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Installation solaire photovoltaïque Remerciements Nous tenons d'abord à remercier M. Cédric GARNIER, étudiant thésard au département Génie Energétique de l’Ecole des Mines de Nantes et, à l’occasion, notre tuteur de projet, de nous avoir accordé sa confiance et du temps pour mener à bien cette étude. Ensuite, nos remerciements vont à M Eric MORTEAU, chercheur au département Subatech, pour l’aide qu’il nous a apporté dans la partie électronique de ce projet. Nous remercions également M. Bernard BOURGES, professeur et adjoint d’enseignement au département Génie Energétique et Environnement, d'avoir proposé ce sujet de projet. Enfin, nous adressons nos remerciements à M. Kossi NAPO, professeur à l’Université de Lomé au Togo, pour son investissement dans le projet et notamment pour les données météorologiques qu’il nous a transmises régulièrement. Projet OSE 3ème année 1 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Sommaire INTRODUCTION 3 I. 1. 2. 3. LE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE .......................................................................................... 4 Le principe [1] ................................................................................................................. 4 Les modules photovoltaïques ......................................................................................... 5 Les systèmes d’application ............................................................................................. 7 II. 1. 2. 3. ETAT INITIAL DU PROJET .................................................................................................... 8 Choix du dispositif ........................................................................................................... 8 Dimensionnement de la batterie et du panneau solaire ................................................ 10 Réalisation du prototype ............................................................................................... 10 III. 1. 2. 3. NOTRE TRAVAIL .............................................................................................................. 11 Réalisation du circuit imprimé ....................................................................................... 11 La réalisation du montage électrique ............................................................................ 12 Du prototype à l’installation finale ................................................................................. 14 IV. 1. 2. 3. LES TESTS : ANALYSE ET RESULTATS ............................................................................... 16 Cahier des charges des tests ....................................................................................... 16 Tests de fonctionnement du panneau .......................................................................... 17 Tests de fonctionnement de la batterie et du régulateur de charge .............................. 18 V. 1. 2. 3. LES REGLES D’INSTALLATION ET D’ENTRETIEN DU SYSTEME ............................................... 21 Mise en place de l’installation ....................................................................................... 21 Entretien de l’installation ............................................................................................... 22 Règles et méthodes de surveillance du système .......................................................... 23 VI. 1. 2. 3. 4. PROGRAMME DE DIMENSIONNEMENT D’UNE INSTALLATION SOLAIRE AUTONOME AU TOGO.... 24 Objectif du programme ................................................................................................. 24 Entrées et Sorties du programme ................................................................................. 24 Description du programme ............................................................................................ 25 Analyse personnelle du programme ............................................................................. 28 CONCLUSION 29 BIBLIOGRAPHIE 30 TABLE DES FIGURES 31 ANNEXES 32 Projet OSE 3ème année 2 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Introduction Le développement des énergies renouvelables constitue aujourd’hui une réalité incontournable. Issues du soleil (solaire thermique et photovoltaïque), du vent (éolienne), de l’eau (hydraulique), du centre de la Terre (géothermie), de la biomasse (bois, matières organiques), les énergies renouvelables sont non polluantes, inépuisables et présentes partout. Leur expansion s’avère nécessaire d’autant que les ressources en énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) et nucléaire (uranium) s’épuisent. Elles présentent également des atouts incontestables au regard de l’environnement : réduction des émissions de gaz à effet de serre et limitation des risques de catastrophes environnementales. Enfin, elles apportent en termes d’économie locale et de décentralisation car elles contribuent à l’indépendance énergétique. Parmi celles-ci, l’énergie solaire photovoltaïque connaît une croissance constante depuis quelques années. Aujourd’hui, elle permet la réalisation d’installations rentables, principalement en sites isolés. Les expérimentations pilotes destinées à accélérer son développement sont nombreuses et de natures variées. Celle-ci a notamment une grande place à prendre dans les pays en voie de développement où les réseaux d’électricité publics ne desservent que très peu de régions. Ainsi, pour réellement intégrer l’énergie photovoltaïque aux mœurs et afin de montrer le rôle qu’elle peut avoir dans les pays en voie de développement, ne semble t-il pas intéressant de tester la pertinence de son utilisation pour de petites puissances isolées ? Dans l’optique de participer au développement du photovoltaïque, nous avons travaillé dans le cadre de notre projet d’orientation scientifique et technique sur la réalisation d’une installation autonome destinée à alimenter en énergie une station de mesure météorologique au Togo. Dans ce rapport, nous présentons brièvement l’énergie solaire photovoltaïque. Nous décrivons ensuite l’état initial du projet et validons les différents choix effectués. Puis nous développons notre étude concernant la conception de l’installation et les tests de son bon fonctionnement suivant différentes conditions tout en émettant des conseils sur sa mise en place et sa maintenance. Enfin, nous élargissons notre travail en présentant un programme de dimensionnement d’installation solaire autonome adapté au Togo que nous avons réalisé pour simuler au mieux la disponibilité en énergie solaire. Projet OSE 3ème année 3 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque I. Le Solaire Photovoltaïque La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte en 1839 par Antoine Becquerel. Cependant, il faudra attendre près d’un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène physique. L’utilisation des cellules solaires photovoltaïques débute dans les années 40 dans le domaine spatial. Les recherches d’après-guerre ont permis d’améliorer leurs performances et leur taille mais c'est la crise énergétique des années 70 qui va réellement pousser les gouvernements et les industriels à investir dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres. 1. Le principe [1] La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur (silicium) qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique continu. Son principe de fonctionnement fait appel aux propriétés du rayonnement solaire et des semi-conducteurs. Le semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu’un électron lié à son atome se libère et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum dont le seuil varie de 1 à 1,8 eV selon le matériau. Le rayonnement solaire qui arrive sur la cellule solaire photovoltaïque est en partie réfléchi, une autre partie est absorbée et le reste passe au travers de l’épaisseur de la cellule. Les photons absorbés dont l’énergie est supérieure à la valeur seuil minimum libèrent des électrons (négatifs) laissant ainsi des " trous " (positifs) derrière eux. Pour séparer ces charges électriques de signes opposés et recueillir un courant électrique, on introduit un champ électrique dans la cellule par la méthode du " dopage " par impuretés. Deux types de dopage sont associés : Le dopage de type N (négatif) qui consiste à introduire dans la structure cristalline du semiconducteur des atomes étrangers (phosphore) qui, par leur propriété de donner chacun un électron excédentaire, augmentent fortement la concentration en électrons libres. Le dopage de type P (positif) est l’introduction d’atomes (bore) ayant la propriété de donner chacun un trou excédentaire. Lorsque les dopages N et P sont effectués de part et d’autre de la cellule photovoltaïque, la recombinaison des charges libres (électrons et trous) crée un champ électrique constant. Projet OSE 3ème année 4 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Figure 1 : Schéma de principe d’une cellule photovoltaïque 2. Les modules photovoltaïques Les modules (ou panneaux) photovoltaïques sont une association de plusieurs cellules. a. Les principaux types de cellule Cellules à base de silicium cristallin - Les cellules mono-cristallines Du silicium à l’état brut est fondu pour créer un barreau. Lorsque le refroidissement est lent et maîtrisé, on obtient un mono-cristal. Ce procédé est long, laborieux, onéreux et nécessite beaucoup d’énergie. Les rendements sont élevés : 14 à 16 %. - Les cellules poly-cristallines Dans ce cas, on effectue un refroidissement forcé du barreau de silicium ce qui crée un poly-cristal. Les rendements sont de l’ordre de 11 à 14 % mais la consommation en énergie est beaucoup moins importante (2 à 3 fois) et le coût est moindre. Figure 2 : Cellule cristalline Projet OSE 3ème année 5 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Cellules à base de silicium amorphe « couche mince » Une fine couche de silicium est diffusée sur un substrat de verre. Ce procédé nécessite peu d’énergie et s’avère peu coûteux. Les faibles rendements (6-8%) nécessitent des surfaces plus grandes. Cependant, les cellules amorphes réagissent mieux à la lumière diffuse et sont plus performantes à des températures élevées. Figure 3 : Cellule amorphe La cellule individuelle ne produit qu’une très faible puissance électrique avec une tension de l’ordre de 0.5 V quelle que soit sa surface. Cependant, plus la surface d’une cellule est grande, plus le courant est grand. Lorsque plusieurs cellules sont connectées en série, on augmente la tension pour un même courant. Leur connexion en parallèle permet d’accroître le courant en conservant la tension. b. Les modules Les modules commercialisés sont un assemblage de cellules en série et la tension qu’ils délivrent est de 12 V. Modules cristallins : Leur caractéristique I-U (courant-tension) fait apparaître un point de puissance maximum où U est proche de 18 V à 25°C et 1000 W/m². On remarque aussi que leur tension décroît et leur courant augmente avec l’élévation de la température. Modules amorphes : Leur caractéristique I-U est plus infléchie. L’influence de la température sur les performances est moins importante que pour la technologie cristalline. Un module a une durée de vie moyenne de 25 ans. Il compense en général en moins de 5 ans l’énergie dépensée pour sa fabrication. Pour produire une puissance plus grande et fixer la tension d’une installation donnée, on connecte plusieurs modules entre eux en série et/ou en parallèle formant ainsi un champ photovoltaïque. Projet OSE 3ème année 6 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque 3. Les systèmes d’application a. Le système autonome Celui-ci est en grande majorité utilisé pour assurer une électrification minimum aux sites isolés du réseau de distribution : bâtiments ruraux, horodateurs, signalisation routière et maritime… Figure 4 : Schéma de principe d’un système autonome Les modules chargent des batteries d’accumulateurs qui permettent ensuite d’utiliser l’énergie à convenance. Celles-ci doivent avoir une autonomie pouvant assurer les besoins en électricité durant les périodes sans soleil. Un régulateur de charge/décharge de la batterie assure la gestion de l’énergie. L’onduleur permet de transformer le courant continu en courant alternatif afin d’alimenter les appareils électriques préalablement choisis pour leur faible consommation. b. Le système raccordé au réseau Ce système produit du courant continu transformé en courant alternatif type EDF par un onduleur. Ce courant est soit consommé par les appareils électriques en fonctionnement, soit injecté dans le réseau de distribution publique (quand production > consommation) et racheté. Le réseau assure ainsi le stockage de l’énergie ce qui est moins coûteux que des batteries (pas d’entretien). Les toits solaires, dont le marché est en plein essor, en sont la principale application. Figure 5 : Schéma de principe d’un système raccordé au réseau (source ADEME) Projet OSE 3ème année 7 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque II. Etat initial du projet Un prototype du système solaire autonome, que nous mettons en place, a été réalisé en 2003 dans le cadre d’un projet OSE intitulé « Dimensionnement et adaptation d’un système de photopile pour une station météorologique au Togo ». Ce projet avait été mené par Cédric Montassier, étudiant en 2ème année et chef de l’équipe de travail, et encadré par M. Seat. 1. Choix du dispositif a. Les contraintes Le choix du dispositif a été décidé et réalisé en fonction de certaines contraintes essentiellement liées aux conditions météorologiques régnant au Togo. L’installation solaire doit être munie d’un système de régulation. Ce dernier est nécessaire afin d’éviter une rapide détérioration de la batterie. En effet, sous les conditions météorologiques du Togo, où l’ensoleillement est très important sur de grands laps de temps, la batterie se recharge rapidement mais peut se détériorer si le panneau solaire ne cesse de lui fournir du courant. Cette régulation est capable de gérer automatiquement la charge de la batterie par le panneau solaire et également sa décharge. Ce système est composé de transistors afin de gérer l’alimentation directe de la station par le panneau ou par la batterie. La batterie ne sera utilisée que lorsque le courant issu du panneau solaire sera inférieur au courant d’utilisation, et ne sera rechargée uniquement lorsqu’elle est déchargée. Le montage doit être également muni d’un convertisseur de tension continue, qui permet de délivrer du courant de tension toujours constante, et ce quelque soit la tension d’arrivée. Ce système a pour objectif principal d’éviter des variations importantes de tension en sortie qui seraient source d’endommagement de la station météorologique. b. Conception du montage Faute de connaissances précises dans le domaine de l’électronique, le circuit de régulation du prototype a été conçu à l’aide d’un schéma de montage d’une alimentation régulée 5 V – 12 V, présent dans la revue « Electronique pratique » de février 2003. Ce montage semble bien adapté aux contraintes météorologiques du Togo et aux attentes de M. Napo, client de ce projet. Projet OSE 3ème année 8 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Le schéma de fonctionnement est le suivant : Figure 6 : Schéma de fonctionnement du montage c. Rôle des principaux composants Partie « Régulateur » Cette partie est composée principalement de transistors et d’une diode zéner. Cette diode permet le passage du courant à la batterie seulement si celle-ci est déchargée. Le système de transistors permet le passage du courant soit vers la batterie, soit vers la partie « convertisseur ». Partie « Convertisseur » Elle est principalement composée d’un convertisseur, de type IC1. Ce dernier garantit une tension régulée en sortie du circuit. Ce convertisseur est divisé en trois parties. Tout d’abord, la bobine permet de redresser la tension en sortie du convertisseur, en cas de variation du courant. Puis, le condensateur permet de lisser les variations de tension. Enfin, un pont diviseur de tension permet d’ajuster la tension de sortie en fonctions des besoins. Projet OSE 3ème année 9 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque 2. Dimensionnement de la batterie et du panneau solaire Ces deux éléments ont été dimensionnés en fonction des besoins énergétiques de la station de mesure de rayonnement solaire. Pour fonctionner, la station consomme 3 mA pendant 5 secondes, et ce, toutes les minutes. La station consomme moins de 1 mA pendant les 55 secondes restantes. En moyenne, la station consomme donc 1.1 mA toutes les minutes, sous 12 V. Ainsi, comme le convertisseur a un rendement moyen de 0.8, la puissance fournie doit être de 0.0165 W. ( P = ( U x I ) / 0.8 ) Pour une batterie de 12 V, l’intensité du courant qui doit être fournie est de 1.375 mA (I = P/U). De plus, afin de saturer le transistor, dissipateur de la puissance du panneau solaire délivrant un courant de 120 mA (IT), le courant doit être supérieur à 0.6 mA (I = IT / Gain du transistor = 120/200). Ainsi, la batterie devra fournir au total un courant d’environ 2 mA (= 1.375 + 0.6). Afin de pouvoir alimenter la station pendant une semaine, la capacité de la batterie doit être de 0.336 Ah (= 7j x 24h x 0.002 A) Comme le panneau ne peut charger la batterie qu’à une tension de 12 V, cette dernière ne sera chargée qu’à 60%. La capacité minimale de la batterie doit donc être de 0.56 Ah (= 0.336 / 0.6). Afin d’éviter une détérioration, la batterie ne doit pas être chargée sous un courant supérieur à un dixième de sa capacité. Comme la plus petite batterie disponible sur le marché a une capacité de 1.2 Ah, le panneau solaire l’alimentant devra délivrer, sous un ensoleillement maximal, un courant de 120 mA maximum. Ainsi, le panneau solaire rechargera la batterie (60%) en six heures d’ensoleillement maximal. Ainsi, les deux éléments principaux du circuit sont donc : une batterie de 12 V et de capacité égale à 1.2 Ah ; un panneau solaire fournissant un courant d’intensité 120 mA et de tension 12 V. 3. Réalisation du prototype Le montage initial du régulateur du système a été réalisé sur une plaque d’époxy sans circuit imprimé. Sur cette plaque, trois connecteurs ont été placés pour relier le panneau solaire, la batterie et la station de mesure modélisée par une résistance. Auparavant, il avait été demandé à M. Morteau de réaliser une plaque avec un circuit imprimé, afin que le circuit soit plus compact et plus résistant. Cependant, la plaque n’a pu être terminée pour la finalisation du projet. Ainsi, le circuit a été entièrement réalisé sur une plaque classique avec des soudures et des fils entre chaque composant. Projet OSE 3ème année 10 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque III. Notre travail 1. Réalisation du circuit imprimé Un circuit imprimé avait été réalisé par l’équipe menée par Cédric Montassier, lors de la réalisation du premier prototype. Cependant, ce circuit n’avait pu être finalisé avant la finalisation du projet. Ainsi, nous avons repris les bases de ce circuit et avons tenté de l’améliorer. a. La conception du circuit imprimé – logiciel Eagle Le circuit imprimé a été réalisé grâce au logiciel Eagle. L'utilisation de l'informatique dans le milieu de l'électronique permet de réaliser des optimisations de conception. La C.A.O. (conception assistée par ordinateur), appliquée aux circuits imprimés, assure un gain de temps mais aussi de qualité et de faisabilité. Le respect de quelques règles permet de mener à bien une réalisation avec un risque minimum d'erreur. Le logiciel EAGLE est un outil puissant et simple d’utilisation pour le développement des circuits imprimés. Le nom EAGLE est un acronyme pour Easily Applicable Graphical Layout Editor. Le programme est composé de trois modules intégrés dans une seule surface utilisateur : Editeur de Layout Nous traçons tout d'abord un schéma électrique, en assemblant des composants définis dans une librairie : la librairie imposée pour le projet comprend tous les éléments nécessaires pour produire le circuit imprimé du prototype. Editeur de Schéma Avant de faire le circuit imprimé, il est nécessaire de définir un schéma,: c'est la seule façon d'assurer la cohérence entre les deux, et donc d'avoir bien le circuit imprimé qui correspond au schéma. Le logiciel assure alors la transmission des noms des différents noeuds électriques. Autorouter Le logiciel possède une fonction permettant de tracer automatiquement le routage d’un circuit imprimé. Cependant, les routages automatiques sont à prendre avec grandes précautions car ils n’obéissent pas toujours aux règles de connexions des différents composants. b. L’amélioration du circuit Comme le montage du circuit fonctionnait correctement et que les tests avaient été concluants, il ne nous a pas semblé nécessaire d’effectuer des modifications concernant la nature et les caractéristiques des composants électriques. Seules des améliorations de l’agencement du circuit et du montage ont été apportées. Projet OSE 3ème année 11 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Le circuit imprimé réalisé par l’équipe précédente correspondait aux attentes fixées par M. Napo, cependant l’étroitesse de l’espace entre certaines pistes rendait ce circuit inutilisable. Ainsi, la première étape a été d’espacer, agrandir et aérer le circuit afin d’éviter des courts-circuits entre pistes. Ensuite, le routage automatique proposé par le logiciel Eagle présentait quelques problèmes. En effet, ce dernier ne respectait pas certaines règles de connexions entre certains composants, notamment les règles de proximité. Ainsi, plusieurs composants liés et situés les uns à côté des autres sur le schéma électrique se retrouvaient éloignés sur le routage. Notre équipe a donc décidé d’effectuer certaines modifications du routage. Ces dernières ont été contrôlées et certifiées conformes par M. Morteau. c. La réalisation du circuit Une fois le circuit dessiné et dimensionné grâce à Eagle, pour réaliser le circuit, il suffit de suivre les étapes suivantes : - Imprimer le typhon sur transparent - Transférer sur plaque pré-sensibilisée (1min30 à l'insoleuse) - Révéler (bain dans révélateur environ 15 s) puis rincer à l'eau - Graver (au perchlorure de fer) 2min puis par 30s jusqu'a disparition du cuivre non protégé - Nettoyer à l'eau claire puis enlever le vernis protecteur avec de l'alcool à brûler - Contrôler les pistes à la loupe binoculaire et au multimètre - Percer les différents trous (fixation, alimentation etc.) Toutes ces étapes ont été réalisées sous la tutelle de M. Morteau. 2. La réalisation du montage électrique a. Contrôle des composants Avant de pouvoir réutiliser les composants du circuit réalisé par l’équipe menée par M. Montassier, il était nécessaire de contrôler le bon état de l’ensemble des composants. Ce contrôle a été effectué en deux temps : - contrôle visuel de l’intégrité physique de chaque composants - contrôle par des tests au multimètre Projet OSE 3ème année 12 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Après cette phase de contrôle, il s’est avéré que la majorité des composants pouvaient être réutilisés, exceptés : - deux résistances - un condensateur - un transistor Ces composants, comme la majorité de ceux utilisés dans notre projet, sont disponibles à l’Ecole des Mines. Soucieux des délais de livraison, nous avons décidé de commander les deux composants qui n’étaient pas disponibles, et même si ces derniers fonctionnaient. Les deux composants sont les suivants : - convertisseur DC-DC IC1 TL497 - diode zener 12V/4W b. Assemblage des composants Nous avons donc dessoudé l’ensemble des composants présents sur l’ancien montage électrique et les avons replacés sur le nouveau circuit. Le dessoudage a été réalisé grâce à une pompe et des mèches à dessouder. Avant de souder les composants, nous avons vérifié leur polarité et leur sens éventuel sur le circuit. Figure 7 : Photographie du schéma électrique Projet OSE 3ème année 13 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque c. Contrôle des soudures et du montage électrique Une fois les composants installés et soudés, une phase de contrôle est nécessaire. Nous avons contrôlé visuellement, à l’aide d’une loupe binoculaire, chaque soudures afin de repérer les soudures dites sèches. Ces dernières, n’assurant pas le contact entre le composant et la piste, ont été rectifiées. Ensuite, un contrôle de chaque pistes a été réalisé grâce à un multimètre. Par ce contrôle, nous avons vérifié la conductivité du montage et ainsi, de déceler la présence ou non de courts-circuits. Un seul court-circuit a été décelé dans notre montage, et il s’agissait d’une soudure qui faisait contact entre piste et masse. 3. Du prototype à l’installation finale Aucune instruction et recommandation, concernant le design de l’installation, n’ont été précisées par M. Napo. Ainsi, un de nos travaux a été le dimensionnement et la création d’une coque de protection pour notre installation. a. Protection du circuit Le circuit doit être protégé contre les vibrations, la poussière et l’humidité. Ainsi, nous avons choisi de placé le montage dans un boîtier moulé en deux parties, équipés spécialement de rainures pour recevoir des cartes verticalement ou horizontalement. Afin d’assurer une parfaite fixation, nous avons vissé la plaque au boîtier. Figure 8 : Photographie du boîtier électrique Nous avons ensuite effectué un trou dans le boîtier. Ce dernier est nécessaire au passage des fils reliant le circuit au panneau, à la batterie et la station météorologique. L’étanchéité n’étant plus assurée, nous avons décidé de placé ce premier boîtier dans un coffret électrique. b. Protection de la batterie Projet OSE 3ème année 14 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque La batterie, tout comme le circuit, doit être protégée. Ainsi, nous avons placé ces deux éléments dans un coffret électrique qui assure une parfaite étanchéité de l’installation contre la poussière et l’humidité. Nous avons choisi ce boîtier de sorte que la fixation de la batterie ou du boîtier électrique ne soit pas nécessaire. Ainsi, le retrait des éléments en vue de contrôle ou de tests est grandement simplifié. Une seule vis sera insérée à la patte de fixation située dans le boîtier afin d’éviter tout risque de vacillement latéral de la batterie. Boîtier électrique Batterie Vis anti-vacillement Figure 9 : Photographie du boîtier intégral Les deux fils à destination du panneau solaire et de la station de mesure passent par un trou étanchéifié du coffret prévu à cet effet. Figure 10 : Photographie du montage expérimental Projet OSE 3ème année 15 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque IV. Les Tests : analyse et résultats Nous avons effectué des tests suivant différentes conditions d’éclairement afin d’identifier concrètement comment pouvait évoluer notre système. Avant toute chose, nous avons établi un cahier des charges fixant le déroulement à suivre lors des tests de notre installation 1. Cahier des charges des tests Matériel nécessaire : 2 multimètres : I, U 1 solarimètre (capteur permettant de mesurer l’éclairement instantané) Lieu : ensoleillé dégagé toit de l’école, extérieur… Orientation : au maximum face au soleil pour avoir un éclairement important ce qui représente au mieux les conditions météorologiques du Togo Essais : inclinaison par rapport à l’horizontale : 45° orientation : sud différents éclairements (ciel dégagé, brumeux, nuageux…) Remarque : voir réaction de l’installation dans des conditions climatiques différentes Influence du vent, de la pluie, de la température ambiante… Mesures à effectuer: Réaction du panneau suivant l’éclairement : mesure de U et I Inclinaison éclairement conditions Mesures à la sortie du orientation en W/m² panneau solaire U I P en V en mA en W courbes caractéristiques : I = f(E) et I = f(U) Mesure du chargement de la batterie suivant différents éclairements temps éclairement conditions Mesure de la tension de en W/m² la batterie en V courbes de chargement de la batterie pour plusieurs éclairements Projet OSE 3ème année 16 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Mesure du déchargement de la batterie Pour remplacer la station météorologique, on utilise une résistance de 1000 comme récepteur. courbe de déchargement de la batterie : Ubat = f(t) 2. Tests de fonctionnement du panneau Afin de visualiser la réaction du panneau à l’éclairement, nous avons étudié l’évolution de l’intensité qu’il délivre suivant différentes conditions d’éclairement. Intensité délivrée par le panneau suivant l'éclairement reçu 200 I (mA) 150 100 I = f(E) 50 0 0 200 400 600 800 1000 1200 E (W/m²) Figure 11 : Courbe caractéristique I-E du panneau La courbe montre que l’intensité du panneau varie proportionnellement à l’éclairement reçu suivant une droite d’équation I = 0,16.E. L’éclairement n’a en revanche que très peu d’influence sur la tension délivrée par le panneau. Courbe intensité - tension du panneau intensité panneau en A 250 I = f(U) 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 tension panneau en V Figure 12 : Courbe caractéristique I-U du panneau Projet OSE 3ème année 17 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque La courbe ci-dessous montre que le point optimal de fonctionnement du panneau est définie par une intensité de 190 mA et une tension de 19 V. Pour atteindre celui-ci, il est nécessaire d’avoir un éclairement proche de 1000 W/m². Ainsi, le panneau fournit une puissance de 3,6 W. Rendement de notre panneau : Surface du panneau : 36 cellules carrées de 2,5 cm de côté donc S = 0,0225 m². Puissance délivrée par 1 m² : Pfournie = 160 W Rendement : Pfournie Preçue 0,16 Cependant, le panneau a une surface réelle de 0,0488 m² car les 36 cellules sont espacées. Dès lors, le rendement réel de celui-ci est : réel = 7,3 %. Ce rendement est honorable pour un panneau composé de cellule en silicium amorphe. 3. Tests de fonctionnement de la batterie et du régulateur de charge Test de charge Courbes de charge de la batterie Tension de la batterie (V) 14 12 10 8 6 4 Emoy = 830,5 W/m² Emoy = 586,8 W/m² Emoy = 360 W/m² Emoy = 634 W/m² 2 0 0 50 100 150 200 250 Temps (min) Figure 13 : Courbe de charge de la batterie La réalisation des tests de charge de la batterie s’est avérée difficile. En effet, nous avons été confrontés à différents problèmes. Pour que ces tests soient vraiment précis, il aurait été nécessaire de travailler à éclairement constant sur toute la durée de la charge soit avoir un ensoleillement n’évoluant quasiment pas pendant Projet OSE 3ème année 18 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque environ 2 heures ce qui est impossible à Nantes à cette période de l’année. Ainsi, nous avons opté de travailler sur l’éclairement moyen de la période de charge ce qui est moins précis car il y a parfois des variations assez importantes causées par exemple par le passage de nuages. Pour cela nous avons utilisé un multimètre permettant faire des intégrations et ainsi de nous donner un éclairement moyen sur une certaine période. Cependant la durée de ces périodes était limitée par la mémoire de l’appareil ce qui nous obligeait à faire des mesures toutes les 10 minutes environ. De plus, la mesure de la tension de la batterie était assez complexe car elle nécessitait de débrancher le panneau pendant quelques secondes, le temps de relever la valeur de la tension. La résistance réceptrice étant branchée pendant la charge, dès que nous débranchions le panneau, la tension de la batterie chutait étant donné que la résistance utilisait automatiquement l’énergie contenue dans la batterie. Dès lors, la mesure devait être effectuée rapidement. Les courbes montrent que le temps de charge de la batterie diminue quand l’éclairement moyen reçu par le panneau augmente. Cela s’avère tout à fait logique vu que plus l’éclairement est grand, plus le panneau peut fournir de l’énergie donc plus la batterie peut être alimentée. D’après ces courbes et d’après les données météorologiques fournies par M. Napo ou par le logiciel de simulation (voir en VI), on peut envisager qu’en moins d’une heure la batterie peut être quasiment rechargée. Lors des premières minutes de chargement, la tension de la batterie augmente très rapidement. Par exemple, à un éclairement moyen de 540 W/m², la batterie se charge de 0,7 à 5,2 V en 2 minutes. La vitesse du chargement ralentit aux alentours de 10 V. La fin du chargement de la batterie demande plus d’énergie. On voit que notre installation est largement dimensionnée car le temps de charge est vraiment cours. En moyenne 3 heures seulement sont nécessaires pour remplir notre batterie. Même à éclairement faible, le système réagit correctement. De plus, il faut tenir compte du fait que lors du chargement de la batterie, le récepteur est également alimenté. Seul l’énergie non dissipée par le récepteur est stockée dans la batterie. C'est-àdire que si on débranchait la charge réceptrice, la batterie serait encore plus vite chargée cependant cela ne correspondrait plus aux conditions réelles d’utilisation de notre système. Test de décharge Décharge de la batterie Tension batterie (V) 14 12 10 8 6 4 2 0 0 500 1000 1500 Temps de décharge (min) Figure 14 : Courbe de décharge de la batterie Projet OSE 3ème année 19 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque La courbe de décharge de notre batterie montre que te temps de décharge est nettement inférieur au temps de charge. En effet, on peut voir que la batterie se décharge en environ dix fois moins de temps qu’elle ne se charge. De plus, pour la réalisation de ces tests nous avons simulé la station météorologique (récepteur électrique de notre système par une résistance de 1000 . Or, cette résistance est sur dimensionnée par rapport à la station météorologique d’environ 10 fois. Cependant, pour réduire le temps de chaque expérience lors de nos tests nous avons du opter pour un tel choix. En réalité, la station météorologique qui recevra notre installation solaire consommera environ 10 fois moins d’énergie. Dès lors, en s’appuyant sur la courbe de décharge qui montre que la batterie se décharge en environ 20 heures, on peut espérer une autonomie de la batterie de près de 8 jours ce qui est largement appréciable au Togo. En effet, il est peu probable d’avoir 8 jours sans soleil même durant la période des pluies. De plus, cette courbe de décharge montre que la batterie ne se décharge jamais complètement. La limite de décharge est d’environ 0,5 V ce qui permet d’améliorer la durée de vie de la batterie. On voit également que la batterie se décharge rapidement au début puis que le rythme de décharge diminue ensuite. C’est le fonctionnement inverse de la charge. Pour conclure, on peut dire que notre régulateur de charge fonctionne correctement tout comme notre batterie qui réagit normalement. Cependant, notre installation est tout de même légèrement surdimensionnée mais cela est du à la force des choses vu que nous n’avons pas trouvé de matériel moins puissant sur le marché. La batterie s’avère tout de même être l’élément le plus complexe de notre installation. C’est elle qui demande le plus de maintenance car sa durée de vie est limitée comparée aux autres éléments et sa composition chimique peut créer des pollutions extérieures. Projet OSE 3ème année 20 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque V. Les règles d’installation et d’entretien du système 1. Mise en place de l’installation Quelques règles à respecter sont importantes pour un fonctionnement optimal de notre installation. a. Inclinaison du panneau Le rendement d'une photopile est défini par le rapport entre la puissance électrique qu'elle fournit et la puissance du rayonnement lumineux qu'elle reçoit. Ainsi, il est important d’orienter le panneau photovoltaïque de façon optimale en respectant un bon angle d’inclinaison. * l’angle d’inclinaison Figure 15 : Schéma de Une orientation plein sud perpendiculaire au soleil de midi est l'orientation idéale. A l'équateur, on a donc des panneaux horizontaux et dans les pays tempérés, il est conseiller de les incliner avec un angle de 40 à 60° par rapport au sol. L’inclinaison optimale correspond approximativement à la latitude du lieu d’implantation du panneau. Au Togo, l’inclinaison optimale du panneau se situe donc entre 0 et 10°, étant donné la proximité entre le Togo et l’équateur. Nous recommandons ainsi à M Napo de positionner le panneau à l’horizontal pour un meilleur rendement et une simplicité de montage. De plus, nous lui conseillons de l’installer sur une surface plane de préférence, en évitant de le placer sous des zones d’ombre portées. Enfin, afin d’éviter toutes chutes accidentelles, tous risques de vol, nous lui conseillons de bien fixer l’installation. Projet OSE 3ème année 21 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque b. Boîtier Bien que notre installation soit protégée contre les vibrations, la poussière et l’humidité par un boîtier, il est tout de même nécessaire de suivre quelques règles : - Placer le boîtier dans un endroit sec, propre et de préférence frais et à l'abri du gel. Ne pas exposer les éléments électroniques directement à la lumière du soleil car cela peut entraîner certains dommages dus à une montée excessive en température. - La plage de température d'exploitation admissible est de 0°C à +55°C, cependant, la température recommandée d'exploitation de la batterie est +10°C à +30°C. Des températures plus élevées réduisent la durée de vie. Des températures inférieures réduisent la capacité. - L'installation doit permettre un accès aisé à la batterie, ainsi il est conseillé de placer le boîtier dans un endroit facilement accessible, et de préférence sur une surface horizontale. 2. Entretien de l’installation L’installation solaire autonome est très robuste et a été conçue pour résister aux conditions de fonctionnement les plus rigoureuses. Ainsi, la plupart des problèmes que posent les systèmes photovoltaïques sont imputables aux branchements, aux baisses de tension et aux charges. a. Partie Régulateur – Batterie Comme les batteries sont expédiées chargées, le temps de stockage est limité. Afin de recharger facilement les batteries après une période prolongée, il est conseillé de ne pas dépasser un temps de stockage sans recharge de: [1] - 3 mois à 20°C - 2 mois à 30°C - 1 mois à 40°C Le non-respect de ces consignes portera préjudice à la capacité et la durée de vie de la batterie. La durée de vie d'une batterie, est directement liée à la profondeur de décharge et à la recharge qui s'en suit. Plus une batterie est déchargée, et plus on la laisse longtemps dans cet état, plus vite elle s'use. Ainsi, il est important de ne pas prolonger un temps de décharge. Il est également important de s'assurer que la polarité est correcte, borne positive de la batterie à la borne positive du chargeur. Projet OSE 3ème année 22 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque b. Panneau photovoltaïque Il est nécessaire de visiter le site d’implantation de l’installation à des intervalles de temps réguliers afin de nettoyer la surface du panneau solaire. Il est conseillé pour ce nettoyage d’utiliser une substance de nettoyage non abrasive, corrosive, de pH neutre et non alcoolisée. La fréquence des visites dépendra de la nature du site et de la période de l’année, en fonction du niveau de poussières ou de la probabilité de recevoir des feuilles d’arbres ou autre chose à la surface du panneau. En effet, une simple feuille suffit pour réduire à néant l'efficacité d'un panneau. En effet, les éléments photovoltaïques sont montés en série. L'ombre d'un petit objet posé sur le panneau fera obstacle à la lumière. La zone non éclairée fait résistance et le panneau ne débite quasiment plus aucune énergie. De même, si le ciel se couvre, la puissance débitée chute dans des proportions importantes. Nous avons testé ce phénomène sur notre système et nous nous sommes rendus compte que de masquer une cellule du module provoquait une chute importante de l’intensité et agit également sur la tension. A un éclairement d’environ 1000 W/m², l’intensité varie de 0,194 à 0,05 A tandis que la tension varie de 19.1 à 18.9 V. Cependant même à l'ombre, ou par temps couvert, l'énergie débitée est suffisante pour entretenir la charge de la batterie. 3. Règles et méthodes de surveillance du système Afin de vérifier le bon état de fonctionnement de l’installation, il est important de suivre, de façon régulière, ces quelques instructions : - S’assurer que la charge ne tire pas plus d’énergie que le capteur photovoltaïque ne peut en débiter. - Vérifier s’il y a des baisses de tension excessives entre le régulateur et la batterie, ce qui déchargerait la batterie. - Vérifier l’état de la batterie. Déterminer si la tension de la batterie baisse pendant la nuit lorsque aucune charge n’y est connectée. La batterie peut être défectueuse si elle ne maintient pas sa tension. - Mesurer la tension du capteur photovoltaïque et la tension aux bornes de la batterie. Si la tension aux bornes est la même (à quelques dixièmes de volt près), le capteur photovoltaïque charge la batterie. Si la tension du capteur photovoltaïque est proche de la tension en circuit ouvert des panneaux et si la tension de la batterie est basse, le régulateur ne charge pas les batteries, il peut être endommagé. Projet OSE 3ème année 23 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque VI. Programme de dimensionnement d’une installation solaire autonome au Togo DELPHI est un logiciel de programmation élaboré par la société Borland. C’est un outil de développement simple et complet autorisant de grandes performances du fait de l’utilisation du langage Pascal. 1. Objectif du programme Ce programme, simple d’utilisation, permet de calculer théoriquement les éclairements solaires reçus au Togo et de dimensionner une installation solaire autonome susceptible d’y être installée. Celui-ci comporte de nombreuses interfaces d’aide et d’information destinées à renseigner l’utilisateur. Ainsi, l’utilisateur est dirigé pour la saisie de certaines données spécifiques et des fiches permettent de l’informer notamment sur les types de panneaux. 2. Entrées et Sorties du programme ENTREES La situation géographique du site à électrifier (latitude - longitude) La situation temporelle Le choix de positionnement des panneaux photovoltaïques Le choix du type de système photovoltaïque SORTIES Les éclairements solaires au sol (direct – diffus – global) La durée du jour et les heures de lever et de coucher du soleil L’énergie solaire disponible La puissance crête à installer Le nombre de panneaux et leur branchement Le besoin énergétique de l’appareil à alimenter en électricité La surface totale de panneaux La sélection de l’onduleur Le choix du type de panneaux La sélection des batteries La durée d’autonomie L’énergie produite par le système Projet OSE 3ème année 24 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque 3. Description du programme a. Détermination de l’ensoleillement Avant de dimensionner un système PV (photovoltaïque), il est nécessaire de s’intéresser aux ressources solaires du site (éclairement reçu et énergie disponible). Pour le calcul de celles-ci, nous avons utilisé des ouvrages spécialisés ( [2] ). Dans un premier temps, l’utilisateur entre plusieurs données afin de permettre au programme de calculer différents paramètres tels que le numéro du jour dans l’année, le temps solaire vrai, l’angle horaire, la déclinaison du soleil, la hauteur solaire, la durée astronomique et l’azimut. Ces paramètres intermédiaires sont nécessaires au calcul des éclairements direct et diffus (figure 7.a). Les calculs des éclairements se trouvent en annexe 1 Figure 16 : Interface de calcul des éclairements Il faut savoir qu’en raison de son étirement en latitude, le Togo connaît deux régimes climatiques. Au sud (régions Maritime et des Plateaux), où règne un climat de type équatorial, on distingue deux saisons pluvieuses et deux saisons sèches (la grande saison pluvieuse va d'avril à juillet tandis que la petite dure de septembre à octobre, et la pluviométrie annuelle est en moyenne de 800 à 1 000 mm). Au nord règne un climat de type tropical caractérisé par une seule saison pluvieuse allant d'avril à octobre, et une seule saison sèche de novembre à mars. Ensuite, en intégrant sur une période (heure, jour, année), le programme détermine l’énergie solaire disponible. Pour le calcul de l’énergie solaire reçue sur l’année et l’énergie quotidienne moyenne solaire reçue chaque mois, le programme prend en compte un coefficient établi par rapport à Projet OSE 3ème année 25 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque des données réelles relevées sur site. Celui-ci permet de considérer les jours sans soleil. Il varie suivant la latitude du site et la saison. Figure 17 :Interface de calcul des énergies b. Dimensionnement du système autonome [3] Le programme donne la possibilité à l’utilisateur de simuler le dimensionnement d’un système PV autonome. Le dimensionnement d’un système autonome se calcule à partir de la puissance à fournir. Dès lors, on peut effectuer le calcul de la puissance crête. La puissance crête (Pc), exprimée en Watt-crête (Wc), est la puissance maximale d’un module ou d’un champ photovoltaïque (ensemble de modules) travaillant dans des conditions normalisées de test (STC): éclairement = 1000 W/m² - spectre solaire AM 1,5 - température ambiante = 25°C. Pc EF E SD 0,6 avec : - EF : énergie électrique fournie ou à fournir par le système PV sur une période x en Wh. - ESD : énergie solaire disponible durant la période x en KWh / m². - 0,6 : coefficient de perte. Celui-ci tient compte, pour des raisons de sécurité, des fluctuations de tension et d’intensité pouvant se produire dans certaines conditions climatiques. Projet OSE 3ème année 26 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque L’utilisateur du programme saisit la puissance totale des appareils que le système PV doit alimenter et le temps de fonctionnement moyen durant une journée. Le dimensionnement est effectué au jour le plus défavorable de l’année (21/12 conditions normales) : EF = puissance totale des appareils temps de fonctionnement Pc= EF / ( 0,6 ESD (21/12) ) nombre de modules = Pc / puissance d’un module Dans ce type de système, une batterie (ensemble d’accumulateurs) a le rôle de « réservoir d’énergie ». Elle est remplie d’un côté par les modules et vidée de l’autre par les récepteurs. La capacité d’une batterie, exprimée en ampère-heure (Ah), représente un stockage d’énergie : capacité = (énergie à fournir / tension de la batterie ) autonomie coefficient de décharge L’énergie à fournir au système s’exprime en Wh / jour et l’autonomie, fixée par l’utilisateur, en jour. En général, la tension U de la batterie est de 12 V et le coefficient de décharge minimal est fixé à 30% ce qui permet de toujours maintenir une réserve suffisante d’énergie dans la batterie et d’éviter ainsi une décharge profonde qui risquerait d’endommager celle-ci. C E F autonomie 12 0,7 Le programme choisit ensuite la ou les batterie(s) adaptée(s) en fonction de la tension continue du système et de la capacité calculée : les batteries au plomb sont les plus couramment utilisées. Puis, il établit le branchement correspondant dans le cas où plusieurs batteries sont assemblées. Dans cet outil, la gamme d’onduleurs sélectionnée intègre le régulateur de charge. Celui-ci est nécessaire au système pour éviter l’endommagement de la batterie par un courant trop fort ou un déchargement trop important. Une bonne régulation permet d’augmenter la durée de vie de la batterie. Projet OSE 3ème année 27 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Figure 18 : Interface de dimensionnement d’un système autonome 4. Analyse personnelle du programme Pour réaliser celui-ci, nous avons effectué des recherches sur le climat au Togo et sur les systèmes PV. Concernant le calcul des éclairements, nous nous sommes heurtés à la difficulté d’introduire dans les boucles de calcul les éléments caractérisant le climat local et l’énergie solaire reçue, éminemment variable dans le temps et dans l’espace. Au niveau du dimensionnement du système, il nous a fallu intégrer du matériel existant actuellement sur le marché. Cependant, nous avons seulement sélectionné une gamme de matériel pour chaque élément du système. Ainsi, cet outil a ses limites car la gamme de matériel qu’il propose (modules, onduleurs, batteries) est restreinte. Projet OSE 3ème année 28 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Conclusion Par la réalisation de ce projet, nous avons pu nous rendre compte que le développement de l’énergie photovoltaïque apparaît essentiel aux pays en voie de développement. En effet, ces pays qui ne disposent pas d’un réseau électrique national étendu présentent d’importants besoins en électricité pour de nombreux sites isolés. Dès lors, il s’avère que le marché du photovoltaïque a un fort potentiel de croissance. Plus techniquement, ce projet nous a permis de réaliser le prototype correspondant aux attentes de M. Napo, client de l’installation solaire autonome. Ce prototype possède, en effet, toutes les caractéristiques nécessaires pour assurer quotidiennement l’alimentation électrique de stations météorologiques situées au Togo. Ces caractéristiques ont d’ailleurs été vérifiées par de concluants tests expérimentaux. Cette installation présente aussi l’avantage de pouvoir résister à des conditions météorologiques rigoureuses, grâce à un système de double protection. De plus, en parallèle de la construction et des tests de l’installation, nous avons au cours de ce projet développer un logiciel de calcul de l’énergie solaire reçue au Togo intégrant également la possibilité de dimensionnement une installation solaire autonome. Ce logiciel pourra être aisément utilisé par M. Napo s’il décide d’implanter d’autres installations solaires autonomes. La partie commerciale de notre projet, concernant une étude de distribution de notre système PV à une plus grande échelle, n’a pu être abordée faute de temps. Cependant, à travers ce projet et ce rapport, dans lequel nous avons détaillé toutes les étapes de la réalisation de l’installation solaire autonome, nous laissons toutes les clés à l’équipe de deuxième année pour développer cet aspect. Ce projet nous a également permis d’élargir nos connaissances et nos compétences dans le domaine de l’électronique, puisque il a nécessité la réalisation d’un circuit imprimé. Enfin, il nous a permis d’appréhender les difficultés et les réalités de notre future vie professionnelle où la gestion de projet est primordiale. Ainsi, nous avons appris à gérer notre temps, travailler en équipe de manière équitable afin d’améliorer l’efficacité de notre travail, mener des réunions d’avancement… Projet OSE 3ème année 29 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Bibliographie Livres [1] : Photopiles solaires : de la physique de la conversion photovoltaïque aux filières, matériaux et procédés - A. RICAUD - édition Presses Polytechniques et Universitaires Romandes collection Cahier de Chimie - 1997 [2] : Le gisement solaire : évaluation de la ressource énergétique C. PERRIN DE BRICHAMBAUT & C. VAUGE - édition Technique et Documentation - 1981 [3] : Cellules solaires : Les bases de l’énergie photovoltaïque (3e édition) - A. LABOURET, J-P. BRAUN, B. FARAGGI - ETSF (Editions Techniques et Scientifiques Françaises) - 2001 Projet OSE 3ème année 30 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Projet OSE 3ème année 31 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Table des figures FIGURE 1 : SCHEMA DE PRINCIPE D’UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE 5 FIGURE 2 : CELLULE CRISTALLINE 5 FIGURE 3 : CELLULE AMORPHE 6 FIGURE 4 : SCHEMA DE PRINCIPE D’UN SYSTEME AUTONOME 7 FIGURE 5 : SCHEMA DE PRINCIPE D’UN SYSTEME RACCORDE AU RESEAU (SOURCE ADEME) 7 FIGURE 6 : SCHEMA DE FONCTIONNEMENT DU MONTAGE 9 FIGURE 7 : PHOTOGRAPHIE DU SCHEMA ELECTRIQUE 13 FIGURE 8 : PHOTOGRAPHIE DU BOITIER ELECTRIQUE 14 FIGURE 9 : PHOTOGRAPHIE DU BOITIER INTEGRAL 15 FIGURE 10 : PHOTOGRAPHIE DU MONTAGE EXPERIMENTAL 15 FIGURE 11 : COURBE CARACTERISTIQUE I-E DU PANNEAU 17 FIGURE 12 : COURBE CARACTERISTIQUE I-U DU PANNEAU 17 FIGURE 13 : COURBE DE CHARGE DE LA BATTERIE 18 FIGURE 14 : COURBE DE DECHARGE DE LA BATTERIE 19 FIGURE 15 : SCHEMA DE L’ANGLE D’INCLINAISON 21 FIGURE 16 : INTERFACE DE CALCUL DES ECLAIREMENTS 25 FIGURE 17 :INTERFACE DE CALCUL DES ENERGIES 26 FIGURE 18 : INTERFACE DE DIMENSIONNEMENT D’UN SYSTEME AUTONOME 28 Projet OSE 3ème année 32 BINARD – DEVILLERS Installation solaire photovoltaïque Annexe 1 : Calcul des éclairements Paramètres initiaux : Latitude du lieu : en ° Longitude du lieu : en ° ( les longitudes à l’ouest du méridien 0 sont affectées du signe - ) Albédo du site (a en %) : partie réfléchie du rayonnement solaire Heure : H en h Date numéro du jour dans l'année : j Orientation du plan récepteur : Sud, Sud-Ouest, Sud-Est, Ouest, Est… Inclinaison du plan récepteur par rapport à l’horizontale : i en ° Calculs intermédiaires : Equation du temps (t en h) : t = 0,0072 cos j – 0,0528 cos 2j – 0,0012 cos 3j – 0,1229 sin j – 0,1565 sin 2j – 0,0041 sin 3j Temps universel (TU en h) : TU = H - 1 TU = H - 2 Temps solaire moyen (TSM en h) : TSM = TU + ( / 15) Temps solaire vrai (TSV en h) : Angle horaire ( en °) : arc de trajectoire solaire entre le soleil et le plan méridien du lieu = 15 (TSV – 12) Déclinaison du soleil ( en °) : angle formé par la direction du soleil et le plan équatorial = 23,45 sin (0,986 j – 80°) Hauteur solaire ( en °) : = arc sin ( sin . sin + cos . cos . cos ) Durée astronomique ( en h) : durée du jour = (2 / 15) arc cos (- tg . tg ) Azimut solaire ( en °) : angle compris entre le méridien du lieu et le plan vertical passant par le soleil = arc sin ( cos . sin / cos ) TSV = TSM + t Calculs des éclairements ( Conditions atmosphériques normales : bleu ciel ) Eclairement dû au rayonnement solaire direct sous incidence normale : I en W/m² I = 1230 . exp (-1 / ( 3,8 sin ( +1,6 ) ) Eclairement direct au sol : S en W/m² S (i,) = I . ( cos . sin i . (cos . cos + sin . sin ) + sin . cos i ) avec l’angle entre la normale du plan récepteur et le Sud orientation Sud = 0°; orientation Sud-Est = -45°; orientation Ouest = 90°… Eclairement diffus : D en W/m² - pour une surface horizontale : DH = 125 (sin )0,4 - pour une inclinaison i > 10° : D(i) = ( (1 + cos i) / 2 ) . DH + ( (1 –cos i ) / 2 ) . a . GH avec GH = 1080 (sin )1,25 : éclairement global sur une surface horizontale en W/m² Eclairement global : G en en W/m² G=S+G Projet OSE 3ème année 33 BINARD – DEVILLERS
