ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE -1- TABLE DES MATIERES I- INTRODUCTION II- LE RAYONNEMENT SOLAIRE. 21 : Concepts de base. 211 : Energie et puissance. 212 : Le rayonnement solaire. 213 : Air masse et constante solaire 22 : Effets géométriques. 221 : Variations horaires et saisonnières. 222 : La fenêtre solaire. 223 : Orientation des modules. 23 : Effets atmosphériques. 24 : Spectre solaire. 241 : Diagramme Longueur d'onde/Energie 242 : Effets de l'atmosphère. 243 : Sensibilité des matériels solaires avec le spectre solaire. 25 : Types de modules solaires 251 : Modules fixes. 252 : Système avec poursuite solaire - Positionnement dynamique. 253 : Modules sous concentration. 26 : Rayonnement solaire. 261 : Données météo. 262 : Notion de "Heures de puissance crête". III-LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES 31 : Réponse d'une cellule solaire. 311 : L'effet photovoltaïque. 3111 : Historique et état actuel. 3112 : Rappel sur les propriétés des semi-conducteurs. 3113 : Rendement max théorique - rendement réel. 3114 : Schéma équivalent d'une cellule solaire *) Schéma équivalent simplifié. *) Schéma équivalent a) Courant de court-circuit (Isc) b) Tension en circuit ouvert c) Point de puissance maximale d) Résistance série e) Résistance shunt. 312 : Caractéristique courant/tension (I/V). 313 : Point de fonctionnement et charge. 314 : Variation due à l'énergie incidente. 315 : Variation due à la température 3151 : Notion de NOCT. 3152 : Facteur de correction de température. 316 : Performance d'une cellule solaire. 3161: Le rendement. *) Variation du rendement avec la température. 3162 : Le facteur de forme. -2- 3163 : Module solaire Si cristallin et Si amorphe. 31631 : Si cristallin et Si amorphe. 3164 : Autres technologies. 32 : Procédés de fabrication. 321 : Procédé Czochralski. 322 : Procédé ruban. 323 : Procédé dendrites. 324 : Méthode de coulage des lingots. 325 : Procédé couche mince:silicium amorphe hydrogéné. 33 : Notion de cellule, module, panneau solaire, système solaire. IV- LE GENERATEUR SOLAIRE. 41 : Les modules solaires en série. 411 : Modules identiques. 412 : Modules non identiques. 42 : Les modules en parallèle. 421 : Modules identiques. 422 : Modules non identiques. 43 : Le panneau photovoltaïque. 44 : Diodes de protection. 441 : Diodes de blocage. 442 : Diodes by-pass. 45 : Spécification des performances d'un module solaire. 451 : Conditions imposées. 452 : Spécifications des constructeurs. 46 : Fiabilité du module (test). 47 : Choisir un panneau solaire. 471 : Critères de sélection. 472 : Exemples. V- LES COMPOSANTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE. 51 : Définition du système : 52 : Les récepteurs électriques ou charges électriques. 53 : Les systèmes de stockage. 531 : La batterie. 5311 : La capacité. 5312 : Rendement faradique ; Rendement en tension. 5313 : Profondeur de décharge maximum. 5314 : Durée de vie. 5315 : Influence avec la température. 5316 : Taux de charge/décharge. 5317 : Taux d'autodécharge. 5318 : Densité. 5319 : Taille, poids et nature. 53110 : Coût. 53111 : Sécurité. 532 : Critères de sélection d'une batterie. 533 : Spécification et données d'un constructeur de batterie. 54 : Le régulateur. 541 : Les différents types de régulateurs. Régulateur SERIE. -3- Régulateur SHUNT. Régulateur à commande séquentielle. 55 : Onduleurs. 551 : Onduleurs isolés. 552 : Onduleurs synchrones. 553 : Onduleurs des pompes solaires VI- LE DIMENSIONNEMENT. 61 : La procédure de dimensionnement. 62 : Le pré dimensionnement. 621 : Module solaire 622 : Batterie. 63 : Dimensionnement des installations PV couplées réseau sans batterie de stockage. 64 : Di A O ou dimensionnement assisté par ordinateur. 641: SIZEPV 642 : PV Designer 643 : PVSYST 644 : DIMSOL et SOLHYBRI (logiciel France Telecom) 645 : Conclusion VII - CABLAGE. 71 : Les normes électriques. 72 : Les fils électriques. 73 : Taille des conducteurs électriques. 731 : Chute de tension. 732 : Courant de surcharge, de court-circuit, pouvoir de coupure. 74 : Notion de connectique électrique adaptée aux systèmes PV. Notion de corrosion électrochimique 75 : Mise à la terre – Plan de masse 751 : Conformité avec la norme. 752 : Courant de fuite. 76 : Protection contre les surtensions atmosphériques. 761 : Généralité. 762 : Mise à la terre. 7621 : Exemple : Station Telecom 763 : Parafoudres - Eclateurs - Varistances - Diodes. 77 : Les instruments de contrôle. 771 : Les matériels VIII - LA MAINTENANCE 81 : Maintenance et sécurité 82 : La maintenance 821 : Le câblage 822 : Le module solaire *) inspection visuelle *) mesure électrique 823 : La batterie. *) batterie étanche -4- *) batterie fermée 824 : L’électronique *) le régulateur *) les appareils électriques. 83 : Cas d’école d’une installation défectueuse. Jeu questions/réponses entre moniteur et stagiaire IX - PROGRES A ATTENDRE 91 : Nouveau matériau et procédé de fabrication des modules solaires 92 : Nouvelles formes de stockage X – TP Annexe I : Fiche technique du module solaire SHELL SM55 Annexe II : Accumulateur tubulaire plomb ouvert Hawker Annexe III : Guide d’exploitation des batteries Pb ouvert à plaques tubulaires positives Annexe IV : Technical manual batteries Ni-Cd SUNICA SAFT Annexe V : Données ensoleillement pour la France valeurs non garanties. Annexe VI : Arrêté du 13 mars 2002 Annexe VII : Exemple de données météo pour Nantes tirées de Météonorm et des données NASA Annexe VIII : Surface solar energy data set : Bretagne/Normandie. -5- I - INTRODUCTION. Les chapitres suivants: - Le rayonnement solaire. - Les cellules solaires. - Le générateur solaire. - Les composants d'un système PV. - Le dimensionnement. - Les notions de câblage et montage. - La maintenance. - Les perspectives. seront étudiés dans le cours. Les systèmes hybrides à savoir : PV/éolien. - PV/groupe électrogène. - PV/éolien/GE ne sont abordés que très succinctement. Pour l’énergie solaire PV couplée au réseau électrique, seuls les textes réglementaires français seront abordés. Ne sont pas abordés les différentes méthodes de calcul de transformation de l’énergie radiative du soleil du plan horizontal au plan incliné. -6- II- LE RAYONNEMENT SOLAIRE. 21 : Concepts de base. 211 : Energie et puissance. L'énergie correspond à une certaine aptitude à faire un certain travail; elle s'exprime en KWH ou en Joule. La puissance = Energie Temps elle s'exprime en Watt ou KW 212 : Le rayonnement solaire. Le soleil est une source d'énergie énorme. A un instant donné, l'énergie solaire à la surface 17 de la terre peut atteindre environ 1,2 10 Watts. 3 1 KW = 10 W 6 1 MW = 10 W 9 Pyranométre Kipp & Zonen constitué de 100 1 GW = 10 W thermocouples imprimés sur un substrat céramique 12 1 TW = 10 W Le flux énergétique reçu sur une surface est la quantité d'énergie solaire disponible sur une unité de surface, elle s'exprime en KW/m² ,W/m²,cal/cm²,langley (US). Elle se mesure avec un pyranomètre, un solarimètre ou avec des cellules solaires de référence. 1 langley = 1 cal/cm² = 0.01163 KWH/m² Soleil : Masse : 2.1030 Kg soit 350.000 fois la masse de la terre 15 Perte de masse : 133. 10 kg/an Diamètre : 1,4 millions de kms soit 109 diamètres terrestres. Température de surface : 5900 degrés kelvin Puissance rayonnée : 360.1018 MW => 62000.000 MW/m2 Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère terrestre : I°= 1367 W/m2 Puissance moyenne du rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère sur le "disque de notre planète" P°= 170.000 TW -7- Le rayonnement solaire sur terre varie avec la position du soleil dans le ciel, donc avec les saisons et avec les conditions météorologiques (ciel clair, nuage, neige...). La position du soleil dans le ciel change constamment pendant la journée, position caractérisée par l'élévation ou altitude et l'azimut. a= altitude du soleil ou élévation : angle du plan avec le plan horizontal α = azimut : angle de ce plan par rapport au sud ; l’azimut du soleil est l’angle mesuré dans le sens des aiguilles d’une montre entre le nord géographique et le point de l’horizon directement sous le soleil ; pour un site à l’est l’azimut vaut 90 degré et pour un site au sud l’azimut vaut 180 degré. 213 : Air masse et constante solaire Une cellule solaire qui en dehors de l'atmosphère terrestre serait placée perpendiculairement aux rayons du soleil recevrait une quantité quasi constante d'énergie appelée constante solaire. Prenant pour référence unité l’épaisseur verticale de l’atmosphère réduite à 7.8 kms et en supposant cette couche plane (terre plate), la longueur du trajet d’un rayon solaire incliné par rapport à l’horizontale d’un angle a est donné par la formule : OM=OA/sin a Si OA = 1 on parle de nombre d’air masse ou masse atmosphérique et on désigne par masse atmosphérique ou nombre d’air masse. M=1/sina Par définition, hors de l’atmosphère m = 0 (AM=0) -8- pour a= 90° m=1 a= 45° m=1,41 a= 20° m=2,92 à une pression p différente de 1013 mbar et à une altitude z exprimée en km on appellera par masse atmosphérique ou nombre d’air-masse : m = p/1013 . 1/sin a .e(-z/7.8) p= pression atmospérique et z en kms Le nombre d'AM utilisé par les constructeurs de modules solaires dans leur spécification technique est de 1,5, ce qui correspond à un angle a de 42° environ. Air-masse/lieu/saison Constante solaire en fonction de l’épaisseur d’atmosphère traversée : M E (W/m²) 0 1253 1 931 1.5 834 2 755 Ce sont les valeurs normalisées mais dans la réalité la valeur de l’éclairement énergétique global dépend des paramètres qui caractérisent les composants de l’atmosphère (humidité, coefficient de diffusion moléculaire). Pour AM=1.5 , la constante solaire peut varier de 760 W/m² dans une atmosphère polluée à -9- 876 W/m² pour un ciel très clair. Les applications terrestres des photopiles sont conditionnées et doivent prendre en considération : * les effets géométriques mettant en cause la rotation de la terre sur son axe et sa position par rapport au soleil (révolution orbitale). * les effets atmosphériques (conditions climatiques). 22 : Effets géométriques. 221 : Variations horaires et saisonnières. La rotation de la terre sur son axe entraîne des variations de la puissance reçue pendant le jour pour un endroit donné et rien pendant la nuit. La puissance reçue varie aussi avec les saisons. 222: La fenêtre solaire. La fenêtre solaire représente la surface effective à travers laquelle passe le rayonnement solaire significatif pendant une année et pour un endroit spécifique. Cette notion est utilisée pour déterminer et mettre en évidence les problèmes d'ombre dans un système PV. - 10 - 223 : Orientation des modules. Pour un bon fonctionnement d'un système PV et son optimisation, l'orientation des modules est importante et elle dépend de : - la latitude (lieu d'installation). - du type de système PV (par ex pompage de l'eau, éclairage) et de sa durée d'utilisation pendant l'année. Si le générateur solaire est raccordé sur un réseau électrique local, l'angle d'orientation des modules sera plutôt celui qui correspondra au maximum d'énergie captée pour une année. Si le générateur solaire est utilisé pour fournir une énergie constante pour tous les mois de l'année, l'angle choisi sera celui correspondant au niveau d'ensoleillement du mois le plus défavorable. Dans ce cas là on privilégie une orientation optimisée pour l'hiver sachant que les surplus sont principalement l'été. Il n'y a pas de surplus dans un système PV raccordé au réseau électrique, celui-ci fait office de récepteur de grosse capacité pouvant absorber toutes les pointes du générateur solaire. Pour l'hémisphère nord, les modules solaires seront placés plein sud et plein nord pour l'hémisphère sud. b: angle par rapport à l'horizontal g: .................au sud ou azimut 23 : Effets atmosphériques. La présence de l'atmosphère associée aux effets climatiques atténue et change la nature de l'énergie solaire. Il y a des phénomènes de réflexion, absorption, et réfraction du rayonnement solaire. - 11 - . a: rayonnement extra-terrestre b: ........... Solaire direct c: ........... Réfléchi d: ........... Diffus e: ........... Global a) Rayonnement extra-terrestre. C'est l'énergie (1353 W/m²) en provenance directe du soleil traversant chaque seconde une surface placée hors de l'atmosphère perpendiculairement aux rayons solaires. b) Rayonnement solaire direct C'est le rayonnement provenant directement du disque solaire qui ayant traversé l'atmosphère arrive en un point donné à la surface de la terre. c) Rayonnement réfléchi. C'est le rayonnement solaire provenant de la surface terrestre et des objets environnants après réflexion ou diffusion. L'Albedo est défini comme étant le rapport entre rayonnement réfléchi et rayonnement direct ou plus exactement c'est la valeur moyenne du rapport du flux réfléchi / flux incident pour toutes les longueurs d'onde et tous les angles d'incidence. La neige favorise l'albédo. d) Rayonnement diffus du ciel. C'est le rayonnement solaire provenant de la voûte céleste après diffusion et réflexion par les constituants de l'atmosphère, à l'exception de l'angle solide limité au disque solaire. e) Rayonnement diffus égal à c+d f) Rayonnement global C'est le rayonnement total reçu par un plan horizontal, c'est aussi la somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus. 24 : Spectre solaire. 241 : Diagramme longueur d’onde/énergie pour AM distinct - 12 - __UV___ __visible_____ _infrarouge_ W = h.µ = h. c/λ et λ = c/µ -34 * h = constante de Planck (6,62 10 ) * µ = fréquence * λ = longueur d'onde et c = vitesse de la lumière. L'énergie solaire est composée de 7% d'UV (ultraviolet), 47% de lumière visible et 46% d'IR (infrarouge).Les UV sont filtrés par la couche d'ozone dans la haute atmosphère. 242 : Effets de l'atmosphère. - 13 - L'atmosphère joue le rôle de filtre du rayonnement solaire extra-terrestre. Certaines longueurs d'onde de la lumière incidente peuvent être absorbées plus que les autres et le chemin parcouru par le rayonnement varie tout au long de la journée et de l'année (voir § 222). La nature de l'atmosphère, ses dimensions : épaisseur et teneur de ses éléments chimiques constitutifs (pollution locale) varie avec la latitude et pour une latitude donnée avec le site choisi. La valeur de m=1.5 (§ 213) correspond à une atmosphère standard donc à une distribution spectrale déterminée et c'est la valeur retenue par les fabricants de modules solaires dans l'élaboration de leurs fiches techniques. 243 : Sensibilité des matériels solaires avec le spectre solaire. Les modules solaires commerciaux utilisent principalement deux technologies: les photopiles au silicium cristallin et les photopiles couche mince dont le silicium amorphe. doc : Solems 25 : Types de modules solaires 251 : Modules fixes. C'est la configuration la plus classique, les modules sont installés sur des supports fixes avec une position fixe elle aussi (voir § 223).Certains supports fixes permettent cependant un réajustement de l'angle d'orientation suivant les saisons (manoeuvrables par boulons 2 à 3 fois par an). Les matériaux métalliques utilisés pour la fabrication des supports ne doivent pas altérer physiquement et chimiquement les modules (acier inox, alu anodisé, acier galvanisé). Université Lisbonne doc : A .Ringnet - 14 - 252 : Système avec poursuite solaire - Positionnement dynamique. Des systèmes de poursuite solaire un axe ( d'est en ouest) ou 2 axes peuvent augmenter de façon assez significative la production d'énergie électrique de 20 à 40% suivant le lieu d'installation , production d'autant plus importante si le système de poursuite est passif et ne consomme aucune énergie électrique propre . Ces matériels sont surtout utilisés aux USA pour des systèmes couplés au réseau électrique local et pour le pompage solaire où il est intéressant d'avoir une énergie la plus constante possible durant la journée. On parle dans ce cas d'application "au fil du soleil" donc sans système de stockage électrique de l'énergie. doc : Arco Solar : The 1MWc Californian Hesperia station connectée au réseau californien Southern California Edison Company - Production de 3 millions de KWH par an doc : Arco Solar News Vol6 N°1 The 6.5 MWc solar central station on the Carrissa Plains ,elle fournissait plus de 12 millions de KWH par an et était connectée au réseau californien PG and E (Pacific Gas and Electric company) Vieillissement prématuré des modules du aux réflecteurs latéraux - 15 - Systéme de poursuite 2 axes Doc : Université politechnique de Madrid Systéme de poursuite 1 axe Doc : Université politechnique de Madrid - 16 - 253 : Modules sous concentration. doc : Midway Labs Doc : Ecole technique supérieure des Ingenieurs de télécommunications de l’Université Polytechnique de Madrid Dans ce cas, on utilise des systèmes optiques pour concentrer l'énergie incidente sur des cellules solaires de haut rendement. Des considérations de coût et de mise en oeuvre doivent alors être établies pour le concentrateur, les cellules solaires et les systèmes à concentration de lumière doivent être accompagnés de système de poursuite solaire car dans ce cas, c'est la seule composante du rayonnement solaire, à savoir le rayonnement direct, qui peut contribuer à l'amélioration du rendement énergétique global du système. Ces systèmes sont plus particulièrement utilisés pour les applications installées aux faibles latitudes et ne sont peu ou pas utilisées en Europe; ils sont cependant plus particulièrement utilisés et testés aux USA mais il semblerait que des compagnies européennes s’y intèressent plus actuellement. 26: Rayonnement solaire. 261: Données météo. Dans les stations météorologiques françaises on enregistre le rayonnement solaire diffus et global sur une surface horizontale avec un pyromètre. Un récapitulatif plus directement exploitable peut être fourni par: - 17 - * Atlas énergétique du rayonnement solaire pour la FRANCE (1978) de JF TRICAUD (CNRS) Edition PYC. * Atlas Européen de l'énergie solaire UE * Logiciel Meteonorm * Données NASA * Censolar * Météo France pour la France * World Distribution of Solar Radiation de l’Université du Wisconsin (USA) 262 : Notion de "Heures de puissance crête". Le flux énergétique du rayonnement solaire varie au cours de la journée, il s'exprime en KW/m2. La puissance crête d'un module (voir §45) est la puissance délivrée par le module solaire sous certaines conditions (E=1 KW/m2 , T=25° , AM=1,5) que l'on peut qualifier d'optimale mais pas très réaliste; c'est une donnée constructeur. Pour un endroit donné, le nombre d'heures de puissance crête qui est une notion très pratique correspond au temps en heures où l'ensoleillement constant et virtuel de 1KW/m2 fournirait la même énergie. Cette notion est très utilisée chez les anglo-saxons et sa connaissance permet de quantifier rapidement les possibilités offertes par le générateur solaire. Un module de 50Wc fournira 150 WH dans un site correspondant à un ensoleillement de 3 heures de puissance crête. - 18 - III- LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES Les cellules photovoltaïques (photon : grain de lumière et volt: unité de tension) convertissent directement l'énergie lumineuse en électricité courant continu basse tension. Comme l'énergie lumineuse est le soleil, on parle alors de cellules solaires. 31: Réponse d'une cellule solaire. 311: L'effet photovoltaïque. C'est la transformation d'un rayonnement lumineux en énergie électrique. 3111 : Historique et état actuel. module RTC 3Wc de 1967 (40 cellules de 3cm de diamètre) doc : A Ringnet En plaçant deux électrodes métalliques dans un liquide conducteur et en exposant l'ensemble au rayonnement solaire, on peut mesurer une faible tension. C'est ainsi que fut découvert l'effet photovoltaïque en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond BECQUEREL,père de Henri Becquerel, le découvreur de la radioactivité en 1896. Ce fut donc la première fois que l'énergie solaire fut transformée en énergie électrique puis dans les années 1880,l'américain Charles FRITTS mit au point les premières cellules solaires au sélénium. Déjà, à cette époque, Charles FRITTS envisageait qu'un jour les cellules solaires installées sur les maisons fourniraient un type nouveau d'électricité décentralisé. Les investigations sur le silicium,les tentatives pour l'isoler,le purifier,mettre en oeuvre ses propriétés physiques commencèrent avant 1910 ,Einstein en expliqua les mécanismes en 1912 mais ce n'est qu'entre 1930 et 1945 qu'un premier procédé industriel de purification par refroidissement progressif du silicium fondu fut mis au point. Mais ce fut le germanium qui beaucoup plus facile à purifier qui fut utilisé pour la fabrication des jonctions semiconductrices du type p-n. Essayant de trouver une solution pour la production d'énergie pour l'alimentation des systèmes téléphoniques en zone rurale et donc isolés du réseau électrique général Darryl Chapin des laboratoires américains Bell travaillait sur les méthodes qui permettraient d'augmenter les performances de la cellule au sélénium qui ne pouvait transformer que 1% de l'énergie solaire en électricité. D'un autre côté, Carl Fuller, ingénieur chimiste, lui aussi des laboratoires Bell travaillait sur le silicium en vue de fabriquer des diodes de plus hautes performances et c'est en ajoutant des impuretés au silicium qu'il découvrit accidentellement que la quantité d'électricité produite était plus importante que celle produite par les cellules photovoltaïques existantes .Les efforts conjoints de Chapin et Fuller permirent à ces deux chercheurs d'annoncer au public en mai 1954 que des cellules solaires à base de silicium avaient été obtenues avec un rendement de 6%. Bien que ces deux scientifiques arrivèrent par la suite à fabriquer en laboratoire des cellules à 15% de rendement, ils rencontrèrent des obstacles - 19 - économiques et les laboratoires Bell abandonnèrent leurs efforts de recherche pour diminuer les coûts de fabrication. Ce fut ensuite les seules applications spatiales qui purent utiliser économiquement les photopiles au silicium et c'est ainsi qu'en 1958 Vanguard I fut le premier engin spatial d'une série à être équipé solaire. Les premières applications terrestres commencèrent vers les années 1965-1970 (la société française RTC construisait des modules de 3Wc dès 1967) mais ce sont les chocs pétroliers des années 74 qui stimulèrent l'investissement et qui permirent une industrialisation plus importante des cellules solaires photovoltaïques. La commande des modules pour la construction des centrales américaines supérieures à 1MWcrête (6,5 MWc pour celle de Carrisa Plains) permit à l'industrie américaine (Arco Solar, filiale de Atlantic Richfield Company notamment) d'accroître sa capacité de production qui par contre coup stimula toute l'industrie photovoltaïque mondiale. L’industrie des semi-conducteurs contribua très largement au développement des cellules solaires. Une cellule solaire classique n’est qu’une grande diode au silicium ayant la surface de la totalité de la plaquette sur laquelle elle est déposée. La taille des photopiles accompagna la taille des wafers de l’industrie des circuits intégrés. On est passé de wafers de 2 pouces dans les années 1970 puis 3 pouces à la fin des années 70 puis 4 pouces au début des années 1980 puis maintenant on a sur le marché des lingots cristallins parallélépipédiques de 10 cm,12.5cm et même 15cm de côté. - 20 - Station expérimentale FT/RD Lannion En 1975, les ventes mondiales totalisaient 78 kilowatts à un prix de 45$ le watt , en 1983 les ventes atteignaient 15,5 MW à un prix de 9$ le watt ,en 1993 les ventes dépassaient les 60MWc avec un prix de 3 à 6$ environ et en 2000 on atteignait les 280MWc . Deux types de technologie se partagent la quasi-totalité du marché mondial: les photopiles couches minces et les photopiles cristallines avec toujours le silicium comme matériau semi-conducteur. Les photopiles couches minces utilisent en grande majorité le silicium amorphe hydrogéné et les photopiles cristallines utilisent le silicium monocristallin et polycristallin. Toutes ces différentes technologies coexistent avec, pour l'instant, un avantage de fiabilité et de rendement pour les photopiles cristallines mais avec un potentiel de coût bas pour les photopiles couches minces (type d'industrialisation en continu plus aisé et donc potentiel de robotisation plus élevé). Actuellement, les rendements module empruntant le silicium cristallin tournent autour de 15% et plus (les rendements cellules sont plus élevés) et les rendements module empruntant la technologie silicium couches minces autour de 6 à 10% suivant le matériau semi-conducteur utilisé et le nombre de couches. - 21 - la production totale mondiale en 2002 est de 561 MWc,en 2003 de 745 MWc - 22 - Puissance PV installée dans l’Union européenne en 2001 - 23 - Photopiles flexibles ,rouleau Unisolar - 24 - Module grande taille cellule 15cmx15cm Astropower - 25 - 3112 : Rappel sur les propriétés des semi-conducteurs. Un matériau cristallin idéal est caractérisé par une position précise des atomes avec lequel il est constitué. Une structure cristalline est composée de sous structures toutes identiques dont pour chacune la forme et la position des atomes est bien définie dans un plan géométrique donné. A faible température, les électrons dans un cristal occupent le plus bas possible niveau d'énergie. A première vue, on pourrait s'attendre a ce que l'état d'équilibre d'un cristal serait celui dans lequel les électrons sont tous dans le niveau d'énergie permis le plus bas. En réalité c'est différent. Le principe d'exclusion de Pauli montre que chaque niveau d'énergie permis peut être occupé au moins par deux électrons chacun de spin opposé. Cela veut dire que, à faible température, tous les états disponibles dans un cristal et cela jusqu'à un certain niveau d'énergie seront occupés par deux électrons. Ce niveau d'énergie est appelé niveau de Fermi (Ef). Fonction de distribution Fermi-Dirac. 1 F(E) = -------------(E-Ef) / kT 1+e k : constante de Boltzmann T : température absolue Prés du zéro absolu, f(E) vaut 1 pour une énergie égale à Ef et vaut 0 en dessous de Ef. Quand la température augmente,il y a changement de la distribution avec des états d'énergie plus hauts que Ef qui ont un probabilité finie d'occupation et des états d'énergie plus bas que Ef qui ont une probabilité finie d’être vide. - 26 - Métaux- Isolants- Semi-conducteurs. les rectangles représentent les bandes permises - Les métaux ont une structure électronique telle que Ef se trouve dans une bande permise. - Les isolants ont une bande complète occupée par des électrons et un intervalle d'énergie important entre une bande et celle de niveau immédiatement supérieur qui elle, est dépourvue d'électrons à basse température. Ef se trouve dans la bande interdite. Une bande ou il n'y a pas d'électrons ne peut forcement pas contribuer à une migration d'électrons. Et bien que cela puisse paraître plus surprenant, il en ait de même pour une bande pleine d'électrons. Pour qu'il y ait migration d'électrons, l'électron doit extraire de l'énergie d'un champ appliqué. Dans une bande toute remplie d'électrons ce n'est pas possible car il n'y a pas de niveaux d'énergie vacants au voisinage de l'électron excité. Ainsi un isolant ne peut conduire l'électricité alors qu'un métal peut le faire car les niveaux d'énergie vacants sont nombreux. Pour les isolants, la largeur de bande interdite s’élève à plusieurs électronvolts (>2-3 eV) - Un semi-conducteur est un isolant avec un intervalle de bande interdite plus étroit (1-2eV). A faible température il ne conduit pas. A température plus élevée,il y a suffisamment de possibilités dues à la fonction de distribution FERMI-DIRAC pour permettre que quelques niveaux dans la bande originellement complètement pleine (bande de valence) soient maintenant vacants et que quelques uns dans la bande immédiatement supérieure (bande de conduction) soient occupés. Les électrons dans la bande de conduction avec une abondance d'états d'énergie dans le voisinage peuvent contribué à la migration d'électrons. Comme il y a maintenant des niveaux inoccupés dans la bande de valence, une contribution supplémentaire vient aussi des électrons dans cette bande. --> Notion d'électrons / trous Faisons l'analogie avec un parking à deux étages : (a) (b) - 27 - Pour le cas (a) toutes les voitures sont au rez-de-chaussée et comme le garage est plein aucune voiture ne peut se déplacer. Dans le cas (b), si on monte une voiture à l'étage supérieur, cette voiture peut se déplacer librement, cela correspond à un électron dans la bande de conduction et cela va permettre le mouvement des voitures dans l'étage du bas qui lui correspond au mouvement dans la bande de valence. Au lieu de considérer le mouvement des voitures de l'étage du bas comme le résultat des mouvements des voitures, il faut considérer que c'est le mouvement dû à une position de voiture absente. Le courant dans un semi-conducteur peut être assimilé comme la somme des électrons en mouvement dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. Pour créer dans le silicium des possibilités de mouvement d'électrons donc des possibilités de production d'électricité, on va le doper c'est-à-dire lui introduire des impuretés ou atomes d'un autre matériau qui n'a pas le même nombre d'électrons de valence que le silicium. Si l'on introduit du phosphore qui possède 5 électrons de valence alors que le silicium n'en a que 4, on va créer des électrons libres et on aura fabriqué une couche n, de la même façon, en introduisant des atomes de bore, qui n'ont que 3 électrons de valence, on va créer des trous (l'atome de silicium a 4 électrons de valence, il peut se lier avec 4 autres atomes) et on aura fabriqué une couche p. Le dopage aboutit donc à produire des porteurs de charge (électrons ou trous) qui vont pouvoir circuler. Le dopage avec une impureté comportant un électron de valence en plus est un dopage de type n pour négatif (l'électron est négatif). Le dopage avec une impureté comportant un électron de valence en moins entraîne un excédent de trous et porte le nom de dopage p (pour positif comme la charge du trou). Schéma d'une photopile cristalline. Une photopile est la juxtaposition d'un semi-conducteur dopé p (bore par exemple) avec un autre dopé n (phosphore par exemple). A la jonction des deux couches un champ électrique s'est donc formé. Ce champ électrique existe même si la photopile est dans l'obscurité. Sous un ensoleillement plus ou moins important les photons ou grains de lumière venant avec une énergie - 28 - W = h x µ suffisante entre en collision avec les atomes de silicium et parviennent à délocaliser des électrons de la couche de valence et donc à créer des paires d'électrons trous qui pour des raisons d'équilibre de répartition ont tendance à se diriger vers la zone de jonction. Là, sous l'action d'un champ électrique, les paires se séparent, les électrons de dirigeant du côté p et les trous du côté n ; les grilles métalliques à l'avant et à l'arrière de la photopile collectent les électrons et les trous qui vont donc fournir à un circuit extérieur le courant électrique ainsi produit. Si le photon est très énergétique (s'il possède plus d'énergie que nécessaire pour libérer un électron (il ne pourra tout de même extraire qu'un seul électron, l'énergie excédentaire sera perdu en chaleur). 3113 Rendement max théorique - rendement réel. Le rendement théorique maximum est de 44 % pour le silicium cristallin, ce chiffre est fonction du type de semi-conducteur utilisé et est directement lié au "band gap", le silicium n'est pas le meilleur matériau, son "band gap" est de 1.10 ev, celui de l'arséniure de gallium (Ga As) a un "band gap" quasi optimal de 1.4 ev. Le rendement commercial des cellules monocristallines est de l'ordre de 12 à 17 % maximum. - 29 - Les principales pertes sont dues à : - absorption incomplète des photons. Seuls ceux dont l'énergie h.µ > Ef sont absorbés. - les photons d'énergie h.µ >> Ef voient la part d'énergie supérieure à Ef perdue en chaleur, d'où l'importance du choix d'un semi-conducteur à haut Ef pour un rendement élevé. - réflexion optique à la surface des cellules, c'est la raison pour laquelle une couche antireflet (SiO2, Al2O3...) est déposée à la surface des cellules. - la collecte des paires d'électrons trous n'est pas optimum, certaines paires d'électrons trous se recombinent avant d'atteindre la jonction. - la grille en face avant ne favorise pas la transmission optique maximale du rayonnement solaire. Sa forme géométrique est cependant très optimisée par les constructeurs. Chez certains la grille est faite par laser pour en diminuer la surface ; - le facteur de tension limité par Vco ; pour le silicium, la valeur maximale est de 0.7 volts par rapport au 1,1 volt ne représente que 0,7/1,1 soit 60 %, 40 % sont donc perdus de ce fait. - le facteur de forme. - pertes dues à la résistance série (résistance de contact des deux grilles). - 30 - Diagramme des pertes d’énergie dans une cellule au silicium cristallin 3114 : Schéma équivalent d'une cellule solaire *) Schéma équivalent simplifié. Une cellule solaire a pour équivalent : Une source de courant constant en parallèle avec une diode. - 31 - La caractéristique courant/tension est donc : Constante fonction de l'éclairement + Caractéristique d'une jonction (diode parallèle) = PHOTOPILE *) Schéma équivalent Iph = Photo courant Id = Courant diode Rsh = Résistance shunt Rs = résistance série V : tension aux bornes de la cellule I : courant délivré par la cellule Avec un tel schéma électrique équivalent on peut écrire: (1) I = Iph - Id - Vd/Rsh (2) Id = I0.(e qVd/nkT - 1) q : charge électrique élémentaire k : constante de Boltzmann T : température (3) Vd = V + Rs.I (3) dans (1) (4) I = Iph - Id - (V+RsI) ( Rsh ) (2) dans (4) qVd/nkT (5) I = Iph - Io.(e - 1) - (V+RsI) ( Rsh ) (3) dans (5) q(V+RsI/nKT) (6) I = Iph -.Io(e -1) - (V+RsI) ( Rsh ) en négligeant l'effet de Rs et Rsh,on obtient : qV/nKT (7) I = Iph – Io.e( -1) I = f(V) : on obtient une équation caractérisant une jonction p-n éclairée. - 32 - a) Courant de court-circuit (Isc) on fait V = 0 qV+RsI/nKT de (6) : I +(V+RsI) =Iph - Io.(e ( Rsh ) RsI/nKT Isc(1+Rs) = Iph - Io(e -1) Rsh (8) Rsh>>Rs et Iph>>Io(e Isc = Iph RsI/nKT -1) -1) b) Tension en circuit ouvert on fait I=0 dans l'équation (6) qV+RsI/nKT (V+RsI) = Iph - Io(e -1) ( Rsh ) I = 0 et V/Rsh << 1 qV/nKT qV/nKT Iph = Io e( -1) = Io.e - Io qV/nKT Iph + Io = Io.e Iph>>Io qV/nKT Iph/Io = e qV/nKT = ln(Iph/Io) (9) Voc = nKT/q.ln(Iph/Io) Voc est déterminé par les propriétés du semi-conducteur car il dépend de Io qui lui-même dépend de la densité de courant de saturation du matériau utilisé. - 33 - c) Point de puissance maximale Il est défini sur la courbe I =f(V) par le couple (Imax,Vmax) tel que le produit est maximum. Mathématiquement,on obtient ce point de la façon suivante: qV/kT -1 * I = Iph - Io e * dP = d (V.I) = 0 d'aprés le calcul,on obtient : * Imax = Iph (1+Io/Iph).(qVm/kT . 1/1+qVm/kT)) * Vmax = Vo - kT/q ln(1+qVm/kT) c) Résistance série La résistance série a pour effet de diminuer Isc et Pmax, par contre Vco n'est pas affecté e) Résistance shunt. L'effet de Rsh est d'augmenter la pente de la caractéristique I = F(V) dans la zone ou la cellule fonctionne comme générateur de courant quasi-constant. Pmax et FF (facteur de forme voir §3162) sont affectés. - 34 - 312: Caractéristique courant/tension (I/V). Ce graphe est obtenu pratiquement en connectant un module solaire à une résistance variable et en mesurant simultanément le courant et la tension aux bornes du module. 1 : courant de court-circuit 2 : tension en circuit ouvert 3 : point de puissance maximum I varie de 0 à Icc Icc: courant de court-circuit R=0 V varie de 0 à Voc Voc: tension en circuit ouvert R=infini à Icc * la charge est nulle ( court-circuit: R=0) * le courant est max * la tension est nulle à Voc * la charge est infinie R=infini * le courant est nul * la tension est maximum. P=U.I la puissance délivrée par un module solaire représentant le produit de U et I varie pour chaque point de la courbe. Pour pouvoir retirer le maximum de puissance d'un module solaire celuici doit travailler au point de puissance maximum correspondant au produit U.I max. Pmax, Icc, Voc sont des paramètres spécifiés par le constructeur. Ces valeurs sont données pour un ensoleillement, une température de fonctionnement et un air masse donné. 313: Point de fonctionnement et charge. C'est la charge (le récepteur connecté au module) qui détermine le point de fonctionnement. Pour une charge résistive (la plus simple) le graphe représentant les variations U/I est une droite dont la pente est fonction de la valeur de la résistance. - 35 - Courbe U/I sur charge résistive 314: Variation due à l'énergie incidente. . graphe courant/tension/ensoleillement La variation d'énergie incidente (ensoleillement) entraîne une variation du courant proportionnel à l'énergie incidente et une variation de la tension relativement faible. Ce phénomène physique est intéressant lors de la recharge de batteries. Le courant de court-circuit est directement proportionnel au rayonnement incident. La tension circuit ouvert augmente rapidement pour des faibles niveaux d'éclairement et ensuite augmente faiblement avec l'éclairement. - 36 - - 37 - doc : Université Science Angers – laboratoire POMA-CNRS - 38 - Exemple de type de charge connectée Exemples de charges pouvant être connectée : - charge résistive lampe à incandescence - pompe volumétrique A - pompe centrifuge B et C - batterie On remarque avec ce graphe que pour une charge donnée, les variations d'ensoleillement entraînent des points de puissance max eux aussi différents et induisent la notion d'adaptateur de charge ou convertisseur DC/DC avec fonction MPPT: maximum power point tracker). Dans le cas d'utilisation de l'énergie solaire pour la recharge de batteries, c'est à dire une charge à tension quasi constante ,la nécessité d'un convertisseur MPPT est bien moins évidente. Le nombre de cellules solaires mises dans un module et connectées en série a été défini par les constructeurs de photopiles en fonction des caractéristiques électriques de recharge des batteries 12V; leur nombre varie autour de 36 à 40 cellules. 315: Variation due à la température - 39 - si température augmente: - puissance diminue - rendement diminue - durée de vie diminue - courant augmente faiblement - tension diminue rapidement quand la température augmente (en été) la tension diminue mais la tension nécessaire à la recharge d'une batterie diminue aussi, les variations vont dans le même sens mais ne sont pas linéaires : 70 mv/°c/pour 36 cellules solaires 18 à 30 mv/°c/ pour une batterie Pb/acide 12volts 3151 : Notion de NOCT. Les conditions de test standard (STC:Standard Test Conditions) mandatées par le DOE/JPL 2 (Department of Energy/Jet Propulsy Laboratory) sont 1 KW/M ,AM 1,5, température de cellule de 25 °. Les conditions de fonctionnement standard (SOC: Standard Operating conditions) prennent 2 en compte les circonstances micro climatologiques et sont données pour E=800W/M ; température de l'air 20°; vitesse du vent de 1m/s et le module solaire en circuit ouvert. NOCT: Nominal Operating Cell Temperature. Le NOCT ou température nominale de la cellule en fonctionnement est la température atteinte par la cellule quand elle est en service sous les conditions de fonctionnement standard (SOC). Le NOCT d'un module installé dans un champ solaire pourra varier de 20 à 40° au dessus de la température ambiante, en fonction du type de module utilisé (constructeur différent), de la manière dont le module est monté et de la quantité d'énergie qu'il reçoit. En pratique, le NOCT est de 25° supérieur a celui donné dans la configuration de test standard (STC) et cela a pour conséquence que la puissance crête réelle du module en fonctionnement dans un champ solaire est plus faible que celle donnée à la configuration de test standard.(voir Annexe I data sheet du module Shell SM55) 2 *) STC: NOCT:25°C; E=1kw/m ;AM1,5 P crête=40Wc 2 *) NOCT:45°C; E=1kw/m ;AM1,5 Pc=40-0,004.(45-25)=36,8Wc 2 *) NOCT:45°C; E=0,8kw/m ;AM1,5 Pc=36,8.0,8=29,4Wc 3152 : Facteur de correction de température. Pour les modules cristallins , on peut appliquer les formules suivantes : Diminution de la tension : ΔV = Voc – 0.002417 x N x (Tc-25) Augmentation du courant : ΔI = Isc x 0.0002977 x (Tc-25) N : nombre de cellules en séries Tc : température des cellules en degré °C courant ,tension, donc puissance varie avec la température; pour les cellules au silicium cristallin le facteur de correction de température est de -0,4% /°c (-0,004/°c) pour ce qui concerne la puissance crête donnée par le constructeur. A 45°C on a -0,004*(45-25)=-0,08. Un module de 100Wc deviendra un module de 100(0,08*100)=92Wc. En pratique, l'impact de la température sur la puissance d'un module solaire est plus importante pour les générateurs solaires de grande dimension et dont la tension est plus grande. Sur les petits systèmes chargeant les batteries, la notion de NOCT est souvent omise sachant que la - 40 - tension aux points de fonctionnement du module ne descendra jamais au dessous de celle nécessaire à un cycle de charge. Cependant, il s'agira d'être vigilant car sous faible ensoleillement, le générateur solaire de qualité doit encore fournir une certaine puissance. Certains constructeurs de modules solaires donnent la puissance de leurs modules aux STC et SOC conditions. Si la seule puissance connue est celle du STC, le concepteur devra en tenir compte dans le calcul du dimensionnement car c'est la seule température de la cellule en fonctionnement qui conditionne la puissance délivrée par le générateur solaire. 316: Performance d'une cellule solaire. Elle est donnée par le rendement de conversion énergétique et le facteur de forme. 3161: Le rendement. Le rendement des cellules solaires cristallines commerciales varie de 10 à 17% (le plus élevé pour les cellules monocristallines) et celui des cellules couche mince (monocouche) de 4 à 10%. Un rendement de 38% a déjà été obtenu en laboratoire pour des cellules de faible surface et sous concentration lumineuse (Boeing USA). BP a atteint un record d’efficacité de 18.3% pour une cellule 125 x 125 mm. La société Sharp a atteint un rendement de conversion module de 17.4% (module NT-167AK). *) Variation du rendement avec la température. 3162: Le facteur de forme. FF=Ipm x Vpm/(Icc x Vco) = Pmax/Icc*Vco 3163: Technologie des modules solaires 31631 : Si cristallin et Si amorphe. Cell 1 : Si cristallin Cell 2 : Si amorphe - 41 - Diagrammes U-I Si cristallin/Si amorphe Un FF idéal aurait pour valeur 1 3164 : Autres technologies GaAs : arséniure de gallium Cd-Te : tellure de cadmium CIS : cuivre indium sélénium TiO2 : bioxyde de titane Photopile organique 32: Procédés de fabrication. Les cellules dites" épaisses", quelques centaines de microns sont les plus anciennes, ce sont les cellules au silicium cristallin; leur rendement et fiabilité sont reconnues, elles bénéficient d'un stade d'étude et développement plus ancien que les cellules couche mince qui ne nécessitent que quelques microns de matière active et qui ont fait leur apparition dans le grand public avec les calculettes solaires. - 42 - 321 : Procédé Czochralski. C'était le procédé utilisé pour la fabrication de silicium monocristallin de forme cylindrique. On met une petite quantité de polysilicium dans un creuset que l'on place dans un four pour obtenir du silicium fondu. Une seule particule solide de silicium cristallin est plongé dans un bain de silicium fondu et en tournant lentement et en tirant vers le haut on obtient le barreau de monocristal qui sera utilisé pour la fabrication des cellules solaires. Ce procédé souffre d'être coûteux en énergie et des pertes importantes interviennent lors du sciage. 322: Procédé ruban. C'est une technique peu employée dans l'industrie photovoltaïque, elle offre pourtant l'avantage d'être beaucoup plus économique en matériau semi-conducteur car aucun sciage n'est nécessaire. La difficulté majeure est de trouver le support du ruban pendant l’opération de tirage - 43 - 323: Procédé dendrites. C'est un procédé ruban différent utilisant les propriétés physiques de la tension de surface plutôt que la capillarité utilisée dans le procédé ruban classique. 324: Méthode de coulage des lingots. On fabrique des lingots de silicium cristallin de section carrée qui une fois sciée, autorise un taux de foisonnement plus important et donc aussi un rendement surfacique plus élevé. Chaque constructeur essaie de développer ses propres procédés dans le but d'améliorer le rendement de conversion énergétique des cellules et d'abaisser les coûts de fabrication. 325: Procédé couche mince:silicium amorphe hydrogéné. Il est obtenu par décomposition, en décharge luminescente (création d'un plasma) de silane SiH4 ou de disilane Si2 H6 sur un substrat porté à 250°C. Le matériau obtenu contient 8 à 15 % d'hydrogène,et offre une bande interdite de 1,75 eV. La technique de fabrication SOLEMS est schématisée dans la figure ci-dessous : Placé dans un bâti à vide le substrat (verre recouvert de SnO2) est chauffé entre 200 et 250°C. Trois réservoirs, qu’on peut isoler ou mettre en communication avec le bâti à travers les vannes V1, V2, V3 contiennent respectivement à l'état gazeux, le silane,SiH4,le diborane B2H6 et la phosphine PH3.Enfin un générateur à haute fréquence permet d'ioniser le gaz ou le mélange de gaz injecté dans l'enceinte,donc de créer le plasma. On ouvre simultanément les vannes V1 et V2, ce qui donne un mélange de SiH4 et de B2H6 Le plasma contient Si,B et H et se dépose sur le substrat pour y former la couche P de la jonction. On ferme V2 : seul reste le silane qui forme la couche intrinsèque. - 44 - On ouvre maintenant V3, pour obtenir un mélange de silane et de phosphine, conduisant au dépôt de la couche semi-conductrice N. 33: Notion de cellule, module, panneau solaire, système solaire. La cellule solaire, de forme ronde ou carrée (carrée : on augmente le taux de foisonnement) est l'élément de base, un ensemble de cellules forment un module solaire, dans un module les cellules sont reliées électriquement entre elles et encapsulées, donc protégées des agents extérieurs. Plusieurs modules forment un panneau solaire. Plusieurs panneaux forment un système solaire auquel viennent s'ajouter des protections, un régulateur, un système de stockage de l'énergie (batterie) des appareils de contrôle et de mesure, un onduleur ... A : cellule solaire B : module solaire C : panneau solaire D : champ solaire - 45 - IV- LE GENERATEUR SOLAIRE. 41: Les modules solaires en série. 411: Modules identiques. V = Va + Vb I = I1 + I2 412: Modules non identiques. V = Va + Vb I # I1 # I2 Les tensions s'additionnent Le courant est limité par le module de plus faible courant connecté en série. 42: Les modules en parallèle. 421: Modules identiques. - 46 - V = Va = Vb I = I1 + I2 422: Modules non identiques. I = I1 + I2 V # Va # Vb La tension en circuit ouvert des modules est approximativement égal à la moyenne des tensions en circuit ouvert des deux modules. 43: Le panneau photovoltaïque. L'assemblage série/parallèle de modules solaires est étudié spécifiquement pour chaque application électrique. On obtient alors une tension et un courant précis en relation avec le système électrique à alimenter. Pour recharger une batterie de 12 volt nominal, 36 à 40 cellules formant le module de base seront nécessaires pour une charge optimisée durant toute l'année. Deux ou multiples de deux modules seront nécessaires pour la charge de batteries 24 volts. Un générateur solaire de 3 KWc/48v= nécessitera 15 branches parallèles de 4 modules en série de 50Wcrête chacun. - 47 - 44: Diodes de protection. Rappel: la diode est un élément semi-conducteur qui ne permet le passage du courant électrique que dans un seul sens. Schéma U/I d'une diode: 441: Diodes de blocage. Doc France Telecom : diodes de blocage schottky dans boitier Les diodes de blocage ou diodes série sont placées en série avec un module ou une branche de modules câblés en série afin d'empêcher tout courant électrique de retourner vers les modules. Pour les systèmes solaires connectés à une batterie, la diode de blocage empêche la circulation d'un courant inverse dans le sens batterie vers panneau durant la nuit. La chute de tension aux bornes de la diode dépend du type utilisé: - diode schottky pour les systèmes BT, la chute est réduite à 0,4V max - diode germanium ou silicium pour les systèmes de tension plus élevée. La diode série devra être choisie pour pouvoir supporter le courant de court-circuit d’une branche série et la tension en circuit ouvert de la branche à protéger. (En pratique 1,5 fois cette valeur pour facteur de sécurité avec radiateurs de dissipation de chaleur correctement dimensionnés si nécessaire). - 48 - Quand le panneau solaire comporte de multiples branches, les diodes série installées sur chaque branche empêcheront, en cas de défaut sur une branche, le passage d'un courant destructeur venant des branches saines. Fiche technique d’une diode Schottky IFav : I forward average VRWM : voltage reverse working maximum VFM : maximum peak forward voltage IRM : Maximum peak reverse current IFSM : maximum peak non repetitive forward current - 49 - 442: Diodes by-pass. Les diodes by-pass sont utilisées pour empêcher les phénomènes de point chaud et pour minimiser les pertes dans une branche série dans le cas ou une cellule,un groupe de cellules ou un module se trouve en position circuit ouvert(coupure ou ombre portée). La diode by-pass est encore appelée diode shunt car elle shunte les cellules correspondant à la partie non éclairée. Les autres cellules continuent à produire l'énergie correspondant à la partie éclairée du module. En condition normale de fonctionnement les diodes shunt ne conduisent aucun courant. En théorie, chaque cellule du module solaire devrait avoir une diode shunt en parallèle pour une protection maximum. - 50 - La diode shunt ou by-pass devra être choisie de telle sorte que son courant nominal moyen soit supérieur au courant de court-circuit du module protégé. La diode devra aussi supporter une tension inverse supérieure à la tension en circuit ouvert de la branche série. La figure ci-dessus illustre les caractéristiques courant/tension d'un module photovoltaïque et le même module avec une diode connectée en parallèle. Le changement important qui s'opère sur les caractéristiques I-V du module est dans le quadrant II. Au fur et à mesure que la tension décroît à partir de o volt (augmente dans un sens négatif) le courant qui peut passer par la cellule est pratiquement égal au courant de court-circuit du cadran I jusqu'à ce que la tension de seuil soit atteinte. Au seuil de tension, approximativement 30V sur le schéma, un courant très élevé peut passer par les modules. La tension étant de polarité opposée, la puissance est alors dissipée dans les cellules, contrairement au fonctionnement normal. La cellule joue alors le rôle de récepteur et non de générateur. Plus la tension de seuil est importante, plus la puissance dissipée dans le module est grande. Exemple : un générateur de 3 branches parallèle et 4 branches série - 51 - Dans l'exemple ci dessus, 2 modules sont en défaut et considérés comme des circuits ouverts. Sans protection, le module sain du groupe contenant les deux modules en défaut risque de fonctionner à un niveau de courant supérieur à celui de son courant de court-circuit. Afin de conduire le courant en excès, le module travaillera à sa tension de défaut et au courant indiqué par la ligne en pointillé. Comme de l'énergie est dissipée dans les cellules, il y aura élévation de température, ce qui se remarque bien avec une caméra infrarouge et suivant les puissances mises en jeu cela peut aller jusqu'à la détérioration des cellules et même jusqu'au feu (cas extrême sur centrale US). Afin d'éliminer de tels inconvénients, des diodes shunts sont placées en parallèle avec les modules ou une série de cellules pour shunter le courant,ceci quand la tension du module solaire est négative. Comme on peut le voir sur le dessin ci-dessus, un fort courant passera dans le module et la diode mais la chute de tension et donc la puissance dissipée sera réduite au minimum Exemple de module M55 Siemens Solar : - 52 - MODULES SHARP (années 1990) 45: Spécification des performances d'un module solaire. 451: Conditions imposées. Les spécifications électriques d'un module solaire (tension en circuit ouvert, courant de court circuit, tension et courant au point de fonctionnement maximum, puissance crête) sont données sous des conditions définies : *) Conditions de test standard (STC) pour E = 1000 W par m2, Température de cellule 25°, Air masse = 1,5. *) Les conditions de fonctionnement standard (SOC) pour E = 1000 W/m2, Température de cellule = NOCT et Air masse = 1.5 *) Les conditions de fonctionnement nominal (NOC) pour E = 800 W/m2, Température de cellule = NOCT et Air Masse = 1.5 452 : Spécifications des constructeurs. Les spécifications des constructeurs utilisent des conditions de test standard. La répartition spectrale de l’éclairement énergétique solaire de référence qui a été adoptée pour la France (norme NFC57-100) puis par la CEI est une répartition de l’éclairement énergétique solaire total (direct et diffus) correspondant artificiellement à un éclairement de 1000W/m² avec une traversée AM=1.5 d’atmosphère sur une surface plane inclinée de 37° par rapport à l’horizontale,avec un albédo (facteur de réflexion au sol) de 0.2 et avec les conditions - 53 - météorologiques suivantes : * hauteur d’eau condensable : 1.42cm * hauteur réduite d’ozone : 034 cm * trouble atmosphérique : 0.27µm à 0.50 µm il faut remarquer que cette norme NFC-5700 ne reflète pas totalement la réalité puisqu’on associe arbitrairement à AM=1.5 une constante solaire de 1000W/m² (réalité 834W/m² voir 2.1.3). 46 : Fiabilité du module (test). Les tests sont effectués selon la norme NF C 57-100 et les spécifications sont celles de l'ISPRA (pour l'Europe) ou JPL/DOE (Jet Propulsion Laboratory/Department of Energy USA). Ce sont des tests: Isolement électrique : 2000 V 10 Mégohms, Impact : bille en acier trempé, diamètre 40mm, hauteur de 1m Cyclage thermique :-40° C à +85° C 200 cycles Stockage humide : + 3000 h à +55°C, 95% RH Stockage sec : +3000 h à +100° Brouillard salin : + 96h (NFC 20611) Charge statique : 2500 N/m2 Température : -40° à +75° C Humidité relative : 0 à 100 % Vent établi : 180 Km/h 47 : Choisir un panneau solaire 471 : Critères de sélection : Les caractéristiques courant/tension du module, la fiabilité à long terme (technologie mature ou récente), la densité énergétique, la performance aux températures élevées, la stabilité des performances électriques et mécaniques, les dimensions et poids, la qualité du cadre (autoporteur ou non), la qualité de réalisation de la boîte de connections, la facilité de pose des diodes, la renommée du constructeur, le coût et la garantie sont les principaux critères de sélection. 472 : Exemples Electrificateur de clôture Source DOE - 54 - Signalisation source : DOE Pompe solaire Source DOE toit d’école source DOE - 55 - Station téléphone mobile France Telecom sud de la France Source : A Ringnet toit solaire 2KWc raccordé EDF Ouest de la France Source A Ringnet Production annuelle : 2000 KWH pour surface de 0.5x39 soit 19.5 m² - 56 - Signalisation maritime Source DOE Petit Centre France Telecom CORSE Plateau d’Eze (mise en service 1978) avec un taux de panne due à l’alimentation électrique très faible. Source : A Ringnet - 57 - Source : Astier Electronique Plaque de rue éclairée toute la nuit. Source : A Ringnet Sac à dos solaire pour voyage en Annapurna Source : Général Motors Sunraycer moteur 3KWMagnequench brushless motor de poids 11 livres,a parcouru en 44 heures et 54 minutes la distance entre Darwin et Adélaïde (nord et sud de l’Australie) à la moyenne de 41 miles/h - 58 - Source : Husqvarna Tondeuse à gazon solaire. horloge solaire : Où sont les cellules ? (non visibles sur la tranche du support plastique) Satellite japonais d’observation de Mars - 59 - Mars Spirit en action Deux robots envoyés par la NASA ont « atterri » avec succès à la surface de Mars, le premier le 3 janvier 2004 et le second le 24 janvier 2004. L’électricité solaire a été une des clés de la réussite de cette mission d’exploration la plus précise jamais envoyée à cette distance. Ce robot envoyé par la NASA sur la planète rouge (Mars) a envoyé ses premières images seulement trois heures après « atterrissage ». La surface active de panneaux solaires est de 1.3m². C’est un système triple jonction (3 couches de cellules). Chaque couche est formée de différents matériaux : gallium-indium-phosphore,gallium-arsenic et germanium. Le système peut fournir 900WH par jour martien et 600WH par jour en fin de mission du au changement de saison et à la poussière accumulée. Le robot a besoin de 100 Watts pour ses activités. Sous illumination maximale, le système solaire fournit une puissance de 140Watts pendant 4 heures par jour martien. Doc : Mr Jean Jules Bert : pompe solaire pour 250 personnes en Haïti – île de la Gonave – - 60 - V- LES COMPOSANTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE : 51 : Définition du système : Le système PV gère l’énergie produite. Dans un système autonome, le panneau solaire fournit l'électricité qui est stockée dans une batterie et gérée par un régulateur qui protège la batterie de la surcharge et décharge profonde. Des récepteurs électriques peuvent être connectés directement au panneau solaire ou à la batterie ou à travers le régulateur de tension. Un convertisseur =/= peut être utilisé si le système a des récepteurs qui fonctionnent à des tensions continues différentes. Un convertisseur continu alternatif ou onduleur (voir § 5.5) fournira le 230V alternatif qui alimentera les récepteurs classiques 230V. Tous ces éléments seront interconnectés dans un tableau électrique avec protection adéquate selon l'application des règles de sécurité et normes en vigueur. 52 : Les récepteurs électriques ou charges électriques : Les charges électriques déterminent à la fois le type, la taille et la performance du système photovoltaïque. Le coût du KWH solaire étant encore à ce jour élevé, les concepteurs de systèmes PV s’efforceront à privilégier le rendement énergétique global. Exemple : une lampe fluo consomme 4 fois moins d'énergie à puissance lumineuse égale qu'une lampe filament. Les équipements électriques fonctionnant en courant continu peuvent simplifier le système PV et ont souvent un rendement énergétique favorable mais les matériels sont moins répandus sur le marché, souvent plus chers et même quelquefois inexistants pour une application donnée. L'arrivée sur le marché d'onduleurs intelligents, fiables, au rendement de conversion énergétique important sur toute la plage de puissance peut favoriser l'option "tout 230v". Suite à une panne ou défaillance d'un de ces appareils, le remplacement est plus aisé et souvent moins onéreux que le matériel équivalent BT. Dans ce cas, le dimensionnement revêt toute son importance car la surconsommation sera aussi à éviter. Le bilan énergétique global par rapport à une installation BT n'est pas toujours plus défavorable car le transport de l'énergie en BT s'accompagne de pertes importantes (voir § 731). Le couplage PV/GE est facilité par le choix d'une installation 230V. 521 : Le réseau en temps que charge ou récepteur Le réseau de distribution électrique d’un pays peut servir de charge. On parle alors de solaire couplé réseau. 5211 : CADRE LEGISLATIF POUR LA FRANCE Loi n° 2000-18 du 10 février 2000 Dans cette loi, l’article 10 prévoit la poursuite d’un cadre légal d’obligation d’achat pour certaines installations et selon les conditions fixées par décret. L’article 10 indique qu’EDF est tenue de conclure un contrat d’achat de l’électricité produite par les installations dont la puissance installée par site n’excède pas 12 mégawatts qui utilisent des énergies renouvelables… Décret n° 2000-877 du 7 septembre 2000 Un producteur demandant à bénéficier de l’obligation d’achat doit être titulaire d’une autorisation d’exploiter ou d’un récépissé de déclaration… Décret n°2000-1196 du 6 décembre 2000 Ce décret prévu à l’article 10 alinéa 3 de la loi, fixe par catégorie d’installations, les limites de puissance des installations pouvant bénéficier de l’obligation d’achat. Décret n°2001-410 du 10 mai 2001 Ce décret prévu à l’article 10 alinéa 4 de la loi, précise les obligations qui s’imposent aux producteurs bénéficiant de l’obligation d’achat, ainsi que les conditions dans lesquelles les ministres chargés de l’économie et de l’énergie arrêtent, après avis de la commission de régulation de l’électricité,les conditions d’achat de l’électricité ainsi produite. - 61 - Arrêté du 13 mars 2002,publié le 14 mars 2002,fixant les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations utilisant l’énergie radiative du soleil. …La puissance crête d’une installation bénéficiant des tarifs de l’annexe 1 est limitée à : 1 . 5 KWc pour les logements individuels 2. 1000KWc pour les bâtiments professionnels et les logements collectifs 3. 150 KWc pour les autres cas ANNEXE 1 Tarifs mentionnés à l’article 5 de l’arreté L’énergie active fournie par le producteur est facturée à l’acheteur sur la base des tarifs cidessous exprimés en c€/kwh hors TVA. En métropole continentale : 15.25 En Corse, dans les départements d’outre-mer et dans la collectivité territoriale de Saint-pierre et Miquelon : 30.50 53 : Les systèmes de stockage. 531 : La batterie. La batterie permet le stockage de l'énergie électrique produite par les modules solaires. Ce ne peut être qu'un stockage court terme et tout stockage inter saisonnier (été pour l'hiver) ne peut être envisagé dans l'état actuel d'avancement technologique des batteries Pb/acide, Cd/Ni,Su/Na... Ce n'est pas l'élément le plus fiable dans une installation photovoltaïque mais une bonne gestion en limitera la faiblesse intrinsèque. Une batterie au Pb/acide qui est la batterie la plus couramment utilisée dans les installations photovoltaïques ne doit jamais être laissée dans un état de décharge profond pendant une longue période. ( Nota :les valeurs chiffrées citées dans ce document sont des ordres de grandeur ,pour les valeurs exactes, il faut se référer aux notices techniques des différents constructeurs de batterie) 5311 : La capacité. La capacité représente la quantité d'électricité qu'une batterie peut délivrer pendant une période de temps donné sous un régime de décharge et une température ambiante donnée. La capacité diminue avec la température, avec des taux de décharge plus élevé et avec l'âge. Elle s'exprime en A/H (ampère-heure). 5312 : Rendement faradique ; Rendement en tension. Le rendement faradique est le rapport entre le courant fourni lors de la charge et celui restitué lors de la décharge. Le rendement en tension est le rapport entre la tension délivrée par la batterie lors de la décharge et la tension de charge. 5313 : Profondeur de décharge maximum. La profondeur de décharge maximum représente le maximum en pourcentage de la capacité nominale au-delà de laquelle la décharge n'est plus souhaitable. Dans une installation solaire,la décharge journalière moyenne correspond au déficit entre la production et la consommation journalière (idem pour décharge saisonnière). La profondeur de décharge maximum se situera en hiver, son seuil ne doit pas être dépassé et il se situe en général entre 50 et 80% de la capacité pour les batteries Pb/acide généralement utilisées dans les installations photovoltaïques (voir notice constructeur).La profondeur de décharge maximum autorisée est bien supérieure à la profondeur de décharge journalière qui n'est que de quelques % de la capacité nominale et elle dépend aussi de la température d'utilisation la plus basse. - 62 - 5314 : Durée de vie. Elle est caractérisée par le nombre de cycles charge /décharge qu'elle supporte tout en gardant sa capacité. On peut alors parler d'ampère-heure cycle. La batterie STECO 3000 (voir notice constructeur en annexe) de 105 Ah sous 12V autorise 30000 ampère-heure cycle soit 600 cycles à 50% de décharge ou 1000 cycles à 30% de décharge. La performance en cyclage dépend de la profondeur de décharge; pour cette raison, dans une installation PV, le taux de décharge journalier ne doit guère dépasser les 10% de la capacité. 5315 : Influence avec la température. Une température élevée augmente la capacité mais diminue la durée de vie, elle augmente aussi la consommation d'électrolyte. L'autodécharge augmente avec la température. Il est souhaitable qu'une batterie Pb/acide soit mise en service dans un local ou les variations de température ne sont pas trop importantes. Les tensions de floating, d’égalisation et de fin de charge varient avec la température (de 2 à 5mV/°C/élét 2V, en fonction du type de batterie utilisée) 5316 : Taux de charge/décharge. Le taux de charge ou décharge s'exprime en C/X , X : chiffre entre 1 et 20. X=10 correspond au taux de charge/décharge standard des batteries stationnaires Pb/acide. Pour une batterie Pb/acide : La réaction chimique est la suivante : Pb + PbO2 +2H2SO4 décharge_ 2PbSO4 + 2H2O Charge Les batteries libèrent d'abord de l'oxygène puis de l'hydrogène quand elles atteignent la tension de pleine charge; quand le taux de charge est élevé,l'oxygène et l'hydrogène n'ont pas le temps de se recombiner pour former de l'eau. Pour cette raison, les batteries doivent être installées dans un local ventilé et aucune flamme ou étincelle du au soudage ou meulage n'est autorisé dans le local réservé à la batterie. Le taux de charge max est donné par le constructeur de batterie, tout taux de charge inférieur peut être envisagé. - 63 - Notion de floating : une batterie exploitée en floating ne fournit aucun courant, elle reçoit un courant nécessaire et suffisant pour la maintenir en pleine charge (2.20 V/elét2V). Le courant de floating est inférieur au 1/1000 de la capacité pour une batterie chargée, il est significatif de l'état de vieillissement de la batterie et augmente avec celui-ci. Notion d'égalisation: une batterie exploitée en égalisation est une batterie qui reçoit un courant de charge ou d'égalisation (on égalise les densités des différents éléments de la batterie) ne dépassant pas I.C/10 et dont la tension ne dépasse pas un certain seuil de charge. Une batterie solaire ne travaille ni en floating ni en égalisation de façon permanente, la charge est variable, elle dépend de la taille du générateur solaire, de la nature de l'ensoleillement qui varie au cours de la journée et des caractéristiques électriques du régulateur de charge utilisé. 5317 : Taux d'autodécharge. C'est le taux en pourcentage d'énergie perdue quand la batterie est au repos. Un taux d'autodécharge trop élevé diminue les performances d'un système PV. Il est fonction de la nature des matériels utilisés dans la fabrication des plaques positives et négatives de la batterie; les plaques utilisant le Pb calcium induisent un taux d'autodécharge plus faible que celles utilisant le Pb antimoine. Pour exemple, la batterie STECO 3000 conserve 75% de sa charge après 6 mois d'isolement. 5318 : Densité. La densité de l'électrolyte d'une batterie mesurée avec un densimètre, composée d'acide sulfurique est très représentative du taux de charge, en général 1.28 pour une batterie bien chargée à 1.18 pour une batterie déchargée à 80% (voir spécification du constructeur et variation ave température). Lors de la mesure des densités, les règles de sécurité inhérentes à ce genre de manipulation doivent être scrupuleusement observées (local ventilé et aucune flamme ni fumeurs à proximité, manipulateur habillé de vêtement anti- électricité statique). 5319 : Taille, poids et nature. Les batteries sont en général des éléments lourds, difficilement transportables. Les batteries étanches sont de maintenance et d'installation plus aisée. Le rapport poids/énergie et volume/énergie est et reste élevé malgré les efforts des constructeurs dans ce domaine et ce quelque soit la technologie utilisée. Par exemple, c'est principalement la raison du faible développement du véhicule électrique. 53110 : Coût. C'est souvent le coût qui détermine le choix de la batterie. Bien que les batteries Cad/nickel offrent de bien meilleures performances que les batteries Pb/acide, elles sont très peu utilisées dans les applications PV classiques car leur coût initial est bien plus élevé. Par contre, elles conviennent parfaitement pour des applications où la température ambiante est très basse. 53111 : Sécurité. L'installation et la maintenance des batteries doivent s'accompagner du plus grand soin. Les fusibles utilisés aux bornes des batteries sont des fusibles à haut pouvoir de coupure et quand un des pôles de la batterie est mis à la terre,un fusible HPC au moins doit être connecté entre la terre et la batterie. - 64 - Schéma: Ventilation forcée pour les salles renfermant les batteries non étanches. 532 : Critères de sélection d'une batterie. - caractéristiques de charge, résistance interne - autonomie, maximum de profondeur de décharge - taux de décharge max, d'autodécharge - température du lieu d'installation - durée de vie estimée - périodicité et nature de la maintenance - Type: étanche ou pas - poids, taille, densité de stockage énergétique - visualisation aisée ou non du niveau d'électrolyte - Etat des bornes de connexion (connexion aisée ou pas) - Réputation du constructeur, coût et garantie. 533 : Spécification et données d'un constructeur de batterie. L'étude sera limitée à la description de la fiche technique de la batterie stationnaire à plaque positive tubulaire Hawker. (Voir annexe I) et à la batterie Cd/Ni Sunica SAFT 54 : Le régulateur. 541 : Les différents types de régulateurs. Très peu de systèmes PV peuvent se passer de régulateur de charge, cela peut cependant se concevoir pour de petits systèmes ou la charge électrique est faible et constante et où le courant de charge est limité à C/50 pour une batterie classique et C/100 pour une batterie étanche ou encore dans certains cas particuliers si la batterie est du type Cad/Ni , batterie qui peut supporter une charge permanente du générateur solaire. Le régulateur a pour fonction de gérer la charge et décharge batterie, il permet donc un transfert optimum d'énergie entre le générateur solaire et la batterie tout en minimisant le cyclage et en protégeant la batterie de la surcharge ce qui provoquerait un vieillissement prématuré. Rappel sur le principe de régulation en courant et en tension de la charge des batteries. Classiquement, quand une batterie est déchargée, la recharge s'effectue d'abord en limitation de courant IC/10 puis quand la tension augmente la limitation s'effectue ensuite en tension (2,4 V/élément de 2 volts pour batterie Pb/acide). Avec les générateurs solaires la limitation en courant s'auto effectue par les caractéristiques du générateur solaire (I solaire max < I.C/10 de la batterie). - 65 - 542 : Principe de charge des batteries au Pb/acide Source : Trace Engineering Les régulateurs de charge contrôlent dans le temps la tension batterie, son courant entrant, sortant et la température. Régulateur SERIE (Doc: The solar electric house) Ce régulateur possède un élément de commutation (relais,transistor bipolaire,mosfet,thyristor...) qui est placé entre le panneau solaire et la batterie,il est commandé par une électronique qui contrôle la tension et courant batterie. L'avantage de ce type de régulateur est qu'il puisse facilement commuter de forts courants sans dissipation interne d'énergie, que la diode de blocage n'est pas toujours nécessaire. Par contre, l'inconvénient est que l’élément de commutation si c’est un relais électromécanique est un élément à durée de vie limitée et qu'une chute de tension est inévitable lors de l'utilisation de composants électroniques comme élément de commutation. - 66 - Régulateur SHUNT (Doc: The solar electric house) Source : Générateurs solaires d’électricité de Solar Power Corporation Certains constructeurs de régulateurs intègrent la fonction test des différents seuils de tension que mesure le régulateur et ce, sans appareil de mesure spécifique. Pour y parvenir, lors de la fonction test, la charge est déconnectée et les modules solaires joue le rôle d'alimentation stabilisée, ils se trouvent mis en position circuit ouvert donc à tension la plus élevée. Les différents seuils de tension sont testés au moyen de voyants éteints ou allumés. Cette particularité, trop peu utilisée par les constructeurs de régulateurs, apporte une réelle aide à l'exploitation surtout quand la vérification des installations est effectuée par un personnel peu qualifié ou dans un site très isolé et sans appareil de mesure externe. Quand la tension du module devient plus élevée que celle de la batterie, la charge commence; quand la tension de la batterie atteint un niveau haut, le transistor du régulateur conduit (mode shunt) et court-circuite à travers une résistance ou directement (technique shunt à découpage de type PWM) le module solaire. Dés que la tension batterie diminue au dessous d'un certain seuil le transistor se retrouve bloqué et aucun courant ne traverse la résistance shunt, toute l'énergie produite par le module solaire va à la batterie. - 67 - Régulateur à commande séquentielle Source : Solar cells Martin A.GREEN Ces régulateurs sont utilisés pour les gros systèmes PV. Le champ solaire est divisé en sous ensembles qui sont contrôlés séparément. Quand l'état de charge est atteint, un puis plusieurs sous ensembles sont déconnectés, l’inverse est aussi vrai, le ou les sous modules sont reconnectés quand l'état de charge de la batterie diminue et qu'une recharge est nécessaire. Un des avantages de ce type de régulateur est qu'une panne dans une branche n'affecte pas le bon fonctionnement des autres branches ; l'élément de commutation d'une branche est souvent un thyristor qui bien dimensionné est un commutateur très fiable, il joue aussi le rôle de diode anti-retour. Les options. - Limiteur de décharge : coupe la charge en cas de tension batterie basse (protection de la batterie). - Voltmètre, ampèremètre, ampèreheuremètre. - carte ampéreheuremétrique gérant les charges, décharges avec facteur de correction : le régulateur mesure le courant de décharge et autorise la recharge proportionnelle à la décharge. - Compensation en température des seuils de détection de tension batterie. - Alarme ou téléalarme autorisée. - Protection efficace contre les surtensions atmosphériques et immunités des seuils de détection vis à vis des transitoires. - Fonction MPPT (maximum power point tracker). Bien que le nombre de cellules connectées en série dans un module solaire soit calculé initialement pour la recharge de batteries (30 à 40 cellules suivant les constructeurs) le transfert d'énergie n'est pas optimum suivant qu'on est au début ou en fin de charge. Avec le régulateur MPPT qui est un convertisseur à découpage DC/DC de puissance on palie à cet inconvénient .Par contre, il faut compter avec le propre rendement du convertisseur, sa fiabilité, son coût et sa disponibilité sur une gamme de puissance étendue. Il est intéressant d’utiliser cet équipement quand la distance modules solaires/batterie est importante. Le transfert d’énergie peut s’effectuer à plus haute tension et donc à perte optimisée. On pourrait très bien mettre 10 modules PV en série pour recharger une batterie de 12v. - 68 - 55 : Onduleur L’onduleur est un convertisseur DC/AC 230V. Onduleur synchrone/ Onduleur isolé. 551 : Onduleur isolé : L’onduleur isolé transforme le courant continu stocké dans une batterie en un courant alternatif 230V/50Hz, il doit avoir les qualités suivantes : - pertes à vide et en charge faibles - rendement optimum sur toute la gamme de puissance - fiabilité importante - stabilité en fréquence - aptitude à fournir des surcharges transitoires (démarrage de moteurs par exemple) - faible taux de distorsion harmonique - réversible (fonction chargeur) - reconnaissance d’une charge électrique même faible donc mise en marche automatique - intégration de la fonction régulateur et gestion d’une autre source alternative (station hybride). Les progrès des onduleurs se sont accompagnés du progrès de l’électronique de puissance et des microprocesseurs (transistors Mosfets ;IGBT,transfo HF). A l’heure actuelle l’onduleur est très utilisé pour l’électrification des sites isolés, cela facilite l’utilisation de tous les appareils électriques conventionnels. - 69 - Nature du signal électrique RMS : root mean square ou valeur efficace 552 : Onduleur synchrone : L’onduleur synchrone est utilisé pour réinjecter au fil du soleil sur un réseau électrique l’énergie provenant des modules solaires. Il intègre obligatoirement la fonction MPT et pour le couplage au réseau EDF français il doit en ce qui concerne la protection de découplage être conforme à la norme allemande DIN VDE 0126 (obligation législative). Principe onduleur synchrone - 70 - Fonction de transfert Principe du découpage haute fréquence : En découpant à haute fréquence la tension du générateur solaire, on construit une tension sinusoïdale Pendant la durée de conduction des commutateurs électroniques (transistors bipolaires, transistors MOS, IGBT) l’énergie provient du générateur solaire et du condensateur. Pendant la période de non conduction, l’énergie produite par le générateur est emmagasinée dans de condensateur. Modulation M=1 - 71 - Modulation M= 0.5 Les transistors Q1 et Q4 réalisent l’alternance positive et les transistors Q2 et Q3 l’alternance négative. 553 : Onduleur utilisé pour les pompes solaires centrifuges immergées. Ce sont des onduleurs triphasés à fréquence variable. La fréquence et donc la vitesse du moteur immergé varie avec l’intensité du rayonnement solaire incident (démarrage de la pompe sous faible ensoleillement). - 72 - Doc : Université polytechnique de Madrid L’étude pratique de la performance hydraulique et électrique se fait sur banc de test Composé de : - un réservoir - des manométres controlant la pression donc simulant une hauteur manométrique - un débimétre - votmétre, ampéremetre, wattmétre et acquisition de données - 73 - VI- LE DIMENSIONNEMENT. 61 : La procédure de dimensionnement. Si l'énergie solaire photovoltaïque est gratuite hors frais d'investissement et de maintenance, elle est aussi mesurée par la taille du générateur. Les étapes de la procédure de dimensionnement sont les suivantes: - quantifier la demande électrique moyenne, journalière et mensuelle. - déterminer l'énergie solaire incidente. - déterminer et quantifier le stockage batterie. - calculer la charge électrique et l'énergie solaire du mois le plus défavorable. - calculer la puissance électrique du générateur solaire et sa surface. - choisir le régulateur puis l'onduleur si nécessaire. - estimer la durée de vie des différents éléments du système - analyse économique. La procédure de dimensionnement étudiée ici ne s'applique qu'au système générateur solaire/batterie de stockage,elle est un peu différente si le système de production d'énergie électrique est hybride ou composé d'un système PV fonctionnant au fil du soleil,donc sans batterie de stockage. 62 : Le pré dimensionnement. C'est un dimensionnement grossier mais qui peut être, dans bien des cas, suffisamment représentatif pour concevoir bon nombre d'installations solaires. Exemple de la valeur du gisement solaire de Lannion sur 3 années consécutives (valeurs mesurées): Moyennes de l'ensoleillement en w/m² 260 240 220 180 160 140 120 1997 1998 1999 2000 100 80 60 40 20 document FT/RD Lannion - 74 - Décembre Novembre Octobre Septembre Août Juillet Juin Mai Avril Mars Février 0 Janvier Moyennes (W/m²) 200 Prenons un exemple : Maison isolée (Nantes latitude 47°N) avec batterie de stockage Pb/acide et sans source auxiliaire (solaire PV seul et autonomie de 100%). Rendement onduleur:0.8 Tension batterie: 24V Utilisation 5 lampes30W réfrigérateur télévision eléctroménager Divers Puissance Rendement P réelle Temps Utli Consommation 150 W 80 W 55 W 200 W 50 W 1 0.8 1 0.8 0.8 150 W 100 W 55 W 250 W 62 W 3H 3H 2H 0.25 H 1H 450 Wh 300 Wh 110 Wh 62 Wh 62 Wh Total: 984 Wh Puissance moyenne : 984/24=41W *) le rendement de 1 correspond à une alimentation en 24 volts *) le rendement de 0.8 correspond à une alimentation en 220 V. - Consommation totale par jour : 41 AH - Consommation crête (démarrage de moteur exclus) en énergie continue: 205 W - ------------------------------ alternative: 412 W - Consommation totale: 984 WH 621 : MODULE SOLAIRE. La puissance crête à installer est donnée par la relation : Pc = K. Pm/Gi Pm = puissance moyenne consommée Gi = moyenne du rayonnement solaire reçu sur un plan incliné en KWH/M²/J pour les 3 mois les plus défavorables, c'est-à-dire novembre décembre janvier pour la France métropolitaine. On peut aussi prendre seulement l’ensoleillement du mois le plus défavorable, mais dans ce cas on fiabilise plus. Dans l’exemple la valeur de Gi est donnée par le logiciel Meteonorm (Annexe VII). Le tableau ci-dessous résume les valeurs d’ensoleillement pour différents plans inclinés. Inclinaison modules Janvier Février 70° 42 64 60 43 66 50 43 66 40 42 66 0 31 51 Novembre Décembre Moy/mois J-N- D Moy/jour J-N-D 58 42 47.3 1.57 59 43 48.3 1.61 58 43 48.3 1.61 58 41 47 1.36 40 28 33 1.1 - 75 - K = 38 ce coefficient prend en compte : Le vieillissement et la salissure des modules photovoltaïques La dispersion de la caractéristique des modules Erreur sur données météo Le rendement de charge batterie La perte de puissance au point de fonctionnement en charge de la batterie La nature du sol La température ambiante Dans l’exemple Pc = 38 x 41 / 1.61 pour une inclinaison des panneaux de 50-60° Pc = 968 Wc - Modules solaires choisis: Siemens M55 -55 Wc N = Pc/55 N = 17.6 En pratique N = 18 soit 9 séries de 2 modules par série Nota : Pour une installation hybride avec GE ou éolienne, l’angle d’inclinaison serait-il le même ? Discussion. Etude et bilan de la production d’énergie électrique d’un générateur solaire, d’une petite éolienne pour le mois de décembre 1996 à Lannion. Bilan d'énergie en déc 96 (pire mois sur 4 ans) Alimentation 50 W utile permanent PV1 : 1270 Wc + 214 Ah PV2 : 1650 Wc + 214 Ah 10000 120 9000 100 8000 7000 5000 60 4000 40 % charge batterie source en Wh/j 80 6000 Energie éolienne Energie PV wh/j bilan PV1 + 200 Ah bilan PV2 bilan PV1+eolien 400 W bilan PV1 3000 2000 20 1000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 jours document FT/RD Lannion dans ce cas,pour ce site , il faut mieux rajouter 380 Wc de panneaux solaires q’une petite éolienne 400W ou une batterie de 200AH d’autant plus que c’est le panneau solaire l’élément le plus fiable des 3 (batterie/petite éolienne/panneau solaire). Discussion. Discussion si un groupe électrogène était installé. - 76 - 622 : BATTERIE : Le dimensionnement de la batterie tient compte du calcul du déficit énergétique maximum pendant la période la moins ensoleillée et de la durée de la période non ensoleillée. On détermine l’autonomie de la batterie Le calcul de la capacité batterie doit prendre en compte : - le type de la batterie utilisée - son régime de décharge - autodécharge - vieillissement - profondeur de décharge - la température ambiante et le type de bâtiment utilisé C = Cb x Pm x A x 24 Un Temp °C Cb - 20 2.4 -10 1.46 -5 1.37 0 1.32 +5 1.28 +10 1.24 +25 1.17 A : nombre de jours Dans l’exemple ci-dessus : C = 1.28 x 41 x 10 x 24 24 = 524.6 AH Ratio 41/525 =7.8%.de décharge batterie maximum (sans soleil) si A=5 C=262.3 AH Ratio 41/262.3=15.6% L’autonomie batterie A varie suivant : -le site considéré (latitude) -décharge profonde autorisée -le temps d’accès au site (installation isolée et sans personnel ?) -le cyclage journalier et saisonnier autorisé et donc sa durée de vie. - en pratique A=5 minimum LATITUDE JOURS DE STOCKAGE 0-30° 30°-40° 40-50° 50° 5-10 10-15 15-20 20 La capacité théorique calculée est à rapprocher de celle immédiatement supérieure chez le constructeur choisi. 6.3 : Dimensionnement des installations PV couplées réseau sans batterie de stockage. La production électrique d’origine solaire représente souvent q’une partie de l’énergie électrique consommée, dans ce cas on s’attache plus au ratio Pc installée/ KWH fourni par an. Dans l’ouest de la France on considère que 1Wc installé fournira 1 KWH alternatif par an . - 77 - 6.4 : Di A O ou dimensionnement assisté par ordinateur. Les logiciels de dimensionnement des installations solaires des universités, centres de recherche entreprise spécialisée traitent plus finement principalement des paramètres suivants : Données d’ensoleillement min, max, moyenne ; min, max moyenne sur période de x jours. Température ambiante, min, max Facteur de réflectivité du sol en % (Ex : neige : 75%, herbe sèche : 20% ; toit bituminé : 13%) Perte dans les câblages, diodes de blocage Le profil de la charge DC, AC, temps d’utilisation Rendement batterie, autodécharge, maximum DOD, facteur de température batterie Facteur de puissance des modules en fonction de la température, de l’azimut, des ombres portées quand il y en a. 641: SIZEPV Sizepv est le nom d'un logiciel américain de dimensionnement des installations photovoltaïques mis au point par les SANDIA LABORATORIES d'Albuquerque. 642 : PV Designer Logiciel de Siemens Solar 643 : PVSYST Logiciel de l’université de Genève 644 : DIMSOL et SOLHYBRI Logiciels France Telecom : solaire pur et hybride 645 : conclusion L’énergie solaire incidente est variable chaque jour et chaque année et entre les différents logiciels de dimensionnement sur le marché on note des résultats souvent assez différents du d’une part aux conceptions personnalisées et d’autre part aux difficultés de quantifier l’énergie radiative du soleil tant sur le plan horizontal que sur plan incliné. - 78 - VII - CABLAGE. 71 : Les normes électriques. Les installations solaires photovoltaïques sont des installations électriques et par conséquent comme toutes les installations électriques elles doivent être conformes aux normes édictées par l'AFNOR (association française de normalisation). - NFC 15-100 : Installations des équipements basse tension On peut aussi citer : - NFC 58311 (mars 1990) : procédure d’essai des ensembles redresseurs chargeurs batterie - NFC 58510 (janvier 1992) relative aux batteries destinées au stockage de l’électricité photovoltaïque. - UTE C 18910 (novembre 1988, mise à jour 1991) : recueil d’instructions générales de sécurité d’ordre électrique 72 : Les câbles électriques. Les câbles recommandés pour le câblage des modules solaires ont les caractéristiques suivantes : - Température d’utilisation de -40°C à +125°C - Tension nominale 600/1000V - Surcharge en court-circuit jusqu’à +280°C - Bonne résistance aux agents atmosphériques (UV, ozone, hydrolyse) - Cuivre étamé - Facile à dénuder et à installer - Résistance à l’eau et aux huiles - Très peu de dégagement de fumée en cas d’incendie - Pas dégagements de gaz corrosifs - Flexible - Pas de fluage à froid 73 : Taille des conducteurs électriques. 731 : Chute de tension. 2 Perte câbles = Somme de R câbles x I max La section des câbles de liaison tient compte de leur longueur, de la valeur du courant maximum et de la chute de tension admise. Le calcul d’une section en mm² de câble en cuivre est obtenu par la formule suivante : Sc = 0.0175 x L x I /U U : chute de tension autorisée (dépend de la tension nominale, 3 à 5% de la valeur nominale est la valeur la plus courante) L : longueur aller et retour I : intensité maximum prévue Autre valeur à retenir : la chute de tension pour les câbles de cuivre est de : 32mVx A x m/mm² On remarque aisément que la valeur de la section, à pertes égales, est inversement proportionnelle au carré de la tension. On remarque aussi aisément que la très basse tension - 79 - n'autorise le transport d'énergie à perte réduite que pour des puissances relativement faibles. 732 : Courant de surcharge, de court-circuit, pouvoir de coupure. Pour un module solaire la tension à prendre en considération est celle en circuit ouvert et le courant est celui de court-circuit. Notons que le courant nominal de fonctionnement d’un générateur solaire PV est aussi son courant de court-circuit quand il est éclairé sous une énergie radiative de1KW/m². Un fusible ou disjoncteur mis dans le générateur solaire n’est qu’un point de coupure et non une protection au sens habituel. 74 : Notion de connectique électrique adaptée aux systèmes PV. Entre deux conducteurs sous tension, s’établit un champ électrique dont la puissance augmente en fonction de la tension et diminue en fonction de la distance entre les conducteurs. Lorsque cette distance est très petite, l’air est ionisé par l'augmentation du champ. Pour le courant alternatif, le champ change de sens 100 fois par seconde et disparaît au passage à zéro. Pour le courant continu, par contre, l’effet d'ionisation n'est pas interrompu. Le danger de provoquer un arc électrique est dans ce cas beaucoup plus grand. Pour les applications habituelles du courant continu, ce ne serait pas très grave car la formation d'un arc électrique a la caractéristique d'un court-circuit. Les dispositifs de protection, par exemple des fusibles ou des disjoncteurs, entrent en action dans ces cas-là. Un générateur PV a un courant de court-circuit égal au courant de fonctionnement et il ne peut donc y avoir de fusibles qui effaceraient le court-circuit. Lors de la formation d'un arc électrique, des températures de 1000°C peuvent être atteintes. Les pièces métalliques commencent à fondre et l'isolant environnant commence à brûler. Les travaux de montage exigent donc une attention particulière. Vérifier qu'aucun contact électrique ne soit défectueux et que l'isolement soit parfait. Un contact électrique défectueux est un contact résistif qui dégage de la chaleur. L’effet de la chaleur est cumulatif et le risque d’incendie augmente. Notion de corrosion électrochimique. doc : A Ringnet -installation PV en bordure de mer 2kms de la mer - 80 - La corrosion est la destruction d'un métal à partir de la surface par une transformation chimique. Pour qu'une corrosion électrochimique se développe, il faut : *) un élément comportant deux métaux différents *) un raccordement conducteur entre les deux métaux *) un électrolyte pouvant entrer en réaction chimique avec le métal sous forme d'ions. Le point de contact n'a pas besoin d'être submergé par une grande quantité de liquide. Une mince couche d'humidité suffit déjà, comme celle occasionnée normalement par la condensation de l'humidité atmosphérique. La vitesse de corrosion dépend largement de la nature de l'électrolyte (air marin). Si à l'action due à la différence du potentiel entre les deux métaux s'ajoute un courant continu extérieur, alors la vitesse de la réaction électrochimique peut être multipliée par un facteur 100. Pour éviter la corrosion électrochimique dans les installations PV, il faut protéger les contacts contre l'humidité et dans le cas d'installations à courant continu sans mise à la terre, il faut contrôler le dispositif de surveillance de court-circuit. Les modules sont des matériels qui subissent tous les outrages des conditions climatiques. Un bon serrage ou vissage au niveau de chaque point de connexion doit être vérifié lors du montage et les connecteurs ou fiches devront être de même nature que ceux utilisés dans les modules. Certains constructeurs de modules fournissent une graisse silicone isolante et neutre que l'on peut appliquer sur les contacts de la boîte de connexion. Elle est plus particulièrement recommandée pour les installations des climats chauds et humides. 75 : Mise à la terre – Plan de masse 751 : Conformité avec la norme. Aux USA les articles 690-41,690-43,250E, imposent la mise à la terre d'un des deux conducteurs si la tension du système est supérieure à 50V. Toutes les parties métalliques ne transportant pas le courant doivent être mises à la terre (supports, boîtes de jonction, partie métallique des appareils). Un champ solaire dont aucun des conducteurs transportant l'énergie électrique n'est mis à la terre est dit flottant. En France, la norme relative aux installations des équipements basse tension est la NFC 15-100 . Régime de neutre retenu (Directives générales pour l’utilisation des énergies renouvelables dans l’électrification rurale décentralisée - EDF) Partie AC TT ou TN Partie DC Une polarité à la terre 752 : Courant de fuite. La mesure des courants de fuite s'effectue en mesurant alternativement le courant entre la borne positive puis négative du module et le cadre. Cette mesure peut aussi être effectuée pour une série de modules connectés en série. La valeur des courants mesurés sur la borne plus et moins donnera des renseignements sur la localisation du module en défaut. - 81 - doc : Résidential PV System Handbook (Miles C. Russel). - 82 - 76 : Protection contre les surtensions atmosphériques. 761 : Généralité Sensibilisation aux dégâts occasionnés par la foudre directe et induite. En comparaison de bien des pays, la France est assez peu exposée à la foudre et pourtant tout le monde a connu des dégradations des systèmes électriques dues à la foudre. Nombre d’impacts foudre/km²/an - source : Nasa - 83 - Prenons l’exemple d’un câble aérien long de 500m. La moyenne nationale de l’intensité du courant de foudre est de 25KA pour les impacts A et B les graphes ci-dessus donnent la valeur des tensions en mode commun obtenues sur les paires du câble pour un impact foudre situé à 250 m puis 50m du câble. Cela montre qu’en cas d’impact foudre proche, les surtensions induites peuvent atteindre des valeurs considérables. Effet d’un coup de foudre : - Effet de claquage dans le sol L’écoulement d’un courant de foudre dans le sol soit directement soit via une structure d’écoulement est associé à un champ électrique intense dont l’amplitude atteint généralement des valeurs suffisamment importantes pour produire des claquages diélectriques dans le sol au niveau des structures enterrées ; - Conduction dans les structures métalliques Cette conduction se manifeste par des effets thermiques et électrodynamiques. Le courant de foudre peut engendrer de fortes élévations de température des conducteurs (fusion, percement). - Elevation de potentiel de sol du site et conduction dans les structures externes. La circulation d’un courant de foudre dans le réseau de terre engendre une forte élévation de potentiel du sol et des différences de potentiel dans le site dés lors qu’il n’y a pas de réseau masse/terre assurant l’équipotentialité. Les différences de potentiel peuvent atteindre des valeurs très élevées (I foudre grand et di/dt grand) dés lors que l’on prend en compte l’impédance et non plus seulement la résistance de la prise de terre. Les valeurs élevées du courant de foudre donnent lieu à des champs magnétiques intenses aux voisinages des conducteurs traversés. La raideur du front de courant de foudre (dI/dt) peut engendrer dans les boucles métalliques (une descente de paratonnerre est une boucle de courant par exemple) des effets d’induction observables sur de grandes longueurs. A l’intérieur d’un bâtiment, les surtensions sont générées par couplage des installations intérieures avec le champ - 84 - électromagnétique engendré. 762 : Mise à la terre. Le premier rôle d’une prise de terre est la protection des personnes contre les risques d’électrocution. Les règles de protection contre les chocs électriques limitent la tension de contact à une valeur conventionnelle limite de sécurité. Ce n’est pas la résistance de la terre qui rend une installation sûre mais l’équipotentialité des masses directement accessibles. Même en schéma TT (distribution publique EDF pour les particuliers) ce n’est pas la d.d.p par rapport à la terre lointaine qui importe mais l’équipotentialité des masses. La terre des masses est si peu de sécurité que les outils de jardin sont obligatoirement en double isolation. La NF C 17-100 est la norme de protection contre la foudre et installations de paratonnerre Lors de l’écoulement d’un courant de foudre dans un conducteur, des différences de potentiel apparaissent entre celui-ci et les masses métalliques proches. Des amorçages peuvent se produire. La mise à la terre concerne à la fois les équipements qui véhiculent le courant (générateurs,conducteurs électriques...) dans le cas de systèmes dits "non flottants" et les parties métalliques ou ensemble du système qui n'ont pas fonction de véhiculer le courant électrique. La mise à la terre a pour but de protéger les personnes, de maintenir au potentiel zéro (notion d'équipotentiel) le matériel ainsi raccordé et de pouvoir évacuer à la terre un courant de défaut dans le cas de mise en oeuvre de dispositifs de protection appropriés. * Les parties métalliques ne transportant pas le courant électrique doivent être mises à la terre. Il s'agit des supports boîtes de jonction, boîtes de raccordement et coupure etc. * La continuité métallique de la mise à la terre doit être assurée entre tous les modules, même si, pour une raison quelconque, un ou plusieurs modules étaient retirés pour maintenance par exemple. * La taille du conducteur de terre sera calibrée en fonction du courant maximum fourni par le système PV et respectera la norme spécifique à la construction des réseaux de terre * la mise à la terre d'une seule polarité (+) ou (-) du générateur solaire (courant continu) n'est pas toujours faite ni même recommandée et le système est dit alors "flottant" * pour les systèmes télecom en France le +48V est relié à la terre. 7621 : Exemple : Station Télécom La plupart des systèmes ou installations comportant un générateur solaire PV sont constitués de réseaux ou sous systèmes. La référence de potentiel se doit de former un réseau unique et commun - 85 - à tous les systèmes interconnectés qui doivent avoir leurs masses interconnectées afin de se rapprocher de la meilleure équipotentialité possible. Cette notion d’équipotentialité est fondamentale et pour s’en convaincre prenons une analogie simple. Une cage de Faraday constitue l’interface entre deux régions de l’espace. Elle doit être aussi équipotentielle que possible. La moindre discontinuité (fente, trou, joint…) dans le blindage constitue une faille dans cet équipotentialité. Il existe une relation directe entre les caractéristiques physiques de la discontinuité et la dégradation des qualités de l’équipotentielle. Il en est de même pour le réseau de masse, plus celui-ci est dense, maillé, continu, plus il est efficace. Reprenons l’exemple de la cage de Faraday en imaginant que nous ayons un système constitué de plusieurs entités devant être interconnectées. Deux entités constituent au moins un système et entre les deux cages il y a des câbles d’énergie ou de données .Il serait aberrant d’avoir construit à grands frais deux cages sans en enfermer le câble d’interconnexion dans une troisième. Pour que les deux équipotentielles d’extrémité le restent entre elles, il faut une liaison à basse impédance entre les masses des deux cages et cette liaison doit constituer une troisième cage. Le principe est d’éviter les différences de potentiel entre les structures composant le site. L’équipotentialité est obtenue en reliant entre elles et le plus directement possible toutes les parties métalliques et/ou prises de terre des différentes infrastructures présentes sur le site (pylône, panneaux solaires, réseau de masse du bâtiment) .L’interconnexion est faite avec un conducteur de 50mm² et méplat étamé de cuivre de 30x2 mm. Tous les câbles extérieurs seront mis dans un chemin de câble métallique. Tous les chemins de câble métallique seront reliés entre eux et connectés au réseau de masse. A l’intérieur du local abritant les équipements électriques et électroniques tous les coffrets muraux seront raccordés au réseau de masse. Voir schéma ci-dessous. - 86 - doc : A Ringnet sur générateur EPFL Lausanne mise au réseau de terre des supports de panneaux Interconnexion des réseaux de masse chemin de câble typique avec dalle marine - 87 - chemin de câble constitué de dalle marine galvanisée Mise au réseau de terre de tous les écrans de câbles masses interconnectées - 88 - 753 : Parafoudres - Eclateurs - Varistances - Diodes. La protection est de plusieurs types: * les éclateurs et parafoudres véhiculent la plus grosse partie de l'énergie à évacuer. Ils sont placés le plus prés de l'équipement à protéger. Les temps d’amorçage sont longs. * varistances. Ce sont des composants caractérisés par leur tension d'amorçage, le courant et l'énergie maximum transportable. Les temps de passage de l'état de repos à celui de conduction sont plus rapides que ceux des parafoudres. Ils sont placés pour assurer une protection en mode différentiel et en mode commun. * diodes. Les diodes de protection sont celles utilisées dans l'industrie électronique; ce sont des diodes TRANSILS ( Thomson) ou MOZORB ( Motorola); TRANZORB (General Instrument). Ces composants ont un temps de réponse très court. De plus, on peut connaître l’état après fonctionnement. 77 : Les instruments de contrôle. 771 : Les matériels. * voltmètre: mesure des tensions ou des courants si utilisation de shunts. * ampèremètre: mesure des courants; ils sont utilisés avec des shunts de calibre en rapport avec le courant à mesurer (ex: 20A - 100mV). * pince ampérométrique à effet hall; La mesure du courant s'effectue sans apporter de chute de tension ou perte * thermomètre: mesure des températures de modules et ambiante. * solarimétre pour le calcul du rendement et du vieillissement de l'installation. Solarimétre avec fonction intégrateur. * ampéreheuremétre : comptabilise les AH * wattheure mètre : comptabilise les WH. * système d'acquisition de données : utilisé pour les installations expérimentales ou pour une télésurveillance détaillée. Les convertisseurs analogiques/numériques surveillent les entrées analogiques (tension, courant...) et les entrées TOR (tout ou rien) permettent la surveillance des états (ex: état d'un contacteur, d’une alarme, d’un seuil) ; elles permettent aussi le télé comptage (entrée TOR câblée en compteur). Un système d'acquisition même simplifié comporte le plus souvent 2 à 5 entrées analogiques et plus d'une dizaine d'entrées TOR. Grâce à un modem incorporé, une télésurveillance peut être envisagée. *caméra infrarouge pour détection des points chauds sur les modules ou les différentes connexions et équipements. - 89 - VIII - LA MAINTENANCE. 81 : Maintenance et sécurité. La ou les personnes effectuant la maintenance doivent être sensibilisés aux problèmes de sécurité en général et à la notion de tension et courant de sécurité. Domaine de tension : Pour le panneau solaire, seul la tension en circuit ouvert est à prendre en compte et non la tension au point MPT ou la tension en fonctionnement. (Un panneau 12V a un Vco de 20V environ). Effet du courant alternatif (entre 15 et 100 Hz) -zone 1 : seuil de perception il est de l’ordre de 0.5mA -zone 2 : seuil de non lâcher, c’est la valeur maximale du courant pour laquelle une personne tenant des électrodes peut les lâcher. Dans cette zone le courant est perçu mais ne provoque aucune réaction. Il peut s’agir d’une simple secousse plus ou moins violente et localisée qui se dissipe plus ou moins rapidement. -zone 3 : seuil de fibrillation ventriculaire. Dans cette zone, la personne qui tient un appareil ne peut plus le lâcher à cause du phénomène de tétanisation électrique des muscles. La tétanisation dure tant que la personne est en contact avec le courant mais il n’y a pas de séquelles après interruption du courant. Si la contracture tétanique se manifeste dans les muscles du thorax, elle peut provoquer l’arrêt de la respiration. La victime s’affaisse et perd brusquement connaissance du à la tétanisation des muscles respiratoires. Dans ce cas, il est nécessaire que le contact se prolonge au moins trois minutes pour que le début d’asphyxie entraîne l’état de mort apparente. Si, par contre, le passage du courant est interrompu dans les 2 ou 3 minutes qui suivent, la respiration de la victime spontanément et la personne récupérera généralement très vite -zone 4 : le passage du courant peut provoquer une fibrillation ventriculaire du cœur pouvant entraîner son arrêt. La fibrillation ventriculaire du cœur est un état où les fibres du muscle cardiaque se contractent de façon anarchique ; Cet état entraîne la cessation complète de l’activité physiologique du cœur qui ne joue plus son rôle de pompe, il devient incapable de puiser le sang oxygéné dans l’organisme, en particulier au niveau du cerveau. - 90 - Cet arrêt de la circulation du sang entraîne essentiellement la perte de conscience puis l’arrêt respiratoire conduisant à l’état de mort apparente ; Courbe située dans la zone 3 définissant le temps maximal du passage du courant en fonction du courant passant dans le corps,pour assurer la sécurité dans des conditions statistiquement raisonnables. Effet du passage du courant dans l’organisme. Intensité du courant de Effet physiologique défaut 1A Arrêt du coeur 75 mA Seuil de fibrillation cardiaque irréversible 30 mA Seuil de paralysie respiratoire 10 mA Contraction musculaire (tétanisation) 0.5 mA Sensation très faible Effet du courant continu : En courant continu le seuil de fibrillation ventriculaire est beaucoup plus élevé. Le courant continu apparaît comme moins dangereux que le courant alternatif. Il est moins difficile de lâcher des parties conductrices tenues à la main qu’en présence de courant alternatif. seuil de fibrillation ventriculaire cc - ca - 91 - Effets thermiques : Un autre risque important lié à l’électricité est la brûlure qui est de deux types : - la brûlure par arc qui est une brûlure thermique du à l’intensité du rayonnement calorique de l’arc électrique. - La brûlure électrothermique, seule vraie brûlure électrique qui est du au passage du courant à travers l’organisme. Ce type de brûlure peut entraîner des dommages corporels internes irréversibles. La batterie est un réservoir électrochimique d'énergie électrique; lors de la charge, il y a dégagement d'hydrogène sous forme de gaz (risque d'explosion). Les activités dégageant des flammes ou étincelles sont plus qu'à déconseiller près des batteries. Prévoir un coffret pour le fusible HPC batterie. Les batteries Pb/acide contiennent une solution d'acide sulfurique qui attaque les vêtements, la peau et les yeux. En cas de projection,laver à l'eau ou si disponible, prévoir une solution adéquate vendue chez les spécialistes qui doit être mise en permanence à proximité dans le local batterie. Des gants sont recommandés pour la protection des mains et un tablier anti-acide pour celle des vêtements anti-statiques (étincelles même de très faible énergie = danger important prés d'une batterie). 82 : La maintenance. La maintenance est l'opération de vérification, d’entretien d'une installation. Pour un système PV une ou deux maintenances annuelles semblent être une périodicité moyenne. Il est recommandé de noter sur un petit cahier les anomalies ou modifications constatées entre deux maintenances (établissement d'un cahier batterie et/ou cahier de mesure et d'incident). 821 : Le câblage. - examiner les connexions en ce qui concerne la corrosion et le serrage (thermographie infrarouge pour détection des points chauds); un mauvais serrage d'une connexion de puissance augmente la résistance de contact puis l'énergie dégagée et donc la chaleur qui à son tour augmente la résistance. Vu la difficulté d'accessibilité des boîtes de connexion derrière les modules installés en toiture par exemple, la vérification du serrage et de l'état de la connexion peuvent se faire d'un point de vue statistique (une boîte sur dix par exemple). - mesurer et noter la chute de tension donnée par les câbles de puissance (la résistance augmente). - examiner l'état de l'isolant (câbles extérieurs surtout).Rayon de courbure maximum dépassé. - vérifier la mise à la terre de toutes les parties métalliques. fil électrique venant d’une pompe solaire en Haïti – vieillissement prématuré après seulement 2 années d’installation 822 : Le module solaire. *) inspection visuelle. - 92 - Station Télecom Egypte - vérifier soigneusement chaque module et son support. - vérifier l'état de fixation des modules sur leurs supports. Un nettoyage à l'eau peut augmenter significativement le rendement des modules si la pluie n'a pas fait le travail (autonettoyage d'autant plus important que l'inclinaison des modules est importante). - vérifier que la ventilation naturelle derrière les modules s'effectue correctement surtout si les modules sont montés en toiture. - l’angle d’orientation est-il conforme au cahier des recommandations d’installation Inclinomètre de charpentier - inspecter l'état de la végétation autour des modules (problème d'ombre durant la journée venant diminuer significativement la puissance moyenne journalière fournie).Dans l’exemple ci-dessous on voit que la végétation sur les côtés va diminuer les performances du générateur solaire. - 93 - Générateur France Telecom Sud de la France Pc=3576 Wc – En service depuis 1985 - vérifier l’état des parafoudres. *) mesure électrique. - - mesure du courant de court-circuit et de la tension en circuit ouvert de chaque module ou d'un groupe de modules (tenir compte du facteur température). Si lors de la mise en service un enregistreur de courbe U/I pour l'ensemble de l'installation a été utilisé, comparer la courbe de mise en service avec la courbe réelle mesurée lors de la maintenance et interpréter: modules ou groupes de modules série ou parallèle en défaut ou vieillissement des modules avec un facteur de forme dégradé. si le générateur solaire possède un système d’acquisition de données (par exemple intégré dans le régulateur) mesurant les différentes branches ; le total de production électrique de chaque branche doit être sensiblement de même valeur. Un trop grand écart mettrait en évidence le défaut de production d’une branche (problème de diode, de câblage, d’ombre…). - 94 - Nota: la mesure du courant délivré par un module solaire sera largement facilitée si l'on utilise une pince ampérométrique de calibre adéquat (pas de précision pour mesurer les faibles débits avec les pinces de calibre important) - pour une installation comportant plus d'un module en série vérification des diodes de blocage et des diodes shunts. 823 : La batterie. Se référer aux consignes des constructeurs. *) batterie étanche. - mesurer la tension en circuit ouvert et son courant de charge. - vérifier l'état de la connectique et nettoyer si nécessaire (graisse neutre). *) batterie non étanche. - vérifier le niveau d'électrolyte et rajouter de l'eau déminéralisée si nécessaire (Prendre en compte les problèmes d’approvisionnement sur sites exotiques isolés) - mesurer la densité de l'électrolyte et l'homogénéité des différents bacs. - vérifier l'état de la connectique et nettoyer si nécessaire (graisse neutre). - vérifier l’état de la ventilation (basse, haute et forcée). cosse batterie sulfatée - 95 - 824 : L'électronique. *) le régulateur. - vérifier, quand c'est possible, les différents seuils de tension. (Certains fabricants proposent cette fonctionnalité) ; les modules solaires qui ne débitent pas de courant ont une tension en circuit ouvert qui permet la simulation et le réglage de tous les seuils de tension. - vérifier l'état mécanique, état visuel des résistances pour les régulateurs shunts. - dépoussiérage/ état de la connectique - vérifier l'état des protections contre la foudre *) les appareils électriques. - se référer aux spécifications et recommandations des constructeurs pour les différents appareils. Mesurer le courant de repos de l'onduleur et la qualité du signal (taux de distorsion harmonique). 83 : Cas d'école d'une installation défectueuse. Jeu de questions/réponses entre moniteur et stagiaires - les appareils électriques ne fonctionnent pas - -------------------------- ------------ mal - niveau d'électrolyte bas ou baisse trop rapide - la batterie ne peut alimenter un récepteur ou tous les récepteurs - tension batterie au dessous d'un seuil défini du régulateur - baisse de tension batterie la nuit (même sans charge connectée) - tension n'augmentant pas ou trop lentement lors de la charge - bruits anormaux (collage/décollage d'un relais) - fusibles ouverts même après changement - pas de courant en sortie des modules ou courant trop faible - tension en sortie d'un ou des modules faible ou nul - ... - 96 - IX- PROGRES A ATTENDRE. 91 : Nouveau matériau et procédé de fabrication des modules solaires. Le but est de diminuer le prix en : -augmentant les rendements de conversion -travaillant sur des filières nouvelles -privilégiant les couches minces. Les photopiles couramment utilisées pour les installations supérieures à 100Wc sont celles utilisant la technologie du silicium cristallin. D'autres semi-conducteurs sont expérimentés par les constructeurs et laboratoires de recherche. Le professeur Graëtzel de l'EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) travaille sur la fabrication de photopiles bon marché à base de bioxyde de titane. Le professeur Nunzi de l’Université d’Angers travaille sur les photopiles plastiques. Le professeur Martin A Green de l’University of New South Wales de Sydney (Australie) sur les photopiles silicium polycristallin couche mince. Texas Instruments a mis au point des photopiles utilisant des microbilles de silicium métallurgique bon marché. La filière couche mince CIS,CdTe … …. Afin d'augmenter le rendement, les cellules couches minces et multicouches pourront peut être apporter une solution. Les temps de retour sur investissement en énergie nécessaire à la fabrication des photopiles qui sont actuellement de quelques années pourront diminués significativement avec les nouvelles méthodes de fabrication. doc : NASA .Le 13 août 2001 un nouveau record d’altitude de 96500 pieds soit 29400m fut atteint par le prototype d’avion solaire « Helios Flying Wing » mis au point par la société AeroVironment Inc pour le compte de la NASA. La longueur est de 75.3 m ,la vitesse de 40km/h avec un total de 17 heures en vol le 13 août 2001. véhicule électrique - 97 - module cristallin semi-rigide tuiles solaires Unisolar Panneau souple Unisolar grande taille - 98 - cellule solaire plastique Iowathinfilm 4.2V – 20mA module semi transparent japonais MSK Intégration du solaire dans le bâti (toiture et façade) maison japonaise doc : MSK - 99 - cellule à billes de silicium - doc : Photowatt Maison avec panneaux MSK Panneaux sur façade - doc : Fronius Autriche - 100 - 92 : Nouvelles formes de stockage de l’énergie électrique. Stocker l'électricité de façon aussi efficace comme on peut stocker l'eau ou l'essence est impossible à l'heure actuelle (énergie d'origine solaire PV ou autre). Dans les systèmes solaires, le stockage inter saisonnier (été pour hiver) est pratiquement impossible à mettre en oeuvre. Avec une pompe solaire fonctionnant au fil du soleil, on pourra stocker de l’eau plutôt que de l’électricité. Les nouvelles formes de stockage emprunteront peut-être les propriétés de la chimie d'intercalation à base de lithium : batteries légères développées au CNRS de Grenoble par Mr Michel Armand ou verra t-on naître les piles bactériennes (bio mimétisme) développées par Peter Bennetto du King's Collége de Londres ou un stockage sous forme d'hydrogène utilisant les piles à combustible (Schatz Solar Hydrogen Project à l'université Arcata en Californie et projet Hysolar en Allemagne). L'avènement de piles à combustible de faible puissance (alimentées en gaz naturel par exemple) et les groupes à moteur sterling pourraient avantageusement remplacer les groupes électrogènes des stations hybrides. Pile à combustible : principe - 101 - - 102 -
