Titre: Systèmes photovoltaïques
Auteurs: Alain Ricaud,
Ecole: Polytech’ Savoie
Résumé: Bien que fondamental dans la chaîne que représente un système, le module photovoltaïque à lui seul ne peut pas grand chose : pour répondre à un besoin défini, il faut en fait l’associer étroitement à un système complet correspondant à une application bien spécifique. Un système photovoltaïque sera donc constitué du générateur précédemment décrit, généralement associé à l’un ou plusieurs des éléments suivants:
– un système d’orientation ou de suivi (rencontré assez rarement sous nos latitudes),
– une gestion électronique (stockage, mise en forme du courant, transfert de l’énergie),
– un stockage palliant la nature aléatoire de la source solaire,
– un convertisseur DC/AC
-une charge en courant continu basse tension ou en courant alternatif standard.
La Figure 1 représente symboliquement les divers éléments du système le plus général. Dans la pratique, bien sûr, les systèmes utilisent les éléments appropriés au type de charge et aux conditions locales.
Extrait du sommaire:
LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 10
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES AVEC STOCKAGE ELECTRO-CHIMIQUE 12
1 Principe de fonctionnement 12
1.1 Schéma de principe. 12
1.2 Modes de fonctionnement. 12
1.2.1 Premier mode : déconnexion de la charge 12
1.2.2 Deuxième mode de fonctionnement : excédent de courant 13
1.2.3 Troisième mode de fonctionnement : courant nul 13
1.2.4 Quatrième mode de fonctionnement : déficit de courant 13
1.2.5 Cinquième mode de fonctionnement : nuit. 14
1.3 Caractéristiques de fonctionnement 14
1.4 Intérêt de la diode anti-retour. 16
2 Les panneaux 16
2.1 Le châssis. 17
2.2 Le câblage. 17
2.3 Règles d’installations des champs de panneaux 18
3 Les accumulateurs électro-chimiques 19
3.1 Généralités 19
3.1.1 Définitions et paramètres utiles. 19
3.1.1.1 Rendement d’utilisation 20
3.1.1.2 Résistance interne 20
3.1.1.3 Capacité 20
3.1.1.4 Capacité massique 21
3.1.1.5 Auto-décharge 21
3.1.1.6 Charge d’égalisation 21
3.1.1.7 Profondeur de décharge 21
3.1.1.8 Tenue en cycles. 21
3.1.1.9 Durée de vie 21
3.1.1.10 Autonomie 22
3.2 Les accumulateurs au Plomb acide. 22
3.2.1 Description. 22
3.2.2 Principe de fonctionnement 23
3.2.2.1 Contraintes liées aux surcharges et aux décharges profondes 23
3.2.3 Caractéristiques 23
3.2.3.1 Tension 23
3.2.3.2 Rendement. 24
3.2.3.3 Autodécharge. 24
3.2.3.4 Durée de vie. 24
3.3 Les accumulateurs Cadmium – Nickel 24
3.3.1 Description. 24
3.3.2 Caractéristiques 25
3.3.3 Applications 25
3.4 Autres couples électro-chimiques 25
3.4.1 Nickel-Zinc 25
3.4.2 Nickel-Fer 26
3.4.3 Nickel-NaCl 26
3.4.4 Lithium-ion 26
3.4.5 En résumé 26
3.5 Utilisation des accumulateurs dans les systèmes solaires. 26
3.5.1 Stockage – tampon 26
3.5.2 Durée de stockage 26
3.5.3 Conditions d’exploitation des accumulateurs. 27
3.5.4 Caractéristiques souhaitées 27
3.5.5 Conditions de charge. 27
3.6 Véhicules électriques: un moyen de stockage solaire mobile ? 27
4 Régulation électronique de la charge 30
4.1 Généralités 30
4.2 Autorégulation 30
4.3 Régulation parallèle (ou shunt) 31
4.3.1 Principe. 31
4.3.2 Etude du fonctionnement. 31
4.3.2.1 Absence de régulation 31
4.3.2.2 Régulation 32
4.3.3 Avantages. 32
4.3.4 Inconvénients. 32
4.4 Régulation série électronique. 34
4.4.1 Principe 34
4.4.2 Etude du fonctionnement. 34
4.4.2.1 Absence de régulation. 34
4.4.2.2 Régulation. 34
4.4.3 Avantages. 35
4.4.4 Inconvénients. 35
4.5 Régulation série électromécanique. 35
4.5.1 Principe. 35
4.5.2 Etude du fonctionnement. 36
4.5.2.1 Absence de régulation. 36
4.5.2.2 Régulation. 37
4.5.3 Avantages. 37
4.5.4 Inconvénients 37
4.6 Disjonction automatique de la charge. 38
4.6.1 Principe. 38
4.6.2 Etude du fonctionnement. 38
5 Dimensionnement 40
5.1 Données d’ensoleillement. 40
5.2 Principe de calcul. 40
5.2.1 Coefficient correctif (K). 41
5.2.2 Calcul de la puissance module requise. 41
5.2.3 Calcul de la capacité de batterie requise. 42
5.2.4 Calcul économique. 42
5.3 Exemple 43
5.3.1 Données de consommation 43
5.3.2 Données de production 43
5.3.3 Dimensionnement modules 43
5.3.4 Détermination de la capacité batterie. 44
5.3.4.1 Calcul de la capacité minimale. 44
5.3.4.2 Calcul de la capacité nominale 44
5.3.5 Premier calcul économique. 45
5.3.6 Optimisation technico-économique 45
5.3.7 Deuxième calcul de coût de l’investissement 47
5.3.8 Choix des options techniques 47
5.3.9 En résumé 48
5.4 Courant alternatif ou courant continu ? 49
5.4.1 Comparaison de prix pour l’utilisateur 50
Polytech’ Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 5/ 155
LE COUPLAGE DIRECT 52
1 Charge résistive 52
2 Charge adaptée 53
2.1.1 L’Electrolyseur 53
2.1.2 Les moteurs à courant continu 54
2.1.3 Pompage solaire 56
2.1.3.1 Des pompes solaires africaines. 56
2.1.3.2aux barrages hydroélectriques. 56
3 Adaptation de la charge 57
3.1.1 Principe 57
3.1.2 Différents types d’adaptateurs 57
3.1.3 Caractéristiques de fonctionnement 57
3.1.4 Conditions à remplir par l’adaptateur 59
CENTRALES PHOTOVOLTAÏQUES 60
1 Analyse typologique 60
1.1 Les centrales au sol 60
1.2 Les centrales rapportées sur des bâtiments 60
1.3 Les centrales intégrées aux bâtiments. 60
1.3.1 Critères d’intégration 60
1.3.2 Analyse économique de l’intégration. 61
1.3.2.1 Eléments de structure 61
1.3.2.2 Effet de substitution 62
1.3.2.3 Synergie de fonctions 62
1.3.3 Potentiel des surfaces de toitures disponibles 62
2 Centrales au sol 63
2.1 Modules recommandés pour centrales au sol 63
2.1.1 Faible coût 63
2.1.2 Haut rendement 64
2.1.3 Volumes, performances, prix de vente et coût du kWh 64
2.2 Structures 66
2.3 Câblage 66
2.4 Facteurs clés de succès des centrales au sol 66
2.4.1 La région 66
2.4.2 Le foncier 66
2.4.3 L’usage 68
2.5 Choix de la technologie : fixe ou « tracker » 68
2.5.1 Suivi équatorial 68
2.5.2 Suivi azimutal 68
2.5.3 Suivi deux axes 68
2.5.4 Autres types de suivi 68
2.5.5 Fabricants de systèmes de suivi 69
2.5.6 Gain apporté par un système de suivi 70
2.5.7 Inconvénients 72
2.5.7.1 Occupation au sol 72
2.5.7.2 Le vent 73
2.6 Approvisionnement /Logistique 74
2.7 Matériel 74
2.7.1 Onduleur /Poste de livraison /Raccordement au réseau 74
2.7.1.1 Précautions à prendre 74
2.7.1.2 Respect des normes (exemple de la France) 74
2.7.2 Modules photovoltaïques 75
2.7.3 Câblage courant continu (des modules aux onduleurs) 75
2.7.4 Onduleurs 75
2.7.4.1 Généralités 75
2.7.4.2 Dimensionnement 76
2.7.4.3 Impératifs techniques 76
2.7.4.4 Localisation 77
2.7.4.5 Protection de découplage 77
2.7.4.6 Protection contre la foudre et mise à la terre 77
2.8 Structure des coûts d’une centrale au sol 77
2.8.1 Foncier 77
2.8.2 BOS surfacique 77
2.8.3 BOS lié à la puissance 77
2.8.4 Installation 78
2.8.5 Coûts « fixes » 78
2.8.5.1 Aménagement terrain, accès, fermeture, grillage 78
2.8.5.2 Approvisionnement, transport sur site 78
2.8.5.3 Poste de livraison, comptage, raccordement 78
2.8.5.4 Monitoring 78
2.8.5.5 Assurances 78
2.8.5.6 Système de surveillance 78
2.8.5.7 Développement, Ingénierie 79
2.9 Coût des centrales au sol 79
2.9.1 Centrales PV fixe 79
2.9.2 Avec suivi 2 axes 80
3 Construction rapportée au bâti 82
3.1 Façades photovoltaïques 82
3.2 Toitures photovoltaïques 83
3.2.1 Structures sur toits plats 83
3.2.1.1 Calcul des charges. 84
3.2.2 Structures sur toits inclinés 87
3.2.2.1 Coefficient de température 88
3.2.3 Câblage 89
4 Constructions intégrées au bâtiment 89
4.1 La situation particulière de la France 89
4.1.1 Synergie de fonctions 89
4.1.2 Effet de substitution 89
4.2 Typologie des solutions techniques 90
4.3 Principe général 90
4.4 Les modules photovoltaïques intégrés sur bacs métalliques 90
4.4.1 Les jonctions entre bacs métalliques 91
4.4.1.1 Les jonctions par recouvrement des bacs 91
4.4.1.2 Les jonctions avec jonction « sur tasseaux » 91
4.4.1.3 Les jonctions « à joint debout » 92
4.4.2 Les bacs photovoltaïques en zinc de Rheinzink 92
4.4.3 Les bacs photovoltaïques en alu Kalzip AluplusSolar de Corus Building System 93
4.4.4 Les bacs aciers photovoltaïques, Sunny Steel, de Sunland 21 94
4.4.5 Les bacs aciers photovoltaïques, Arval arsolar, de Arcelor Mittal 95
4.4.6 Conclusion sur les bacs photovoltaïques 96
4.5 Les modules photovoltaïques intégrés sur membrane 97
4.5.1 Membrane de Solar Integrated 97
4.5.2 Membrane Evalon solar d’Alwitra 98
4.5.3 Membrane Biosol PV de Centrosolar 101
4.5.4 Critères de comparaison des membranes photovoltaïques 101
4.6 Les modules translucides et semi-transparents 102
4.6.1 Les types d’ancrages et acteurs 102
4.6.2 Les modules translucides 103
4.6.2.1 MSK 103
4.6.2.2 Tenesol 103
4.6.2.3 Schüco 104
4.6.2.4 Systaic 105
Polytech’ Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 7/ 155
4.6.3 Les modules semi-transparents 106
4.6.3.1 MSK 106
4.6.3.2 Schott Solar 107
4.7 Les solutions utilisant des modules photovoltaïques classiques 108
4.7.1 Les points communs aux différents systèmes 108
4.7.2 Just Roof de MSK 109
4.7.3 Energiedach® de SolarWorld 110
4.7.4 SolRif de Schweizer : 111
4.7.5 Système Annabelle® de ArcelorMittal 112
4.7.6 Comparatif des systèmes d’intégration 114
4.7.6.1 Les critères de classification 114
4.8 Les tuiles photovoltaïques 115
4.8.1 Tuile Imerys. 115
4.8.2 Tuile Lafarge 115
4.8.3 Tuile Korasun de koramic 116
4.8.4 Tuile Solar Century 117
4.8.5 Comparatif des tuiles 118
4.9 Conclusion 119
5 Centrales hybrides 121
5.1 Principe 121
5.2 Toitures hybrides 121
5.3 Façades hybrides 121
6 Centrales de démonstration 122
6.1 Programme de l’AIE 122
6.2 Demosite. 122
RACCORDEMENT AU RESEAU 123
1 Principe du raccordement 123
2 Eléments d’une installation 124
2.1 Modules 124
2.2 Câblage de champ 125
2.3 Câblage de liaison 126
2.4 Contacteur côté courant continu (DC) 127
2.5 Les onduleurs 128
2.5.1 Configurations possibles des onduleurs pilotés par le réseau 128
2.5.2 Impératifs techniques 129
2.5.3 Séparation galvanique 131
2.5.4 Pannes software et hardware. 131
2.5.5 Efficacité 132
2.5.6 Plage d’entrée en tension 134
2.6 Spécifications du réseau et de l’environnement électromagnétique 134
2.6.1 Prescriptions 134
2.6.2 Couplage et synchronisation 135
2.6.3 Fonctionnement autonome 135
2.6.4 Perturbations de la tension du réseau 135
2.6.5 Perturbations basse fréquence 137
2.6.6 Signaux de commande du réseau 138
2.6.7 Perturbations électromagnétiques 138
2.6.8 Normes EDF 139
2.6.9 Certifications 139
2.7 Contacteur côté courant alternatif (AC) 140
2.8 Injection – comptage 140
3 Protection et sécurité 140
3.1 Surtensions 140
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3.2 Parafoudre et mise à la terre. 141
3.2.1 Mise à la terre 141
3.2.2 Parafoudre 141
3.2.3 Mise à la terre d’installations sans bâtiment 142
3.2.4 Mise à la terre et parafoudre d’installations sur bâtiments 142
3.2.5 Modules en couches minces. 145
3.2.6 Modules SunPower. 145
4 Dispositifs de mesures 145
5 Tarification et branchement 147
5.1 La réglementation française et les tarifs d’achat 148
5.1.1 Demande de raccordement au réseau électrique 149
5.1.2 Contrat d’achat de l’électricité 150
5.2 Le crédit d’impôt. 150
5.3 Nouveaux tarifs 150
5.4 Appel d’offres : des procédures d’un autre temps 152
ADRESSES INTERNET UTILES 155
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