Systemes PV_Alain Ricaud_Sept-08

Systèmes PV_Alain Ricaud_Sept-08 Compresse.doc
Modules et systèmes photovoltaïques
©Alain Ricaud, Sept 2008

©Alain Ricaud, Sept 2008 2/ 161
SOMMAIRE
LES MODULES PHOTOVOLTAIQUES ............................................................................ 8
1 Caractéristiques électriques des modules.................................................................................................................9
1.1 Le module photovoltaïque, générateur mixte .....................................................................................................9
1.2 Notion de puissance crête et de température d'utilisation............................................................................... 10
1.2.1 Puissance STC .............................................................................................................................................. 10
1.2.2 Puissance NOCT .......................................................................................................................................... 10
1.2.3 Influence de l'éclairement ............................................................................................................................ 10
1.2.4 Influence de la température ......................................................................................................................... 11
1.2.5 Perte de puissance par résistance série ....................................................................................................... 12
1.2.6 Influence de la résistance shunt................................................................................................................... 14
1.3 Le groupement de cellules en série .................................................................................................................. 15
1.4 Le groupement de cellules en parallèle............................................................................................................ 16
2 Fabrication des modules .......................................................................................................................................... 16
2.1 L'encapsulation des modules ............................................................................................................................ 16
2.2 Le test des modules ........................................................................................................................................... 17
3 Standards, mesures et garanties ............................................................................................................................. 18
3.1 Vieillissement accéléré ..................................................................................................................................... 18
3.2 Standards............................................................................................................................................................ 18
3.3 Mesures sur le terrain ........................................................................................................................................ 19
3.4 Garanties ............................................................................................................................................................ 19
4 Le champ de modules photovoltaïques .................................................................................................................. 20
4.1 Les déséquilibres dans les groupements de modules ...................................................................................... 20
4.1.1 La photopile fonctionnant en récepteur ...................................................................................................... 21
4.1.2 Déséquilibre dans un groupement série ...................................................................................................... 21
4.1.2.1 Protection par diode ........................................................................................................................... 22
4.1.3 Déséquilibre dans un groupement parallèle ............................................................................................... 23
4.1.3.1 Généralisation des protections par diodes ........................................................................................ 24
LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES ........................................................................ 26
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES AVEC STOCKAGE ELECTRO-CHIMIQUE ......... 28
1 Principe de fonctionnement .................................................................................................................................... 28
1.1 Schéma de principe. .......................................................................................................................................... 28
1.2 Modes de fonctionnement. ............................................................................................................................... 28
1.2.1 Premier mode : déconnexion de la charge ................................................................................................. 28
1.2.2 Deuxième mode de fonctionnement : excédent de courant........................................................................ 29
1.2.3 Troisième mode de fonctionnement : courant nul ...................................................................................... 29
1.2.4 Quatrième mode de fonctionnement : déficit de courant........................................................................... 29
1.2.5 Cinquième mode de fonctionnement : nuit ................................................................................................. 30
1.3 Caractéristiques de fonctionnement. ................................................................................................................ 30
1.4 Intérêt de la diode anti-retour. .......................................................................................................................... 32
2 Les panneaux ............................................................................................................................................................. 32
2.1 Le châssis. .......................................................................................................................................................... 33
2.2 Le câblage. ......................................................................................................................................................... 33
2.3 Règles d'installations des champs de panneaux .............................................................................................. 34

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3 Les accumulateurs électro-chimiques ................................................................................................................... 35
3.1 Généralités ......................................................................................................................................................... 35
3.1.1 Définitions et paramètres utiles ................................................................................................................... 35
3.1.1.1 Rendement d'utilisation ..................................................................................................................... 36
3.1.1.2 Résistance interne............................................................................................................................... 36
3.1.1.3 Capacité .............................................................................................................................................. 36
3.1.1.4 Capacité massique .............................................................................................................................. 37
3.1.1.5 Auto-décharge .................................................................................................................................... 37
3.1.1.6 Charge d’égalisation .......................................................................................................................... 37
3.1.1.7 Profondeur de décharge ..................................................................................................................... 37
3.1.1.8 Tenue en cycles .................................................................................................................................. 37
3.1.1.9 Durée de vie ........................................................................................................................................ 37
3.1.1.10 Autonomie .......................................................................................................................................... 38
3.2 Les accumulateurs au Plomb acide .................................................................................................................. 38
3.2.1 Description.................................................................................................................................................... 38
3.2.2 Principe de fonctionnement ......................................................................................................................... 38
3.2.2.1 Contraintes liées aux surcharges et aux décharges profondes......................................................... 39
3.2.3 Caractéristiques ............................................................................................................................................ 39
3.2.3.1 Tension................................................................................................................................................ 39
3.2.3.2 Rendement. ......................................................................................................................................... 40
3.2.3.3 Autodécharge...................................................................................................................................... 40
3.2.3.4 Durée de vie........................................................................................................................................ 40
3.3 Les accumulateurs Cadmium - Nickel ............................................................................................................. 40
3.3.1 Description.................................................................................................................................................... 40
3.3.2 Caractéristiques ............................................................................................................................................ 41
3.4 Autres couples électro-chimiques ................................................................................................................... 41
3.4.1 Nickel-Zinc ................................................................................................................................................... 41
3.4.2 Nickel-Fer ..................................................................................................................................................... 41
3.4.3 Nickel-NaCl .................................................................................................................................................. 42
3.4.4 Lithium-ion ................................................................................................................................................... 42
3.5 Utilisation des accumulateurs dans les systèmes solaires. ............................................................................. 42
3.5.1 Stockage - tampon ........................................................................................................................................ 42
3.5.2 Durée de stockage ........................................................................................................................................ 42
3.5.3 Conditions d’exploitation des accumulateurs............................................................................................. 43
3.5.4 Caractéristiques souhaitées .......................................................................................................................... 43
3.5.5 Conditions de charge.................................................................................................................................... 43
4 Régulation électronique de la charge .................................................................................................................... 43
4.1 Généralités ......................................................................................................................................................... 43
4.2 Autorégulation ................................................................................................................................................... 44
4.3 Régulation parallèle (ou shunt) ........................................................................................................................ 45
4.3.1 Principe. ........................................................................................................................................................ 45
4.3.2 Etude du fonctionnement. ............................................................................................................................ 45
4.3.2.1 Absence de régulation........................................................................................................................ 45
4.3.2.2 Régulation........................................................................................................................................... 45
4.3.3 Avantages. .................................................................................................................................................... 45
4.3.4 Inconvénients................................................................................................................................................ 46
4.4 Régulation série électronique. .......................................................................................................................... 47
4.4.1 Principe ......................................................................................................................................................... 47
4.4.2 Etude du fonctionnement. ............................................................................................................................ 47
4.4.2.1 Absence de régulation........................................................................................................................ 48
4.4.2.2 Régulation........................................................................................................................................... 48
4.4.3 Avantages. .................................................................................................................................................... 49
4.4.4 Inconvénients................................................................................................................................................ 49
4.5 Régulation série électromécanique. ................................................................................................................. 49
4.5.1 Principe. ........................................................................................................................................................ 49
4.5.2 Etude du fonctionnement. ............................................................................................................................ 50
4.5.2.1 Absence de régulation........................................................................................................................ 50
4.5.2.2 Régulation........................................................................................................................................... 50
4.5.3 Avantages. .................................................................................................................................................... 51

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4.5.4 Inconvénients................................................................................................................................................ 51
4.6 Disjonction automatique de la charge.............................................................................................................. 51
4.6.1 Principe. ........................................................................................................................................................ 51
4.6.2 Etude du fonctionnement. ............................................................................................................................ 52
4.7 Conclusions ....................................................................................................................................................... 52
5 Dimensionnement ...................................................................................................................................................... 53
5.1 Données d’ensoleillement................................................................................................................................. 53
5.2 Principe de calcul. ............................................................................................................................................. 53
5.2.1 Coefficient correctif (K). ............................................................................................................................. 54
5.2.2 Calcul de la puissance module requise. ...................................................................................................... 54
5.2.3 Calcul de la capacité de batterie requise. .................................................................................................... 55
5.2.4 Calcul économique....................................................................................................................................... 56
5.3 Exemple ............................................................................................................................................................. 56
5.3.1 Données de consommation .......................................................................................................................... 56
5.3.2 Données de production ................................................................................................................................ 56
5.3.3 Dimensionnement modules ......................................................................................................................... 57
5.3.4 Détermination de la capacité batterie.......................................................................................................... 57
5.3.4.1 Calcul de la capacité minimale.......................................................................................................... 57
5.3.4.2 Calcul de la capacité nominale .......................................................................................................... 57
5.3.5 Premier calcul de coût.................................................................................................................................. 58
5.3.6 Optimisation technico-économique ............................................................................................................ 58
5.3.7 Deuxième calcul de coût de l'investissement ............................................................................................. 60
5.3.8 Choix des options techniques ...................................................................................................................... 60
5.3.9 En résumé ..................................................................................................................................................... 61
5.4 Courant alternatif ou courant continu ? ........................................................................................................... 62
5.4.1 Comparaison de prix pour l’utilisateur ....................................................................................................... 63
LE COUPLAGE DIRECT ................................................................................................ 65
1 Charge résistive ......................................................................................................................................................... 65
2 Charge adaptée .......................................................................................................................................................... 66
2.1.1 L'Electrolyseur ............................................................................................................................................. 66
2.1.2 Les moteurs à courant continu..................................................................................................................... 67
2.1.3 Pompage solaire ........................................................................................................................................... 69
2.1.3.1 Des pompes solaires africaines... ...................................................................................................... 69
2.1.3.2 ...aux barrages hydroélectriques. ....................................................................................................... 69
3 Adaptation de la charge ........................................................................................................................................... 70
3.1.1 Principe ......................................................................................................................................................... 70
3.1.2 Différents types d’adaptateurs ..................................................................................................................... 70
3.1.3 Caractéristiques de fonctionnement ............................................................................................................ 70
3.1.4 Conditions à remplir par l’adaptateur ......................................................................................................... 71
CENTRALES PHOTOVOLTAÏQUES .............................................................................. 72
1 Analyse typologique .................................................................................................................................................. 72
1.1 Les centrales au sol ........................................................................................................................................... 72
1.2 Les centrales rapportées sur des bâtiments ...................................................................................................... 72
1.3 Les centrales intégrées aux bâtiments .............................................................................................................. 72
1.3.1 Critères d’intégration ................................................................................................................................... 72
1.3.2 Analyse économique de l'intégration .......................................................................................................... 73
1.3.2.1 Eléments de structure ......................................................................................................................... 73
1.3.2.2 Effet de substitution ........................................................................................................................... 74
1.3.2.3 Synergie de fonctions......................................................................................................................... 74
1.3.3 Potentiel des surfaces de toitures disponibles ............................................................................................ 74
2 Centrales au sol.......................................................................................................................................................... 75

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2.1 Modules recommandés pour centrales au sol ................................................................................................. 75
2.1.1 Faible coût .................................................................................................................................................... 75
2.1.2 Haut rendement ............................................................................................................................................ 76
2.1.3 Performances ................................................................................................................................................ 76
2.1.4 Coûts et prix de vente .................................................................................................................................. 76
2.2 Structures ........................................................................................................................................................... 76
2.3 Câblage .............................................................................................................................................................. 76
2.4 Facteurs clés de succès des centrales au sol .................................................................................................... 77
2.4.1 La région ....................................................................................................................................................... 77
2.4.2 Le foncier ...................................................................................................................................................... 77
2.4.3 L’usage.......................................................................................................................................................... 78
2.5 Choix de la technologie : fixe ou « tracker »................................................................................................... 78
2.5.1 Suivi équatorial ............................................................................................................................................ 79
2.5.2 Suivi azimutal ............................................................................................................................................... 79
2.5.3 Suivi deux axes............................................................................................................................................. 79
2.5.4 Autres types de suivi .................................................................................................................................... 79
2.5.5 Fabricants de systèmes de suivi .................................................................................................................. 79
2.5.6 Gain apporté par un système de suivi ......................................................................................................... 81
2.5.7 Inconvénients................................................................................................................................................ 82
2.5.7.1 Occupation au sol ............................................................................................................................... 82
2.5.7.2 Le vent ................................................................................................................................................ 83
2.6 Approvisionnement /Logistique ....................................................................................................................... 84
2.7 Matériel .............................................................................................................................................................. 84
2.7.1 Onduleur /Poste de livraison /Raccordement au réseau ............................................................................ 84
2.7.1.1 Précautions à prendre ......................................................................................................................... 84
2.7.1.2 Respect des normes (exemple de la France)..................................................................................... 84
2.7.2 Modules photovoltaïques ............................................................................................................................. 85
2.7.3 Câblage courant continu (des modules aux onduleurs) ............................................................................. 85
2.7.4 Onduleurs...................................................................................................................................................... 85
2.7.4.1 Généralités .......................................................................................................................................... 85
2.7.4.2 Dimensionnement .............................................................................................................................. 86
2.7.4.3 Impératifs techniques ......................................................................................................................... 86
2.7.4.4 Localisation ........................................................................................................................................ 86
2.7.4.5 Protection de découplage ................................................................................................................... 86
2.7.4.6 Protection contre la foudre et mise à la terre .................................................................................... 87
2.8 Structure des coûts d’une centrale au sol......................................................................................................... 87
2.8.1 Foncier .......................................................................................................................................................... 87
2.8.2 BOS surfacique ............................................................................................................................................ 87
2.8.3 BOS lié à la puissance ................................................................................................................................. 87
2.8.4 Installation .................................................................................................................................................... 87
2.8.5 Coûts « fixes » .............................................................................................................................................. 87
2.8.5.1 Aménagement terrain, accès, fermeture, grillage............................................................................. 87
2.8.5.2 Approvisionnement, transport sur site .............................................................................................. 88
2.8.5.3 Poste de livraison, comptage, raccordement .................................................................................... 88
2.8.5.4 Monitoring .......................................................................................................................................... 88
2.8.5.5 Assurances .......................................................................................................................................... 88
2.8.5.6 Système de surveillance ..................................................................................................................... 88
2.8.5.7 Développement, Ingénierie................................................................................................................ 88
2.9 Coût des centrales au sol................................................................................................................................... 88
2.9.1 Centrales PV fixe ......................................................................................................................................... 89
2.9.2 Avec suivi 2 axes ......................................................................................................................................... 90
3 Construction rapportée au bâti............................................................................................................................... 92
3.1 Façades photovoltaïques ................................................................................................................................... 92
3.2 Toitures photovoltaïques .................................................................................................................................. 93
3.2.1 Structures sur toits plats ............................................................................................................................... 93
3.2.1.1 Calcul des charges .............................................................................................................................. 94
3.2.2 Structures sur toits inclinés .......................................................................................................................... 97
3.2.2.1 Coefficient de température ................................................................................................................ 98
3.2.3 Câblage ......................................................................................................................................................... 99