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Cours-_Energie-Solaire-Photovoltaïque.pdf
- 1. Cours Energies renouvelables Presenté par: Dr. Ing. Dhaker ABBES Enseignant-chercheur (Maître de conférences) Co-responsable du domaine ESEA HEI-Lille Niveau: Master Thème : Energies renouvelables 1 Version 2013-2014
- 2. Version 2013-2014 2 Partie I: Principe de fonctionnement et coûts I. Introduction : L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles et forment un panneau solaire (ou module) photovoltaïque. Plusieurs modules qui sont regroupés dans une centrale solaire photovoltaïque sont appelés champ photovoltaïque. Le terme photovoltaïque peut désigner soit le phénomène physique - l'effet photovoltaïque - ou la technologie associée.
- 3. Version 2013-2014 3 Lessystèmes photovoltaïques sont utilisés depuis 40 ans. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour la transmission radio des satellites. Elles se sont poursuivies avec les balises en mer et l'équipement de sites isolés dans tous les pays du monde, en utilisant les batteries pour stocker l'énergie électrique pendant les heures sans soleil. I. Introduction :
- 4. Version 2013-2014 4 II.Principe de fonctionnement :
- 5. Version 2013-2014 5 II.Principe de fonctionnement :
- 6. Version 2013-2014 6 II.Principe de fonctionnement :
- 7. Version 2013-2014 7 II.Principe de fonctionnement :
- 8. Version 2013-2014 8 II.Principe de fonctionnement :
- 9. Version 2013-2014 9 II.Principe de fonctionnement : Caractéristiques électriques d’un panneau photovoltaïque
- 10. Version 2013-2014 10 II.Principe de fonctionnement : Caractéristiques électriques d’un panneau photovoltaïque
- 11. Version 2013-2014 11 II.Principe de fonctionnement :
- 12. Version 2013-2014 12 II.Principe de fonctionnement :
- 13. Version 2013-2014 13 III.Les différentes technologies : Il existe un grand nombre de technologies mettant en œuvre l'effet photovoltaïque. Beaucoup sont encore en phase de recherche et développement. Les principales technologies industrialisées en quantité à ce jour sont : le silicium mono ou poly-cristallin (plus de 80% de la production mondiale) et le silicium en couche mince à base de silicium amorphe ou CIS (Cuivre Indium Sélénium).
- 14. Version 2013-2014 14 III.Les différentes technologies :
- 15. Version 2013-2014 15 III.Les différentes technologies :
- 16. Version 2013-2014 16 III.Les différentes technologies : Les modules poly-cristallins : Processus de fabrication Il s’agit de l’extraction et de la purification du silicium, puis de la production des tranches, ensuite du traitement des cellules et du module pour aboutir à la composition du système.
- 17. Version 2013-2014 17 IV.Coûts Coût économique de cycle de vie Le modèle économique du coût de cycle de vie inclut le prix d’acquisition du matériel (Co), le coût de l’installation (Cinst), du remplacement (CCreplace) et de la maintenance (CCmaint) : Ceux de la maintenance et du replacement sont récurrents tout au long du cycle de vie du système. Ils nécessitent une actualisation au cours du temps. Le coût cumulé du remplacement est calculé comme suit : Où Co est le coût d’acquisition du produit et représente le facteur d’actualisation de ce coût si le produit serait racheté n années plus tard. Ce facteur est donné par : Avec τ représente le taux d’inflation qui est une mesure de la baisse durable de la valeur de la monnaie. d correspond au taux d’actualisation par année; c’est le pourcentage de retour sur investissement (rémunération pour le capital avancé). Le coût cumulé de maintenance est obtenu de la manière suivante :
- 18. Version 2013-2014 18 Pourles panneaux photovoltaïques, nous supposons que le prix d'achat représente 50 pour cent du coût d'investissement initial. Les 50 pour cent restants sont répartis entre les composants complémentaires ‘BOS’ (10%), le convertisseur statique (20%) et l'installation (20%). En outre, l’entretien annuel des panneaux photovoltaïques représente environ 1%. Le convertisseur est remplacé tous les 10 ans. IV. Coûts Coût économique de cycle de vie 0 5 10 15 20 25 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Apv(m²) PV CCV (€) Sharp Trina Kyocera Sunwize Solar World Modèle de CCV PVCCV (€) = 650 * Apv L’évolution du coût du cycle de vie de différentes installations photovoltaïques en fonction de la surface des panneaux
- 19. Version 2013-2014 19 IV.Coûts Coût environnemental par analyse de cycle de vie Phases de l’analyse du cycle de vie Critère retenu : Energie primaire contenue ou intrinsèque
- 20. Version 2013-2014 20 V.PRINCIPE DE DIMENSIONNEMENT D’UNE CENTRALE PHOTOVOLTAIQUE EN SITE ISOLE
- 21. Version 2013-2014 21 V.PRINCIPE DE DIMENSIONNEMENT D’UNE CENTRALE PHOTOVOLTAIQUE EN SITE ISOLE
- 22. Version 2013-2014 22 PartieII : Modélisation, configurations et commande I. Evaluation de la puissance solaire reçue par un plan incliné Angles de repérage d’un plan de captation incliné
- 23. Version 2013-2014 23 I.Evaluation de la puissance solaire reçue par un plan incliné L’irradiance globale sur un plan incliné est calculée par la relation suivante : Avec Gb : irradiance directe sur un plan horizontal ; Rb : facteur de forme. Il correspond au rapport de l’irradiance directe reçue par la surface de captation sur l’irradiance directe sur un plan horizontal. Il s’exprime par : Où et sont respectivement l’angle d’incidence de l’irradiance directe sur le panneau et l’angle zénithal solaire. est limité à 89° angle à partir duquel, on suppose qu’il fait nuit et que l’irradiance est pratiquement nulle. Gd : irradiance diffuse sur un plan horizontal ; Gh : irradiance globale sur un plan horizontal. Elle correspond à l’irradiance mesurée par pyranomètre ; r : représente la réflectance diffuse du sol (aussi appelée albédo du sol). Elle est fixée à 0.2 si la moyenne mensuelle de la température est supérieure à 0°C. β : angle d’inclinaison de la surface de captation.
- 24. Version 2013-2014 24 01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 500 1000 1500 Puissance photovoltaïque(irradiance,W/m²) Temps(h) Irradiance globale reçue Irradiance directe Irradiance diffuse Irradiance réfléchie I. Evaluation de la puissance solaire reçue par un plan incliné Exemple d’évolution des différentes irradiances reçues sur un plan incliné en fonction de l’heure Nous remarquons que le rayonnement solaire direct est le plus important et peut atteindre 1000 W/m². Le rayonnement diffus, quant à lui, il est limité en moyenne à 10-15% du rayonnement global. Le rayonnement réfléchi par contre peut être considéré comme négligeable.
- 25. Version 2013-2014 25 Orientationet inclinaison mobiles I. Evaluation de la puissance solaire reçue par un plan incliné . Un mouvement suivant le zénith (ou hauteur) solaire n’augmente pas de manière rentable le potentiel photovoltaïque en comparaison avec un récepteur ou un panneau fixé de manière optimale, . Avec un mouvement suivant l’azimut d’est en ouest, le potentiel photovoltaïque croît de 15 % par rapport à un module fixe, . Avec un mouvement sur les deux axes, zénith et azimut, l’augmentation de la production annuelle peut atteindre 21%. En revanche, il faut tenir compte du coût de l’investissement supplémentaire et l’énergie consommée pour le fonctionnement du système. Exemple d’évolution du potentiel photovoltaïque pour des panneaux fixes et mobiles en fonction des années de 2002 à 2010
- 26. Version 2013-2014 26 II.Modèle en flux de puissance Si Apv exprimé en m² est la surface du module et Ir l’éclairement en W/m², la puissance électrique générée par les panneaux photovoltaïques Ppv est donnée par : Avec : ηpv: rendement global du module, il est donné par: Cette formule considère les paramètres suivants : ηr: rendement de référence du module photovoltaïque. Il est défini comme le rapport entre la puissance maximale produite et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur le module. Il dépend de la technologie utilisée. Dans notre travail, nous avons choisi des modules poly cristallins au silicium avec un rendement de l’ordre de 13%. ηpc: facteur de dégradation. Il tient compte du point de fonctionnement des modules qui est rarement optimal et qui peut être aggravé par la baisse des caractéristiques des modules ou de leur rendement dans le temps (vieillissement et dépôt de poussière). Ici, ηpc sera égal à 0,9. βt : coefficient de l’influence de la température des cellules photovoltaïques sur le rendement du générateur, allant de 0,004 à 0,006 par degré Celsius. Tc: température des cellules (°C). TNOCT : température d’utilisation de la cellule (Nominal Operating Cell Temperature). Les valeurs couramment rencontrées sont comprises entre 40 et 50 degrés Celsius.
- 27. Version 2013-2014 27 III.Modèle électrique Modèle idéal à une diode d’une cellule photovoltaïque et modèle équivalent réaliste d’un panneau avec résistances série et parallèle.
- 28. Version 2013-2014 28 IV.Configurations et commande Le photovoltaïque raccordé au réseau Aujourd'hui cette solution est plus rentable qu'une utilisation directe de l'électricité. Ceci est valable dans la mesure où le prix de vente du kWh est supérieur au prix d'achat. Pour effectuer un raccordement au réseau de distribution d'électricité, il est nécessaire d'adapter la tension continue à la sortie des panneaux photovoltaïques à la tension alternative du réseau de distribution. Il faut donc utiliser un onduleur.
- 29. Version 2013-2014 29 Surcette figure, on peut voir 3 compteurs différents sur l'installation : • C1 est le compteur de vente de l'électricité d'origine photovoltaïque, • C2 est un compteur de non-consommation qui sert au fournisseur pour vérifier que le particulier ne se sert pas de ce branchement pour consommer de l'électricité sur le réseau, • C3 est un compteur de consommation habituel. IV. Configurations et commande Le photovoltaïque raccordé au réseau
- 30. Version 2013-2014 30 Afinde protéger l'installation des courts-circuits, des éléments de protection électriques doivent être mis en place du côté du courant alternatif comme du côté du courant continu. Du côté continu, il faut protéger l'installation contre les courts-circuits et les surtensions atmosphériques. Il faut également prévoir la mise en place d'un interrupteur général permettant la coupure de l'ensemble des panneaux solaires en cas d'urgence. Du côté alternatif de l'installation, il faut protéger l'installation contre les surintensités, les surtensions atmosphériques. Il faut prévoir la mise en place d'un interrupteur sectionneur afin de déconnecter l'installation ainsi que la mise en place de la protection des personnes. IV. Configurations et commande Le photovoltaïque raccordé au réseau
- 31. Version 2013-2014 31 IV.Configurations et commande Le photovoltaïque raccordé au réseau
- 32. Version 2013-2014 32 IV.Configurations et commande Systèmes autonomes Les systèmes autonomes sont des installations de production d'énergie qui doivent garantir une alimentation des systèmes indépendante du réseau d'alimentation électrique. L'énergie est conditionnée sur place afin d'alimenter les appareils de façon satisfaisante. Dans sa quête d'indépendance énergétique, l'île d'El Hierro met en place plusieurs systèmes utilisant l'énergie photovoltaïque. Que ce soient les habitations non reliées au réseau de distribution électriques (dû à leur situation géographique sur l'île) ou les stations de recharge des minibus électriques de l'aéroport, ces systèmes contribuent à la diminution de la consommation d'énergie fossile de l'île. Le synoptique le plus répandu pour une installation photovoltaïque autonome est présenté par la figure. Synoptique d'une installation photovoltaïque autonome
- 33. Version 2013-2014 33 Dansune installation autonome, on stocke l'énergie électrique pendant les périodes d'ensoleillement dans des batteries. Un régulateur surveille la charge de ces batteries et distribue l'énergie électrique créée. Un onduleur est présent pour adapter l'énergie électrique si les appareils branchés fonctionnent en énergie alternative. Ce schéma de fonctionnement n'est pas le seul à être utilisé en production autonome. IV. Configurations et commande Systèmes autonomes Synoptique d'une installation photovoltaïque autonome
- 34. Version 2013-2014 34 IV.Configurations et commande Systèmes autonomes Le tableau suivant reprend les différents types de montage que l'on peut rencontrer suivant le type de charge et le domaine de tension correspondant :