INTRODUCTION

L’énergie photovoltaïque
Dossier réalisé par
Jean Pierre HOAREAU
Professeur d’électrotechnique
Lycée Georges BRASSENS
B.P 253 – 16 Avenue Georges BRASSENS 97493 SAINTE CLOTILDE CEDEX
SOMMAIRE
A. CAHIER DES CHARGES ...................................................................................................................... A-1
A.1. SERVICE A RENDRE ............................................................................................................................. A-1
A.2. CARACTERISTIQUES GENERALES DE L’ENERGIE................................................................................... A-1
A.3. LES EQUIPEMENTS ............................................................................................................................... A-1
A.4. LES BESOINS ENERGETIQUES ............................................................................................................... A-3
A.5. CONTRAINTES ..................................................................................................................................... A-3
B. SOLUTION TECHNOLOGIQUE ......................................................................................................... B-1
B.1. DIVERSES POSSIBILITES ....................................................................................................................... B-1
B.2. CHOIX TECHNOLOGIQUE ...................................................................................................................... B-1
B.3. CRITERE ECONOMIQUE ........................................................................................................................ B-1
C. L’EFFET PHOTOVOLTAÏQUE ........................................................................................................... C-2
C.1. PRINCIPE DE LA PHOTOPILE ................................................................................................................. C-2
C.2. LE MATERIAU. ..................................................................................................................................... C-2
C.3. L'EFFET PHOTOVOLTAÏQUE .................................................................................................................. C-2
C.4. LE RENDEMENT ................................................................................................................................... C-2
C.5. LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ........................................................................................................... C-3
C.6. LES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES ...................................................................................................... C-5
D. L’ENSOLEILLEMENT .......................................................................................................................... D-1
D.1. LE SPECTRE SOLAIRE ........................................................................................................................... D-1
D.2. LES SAISONS........................................................................................................................................ D-1
D.3. LA LATITUDE ....................................................................................................................................... D-2
D.4. VARIATION DE L’ENSOLEILLEMENT AU COURS D’UNE JOURNEE .......................................................... D-3
D.5. TABLEAU DE RAYONNEMENT GLOBAL QUOTIDIEN MOYEN .................................................................. D-4
D.6. GRAPHIQUES DU RAYONNEMENT GLOBAL QUOTIDIEN MOYEN ............................................................ D-5
E. DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME ................................................................................................ E-1
E.1. BESOINS ENERGETIQUES .......................................................................................................................E-1
E.2. DIMENSIONNEMENT .............................................................................................................................E-1
F. DESCRIPTION DU SYSTEME DIDACTISE........................................................................................F-1
F.1. PRESENTATION ..................................................................................................................................... F-1
F.2. SYNOPTIQUE DE L’INSTALLATION ......................................................................................................... F-1
F.3. DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT ..................................................................................................... F-2
F.4. EQUIPEMENT ........................................................................................................................................ F-2
F.5. L’ENREGISTREMENT DES DONNEES ....................................................................................................... F-2
G. ANALYSE FONCTIONNELLE ............................................................................................................ G-1
G.1. A-0 : FONCTION D’USAGE ................................................................................................................... G-2
G.2. A0 : 1ER NIVEAU DE DECOMPOSITION ................................................................................................... G-3
G.3. A2 : FONCTION “GERER L’ENERGIE” ................................................................................................... G-4
H. ANALYSE MATERIELLE .................................................................................................................... H-1
H.1. SCHEMA DE PRINCIPE .......................................................................................................................... H-2
H.2. SCHEMA DE CABLAGE ......................................................................................................................... H-3
H.3. SCHEMA DE MONTAGE DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES ET DES BATTERIES ..................................... H-4
I. DOCUMENTATION TECHNIQUE .........................................................................................................I-1
I.1. MODULE PHOTOVOLTAÏQUE ................................................................................................................... I-2
I.2. REGULATEUR DE CHARGE ET DE DECHARGE ........................................................................................... I-3
I.3. BATTERIE SOLAIRE ............................................................................................................................... I-12
I.4. MODULE D’ACQUISITION DE DONNEES .................................................................................................. I-13
I.5. INTERRUPTEUR CREPUSCULAIRE .......................................................................................................... I-19
A. CAHIER DES CHARGES
A.1. Service à rendre
Alimenter, en énergie électrique, une maison individuelle, très éloignée du réseau électrique
d’EDF. Cette maison est située dans le cirque de Mafate, au lieu dit « La Nouvelle », à l’île de la
Réunion. Le village est entouré de montagnes et n’est pas accessible par la route. On peut y
parvenir à pied après 2 heures de marche à travers la montagne ou par hélicoptère. C’est un lieu
très fréquenté par les randonneurs.
Les propriétaires de la maison envisagent de transformer leur habitation en petit
établissement hôtelier appelé « chambre d’hôtes » pour accueillir des touristes de passage.
L’habitation est pour le moment, alimenté par un groupe électrogène de 4 kVA. La solution
groupe électrogène étant trop coûteuse, trop bruyante, on envisage un autre moyen d’alimentation.
A.2. Caractéristiques générales de l’énergie
Tension alternative 230 V efficace
Fréquence 50 Hz
Forme sinusoïdale
Puissance nécessaire 2 kW
Régime de neutre TT
A.3. Les équipements
Séjour :
4 prises de courant confort 2 P + T
2 points lumineux en applique en va et vient
1 point lumineux en applique en simple allumage
Cuisine :
3 prises de courant confort 2 P + T
1 point lumineux au centre en va et vient
1 point lumineux en applique en simple allumage
Chambres 1 à 7 :
3 prises de courant confort 2 P + T
1 point lumineux au centre en va et vient
SDB 1, 2, 3 : 1 point lumineux au centre en simple allumage
1 point lumineux en applique en simple allumage
1 prise de courant confort 2 P + T
WC 1, 2, 3 : 1 point lumineux au centre en simple allumage
Extérieur:
2 points lumineux en montage minuterie
L’eau chaude sanitaire sera produite par un chauffe-eau solaire.
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L’usage de cuisinière électrique est exclu, on optera plutôt pour 2 cuisinières, une
fonctionnant au bois et l’autre au gaz.
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A.4. Les besoins énergétiques










Soit à alimenter :
3 lampes « basse consommation » 230 V / 25 W pendant 4 heures par jour (séjour)
2 lampes « basse consommation » 230 V / 25 W pendant 2 heures par jour (cuisine)
7 lampes « basse consommation » 230 V / 18 W pendant 1 heure par jour (chambres)
3 lampes « basse consommation » 230 V / 18 W pendant 1,5 heure par jour (SDB)
1 enseigne lumineuse 24 V 18 W pendant 3 heures par jour
1 réfrigérateur de 280 l consommant en moyenne par jour 0,83 kWh
1 congélateur de 363 l consommant en moyenne par jour 0,72 kWh
1 téléviseur 230 V / 60 W fonctionnant 3 heures par jour
1 machine à laver le linge consommant en moyenne 1 kWh par cycle de lavage
1 fer à repasser 230 V / 1200 W durée d’utilisation 2 heures par semaine
On sur-dimensionnera l’installation de 25 %.
A.5. Contraintes
 Il n’est pas envisageable de raccorder ce site au réseau EDF, du fait de son éloignement.
 L’exploitation de l’installation ne devra pas nécessiter de personnel, l’entretien devra être
minime.
 L’éloignement du site du réseau routier, impose que le réapprovisionnement en énergie devra se
faire le moins souvent possible (4 fois par mois au maximum)
 On souhaite avoir au moins 4 jours d’autonomie en énergie.
 L’installation sera soumise à des contraintes climatiques difficiles (fortes averses, vents violents,
…)
 Le site étant très touristique, il devra être préservé, autant que possible, de toute pollution
(sonore, chimique, visuelle, …)
 On exige l’utilisation de constituants industriels courants.
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B. Solution technologique
B.1. Diverses possibilités
Lorsqu'une installation, un bâtiment, ne peut pas être raccordé au réseau EDF en raison de
son éloignement ou de contraintes d'environnement, on doit résoudre le problème de son
alimentation en utilisant d'autres sources d'énergie. Les solutions conventionnelles de
remplacement utilisées (groupe électrogène, éclairage à gaz) présentent des inconvénients
importants : approvisionnement et achat de carburant, fonctionnement intermittent, risques de
défaillance, nuisances dues au bruit, frais d'exploitation et de maintenance élevés...
Les générateurs solaires, ou aussi les éoliennes, éliminent ces contraintes. Ils permettent de
disposer de l'électricité de manière automatique, à tout moment, tout en garantissant sécurité et
confort à l'utilisateur.
B.2. Choix technologique
Le site n’étant pas très ventilé, le choix se portera sur la solution « générateur
photovoltaïque + groupe électrogène d’appoint ». Les données d’ensoleillement fournies par le
centre de météorologie montre que la zone concernée présente un ensoleillement satisfaisant tout
au long de l’année.
B.3. Critère économique
La solution mixte, générateur photovoltaïque + Groupe électrogène d’appoint permet de
réduire le nombre de modules photovoltaïques installé. Le groupe électrogène est mis en
fonctionnement uniquement en cas d’utilisation d’appareils de fortes puissances (machine à laver,
fer à repasser, …). Il fonctionne seulement quelques heures par semaine.
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C. L’effet photovoltaïque
C.1. Principe de la photopile
Les photopiles sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la
lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est-àdire ayant des propriétés intermédiaires entre les isolants et conducteurs.
C.2. Le matériau.
La photopile la plus courante utilise le silicium, élément très répandu sous forme de silice
(sable), mais qui doit être amené à un très grand état de pureté et sous forme de monocristal.
En effet, le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques
acquises par le silicium quand des atomes étrangers en petit nombre (des "impuretés") sont
substituées dans un réseau cristallin (le dopage). Si l'atome d'impureté contient plus d'électrons que
le silicium, le matériau contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type "n" (exemple
silicium dopé au phosphore). Si au contraire, l'atome d'impureté contient moins d'électrons que le
silicium, le matériau sera déficitaire en électrons : il sera dit de type « p », (exemple : silicium dopé
au bore).
C.3. L'effet photovoltaïque
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Page C-2
Le phénomène mis en œuvre est celui de l'interaction de la lumière avec les atomes. Pour
cette interaction, la lumière peut être considérée comme composée de particules, les photons dont
l'énergie varie avec la longueur d'onde.
Un photon d'énergie suffisante qui heurte un atome peut arracher un électron et lui
communiquer une certaine vitesse. Les électrons ainsi arrachés pourront circuler dans un circuit
extérieur. L’énergie des photons est donc convertie en énergie électrique.
C.4. Le rendement
Le rendement d’une photopile est le rapport entre l’énergie électrique qu’elle fournit et
l’énergie solaire reçue sur l’ensemble de sa surface.
Toute l'énergie de la lumière solaire n'est pas transformée en électricité.
*
Certains photons sont réfléchis sur la face avant des photopiles,
*
Certains ne sont pas assez énergétiques pour arracher un électron.
*
Seuls les photons d'énergie suffisante sont absorbés et créent des paires électronstrous, l'énergie excédentaire est cédée aux électrons sous forme d'énergie cinétique qu'ils perdent
rapidement pour se retrouver sous forme de chaleur.
*
Enfin de nombreux électrons créés rencontrent des charges positives et se
recombinent avant d'avoir fourni un courant utile.
Ces différents phénomènes limitent théoriquement le rendement à 22 % pour le silicium
monocristallin. Pratiquement les photopiles, actuellement les plus utilisées pour des raisons de
coût, ont un rendement typique de l'ordre de 10 à 14 %.
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Page C-2
C.5. La cellule photovoltaïque
C.5.1.
Modélisation
On peut modéliser une cellule photovoltaïque éclairée comme ci-dessous.
I
Ig
Id
V
Utilisation
Ig : courant généré Id : courant de diode I : courant disponible
C.5.1.1.
Cellule éclairée
Le courant disponible I sera I = Ig – Id avec Ig = K. Ø
fabrication de la cellule et Ø l’ensoleillement en W/m2)
(K étant une constante dûe à la
En court-circuit, V = 0 donc Id = 0 d’où Icc = Ig = K. Ø.
Le courant de court-circuit est donc proportionnel à l’ensoleillement.
En circuit ouvert, I = 0 et Id = Ig.
C.5.1.2.
Cellule dans l’obscurité
Si la cellule n’est pas éclairée, Ig = 0 et la cellule se comporte comme une diode, donc
comme un récepteur.
C.5.2.
Caractéristique Tension – Courant
La caractéristique tension – courant se déduit de la modélisation proposée ci-dessus
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Page C-3
I
Icc1
Icc2
Ø1
Ø2
V0
V
La caractéristique tension – courant dépend de l’ensoleillement Ø.
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Page C-4
C.5.3.
Puissance
La puissance optimale (max) est pratiquement proportionnelle à l’ensoleillement Ø
C.6. Les modules photovoltaïques
Les modules photovoltaïques sont généralement constitués de cellules connectées en série
pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter. On compte généralement entre
32 et 36 cellules en série pour une tension nominale de 12 V.
C.6.1.
C.6.1.1.
Association de modules
Mise en série
En mettant N modules identiques en série, le courant dans la branche reste le même et la
tension aux bornes de la branche est N fois plus grande que celle d’un module.
Afin de limiter la tension inverse aux bornes d’un module, il est nécessaire de placer une
diode de by-pass aux bornes de chaque module.
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Page C-5
+
I1
+
V1
V = V1 + … + VN
+
VN
-
C.6.1.2.
Mise en parallèle
En mettant N modules identiques en parallèle, la tension de la branche reste la même et le
courant total est N fois le courant d’un module.
Afin d’éviter qu’un module devienne récepteur, il faut mettre une diode en série dans
chaque branche.
C.6.2.
Caractéristiques électriques
La puissance des modules s’exprime en watts-crête : c’est la puissance électrique maximale
délivrée dans les conditions suivantes :
-
Éclairement de 1 kW / m2 (exposition perpendiculaire aux rayons du solaire à midi par
temps clair)
-
Répartition spectrale du rayonnement dit AM 1,5 correspondant au rayonnement solaire
parvenant au sol après avoir traversé l’atmosphère à 45°
-
Température des photopiles à 25° C
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Page C-6
Le constructeur fournit également les coordonnées Uopt, Iopt, points correspondant à la puissance
maximale. Le constructeur donne aussi le courant de court-circuit pour un ensoleillement de 1000
W / m2.
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Page C-7
D. L’ensoleillement
D.1. Le spectre solaire
Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique compris dans une bande de
longueur d’onde variant de 0,22 à 10 µm.
L’énergie associée à ce rayonnement solaire se décompose approximativement ainsi :
- 9 % dans la bande des ultraviolets ( < 0,4 µm)
- 47 % dans le visible (0,4 µm <  < 0,8 µm)
- 44 % dans la bande des infrarouges ( > 0,8 µm)
Sur Terre, le spectre solaire est modifié en intensité (de l’ordre de 1000 W / m2) et en distribution
spectrale énergétique. Cette modification est due à l’absorption par l’atmosphère.
D.2. Les saisons
La division de l’année en saisons résulte de l’inclinaison de 23° de l’axe de rotation de la
terre par rapport à son plan de translation autour du soleil. Comme l’axe des pôles garde au cours
de l’année, une direction fixe dans l’espace, c’est tantôt le pôle nord, tantôt le pôle sud qui est
éclairé par le soleil, et la durée du jour aux différents points du globe varie.
Au solstice de juin, le soleil passe au zénith du tropique du Cancer et l’hémisphère sud
connaît les jours les plus courts. Au solstice de décembre, le soleil passe au zénith du tropique du
Capricorne et l’hémisphère sud connaît les jours les plus longs.
Aux équinoxes (qui signifie « égal à la nuit ») de mars et de septembre, le soleil se trouve
exactement dans le plan de l’équateur, de sorte qu’en tout point du globe, la durée du jour est égale
à celle de la nuit.
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Page D-1
D.3. La latitude
D.3.1.
Situation géographique et climatique
L’île de la Réunion est située à la longitude 55° Est et à la latitude 21° dans l’hémisphère
sud. Elle est toute proche du tropique du Capricorne.
Sous cette latitude, il n’y a que deux saisons, l’été et l’hiver. En été, c’est la saison des
pluies et des cyclones. L’hiver est une saison plutôt sèche.
D.3.2.
Inclinaison des modules suivant la latitude
L'énergie récupérée par un capteur plan sera maximum s'il est orienté
perpendiculairement au rayonnement direct.
En moyenne, sur une année, l'énergie maximale récupérée sera obtenue pour une
inclinaison égale à la latitude avec une orientation vers l'équateur.
Une inclinaison plus forte que la latitude augmente l'énergie récupérée en hiver aux dépens
de celle récupérée en été.
Inversement, une inclinaison plus faible que la latitude augmente l'énergie récupérée en été
aux dépens de celle récupérée en hiver.
Ces considérations seront prises en compte lors du dimensionnement d'un système solaire.
L’île de la Réunion est située dans l’hémisphère sud à la latitude 21 °, les panneaux solaires
seront donc orientés vers le nord, à une inclinaison de 21 °.
D.3.3.
Angle des rayons solaires en fonction des saisons sur le plan du
panneau solaire
Le panneau solaire est incliné à 21° en direction du nord. Les angles des rayons solaires
sont donnés pour midi solaire.
En été austral, les rayons solaires, à midi, ont un angle de 67° par rapport à la surface du
panneau photovoltaïque incliné à 21° vers le nord.
Été austral
21 décembre
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Équinoxe
21 mars
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Page D-2
23°
Rayon sola ire
N
N
Rayon sola ire
Cancer
Cancer
Equateur
Equateur
67 °
21°
Capricorne
Capricorne
P lan du panneau
S
90 °
S
21°
P lan du panneau
Hiver austral
21 juin
Équinoxe
21 septembre
N
23°
N
Rayon sola ire
Rayon sola ire
Cancer
Cancer
Equateur
Equateur
Capricorne
Capricorne
90 °
S
S
21°
113 °
21°
P lan du panneau
P lan du panneau
D.4. Variation de l’ensoleillement au cours d’une
journée
Pour le site de « La Nouvelle », l’ensoleillement moyen en hiver est moins intense qu’en été
(environ 1/3 de moins). La durée du jour est peu fluctuante en fonction des saisons (13 heures en
été et 11 heures en hivers).
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D.5. Tableau de rayonnement global quotidien moyen
Ces données d’ensoleillement ont été fournies par le centre de météorologie de l’île de la Réunion
et concernent la période 1991 à 1995. Elles sont exprimées en kWh/m2.
Exemple : pour le mois de janvier, sur le site de Saint Pierre, le rayonnement solaire a été de 6,88
kWh / m2 et par jour.
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Le Port (11 m)
6,04
5,63
4,90
4,79
3,96
3,86
3,86
4,27
4,79
5,63
5,52
5,94
Saint Pierre (52 m)
6,88
6,25
5,32
5,00
4,59
3,96
4,48
4,79
6,25
7,09
7,19
7,09
Saint Denis Gillot (21 m)
6,46
6,04
5,21
5,00
4,38
4,06
4,38
4,69
5,52
5,63
5,84
6,04
Beaufond (40 m)
5,42
5,00
4,38
4,59
3,54
3,44
3,44
3,96
4,59
5,21
5,63
5,42
Mascarin (550 m)
4,38
4,17
3,75
3,96
3,34
3,13
3,44
3,34
3,86
4,17
3,86
4,38
Le Baril (130 m)
5,32
4,79
3,75
3,54
3,13
2,92
2,81
3,13
4,38
5,84
5,63
5,53
Pont Mathurin (30 m)
6,04
4,38
3,86
4,17
3,13
3,34
3,13
3,75
3,44
3,96
4,48
4,06
La Nouvelle (1400 m)
5,42
5,10
4,80
5,00
3,96
3,86
4,06
4,48
5,32
6,25
5,73
5,52
Cilaos (1200 m)
4,69
4,48
4,25
4,27
3,96
3,71
3,96
4,17
5,10
5,73
5,34
5,32
Mare à Vieille Place (880 5,73
m)
Plaine des Cafres (1550 m) 5,42
5,32
4,58
4,44
3,44
3,13
2,92
4,17
4,92
5,73
6,09
5,73
5,21
4,79
4,79
4,17
3,86
3,96
4,48
5,32
6,36
5,63
5,63
Petite France (1125 m)
3,44
3,34
3,23
2,71
2,5
2,92
2,6
2,81
3,13
3,23
3,23
3,34
Localisation des stations de mesure
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D.6. Graphiques du rayonnement global quotidien
moyen
Saint Pie rre (52 m )
8
8
7
7
6
6
5
5
kWh/m2
kWh/m2
Le Port (11 m)
4
3
4
3
2
2
1
1
0
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
F
8
8
7
7
6
6
5
5
4
3
M
J
J
A
S
O
N
D
A
S
O
N
D
A
S
O
N
D
4
3
2
2
1
1
0
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
F
Masca rin (55 0 m)
M
A
M
J
J
Le Baril (130 m)
8
8
7
7
6
6
5
5
kWh/m2
kWh/m2
A
Bea ufond (40 m)
kWh/m2
kWh/m2
Saint Denis (2 1 m)
M
4
3
4
3
2
2
1
1
0
0
J
F
M
A
Lycée G. BRASSENS
M
J
J
A
S
O
N
D
J
Nom fichier (582690286)
F
M
A
M
J
J
Page D-5
La Nouvelle (14 00 m )
8
8
7
7
6
6
5
5
kWh/m2
kWh/m2
Pont Ma thurin (30 m )
4
3
4
3
2
2
1
1
0
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
8
8
7
7
6
6
5
5
4
3
A
M
J
J
A
S
O
N
D
A
S
O
N
D
A
S
O
N
D
4
3
2
2
1
1
0
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
Pla ine des Cafres (1 550 m)
F
M
A
M
J
J
Petite Fra nce (1125 m)
8
8
7
7
6
6
5
5
kWh/m2
kWh/m2
M
Mare à Vieille Place (880 m)
kWh/m2
kWh/m2
Cilaos (1200 m)
F
4
3
4
3
2
2
1
1
0
0
J
F
M
A
Lycée G. BRASSENS
M
J
J
A
S
O
N
D
J
Nom fichier (582690286)
F
M
A
M
J
J
Page D-6
E. Dimensionnement du système
E.1. Besoins énergétiques








3 lampes « basse consommation » de 25 W pendant 4 heures par jour
2 lampes « basse consommation » de 25 W pendant 2 heures par jour
7 lampes « basse consommation » de 18 W pendant 1 heure par jour
3 lampes « basse consommation » de 18 W pendant 1,5 heure par jour
1 enseigne lumineuse 24V 18W pendant 3 heures par jour
1 réfrigérateur de 280 l consommant en moyenne par jour 0,83 kWh
1 congélateur de 363 l consommant en moyenne par jour 0,72 kWh
1 téléviseur de 60 W fonctionnant 3 heures par jour
D’où un total énergétique journalier de 2391 Wh. On sur-dimensionnera l’installation de
25 % soit un besoin énergétique de 2988 Wh
Les appareils suivants fonctionneront avec le groupe électrogène 2 fois par semaine.

1 machine à laver le linge consommant en moyenne 1 kWh par cycle de lavage

1 fer à repasser de 1200 W durée d’utilisation 2 heures par semaine
E.2. Dimensionnement
E.2.1.
Nombre de modules photovoltaïques
Le tableau suivant permet un dimensionnement à partir de la consommation journalière.
Énergie disponible (Wh/jour)
Nombre de
modules de 12 V
50 W
Tension batterie
France centre
France sud
Zone tropicale
1
12
50
100
150
2
12
100
200
300
3
12
150
300
450
4
24
200
400
600
6
24
300
600
900
8
24
400
800
1200
10
24
500
1000
1500
12
24
600
1200
1800
16
24
800
1600
2400
Lycée G. BRASSENS
(V)
Nom fichier (582690286)
Page E-1
20
24
1000
2000
3000
24
24
1200
2400
3600
Le tableau fait apparaître qu’il faudra 20 modules photovoltaïques de 12 V / 50 W.
E.2.2.
Dimensionnement des accumulateurs
Nous souhaitons une réserve d’énergie pour 4 jours sans soleil. Au-delà de 4 jours sans
soleil, on utilisera le groupe électrogène le jour pour alimenter la maison et pour recharger les
batteries.
Les accumulateurs ne doivent pas êtres déchargés trop profondément. On adoptera une
profondeur de décharge de 60 %.
La consommation journalière est de 2988 Wh. En 4 jours, la consommation sera de 11952
Wh. La capacité minimale en Ah sera 498 Ah pour une tension de 24V. En tenant compte de la
profondeur de décharge, la capacité des accumulateurs devra être de 830 Ah.
On choisira donc 12 éléments d’accumulateurs de 2V montés en série et de capacité
850 Ah à C/100.
E.2.3.
Dimensionnement de l’onduleur
L’addition de toutes les puissances des différents appareils recensés donne environ 700W.
La puissance maximale sera consommée entre 18h00 et 21h00.
En tenant compte des coefficients de simultanéité, des facteurs de réserve, on choisira un
onduleur de 1000 VA.
Lycée G. BRASSENS
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F. DESCRIPTION DU SYSTÉME
DIDACTISÉ
F.1. Présentation
Ce système permettra de présenter les énergies nouvelles aux élèves de section « génie
électrotechnique ».
Le système décrit ci-dessous est une homothétie de l’installation domestique réelle.
L’équipement complet coûterait trop cher et n’apporterait rien de plus au niveau technologique et
pédagogique.
F.2. Synoptique de l’installation
Lycée G. BRASSENS
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F.3. Description du fonctionnement
L’énergie produite par les panneaux photovoltaïques est utilisée directement par les appareils
d’utilisation de petites puissances. Le surplus est stocké dans les batteries pour compenser la
décharge des batteries due à la consommation dans la nuit.
La charge et la décharge des batteries est contrôlée par un régulateur pour éviter la surcharge ou la
décharge complète, facteur de vieillissement prématuré des batteries.
Un interrupteur crépusculaire assure l’allumage et l’extinction d’une enseigne publicitaire signalant
l’établissement « Chambres d’hôtes ».
Le petit appareillage est alimenté par l’énergie photovoltaïque à travers un onduleur. Le groupe
électrogène d’appoint est mis en fonctionnement lors de l’utilisation d’appareils de fortes
puissances pendant quelques heures par semaine.
En cas d’absence de soleil pendant plusieurs jours, et ou en cas d’épuisement des batteries, il est
possible de basculer toutes les charges sur le groupe électrogène.
F.4. Equipement du système didactisé








4 panneaux de 12 V - 48 W
Association de 4 batteries de 12 V - 105 Ah donnant 24 V - 210 Ah
Régulateur de charge / décharge 24 V - 30 A
Onduleur tension d’entrée 24 V, tension de sortie 230 V, puissance apparente 250 VA
Interrupteur crépusculaire + temporisateur 10 s à 16 h
Module d’acquisition de données, de télécontrôle et de télésurveillance
PC + logiciel SUNSOFT
Groupe électrogène 4 KVA
F.5. L’enregistrement des données
Les données surveillées sont :
- État de charge des batteries,
- Tension batterie,
- Courant panneaux solaires,
- Courant utilisation,
- Température batterie,
- Énergie potentielle des panneaux solaires,
- Énergie effectivement fournie par les panneaux solaires,
- Énergie consommée par l’utilisation,
- Durée d’utilisation récepteur,
- Solde de crédit de fonctionnement.
Les alarmes affichées sont :
- État de charge batterie trop faible,
- Défaillance du régulateur,
- Température critique de batterie,
- Tension d’alimentation hors tolérance,
- Absence de courant panneau solaire,
- Fin de crédit de fonctionnement.
Lycée G. BRASSENS
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Lycée G. BRASSENS
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G. ANALYSE FONCTIONNELLE
Lycée Georges BRASSENS
B.P 253 – 16 Avenue Georges BRASSENS 97493 SAINTE CLOTILDE CEDEX
G.1. A-0 : Fonction d’usage
Lycée G. BRASSENS
Nom fichier ()
Page G-2
G.2. A0 : 1er niveau de décomposition
W
C
R
• Durée d’éclairage de l'enseigne publicitaire
• Seuils jour / Nuit
Nombre de modules
Énergie
solaire
C
E
E
Contrôle mensuel
Convertir
l'énergie
Ordres de l’exp loitant
A1
M ise en / hors service
24V
C
Modules
photov oltaïques
Énergie électrique
photogénérée
R
E
Vis ualisation
des données
P uissance apparente
de l'onduleur
Gérer
l'énergie
• Visualisation de l'état du régulateur, de
l'interrupteur crépusculaire
• Données enregistrées
A2
- Régulateur
- Batterie
- Enregistreur de
données
- Interrupteur
crépusculaire
Énergie électrique 24 V
continu non adap tée C
aux app areils
électroménagers
E
Visualisation de l'état de l'onduleur
Adapter
l'énergie
A3
• Bruit
• Gaz d’échappement
• Huiles usagées
Calibre des appareils de protection
Onduleur
Puissance
apparente du GE
Habitation
isolée non
desservi par
le réseau
C
• Exp loitation du GE
• M aintenance du GE
E
Convertir
l'énergie
Énergie
fossile
• Bruit
• Gaz d’échappement
• Huiles usagées
C
Énergie électrique
24 V continu pour
l'enseigne publicitaire
A6
Groupe électrogène
Manœuvre des
appareils de protection
Énergie électrique
230 V adaptée aux app areils
électroménagers
E
Répartir
l'énergie
& protéger
l'installation
Énergie électrique disponible
en toute sécurité
W
A4
Énergie électrique d’appoint
Tableau de répartition
Habitation
isolée,
alimentée
en énergie
électrique
Alimenter
un site isolé
A5
A0 - Alimenter en énergie électrique, une habitation isolée
Lycée G. BRASSENS
Nom fichier ()
Procédé
Page G-3
G.3. A2 : Fonction “Gérer l’énergie”
E
C
Coupure si ordre de l’exp loitant
24 V
Données panneaux :
• Courant débité
• tension
W
Énergie
électrique
photogénérée
C
entretien
batterie
Liaison par
MODEM
A23
Contrôler la
charge et la
décharge de
la batterie
SUNPAC + MODEM
Transmis sion des données
du sys tème
A21
24 V
C
énergie électrique
de charge de la
batterie
Ordre de coupure de
l’exploitant par M ODEM
Enregistrer les
données &
Communiquer
avec l’exploitant
E
Régulateur RMP
W
E
Stocker
l'énergie
A22
Batterie
Données batterie
- Courant de charge
- courant de décharge
- tension
W
énergie de
décharge de la
batterie
• Durée d’éclairage de l’enseigne
• Seuil J / N
W
E
Commander
l'énergie
A24
Interrupteur crépusculaire
Énergie électrique
24 V continu
Énergie électrique
commutée à la
tombée de la nuit
pour l'enseigne
publicitaire
A2 - Gérer l'énergie
Lycée G. BRASSENS
Nom fichier ()
Page G-4
H. Analyse matérielle
Lycée Georges BRASSENS
B.P 253 – 16 Avenue Georges BRASSENS 97493 SAINTE CLOTILDE CEDEX
H.1. Schéma de principe
Groupe éle ctrogè ne
X1-7
MT
GS
Q1
20 A
Q4
16 A
X1-8
Appareil de
forte puissance
Q5
16 A
Gén érate ur
photovoltaïque
Lave-linge
Ré gulateu r
Q9
15 A
Q 10
16 A
O ndu leur
Q2
4A
X1-1
X1-3
G
T
X1-2
-
S H1
+
S H2
-
X1-4
15A / 100mV
Q6
1A
+
15A / 100mV
Q3
X2-1
Ic
Ub
X2-2
Tb
Id
Q7
2A
En re gistreu r de
donn ée s
Tx
Rx
Circuit
Eclairage
Circuit
prises de courant
Mas se
Q8
2A
Inte rru pte ur
crépuscu laire
E<
X1-5
Circuit
prises de courant
X1-6
Q 11
Enseigne
Lycée G. BRASSENS
Nom fichier (582690286)
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H.2. Schéma de câblage
X2-1
+
8
7
-
+
6
5
4
8
X2-2
7
+
6
5
4
8
7
T°+
RMP - RSC
ICT 90
10
11
+
1
2
3
9
Sh1
-
-
15A/100mV
+
+
10
11
-
1
+
6
5
4
8
SUNPAC
2
3
9
10
Rx
Tx
11
1
7
6
5
24 V
Masse
I
Panneau
9
+
4
12 V
MVA
I
U ti li sati on
2
I
panneau
3
9
10
I
util isation
11
1
2
3
-
15A/100m V
+
Q10
15 A
Sh2
X1-5
X1-1
Ta blea u de
répa rtition
Lycée G. BRASSENS
+
Sh2
X1-4
Q9
15 A
4 Batteries
12 V - 1 05 Ah
Sh1
Q11
4A
X1-3
+
Enseigne
public itaire
X1-2
+
X1-6
-
Panneau
solaire
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H.3. Schéma de montage des modules photovoltaïques et des batteries
+
+
+
-
-
+
+
-
Lycée G. BRASSENS
+
-
105 Ah
12V
105 Ah
12V
105 Ah
12V
105 Ah
12V
-
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-
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I. DOCUMENTATION TECHNIQUE
Lycée Georges BRASSENS
B.P 253 – 16 Avenue Georges BRASSENS 97493 SAINTE CLOTILDE CEDEX
I.1. Module photovoltaïque
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I.2. Régulateur de charge et de décharge
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I.3. Batterie solaire
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I.4. Module d’acquisition de données
Lycée G. BRASSENS
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I.5. Interrupteur crépusculaire
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