Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire

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Master Energétique et Environnement : Travaux
Pratiques
TP Energie Solaire
UPMC
Université Pierre et Marie Curie
Master Science de l’Ingénieur

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Table des matières
A. Introduction ......................................................................................................................... 4
1. Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire. ........................................................ 4
2. Eléments du rayonnement solaire .................................................................................. 5
a) Spectre du rayonnement solaire. Constante solaire et « valeur du Soleil » ............... 6
b) Variation diurne et annuelle ........................................................................................ 8
c) Irradiance disponible sur la surface de la terre ........................................................... 8
d) Angle permettant de projeter le flux incident sur la surface du capteur .................... 9
B. Principe des capteurs solaires ........................................................................................... 12
1. Principe de fonctionnement .......................................................................................... 12
a) Composition d’une cellule PV .................................................................................... 13
b) Récupération des électrons trous ............................................................................. 13
c) Technologies de cellules solaires ............................................................................... 14
d) Caractéristique U/I de la cellule solaire ..................................................................... 16
e) Montage électrique équivalent. Modélisation électrique d’une cellule
photovoltaïque. ............................................................................................................................. 18
2. Fonctionnement aux conditions optimales. Concept du contrôleur MPPT .................. 20
a) Concept du contrôleur .............................................................................................. 20
b) Connexion directe sans MPPT ................................................................................... 21
c) Connexion avec adaptation MPPT ............................................................................ 22
3. Architecture d’un générateur photovoltaique .............................................................. 23
a) Association en série ................................................................................................... 23
b) Association en parallèle ............................................................................................. 23
c) Aménagement du montage final. Ombrage et effet de Hot Spot ............................. 24
4. Rendements associés à la chaîne de conversion ........................................................... 25
d) Définition des besoins électriques ............................................................................ 26
e) Exemple de choix d’équipements ............................................................................. 26
5. Elément d'une installation solaire: ................................................................................ 28
a) Accumulateurs ........................................................................................................... 28
b) Régulateur de charge ................................................................................................ 28
c) Onduleur .................................................................................................................... 29
C. TP : Dimensionnement d'une installation ......................................................................... 30
1. Pré étude et choix des éléments ................................................................................... 30
a) Etude des caractéristiques des panneaux ................................................................. 30
b) Etude du rayonnement solaire .................................................................................. 33

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c) Etude de différents aménagement de capteurs PV .................................................. 35
d) Phénomène d’ombrage. Comportement des modules PV en fonction de leurs
connexions 37
2. Exemple d'application ................................................................................................... 39
a) Calcul de l'énergie nécessaire pour satisfaire aux besoins d'une famille ................. 39
b) Calcul du nombre de module et de la surface de pose ............................................. 39
c) Correction en tenant compte des différentes pertes (électriques, ombrage,
salissures) 41
d) Limite de tension ....................................................................................................... 42
e) Régulateur de charge ................................................................................................ 42
f) Montage Onduleur .................................................................................................... 43
g) Calcul de la capacité batterie .................................................................................... 44

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TP Energie solaire
A. Introduction
1. Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire.
Les sources d’énergie conventionnelles telles que le nucléaire ou les combustibles fossiles
(charbon, pétrole et gaz) sont issues de stocks limités de matières extraites du sous-sol de la terre.
Chacune d’elles provoquent dans leurs utilisations des conséquences à long terme plus ou moins
importantes sur l’environnement et qui tendent à être mieux maitrisées: pollution atmosphérique,
changement climatique, contamination
radioactive.... A l’opposé, les sources d’énergie
renouvelables ont recours à des flux naturels
qui traversent de façon plus ou moins
permanente la Biosphère. Dans le cas d’une
utilisation d’une infime partie de ces flux, alors
ces énergies resteront inoffensives pour
l’environnement naturel aussi bien localement
que globalement. Toutes les énergies
renouvelables sont issues directement ou
indirectement du soleil. Son rayonnement
direct peut être utilisé de deux manières :
• sa chaleur peut être concentrée pour
chauffer de l’eau sanitaire, des immeubles,
des séchoirs, ou bien un liquide en circulation
afin de produire de l’électricité par
l’intermédiaire d’un alternateur ou d’une
dynamo. C’est le solaire thermique.
• sa lumière peut être transformée
directement en courant électrique grâce à
l’effet photovoltaïque
Figure 1 : Bertrand Piccard prépare un tour du monde à bord d’un avion futuriste alimenté seulement par
de l’énergie solaire, avec un défi technique : emmagasiner suffisamment d’énergie de jour pour voler de nuit.
L’énergie solaire qui touche la terre représente en tout environ 1 540 1015 kWh/an (1 540 péta
kWh/an). C’est 15 000 fois plus que la consommation d’électricité mondiale. Il faut évidement
prendre en compte l’ensoillement local, enlever les surfaces des mers ainsi qu’intégrer les
performences des systèmes de conversion de l’énergie solaire par panneau photo voltaique (PV).

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Figure 2 : Besoin énergétique et énergie disponibles issues de différentes ressources. Source Eco Solar
Equipment Ltd
L’étude qui vous est proposée a pour objectif de mettre en évidence les performances de
l’ensemble des éléments constituants une chaine de production d’électricité basée sur des capteurs
photovoltaïques puis de les monter pour simuler une installation complète (exemple celle d’une
maison de vacances qui comporte différents besoins électriques).
Figure 3 : Schéma de principe d’un système PV
2. Eléments du rayonnement solaire
Il faut noter que la cellule photovoltaïque (PV), n’est pas une pile, mais un convertisseur
instantané d’énergie, qui ne pourra fournir une énergie sous forme électrique que si elle reçoit une
énergie sous forme de rayonnement. La cellule solaire ne peut être assimilée à aucun autre
générateur classique d'énergie électrique de type continu. Ceci est dû au fait qu'elle n'est ni une
source de tension constante ni une source de courant constant.
Actuellement, le rendement de conversion d'énergie solaire en énergie électrique est encore
faible (souvent inférieur à 12 %) mais de très nombreuses recherches rendent prometteuses les
évolutions du rendement.
Sous un ensoleillement nominal de 1000 W/m2, il faut environ 9 m2 de panneaux PV pour
fournir 1 kWc, ce qui induit un coût élevé du watt crête.
Ce rendement faible ainsi que le coût élevé de la source photovoltaïque ont incité les
utilisateurs à exploiter le maximum de puissance électrique disponible au niveau du générateur PV.
Ce maximum est généralement obtenu en assurant une bonne adaptation entre le générateur PV et
le récepteur associé. Cette adaptation est effectuée à l'aide de convertisseurs statiques basés sur
différents modes de fonctionnement.