soutien « malgré toutes les difficultés » pour être là aujourd’hui en train de vous présenter ce modeste travail. Tous nos ami(e)s et collègues, puisse ce travail vous exprime nos souhaits de succès, et nos sincères sentiments envers vous. Toutes les personnes qui nous reconnaissent et qui nous a aidé et a contribué à la réalisation de ce Travail. Remerciement Le présent mémoire est le fruit du travail réalisé dans la carde de notre stage de fin d’études visant l’obtention du diplôme technicien de montage et maintenance de panneaux photovoltaïques ,. Ce stage s’est déroulé à l’ entreprise industrielle publique avec éclairage public dans l'État de Blida mitidja inara . . Nos remerciements vont, tout d’abord, au Monsieur le Directeur OTHMANI ABDEALHAFID le directeur de mitidja inara ., ainsi au MME Bouchlaghem le chef du service technique pour leurs accueils chaleureux, leurs confiances et leurs aides précieuses apportées au cours de ce stage. Aussi, nous tenons à remercier l’ensemble de personnel qui nous a facilité les échanges et les conditions de travail durant notre stage. Nous exprimons aussi notre profond respect et nos remerciements chaleureux à tous ceux qui nous ont aidées de près et de loin à réaliser ce travail et plus particulièrement les électriciens de l’entreprise . Nous tenons à exprimer notre profonde gratitude à notre encadrant Monsieur A.BOUMEDJRIA, professeur à la CFPA BOUINAN , pour son orientation et ses conseils. Pour conclure, nous remercions tous les membres du jury ………………., Monsieur A.BOUMEDJRIA , …….. et Monsieur.AMALO, MME. CHAREF qui on nt bien voulu examiner ce Travail . Introduction général : L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Le terme photovoltaïque peut désigner soit le phénomène physique, l'effet photovoltaïque découvert par Alexandre Edmont Becquerel en 1839. Selon les estimations l’énergie rayonnée par le soleil représenterait chaque année 40 000 fois les besoins énergétiques que l'humanité consomme sous forme d'énergies fossiles. Malgré cela, l'énergie solaire reste un domaine assez peu exploitée. Néanmoins la prise de conscience collective en fait une énergie douce d'avenir (même si elle est connue et utilisée depuis des millénaires). Aujourd’hui le solaire photovoltaïque est en plein développement, on obtient un cumul de 1791 MWc en 2005 pour l’Europe (contre 1147 MWc en 2004). Le leader européen est l’Allemagne avec 1537 MWc. Sommaire 1 2 3 PRESENTATION DE LA ....................................................................................................4 SOCIETE 1.1 LE GROUPEMENT ...............................................................................................................4 1.2 LES ATOUTS DU .....................................................................................................4 1.3 LES PROJETS : 160 2011........................................................................................5 1.4 LES TECHNOLOGIES .............................................................................................6 LE PROJET TOITURE PHOTOVOLTAIQUE .........................................................9 . GROUPE MW D’ICI UTILISEES Poulailler Delorme 2.1 COLLECTIVITES LOCALES .............................................................................9 2.2 ERDF ....................................................................................................................................9 2.3 PLAN DE SITUATION ET .......................................................................................9 2.4 CARACTERISTIQUES DU .................................................................................... 11 2.5 FONCIER ............................................................................................................................ 13 2.6 LE CONTEXTE .................................................................................... 13 2.7 RACCORDEMENT AU RESEAU .................................................... 15 ET PUBLIC ETUDE DE PRODUCTION .......................................................................................... 17 REGIONALES CADASTRE BATIMENT ENVIRONNEMENTAL DE DISTRIBUTION D’ENERGIE 3.1 DONNEES METEOROLOGIQUE ........................................................................................... 17 3.2 CONFIGURATION DE LA .................................................................................... 18 CENTRALE 3.3 4 LA PROTECTION CONTRE ................................................................................... 20 4.1 5 SIMULATION DE .......................................................................................... 18 PRODUCTION LES LA PROTECTION CONTRE ................................................................................. 20 INCENDIES LA FOUDRE ASSURANCES ............................................................................................................................. ........ 20 Note de synthèse Adresse du projet Région : L’Arzellier 2 Surface globale : 680 m Situation géographique du projet Auverge Département : Haute Loire Communauté de communes : Loire Semène Commune : Saint Just Malmont Caractéristiques du terrain Surface utile estimée : 632 m2 Type d’installation : Intégré au bâtiment Caractéristiques du bâtiment : • • • Charpente Métallique Couverture : Bac Acier Isolation en sous pente Propriétair Etat de la M. Delorme pas Premiers avis administratifs : Situation foncière et administrative promesse de bail : Zone d’urbanisme : U signé La Mairie est très intéressée par le projet photovoltaïque et le Maire a donné son accord pour des champs solaires. Poste de raccordement de Firminy-Vert Faisabilité technique Potentiel : File d’attente : Distance 4 km Capacité : Environnement Contraintes environnementales : Plusieurs zones natura 2000 à proximité du projet. Potentiel solaire et photovoltaïque 40MW 5MW 35MW Solution technique : Intégré au bâtiment 1300 kWh/m²/an Puissance estimée : 91 MWc Energie produite : 105 MWh/an Energie Spécifique : 1160 kWh/kWc/an Irradiation globale horizont. Autres remarques : 1 PRESENTATION DE LA SOCIETE 1.1 LE GROUPEMENT Le groupement dispose de l’expertise de 300 personnes du domaine de l'ingénierie solaire et de la construction d'ouvrages complexes. 1.2 LES ATOUTS DU GROUPE Le Groupement s’engage à : Mettre en œuvre toutes les diligences requises en vue d’obtenir les autorisations administratives nécessaires à la réalisation et à l’exploitation de la centrale photovoltaïque. Effectuer toutes les démarches auprès des Services de l’Etat pour l’obtention des autorisations dès la signature de la promesse de bail. Construire la centrale photovoltaïque dès l’obtention des autorisations administratives libérées de tout recours. Prendre en charge le financement du projet dans son ensemble. Assurer l’exploitation et la maintenance de la centrale solaire. Démanteler la centrale solaire en fin d’exploitation et remettre le site en l’état si le propriétaire du terrain ne désire pas garder la centrale. Le Groupement propose une solution clés en main pour parc au sol ou toiture : Exploitation : démarches d’études, administratives et d’installation ; Construction ; Financement. Nous effectuons une analyse comparative des technologies et solutions solaires. Le groupement prépare de nouvelles filières dans les EnR en 2010-2012. 1.3 LES PROJETS: 160 MW D’ICI 2011 1.4 LES TECHNOLOGIES UTILISEES L’électricité produite par la centrale photovoltaïque est injectée en totalité sur le réseau public de distribution et comptabilisée par un compteur de production installé par EDF. L’électricité est achetée, dans le cadre de l’obligation d’achat, à un tarif fixé par l’Etat. Avantages du photovoltaïque : Le soleil est une source d’énergie renouvelable et gratuite ; Technologie fiable même sur le long terme ; Fonctionnement silencieux ; Aucune émission polluante ; Généralement couvert par l’assurance multirisque habitation ; Durée de vie des panneaux supérieurs à 20 ans. LES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES - Le groupement a des accords avec différents fabricants de panneaux solaires photovoltaïques. Ceci, permet au groupement d’avoir accès à un panel de technologies variées et d’optimiser la rentabilité des projets. Pour chaque projet, nous étudions la meilleure solution technique et financière pour obtenir la plus grande production d’énergie possible au meilleur coût. Les technologies que nous utilisons sont les suivantes : Silicium monocristallin : coûteux, rendement 15% ; Silicium polycristallin : moins coûteux, rendement 12% ; Silicium amorphe en couche mince : bon marché, rendement 5 à 9%, efficace même en rayonnement diffus ; CdTe (cadmium – tellure) en couche mince : moins onéreux, rendement 10% ; CIGS (cuivre – indium – gallium – sélénium) en films minces : rendement 9 à 13%. Module monocristallin Module polycristallin Module CIGS Société Origine Technologie Sunpower First Solar Unisolar Nanosolar Solarfun Yingli Suntech Photowatt Q Cells Américaine Américaine Américaine Américaine Chinoise Chinoise Chinoise Française Allemande Silicium monocristallin Cadmium - Tellure Silicium amorphe Cuivre Indium Gallium Sélénium Silicium électronique Silicium électronique Silicium mono ou poly cristallin Silicium métallurgique Silicium mono ou poly cristallin LES DIFFERENTS TYPES DE FIXATIONS Système fixe : Ce système de montage fixé au sol par des pieux permet d’implanter jusqu’à 1 MWc sur 2 hectares. La hauteur des panneaux par rapport au sol ainsi que leur inclinaison est modulable en fonction des caractéristiques et de la situation du terrain. Système de trackers : Conçus pour pivoter sur un seul axe, les trackers T20 de Sunpower suivent le soleil tout au long de la journée ce qui permet de capter jusqu’à 30 % d’énergie solaire en plus par rapport aux systèmes à inclinaison fixe conventionnels. Leur ancrage sur des blocs bétons préfabriqués ne nécessite aucun forage du sol, réduisant ainsi l’impact sur l’environnement. Ce système permet d’implanter jusqu’à 1 MWc sur 3, 5 hectares. 2 LE PROJET TOITURE PHOTOVOLTAIQUE Poulailler Delorme 2.1 COLLECTIVITES LOCALES ET REGIONALES - Région : Auvergne Département : Haute Loire Communauté de Communes : Loire Semène 2.4 CARACTERISTIQUES DU BATIMENT Le poulailler de Monsieur Delorme fait une surface de 2 700m et dont les dimensions sont ci dessous : Largeur : 8.50 m Longueur : 80m La pente qui corresponde au projet est celle de sud –ouest et l’orientation est 30° par rapport au sud. La couverture du bâtiment est en bacacier et le type de charpente métallique La toiture est constituée de fibro ciment Isolation : L’isolation du bâtiment est en sous pente : • • • Isolation d’air de 250 mm Isolation de 30mm classé au feu Isolation de 90 mm de laine de roche avec vapeur coté élevage Accès : Le site est accessible par l’extérieur à partir de la route de Saint Just Malmont. - A l’intérieur le bâtiment a des halles qui permettent l’accès aux différentes extrémités du poulailler. De plus, le bâtiment compte avec une voie de circulation autour. 2.5 FONCIER Le bâtiment appartient à Monsieur Jean DELORME, Propriétaire Privé. Une promesse de bail sera signée entre Mr Delorme et la société NewSolar. Le loyer proposé au propriétaire est d 2€/m2 soit une superficie de 680m2 un loyer annuel de 1360 euros par an à compter du raccordement EDF. 2.6 LE CONTEXTE ENVIRONNEMENTAL Il n’existe aucune protection réglementaire au titre de la nature ou du paysage sur la commune de Saint-Just-Malmont. On constate toutefois la présence de sites Natura 2000, ZNIEFF type I et II, et du parc Naturel Régional du Pilat à quelques kilomètres de la commune comme le montre les cartes suivantes, mais aucun site protégé n’est mitoyen aux parcelles du projet : Carte de localisation de site Natura 2000 en périphérie du projet photovoltaïque Deux sites Natura 2000 les plus proches du projet sont : • Un SIC : « Gorges de la Loire » ; ce site est situé à environ 8.7 km par sa partie la plus proche au ouest du projet. • Un SIC « Valle de l’ondeon Contreforts Nord du Pilal », ce site se situe à environ 7.8 km par sa partie la plus proche au nord-est du projet. Carte de localisation Parc Naturel du « Pilat » en périphérie du projet photovoltaïque Carte de localisation ZNIEFF type I et II en périphérie du projet photovoltaïque Différentes sites ZNIEFF se trouvent à proximité du projet toiture photovoltaïque. Les plus proche est la ZNIEFF de type I »La valle du val-cherie » qui se situe à moins de 7km par l’est. Risque d’incendie: Grâce au montage d’isolation du poulailler, le risque d’incendie du aux possibles courts circuits ou échauffement des circuits électriques est assez faible. Cette isolation permet aussi une bonne ventilation des panneaux photovoltaïques. La température à l’intérieur est de maximum de 33°C L’intérieure se trouve constamment en dépression par une extraction d’air mécanique et dynamique. Les extracteurs mécaniques se trouvent à l’opposé des entrées d’air Ce système évite tout risque de stagnation, stockage ou d’accumulation d’acide ou de vapeur nocive qui peuvent soit incommodé l’élevage ou détérioré les panneaux photovoltaïques. Il est nécessaire de savoir que les déjections des volailles émettent un peu d’acide à l’état gazeux. RECYCLAGE: UN DÉVELOPPEMENT DURABLE PV Cycle est une association crée en Juillet 2007. Leur but est de créer un programme de recyclage des modules photovoltaïques. En effet, des 2015, on assistera aux fins de vie des premiers modules installés. Cela permettra de réduire le volume des déchets issus du photovoltaïque, d’augmenter la revalorisation des ressources telles que le verre, le silicium et d’autres matériaux semi-conducteurs. 2.7 RACCORDEMENT AU RESEAU PUBLIC DE DISTRIBUTION ETUDE DE FAISABILITÉ ERDF Une étude de faisabilité pour une puissance de 100 KW sera demandée à ERDF afin d’avoir une première idée de la solution de raccordement. Selon la carte RTE, le poste source le plus proche est celui de Firminy-Vert, qui se situe à vol d’oiseau à 3,5 km et environ 4 km par les routes. Potentiel de raccordement du poste source de Firminy-Vert à la date du 07/05/2010 : - Potentiel de raccordement du réseau public de transport : 40 MW - Volume des projets en file d’attente par poste électrique : 5 MW Capacité théorique d’accueil : 35 MW U n e l i g n e d e 2 0 K v p a sse par le terrain de M. Delorme ce qui faciliterait le raccordement au réseau électrique ERDF L’étude auprès d’ERDF permettra de confirmer s’il est possible de s’y raccorder. C’est sans doute plutôt un poste de livraison et non d’injection. PROPOSITION TECHNIQUE DE RACCORDEMENT Une proposition technique et financière (PTF) du raccordement électrique de la centrale au réseau public sera demandée auprès du gestionnaire de réseau de distribution d’électricité une fois le design final de la centrale connu. Cette étude donnera la solution définitive de raccordement pour le projet de centrale photovoltaïque. 3 ETUDE DE PRODUCTION D’ENERGIE 3.1 DONNEES METEOROLOGIQUE Les données météorologiques utilisées sont les données météo du logiciel Météonorm. A partir des stations météo à savoir notamment Le Puy-en-Velay, Saint-Etienne et Montélimar, Météonorm a extrait les données météo suivantes: L’irradiation globale dans le plan horizontal est prise égale en moyenne à 1.300 kWh/m²/an. Le graphique ci-dessous indique le cumul d’énergie reçue, réparti entre rayonnement direct et diffus sur les 12 mois de l’année. 3.2 CONFIGURATION DE LA CENTRALE Modules PV Marque : Suntech Type de cellule : Si-mo Nombre de modules : 504 Modèle : XTP 180-34 Puissance : 180 Wc Puissance totale : 91 KWc Azimut : 30° Inclinaison : 25 ° Onduleurs : Marque : SMA Puissance nominale : 11 kW Puissance nominale totale : 88 kW Modèle : sunny mini central 11000 TL Nombre d’onduleurs : 8 Ratio de puissance : 96.7 % 3.3 SIMULATION DE PRODUCTION Les logiciels de simulation PVsyst et PVsol sont des programmes de conception et de simulation pour les centrales photovoltaïques. Ils permettent de faire une estimation de la production et d’optimiser la configuration de la centrale (inclinaison, ombrages, …) pour obtenir un productible optimum. Indice de performance : 84.8 % Energie spécifique : 1160 kWh/kWc/an Energie produite : 105 MWh/an Surface utile : 632 m2 Production normalisée : Diagramme solaire – ombres portées : D’après les simulations sous le logiciel PVsyst l’énergie produite par la centrale est estimée à 105 MWh par an, soit 1160 kWh/kWc. En considérant qu’en moyenne un foyer consomme 2 500 kWh par an d’électricité spécifique (source INES), cette production équivaut à la consommation d’électricité de 42 foyers. La centrale permettra donc d’éviter l’émission de 9.33 tonnes de CO2 par an, ou encore évitera la production annuelle de 0.35 kg de matières hautement radioactives. 4 LA PROTECTION CONTRE LES INCENDIES Lorsque l’on intervient sur une installation photovoltaïque pour éteindre un incendie, il existe un risque d’électrocution tant que les modules sont exposés à un rayonnement solaire suffisamment puissant. Les incendies sur les installations photovoltaïques doivent être éteints exclusivement à l’aide de mousse destinée aux installations électriques basse ou moyenne tension. Un dispositif de sectionnement est installé du côté courant continu de l’onduleur mais également en aval. 4.1 LA PROTECTION CONTRE LA FOUDRE Les installations photovoltaïques peuvent être endommagées par la foudre les touchant directement, mais également par la foudre tombant à proximité en créant des tensions et des courants qui engendrent des champs électriques et magnétiques. Il est effectivement judicieux de protéger contre le foudre tant les installations que les bâtiments. Toutefois, la meilleure protection contre le foudre ne dispense pas de contracter une assurance. Il existe deux systèmes complémentaires pour protéger un bâtiment et son installation photovoltaïque : une protection extérieure et une protection intérieure. Le but de la protection extérieur est de capter les impacts directs de la foudre et de détourner le courant généré vers les circuits et les dispositifs de mise à la terre. La protection intérieure permet de réduire le danger dû aux surtensions dans les bâtiments. 5 ASSURANCES Dans la mesure où l’investissement est relativement important, une protection contre tous les risques de la centrale photovoltaïque est fortement recommandée. Celle-ci doit comprendre à la fois une assurance sur le matériel (pour les dommages causés à l’installation par une action (extérieure), une assurance pour perte d’exploitation et une assurance responsabilité civile (pour les dommages causés par l’installation sur des tiers). Chapitre 2. l’énergie photovoltaïque Chapitre 2. l’énergie photovoltaïque Résumé Le deuxième chapitre de ce rapport a pour but de présenter l’énergie photovoltaïque à travers le principe de fonctionnement d’une cellule solaire, ses caractéristiques les champs de modules et les panneaux solaires Plan du chapitre II : ➢ Introduction II. Energie photovoltaïque III. Modules photovoltaïques et champs de modules IV. Panneaux solaires photovoltaïques 18 Introduction Le développement de l’exploitation des énergies renouvelables a connu une forte croissance ces dernières années. La production d’électricité par des sources d’énergie renouvelables offre une plus grande sûreté d’approvisionnement des consommateurs tout en respectant les normes écologiques de l’énergie. Le caractère renouvelable d’une énergie dépend de la vitesse à laquelle la source se régénère, mais aussi de la vitesse à laquelle elle est consommée. I. Energie photovoltaïque Un système Photovoltaïque (PV) est destiné à satisfaire un besoin d’énergie électrique selon des conditions spécifiques d’exploitation. Il est généralement constitué d’un générateur photovoltaïque, d’un système de stockage, de source auxiliaire d’appoint (groupe diesel, aérogénérateur, réseau, etc.….), des systèmes d’interface (convertisseurs, réseau, etc..) d’un système de control et de commande (système de surveillance, armoires électriques, cartes électroniques..) et d’une utilisation courant un usage déterminé. Cet usage (éclairage, réfrigération, pompage, communication,…) est exploité dans divers secteurs (santé, éducation, agriculture, énergie…). La topologie d’un système PV est déterminée selon d’une part la nature de l’utilisation (nombre de récepteurs, contrainte d’exploitation, sécurité énergétique,..) et d’autre part des considérations technico-économiques prenant en compte aussi bien le rendement énergétique que la taille de l’investissement. La partie principale dans ces installations est le générateur photovoltaïque. Il est composé de divers modules formés par une association série-parallèles de cellules élémentaires convertissant l’énergie solaire (sous formes de rayonnement) en une énergie électrique. Une cellule peut produire 1.5w pour un ensoleillement de 100W/m2 avec une tension de 0.6V. Un module de 36 cellules produit une puissance moyenne de 40 à 50W et 19 occupe une surface de 0.5m² environ. Le rendement énergétique moyen est de l’ordre de 12 à 15% est a atteint pour une phase de recherche 30%. I.1 La cellule solaire I.1.1 Principe de fonctionnement L’absorption d’un photon par un semi-conducteur donne naissance à une paire d’électron trou lorsque son énergie est supérieure à celle de la largeur de la bande interdite du matériau. Le champ électrique interne à la jonction, entraîne alors le trou vers la région P et l’électron vers la région N. Par tapage du semi-conducteur de région de type P et de type N par les atomes phosphore et bore; la cellule solaire est donc une jonction P-N avec des diverses parties représentées sur le schéma de la figure suivante : Figure 2.Fonctionnement d’une cellule solaire 20 Figure 3. Cellule photovoltaïque Lorsqu’un photon vient frapper la zone de transition, il arrache un électron à l’atome de silicium qui va se déplacer du coté N. tandis que le « trou » ainsi crée par cet arrachement va se déplacer du coté P. Il apparaît ainsi aux bornes du dispositif, une différence de potentiel. Si on ferme la cellule sur un circuit extérieur, un courant circule. La cellule qui se comporte comme une pile sensible aux photons (c.à.d. à la lumière) s’appelle des photopiles, Le défaut principal des photopiles reste la limitation de leur rendement. Il est de l’ordre de 12% pour une cellule de silicium monocristallin. Plusieurs phénomènes entrent en ligne de compte dans cette limitation du rendement, mais les deux principaux sont les suivants : Non absorption des photons peu énergétiques (infrarouge) Utilisation partielle de l’énergie de photons très énergétiques (ultraviolet) La part de cette énergie qui n’est pas employée est dissipée dans le matériau sous forme de chaleur. Une cellule photovoltaïque représentée par sa caractéristique I=f (V) peut être schématisée par ce schéma : I CC V Vc0 Figure 4. L’allure de la caractéristique Courant tension d’une cellule PV au silicium 21 Vco : tension dans le cas de circuit-ouvert. Icc : courant dans le cas de court-circuit. La caractéristique électrique d’une diode est régie par : Vd I D I s (eV 1) T Vd Le courant dans une cellule PV est donnée par : I p I ph I D I ph I s (eVT 1) Ip ID Iph Vp Figure 5. Modèle équivalent d’une cellule PV au silicium. Ip : courant fournie par une cellule (A). Iph : la photo courant (A). ID : courant diode (A). Is : Le courant inverse de la jonction PN. Vp : tension aux bornes de la cellule (V). VD : : tension aux bornes de la diode Vt=K.T/q : Potentiel thermique. q : la charge électrique élémentaire (C). k : la constante de Boltzmann, k= 1.38 10-23j/°k. T : la température en °K. 22 I.1.2 Caractéristique I= f (V) d'une cellule photovoltaïque Si une impédance de charge non nulle et non infinie est placée aux bornes de la cellule, on se trouve dans un cas intermédiaire entre le court-circuit et le circuit ouvert. Le photo courant va se distribuer entre cette charge extérieure (courant I) et la diode (courant ID). Il en résultera une tension de travail (de polarisation) V inférieure à Vco. La caractéristique courant - tension de la cellule photovoltaïque se met alors sous la forme : I (V) = Iph - ID (V) (1) Soit I (V ) (T ) S (T ) S exp( e(V Rs I ) avec Rs : résistance série en Ohm. n : coefficient d’idéalité de diode. ) 1 nkT (2) Le second terme dans ces expressions est l'équation classique du courant d'une diode de surface S polarisée à la tension V soit ID(V), (α (T) et β(T) étant des coefficients caractéristiques de la jonction et fonction de la température. Sous une irradiante et une température T données. La caractéristique courant-tension de la cellule photovoltaïque est parfaitement définie. La figure 6 donne cette caractéristique théorique pour une cellule en Si monocristallin de 100 mm de diamètre à 25°C et sous l'irradiante de référence de 1 kW.m-2. 23 Figure 6. Caractéristique I= f (V) d'une cellule photovoltaïque On remarque que la caractéristique I (V) correspond à la soustraction de deux courbes, courbe [a] : Iph (V) courbe [b] : ID (V), ce qui traduit bien les équations (2) et (3). Le courant ➢ extrait de la cellule photovoltaïque est donc fonction de la tension de travail V de la cellule. Cette tension étant elle-même fixée par l'impédance sur laquelle est fermée cette cellule. Modules photovoltaïques et champs des modules La tension générée par une cellule photovoltaïque au silicium mono ou multi cristallin, fonctionnant au point de puissance maximale sous l'éclairement de référence de 1kW.m-2, est de l'ordre de 0,55 V et le courant est fonction de la surface de la cellule. Il convient donc de grouper en série et parallèle des cellules élémentaires pour adapter tension et courant en fonction des contraintes de la charge à alimenter. 24 Il est important de noter dès à présent que la caractéristique courant-tension d'un groupement de cellules photovoltaïques, qu'elles coupent, sera directement homothétique de la courbe I (V) d'une cellule de base. Il en sera de même pour tout le réseau de caractéristiques. En conséquence, tout ce qui a été dit pour une cellule individuelle restera valable pour un groupement. II.1 Module et groupement de cellules en série La tension générée par une cellule étant très faible, il faudra dans la majorité des cas associer en série un certain nombre de cellules pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter. C'est ce qui est réalisé dans un module photovoltaïque, où les cellules sont positionnées sous forme d'une guirlande dont les deux extrémités sont ramenées vers une boite de connexion. Les électrodes supérieures d'une cellule sont connectées à la face arrière de la cellule suivante. La figure 7 donne le schéma d'un module fermé sur sa résistance optimale R’. Figure 7. Schéma d’un module fermé d’un groupement des cellules en série 25 Figure 8. Caractéristique I (V) d’un groupement des cellules en série On constate immédiatement sur cette figure, correspondant à la mise en série de Ns générateurs de courant, que le courant généré par les cellules est le même dans toute la branche ainsi que dans la charge. Une première règle est donc qu'il ne faudra connecter en série que des cellules identiques. La figure 8 présente la courbe de courant-tension du groupement ainsi réalisé. La courbe est la caractéristique de l'une des Ns cellules du groupement série. La caractéristique du groupement (G) est obtenue en multipliant point par point et pour un même courant, la tension par Ns. Fermé sur l'impédance R', le groupement série délivrera le courant I sous la tension Ns Vi. Chacune des Ns cellules générant ce courant I et la tension Vi. La construction graphique de la figure 8 suppose que la connexion en série des cellules n'introduit pas de résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L'impédance optimale pour le groupement série est Ns fois plus grande que l'impédance optimale pour une cellule de base. II.2 Groupement de cellules ou modules en parallèle Il est possible d'augmenter le courant fourni à une charge en plaçant en parallèle plusieurs cellules ou modules photovoltaïques comme indiqué sur la figure 9. Sur cette figure, les générateurs de courant représentent soit des cellules individuelles, soit des cellules en série (modules), soit des modules en série (branches). On constate dans ce cas que c'est la tension générée qui est la même pour toutes les cellules (ou tous les modules ou toutes les branches). 26 Figure 9. Schéma d’un module fermé d’un groupement des cellules en parallèle Figure 10. Caractéristique I (V) d’un groupement des cellules en parallèle La deuxième règle est donc qu'il ne faudra connecter en parallèle que des cellules des modules, ou des branches identiques. La figure 10 présente la courbe de puissance résultante (G) pour le groupement parallèle considéré. Cette courbe est obtenue en multipliant point par point par Np (nombre d'éléments en parallèle) et pour chaque valeur de la tension, le courant de la courbe correspondant à une cellule élémentaire fermé sur une résistance R", le groupement parallèle délivrera le courant NpIi sous la tension V, chacune des Np branches en parallèle générant le courant Ii. La construction graphique de la figure 10 suppose que la connexion en parallèle n'introduit pas 27 des résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L'impédance optimale pour le groupement parallèle est Np fois plus faible que l'impédance optimale pour une branche. II.3 L’unité Kilowatt crête (kWc) = Puissance dans des conditions standards La puissance crête d’un système photovoltaïque correspond à la puissance électrique délivrée par ce même système dans des conditions standards d’ensoleillement (1000 W/m²), de température (25°C) et de standardisation du spectre de la lumière. Ex: un module de 200 Wc est un module qui produira une puissance électrique de 200 W si on le place sous en ensoleillement de 1000 W/m². n Panneaux solaires photovoltaïque III.1 Intérêt des panneaux solaires photovoltaïques mobiles par rapport aux panneaux fixes III.1.1 Calcul d’énergie produite par des panneaux photovoltaïques fixes « 1 kwc » à l’inclinaison optimale (a) Position du soleil Dans cette partie, je vais m’intéresser à la position relative du soleil par rapport à un observateur placé dans un point sur la terre. Chaque point de la terre est repéré par deux angles : Latitude : φ l’angle entre le point et le plan équatorial, qu’on spécifie si elle est vers le nord ou vers le sud. Longitude : λ angle par rapport au méridien de Greenwich, on précise à chaque fois si elle est à l’est ou à l’ouest du référence. 28 Figure 11. Les repères d’un point de la terre Exemple : Kenitra se situe à une latitude : 31°02'N et longitude : 06°48'E. Supposons un observateur ( A) placé dans un point sur la terre (sur l’hémisphère Nord), traçons le plan tangent et plaçons les différentes directions : Est, Ouest, Nord et Sud. 29 Figure 12. Position du soleil Alors on peut déterminer la position du soleil par rapport à l’observateur à l’aide des deux angles: L’azimut solaire : l’angle que fait le plan vertical du soleil avec le plan méridien du lieu. On le mesure à partir du Sud, vers l’Est ou vers l’Ouest (0° pour le Sud, 180° pour le Nord). Les lignes verticales du diagramme figurent les angles azimutaux de 10° en 10°. La hauteur du soleil (élévation) : l ‘angle que fait la direction du soleil avec le plan horizontal. 30 Figure 13. L’azimut et hauteur du soleil Remarque : l’azimut est parfois mesuré à partir du nord (suivant les conventions) Pour automatiser les calculs des angles -Elévation et Azimut- pour chaque instant, on va utiliser le fichier Suntracker.m (fichier Matlab) Description : Une fois le fichier est dans le répertoire du travail on lance le script à l’aide de la fonction principale : Suntracker 31 Figure 14. Suntracker 1 On choisit le type d’analyse voulu : 1 pour journalier et 2 pour annuel. Exemple : annuel Figure 15. Suntracker 2 On choisit la latitude du lieu(en degré) : 32 Figure 16. Résultat annuel Les résultats affichés sont sous forme de graphe en fonction des jours et montrent : La variation d’angle d’azimut balayé en fonction du jour. La variation d’angle d’élévation du soleil en fonction du jour. La variation du nombre d’heure d’ensoleillement en fonction du jour Les points maximum d’élévation et d’azimut, et le nombre d’heure d’ensoleillement maximal Dans le cas où on choisit le premier choix : journalier On insère la latitude et le numéro du jour dans l’année pour retrouver les résultats sous formes de graphes de variation des angles caractéristiques du soleil en fonction des heures du jour(en hour angle) : 33 Figure 17.résultat journalier Remarque : Pour les coefficients d’élévation et d’azimut, ils correspondent à la somme des cosinus d’angle d’incidence dans le cas où on suit seulement l’élévation ou l’azimut, ils ne sont pas vraiment significatifs à cause de la présence de plusieurs facteurs qui influencent la trajectoire des rayons solaires et donc la puissance acquise 34 L’analyse m’a permis de trouver la valeur maximale de l’angle d’élévation du soleil durant toute l’année qui est de 80°. Pour vérifier les résultats obtenus on a comparé les résultats à : NOAA Solar Calculations (site international qui calcule la position du soleil pour chaque région ) pour le jour 34 qui correspond au 03/02/2014 et on a trouvé. Tableau 3.l’angle d’élévation q Calcul d’énergie : Les données d’entrée pour calculer l’énergie produite sont les suivantes : L’énergie incidente annuelle sur un plan horizontal par région géographique, H exprimé en kWh/m². 35 Figure 18: énergie incidente H Un Facteur de Transposition FT, sans unité mais dépendant de l’orientation et de l’inclinaison des modules, qui, appliqué à l’énergie incidente horizontale, permet d’évaluer l’énergie incidente annuelle dans le plan des modules. FT = Hi,inclinison, orientation/Hi,horizontal,sud Hi,inclinison, orientation : Énergie incidente dans un plan incliné Hi,horizontal,sud : Énergie incidente dans un plan horizontal Tableau 4: Facteur de Transposition FT la puissance crête du système photovoltaïque P0 exprimée en kWc 36 l’indice de performance ou ratio de performance Rp qui dépend principalement du type de mise en œuvre des modules et de la qualité du dimensionnement des composants du système. Il dépend : Du système de conversion DC/AC, De la température réelle de fonctionnement des modules, Du type d’intégration des modules dans le bâtiment. Dans ce dernier cas, on peut distinguer différents types d’intégration en fonction de la catégorie de ventilation des modules : à Non ventilés ou isolées (tout type d’intégration) à Ventilé ou faiblement ventilés (pose sur toiture) à Très ventilés ou ventilation forcée (pose sur toiture terrasse, brise soleil) Les valeurs prises dans la méthode de calcul sont : Tableau 5. Valeurs de Rp L’estimation de l’énergie annuelle produite par le système photovoltaïque, Epv, est donnée par le produit de ces valeurs soit : Epv= H. FT . P0. Rp Remarque : On peut calculer l’énergie produite en utilisant le site suivant : http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=en&map=africa# Exemple : kenitra « 1 kwc » 37 Tableau 6. Les valeurs d’énergie produite dans le cas des panneaux fixes[6] Ed: Moyenne quotidienne d’énergie produit (kWh). Em: Moyenne mensuelle d’énergie produit (kWh). Hd: Moyenne quotidien moyen de l'irradiation globale (kWh/m2). Hm: Moyenne mensuelle moyen de l'irradiation globale (kWh/m2). Donc l’énergie produite par un photovoltaïque de 1 kwc dans la région kenitra sera 1640 kwh III.1.2 Calcul d’énergie produite par des panneaux photovoltaïques mobiles : Au niveau de la production électrique, un suiveur à un seul axe garantit une augmentation de la production électrique par rapport aux panneaux fixes d’au minimum 36 % . Exemple : kenitra 38 Tableau 7. les valeurs d’energie produite par des panneaux de 1 kwc dans le cas d’un suiveur[6] La nouvelle energie anuelle produite sera 2290 kwh . Les modules photovoltaïques placés sur un suiveur de soleil ont un rendement énergétique qui augmente de manière appréciable par rapport aux installations fixes. Le suiveur de soleil proposé offre un suivi de la trajectoire du soleil suivant un axe motorisé et un axe saisonnier manuel. Ils engendrent ainsi une augmentation de la production moyenne d’électricité de l’ordre de 35%. 39 III.2 Présentations comparées pour un système de 1 kWc fixe et avec suiveur Au cours d’une journée complètement ensoleillée, un système de 1 kWc bien orienté, produit 5,5 kWh d’énergie, alors que le même système avec suiveur, dans les mêmes conditions d’ensoleillement, produit 11 kWh d’énergie. Figure 19. Ddiagramme de comparaison entre la production avec suiveur et la production avec système fixe 2017-2019
