Le solaire Photovoltaïque

Le solaire
Photovoltaïque
Formation à destination de la STS
Electrotechnique.
Louis Armand
Plan
 Module
1: Généralités
 Module
2: Sites raccordés au réseau
 Module
3: Sites isolés
Module 1:
Généralités
Applications
Satellites
Electrification des sites isolés, notamment :
pompage d ’eau
balises…
pays en développement
Production raccordée au réseau, la plus forte croissance
depuis années 90 grâce à des incitations financières
(tarif rachat du kWh)
De façon marginale :
véhicules (courses sunracers)
bateaux...
Un marché en forte progression
au niveau mondiale
Croissance actuelle de la filière mondiale = 30%
Un marché en forte progression
au niveau mondiale
L’effet photovoltaïque
Les cellules sont des semi conducteur fabriquées en silicium cristallin
puis dopé d’atomes étrangers (bore et phosphore) qui permettent la
création d’une jonction PN.
Lorsque un photon heurte la surface de la cellule, le transfert de son
énergie produit la rupture d’une liaison entre un électron et son atome
et libère ainsi l’électron, particule négative, ce qui crée un « trou »,
chargé positivement. Ceci induit une différence de potentiel entre les
deux couches de l’ordre de 0.6V.
Schéma équivalent
Cellule


Modèle idéal.
Iph proportionnel à l’ensoleillement.
Courbes caractéristiques
i=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wc
Courbes caractéristiques
p=f(u) pour un module de 36 cellules 50 Wc
Courbes caractéristiques
Effet de l’ensoleillement
Courbes caractéristiques
Effet de la température
Différentes technologies de
fabrication

Silicium multicristallin (52,3% du marché)

Silicium monocristallin (38,3% du marché)

–
–
–
–
Couches minces et divers
Silicium Amorphe (4,7 % du marché)
CdTe - Cadmium Tellure (1,6% du marché)
CIS - Cuivre Indium Sélénium (0,2% du marché)
Silicium cristallin en ruban (2,9% du marché)
Cellules: rendement et surface nécessaire
Part de marché: Mono-cristallin : 38%
Polycristallin : 52%
Les différentes formes de modules

Les capteurs les plus courants sont
des panneaux rectangulaires utilisant
les technologies du silicium cristallin.
Ces capteurs sont souvent installés
par dessus la toiture existante d’une
maison en surimposition,ou sur
châssis lorsqu’on les pose sur le sol ou
sur une toiture terrasse.

Arrivent aujourd’hui des produits
tels que des tuiles et ardoises
photovoltaïques, ou des éléments de
façade ou verrières qui rendent
beaucoup plus facile l’intégration
dans la couverture extérieure des
bâtiments.
Définitions
Puissance crête : Puissance instantanée maximale
délivrée par un
module sous conditions standardisées exprimée en Wc.
La puissance est proportionnelle à la taille de la cellule.
Conditions standards de test :



éclairement de 1000 W/m²
Air-masse de 1,5 (AM1,5) def. d’un spectre solaire
standard
Température de 25°C
Données techniques d’un module
Conformément à la NF EN 50380 les grandeurs caractéristiques
suivantes doivent apparaître dans les spécifications techniques des
modules, elle sont données en STC:






P crête (avec la tolérance de puissance)
UMPP: La tension a puissance maximum.
IMPP: Le courant a puissance maximum.
U0 : la tension à vide.
Icc : Le courant de court circuit.
Coef. de température de la tension, du courant et de la puissance
Diodes By-Pass
Protection par diode By-Pass:
la cellule à l’ombre est court-circuitée.

Des qu’une ombre apparaît sur une cellule, celle-ci ne peut plus
produire de courant. Elle se comporte alors comme une diode
polarisée en inverse.

Si I ne circule plus dans une cellule, il ne circule pas non plus dans les
cellules reliées en série.

L’ombrage d’une cellule peut donc avoir des conséquences directes
sur le rendement du module.
Rendement des cellules, des modules
et du système

Cellule: η ≈ 20%

Module: Le rendement des modules se calcul par rapport à la
surface totale des modules donc inférieur à celui d’une cellule du
fait des espaces inutiles entre les cellules.
η ≈ 12%

Système: nouvelle diminution du rendement due:
- aux disparités entre les modules du générateur
- au manque d’éclairage
η système = η module (0.12) . η onduleur (0.90) . η câble (0.99) = 10%
Production attendue
Plusieurs facteurs peuvent affecter la production d’un site
photovoltaïque :

La localisation géographique.

L’implantation du système, c’est-à-dire son orientation et son
inclinaison.

Les ombrages éventuels.
Production attendue
Facteur géographique
Production attendue
Facteur inclinaison et orientation

En France les panneaux doivent idéalement être exposés plein sud
et être inclinés à 30 degrés par rapport à l’horizontale pour
produire un maximum d’énergie sur l’année.

Cependant des écarts de plus ou moins 45° par rapport au sud
(c’est à - dire de sud-est à sud-ouest) et une inclinaison de 20 à 60°
par rapport à l’horizontale sont acceptables et n’engendrent pas de
baisse de production importante.
Production attendue
Facteur inclinaison et orientation
Principes fondamentaux:
Plus
Il
la toiture est plate plus elle peut s’écarter du Sud.
n’existe aucune différence entre les écarts vers l’Est ou vers l’Ouest.
(Choix en fonction des ombrages).
Production attendue
Facteur ombrage

Origine:
Arbre, bâtiment ou relief naturel installé plus au sud que
l’installation.

Evaluation:
Selon la taille et la hauteur de l’obstacle, sont impact sera
plus ou moins important.
Il faut donc effectuer un relevé de masque .
Module 2:
Sites raccordés au réseau
Principe de fonctionnement
Injection du surplus de la production

L’électricité produite est autoconsommée sur place sans être
préalablement comptabilisée

Le surplus est comptabilisé par
un compteur et vendu à EDF.

Le complément éventuel des
consommations est acheté à
EDF
Principe de fonctionnement
Injection de la totalité de la production
L’électricité
produite est
entièrement comptabilisée
par un compteur de production
et vendue à EDF.
Les
consommations du
site sont comptabilisées
par un compteur spécifique
et facturées par EDF.
Fonctionnalités et exigences d’un onduleur

Conversion de l’énergie électrique

Recherche automatique du point de
puissance maximale

Protection des biens et des personnes

Rendement élevé, même en charge partielle

Fonctionnement fiable, y compris pour des températures extérieurs
élevées
Fonctionnalités d’un onduleur
Conversion de l’énergie électrique
L’onduleur converti le
courant continu en courant
alternatif 230V synchrone avec le
réseau EDF.

La conversion est gérée par
micro-processeurs afin de garantir
un courant alternatif respectant les
normes de qualité.

Fonctionnalités d’un onduleur
Recherche automatique du point de puissance maximale
Les différents types d’onduleurs
Les modules photovoltaïques peuvent être branchés en parallèle, en
série ou en combinant les deux. Le type de branchement influence
le choix de l’onduleur.
Différents types d’onduleurs:

Onduleur centralisé pour la totalité du générateur photovoltaïque

Onduleur « string » pour le montage sur chaque string

Onduleur modulaire pour chaque module photovoltaïque, avec
intégration au module possible.
Les différents types d’onduleurs
Onduleur centralisé
Un seul onduleur pour la totalité du
générateur.
Le générateur se compose souvent de
plusieurs rangées, chacune disposant
d’un maximum de modules branchés
en série.
Caractéristiques:
Mono ou triphasé –injection en BT ou
HTA
Avantages:
Possibilité d’avoir des puissances
importantes jusqu’à plusieurs MW.
Robuste
Les différents types d’onduleurs
Onduleur string
Un onduleur par rangée « string » de 10 à 20
modules.
Caractéristiques:
Monophasé – injection en BT
Avantages:
Bien adapté en cas d’ombres sur des modules
Ainsi qu’a des inclinaisons et orientations
différentes des rangées.
Les différents types d’onduleurs
Onduleur modulaire
Un onduleur par module.
L’onduleur est intégré au module, c’est
du «prêt a brancher ».
Caractéristiques:
Monophasé – injection en BT
Avantages:
Pas de câblage en DC
Un module ombragé ou en panne n’a aucune
conséquence sur le reste de l’installation.
Données techniques d’un onduleur
Coté générateur:
 Puissance nominale CC et puissance maxi CC.
 Courant nominal CC et courant maxi CC
 Tension nominale CC et tension maxi CC.
 Gamme de tension MPP pour un fonctionnement normal.
 Puissance de mise sous tension et hors tension.
Coté réseau:
 Puissance nominale AC et puissance maxi AC.
 Courant nominal AC et courant maxi AC
Module 3:
Sites isolés
Philosophie
Avant d’électrifier un site isolé, il est
indispensable de bien recenser ses besoins et de
les limiter au strict nécessaire:
 Quels appareils?
 Combien de temps par jour?
 Combien de jours dans l’année?
Le dimensionnement doit toujours être réalisé au
plus juste, le coût d’un système en site isolé étant
particulièrement élevé.
Schéma de principe
Composants d’une installation autonome
Rôle du régulateur
Réguler la charge et la décharge de la batterie pour
empêcher le vieillissement prématuré de celle-ci:

Éviter les décharges profondes
(sulfatation des plaques)

Éviter les surcharges qui entraînent une perte en eau
(ébullition)
Batteries: particularités
Elles doivent:
 Etre résistantes aux cycles répétés.
 Avoir un bon rendement de charge même pour de courant de charge
faibles
 Avoir une faible auto décharge( env. 3%/mois).
Des batteries plomb spécifiques pour les applications solaire ont été
développés (chaque cellule de batterie a une tension nominale de 2V)
soit des batteries de 12, 24 ou 48V.
Dimensionnement simplifié

Bilan énergétique des appareils à alimenter.

Détermination de la capacité des batteries.

Détermination de la puissance crête
Dimensionnement simplifié
Bilan énergétique des appareils à alimenter

Tension d’alimentation des appareils (12V, 24V, 48V)

Puissance instantanée

Nombre d’heures d’utilisation par jour
=Besoins journaliers Bj en Wh/jour
Dimensionnement simplifié
Détermination de la capacité des batteries

On détermine une durée d’autonomie pendant laquelle les batteries
pourront alimenter les charges sans l’aide des modules
photovoltaïques
avec:
Autonomie : généralement 5 jours
Degré de décharge généralement compris entre 50 et 70%
Dimensionnement simplifié
Détermination de la puissance crête

La puissance crête de l’installation est obtenue par la formule
simplifiée suivante :
avec:
– H ijmin rayonnement journalier minimum dans le plan des modules
– Rendement énergétiques des batteries = 70%
– Rendement énergétique des autres composants = 90%


La tension d’utilisation détermine le nombre de modules en série.
On en déduit le nombre de branches de modules en parallèle.