CONCEPTION D’UN SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME • Les systèmes solaires autonomes • Méthode de conception. • Étude de cas. • Présentation système didactique. Les systèmes solaires autonomes • Système solaire domestique SHS • Système à onduleur autonome • Systèmes hybrides Système solaire domestique SHS Système à onduleur autonome Système à onduleur autonome •Systèmes hybrides Systèmes hybrides Systèmes hybrides Méthode de conception • Étape 1 – Évaluation des besoins; • Étape 2 – Énergie solaire récupérable; • Étape 3 – Définition des modules PV; • Étape 4 – Dimensionnement du stockage; • Étape 5 – Dimensionnement du régulateur; • Étape 6 – Plan de câblage. Disponibilité des matériels Étape 1 Choix des récepteurs Calcul de la consommation journalière Optimisation des récepteurs Étape 3 Étape 2 Chiffrage de l’énergie solaire récupérable Calcul de la puissance photovoltaïque Choix du type de module Consommation du régulateur Choix de la tension du système Étape 4 Dimensionnement de l’accu Pertes accu Technologie de l’accu Étape 5 Dimensionnement du régulateur Chute de tension dans les câbles Étape 6 Plan de câblage Coût du système Étape 1 – Évaluation des besoins Le kWh solaire est cher économie d’énergie • choix de récepteurs économes en énergie; • utilisation rationnelle. Appareil Nombre Tension Puissance Rendement DC/AC Durée d’utilisation/jour Consommation journalière Étape 2 – Énergie solaire récupérable L’énergie récupérable dépend de : • l’orientation et l’inclinaison des modules; • les conditions météorologiques; • les ombrages Comment orienter et incliner les panneaux ? • Orientation sud pour l’hémisphère Nord; • Inclinaison : • Pour un fonctionnement toute l’année orientation pour les mois les plus mauvais méthode latitude + 10° Pour la France implantation « 60° Sud »; Pour un fonctionnement estival 20 à 30°; Données météorologiques Mini Logiciel RETScreen - Station météo de Lyon Bron - Inclinaison des PV 30° Données météorologiques Mini Logiciel RETScreen - Station météo de Lyon Bron - Inclinaison des PV 60° Ombrages Étape 3 – Définition des modules PV E prod kWh j 1 S I kWhm 2 j 1 Pc I STC S kWhm 2 j 1 Ne h/ j I énergie reçue sur une surface orientée S et inclinée d'un angle égal à la latitude m2 Avec E : énergie produite par les panneaux I : Irradiation du lieu considéré S : surface des panneaux : rendement des panneaux (12%) I STC 1kW m 2 E prod Pc N e Eprod : énergie solaire journalière (Wh/j) Ne : : nombre d’heures équivalentes (h/j) Pc : puissance crête (Wc) (conditions STC 1000W/m², 25°c, AM1,5) Exemple: à Lyon en mars avec une implantation « sud 60° » Ne = 2,67 h/j Chiffrage des pertes Types de pertes Chiffrage Salissure du panneau 5 à 10% de pertes en courant Chute de tension entre PV et l’accu 0,5 V Chute de tension entre régulateur et accu < 0,05 V Chute de tension aux bornes de la diode 0,7 V Chute de tension aux bornes des câbles 5% Baisse de la tension PV avec la température Environ 2 mV/°C.cel Rendement du régulateur 90 % Rendement de l’accu 80 à 90% Perte par désaccord de tension Remarque Tension des modules • Limiter les chutes de tension dans les câbles Section • Bonne ventilation des panneaux • Évaluer la chute de tension entre PV et Accu Upertes= 0,8 (diode) + 0,5 (câble) + 1,5 (perte d’échauffement) Upv = Uaccu + Upertes Pour une application en 12 V Upv = (6 * 2,3) + 0,8 +0,5+1,5 = 16,6 V En pratique pour une installation 12 V prendre: • 17 - 18 V pour l’utilisation en pays chauds au point de puissance maximale; • 15 – 16 V pour l’utilisation en pays tempérés. Calcul de la puissance photovoltaïque • Coefficient de pertes en courant Cp = Csalissure * Caccu de 0,64 à 09 • Puissance photovoltaïque Esol (Wh/m²j) = Ne (h/j) * 1000 (W/m²) Eprod (Wh/j) = Ne (h/j) * Pc (W) En divisant par la tension d’utilisation Qprod (Ah/j) = Cp * Ne (h/j) * Im (A) Pc (W) = Um (V) * Im (A) Technologie des modules Technologie Caractéristiques Utilisation Silicium amorphe - Bonne performance aux faibles éclairements et éclairements diffus. - Rendement 7 % - faible puissance; - produits à bas coût; - produits portables ou en intérieur. Silicium cristallin - rendement 13 % La plupart des applications de plus de 50 Wc Puissance du champ PV 0 – 500 W 500 – 2kW 2 – 10k W > 10k W Tension recommandée 12 V 24 V 48 V > 48 V Étape 4 et 5 – Dimensionnement du stockage et du régulateur La batterie d’accumulateur est le composant le moins durable d’un système photovoltaïque. • Site difficile accès grosse batterie; Exemple batterie tubulaire : 15 ans, 1200 cycles de décharge à 80%. • Site peu sollicité ou facile d’accès batterie solaire à plaques ou batterie de voiture. Calcul de la capacité de l’accu • Déterminer le nombre de jours d’autonomie sans apport solaire Nja • statistique météo pour définir Nja • utilisation normale en pays tempérés Nja = 5 à 8 jours • Capacité de l’accu pour une décharge en 20h à 25°c (C20) Cu (Ah) = Nja * Qcons • Il faut tenir compte de la température d’utilisation et de la profondeur de décharge max autorisée. C20 (Ah) = Nja (j) * Qcons (Ah/j) / Pd * Rt Pd : profondeur de décharge (0,7 à 0,8) Rt : Coefficient réducteur de la température Choix du type de batterie Paramètres permettant le choix : • durée de vie : Le nombre de cycles de décharge est inversement proportionnelle à la profondeur de décharge. • entretien : utilisateur présent sur le site ? batterie ouverte ou étanche; • taux de remplacement; • coût; • disponibilité; • recyclage. Capacité pour une décharge en 20h (I20 = 0,5A) Tension de fin de décharge par cellule 1,75V C1 = 6,4 * 1 = 6,4 Ah C10 = 0,96 * 10 = 9,6 Ah Influence de la température et du temps de décharge sur la capacité de l’accumulateur C% = f(Temp) accu au plomb 120 100 C% 80 60 Série1 40 20 0 -40 -20 0 20 40 60 Temp(°c) C% = f(t) 120 100 C% 80 60 Série1 40 20 0 0 2 4 6 t(h) 8 10 12 Le régulateur • Fonction : • Contrôle de la charge : détermine la durée de vie de l’accu. • Contrôle de la décharge : délestage. • Technologies : Régulateur shunt Régulateur série Régulateur PWM Dimensionnement du régulateur • Tension nominale (12, 24 ou 48V) • Courant d’entrée : en pratique 1,5 * ICC des PV • Courant de sortie : Imax des récepteurs. Étape 6 – SYSTEME DIDACTIQUE Bloc de 18 cellules en série Dossier technique I SYSTEME DIDACTIQUE EXPLOITATION PEDAGOGIQUE • Caractéristique des panneaux photovoltaïques; • Caractéristique des accus; • Détermination des divers rendements (batterie, panneaux, régulateur, onduleur); • Analyse de fonctionnement du régulateur; • Observation des transferts d’énergie avec le régulateur; •Techniques de dimensionnent d’une installation photovoltaïque autonome; • Analyse des protection nécessaires. Dossier technique Caractéristique des panneaux photovoltaïques • Modélisation des panneaux Rsérie 1,9 I I + • Recherche du MPPT Id ICC = 3 A Rshunt 62 V • Facteur de forme Vd = 0,7 V • Influence de l’orientation P=f(U) 140 • Problèmes liés aux ombres portées et diode de protection et I=f(U) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 120 100 80 60 40 20 I=f(U) 5 4,5 4 3,5 3 V 0 I = -0,0156*U + 4,4137 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 P(W)= f(angle) 120 100 2,5 2 1,5 1 0,5 0 80 60 I = -0,5225*U + 21,216 40 20 0 10 20 30 40 50 0 0 10 20 30 40 50 60 Caractéristique des accumulateurs • Modélisation des accumulateurs (MET) lors de la charge et de la décharge I 1 • Rendement en fonction du courant I CC U charge décharge I Transferts d’énergie • Détermination des divers rendements 4 DC 95% AC 1 Régulateur 2 86% 86% 3 95% Analyse de fonctionnement du régulateur • Analyse de fonctionnement du régulateur Ipv Ich Ib Ich = 0 Ipv Ib Ub Ipv Ib Upv Ich = 0 A, Ib et Ub Ipv = Ich = 4,75 A Ipv Ich Ib Upv Ub Ipv Ib Ich = Ipv / 2 = 2,66 A Ipv Ich ??? Ipv Upv Ib Ib Ub Ich = 7.17 A Ipv Ich Ib Ipv Upv Ub Ib Convertisseur DC/AC Entrée DC Sortie AC – Charge 40W