Systèmes photovoltaïques

Systèmes PV_Polytech_Alain Ricaud_Oct-11.doc
Systèmes photovoltaïques
Polytech' Savoie 5eme année
Alain Ricaud, Oct 2011

Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 3/ 155
SOMMAIRE
LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES ........................................................................ 10
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES AVEC STOCKAGE ELECTRO-CHIMIQUE ......... 12
1 Principe de fonctionnement ........................................................................................................................ 12
1.1 Schéma de principe. .................................................................................................................................. 12
1.2 Modes de fonctionnement. ......................................................................................................................... 12
1.2.1 Premier mode : déconnexion de la charge ........................................................................................ 12
1.2.2 Deuxième mode de fonctionnement : excédent de courant ................................................................. 13
1.2.3 Troisième mode de fonctionnement : courant nul .............................................................................. 13
1.2.4 Quatrième mode de fonctionnement : déficit de courant .................................................................... 13
1.2.5 Cinquième mode de fonctionnement : nuit......................................................................................... 14
1.3 Caractéristiques de fonctionnement............................................................................................................ 14
1.4 Intérêt de la diode anti-retour. .................................................................................................................... 16
2 Les panneaux ............................................................................................................................................... 16
2.1 Le châssis. ................................................................................................................................................ 17
2.2 Le câblage. ................................................................................................................................................ 17
2.3 Règles d'installations des champs de panneaux .......................................................................................... 18
3 Les accumulateurs électro-chimiques ......................................................................................................... 19
3.1 Généralités ................................................................................................................................................ 19
3.1.1 Définitions et paramètres utiles......................................................................................................... 19
3.1.1.1 Rendement d'utilisation ........................................................................................................... 20
3.1.1.2 Résistance interne ................................................................................................................... 20
3.1.1.3 Capacité .................................................................................................................................. 20
3.1.1.4 Capacité massique ................................................................................................................... 21
3.1.1.5 Auto-décharge ........................................................................................................................ 21
3.1.1.6 Charge d’égalisation ............................................................................................................... 21
3.1.1.7 Profondeur de décharge ........................................................................................................... 21
3.1.1.8 Tenue en cycles....................................................................................................................... 21
3.1.1.9 Durée de vie............................................................................................................................ 21
3.1.1.10 Autonomie .............................................................................................................................. 22
3.2 Les accumulateurs au Plomb acide............................................................................................................. 22
3.2.1 Description. ..................................................................................................................................... 22
3.2.2 Principe de fonctionnement .............................................................................................................. 23
3.2.2.1 Contraintes liées aux surcharges et aux décharges profondes .................................................... 23
3.2.3 Caractéristiques ................................................................................................................................ 23
3.2.3.1 Tension ................................................................................................................................... 23
3.2.3.2 Rendement. ............................................................................................................................. 24
3.2.3.3 Autodécharge. ......................................................................................................................... 24
3.2.3.4 Durée de vie. ........................................................................................................................... 24
3.3 Les accumulateurs Cadmium - Nickel ........................................................................................................ 24
3.3.1 Description. ..................................................................................................................................... 24
3.3.2 Caractéristiques ................................................................................................................................ 25
3.3.3 Applications ..................................................................................................................................... 25
3.4 Autres couples électro-chimiques ............................................................................................................. 25
3.4.1 Nickel-Zinc ...................................................................................................................................... 25
3.4.2 Nickel-Fer ........................................................................................................................................ 26

Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 4/ 155
3.4.3 Nickel-NaCl ..................................................................................................................................... 26
3.4.4 Lithium-ion ...................................................................................................................................... 26
3.4.5 En résumé ........................................................................................................................................ 26
3.5 Utilisation des accumulateurs dans les systèmes solaires. ........................................................................... 26
3.5.1 Stockage - tampon ............................................................................................................................ 26
3.5.2 Durée de stockage ............................................................................................................................ 26
3.5.3 Conditions d’exploitation des accumulateurs. ................................................................................... 27
3.5.4 Caractéristiques souhaitées ............................................................................................................... 27
3.5.5 Conditions de charge. ....................................................................................................................... 27
3.6 Véhicules électriques: un moyen de stockage solaire mobile ? .................................................................... 27
4 Régulation électronique de la charge .......................................................................................................... 30
4.1 Généralités ................................................................................................................................................ 30
4.2 Autorégulation .......................................................................................................................................... 30
4.3 Régulation parallèle (ou shunt) .................................................................................................................. 31
4.3.1 Principe. .......................................................................................................................................... 31
4.3.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 31
4.3.2.1 Absence de régulation ............................................................................................................. 31
4.3.2.2 Régulation .............................................................................................................................. 32
4.3.3 Avantages. ....................................................................................................................................... 32
4.3.4 Inconvénients. .................................................................................................................................. 32
4.4 Régulation série électronique. .................................................................................................................... 34
4.4.1 Principe ........................................................................................................................................... 34
4.4.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 34
4.4.2.1 Absence de régulation. ............................................................................................................ 34
4.4.2.2 Régulation. ............................................................................................................................. 34
4.4.3 Avantages. ....................................................................................................................................... 35
4.4.4 Inconvénients. .................................................................................................................................. 35
4.5 Régulation série électromécanique. ............................................................................................................ 35
4.5.1 Principe. .......................................................................................................................................... 35
4.5.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 36
4.5.2.1 Absence de régulation. ............................................................................................................ 36
4.5.2.2 Régulation. ............................................................................................................................. 37
4.5.3 Avantages. ....................................................................................................................................... 37
4.5.4 Inconvénients ................................................................................................................................... 37
4.6 Disjonction automatique de la charge......................................................................................................... 38
4.6.1 Principe. .......................................................................................................................................... 38
4.6.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 38
5 Dimensionnement ........................................................................................................................................ 40
5.1 Données d’ensoleillement. ......................................................................................................................... 40
5.2 Principe de calcul. ..................................................................................................................................... 40
5.2.1 Coefficient correctif (K). .................................................................................................................. 41
5.2.2 Calcul de la puissance module requise. ............................................................................................. 41
5.2.3 Calcul de la capacité de batterie requise. ........................................................................................... 42
5.2.4 Calcul économique. .......................................................................................................................... 42
5.3 Exemple .................................................................................................................................................... 43
5.3.1 Données de consommation ............................................................................................................... 43
5.3.2 Données de production ..................................................................................................................... 43
5.3.3 Dimensionnement modules .............................................................................................................. 43
5.3.4 Détermination de la capacité batterie. ............................................................................................... 44
5.3.4.1 Calcul de la capacité minimale. ............................................................................................... 44
5.3.4.2 Calcul de la capacité nominale ................................................................................................ 44
5.3.5 Premier calcul économique............................................................................................................... 45
5.3.6 Optimisation technico-économique ................................................................................................... 45
5.3.7 Deuxième calcul de coût de l'investissement ..................................................................................... 47
5.3.8 Choix des options techniques............................................................................................................ 47
5.3.9 En résumé ........................................................................................................................................ 48
5.4 Courant alternatif ou courant continu ? ...................................................................................................... 49
5.4.1 Comparaison de prix pour l’utilisateur .............................................................................................. 50

Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 5/ 155
LE COUPLAGE DIRECT ................................................................................................ 52
1 Charge résistive ........................................................................................................................................... 52
2 Charge adaptée ............................................................................................................................................ 53
2.1.1 L'Electrolyseur ................................................................................................................................. 53
2.1.2 Les moteurs à courant continu .......................................................................................................... 54
2.1.3 Pompage solaire ............................................................................................................................... 56
2.1.3.1 Des pompes solaires africaines... ............................................................................................. 56
2.1.3.2 ...aux barrages hydroélectriques. .............................................................................................. 56
3 Adaptation de la charge ............................................................................................................................... 57
3.1.1 Principe ........................................................................................................................................... 57
3.1.2 Différents types d’adaptateurs .......................................................................................................... 57
3.1.3 Caractéristiques de fonctionnement .................................................................................................. 57
3.1.4 Conditions à remplir par l’adaptateur ................................................................................................ 59
CENTRALES PHOTOVOLTAÏQUES .............................................................................. 60
1 Analyse typologique ..................................................................................................................................... 60
1.1 Les centrales au sol ................................................................................................................................... 60
1.2 Les centrales rapportées sur des bâtiments ................................................................................................. 60
1.3 Les centrales intégrées aux bâtiments......................................................................................................... 60
1.3.1 Critères d’intégration........................................................................................................................ 60
1.3.2 Analyse économique de l'intégration................................................................................................. 61
1.3.2.1 Eléments de structure .............................................................................................................. 61
1.3.2.2 Effet de substitution ................................................................................................................ 62
1.3.2.3 Synergie de fonctions .............................................................................................................. 62
1.3.3 Potentiel des surfaces de toitures disponibles .................................................................................... 62
2 Centrales au sol ............................................................................................................................................ 63
2.1 Modules recommandés pour centrales au sol ............................................................................................. 63
2.1.1 Faible coût ....................................................................................................................................... 63
2.1.2 Haut rendement ................................................................................................................................ 64
2.1.3 Volumes, performances, prix de vente et coût du kWh ...................................................................... 64
2.2 Structures .................................................................................................................................................. 66
2.3 Câblage ..................................................................................................................................................... 66
2.4 Facteurs clés de succès des centrales au sol ................................................................................................ 66
2.4.1 La région ......................................................................................................................................... 66
2.4.2 Le foncier ........................................................................................................................................ 66
2.4.3 L’usage ............................................................................................................................................ 68
2.5 Choix de la technologie : fixe ou « tracker » .............................................................................................. 68
2.5.1 Suivi équatorial ................................................................................................................................ 68
2.5.2 Suivi azimutal .................................................................................................................................. 68
2.5.3 Suivi deux axes ................................................................................................................................ 68
2.5.4 Autres types de suivi ........................................................................................................................ 68
2.5.5 Fabricants de systèmes de suivi ........................................................................................................ 69
2.5.6 Gain apporté par un système de suivi ................................................................................................ 70
2.5.7 Inconvénients ................................................................................................................................... 72
2.5.7.1 Occupation au sol.................................................................................................................... 72
2.5.7.2 Le vent ................................................................................................................................... 73
2.6 Approvisionnement /Logistique ................................................................................................................. 74
2.7 Matériel .................................................................................................................................................... 74
2.7.1 Onduleur /Poste de livraison /Raccordement au réseau ...................................................................... 74
2.7.1.1 Précautions à prendre .............................................................................................................. 74
2.7.1.2 Respect des normes (exemple de la France) ............................................................................. 74
2.7.2 Modules photovoltaïques .................................................................................................................. 75
2.7.3 Câblage courant continu (des modules aux onduleurs) ...................................................................... 75
2.7.4 Onduleurs ........................................................................................................................................ 75