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Energie solaire photovoltaïque

Energie solaire photovoltaïque. Sommaire. - Généralités. - La ressource. - Les panneaux. - Le système. Historique 1839 : effet photovoltaïque Becquerel sur un couple électrochimique 1877 : 1 ère cellule PV au sélénium 1954 : 1 ères cellules PV au silicium

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Energie solaire photovoltaïque

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Presentation Transcript

  1. Energie solaire photovoltaïque

  2. Sommaire - Généralités - La ressource - Les panneaux - Le système

  3. Historique 1839 : effet photovoltaïque Becquerel sur un couple électrochimique 1877 : 1ère cellule PV au sélénium 1954 : 1ères cellules PV au silicium le rendement passe de 4,5 % à 6% en quelques mois 1955 : 1ère commercialisation cellule PV 14 mW (2%) $25 1958 : satellite avec cellules PV (ont fonctionné 8 ans) années 60 : montée des rendements et des puissances (Japon 1963 : 242 W sur une maison)

  4. Croissance de la filière Près de 100 GWc cumulés fin 2012 pour une production d’environ de plus de 10 TWh

  5. Satellites De façon marginale : véhicules (courses sunracers) bateaux... Des applications décentralisées Electrification des sites isolés, notamment : pompage d ’eau balises… pays en développement loisirs

  6. Plus de puissance … et le réseau • Toit solaire • utilisation « individuelle » • raccordés au réseau électrique Centrale des Mées (04) Octobre 2011 Puissance 12 MW, 25 ha couverts par 55 000 panneaux,

  7. La ressource solaire Rayonnement solaire annuel au niveau du sol : 720.1015 kW.h Consommation humaine :135.1012 kWh primaires dont 14.1012kWh électriques Selon les régions : de 900 kW.h à 2300 kW.h/m²/an, soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m² et une puissance crête de plus de 1 kW/m² Une grande part de cette puissance peut être directement et aisément convertie en chaleur, une plus faible part (8 à 25%) peut être transformée directement en électricité

  8. Spectre du Soleil

  9. Spectre du Soleil AM 0 AM 0 48° 30° AM 2 AM 1 AM 1,5 AM 1,5 Rayonnement absorbé par l’atmosphère (O2, CO2, H2O…) AM = air mass

  10. Production annuelle d’énergie: kWh/m2.an Pour un calcul rapide

  11. Carte solaire de la France 5,2 5,3 5,7 4,8 kWh/m2.jour Orientation Sud,inclinaison égale à la latitude Pour un calcul plus précis

  12. Ensoleillement W/m2 Rayonnement en fonction de la météo

  13. Diffusion par les molécules d’air, Diffusion par aérosols Rayonnement direct Rayonnement diffus Rayonnement du à l’albedo Rayonnement Global = Rayonnement direct + Rayonnement diffus + Rayonnement réfléchi **( albédo x rayonnement total horizontal) PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire

  14. Station météorologique de Lyon (rayonnement global horizontal)  Un jour d’hiver ordinaire 75 % de diffus Heure solaire (h) Un beau jour d’été  30% de diffus Heure solaire (h) PV (compétence électrique) – Chap. 2 : Le gisement solaire

  15. Le mouvement de la Terre autour du Soleil • La terre tourne autour du soleil en décrivant une ellipse de faible excentricité et de période :365 jours et ¼ Hmax = hauteur du soleil à midi – φ = latitude du lieu

  16. Zénith 21 juin 21 septembre 21 mars O 21 décembre N 4 h 00 S 6 h 20 8 h 33 E Trajectoire annuelle et journalière du soleil (hémisphère nord)

  17. Masques Solaires

  18. Courbes d’ensoleillementLyon plein sud En kWh/m²/j 0° 30° 60° 90° Jan Fev Mar Avr Mai Jun Jui Aou Sep Oct Nov Dec

  19. Cellule : diode PV élémentaire dimensions de l’ordre de qq cm, qq watts Module : assemblage de cellules qq 10 cm connectées en série et parallèle 32, 36, 72, 216... cellules, qq 10 à qq 100 watts Typiquement : modules de 100 W (1 m²) avec 72 cellules en série (34 V) ou 2 x 36 (série – parallèle 17 V)

  20. Eléments d’un système PV Utilisation AC Soleil Accumulateur Onduleur Panneau Régulateur Utilisation directe

  21. NORD TOIT OUEST EST SUD PANNEAUX SOLAIRES ORIENTATION ET INCLINAISON L’idéal est que l’installation soit orientée côté SUD.

  22. SUD 90° 90° 60° Angle d’inclinaison 60 ° Angle d’inclinaison 90 ° Angle d’inclinaison 90 ° ORIENTATION ET INCLINAISON L’inclinaison des panneaux doit prendre en compte : L’angle par rapport de l’horizontale. On considère que l’on a une perte d’ensoleillement de 20%

  23. ORIENTATION ET INCLINAISON Facteur de correction ( pour projet simplifié )

  24. Rendement de captation en fonction de l’orientation et de l’inclinaison Disque pour calcul du « Facteur de Transposition (FT) » Capteur horizontal 0° Capteur vertical 90° FT = 1,05 Inclinaison 30° Rendement 95% Orientation SE Exemple à LYON, représentatif de la France Métropolitaine en zone urbaine

  25. Pose sur toiture (surimposition) Pose en encastrée ( intégré ) SURFACE POUR L’IMPLANTATION TYPES D’INSTALLATIONS EN TOITURE Avantages : * Prix moins élevé que pour l’intégré * Simplicité de mise en place * Pas de pertes dues à l’augmentation de  Inconvénients : * Fixation sur le toit, traversées de câbles * Moins bonne esthétique Avantages : * Économie de matériaux de construction * Meilleur esthétique

  26. Matériaux Silicium monocristallin 12 à 14 %. polycristallin 10 à 12 amorphe 6 à 8%. Applications intérieurs, moindre coût

  27. Coefficient de structure Le coefficient de structure dépend du type de panneaux et de leur ventilation. Le coefficient de structure : CS

  28. SUD SUD 30° 60° 30° 60° Obstacle naturel : arbre Obstacle naturel : arbre Obstacle naturel : arbre Obstacle naturel : arbre OMBRAGE L’ombrage prend en compte les obstacles existants naturels ( arbres, reliefs ) ou artificiels ( pylône, bâtiments, câbles) et la course du soleil ( sur la journée, sur l’année ). Le facteur d’ombrage : FO Sans ombrage : 1 Avec ombrage :0,8

  29. OMBRAGE Il faut penser à tout ce qui peut faire de l’ombre Sans oublier les poussières et les salissures. Les panneaux doivent être nettoyés

  30. L’Albèdo Grandeur sans dimension, c’est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface, à l'énergie solaire incidente. Comprise entre 0 à 1 Surface de lac, noir de fumée, 0,02 à 0,04 Forêt de conifères 0,05 à 0,15 Surface de la mer 0,05 à 0,15 Sol sombre 0,05 à 0,15 Cultures 0,15 à 0,25 Sable léger et sec 0,25 à 0,45 Glace, papier blanc 0,60 à 1 Neige tassée 0,40 à 0,70 Neige fraîche 0,75 à 0,90 Miroir 1

  31. Ip Conventiondiode générateur Vp E éclairement W/m² Ip Vp Cellule photovoltaïque (principe) Convention diode récepteur

  32. Caractéristique courant tension puissance d’une cellule

  33. Panneaux PV • Influence de l’éclairement, de la température

  34. Caractéristiques d’un module photovoltaïqueau silicium cristallin selon la température Amorphe : 0,21%/ °C

  35. Température d’un module au silicium cristallin en fonctionnement

  36. Cellule photovoltaïque, mise en série et en parallèle :

  37. Caractéristiques d’un champ PV

  38. Cellule photovoltaïque, protection par diode bypass: Pour limiter la tension inverse à une valeur acceptable (point de vue thermique ou avalanche) : diodes de protection BYPASS Pour limiter le nombre de diodes de protection (soucis économique) : les diodes bypass ne conduisent qu’en situation de déséquilibre, et limitent la perte de puissance la caractéristique I(V) est néanmoins modifiée. une seule diode par groupe de 24 cellules environ

  39. Effet des diodes bypass sur les caractéristiques résultantes I(V) Caractéristiques réelles d’un système avec cellules vieillies et une importante couche de poussière Un module « isolé » par sa diode antiparallèle

  40. Régulateur Paramètres de choix : tension et courant en entrée et en sortie, puissance, rendement, protections (panneau, batterie, régulateur), modes de charges, fonctions annexes

  41. Batteries Paramètres de choix : Tension (12, 24, 48 Volts), Capacité (Ah) (courant de charge < 1/10 C), Nombre de cycles @ SOC min donné, Electrolyte gélifié ou non Durée de vie d'une batterie en fonction de la profondeur de décharge

  42. Capacité d’une batterie d’accumulateurs La capacité d’une batterie correspond à la quantité d’électicité qu’elle peut restituer. On la note en Ampère heure. La capacité nominale vaut CN = TN IN Par exemple C10 = 105 Ah signifie qu’elle pourra restituer CN =105 Ah pour une décharge de IN = 10,5 A pendant TN = 10 heures. Cette capacité est fonction de la température, elle augmente lorsque la température augmente. Elle dépend du courant de décharge: Elle augmente quand le courant est plus faible que le courant nominal. Elle diminue dans le cas contraire. La variation de la capacité peut être calculée par la loi de Peukert pour laquelle la capacité Cpx, pour un courant de décharge Ix s’écrit: avec k  1,3

  43. Batteries (charge) 3 phases de charge : Imax, floating, egalisation

  44. Batteries (rendement)   moyen de 0,7

  45. L’onduleur • Fonctions : • Convertit le courant continu en courant alternatif usuel en phase avec le réseau • Fait fonctionner les capteurs PV au maximum de leur puissance (MPPT) quelque soient l’ensoleillement et la température • Se déconnecte en cas d’absence de tension du réseau • Protection des personnes par contrôle d’isolement du circuit continu

  46. Onduleur Paramètres de choix : autonome / connecté au réseau, puissance, tension d’entrée, cos  max, forme d’onde, conso à vide (%de Pnom)

  47. Vente totale de la production autoconsommation

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