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Contribution à l`étude de conception d`une centrale photovoltaïque

1. Sub array name and Orientation Aide au dimensionnement Hame Sous champ 2 Order 2 Ho Sing Entrez Pnom d sir e 200 0 Kw A Tit 30 Onent Plan inclin fixe Amah D A Ou surface disponible 1312 m S lection du module PY Disponibles v Timoduespar Puissance Technologie Modules n cessaires approx 600 LG Electronics 230 Wp A Simono LG 25051063 Since 2012 Manufacturer 2012 x E Ouvir Dimens des tensions 0 C 25 0 Y F Use Optimizer Voc 10 C 422 S lection de l onduleur G 50Hz Disponibles Tri ondulews par Puissance 7 Tension max F 60Hz Satcon 30kw 305 600 LF Tr 60Hz PowerGate Plus PYS 30 480 Since 2007 7 B Ouvrir Nbre d onduleurs E EY D Tension de fonctionnement 305 600 Y Puissance globale ond 180 Kwac Tension entr e maximale 600 y Dimenstonnement du champ Hombre de modules et chaines al CE Ron Wmpp 60 C 349W Mod en s rie entre 13 et 14 Vmpp 20C 428 Voc 100 5414 Nb cha nes PRE lredence plan 1000 W m Mes donn es JIL Perte surpuisssno 0 al impp 5 TC 476 Puis max en fonctionnement 177 kw Rapport Pnom 111 ise STC F20 1000 Wr et 50C Nbre modules 798 Suriace 1309 m lsc aus STC 513A Puiss nom champ STC 200 kwp Figure D 2 configuration d un sous champ sur PVSYST Figure I 1 structure gauche et diagramme de bande droite d une cellule p
2. 37 Figure II 13 Syst me d alimentation autonome hybride photovolta que groupe EOS E E 38 Figure II 14 Syst me photovolta que raccord au r seau 39 Figure IIL 1 spectre solaire hors atmosph re 44 Figure IIL 2 trajectoires apparentes du soleil vues par un observateur terrestre pour un JOUE CODN eme ne M ee dm de a doe ne ie de itunes 45 Figure IIL3 d finition de la position du soleil 46 Figure IITL 4 Composantes de rayonnements solaires au sol 48 Figure IILS d finition des angles pour un plan inclin inclinaison azimut et Ans le ACIT NES creeren dressent ira tetenn rene nr a teens ie 49 Figure IIL6 d finition de l air masse 32 Figure III 7 trac de l horizon dans le diagramme hauteur azimut du soleil 54 Figure II 8 change d nergie lectrique 55 Figore ES COHHSEGS TACCONUSIMENt ss lecessentelosienieentescdactesem sl oenieentes aaa 58 Figure IITL 10 Pertes dues la temp rature pour diff rentes technologies 60 Figure IIL 11 D signation du projet dans PVSYST 62 Figure IIT 12 Configuration du syst me dans PVSYST 63 Figure IITL 13 Conditions de dimensionnement champ onduleur dans PVSYST
3. 16 Figure I 14 caract ristiques d un groupement de Np cellules en parall le 17 Figure 15 a architecture classique d un panneau solaire photovolta que avec diodes de protections b d faillance d une des cellules du module PV et activation de diode de Creon Ipea ae T aa tn ane ee dla 18 Figure I 16 caract ristique Ipv Vp d un panneau photovolta que BP585 et effet d une des 360 cell les gur composent le mod le PV ss uses an 19 Figure II 1 Sch ma g n ral d une installation photovolta que 21 FPicure I2 Panneau Soldi E erison eE A uen de E S 21 Figure 1 3 Boitede dernvatioisn eee a N 22 Figure II 4 Caract ristique charge et d charge d une batterie 24 Figure II 5 Construction d une batterie monobloc 26 Figure IL 6 Sch ma de principe d un r gulateur de charge parall le 29 Figure II 7 Sch ma de principe d un r gulateur de charge s rie 30 Figure II 8 Sch ma lectrique d un r gulateur de type disyoncteur 51 Figure II 9 un panneau solaire d connect 32 Figure IT 10 trois panneaux solaires d connect s 33 Figure IL 11 classification des onduleurs PV connect s au r seau 36 Figure II 12 Syst me photovolta que avec stockage
4. C est ce qui fait notamment que le rayonnement direct sur un plan horizontal est toujours inferieur au rayonnement dans le plan perpendiculaire au soleil En revanche le rayonnement diffus peut tre sup rieur vu que le plan horizontal voit une plus grande part de la vo te c leste Cela m ne les concepteurs d alimentation solaire installer l horizontale des panneaux solaires performants sous rayonnements diffus sp cialement sur des sites g ographiques qui sont tr s souvent ciel couvert Une partie du rayonnement solaire peut tre exploit e pour produire directement de la chaleur solaire thermique ou d lectricit c est l nergie solaire photovolta que l que les donn es de l ensoleillement doivent tre distingu es en gt Rayonnement cumul Le dimensionnement d un syst me photovolta que est souvent bas sur les moyennes mensuelles de l nergie solaire journali re du site d tude Il suffit alors de disposer de 12 valeurs journali res cumul es pour les 12 mois de l an dans le plan des capteurs Plus exactement ce que l on utilise est le rayonnement solaire global int gr sur une journ e appel simplement rayonnement global journalier il s agit de l int grale du rayonnement global direct diffus sur la journ e le cumul du rayonnement en Wh m jour Ces valeurs sont accumul es d ann e en ann e reste r aliser des moyennes pour chaque mois de l ann
5. IV 1 Syst me autonome Il existe des syst mes autonomes au fil du soleil sans stockage et avec stockage A Syst me au fil du soleil sans stockage 27 C est le syst me le plus simple puisque l nergie photovolta que est utilis e directement partir des panneaux L appareil aliment par ce syst me ne fonctionnera qu en pr sence de la lumi re et d s que l clairement sera suffisant pour atteindre la puissance demand e Ce type de syst me est int ressant pour toutes les applications qui n ont pas besoin de fonctionner dans l obscurit et pour lesquelles le besoin en nergie co ncide avec la pr sence de la lumi re L inconv nient de ce syst me c est qu on ne profite pas toujours des clairements les plus lev s pas de stockage donc pas de r cup ration des surplus d nergie solaire B Syst me au fil du soleil avec stockage Cette installation est constitu e essentiellement de trois composants des modules solaires la batterie et le r gulateur de charge figure IT 12 La batterie d un tel syst me se charge le jour et sert de r servoir d nergie en permanence elle peut recevoir un courant de charge et d biter un courant de d charge de valeur diff rente sans probl me un instant donn Les appareils aliment s sont donc c bl s sur la batterie travers le r gulateur de charge cela pour assurer le chargement optimal de l accumulateur tel que lorsque la batterie est pl
6. 40 i 300 320 340 360 350 400 420 280 Tension champ W Figure 1V 11 Distribution de la tension du champ PV 82 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW V Conclusion A la base des r sultats de simulation nous pouvons conclure que la centrale PV monocristallin permet une production maximale d nergie Les pertes dues la qualit de l onduleur ont une influence importante sur l nergie produite par la centrale PV d o la n cessit d opter pour une technologie permettant la meilleure efficacit annuelle possible de ce composant qui repr sente l l ment cl et le plus d licat d une installation PV 83 Conclusion g n rale Conclusion g n rale Ce travail est une contribution l tude de conception d une centrale photovolta que de puissance 1IMW interconnect e au r seau de distribution lectrique moyenne tension Un syst me raccord au r seau non seulement permettrait de r duire le co t de l installation en supprimant le co t des batteries car le stockage ne sera plus n cessaire mais permettrait en plus d avoir une possibilit de revendre l nergie exc dentaire au r seau et ainsi faire des profits ce qui amortirait le prix d investissement initial Dans un premier temps nous avons revu les diff rentes technologies des cellules solaires commercialis es sur le march et pr sent leurs caract ristiques Dans un deuxi me temps
7. Dans le coffret de raccordement 1 S parateur de puissance DC a ri 2 Dispositif antisurtension L TE a Bi EEA pE h 3 Bornes A Fusibles et ou diodes antiretour Sorties 5 Parafoudre 6 C ble blind principal DC J Cable de cha ne positif 8 Cable de cha ne n gatif Figure IITL 9 coffret de raccordement 31 C C blage de liaison Les coffrets de raccordement situ s proximit des capteurs sont reli s au coffret de l armoire d entr e de l onduleur par des c bles blind s ou sous tubes m talliques La liaison sera conduite par le plus court chemin et la p n tration dans le b timent ne devra pas compromettre l tanch it de l enveloppe Dans la mesure du possible le local pour le montage de l onduleur sera choisi le plus pr s possible du champ photovolta que Certains onduleurs sont livr s dans les armoires tanches ce qui permet leur montage ext rieur proximit imm diate des g n rateurs Cet avantage est appr ciable dans le cas de montage sur toit plat ou en terrain mais 1l est rarement applicable dans les cas d int gration architecturale des modules Ici encore le choix des sections de c ble devra garantir une perte maximale de puissance de l ordre de 1 D Contacteur c t courant continu DC La plupart des onduleurs tels que d crits dans le chapitre pr c dent sont quip s de tous les dispositifs n cessaires pour assurer la s curi
8. Orient Plan inclin fixe 2 l pr S lection du module PY Disponibles Tiimodules par Puissance C Technologie Modules n cessaires approx 808 LG Electronics j 250Wp 25 Simono LG 250 51C 63 Since 2012 Manufacturer 2012 E Ouvrir Dimens des tensions 5 600 25 0 V M Use Optimizer Voc 100 42 2 VY S lection de onduleur F 50H Disponibles Trionduleurs par C Puissance C Tension mai W 60Hz Satcon 30kw 305 600V LFTr 60Hz PowerGate Plus PVS 30 480 Since 2007 Ouvrir Nbre d onduleurs fe ET M Tension de fonctionnement 305 600 V Puissance globale ond 180 Kwac Tenton entr e mamake 600 Y Dimensionnement du champ Nombre de modules et chaines al Condi 0 oneto Vmpp 60T 3254 Mod en s rie 13 Tente 13et 14 Ympp 20 C 397V Vo Hro 3V Nb chaines B2 H W ente 55 et 62 Inahance pan 1000 W m C Max donn es fe STE Perte sur puissanc0 0 Uk z Impp STC 520 A Pins max en fonctionnement 178 kw Nbre modules 606 Surface 1322 nm l axSTC SA Puiss nom champ STC 202 kwp Figure D 1 configuration avec 5 sous champs sur PVSYST Annexes R sum syst me global er Nombre de modules 3998 Puissance PV nominale 1000 kwp Surface modules 6557 n Puissance PY maumale J26 kwWdc Sch ma simplifi Nbre d onduleurs 30 Puissance AC nominale 300 KWac TITLE EN S ECS LLT Sous champ HI Souschamp 2 Sous champ 3 Sous champ 4 Sous champ 5
9. lectrons de valence des atomes de Si ne forment pas toujours des liaisons covalentes au sein du semi conducteur Il appara t alors des liaisons pendantes qui peuvent agir sur les propri t s lectroniques du mat riau Pour limiter ce ph nom ne les couches de silicium sont r guli rement passiv es avec de l hydrog ne a Si H Des atomes d hydrog ne tablissent des liaisons avec les lectrons rest s libres et r duisent ainsi le nombre de liaisons pendantes V 2 Les couches minces Le principal frein au d veloppement du photovolta que tr s grande chelle reste encore aujourd hui Malgr la baisse de ces derni res ann es le pris trop lev du kilo Watt cr te KWc Le kilo Watt cr te KWc est l unit qui d fini la puissance d un g n rateur PV aux conditions de test standards 1000W m et 25 C 10 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que La majorit du prix d un g n rateur photovolta que provient du silicium et du proc d de purification Plusieurs types de cellules photovolta ques visant diminuer la qualit de mati re n cessaire leur fabrication sont aujourd hui d velopp s et commencent tre industrialis s Ces technologies appel es couches minces font appel des proc d s de fabrication d p t sur ruban visant la diminution de l paisseur des cellules La technologie couche mince dont la plus m re est celle du silicium amorphe a S1 repr
10. C Rayonnement r fl chi La fraction du flux r fl chi par sol sur une surface inclin e est proportionnelle au flux global horizontal 38 1 cos B Re Don p E l IL 11 Avec cH ilux global horizontal 50 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Alb do du sol D Rayonnement global inclin Il est la superposition des flux direct r fl chi et diffus dont il est la somme des trois composantes 38 De Sp Dg Rg EEIE IIT 12 On peut calculer le flux solaire par la relation suivante pour un plan inclin d angle B 38 Des R PcH ss IIL 13 R rapport du flux global _ P68 DH DH 1 cos8 1 cos 8 Ge l a bt 2 7 2 GH GH GH Avec R rapport du flux direct En connaissant le flux global et les composantes de flux pour un plan horizontal on peut d terminer le flux global inclin re u par un plan Pg RP JII 15 II 4 La masse d air AM Air Mass La part d nergie re ue sur la surface de la terre d pend de l paisseur de l atmosph re traverser celle ci est caract ris e par le nombre de masse d air AM Figure II 6 Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer midi dans le ciel clair est de 1000 W m et est d crit en tant que rayonnement de la masse d air 1 ou AMI Puisque le soleil n est au z nith que durant peu de temps la masse d air est donc plus grande en permanence et l nergie disponible est donc infer
11. ET FiF 5 f F A f TE F ri l Pi i ii CE a P j F p i l gt 1 CE gt Figure II 5 Construction d une batterie monobloc 17 Grille 7 l ment complet S parateur 8 Pont Plaque positive 9 Rampe de bouchons Plaque n gative 10 Borne Barrette 11 Bac Faisceau n gatif OO R D Le mat riel de la grille est un alliage de plomb parce que le plomb pur est un mat riel physiquement faible et pourrait se casser pendant le transport et le service de la batterie 17 Peut tre l alliage est en plomb avec 2 6 d Antimoine Moins la contenance en Antimoine sera grande moins r sistante sera la batterie pendant le processus de charge Une petite quantit d Antimoine r duit la production d hydrog ne et d oxyg ne pendant la charge et par cons quent la consommation d eau D autre part une plus grande proportion d Antimoine permet des d charges plus profondes sans endommager les plaques ce qui implique une plus grande dur e de vie des batteries Ces batteries plomb antimoine sont de type de cycle profond Le Cadmium et le Strontium sont utilis s la place de l Antimoine pour fortifier la grille Ceux ci offrent les m mes avantages et inconv nients que l Antimoine mais r duisent en outre le pourcentage d autod charge quand la batterie n est pas en utilisation Le Calcium fortifie aussi la grille et r duit l autod charge Toutefois le Calcium r duit la profondeur
12. Groupe lectrog ne R cepteurs AC Figure IL 13 Syst me d alimentation autonome hybride photovolta que groupe lectrog ne 25 gt L nergie olienne La ressource olienne provient du d placement des masses d air qui est d indirectement l ensoleillement de la terre Par le r chauffement de certaines zones de la plan te et le refroidissement d autres une diff rence de pression est cr e et les masses d air sont en perp tuel d placement 38 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques IV 3 Syst mes raccord s au r seau Un tel syst me s installe sur un site raccord au r seau figure I 14 G n ralement sur les habitations ou les entreprises qui souhaitent recourir une forme d nergie renouvelable et qui b n ficient d un bon ensolerllement L norme avantage de cette solution est l absence de batterie On ne stocke plus l nergie on l injecte directement au r seau local ou national Il y a un compteur qui tourne dans un sens pour la consommation et un autre dans l autre sens pour la production Mais il faut tout de m me convertir le courant continu des panneaux en alternatif travers un onduleur Cet onduleur doit tre homologu par la compagnie d lectricit qui va recevoir ce courant il doit respecter des normes sur sa qualit sinuso dale Dans certains cas on ajoute au syst me une batterie de secours pour les coupures de court
13. Il existe des facteurs qui peuvent faire varier la capacit d une batterie tels que 14 a Rapports de chargement et d chargement S1 la batterie est charg e ou d charg e un rythme diff rent que celui sp cifi la capacit disponible peut augmenter ou diminuer G n ralement si la batterie est d charg e un rythme plus lent sa capacit augmentera l g rement Si le rythme est plus rapide la capacit sera r duite b Temp rature Un autre facteur qui influence la capacit est la temp rature de la batterie et celle de son atmosph re Le comportement d une batterie est sp cifi une temp rature de 27 degr s Des temp ratures plus faibles r duisent leur capacit significativement Des temp ratures plus hautes produisent une l g re augmentation de leur capacit mais ceci peut augmenter la perte d eau et diminuer la dur e de vie de la batterie 14 c La charge Pendant la charge l accumulateur est un r cepteur environ 2 2 V en fin de charge point M on note un accroissement rapide de la tension les plaques compl tement polaris es la fin de charge est atteinte 2 6 ou 2 7 V 28 Figure II 4 d La d charge Durant une assez longue dur e d utilisation la tension reste remarquablement constante la valeur de 2 V environ A partir du point N elle diminue brusquement 1 8 V il faut alors recharger l accumulateur 28 figure IT 4 lension V lension V tih Figur
14. e partir d une p te de carbone enrichie en cuivre e du substrat dont la nature peut varier selon les propri t s d sir es souple ou rigide Les cellules au CdTe sont produites de diff rentes mani res First Solar utilise par exemple la m thode VTD vapor transport deposition car elle permet de d poser de faibles paisseurs de mat riaux sur des substrats mobiles 10 Concr tement du tellure et du cadmium sont chauff s ind pendamment dans des chambres puis des gaz inertes vont 12 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que transporter les vapeurs g n r es Elles sortent par des orifices situ s environ 1 cm des supports La mati re se d pose alors sur le substrat qui est maintenu une temp rature inf rieure la temp rature d vaporation Un panneau solaire complet peut tre produit en deux heures et demi avec des pertes de mati re premi re estim es seulement 2 101 VI Le module photovolta que VL 1 D finition Un g n rateur photovolta que ou module est constitu d un ensemble de cellules photovolta ques l mentaires mont es en s rie et ou parall le afin d obtenir des caract ristiques lectrique d sir es tels que la puissance le courant de court circuit et la tension en circuit ouvert 5 VI 2 Caract ristiques d un module photovolta que Les caract ristiques lectriques d un panneau photovolta que varient en fonction de la
15. gulateur de g n ration plus r cente qui a permis d am liorer la recharge des batteries en passant de 70 avec les anciens r gulateurs de type shunt et s rie 100 de leur capacit C est le plus utilis dans les installations photovolta ques autonomes 23 Quand les modules fournissent de l nergie une batterie d charg e le r gulateur PWM proc de au d but de la m me mani re que les r gulateurs shunt ou s rie c est dire qu il limite le courant de charge de la batterie un amp rage constant Plus la batterie se recharge plus la tension ses bornes augmente A partir d un certain niveau le r gulateur PWM va alors maintenir une tension constante et produire des impulsions de courant Autrement dit plusieurs fois par seconde 1l va couper et r tablir le courant jusqu ce que la batterie soit totalement charg e Dans un premier temps les impulsions du r gulateur sont longues et presque continues quand la batterie s approche de la fin de sa recharge elles deviennent de plus en plus rares et espac es Bien que cette technologie de r gulateur soit plus volu e elle poss de tout de m me des similitudes avec les r gulateurs shunt ou s rie Tant que la surface du module photovolta que est clair e celui ci continue de fournir de l lectricit Pour le d connecter de 30 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques la batterie 1l n y a que deux solutions on peut ouvrir le c
16. le rayon incident s affaiblit suite l absorption 46 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau partielle par les gaz atmosph riques la vapeur d eau et les a rosols aussi qu la diffusion mol culaire On distingue trois composantes A Le rayonnement direct Qu est le rayonnement re u directement du soleil Sans diffusion par l atmosph re ces rayons sont parall les entre eux ils forment donc des ombres pouvant tre concentr s par les miroirs B Le rayonnement diffus Est le rayonnement provenant de toute la vo te c leste air n bulosit a rosols La diffusion est le ph nom ne qui r partit un faisceau parall le en une multitude d autres partants dans toutes les directions Ce rayonnement est d l absorption et la diffusion d une partie du rayonnement solaire par l atmosph re et sa r flexion par les nuages mol cules d air et poussi res Le rayonnement solaire diffus re u au sol est lui m me d compos en e Diffus provenant du ciel e Diffus provenant du sol Les courtes longueurs d ondes bleu sont plus diffus es que des grandes longueurs d onde ce qui explique la couleur bleue du ciel Le nuage fait qu une partie du rayonnement diffus est renvoy e vers l espace c est la r flexion diffuse le reste est transmis jusqu au sol c est la transmission diffuse videmment en cas de couverture totale du ciel par des nuages le
17. 0 7 V en fonction du mat riau utilis et de sa disposition ainsi que de la temp rature et de vieillissement de la cellule IHI La cellule photovolta que I 1 D finition d une cellule solaire La cellule PV ou encore photopile est le plus petit l ment d une installation photovolta que Elle est compos e de mat riau semi conducteur et transforme directement l nergie lumineuse en nergie lectrique Les cellules photovolta ques sont constitu es gt D une fine couche semi conductrice mat riau poss de une bande interdite qui joue le r le de la barri re d nergie que les lectrons ne peuvent franchir sans une excitation ext rieure et dont 1l est possible de faire varier les propri t s lectroniques tel que le silicium qui est un mat riau pr sentant une conductivit lectrique relativement bonne gt D une couche antireflet permettant une p n tration maximale des rayons solaires gt D une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d un m tal conducteur sur le dessous ou anode gt Les plus r centes poss dent m me une nouvelle combinaison de multicouches r fl chissants justes en dessous du semi conducteur permettant la lumi re de rebondir plus longtemps dans celui ci pour am liorer le rendement II 2 Le principe de fonctionnement d une cellule solaire Une cellule photovolta que est un dispositif qui permet de transformer l nergie solaire en nergie lectrique Cette transform
18. Facteur de forme Un param tre important souvent utilis partir de la caract ristique I V pour qualifier la qualit d une cellule ou d un g n rateur PV c est le facteur de remplissage ou fill factor FF Ce coefficient repr sente le rapport entre la puissance maximale que peut d livrer la cellule not e Pmax et la puissance form e par le rectangle Icc Vco Plus la valeur de ce facteur sera grande plus la puissance exploitable ne le sera galement Les meilleures cellules auront donc fait l objet de compromis technologiques pour atteindre le plus possible les caract ristiques id ales 46 Il est d fini par la relation suivante Pmax FF 1 10 Vco lcc La puissance des modules photovolta que s exprime en Watts Cr te Cette derni re repr sente la puissance qui peut fournir un module lorsqu il est ferm sur sa charge nominale optimale sous un clairement de 1000W m et une temp rature de 25 C D Le rendement Le rendement des cellules PV d signe le rendement en puissance Il est d fini comme tant le rapport entre la puissance maximale d livr e par la cellule et la puissance lumineuse incidente Pin Pmax B FFElcc Vco ee L11 Pin Pin Ce rendement peut tre am lior en augmentant le facteur de forme le courant de court circuit et la tension circuit ouvert Le rendement de conversion est un param tre essentiel En effet la seule connaissance de sa valeur permet
19. Hbre d anduleurs 3 R sum syst me global 135 121 m 146 kwp 13 5 Kwde 126 Ew ac Puissance PY nominale Puissance P massimale Puissance AC nominale Hombre de modules Surface modules Syst me homog ne Aide au dimensionnement No Sizing S lection du module PY Tous les modules Las Tri modules par Puissance a C Technologie Generic 110 wp 2 Sipo Fo 110 4p 72 cells Since 2010 Typical Ourwrir Hbre modules masimum 139 S lection de l onduleur Tous les onduleurs Generic e 42kW 125 5004 TL d 3 pr E Hbre d onduleurs Cimensionnement du champ Hombre de modules et chaines al doit tre blod en s rie 9 a ente5 etl4 Nb chaines M5 E W entre 13 et 15 Perte sur puissancl 2 Rapport Pam 1 18 Nbre modules 135 Surface 121 m Tension de fonctionnement 125 500 Tension entr e massimale Dimens des tensions pp B0 E 29 3 Y Woc 10 C 44 7 Y Tri onduleurs par C Puissance C Tension mas W 60Hz B Ouvrir 12 6 kwac 700 Onduleur string avec 2 entr es EE Hz 42 Kac inverter Since 2012 Puissance globale ond La puissance maximale du champ est plus grande que la puissance champ masimale sp cifi e pour cet onduleur nfo non significative Conditions de fonctionnement Wmpp BOC 263W Wmpp 20C 39W Woc IPC 438W 1000 W m drd 51E A STE 13 1 kW C Max donn es Puiss mas en fonchonnement 1000 w r e
20. PV sera constitu de 798 modules PV technologie silicium monocristallin r partis comme suit gt 14 Modules connect s en s rie gt 57 Modules connect s en parall le Le nombre d onduleur est gal 6 unit s avec une puissance globale de 180 KW AC Sauf le premier sous champ 1l est constitu de 806 modules PV pour avoir la puissance globale 1000 KWc r partis comme suit 75 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW gt 13 modules connect s en s rie gt 62 modules connect s en parall le Le nombre d onduleurs est gal 6 unit s avec une puissance globale de 180 KWc AC Donc le nombre total d onduleurs pour les cinq sous champs est gal 30 unit s avec une puissance globale de 900 KW AC IV R sultats de simulation oyst me coupl au r seau R sultats principaux Projet Projet PV coupl au r seau at Algiers Variante de simulation Nouvelle variante de simulation Principaux param tres syst me Orientation plan capteurs Modules P Type de syst me Coupl au r seau inclinaison 30 Mod le LG 250 510 53 Pnom 250 We Nombre de modules 4004 Pnom total 1001 KWec Mod le PFowerGate Plus PVS 59 460 30 0 KW ac Nombre d unit s 260 Pnom total 780 KW ac Charge illimit e r seau azimut 0 Champ PW Onduleur Batterie d onduleurs Besoins de l utilisateur Principaux r sultats de la simulation Production du syst me 1507 MWh an 61 3 En
21. Technology and Applications of the EUPV Technology Platform ouvrage ISBN 978 92 79 05523 2 Luxembourg Office for Official Publications of the European Communities 2007 44 http energeia voila net 45 A Labouret et M Villoz nergie solaire photovolta que Paris Dunod 3 me Edition 2009 46 M Nkouimi Outil d aide au dimensionnement des syst mes photovolta ques domestiques M moire de fin d tude pour l obtention du dipl me d ing nieur de conception Ecole National Sup rieur Polytechnique de Yaound 2010 47 B CHIKH BLED I SARI ALI B BENYOUCEEF M thode de dimensionnement optimal d une installation photovolta que Revue internationale d h liotechnique N 41 2010 25 30 48 Y Thiaux J Seigneurbieux et al Load profile impact on the gross energy requirements of stand alone photovoltaics systems Renewable Energy Elsevier 35 2010 602 613 49 B Tebboub tude conceptuelle des syst mes photovolta ques double et triple jonction m moire de magister UMMTO 2013 2014
22. accumulateur i Letaux d autoc charge L autod charge est la perte de capacit en laissant l accumulateur au repos sans charge pendant un temps donn La plupart des batteries modernes sont faible autod charge c est dire qu elles perdent moins de 3 de capacit par mois 20 C 3 III 2 2 Types d accumulateurs Il existe plusieurs types de stockage dans le syst me PV les puissances rencontr es sont inf rieures au MW le seul stockage d nergie lectrique possible est le stockage lectrochimique Les deux principaux types d accumulateurs utilis s actuellement dans le syst me photovolta que sont 12 1 Les Accumulateurs au plomb acide La batterie au plomb acide est la forme de stockage de l nergie lectrique la plus courante en raison de son co t qui est relativement faible et d une large disponibilit Par contre les batteries nickel cadmium sont plus ch res elles sont utilis es dans les applications o la fiabilit est vitale 16 gt Composition d une batterie solaire plomb acide 17 Ces batteries sont compos es de plusieurs plaques de plomb dans une solution d acide sulfurique La plaque consiste en une grille d alliage de Plomb avec une p te d oxyde de plomb marquet e sur la grille Figure II 5 La solution acide sulfurique et l eau est appel e lectrolyte 25 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques SFFIISIS FPT IE FaF f PFPP q
23. capteurs Module PV Si mono Mod le LG 250 51C G3 Fabricant LG Electronics Nombre de modules PV En s rie 14 modules En parall le 286 chaines Nombre total de modules P Nbre modules 4004 Puissance unitaire 250 We Puissance globale du champ Nominale STC 1001 kWc Aux cond de fonct 86 kWe 60 Caract ristiques de fonct du champ 50 Umpp 369 V Impp 2400 Surface totale Surface modules 6567 m Surface cellule 5742 m Onduleur Mod le PowerGate Plus PVS 30 480 Fabricant Satcon Caract ristiques Tension de fonctionnement 305 600 W Puissance unitaire 30 0 KW AC Batterie d onduleurs Nbre d onduleurs 26 unit s Puissance totale 730 0 KW AC Facteurs de perte du champ PV Fact de pertes thermiques Uc const 20 0 W m K Uv vent 0 0 Wim K m s Perte chmique de c blage Res globale champ 2 6 mOhm Frac pertes 1 5 aux STC Perte de dualit module Frac pertes 0 8 Perte de mismatch modules Frac pertes 1 0 au MPP Effet d incidence param trisation ASHRAE IAM 1 bo l cosi 1 Param bo 005 Besoins de l utilisateur Charge illimit e r seau Tableau 3 param tres de simulation d une centrale PV technologie silicium monocristallin Comme l illustre le tableau 3 le champ PV sera constitu de 4004 de modules PV technologie monocristallin r partis sur une surface de 4004 m comme suit e 14 Modules connect s en s rie e 286 Modules connect s en parall le 73 Chapitre IV Simulation d une
24. de d charge recommand e dans non plus de 25 D autre part les batteries de plomb calcium sont de type cycle peu profond Les plaques sont altern es dans la batterie avec des s parateurs entre elles qui sont fabriqu s d un mat riel poreux qui permet le flux de l lectrolyte Ils sont lectriquement non conducteurs ils peuvent tre des m langes de silice et de mati res plastiques ou gommes Les s parateurs peuvent tre des feuilles individuelles 26 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques ou des enveloppes Les enveloppes sont des manchons ouverts par en haut qui sont uniquement plac s sur les plaques positives Un groupe de plaques positives et n gatives avec des s parateurs constituent un l ment Un l ment dans un container plong dans un lectrolyte constitue une cellule de batterie Des plaques plus grandes ou en plus grand nombre entra nent une plus grande quantit d amp res heure que la batterie peut fournir Ind pendamment de la taille des plaques une cellule fournira une tension varie entre 1 7 et 2 volts suivant l tat de charge en conductions nominales de fonctionnement et un rendement nerg tique de l ordre de 70 85 pour plomb acide Une batterie est constitu e par plusieurs cellules ou des l ments reli s en s rie interne ou externe pour augmenter le voltage des valeurs normales aux applications lectriques Pour cette raison une batte
25. et son efficacit nerg tique sont donc bien sup rieurs de plus il n cessite alors moins d entretien et il dure plus longtemps Les syst mes qui comportent la fois des composantes solaires et oliennes suffisent souvent aux besoins sans qu un groupe lectrog ne ne soit n cessaire 40 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques C Centrale raccord e au r seau La particularit de l nergie photovolta que raccord e au r seau dans la plupart des cas la centrale photovolta que peut tre install e proximit du lieu de consommation vitant ainsi les pertes en ligne qui peuvent atteindre 15 sur les grands r seaux lectriques lorsque des centaines de kilom tres s parent les lieux de production et de consommation Cette nergie r pond bien au concept de la d centralisation Une centrale photovolta que raccord e au r seau fonctionne au fil du jour de mani re totalement transparente pour l utilisateur et sans intervention de sa part Son fonctionnement est particuli rement optimis tant donn que l nergie est normalement emmagasin e dans le r seau m me les accumulateurs ne sont pas n cessaires moins que si nous voulions une forme autonome d nergie pendant les pannes d lectricit 26 L nergie photovolta que raccord e au r seau est particuli rement bien adapt e l int gration dans la plupart des b timents quel que soit leur type habitations b
26. la tension de sortie est obtenue gr ce un syst me de r gulation qui tend maintenir la tension et la fr quence aux valeurs nominales quelle que soit la tension d entr e Un filtrage en sortie de l onduleur qui tend lisser la forme de la tension donc r duire le taux d harmoniques C La technologie des onduleurs coupl s au r seau L onduleur coupl au r seau est utilis pour les installations photovolta ques Il permet de transformer le courant continu produit par les modules solaires en un courant ondul conforme celui du r seau Il adapte galement le courant produit la fr quence et la tension du r seau Dans les installations d habitation le courant solaire produit est d abord utilis par l habitation elle m me si le courant produit pour l habitation est exc dentaire l exc dent est inject dans le r seau L installation d un onduleur coupl au r seau lectrique se fait avec l accord de l organisme de distributeur de l nergie lectrique pour des raisons de s curit un onduleur coupl au r seau doit constamment surveiller ces perturbations et interrompre imm diatement l injection en cas de d faillance ou de coupure Ceci est absolument n cessaire pour permettre une intervention sans danger sur le r seau 14 gt Onduleur modulaires module inverter Suivant ce concept chaque module solaire dispose d un onduleur individuel Pour les installations les plus im
27. le d veloppement d un projet PVsyst permet d importer des donn es m t o d une dizaine de sources diff rentes ainsi que des donn es personnelles A Gestion d un projet syst me raccord au r seau Pour un projet donn d finissant site et m t o on peut construire plusieurs variations de notre syst me Figure IIT 11 61 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Fe ue SO z Es M pr Projet Farm at bts rseille i 2 EEr u i IE l ro jet cipalement la d finition du SITE g ographique et le fichier METEO horaire associ roi Farm at Marseille 75 Cr er partir de E Simulation PE R sultats ES Sauver variante Supprimer variante Figure IIL 11 D signation du projet dans PVSYST B Conception dimensionnement du syst me La conception de syst me est bas e sur une proc dure rapide et simple Figure LIT 12 e Sp cifier la puissance d sir e ou la surface disponible e Choisir les modules PV dans la base de donn es interne e Choisir l onduleur dans la base de donn es interne et PVsyst propose une configuration de syst me qui permet de r aliser une premi re simulation valuation 62 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau D finition d un syst me r seau Variante First simulation Configuration globale du syst me f aa Hombre de types de sous champs 4 Sch ma simplifi
28. les d charges profondes de la batterie E La r gulation de d charge par disjonction automatique Le sch ma de principe de ce r gulateur est repr sent sur la figure IL amp il est constitu d un comparateur qui compare la tension aux bornes de la batterie un seuil bas et transmet l information un circuit de commande qui arr te la d charge lorsque la tension de la batterie atteint ce seuil DNR R gulation de d charge Batterie Charge CHARGE a gt i D EL Ce DE Figure II 8 Sch ma lectrique d un r gulateur de type disjoncteur 22 31 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques I 4 La diode anti retour diode By pass Lorsqu une cellule est ombr e elle ne produit plus d lectricit Du coup les autres cellules dans un lan de g n rosit vont l alimenter en nergie pour combler ce manque de production de la cellule ombr e En r alit la cellule ombr e passe de g n ratrice g n re de l lectricit r ceptrice re oit de l lectricit Ce que les cellules ne savent pas c est qu en alimentant en nergie leur camarade ombr e ils vont luser pr matur ment jusqu ce qu elle se d truise compl tement et c est tr s rapide Les constructeurs placent donc des diodes By pass Figure II 9 Figure II 9 un panneau solaire d connect la diode by pass B la cellule ombr e C la diode anti ret
29. les modules photovolta ques Les diff rentes technologies utilis es sont galement d taill es Dans le deuxi me chapitre nous avons pr sent un tat de l art sur les centrales photovolta ques en d taillant leurs composantes Les crit res de choix d une centrale PV sont galement pr sent s Dans le troisi me chapitre nous avons rappel quelques donn es de base concernant le rayonnement solaire n cessaire l tude de syst mes PV Nous avons ensuite pr sent le logiciel PVSYST que nous avons utilis pour le dimensionnement de la centrale PV raccord e au r seau et d taill les diff rentes pertes dans le syst me PV Dans le quatri me chapitre nous pr sentons les r sultats que nous avons obtenus lors de la simulation d une centrale PV de puissance 1 MW interconnect e au r seau Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que I Introduction Dans ce chapitre nous d crivons en premier lieu le principe de fonctionnement des cellules solaires ainsi que leurs caract ristiques principales Dans la deuxi me partie nous tudions les diff rentes technologies des cellules solaires ainsi que la mise en uvre des modules photovolta ques II Le principe de l effet photovolta que C est un ph nom ne physique qui consiste tablir une force lectromotrice lorsque la surface de cette cellule est expos e la lumi re La tension g n r e peut varier entre 0 3 V et
30. n rateur est maximale ce point est appel point de puissance optimale caract ris par le couple Imax Vmax et seule une charge dont la caract ristique passe par ce point permet d extraire la puissance disponible dans les conditions consid r es 7 VI 3 La constitution d un module photovolta que C ble des cellules photovolta ques les cellules sont connect es entre elles par un fin ruban m tallique cuivre tam du contact en face avant au contact en face arri re figure I 11 Figure L 11 ruban m tallique d une cellule Les cellules sont encapsul es sous vide entre deux films thermoplastiques transparents EVA thyl ne Ac tate de Vinyle Le plus souvent il y a pr sence d un cadre en aluminium avec Joint p riph rique pour permettre la dilatation Un verre tremp en face avant prot ge les cellules sur le plan m canique tout en laissant passer la lumi re La face arri re est constitu e d un verre ou d une feuille TEDLER 14 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que JOINT RUBAN sn Et 1 Cadre en aluminium 4 Support EVA CELLULES 36 en s rie 2 Joint d tanch it 5 Cellule cristalline 3 Verre 6 Film Tedlar Figure 12 Encapsulation des cellules 9 La boite de connexion tanche regroupe les bornes de raccordement les diodes by pass Les deux c bles unipolaires sont raccord s En associant les cellules PV en s rie somme des tensio
31. nous avons d crit le fonctionnement des centrales photovolta ques en s talant sur chaque composant du syst me Nous avons abouti au dimensionnement et la simulation de notre centrale de puissance 1 MW avec le logiciel PVSYST en choisissant la technologie des modules au silicium monocristallin Nous avons constat que l installation de la centrale PV interconnect e au r seau est int ressante du point de vue nerg tique mais elle reste ch re du point de vue conomique La question du prix lev de l lectricit photovolta que est souvent avanc e comme un frein important au d veloppement de cette ressource nerg tique Cependant ce prix aujourd hui environ 2 25 par Wc 43 baisse r guli rement avec les avanc es technologiques diverses L objectif des professionnels est de passer dans quelques ann es sous la barre symbolique de 1 par Wc 44 Quelle que soit la baisse des co ts atteinte cela rend cette nergie de plus en plus int ressante pour le grand public Le d veloppement du march photovolta que n cessite de conna tre parfaitement la production lectrique de ces syst mes sur diff rents sites en particulier pour estimer sa rentabilit conomique Cette estimation pr cise ne peut se faire qu en prenant en compte les effets d ombrage qui ont des cons quences dramatiques sur la puissance lectrique d livr e Nous avons tudi les diff rentes pertes du syst me PV et consta
32. on a facilement acc s aux produits consommateurs d nergie ce serait sans doute plus avantageux d installer un syst me hybride B Syst me hybride Le syst me hybride allie l nergie photovolta que celle d autres sources En r gle g n rale 1l comporte une olienne ainsi qu un groupe lectrog ne d appoint au diesel au propane ou l essence Un tel syst me peut convenir dans le cas d une r sidence ou d un immeuble commercial non connect un r seau de distribution Pour celui qui consomme plus de 2 5 kWh d nergie par jour l ann e durant et qui a besoin d un groupe lectrog ne ou qui habite une r gion o l ensoleillement est limit pendant de longues p riodes le syst me hybride constitue probablement un bon choix La plupart des syst mes hybrides comportent une batterie d accumulateurs dont provient la charge de consommation Les modules maintiennent la charge des accumulateurs tant qu il y a assez de soleil Si on assortit une olienne au syst me celle ci recharge les accumulateurs pendant les p riodes venteuses qui surviennent souvent lorsque le ciel est couvert ou durant la nuit Par cons quent les l ments oliens et solaires se compl tent avantageusement Le groupe lectrog ne n est mis en marche qu l occasion pour charger les accumulateurs durant les p riodes nuageuses prolong es ou sans vent et quand il est en marche il tourne plein r gime Son rendement
33. onde de sortie sinuso dale 16 Avec ce syst me on obtient Un rendement lev sur une plage du taux de charge De faibles pertes vide La puissance nominale C est la puissance exprim e en VA que le convertisseur est capable de d livrer en fonctionnement permanant Th oriquement le choix de la puissance d livrer doit tre la somme des puissances des quipements install s ou installer mais en pratique il est rare que tout les appareils fonctionnent en m me temps et le choix de la puissance nominale r sultera de la valeur maximale du profil moyen de la consommation Le rendement C est un crit re tr s important car 1l influe sur le dimensionnement du champ PV et de la batterie Celui ci varie en fonction du taux de charge rapport de la puissance de sortie et de la puissance nominale ainsi que la variation de ce rendement varie d un onduleur un 34 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques autre Le rendement de l onduleur est aussi donn entre l nergie consomm e par la charge et l nergie fournie par la source continue La consommation vide Une consommation importante vide va r duire l nergie emmagasin e par la batterie cas de nuit 18 Pour cette raison 1l est important de limiter les pertes un faible pourcentage de la puissance nominale 1 5 Puret de la tension sinuso dale pure 220V 50 Hz La moins grande puret de
34. pour disposer de donn es fiables demeure encore le recours aux statistiques accumul es sur les ann es ant rieures gr ce des instruments de mesure Certes le climat volue et 1l faut en tenir compte mais relativement lentement par rapport aux marges de s curit En ce qui rel ve de la mesure du rayonnement des capteurs des appareils de mesure du rayonnement peuvent tre class s comme e Capteurs thermiques ils absorbent les radiations qu ils re oivent et les d gradent en nergie thermique qui sera convertie sous une forme qui permet sa mesure 52 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau e Capteurs quantiques qui utilisent les quantas d nergie radiative qu ils absorbent pour lib rer des lectrons produisant un courant lectrique Au niveau des d tecteurs cet effet pouvant se traduire par l apparition d une tension d tecteur photovolta que une variation du taux d mission des lectrons par une surface d tecteur photo metteur ou par le changement de conductivit du d tecteur d tecteur photoconducteur on distingue entre autres gt L h liographe Qu est l instrument dont l origine est la plus ancienne Il donne la dur e d insolation ou plus exactement la p riode du jour pendant laquelle le rayonnement solaire a d pass un certain seuil C est sur un papier qui se d place que le rayonnement solaire concentr l aide de dispositif optique
35. seau autonome Th se de doctorat l universit du havre Paris d cembre 2005 5 A Mabrouk tude de conception d une strat gie de commande d un onduleur connect au r seau lectrique m moire de magister en lectricit solaire de l cole nationale polytechnique El Harrach Alger 2008 6 S Petibon Nouvelles architecteurs distribu es de gestion et de conversion de l nergie pour les applications photovolta ques Th se de doctorat de l universit de Toulouse Janvier 2009 7 R P Mukund Wind and solar Power Systems CRC Press LLC New York 1999 8 D Turcotte M Ross and F Sheriff Photovoltaic hybrid System Sizing and Simulation Tools PV Horizon Canada 2001 9 K Helali Mod lisation d une cellule photovolta que tude comparative M moire de Magister UMMTO 2012 10 www enerzine com 11 S VIGHETTE Syst mes photovolta ques raccord s au r seau choix et dimensionnement des tages de conversion Th se de Doctorat universit de Grenoble septembre 2010 12 A Zerga F Benyarou et B Benyousef Optimisation du rendement d une cellule solaire NP au silicium monocristallin Revue des Energies Renouvelables 1998 pp 95 100 13 C Bernard J Chauvin D Lebrun J F Muraz P Stassi Station solaire autonome pour l alimentation des antennes de l exp rience de radio d tection l Observatoire Pierre Auger L archive ouver
36. sentait en 2008 plus de 7 du march mondial 9 L avantage de cette technique est l utilisation des substrats bas co ts Le silicium est d pos basse temp rature sur un substrat en verre De plus il est possible de d poser ces cellules sur des substrats souples figure I 8 et fabriquer des cellules souples Son prix est plus faible que celui des cellules cristallines il est d environ 7 91 L utilisation de ce type de cellules n cessite l utilisation d une isolation galvanique entre les modules et le r seau Sans cette isolation galvanique les cellules amorphes se d gradent tr s rapidement La raison physique de ce ph nom ne reste encore obscure Les cellules amorphes captent tr s bien le rayonnement diffus et sont donc moins sensibles aux variations de rayonnement direct Par cons quence ces cellules sont une tr s bonne alternative aux cellules cristallines sur des sites soumis des ombrages s v res D autres mat riaux sont galement utilis s dans les fili res couches minces comme le Tellurure de Cadmium CdTe le dis l niure de cuivre et d indium CIS et de gallium CIGS Ces technologies poss dent de bons rendements pouvant aller jusqu 19 9 Malgr les potentialit s de ces trois technologies les probl mes de toxicit sur l environnement et l approvisionnement en mati res premi res qu elles soul vent les cloisonneront au laboratoire ou des applications tr s sp cifiques Mo
37. technologie ad quate aux besoins de l utiisateur Lorsqu on s quipe en nergie renouvelable il est important de respecter un certain nombre d tapes Ces derni res permettront gr ce quelques calculs tr s simples de dimensionner la source d nergie Une installation d un syst me PV n cessite plusieurs tapes dont la premi re est d estimer la consommation d lectricit et de d terminer quel moment on en a besoin Puis vient le chiffrage de l nergie solaire r cup rable selon l emplacement et la situation g ographique Avec ces donn es 1l sera alors possible de connaitre la quantit de modules photovolta que n cessaire la quantit de batteries le r gulateur ainsi que l onduleur les mieux adapt s et enfin le c blage ad quat Introduction g n rale Le dimensionnement des centrales PV est donc n cessaire avant tout projet photovolta que Les centrales PV sont class es selon leur puissance les microcentrales ayant une puissance inf rieure 1 MW et les grandes centrales centrales diesel avec une puissance sup rieure 1 MW Dans ce travail nous avons effectu le dimensionnement d une centrale PV d une puissance de 1 MW interconnect e au r seau en utilisant le logiciel PVSYST version 6 3 0 d velopp par l universit de Gen ve Pour mener bien ce travail notre m moire comporte quatre chapitres Le premier chapitre est une revue bibliographique sur les cellules et
38. temp rature de l clairement et de fa on g n rale des conditions de fonctionnement Lorsqu il est connect une charge donn e Nous rappelons bri vement dans ce paragraphe le comportement du g n rateur soumis d verses contraintes Ces notions sont en effet n cessaires pour comprendre le comportement d un g n rateur PV et ensuite effectuer des optimisations de fonctionnement figure I 10 Courant one 2 Tension Vco Figure 1 10 Les diff rentes zones de la caract ristique I V La caract ristique d un g n rateur PV constitu de plusieurs cellules une allure g n rale assimilable celle l mentaire sous r serve qu il n y ait pas de d s quilibre entre les caract ristiques de chaque cellule irradiation et temp rature uniforme Nous pouvons d composer la caract ristique I V d un g n rateur photovolta que en 3 zones 13 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que gt Une zone assimilable un g n rateur de courant Icc proportionnel l irradiation d admittance interne pouvant tre mod lis e par 1 Rsn zone 1 gt Une zone assimilable un g n rateur de tension Vco d imp dance interne quivalente la r sistance s rie Rs zone 2 gt Une zone o l imp dance interne du g n rateur varie tr s fortement de Rs Rsh zone 3 C est dans la zone 3 qu est situ le point de fonctionnement pour lequel la puissance fournie par le g
39. total de modules P Mbre modules 798 Puissance unitaire 250 We Puissance globale du champ Nominale TC 200 KWc Aux cond de fonct 177 kWe 50 Caract ristiques de fonct du champ 50 U mpp 369 V Impp 478 A Sous champ Sous champ 3 En s re 14 modules En parall le 57 cha nes Nombre total de modules P Nbre modules 798 Puissance unitaire 250 WC Puissance globale du champ Nominale STC 200 kKWe Aux cond de fonct 177 kWe 50 Caract ristiques de fonct du champ 50 Umpp 369 V Impp 475A 74 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Nombre total de modules P Puissance globale du champ Nombre total de modules P Puissance globale du champ Total Onduleur Sous champ Sous champ 4 Caract ristiques de fonct du champ 50 Sous champ Sous champ 5 Caract ristiques de fonct du champ 50 C Puissance globale champs En s rie Nbre modules Nominale STC J MED En s rie Nbre modules Nominale STC U mpp Nominale STC Surface modules Mod le Fabricant Tension de fonctionnement 14 modules 798 200 kWc 369 V 14 modules 196 200 kWc 369 V 1000 kWc G557 m En parall le Puissance unitaire Aux cond de fonct mpp En parall le Puissance unitaire AUX cond de fonct Mpp Total Surface cellule PowerGate Plus PVS 30 480 Satcon 305 600 V Puissance unitaire 57 chaines 250 We 177 KWG 50T 478 57 chaines 2
40. un syst me photovolta que Application a la F G E D M moire de fin d tudes UMMTO 2009 23 http www arebor energie ir 24 H Belmili M Ayad E Berkouk et M Haddadi Optimisation de dimensionnement des Installations photovolta ques autonomes Exemples d applications clairage et pompage au fil du soleil Revue des nergies renouvelables 2008 25 G Tiwari et D Swapnil Fundamentals of photovoltaic modules and their applications Royal society of Chemistry Inde 2010 26 P Menanteau L lectricit photovolta que IEPE Grenoble 1997 27 M Reggane D Djidja tude d une installation photovolta que pour l alimentation en lectricit d un centre enf teur de GPL NAFTAL m moire de Master UMMTO 2012 28 I Tsuda K Kurokawa et K Nozaki Annual simulation results of photovoltaic system with redox flow battery Solar Energy Materials and solar cells volume 35 pp 503 508 1994 29 A Labouret et M Villoz nergie solaire photovolta que le manuel du professionnel Dunod 2003 30 D Shulz M Jahn Grid integration of photovoltaics and fuel cells Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks Springer London 2008 31 J Gra Centrales photovolta ques guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets l usage des bureaux d ing nieurs 1996 32 F BRIHMAT Etude conceptuelle d un syst me de conditionne
41. 0 056 Perte onduleur seul de puissance 0 06 Perte Onduleur SurHension 0 Ferte onduleur seul de tension 1507 MWh Energie la sortis onduleur 1507 Mih Energie infect e dans le r seau Tableau 6 Diagramme des pertes dans le syst me PV sur l ann e enti re Pour une tude plus compl te d autre r sultats concernant l nergie incidente de r f rence sur le plan des panneaux la distribution de l irradiation incidente distribution de la puissance du champ et le diagramme journalier d Entr e Sortie sont repr sent s respectivement sur les figures IV 7 IV 8 IV 9 et IV 10 L nergie journali re incidente sur le plan des panneaux est de 5 077 KWh jour figure IV 7 pour un fonctionnement en mode normal 79 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Energie incidente de r f rence dans le plan capteurs Yr Energie incidence de r f rence 5 077 KW jr Ein Wi Energie incidents de r f rence Jan Fev Mar ANT Mai Jun Jui AO Sep Oct Mow D c Figure IV 7 nergie incidente de r f rence sur le plan des panneaux La distribution de cette m me nergie le long de l ann e est illustr e par la figure IV 8 Distribution de l irradiance incidente 80000 Valeurs du 01 01 au 31 12 60000 Elu i Classe 30000 20000 H 200 400 600 B00 1000 1200 Global incident plan capteurs Mir Figure IV 8 distribution annuelle de l irradiance incidente 80 Chap
42. 0 4 o Ribbon Sihcon T mMonocrvstallhine Silicon 5 30 E Polvervstalline Silicon 20 fii B H 00 E 1907 1904 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 700 7 200S Figure I 6 volution de la production mondiale des diff rentes technologies de cellules PV 11 Ces technologies coexistent sur le march dans des proportions quivalentes depuis de nombreuses ann es malgr des prix et des rendements tr s diff rents L augmentation des rendements focalise particuli rement l int r t des chercheurs V 1 Le silicium La fili re silicium repr sente aujourd hui l essentiel de la production mondiale des panneaux photovolta ques Il s agit d un mat riau extr mement abondant stable et non toxique Cette fili re est elle m me subdivis e en plusieurs technologies distinctes de part la nature du silicium employ et ou sa m thode de fabrication Cette fili re comporte trois technologies le silicium monocristallin et le silicium multicristallin silicium amorphe 11 V 1 1 Silicium monocristallin Lors du refroidissement le silicium se solidifie en ne formant qu un seul cristal de grande dimension On d coupe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules Ces cellules sont en g n ral d un bleu uniforme intense et brillant Elles sont utilis es mais ne sont pas majoritaires sur le march de l nergie photovolta que Le rendement du silicium monocristallin est plus lev il est compris entre 12
43. 4 2H20 2 Les Accumulateurs au Nickel cadmium 17 Les batteries de nickel cadmium ont une structure physique semblable celles du plomb acide Au lieu du Plomb elles utilisent de l hydroxyde de Nickel pour les plaques positives et de l oxyde de Cadmium pour les plaques n gatives L lectrolyte est de l hydroxyde de Potassium La tension de ce type d accumulateur varie entre 1 15 et 1 17 Volts par l ment suivant l tat de charge Le rendement nerg tique est de l ordre de 70 En d pit d un prix encore prohibitif ce type d accumulateur pr sente beaucoup d avantages gt Tr s bonne r sistance m canique gt Possibilit de supporter des d charges profondes gt Pas d manations toxiques partir de l lectrolyte gt Ne craint pas de gel 27 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques IIL 3 Syst me de r gulation Les syst mes de r gulation de charge sont des l ments d un syst me photovolta que qui ont pour but de contr ler la charge et la d charge d une batterie afin d en maximiser la dur e de vie Son r le principal est de r duire le courant lorsque la batterie est presque enti rement charg e Lorsqu une batterie se rapproche d un tat de charge compl te de petites bulles commencent se former sur les lectrodes positives A partir de ce moment 1l vaut mieux r duire le courant de charge non seulement pour viter des d g ts mais aussi afi
44. 590 Wc 177 kWe 50T 476 3998 modules Dos m 30 0 kW AC Syst me coupl au r seau Param tres de simulation suite Sous champ Sous champ 1 Sous champ Sous champ 2 Sous champ Sous champ 3 Sous champ Sous champ 4 Sous champ Sous champ 5 Total Facteurs de perte du champ PV Fact de pertes thermiques Perte ohmique de c blage Perte de qualit module Perte de mismatch modules Effet d incidence param trisation ASHRAE Besoins de l utilisateur Nbre d onduleurs Nbre d onduleurs Nbre d onduleurs Nbre d onduleurs Nbre d onduleurs Nbre d onduleurs Uc const Champ Champrz Champ s Champ 4 Champ s Global IAM Charge illimit e r seau 6 0 unit s 6 0 unit s 6 0 unit s 6 0 unit s 6 0 unit s 30 20 0 W m K 11 mOhm 13 mOhm 13 mOhm 13 mOhm 15 mOhm 1 bo l cos i 1 Fuissance totale Puissance totale Puissance totale Puissance totale Puissance totale Puissance totale Uv vent Frac pertes Frac pertes Frac pertes Frac pertes Frac pertes Frac pertes Frac pertes Frac pertes Param bo 180 kW AC 180 kW AC 180 kW AC 180 kW AC 180 kW AC 900 kW AC 0 0 W m K m s 1 5 aux STC 1 5 aux STC 1 5 aux STC 1 5 aux STC 1 5 aux STE 1 5 aux STC 0 6 1 0 au MPP 0 05 Tableau 4 Param tres de simulation des sous champs technologie silicium monocristallin Comme l illustre le tableau 4 chaque sous champ
45. 64 Fisure 11 14 Di gramime d pertes 228 and ide tone 65 Figure IV 1 trajectoire du soleil Alger Lat 36 7 N long 3 3 E alt 22m 70 Figure IV 2 positionnement des syst mes de panneaux PV plan inclin fixe 71 Figure 1V 3 sch ma simplifi d une centrale PV raccord e au r seau PVSYST 71 Figure IV 4 valuation du rendement en fonction de l irradiance du module base de cellules au silicium monocristallin 12 Figure IV 5 nergie utile produite par la centrale PV la sotie de l onduleur 17 Figure 1V 6 indice de performance de la centrale PV ss ss sssseesssssscccccccsssses T8 Figure IV 7 nergie incidente de r f rence sur le plan des panneaux 80 Figure IV 8 distribution annuelle de l irradiance incidente 80 Figure 1V 9 Distribution annuelle de la puissance en sortie du champ PV 81 Figure IV 10 Diagramme journalier Entr e Sortie du syst me PV 82 Figure IV 11 Distribution de la tension du champ PV 82 Figure A caract ristiques techniques du module PV utilis dans le syst me Figure A 2 l nergie incidente pendant l ann e Figure A 3 distribution de la puissance de la sortie du syst me Figure B 1 caract ristiques techniques de l onduleur utilis da
46. ATION ESA LR AN I PA A M ie A A 68 LE L DOnnees S OSPADAIQUES ent etes den meteo 68 I2 Donnees M OIOIOPIQU SE re nan M ta demie 68 LMI CIO QU SOI SE ae dd nd be a 69 IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW avec le logiciel PVSYST 60 MN LOrHenAUON ES modules PV es ua meta timer dan 70 IN SCh ma de Centrale Ne disant codant 71 Wo Parame nre de simila NON apesna aA AEA 71 Ae Caracterstidues du Module PV uen TEE TT 71 B Caractenstidgues de l ONU sn ii a aa a 72 IVa R D rtHOonaveC Chambon ere een died et ethee 12 IV 4 R partition avec plusieurs sous champs PV 74 Ve Resultats de SIMUIAUON sresti I AMI NN Aa AR Nes 76 VI CONCIUSIONE ES E dt ND de ue nas D alone tir ae EOE 83 References 1 T Markvart L Castaner photovoltaics fundamentals and applications Preface Guide to usage of the handbooks by professionnal Groups 2003 2 Y Pankow tude de l int gration de la production d centralis e dans un r seau basse tension Th se de doctorat de l cole nationale sup rieure d Arts et M tiers Paris d cembre 2004 3 A O1 Design and simulation of photovoltaic water pumping system Partial Fulfullementof the Requirements for the degr e of master of science in Electrical Enginneering Faculty of California Plytechnic State University San Luis Obispo september 2005 4 I Vechiu mod lisation et analyse de l int gration des nergies renouvelables dans un r
47. MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI OUZOU Facult de G nie Electrique et d Informatique D partement d Electronique Sp cialit Electronique Option Micro lectronique Pr sent par Melle AMARA Karima Th me MEMOIRE DE MAGISTER Contribution l tude de conception d une centrale photovolta que de puissance 1MW interconnect e au r seau de distribution lectrique moyenne tension Devant le jury d examen M BELKAID Mohammed Said M MALEK Ali M MENOUER LAGHA Kahina M HATEM Djedjiga Professeur Directeur de Recherches Ma tre de Conf rences A Ma tre de Conf rences B 2014 2015 UMMTO CDER Alger UMMTO UMMTO Pr sident Rapporteur Examinatrice Examinatrice Remerciement Pour commencer je voudrais bien remercier le jury de sa pr sence pour valuer et participer la conclusion de ce modeste travail Je tiens exprimer toute ma reconnaissance mon Directeur de m moire Monsieur MALEK Al Je le remercie de m avoir encadr orient aid et conseill Je tiens remercier chaleureusement Mademoiselle HOCINE Dalila qui m a aid r aliser ce travail de recherche J adresse mes sinc res remerciements tous les professeurs intervenants et toutes les personnes qui par leurs paroles leurs crits leurs conseils et leurs critiques ont guid mes r flexi
48. Soie S neer a NT rE 7 V Les fili res technologiques d une cellule photovolta que 8 DA ES ES GA A EEE 9 NL SHCIUMMONnOCHSAIN sen NE an t nor 9 Volze Le She mentale ee en menti ten une 10 Vako ESC AMOrDhe ss on mm mn one 10 V 21L S COUCHES MC E S e de out dede idec codes dessine ilete de des 10 V 3 Les cellules au Tellurure de Cadmium CdTe 12 VI Lemod le phOOVOIAIQU Essen needs 13 NL LS DE MORE a D tn D A 13 VI 2 Caract ristiques d un module photovolta ique 13 VI 3 La constitution d un module photovolta que 14 VI R sroupement d s cellules assassin dansante arnaud nn 15 VI4 1 Regroupement des cellules en S rie sien dass nmidididitaiiendiis einen 15 VIE Re sroupe ment de cellules n parall les en na raies 16 VI 4 3 Regroupement des cellules s rie et parall le 17 VII Conclusion Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques L LE 026 LE OA 6 srren Ea A 20 H ECS CENTAIES SOIR an tee ob no de Det tee onu 20 III Les composants d une centrale photovolta que 20 l Les panneaux solaires CAPIRUTS 2er T a nent 21 2 ON CII de SOCR IE ne cet san cd ot one 23 JO VYSLCINe de reculits Se Me ni ne nr noie 28 4 LA CHOe anti Tetouan ne E Mie ti nn ee ie ati out 32 SEME de CONVETSIOM EE eat e nc asean
49. a production d nergie Pour la simulation en technologie de silicium monocrnistallin nous avons choisi un plan inclin fixe d une inclinaison 30 par rapport l horizontale comme l illustre la figure IV 2 30 c est l inclinaison optimale donn e par le logiciel PVSYST en dehors de cette derni re le rendement diminue 70 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Inclin 30 Azimut 0 j Quest Figure IV 2 positionnement des syst mes de panneaux PV plan inclin fixe Est ud II 4 2 Sch ma de la centrale PV La figure IV 3 repr sente le sch ma de la centrale PV raccord e au r seau prise en compte dans la simulation PWY array System User load Inverter E needed Figure 1V 3 sch ma simplifi d une centrale PV raccord e au r seau PVSYST HI Param tres de simulation IIL 1 Caract ristiques du module PV Annexe A Model LG 250 S1C G3 Fabricant LG Electronics Technologie silicium monocristallin Puissance P 250 Wp Tension Un 25 V 71 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Rendement Surf cellules 17 44 Surf modules 15 25 figure IV 4 Module PV LG Electronics LG 250 51C G3 el Relative efficiency loss by respect to STC 1000 Wim2 Eff 15 25 Efficacit Pmax 7a cellules 10 c00 Wime 0 3 cellules 25 G00 Wim 0 1 To cellules 40 i 400 Wim 0 9 5
50. age 22 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques gt Les types de panneaux 40 A Panneaux photovolta ques orientables Avec des panneaux orientables on peut modifier l inclinaison tous les mois mais par facilit on peut galement choisir une inclinaison pour l t une autre pour l hiver On utilise g n ralement ce genre de structure pour des applications au sol ou sur des toits plats Pour ces syst mes inclinaison variable il existe un angle d inclinaison des panneaux par rapport l horizontale qui permet de maximiser la production d lectricit mensuelle B Panneaux photovolta ques fixes Les panneaux fixes sont install s dans une position fixe tout au long de l ann e azimut et inclinaison Le rendement optimum est obtenu pour une orientation sud avec une inclinaison de 35 Dans cette position un syst me d une puissance d I kWc produit environ 900 kWh par an Si on s carte de cette position le rendement diminue Cette diminution du rendement peut tre calcul e en multipliant le rendement obtenu en position optimale par le facteur de correction pour l orientation et l inclinaison choisie ce qu on appelle le Facteur de transposition qui tient compte de l orientation et de l inclinaison FT C Panneaux photovolta ques mobiles ou suiveur solaire L objectif du syst me de panneaux mobiles est de pouvoir suivre le soleil tout au long de la journ e Pour cela la structure p
51. agn tique et ne g n re quasiment aucun bruit Afin de limiter les pertes 1l doit tre plac le plus pr s possible des panneaux photovolta ques L onduleur s arr te automatiquement de fonctionner lorsque le r seau est mis hors tension Une s curit est en effet pr vue afin de supprimer les risques d lectrocution lorsque des techniciens font une op ration de maintenance sur le r seau Selon la conception technique un ou plusieurs onduleurs peuvent quiper un seul syst me photovolta que m me de petite taille La formation de l ordre de sortie peut tre assur e par deux dispositifs Rotatif c est un moteur courant continu coupl un alternateur son rendement varie de 50 60 pour 1 kW jusqu atteindre 90 pour 50 kW Ses avantages sont simplicit onde sinuso dale bonne fiabilit Ses inconv nients sont chert faible rendement surtout pour les faibles puissances Statique on le d signe sous le nom d onduleur C est un dispositif utilisant des transistors de puissance ou des thyristors L onde de sortie pr sente dans le plus simple des cas une forme carr e qui peut s adapter quelques types de charges des pertes vide consid rables surtout pour des faibles puissances Les onduleurs peuvent tre am lior s l aide d un filtrage ou par utilisation des syst mes en PWM pulse width modulation qui permettent gr ce la modulation de la longueur des impulsions d obtenir une
52. ant de quelques milliwatts au m gawatt elle reste encore un stade peu connu et ne se d veloppe pas encore dans de grandes proportions notamment cause des co ts trop lev s des capteurs De plus plusieurs probl mes techniques doivent tre r solus pour amener ces syst mes un degr de maturit suffisant pour en faire des produits industriels part enti re Les probl mes concernent autant le mat riau de conversion photovolta que qui reste cher synth tiser que la chaine de conversion qui pr sente beaucoup de pertes lors d une utilisation mal adapt e Il existe d autres probl mes ext rieurs comme la temp rature le site d implantation et le probl me d ombrage Plusieurs lois de commande sp cifique ont t d velopp es permettant d optimiser la production d nergie photovolta que afin d assurer un meilleur rendement de conversion C est dans ce cadre que se situe actuellement un march pour une nouvelle forme de g n rateurs photovolta ques raccord s au r seau qui sont la pr figuration des centrales photovolta ques de demain En effet les centrales PV raccord es au r seau permettent d viter le probl me de stockage par batteries qui sont de plus tr s ch res pour l installation Dans ce cas les surplus de production sont inject s dans le r seau qui agit comme un r servoir d nergie La diminution du co t des centrales photovolta ques passe n cessairement par le choix d une
53. ation est bas e sur les trois m canismes suivants gt Absorption des photons dont l nergie est sup rieure au gap par le mat riau constituant le dispositif gt Conversion de l nergie du photon en nergie lectrique ce qui correspond la cr ation des paires lectron trou dans le mat riau semi conducteur gt Collecte des particules g n r es dans le dispositif Le mat riau constituant la cellule photovolta que doit donc poss der deux niveaux d nergie et tre assez conducteur pour permettre l coulement du courant d o l int r t des semi conducteurs pour l industrie photovolta que Afin de collecter les particules g n r es un champ lectrique permettant de dissocier les paires lectron trou cr s est n cessaire Pour 1 Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que cela on utilise le plus souvent une jonction P N d autres structures comme les h t rojonctions et les Schottky sont galement tre utilis es Le fonctionnement des cellules photovolta ques est illustr sur la figure I 1 metteur Zone de charge d espace ANSE Tu Us O ai Zone de charge d espace Contacte m talliques Figure I 1 structure gauche et diagramme de bande droite d une cellule photovolta que Les dimensions respectives de diff rentes zones ne sont pas respect es Les photons incidents cr ent des porteurs dans les zones N et P et dans la zone de cha
54. base Prod depuis 2012 Puissance n 250 0 wp Tal 0 0 13 0 z Technologie Simono kad aux STC Specifications Fabricant ou autres mesures A R sum du mod le ie PA Param tres principaux Cond de r f rence GRef 1000 wnf TRef 25 C R parall 340 chm Courant de court circuit lc 3 000 A Circuit ouvert Woo 3760 WY Aparall 0 1000 ohm Point de Puissance max Impp 8 390 A Wmpp 293 80 Y R s rie model 0 33 ohm via R s rie max 0 45 ohm E E E a He Hbre cellules 60 en s rie A s rie apparent 0 52 ohm He 0 054 Le Param tres mod le R sultats du mod le interne ne Tes 4 lo ef 2 32 n Conditions de fonctionnement 0 per 1000 VAUT T per 25 pe Lo 139 mY C Point de Puissance mar Fmpp 250 0 W Coeli de temperature 0 45 C ie ue Courant Impp 8 38 Tengion Ympp 29 9 Y Courant de court circuit lsc 9 00 Circuit ouvert co 37 5 Y Efficacit Surf cellules 17 44 Surk module 15 25 Figure A 3 caract ristiques techniques du module PV utilis dans le syst me Annexes Annexe B Mod le Power ate Plus PWS 30 480 Fabricant Satcon Mom fichier Satcon_Plus_PVS_30_480 OND Source des donn es Manufacturer 2010 2 Original Phsyst database Prod depuis 2007 FERRIERE Sortie R seau AC Tension MPP minimale 305 Y F he Fr quence 7 Monophaz m S504 Tension min pour PMarn CE W Triphas z z Tension MPF nominale H y C Biphas L Tension MPF maximale 600 O Y Tension du r seau 490 Y T
55. bles flux lumineux dans ce cas Iph Is ce qui permet d crire Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que La La log ri ls ls D o 1 7 K L lyh Vo a FE q S C est la zone de comportement lin aire de la cellule la formule pr c dente peut s crire aussi 9 Vco Ro lph en posant KT Ro est la r sistance interne de la diode en polarisation externe nulle circuit ouvert est sous faible flux lumineux R gime des flux lumineux suffisamment intenses pour que Iph Is soit 9 IPH 1 ls D o 1 9 KT le V og 2 co q og l C est le domaine du comportement logarithmique figure 1 4 r gime logarithmique p I ph Figure I 4 diff rents r gimes selon la puissance d clairement Il est important de remarquer que cette tension augmente avec le log d Iph donc avec le log de l illumination En revanche elle d croit avec la temp rature malgr le terme KTc q 6 Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que en effet le courant de saturation Is d pend de la surface de la diode donc de la cellule et des caract ristiques de la jonction il varie exponentiellement avec la temp rature et cette d pendance en temp rature compense largement le terme KTc q donc la tension de circuit ouvert Vco baisse avec la temp rature ce qui est important dans le dimensionnement des syst mes C Le
56. cellules 55 200 Im 3 7 a cellules 70 C 200 400 600 cpi 1000 Global incident Wm Figure IV 4 valuation du rendement en fonction de l irradiance du module base de cellules au silicium monocristallin IIL2 Caract ristiques de l onduleur Annexe B L onduleur Power Gate Plus PVS 30 480 du fabricant Satcon pr sente les caract ristiques suivantes Tension MPP minimale 305 V Tension MPP maximale 600 V Puissance AC nominale 30 KW Type triphas Fr quence 60 HZ Rendement 96 IIL 3 R partition avec 1 champ PV annexe C Les param tres de dimensionnement du champ PV pour une puissance limit e de 1000 KWc 1 MWc sont r sum s dans le tableau ci dessous 72 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Syst me coupl au r seau Param tres de simulation Projet Projet PV coupl au reseau at Algiers Site geographique Algiers Pays Algeria Situation Latitude 36 7W Longitude 3 2E Temps d fini comme Temps l gal Fus horaire TU 1 Altitude 22m Alb do 0 20 Donnees meteo Algiers Synth tique Meteonorm 5 1 Variante de simulation Nouvelle variante de simulation Date de la simulation 0312 14 14h02 Parametres de simulation Orientation plan capteurs Inclinaison 30 Azimut Mod les utilis s Transposition Perez Diffus Erbs Meteonorm Horizon Pas d horizon Ombrages proches Sans ombrages Caract ristiques du champ de
57. centrale PV de puissance 1 MW Le nombre d onduleur est gal 26 unit s avec une puissance globale de 780 KW AC IIL 4 R partition avec plusieurs sous champs PV annexe D Les param tres de dimensionnement des sous champs PV pour une puissance limit e de 1000 KWc 1 MWc sont r sum s dans le tableau ci dessous Syst me coupl au r seau Param tres de simulation Projet Projet PV coupl au reseau at Algiers Site geographique Algiers Pays Algeria Situation Latitude 36 70 Longitude 3 2E Temps d fini comme Temps l gal Fus horaire TU 1 Altitude 22m Alb do 0 20 Donn es meteo Algiers Synth tique Meteonorm 5 1 Variante de simulation Nouvelle variante de simulation Date de la simulation 03 12 14 14h17 Param tres de sImulatlon Orientation plan capteurs inclinaison 30 Azimut 0 Mod les utilises Transposition P rez Diffus Erbs Meteonorm Horizon Pas d horizon Ombrages proches Sans ombrages Caract ristiques des champs de capteurs 5 type de champs d finis Module PV Si mono Mod le LG 250 51C G3 Fabricant LG Electronics Sous champ Sous champ 1 En s rie 13 modules En parall le 62 chaines Nombre total de modules P Nbre modules 606 Puissance unitaire 250 We Puissance globale du champ Nominale 31C 202 KWc Aux cond de fonct 178 kWe 50 Caract ristiques de fonct du champ 50 U mpp 343 V Impp 529 A4 Sous champ Sous champ 2 En s rie 14 modules En parall le 57 cha nes Nombre
58. d valuer les performances de la cellule IV Structure des cellules solaires Une cellule photovolta que en pr sence de lumi re ou plus exactement de photons est capable d orienter les lectrons de fa on cr er une diff rence de potentiel et ainsi de g n rer une tension lectrique nergie volta que La couche sup rieure de la cellule photovolta que est compos e de silicium figure 1 5 Elle contient une quantit particuli rement importante d lectrons libres donnant une charge n gative La couche int rieure elle aussi compos e de silicium contient une quantit d lectrons libres inf rieure la normale donnant ainsi une charge positive C est lorsque les deux couches entrent en contact qu une zone de charge se cr e et g n re un champ lectrique Les cellules photovolta ques sont compos es d un ou plusieurs mat riaux semi conducteurs et permettent la conversion directe de l nergie solaire en nergie lectrique Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que www solarpraxis de M R mer Figure I 5 Structure d une cellule photovolta que 1 Electrode n gative 2 Electrode positive 3 silicium dop N 4 Silicium dop P 5 Couche limite Pour provoquer cet effet photo lectrique le mat riau semi conducteur doit tre dop Du fait de l apport d l ments chimiques deux couches se forment une couche conductrice p avec un exc dent de p
59. de construction sont adapt s leur fonction et sont souvent confectionn s en fonction du projet Habituellement toutes les cellules sont connect es en s rie mais l on commence trouver aussi des modules avec c blages s rie parall le plus particuli rement dans les modules sur mesure Un module photovolta que peut tre encadr par un profil m tallique ou non selon le type d utilisation ou de fixation pr vue A ce propos 1l faut souligner que le cadre renforce la rigidit et quelque fois am liore l tanch it du lamin t en cons quence 1l est important de s assurer de l tanch it et de la rigidit des modules sans cadres Le module est l l ment producteur dont d pendront la puissance et l nergie fournie par la centrale photovolta que Il importe de bien s assurer de la validit des indications du fournisseur qui vont servir de base au dimensionnement B C blages de champ La qualit du c blage DC est un l ment d terminant pour assurer la s curit et l efficacit de la production d nergie La tension d essai du c blage et des l ments modules compris est gale deux fois la tension vide maximale du g n rateur photovolta que Le raccordement des modules repr sente des milliers de bo tiers de connexion dont la fiabilit est primordiale en outre la commodit de montage n est pas n gliger La plupart des modules courants ont des borniers avec s
60. do does ad sole node does 32 I OMD Cia a a 53 IMI Centrales photovolta ques raccord es au r seau 54 ULI Principederaccorde Meieres EsTe EE AE 54 HI 2 l ments d une installation 56 A MOIS aies des en le on ne tn ou 56 B CAD ES AE CAD ed de eat io de a et nee 56 C CADRES CE MISON ES o aa ra r 58 D Contacteur c t courant continu DC ssssssessnsssesssesssessressrrssesssessresseee 58 E ONAUIQUES dard E E T E Ne On 59 F Contacteur c t courant alternatif AC iii ess essessse 59 G Mecon Compta e easier Ut nt nissan unie 59 MES ESS pertes dans le systeme PV ess unes as un dr Musica den 59 A Fones dues POMPES en nue Got emails tetes 59 B Pertes d cs AT MPD TATURE Silence ainsi c raide duo 59 C Pertes dues P ONAUIQUR 2e on ae E 60 D Pertes ohimques Cabas CC ea dd dei E a E a A 6l E Pertes dues au r seau d alimentation public 6l VE DiMeNSIONA MENt SE SR dd a a es 61 IV 1 Pr senter le logiciel de simulation PVSYST 61 IV 2 D finition d un champ photovolta que 66 IV 3 D finition d un syst me photovolta ique 66 IV 4 Cout de l installation d une centrale photovolta que 66 NL CONCSONME ESS E Enr ANA rad E 67 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW 68 I aodu ON sa A EE EETA 68 H Site CRD ANM
61. dule souple Unisolar 68We 1 12 m Module rigide Sharp 115Wc 1 42 m Figure I 8 Deux exemples de modules utilisant Sia silicium amorphe 11 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que V 2 1 Les cellules au Tellurure de Cadmium CdTe Le co t de fabrication d une cellule au tellurure de cadmium serait deux trois fois moins important que celui d une structure cristalline figure 1 9 notamment gr ce l optimisation du proc d de fabrication la faible main d uvre requise et aux conomies d chelle baisse du co t la suite de l augmentation de la productivit Cadmium Telluride CdTe Sn0 Cd Sn0 02 05um cs 600 2000 p C FPaste with Cu or Metals Figure I 9 Structure d une cellule photovolta que au CdTe La couche d absorbant dop p en mauve repose sous un autre semi conducteur dop n CdS Ces deux couches forment une h t rojonction 10 Une cellule au CdTe se compose de haut en bas 42 e d une vitre protectrice e d une couche conductrice transparente par exemple faite d oxyde dindium tain ITO ou d oxyde de zinc ZnO Elle r colte les charges n gatives sur une paisseur de 0 2 0 5 um e de sulfure de cadmium CdS dop n paisseur de 0 06 0 2 um e de tellurure de cadmium dop p paisseurs de 2 8 um e dela couche conductrice inf rieure m tallique Elle est parfois fabriqu
62. e Comme il est possible de disposer de parano m tre dans toutes les directions les bases de donn es m t orologiques fournissent ces valeurs pour seulement quelques orientations et inclinaisons Parfois seul le rayonnement horizontal est mesur 1l est possible de calculer l aide de model math matique et une certaine dose de statistiques le rayonnement sur une 48 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau surface inclin e partir du rayonnement horizontal selon la latitude et la longitude du lieu ainsi que le coefficient d alb do gt Rayonnement instantan Il existe bien videment des cas o l on a besoin de profils d taill s du rayonnement instantan pendent la journ e c est sp cialement le cas en pr sence d obstacles aux voisinages des panneaux susceptibles de provoquer des ombrages pendant plusieurs heures en certaine p riode de l ann e On a alors besoin de donn es horaires courbes de l intensit du rayonnement en fonction de l heure de la journ e dans le but quantifier les pertes dues ces ombrages IL 3 2 Rayonnement solaire sur un plan inclin gt D finition g om trique 31 Un plan inclin est caract ris par son inclinaison par rapport l horizontale et son orientation ou azimut par rapport au sud n gative vers l est sens anti trigonom trique L angle d incidence est l angle form entre la normale du plan et les rayons d
63. e II 4 Caract ristique charge et d charge d une batterie 22 24 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques e Profondeur de d charge La profondeur de d charge est le pourcentage de la capacit totale de la batterie qui est utilis e pendant un cycle de charge d charge Les batteries de cycle peu profond sont con ues pour des d charges de 10 25 de leur capacit totale dans chaque cycle La majorit des batteries de cycle profond fabriqu es pour les applications photovolta ques sont con ues pour des d charges jusqu 80 de leur capacit sans les endommager Les fabricants de batteries de nickel Cadmium assurent qu elles peuvent totalement tre d charg es sans aucun dommage Cependant m me les batteries de cycle profond sont affect es Plus la d charge est grande plus la dur e de vie de la batterie est r duite f La dur e de vie Un accumulateur peut tre charg puis d charg compl tement en un certain nombre de fois avant que ces caract ristiques ne se d t riorent Par ailleurs quelque soit le mode d utilisation de l accumulateur il y a une dur e de vie totale exprim e en ann e ou en nombre de cycles 15 g La tension d utilisation C est la tension laquelle l nergie stock e est restitu e normalement la charge h Le rendement C est le rapport entre l nergie lectrique restitu e par l accumulateur et l nergie fournie l
64. e de 10 15 soit entre 10 et 15 MW km par an pour le BENELUX avec une limite th orique pour une cellule de 28 Les g n rateurs photovolta ques ne sont pas comp titifs par rapport aux g n rateurs diesel que pour des faibles demandes d nergie en r gions isol es Tributaire des conditions m t orologiques Lorsque le stockage de l nergie lectrique sous forme chimique batterie est n cessaire le co t du g n rateur est accru Le stockage de l nergie lectrique pose encore de nombreux probl mes Le faible rendement des panneaux photovolta ques s explique par le fonctionnement m me des cellules Pour arriver d placer un lectron il faut que l nergie du rayonnement soit au moins gale 1 eV Tous les rayons incidents ayant une nergie plus faible ne seront donc pas transform s en lectricit De m me les rayons lumineux dont l nergie est sup rieure 1 eV perdront cette nergie le reste sera dissip sous forme de chaleur Conclusion Nous avons pr sent dans ce chapitre les diff rentes notions qui entrent dans la constitution d un syst me de captage photovolta que Ainsi que les principes de fonctionnement de chaque l ment ce qui est une bonne introduction au dimensionnement et la simulation de ce syst me chose qu on va pr senter dans le chapitre IIT 42 Chapitre IJI Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau I Introduction On consid
65. e dur e 27 Figure ITL 14 Syst me photovolta que raccord au r seau 25 V Comparaison des syst mes photovolta ques Les centrales photovolta ques non connect s au r seau peuvent tre autonomes avec ou sans accumulateurs c est dire d pendant uniquement de l nergie solaire ou hybrides Les syst mes hybrides allient la technologie PV une ou plusieurs autres formes de production d lectricit et comprennent habituellement des accumulateurs Au moment de choisir le genre de syst me dont on a besoin on doit tenir compte des facteurs suivants demande totale puissance maximale appel e moments et p riodes de l ann e de la demande fiabilit requise et accessibilit du syst me selon l endroit o 1l sera install A Syst me autonome Comme son nom l indique le syst me autonome est complet et ne comporte aucune source d nergie d appoint Il comprend g n ralement des accumulateurs 39 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques Dans certains cas par exemple le pompage de l eau notamment pour irriguer les cultures ou la ventilation d une serre on a besoin d nergie lectrique pendant les p riodes ensoleill es seulement le syst me autonome sans accumulateurs convient alors Toutefois la plupart du temps la demande d nergie est ind pendante de l ensoleillement et le syst me doit alors comporter des accumulateurs Pour s assurer une pr
66. e facteur d terminant est le consommateur lectrique aliment Son importance d termine le besoin d une source suppl mentaire d un dispositif de stockage et ou d une source conventionnelle AT Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques VII VIII Avantages et inconv nients d une installation PV Avantages 18 Une haute fiabilit L installation ne comporte pas de pi ces mobiles qui la rendent particuli rement appropri e aux r gions isol es C est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux Ensuite le caract re modulaire des panneaux photovolta ques permet un montage simple et adaptable des besoins nerg tiques divers Les syst mes peuvent tre dimensionn s pour des applications de puissances allant du milliwatt au m gawatt Le co t de fonctionnement est tr s faible vu les entretiens r duits et 1l ne n cessite ni combustible n1 transport n1 personnel hautement sp cialis La technologie photovolta que pr sente des qualit s sur le plan cologique car le produit fini est non polluant silencieux et n entra ne aucune perturbation du milieu si ce n est par l occupation de l espace pour les installations de grandes dimensions Inconv nients 18 La fabrication du module photovolta que rel ve de la haute technologie et requiert des investissements d un co t lev Le rendement r el de conversion d un module est faible de l ordr
67. e nes eene natation eines 33 DA D E o Le E E AAS E A A E E E c lien 36 IV Les diff rent types de syst mes photovolta ques 37 IVS yie me AUTONOMES ennaa RS RO a a a r a en eine 37 INV 2oy eMe AyDdE nnee nee mie E OE 38 IVa Centrales raccorder AUT SeAULs sn tn M Mein 39 IV 4 Comparaison des syst mes photovolta ques 39 V Les crit res de choix d une centrale photovolta que 41 VI Avantages et inconv nients d une installation PV 2 42 SA MC O O r O O 42 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau J Mrodu EU A E E AA 43 IT L VONneMeNtSOMRUE SR Re ii sl ire disons 43 ETES pere dt FNVONN M NE RS ne nas ceci iso ae tro ni aient 43 12 14 trajecionre QU SOIR SR A ln E den menti diseuete der 44 IL 3 Les composants de rayonnement solaire 46 1 Rayonnement solaire sur un plan horizontal 46 2 Rayonnement solaire sur un plan inclin 49 IL 4 La masse d air AM Air Mass esse 51 I 5 Unit s HUISSES sn a A AR A ete ci MR NU eut ea 52 A L clarement Ou ITradanCee 22 ui a DR es t Nues 2 B L irradanonm ou rayonnement nie idea ae ire Nine 52 ILO H TMENtS demesir aeeai need do
68. e syst me soit productif L onduleur red marrera automatiquement d s que les conditions ext rieures redeviendront favorables gt Influence de la temp rature L onduleur doit tre install dans un endroit sec et ventil Son efficacit telle que d crite dans la fiche technique n est assur e que dans le cas d une installation conforme au manuel d installation Un d gagement d une vingtaine de cm est g n ralement n cessaire pour assurer le d gagement de chaleur en particulier du c t des grilles de ventilation entr e et sorties Dans des conditions de temp ratures lev es grenier non isol son rendement diminuera et sa dur e de vie risque galement de diminuer 60 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau D Pertes ohmiques c blage CC En pratique un syst me de qualit est dimensionn pour limiter les pertes ohmiques dans le c blage Courant Continu CC une chute de tension de maximum 2 entre les modules et l onduleur Si la chute de tension est sup rieure 2 par exemple due une longueur de c ble trop importante 1l faudra augmenter la section du c blage CC pour viter l chauffement des c bles E Pertes dues au r seau d alimentation public Statistiquement le r seau lectrique est assez souvent la cause d une baisse de production d un syst me photovolta que Il y a plusieurs causes possibles e La tension du r seau est trop l
69. e utile produite sortie onduleur KWWIRSK Y jr Energie normalis e KW hk Wir Jan F v Mar AWT Mai Jun Jui Ao Sep Oct Mow D c Figure IV 5 nergie utile produite par la centrale PV la sotie de l onduleur La figure IV 6 repr sente l indice de performance qui est d fini par le rapport de la production du syst me Yp par l nergie incidente de r f rence Y tel que PR Y Y Autrement dit il repr sente l efficacit globale du syst me par rapport ce qu on pourrait en attendre selon la puissance install e et peut atteindre 80 dans les meilleures installations PV L nergie produite peut tre donn e par la relation nergie produite Puom Einc PR O Pnom est la puissance nominale de l installation 77 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Indice de performance PR PR Indice de performance YffYn 0 813 Indice de performance PR Jan Fev Mar ANT Mai Jun Jui AO Sep Oct How Dec Figure 1V 6 indice de performance de la centrale PV Le tableau 6 r sume les pertes influen ant la production du syst me PV savoir les pertes ohmiques du c blage effets d incidence pertes dues la temp rature du champ pertes dues la qualit des modules etc Parmi celles ci nous remarquons que la contribution la plus importante est celle de l onduleur d o l importance de prendre en consid ration l efficacit de l onduleur En effet l nerg
70. effets d horizon sont relativement simples traiter si on suppose que le diffus n est pas trop affect Il suffit alors d annuler la contribution du rayonnement direct lorsque le soleil passe sous l horizon tous en conservant celle du diffus isotope et de l alb do 53 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau La courbe de l horizon doit tre relev e sur le terrain ou ventuellement sur une carte topographique en mesurant l angle d l vation de l horizon pour diff rents azimuts Ces mesures peuvent tre report es sur le diagramme de hauteur azimut du soleil La figure II 7 montre un exemple de profil d horizon typique pour un environnement montagneux enregistr e dans PVSYST Plan d incinaison 35 et azimut 10 Dem re Ale pla F lep an 120 zmut le plan Figure III 7 trac de l horizon dans le diagramme hauteur azimut du soleil 31 IHI Centrales photovolta ques raccord es au r seau III 1 Principe de raccordement Dans les pays disposant d j d un r seau de distribution lectrique une nouvelle pratique a vu le jour dans le courant des ann es 80 Elle consiste compenser les diff rences entres la production et la consommation gr ce un change d nergie avec le r seau De cette fa on les installations photovolta ques peuvent se dispenser d un syst me de stockage par batteries et injecter dans le r seau ce qui traduit par
71. eine ce dernier coupe la charge pour viter qu elle ne souffre de surcharge Charge s D C Adaptateur Onduleur C Figure II 12 Syst me photovolta que avec stockage 24 37 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques IV 2 Syst me hybride Une des limites d un syst me autonome purement photovolta que comme on vient de le d crire est qu il fournit une puissance donn e variable selon la saison mais que l on ne peut pas d passer au risque de d truire la batterie or les consommateurs ont des besoins qui voluent et pas forc ment en phase avec les saisons Avoir un syst me hybride c est disposer d une autre source d lectricit qui vient compl ter l apport photovolta que Cette autre source peut tre un groupe lectrog ne appel aussi g n ratrice ou une olienne figure Il 13 De tels syst mes ont habituellement des accumulateurs de stockage d nergie et donc ils permettent en outre de recharger la batterie lorsqu elle est faible Un tel syst me photovolta que hybride fournit une grande fiabilit du syst me et peut repr senter la solution ad quate pour les sites isol s il convient aussi lorsque la demande en nergie est lev e pendant l hiver ou tout le long de l ann e Panneaux solaires R gulateur de Convertisseur charge DC AC gt R cepteurs AC Chargeur lectronique de batterie RER R cepteurs DC
72. ement associ un redresseur qui r alise la transformation du courant alternatif en courant continu et dont le r le sera de charger les batteries et d alimenter le circuit en continu de l installation en cas de longue p riode sans soleil 16 A Le convertisseur continu continu Ce type de convertisseur est destin adapter chaque instant l imp dance apparente de la charge l imp dance du champ PV correspondant au point de puissance maximal 16 Ce syst me d adaptation est couramment appel MPPT maximum power point tracking Son rendement se situe entre 90 et 95 Ce syst me pr sent deux inconv nients pour un syst me PV de faible puissance 33 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques gt Prix lev gt Le gain nerg tique annuel par rapport un syst me moins complexe cas d une r gulation de la tension n est pas important B Le convertisseur continu alternatif onduleur C est un dispositif destin convertir le courant en courant alternatif C est un appareil lectronique de haute technologie con u pour r pondre toutes les exigences du r seau comme la qualit la s curit et la fiabilit et pour permettre un contr le parfait du fonctionnement Il se pr sente sous la forme d un bo tier m tallique de petite dimension muni d un radiateur et doit tre plac sur un support vertical mur par exemple Il n met aucun parasite lectrom
73. ension PY max absolue Eng ET Puissance AC nominale 30 0 kW Puissance C masimale 30 0 AN Courant AC nominal 36 1 M Courant AC maximum 36 0 b Kw Puissance seuil 1500 W Sp cification contractuelle sans e A r elle signification physique lo bligatoire E Efficacit Puissance PV nominale Wa ES Efficacit maximale 96 0 Puissance PY maximale HA kw Efficacit EURO g4 8 Courant PY maximum i 04 0 00 EN F7 Efficacit d finie pour 3 tensions Figure B 1 caract ristiques techniques de l onduleur utilis dans le syst me Annexes Annexe C Configuration globale du systeme R sum syst me global M e Nombre de types de sous champ Hombre de modules 4004 Puissance PV nominale 1001 kiap Surface modules ESET m Pussance PV mearimala 927 kwde ki n Sch ma simplifi Nbre d onduleurs 26 Puissance AC nominale Ta K w ac Champ PV Sub aray name and Orientation Aide au dimensionnement Name Champ Py C NoSizing Entrez Prom d sir e 4 1000 0 kwp ES Tk 30 Onert Plan inclin fixe Bu surface disponible C Azimuth 0 S lection du module FY Tous les modules Timodules par Puissance Technologes bodies n cessares approx 4000 LG Electronics J50 Wp 20 Simon LG 250 51043 Smee 20712 Wanuactuner 20172 Ouvi Dimens des tensions 60C 25 0 Y F Use Optimizer Voc 10C 42 2V S lection de l onduleur m 50Hz Tous les onduleurs Trionduleurs
74. ergle produlte Productible 1506 KWh kW c an Indice de performance PR Bilans et r sultats principaux GlobHor T Amb Sloblne SlobE f E rray E_Grid EffArrkR ru kW him kVh m kih m MWh MWA Janvier F vrier Mars Avril Mai JUIN Juillet Ao t Septembre Octobre Novembre D cembre 798 96 7 127 3 139 8 155 9 191 7 169 9 153 5 140 3 113 2 85 6 L gendes GlobHor Irradiation globale horizontale E ray Energie effective sortie champ T Amb Temp rature amblante E Grid Energle Inject e dans le r seau Gickine Global incident plan capteurs EF rrR Effic Eout champ surf brute Glebe Global effectif corr pour AM et ombrage ETS VySR Efflc Eout syst me sur brute 76 Tableau 5 principaux r sultats de simulation d une centrale PV connect e au r seau Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW D apr s les r sultats tableau 5 on voit bien que l nergie produite par le champ photovolta que Earray illustr e sur la figure IV 3 est proportionnelle aux valeurs d nergie incidente Globinc La production du syst me la sortie de l onduleur Yp est repr sent e sur la figure IV 5 Les pertes Le et Ls sont les pertes correspondantes au champ PV et dues l onduleur respectivement Productions normalis es par kWp install Puissance nominale 1001 KWc B Le Perte de collection champ P 0 15 KW nk pur Ls Perte syst me onduleur 0 2 KW KW jr 7 Yf Energi
75. errage vis qui devraient tre contr l s r guli rement mais la tendance utiliser des connecteurs embrochables appara t surtout pour les mod les destin s l int gration On commence trouver galement des bo tiers avec borniers avec contacts ressort 56 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Le c blage du champ proprement dit est d termin d une part par les crit res de mise en s rie et en parall le des modules et d autre part par la disposition g om trique des l ments lesquels sont souvent pr assembl s et pr c bl s par groupes La perte d nergie est proportionnelle au carr du courant ce qui justifie dans les installations importantes de travailler des tensions plus lev es Les diodes de cha nes en s rie entra nent des chutes de tension de l ordre de 0 5 V pour les diodes Schottky et 1 1 V pour les autres ce qui engendre des pertes de puissance proportionnelles au courant des cha nes Les r sistances de contact dans les borniers et dans les contacteurs entra nent galement des pertes qui ne sont pas n gligeables Les r sistances de passage peuvent atteindre 30 100 m dans les borniers et 15 50 m dans les disjoncteurs Ces pertes se traduisent par l chauffement des contacts Les protections contre les surtensions avec des varistors ne conduisent normalement que peu de courant mais avec le vieillissement les courants de fuite peuven
76. ertes d efficacit 59 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau seront plus ou moins importantes Figure IIL 10 Par exemple la technologie amorphe a Si pr sente un coefficient de temp rature moindre que la technologie cristalline c Si S1 les modules sont superpos s la toiture une ventilation naturelle viendra refroidir les modules photovolta ques Dans le cas d un syst me int gr cette ventilation sera plus difficile et les pertes occasionn es par l augmentation de la temp rature seront plus importantes Ces augmentations de temp rature influencent la tension d entr e de l onduleur et par cons quent la productivit et le rendement de l onduleur Pertes de puissances pour 1kWe AP C LOLU 101 Se 1010 a L E i T T T en e Polycristallin LOGE HOD LOOC hi acrist llin Watt CE LE Le Luck c client i Er LE A IO 5 i 5 10 1 20 2 30 45 00 AS 50 55 GO GS F0 75 BO 85 Figure IIL 10 Pertes dues la temp rature pour diff rentes technologies 34 C Pertes dues l onduleur gt Influence de l ensoleillement Si l irradiation des modules n est pas suffisante d but ou fin de journ e neige ciel gris onduleur reste en attente de meilleurs conditions pour commencer produire de l lectricit solaire La consommation interne de l onduleur de l ordre de 5W doit en effet tre atteinte pour que l
77. es d pend de la r sistance s rie Rs Son effet devient tr s remarquable en module compos de plusieurs cellules connect es en s rie la valeur de cette r sistance est multipli e par le nombre de cellules 3 B R sistance parall le galement la r sistance shunt repr sente une partie des pertes li es une petite fuite de courant par un chemin r sistif parall lement au dispositif intrins que Ceci peut tre repr sent par une r sistance parall le Rp Son effet est beaucoup moins remarquable dans un module photovolta que compar la r sistance s rie Qui devient seulement apparent quand un certain nombre de cellules sont reli es en parall le pour cr er un g n rateur photovolta que 3 D apr s la figure I 2 l quation math matique courant tension du circuit lectrique quivalent de la cellule photovolta que est crite comme suit 1 E q Vp Rs lpv q VptRs lpv Vp Rs lpy Il est possible de combiner entre les deux diodes dl d2 et la r criture de l quation pr c dente sous la forme suivante Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que lpy lpx la rsh I 2 Iph Icc E photo courant de cellule proportionnel l clairement G Ce courant correspond galement au courant de court circuit 2 VpRsI la Li xp 1 1 3 _ Vp Rs lpy Rsh EE 1 4 Vp Rs I lpy lpp5 lsat exp y 1 Rp Vt n K T q repr sente le potentiel ther
78. es d h lium la r action se faisant dans son noyau la temp rature d environ 25 millions de degr s Celsius 7 Ainsi chaque seconde le soleil est all g de 4 millions de tonnes dispers es sous forme de rayonnement 7 Sa lumi re une vitesse de 300000 km s met environ 8 minutes pour parvenir la terre sa distribution spectrale de l atmosph re pr sente un maximum pour une longueur d onde d environ 0 5 m la temp rature de corps noir la surface du soleil est d environ 5780 k 20 Diam tre de soleil Ds 1 39 10 m Diam tre de la terre Dt 1 27 10 m Distance moyenne soleil terre Lts 1 5 10 m IL 1 Spectre du rayonnement Le rayonnement lectromagn tique est compos de grains de lumi re appel s photons L nergie de chaque photon est directement li e la longueur d onde 1 Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ l mission d un corps noir port 5800 K Figure II 1 Une courbe standard compil e selon les donn es recueillies par les satellites est d sign e sous le nom d AMO Sa distribution en nergie est r partie en 20 Ultraviolet UV 0 20 lt 1 lt 0 38 mm 6 4 Visible 0 38 lt 1 lt 0 78 mm 48 0 Infrarouge IR 0 78 lt 1 lt 10 mm 45 6 43 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau FU Corps noir 6000 K L i i O Eclairement KW m um U O0 US w D 12 1 18 W r
79. et 20 9 pour les cellules industrielles Son co t lev est aujourd hui un handicap et le silicium monocristallin perd du terrain devant le silicium multicristallin Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que V 1 2 Le silicium multicritallin Le silicium multicritallin polycristallin est devenu aujourd hui la technologie la plus utilis e figure I 7 A elle seule elle repr sente pr s de 50 du march 9 Ces cellules sont obtenues par couplage de cristaux de silicium ce qui rend sa structure h t rog ne son rendement est l g rement inf rieur au silicium monocristallin il est compris entre 10 et 14 selon les fabricants 9 En revanche sa fabrication est beaucoup plus simple les co ts de production sont donc plus faibles 3 p il PE Lun EET a b Figure I 7 Photos de cellules monocristallin a et multicristallin b V 1 3 Le silicium amorphe Le silicium int gr dans les cellules a Si n a pas fait l objet d une cristallisation Ses atomes sont donc agenc s sans r elle organisation ce qui leur permet de mieux capter la lumi re par rapport au silicium cristallin Probl me les charges g n r es ont plus de difficult s pour se d placer cause de la d sorganisation de la mati re ce qui se traduit par un mauvais coefficient de conversion Par cons quent leur rendement est faible La d sorganisation atomique a d autres cons quences les
80. ev e gt 245 V ou trop fluctuante e Des carts d imp dance trop grands e Des carts de fr quence du r seau trop grands par rapport la valeur standard Ces diff rentes causes vont provoquer des arr ts temporaires de l onduleur et donc une perte de production IV Dimensionnement d une centrale PV Lorsqu on s quipe en nergie renouvelable il est important de respecter un certain nombre d tapes Ces derni res permettront gr ce quelques calculs tr s simples de dimensionner la source d nergie Une installation d un syst me PV n cessite plusieurs tapes dont la premi re est d estimer la consommation d lectricit et de d terminer quel moment on en besoin Puis vient le chiffrage de l nergie solaire r cup rable selon l emplacement et la situation g ographique Avec ces donn es il sera alors possible de connaitre la quantit de modules photovolta ques n cessaires la quantit de batteries en cas d une installation autonome le r gulateur ainsi que l onduleur les mieux adapt s et enfin le c blage ad quat IV 1 Pr sentation de logiciel de simulation PVSYST PVsyst est un logiciel con u pour tre utilis par les architectes les ing nieurs et les chercheurs mais c est aussi un outil p dagogique tr s utile Il inclut une aide contextuelle approfondie qui explique en d tail la proc dure et les mod les utilis s et offre une approche ergonomique avec guide dans
81. harge Le courant exc dentaire est ainsi dirig vers une r sistance qui dissipe l nergie produite sous forme de chaleur C est une technologie ancienne qui n est plus vraiment disponible sur le march car elle ne permet pas de recharger la batterie plus de 70 de sa capacit 23 La figure II 6 illustre un r gulateur de charge shunt 28 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques Eclairement solaire Figure II 6 Sch ma de principe d un r gulateur de charge parall le 19 Tant que la tension aux bornes de la batterie est faible le courant I et la tension U aux bornes de la r sistance r seront faibles galement donc le transistor est bloqu IR 0 lp p I1 1 Le courant d livr par le g n rateur PV passe dans la batterie d s qu on atteint la tension de r f rence de la diode Zener le courant I et la tension U croient brusquement ainsi le transistor devient conducteur et d livre un courant L d o Avec Ir Le courant traversant la r sistance R Io Le courant traversant la batterie Ip Le courant provenant du champ PV Ie Le courant d livr par le transistor I Le courant traversant la diode Zener Il faut ajouter imp rativement une diode entre cet interrupteur transistor et la batterie pour ne pas court circuiter la batterie Cette diode joue galement le r le de blocage du courant nocturne pouvant s couler de la batterie ver
82. hotovolta que Les dimensions respectives de diff rentes zones ne sont pas respect es 2 Figure I 2 Sch ma lectrique du mod le quivalent deux diodes d une cellule DHOO OMAN nn de ee id ous 3 Figure I 3 Caract ristique courant tension et param tres physiques d une cellule PROLOVOLLAIMH S aa Dia Mani dune iii ane dt ous 5 Figure I 4 diff rents r gimes selon la puissance d clairement 6 Figure I 5 Structure d une cellule photovolta que 8 Figure I 6 volution de la production mondiale des diff rentes technologies D CO EN ne A dd a de an de id D D a 9 Figure I 7 Photos de cellules monocristallin a et multicristallin b 10 Figure I 8 Deux exemples de modules utilisant Sia silicium amorphe 11 Figure I 9 Structure d une cellule photovolta que au CdTe La couche d absorbant dop p en mauve repose sous un autre semi conducteur dop n CdS Ces deux couches forment UNS T OIONCTHOMS cerren de nes eine han teens ani het ae nie 12 Figure I 10 Les diff rentes zones de la caract ristique I V 4 13 Figure LII ruban m talhque d un c ll le ssssiiniismasmaiihembeiadisasdedihases 14 Fisure 12 Encapsulation d s cellules 3 14 4225 440 anis tait ha Ei apina 15 Figure I 13 caract ristiques r sultantes d un groupement de Ns cellules en s ries
83. ie produite par le champ array tableau 5 estim e 1581 MWh est r duire 1507 MWh la sortie de l onduleur comme l illustre le tableau ci dessous 78 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Syst me coupl au r seau Diagramme des pertes Projet Projet PV coupl au r seau at Algiers Variante de simulation Nouvelle variante de simulation Principaux param tres syst me Type de syst me Coupl au r seau Orientation plan capteurs inclinaison 30 azimut 0 Modules PW Mod le LG 250 S1C G5 Pnom 250 We Champ PV Nombre de modules 4004 Pnom total 1001 kWe Onduleur Mod le PoverGate Plus P VS 30 460 30 0 kW ac Batterie d onduleurs Nombre d unit s 26 0 Pnom total 780 KW ac Besoins de l utilisateur Charge illimit s r seau Diagramme des pertes sur l annee entiere TES kiim l Irradiation globale horizontals 121 Global Incident plan capteurs 29 Facteur dl h sur giobal 1799 kim 6867 m capt irradiance effective sur capteurs eMicacit aux STC 15 25 Conversion PV 1801 KAVA Energie champ nominale selon eMic STC 0 7 Perme due au nvesu d iradiance 104 Ferte due la temperature champ Faki t e Pet pour qualit moduks 1 0 Fert du champ pour mismatch 21 14 Pertes chmiques de c blage 1581 hf Energie champ virtuelle au MPP L ei 796 Perte onduleur en op ration efficacit ta 0 09 Pert onduleur surpuissanos
84. ieure 1000 W m 1 Les scientifiques ont donn un nom au spectre standard de la lumi re du soleil sur la surface de la terre AM1 5G rayonnement global incluant rayonnement direct et rayonnement diffus Ou AM1 5D tient compte seulement du rayonnement direct Le nombre 1 5 indique que le parcours de la lumi re dans l atmosph re est 1 5 fois sup rieur au parcours le plus court du soleil c est dire lorsqu il est au z nith correspondant une inclinaison du soleil de 45 par rapport au z nith 51 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau AM 0 atmosph re AMI s h Figure III 6 d finition de l air masse 33 II 5 Unit s utilis es A L clairement ou irradiance Est d fini comme une puissance re ue par une surface Il s exprime en W m La SI recommande d utiliser E ou Es comme symbole G est le plus commun ment utilis dans la litt rature B L irradiation ou rayonnement Est l nergie re ue par une surface Elle s exprime en J m L ISES International Solair Energy Society recommande le symbole H d autres unit s plus courantes sont le Wh m bien que ce dernier ne doit pas tre utilis puisque n appartenant pas au syst me SI IL 6 Instruments de mesure Les scientifiques et les climatologues laborent des mod les pour d crire et pr dire les ph nom nes atmosph riques reste que le moyen le plus s r
85. ign es en figure 15 17 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que On observe bien la d formation de la courbe Ipv Vp li e un effet d ombrage partiel du module PV La diode by pass lorsqu elle se met fonctionner court circuite alors une partie du panneau comme indiqu en figure L 15 b vitant ainsi la circulation du courant inverse au sein des cellules d fectueuses Par contre cette solution efficace r duit d autant la puissance d livr e ainsi que la tension aux bornes du panneau La d gradation d une seule cellule condamne donc le groupe de cellules associ es la cellule d fectueuse elle est prot g e par la diode by pass ne pas produire de puissance Ce ph nom ne de perte parall le de puissance est comparer la perte totale d un panneau entier en cas de probl me sur une cellule avec un panneau fonctionnant sans protection Un tel regroupement des cellules s rie et parall le avec diode de protection sont repr sent s par la figure qui suit 6 Diode Anti retour D Np cellules para all le Diodes Bypass N cellules en s rie Cellule d fectueuse 4 a b Figure I 15 a architecture classique d un panneau solaire photovolta que avec diodes de protections b d faillance d une des cellules du module PV et activation de diode de circulation Ipv 6 18 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta
86. imulation d une centrale PV de puissance 1 MW I Introduction Dans ce chapitre nous pr sentons les r sultats de simulation d une centrale PV de puissance 1 MW interconnect e au r seau en utilisant une technologie de modules au silicium monocristallin 49 Les r sultats de simulation sont ensuite interpr t s II Site d implantation Pour la simulation de notre projet de la centrale photovolta que nous avons choisi le site d Alger o les donn es g ographiques et m t orologiques sont inclues dans le logiciel PVSYST II 1 Donn es g ographiques Le tableau 1 pr sente les donn es g ographiques du site Alger Caract ristiqu Latitude Altitude m Longitude Tableau 1 donn es g ographiques du site d Alger II 2 Donn es m t orologiques Le tableau 2 r sume les caract ristiques climatiques du site d Alger 68 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Gite Algiers Algeria Source des donn es HeteoMorm 6 1 station Donn es requises lrrad Glob Ditus Temp r Yit vent kr KM ME H miz FF Janvier 2 40 g F vrier 2 20 Mars 550 Donn es suppl mentaires Avril ze FF Mai Er y Juin i Juillet Unit s d irradiation Ao t E khir jr Ce kwh r ms Septembre C MJ m i ui D Merne Movembre CO WT D cembre C ndice de clart KE Ann e Tableau 2 Donn es m t orologiques du site d Alger II 3 Traject
87. ircuit lectrique comme pour les r gulateurs s rie ou on peut le court circuiter comme pour les r gulateurs shunt Les r gulateurs PWM utilisent les m mes techniques que les anciens la diff rence pr s que ces derniers fonctionnaient en mode tout ou rien On Off alors que le PWM poss de un microprocesseur beaucoup plus pr cis D R gulateur MPPT Maximum Power Point Tracking R gulateur MPPT ou un tracker MPPT est un principe permettant de suivre comme son nom l indique le point de puissance maximale d un g n rateur lectrique non lin aire Dans ce r gulateur un circuit mesure en permanence la tension et le courant du panneau pour tirer de l nergie au point de puissance maximale Ceci permet de garantir une r cup ration maximum d nergie quelque soient la temp rature et l ensoleillement Ces r gulateurs fonctionnent soit en levant soit en r duisant la tension Un premier circuit ajuste la demande au point de puissance maximale de l ensemble des panneaux et le deuxi me circuit transforme le courant et la tension pour les adapter au type de batterie 29 Le r gulateur MPPT co te en g n ral beaucoup plus cher qu un r gulateur standard C est pour cette raison que son utilisation n est pas g n ralis e et qu il n est pas recommand pour les petites installations les pertes ne sont pas assez importantes A ces quatre types de circuit on ajoute en g n ral un r gulateur de d charge pour emp cher
88. itre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW En comparant les deux figures IV 8 et IV 9 nous remarquons que la distribution de la puissance en sortie du champ PV varie suivant la m me tendance que la distribution du rayonnement incident une chelle diff rente Distribution de la puissance du champ Valeurs du 01 01 au 41 12 CHOC 40000 30000 Eh ri Classe 20000 10000 i 200 400 00 cti 1000 Energie effective sortie champ kW Figure 1V 9 Distribution annuelle de la puissance en sortie du champ PV En plus des bilans mensuels et annuels le r sultat le plus signifiant est pr sent sous forme de diagramme d Entr e Sortie reportant pour chaque p riode l nergie produite en fonction de l nergie incidente figure IV 10 Les points de fonctionnement sont align s sur une droite dont la pente est directement li e l efficacit du syst me 81 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW Diagramme d entr e sortie journalier F 000 Valeurs du 01 01 au 31 12 6000 000 4000 3000 Enerpie mject e dans le reseau k Whio 2000 1000 0 1 3 J 6 FA z g9 Global incident plan capteurs KWhim jr Figure IV 10 Diagramme journalier Entr e Sortie du syst me PV La tension du champ est pr sent e dans la figure suivante Distribution de la tension du champ 160 Valeurs du 01 01 au 3112 140 100 20 Hamur Classe GO
89. l angle projet sur le plan de l quateur entre le soleil et le midi vrai il vaut 15 par heure 360 24h 31 A position du soleil est d finie par deux angles sa hauteur HS l angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu et son azimut AZ langle avec la direction du sud compt n gativement vers l est sens anti trigonom trique dans l h misph re Nord figure II 3 45 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Z nith Figure IIL3 d finition de la position du soleil 31 Le calcul de la position du soleil est fonction de la d clinaison soit le jour de l ann e la latitude et l angle horaire il est effectu l aide des expressions suivantes 31 sin HS sin LAT sin cos LAT cos cos AH II 1 sin AZ cos sin AH cos HS I 2 On pourra tirer de nombreuses valeurs remarquables de ces deux expressions par exemple l heure du lever du soleil est donn e par la condition HS 0 soit cos AH tan LAT tan II 3 Ou encore la hauteur maximale du soleil midi solaire HSmax 90 LAT 8 IIL 4 IL 3 Les composantes de rayonnement solaire IL 3 1 Rayonnement solaire sur un plan horizontal 32 Traversant l atmosph re le rayonnement solaire subit des modifications qualitatives Le spectre du rayonnement au niveau sol n est donc pas identique celui du rayonnement extraterrestre Abordant l atmosph re
90. la puissance install e et des conditions m t orologiques Cette puissance doit pouvoir tre absorb e sans pertes par les consommateurs pr sents au point d injection ne comportant pas de dispositif particulier l exception d un sectionneur AC et d une mise en garde relative la nature particuli re de la ligne Le tableau au point d injection comporte galement les dispositifs de comptage IIL 3 Les pertes dans le syst me PV 34 A Pertes dues l ombre Les ombres port es par le voisinage proche et lointain peuvent influencer de mani re non n gligeable la productivit de l ensemble du syst me photovolta que Lors de la conception du syst me il est indispensable que l installateur identifie pr cis ment les zones d ombrages pour d terminer la dimension et la configuration optimale Selon la technologie l impact d une m me ombre sera plus ou moins p nalisant Certaines d entres elles sont mieux adapt es aux configurations avec ombrage L ombrage peut galement tre d aux conditions m t o Par exemple l accumulation de neige dans le bas d un module peut r duire sa production assez fortement Heureusement ces cas l n arrivent qu en hiver lorsque la production potentielle est la plus faible B Pertes dues la temp rature L efficacit du module et de l onduleur est inversement proportionnelle la temp rature de ce m me module En fonction de la technologie utilis e les p
91. laisse son empreinte en le br lant sur une longueur qui donne la dur e du jour Cet appareil n est pas tr s int ressant pour le photovolta que car 1l ne renseigne pas sur l intensit du rayonnement gt Le pyranom tre Est l appareil le plus utile puisqu il value l aide d une thermopile l ensemble du rayonnement solaire direct diffus sur une surface donn e et sur un large spectre de 0 3 3 um de longueur d onde Son globe de verre lui conf re une grande acceptante angulaire proche de la demi sph re il collecte les rayons venant de toutes les directions m me les rayons rasants Il peut galement mesurer la part diffuse du rayonnement on masque alors le rayonnement direct avec un cache en forme d arceau qui suit la trajectoire du soleil pour liminer la contribution directe du rayonnement Il existe d autres instruments comme le pyrh liom tre II 7 Ombrage Nous distinguons deux types d ombrages gt L ombrage lointain qui correspond la disparition du soleil derri re la ligne d horizon On peut supposer qu un instant donn il affecte tout le champ de capteurs la fois fonctionnement en tout ou rien gt L ombrage proche les obstacles proches portent des ombrages seulement sur une partie du champ Leur traitement n cessite de reconstruire la g om trie exacte du syst me et de son environnement en 3 dimensions En valeurs horaires les ombrages lointains ou
92. lta que Courant dans le moir 1 R tension PRE sous illumination TER sh Lee Figure I 3 Caract ristique courant tension et param tres physiques d une cellule photovolta que A Le courant de court circuit Icc Il s agit du courant lorsque le potentiel appliqu la cellule est nul C est le plus grand courant que la cellule peut fournir Celui ci est en fonction de la temp rature de la longueur d onde du rayonnement de la surface activ de la cellule de la mobilit des porteurs Ce courant est lin airement d pend de l intensit lumineuse re ue 9 B Tension du circuit ouvert Vco Comme son nom indique c est la tension aux bornes de la cellule lorsqu elle n est pas connect e une charge ou lorsqu elle est connect e une charge de r sistance infinie Elle d pend essentiellement du type de cellule solaire jonction PN jonction Schottky des mat riaux de la couche active et de la nature des contacts de la couche active lectrode Elle d pend de plus de l clairement de la cellule 46 T Veco Log yj L 6 q ls Avec KTc q repr sentant le potentiel thermodynamique K la constante de Boltzmann 1 381 10 7 Joules Kelvin q la charge d un lectron Tc la temp rature absolue Is le courant de saturation Iph le courant photonique Deux r gimes peuvent tre observ s suivant le degr d clairement figure I 4 R gime des fai
93. ment de puissance pour une centrale hybride PV olien m moire de Magister en lectrotechnique option entrainements lectriques UMMTO 2012 33 B Lakhal tude des propri t s lectriques d une photopile base d une structure Schottky m moire de Magister en micro lectronique universit de Batna 2009 34 www bruxellesenvironnement be 35 A Labouret et M Villoz nergie solaire photovolta que ouvrage Dunod 3 Edition 2009 36 A Ricaud Modules et syst mes photovolta ques Septembre 2008 37 F Trahi Pr diction de l irradiation solaire globale pour la r gion de Tizi Ouzou par les r seaux de neurones artificiels Application pour le dimensionnement d une installation photovolta que pour l alimentation du laboratoire de recherche LAMPA M moire de Magister en lectronique UMMTO Tizi ouzou 2011 38 L ABBASSEN tude de la connexion au r seau lectrique d une centrale photovolta que m moire de magister option Machines lectriques UMMTO 2011 39 M Belhady Mod lisation d un syst me de captage photovolta que Autonome m moire de magister de l universit de Bechar 2008 40 www dmseducation com 41 K Kasmi M Hamdaoui et F Olivi Conception et mod lisation d un syst me photovoltaique adapt par une commande MPPT analogique Revue des nergies Renouvelables vol 10 n 14 pp 451 462 2007 42 www solarbuzz com 43
94. modynamique Id courant direct de la diode 4 Isat le courant de saturation de la jonction K la constante de Boltzmann 1 381 10 Joules Kelvin T la temp rature de la cellule en kelvin q la charge d un lectron Ipv le courant fourni par la cellule Vp la tension aux bornes de la cellule Icc le courant de court circuit Vco la tension du circuit ouvert Rp la r sistance mod lisant les courants de fuites de la jonction VPp Rs py I 5 RS la r sistance s rie caract risant les diverses r sistance de contacts et de connexions n facteur d ideality prend une valeur entre 1 et 2 3 IIL 4 Caract ristiques d une cellule photovolta que Il existe de nombreux param tres qui permettent de caract riser une cellule solaire Ces param tres sont appel s param tres photovolta ques et sont d duits de la caract ristique I V La figure I 3 repr sente une caract ristique courant tension I V dans le noir et sous illumination typique d une cellule photovolta que jonction PN Le trac de cette courbe permet d acc der bon nombre de param tres physiques caract ristiques du composant Les premiers param tres qui apparaissent sur la caract ristique courant tension d une cellule photovolta que sont le courant de court circuit Icc la tension circuit ouvert Vco et le facteur de forme FF du composant Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovo
95. n de mieux atteindre l tat de charge compl te Un courant trop lev peut provoquer une d formation des lectrodes l int rieur ce qui pourrait cr er un court circuit Le r gulateur de charge assure deux fonctions principales gt la protection des batteries contre les surcharges et les d charges profondes gt L optimisation du transfert d nergie du champ PV l utilisation Technique de r gulation Toute la r gulation se fait gr ce la mesure de la tension aux bornes de la batterie Une batterie d charg e poss de une tension faible autour de 11 4 V pour une batterie de 12 V alors qu une batterie charg e poss de une tension forte autour de 13 2 V Le r gulateur de charge doit donc avoir une lecture pr cise de la tension aux bornes de la batterie afin de savoir si elle se trouve dans une p riode de fin de charge ou en fin de d charge C est pour cela que l on place toujours le r gulateur proximit des batteries pour viter les chutes de tension dues la distance et pour pouvoir prendre en compte la temp rature environnante 23 Les r gulateurs de charge de syst me photovolta que autonome peuvent se classer en quatre groupes principaux A les r gulateurs de charge parall le shunt Le r gulateur shunt est bien adapt aux petits syst mes En fin de charge 1l court circuite le module il shunte le module afin que la batterie ne re oive plus de courant et ne soit pas en surc
96. n l irradiation disponible localisation et orientation 4 Le diagramme des pertes Figure IL 14 Le diagramme des pertes montre les nergies diff rents niveaux du syst me avec une valuation des pertes chaque stade Diagramme des pertes sur l ann e enti re 1582 kWh m Irradiation globale horizontale ne Le 14 0 Global incident plan capteurs h 4 0 Ombrages lointains horizon 1 1 Ombrages proches perte d irradiance 2 00 Facteur FIAM sur global 1 0 Perte d encrassement 1647 KWNime 121 m capt Irradiance effective sur capteurs efficacit aux STC 12 20 Conversion PW 24 36 MWh Energie champ nominale selon effic STC 1 4 Perte due au niveau d irradiance 9 2 Perte due la temp rature champ 1 3 Ombrages perte lectrique selon chaines mod 1 5 1 0 1 0 20 79 MWh 3 6 0 0 0 0 0 0 0 07 20 05 MWh 2 6 19 52 MWh Perte pour qualit modules Perte du champ pour mismatch Pertes ohmiques de c blage Energie champ virtuelle au MPP Perte onduleur en op ration efficacit Perte onduleur sur puissance Perte onduleur seuil de puissance Perte onduleur sur tension Perte onduleur seuil de tension Energie la sortie onduleur Indisponibilit du syst me Energie inject e dans le r seau Figure IIT 14 Diagramme de pertes 65 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau IV 2 D finition d un champ pho
97. n est g n ralement le plus commun ment utilis pour les modules photovolta ques du commerce Comme la surface de cellules devient de plus en plus importante le courant produit par une seule cellule augmente r guli rement au fur et mesure de l volution technologique alors que sa tension reste toujours tr s faible L association s rie permet ainsi d augmenter la tension de l ensemble et donc d accro tre la puissance de l ensemble Cell Cellule n Cellules en j s rie er Call Veo iS CellNs Figure I 13 caract ristiques r sultantes d un groupement de Ns cellules en s ries 6 VL 4 2 Regroupement de cellules en parall le Une association parall le de Np cellules est possible et permet d accro tre le courant de sortie du g n rateur ainsi cr e Dans un groupement de cellules identiques connect es en parall le les cellules sont soumises la m me tension et la caract ristique r sultante du groupement est obtenue par addition des courants L quation 1 13 et la figure I 14 r sument les caract ristiques lectriques d une association parall le de Np cellules 6 16 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que Np Cellules icc j enparall le Cellule Figure 14 caract ristiques d un groupement de Np cellules en parall le 6 Avec leen Np Xlec Veo Veon 1 13 P P Iccnp la somme des courants de court circ
98. ns de chaque cellule ou en parall le somme des intensit s de chaque cellule on peut constituer un g n rateur selon les besoins des applications vis es Les deux types de regroupement sont en effet possibles et souvent utilis s afin d obtenir en sortie des valeurs de tension et intensit souhait s Ainsi pour Ns cellules en s rie constituant des branches elles m me Np en parall les la puissance disponible en s rie du g n rateur PV est donn e par Poy Ns Vpy Np lpy 1 11 Avec Ppv la puissance disponible en sortie du GPV Vpv la tension la sortie du GPV Ipv le courant de sortie du GPV VI 4 Regroupement des cellules VI 4 1 Regroupement des cellules en s rie Une association de Ns cellules en s rie permet d augmenter la tension du g n rateur photovolta que GPV 6 Les cellules sont alors travers es par le m me courant et la caract ristique r sultante de groupement s rie est obtenue par addition des tensions l mentaires de chaque cellule un tel regroupement est repr sent par la figure I 13 L quation VI 2 r sume les caract ristiques lectriques d une association s rie de Ns cellules 6 V CONs N Veo lec leen 0 12 Vcoys la somme des tensions en circuit ouvert de Ns cellules en s rie 15 Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que ICCN courant de court circuit de Ns cellules en s rie Ce syst me d associatio
99. ns le syst me Figure C 1 configuration d un syst me qui a un seule champ Figure C 2 Repr sentation de la surface de la centrale PV Figure D 1 configuration avec 5 sous champs sur PVSYST Figure D 2 configuration d un sous champ sur PVSYST Tableau 1 donn es g ographiques du site d Alger 2 68 Tableau 2 Donn es m t orologiques du site d Alger 69 Tableau 3 param tres de simulation d une centrale PV technologie SMe MONOCTLS LAN soie do one done 15 Tableau 4 Param tres de simulation des sous champs technologie SEKE aE O LAN RSR A E cn ee De ec td ca cb ect 75 Tableau 5 principaux r sultats de simulation d une centrale PV connect e au r seau 76 Tableau 6 Diagramme des pertes dans le syst me PV sur l ann e enti re Sommaire Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que L HITOOUCHOMS Sn needs TETEA dt onde ETNEA TRESU l IT Le principe de l effet photovolta que 2 l W Lacelle photoyvohtiigi esne A ei eo l HT 1 D timtop d une cellule Sole sara E E E E l I 2 Le principe de fonctionnement d une cellule solaire l I 3 Sch ma lectrique d une cellule photovolta que 2 IIL 4 Caract ristiques d une cellule photovolta que 4 IVe Sthucture desco lules
100. oire du soleil La connaissance du mouvement apparent du soleil pour un point donn de la surface terrestre est n cessaire pour toute application solaire La position du soleil est d finie par deux angles sa hauteur HS angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu et son Azimut AZ angle avec la direction du sud compt n gativement vers l est La figure IV I pr sente la hauteur du soleil dans le ciel en fonction de l azimut Alger au cours d une ann e 69 Chapitre IV Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW 1 ZZ juin 2 2 mai 3 juil 3 20 avr 23 ao 4 20 mar 23 sep D 21 fev 23 oct 6 19 jan 22 now s TI 22 dec Lr Hauteur du soleil F pe i i ai RU 120 g0 60 30 0 30 60 60 120 Azimut F Figure IV 1 trajectoire du soleil Alger Lat 36 7 N long 3 3 E alt 22m II 4 Simulation d une centrale PV de puissance 1 MW avec le logiciel PVSYST La simulation d taill e d un syst me PV comporte gt Le choix des composants panneaux PV onduleur mat riel de raccordement etc gt La disposition d taill du champ de capteurs orientation mode de montage etc gt L estimation de l nergie produite gt Une valuation des co ts de l installation et le prix du KWh r sultant IL 4 1 Orientation des modules PV Vu le prix lev des modules PV il est n cessaire de choisir des orientations et inclinaisons favorables l
101. ons et ont accept me rencontrer et r pondre mes questions durant mes recherches Merci pour le temps qu ils ont bien voulu me consacrer et les aiguillages qu ils m ont apport s A tous ces intervenants je pr sente mes remerciements mon respect et ma gratitude Introduction g n rale Introduction g n rale L nergie est l un des moteurs de d veloppement des soci t s elle est aussi le pilier de l conomie moderne Elle est l tincelle qui permet l accomplissement de toute activit humaine Ses sources se sont diversifi es au cours du temps afin de satisfaire les besoins toujours en augmentation de l industrie et des consommateurs L nergie solaire photovolta que provient de la transformation directe d une partie du rayonnement solaire en nergie lectrique Cette conversion d nergie s effectue par l ensemble de cellules dites photovolta ques PV bas e sur un ph nom ne physique appel effet photovolta que qui consiste produire une force lectromotrice lorsque la surface de cette cellule est expos e la lumi re une nergie suffisante La tension g n r e peut varier en fonction du mat riau utilis pour la fabrication de la cellule L association de plusieurs cellules PV en s rie parall le donne lieu un module photovolta que Bien que l nergie photovolta que soit connue depuis de nombreuses ann es comme source pouvant produire de l nergie lectrique all
102. orteurs de charge positifs et une couche conductrice n avec un exc dent de porteurs de charge n gatifs Du fait de ce d s quilibre un champ lectrique interne se forme et provoque une s paration de charge en cas d incidence de la lumi re Les porteurs de charge ainsi lib r s peuvent tre vacu s par des contacts m talliques et utilis s directement comme courant continu DC par un appareil lectrique ou tre aliment s dans le r seau comme courant alternatif AC via un convertisseur intercal Pour les capacit s plus lev es les cellules photovolta ques sont la plupart du temps interconnect es au module Pour la fabrication de cellules photovolta ques on utilise actuellement avant tout du silicium car c est le second l ment le plus courant sur terre et donc bon march valoriser En plus du silicium d autres l ments comme le cuivre le gallium ou le cadmium trouvent leur utilisation dans le photovolta que V Les fili res technologiques d une cellule photovolta que Une cellule photovolta que peut tre r alis e avec de nombreux semi conducteurs En r alit 1l existe aujourd hui deux principales fili res technologiques le silicium cristallin les Chapitre tude de la cellule solaire conversion photovolta que couches minces Ces fili res se partagent in galement le march comme le montre la figure I 6 uCdTre CIGS CIS 50 Ur D Amorphous Silicon E 4
103. oss de deux degr s de libert une rotation horizontale pour r gler l azimut et une rotation verticale pour l inclinaison Ce syst me permet aux panneaux photovolta ques de suivre continuellement la position du soleil pour assurer une production lectrique maximum Ce type de structure permet d augmenter la production d lectricit par rapport aux panneaux fixes d environ 25 IIL 2 Syst me de stockage Dans une installation PV le stockage correspond la conservation de l nergie produite par le g n rateur PV en attente pour une utilisation ult rieure La gestion de l nergie solaire n cessite d envisager des stockages suivant les conductions m t orologiques et qui vont r pondre deux fonctions principales 14 Fournir l installation de l lectricit lorsque le g n rateur PV n en produit pas la nuit ou par mauvais temps par exemple Fournir l installation des puissances plus importantes que celles fournies par le g n rateur PV 23 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques III 2 1 Les Caract ristiques principales d une batterie 1 Capacit en Amp re heure Les Amp res heure d une batterie sont simplement le nombre d Amp res qu elle fournit multipli par le nombre d heures pendant lesquelles circule ce courant Th oriquement par exemple une batterie de 200 Ah peut fournir 200 pendant une heure ou 50 A pendant 4 heures ou 4 pendant 50 heures
104. our Les diodes by pass servent court circuiter un ensemble de cellules afin d viter la destruction de celle qui est ombr e Ici ci dessus nous avons donc 72 cellules d connect es de l installation solaire C est un panneau photovolta que entier Cependant la question qui se pose que ce passe t il dans la figure IL 10 ci dessous 32 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques Figure IT 10 trois panneaux solaires d connect s L installation solaire photovolta que est d connect e moiti Trois panneaux ceux du bas fonctionnent normalement tandis que les trois des hauts sont d connect s Figure IL 10 D o la plus grande importance et la n cessit de positionner ses panneaux solaires de telle sorte qu ils ne soient jamais ombr s n importe quelle heure de la journ e Les diodes anti retour servent emp cher les panneaux solaires fonctionnels d alimenter ceux qui ont t s d connect s C est le m me principe que la diode By pass sauf qu au lieu d agir sur les cellules on agit sur les panneaux IILS Syst me de conversion Un convertisseur d nergie est un quipement que l on dispose g n ralement soit entre le champ PV et la charge sans stockage avec charge en continu il portera le nom de convertisseur continu continu soit entre la batterie et la charge il sera alors appel onduleur ou convertisseur continu alternatif L onduleur est g n ral
105. ovision d nergie durant l ann e l aide d un syst me aliment uniquement l nergie solaire il faut donc installer un champ de modules photovolta ques beaucoup plus gros donc beaucoup plus co teux et l assortir d accumulateurs Ces syst mes sont pratiques dans les endroits isol s o 1l n y a pas de personnel sur place et o 1il est difficile et co teux d aller faire des tourn es d inspection Les immobilisations requises sont alors vite compens es par les conomies r alis es au titre des frais d entretien et du ravitaillement en combustible On emploie par cons quent des syst mes autonomes avec accumulateurs pour l lectrisation des cl tures de p turages et pour les communications le balisage les dispositifs d avertissement et les stations de surveillance ainsi que pour divers usages o la fiabilit et les exigences d entretien sont des consid rations de premi re importance Le syst me autonome peut aussi convenir dans le cas d une r sidence d t d un voilier ou d autres usages dont la p riode d utilisation correspond la p riode d ensoleillement maximal Si on consid re l lectricit comme un luxe et estime pouvoir supporter les rares instants o le syst me ne suffira pas nos besoins le syst me autonome peut s av rer une solution satisfaisante prix raisonnable Toutefois s1 on tient tre assur d un approvisionnement constant longueur d ann e et si
106. par Puissance Tension max M EH Satcon WEW 305 600Y LFT 60Hz Poveate Plus PYS 30 480 Snce 2007 B Dun Nbre donduews 26 M Tension de fonctionnement 305 600 V Puissance globale ond 780 Kwac Tenson entr e mauimale E00 y Dimensionnement du champ Nombre de modules et chaines Conditions de fonctionnement 2 2 sk Vmppi t 49 Mod ens ne 4 F entre 13 et 14 Vmpp 20 C 4284 S Voc GOC SV Nb chaines 126 _ 1 F entre 223 et 286 Inadiance plan 1000 Wim D Max donn es STC Perte surpuissanodl5 z impp 8T 24004 Puiss max n fonctionnement 686 KW Rappat Prom 128 EE Vor condtionf 2 heste 26094 1000 wir et S0 C Nbre modules 4004 Surface 6967 m lecia STC 2574 A Puiss nom champ STC 1001 kWp E System summan af Andes W OK Figure C I configuration d un syst me qui a un seule champ Annexes Annexe D Configuration globale du syst me R sum syst me goba 5 a Nombre de types de sous champs Nombre de modules 3998 Puissance PY nominale 1000 Kwp Surface modules 6557 mf Puissance PY maximale 326 kwdc Nhre d oncheurs 30 Puissance AC nominale 300 k wac Sous champ 1 Sous champ 2 Sous champ 3 Sous champ 4 Sous champ 5 Gub array name and Orientation Aide au dimensionnement Mame Saus champ 1 Order 1 C No Sizing Entrez Pnom d sir e 4 202 0 kWp
107. portantes tous les onduleurs sont connect s en parall le c t courant alternatif Les onduleurs modulaires sont mont s proximit imm diate du module solaire correspondant 30 gt Onduleurs centralis s central inverter Un onduleur centralis de forte puissance transforme l ensemble du courant continu produit par un champ de cellules solaires en courant alternatif Figure IL 11 Le champ de cellules solaires est en r gle g n rale constitu de plusieurs rang es connect es en parall le Chaque rang e est elle m me constitu e de plusieurs modules solaires connect s en s rie Pour viter les pertes dans les c bles et obtenir un rendement lev on connecte le plus possible de modules en s rie 301 35 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques gt Onduleurs String Rang e L onduleur String est le plus utilis Figure IL 11 Le plus souvent huit ou plus modules solaires sont connect s en s rie Comme une seule connexion s rie est n cessaire les co ts d installation sont r duits Il est important de noter qu en cas d ombrage partiel des modules solaires il n y a pas de perte l emploi de diodes de by pass est fortement recommand 30 Les installations jusqu 3 Kilowatt de puissance sont fr quemment r alis es avec un onduleur String Pour une puissance plus lev e il est possible de connecter plusieurs onduleurs String en parall le c t cou
108. que Full PV a 1 Cell Ombragee 1 Cell a 20 1 Cell 35 Courant PV A Vpv M Figure I 16 caract ristique Ipv Vp d un panneau photovolta que BP585 et effet d une des 36 cellules qui composent le module PV 6 On s aper oit donc que la ma trise de cette nergie photovolta que n est pas aussi simple qu il n y parait La production de courant dans un module photovolta que du commerce est donc limit e par la cellule la plus faible de l ensemble G n ralement lors de l assemblage des cellules 1l est n cessaire de les trier en fonction de leurs caract ristiques lectriques afin d obtenir une association homog ne et ainsi viter de limiter la puissance fournie par le panneau cause d une dispersion des cellules De plus le vieillissement des cellules peut produire une dispersion des caract ristiques Les conditions m t orologiques auxquelles les modules sont soumis ensoleillement inhomog ne temp rature salissures neige pluie d p t de feuilles mortes fait de l nergie photovolta que une ressource difficilement maitrisable 6 VII Conclusion Nous avons pr sent dans ce pr sent chapitre les diff rentes notions qui entrent dans la constitution d un syst me de captage photovolta que Aussi que les principes de fonctionnement de chaque l ment 19 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques I Introduction Dans ce chapi
109. rant alternatif L int r t dans ce concept est d utiliser un plus grand nombre d onduleurs du m me type Cela r duit les co ts de production et apporte un int r t suppl mentaire si un onduleur tombe en panne seule la production de la rang e concern e est d faillante Module Inverter String inverter Central inverter Figure IL 11 classification des onduleurs PV connect s au r seau 30 Ils sont toujours con us en triphas La plupart du temps les syst mes PV sont install s dans les r seaux de distribution basse tension avec une puissance allant jusqu 30 KVA Le type du r seau choisi en raccordement d termine la possibilit du choix de syst mes de surveillance et la d tection en cas d islanding d faut IIL6 La Charge La charge et l quipement lectrique aliment par le syst me pouvant tre de type continu comme des quipements de t l communications le pompage d eau ou de type alternatif dans les cas d usage domestique maison solaire ce cas n cessite un onduleur 36 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques IV Les diff rents types de syst mes photovolta ques Les trois genres de syst mes photovolta ques que l on rencontre g n ralement sont les syst mes autonomes hybrides et connect s au r seau Les deux premiers sont ind pendants du service public de distribution d lectricit on les retrouve souvent dans les r gions loign es
110. rayonnement direct est nul par le temps couvert On admet que le rayonnement diffus est isotope c est dire que l on re oit un rayonnement identique dans toutes les directions de la voute c leste Par temps clair ou voil outre le ciel bleu relativement isotrope on a une couronne plus brillante autours du soleil composante appel e Circum solaire Le diffus repr sente plus de 50 du rayonnement annuel disponible dans les r gions temp r es contre 30 45 dans les pays ensoleill s et en montagnes 15 20 est le taux de ce rayonnement lors des belles journ es C Le rayonnement r fl chi C est ce qu on appelle au m me titre alb do c est la capacit d une surface r fl chir la lumi re notamment celle du soleil exprim par un chiffre compris entre 0 et 1 1 s affecte un corps qui r fl chit totalement la lumi re re ue D Le rayonnement global Est tout simplement la somme de ses diverses contributions comme le montre la figure II 4 ci dessous 47 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Direct Alh do Figure IIL 4 Composantes de rayonnements solaires au sol 32 On appelle rayonnement direct normal le rayonnement direct mesur perpendiculairement aux rayons du soleil Mesur selon un plan non perpendiculaire le m me rayonnement irradie une plus grande surface il est donc moins intense c est ce que l on appelle l effet cosinus
111. re qu une nergie est renouvelable toute source d nergie qui se renouvelle assez rapidement pour tre consid r e comme in puisable d o son nom Les nergies renouvelables sont issues de ph nom nes naturels r guliers ou constants provoqu s principalement par le Soleil l nergie solaire mais aussi hydraulique olienne et biomasse la Lune nergie mar motrice certains courants nergie hydrolienne et la Terre g othermique profonde Le rayonnement solaire constitue la ressource nerg tique la mieux partag e sur la terre et la plus abondante Une partie de ce rayonnement peut tre exploit e pour produire directement de la chaleur solaire thermique ou de l lectricit c est l nergie solaire photovolta que II Le rayonnement solaire Le soleil est une toile parmi tant d autres Il a un diam tre de 1390000 km soit environ 50 fois celui de la terre Il est compos 80 d hydrog ne 19 d h lium et 1 d un m lange de 100 l ments soit pratiquement tous les l ments chimiques connus depuis que Langevin et Perrin s appuyant sur la th orie de la relativit d Einstein ont mis l id e 1l y a une soixantaine d ann es que c est l nergie de fusion nucl aire qui fournit au soleil sa puissance 1l est aujourd hui admis que le soleil est une bombe thermonucl aire hydrog ne h lium transformant chaque seconde 564 millions de tonnes d hydrog ne en 560 millions tonn
112. rge d espace Les photo porteurs auront un comportement diff rent suivant la r gion Dans la zone N ou P les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge d espace sont envoy s par le champ lectrique dans la zone P pour les trous ou dans la zone N pour les lectrons ou ils seront majoritaires On aura un photo courant de diffusion Dans la zone de charge d espace les paires lectron trou cr es par les photons incidents sont dissoci s par le champ lectrique les lectrons vont aller vers la r gion N les trous vers la r gion P on aura un photo courant de g n ration 21 IIL 3 Sch ma lectrique d une cellule photovolta que Le sch ma du circuit quivalent d une cellule photovolta que qu est largement utilis dans la litt rature est repr sent sur la figure I 2 Chapitre I tude de la cellule solaire conversion photovolta que Ipv Figure I 2 Sch ma lectrique du mod le quivalent deux diodes d une cellule photovolta que 1 Comme le montre le sch ma de la figure une photopile comporte en r alit une r sistance s rie Rs et une r sistance de d rivation ou shunt Rp Ces r sistances auront une certaine influence sur la caract ristique Ipv Vp de la photopile A La r sistance s rie En pratique la cellule PV contient des r sistances dans le mat riel qui constitue des semi conducteurs et contacts et autobus courant de rassemblement L ensemble des pert
113. rie de 6 V est compos e de trois cellules et une de 12 V de 6 Les plaques positives d une part et les n gatives de l autre sont interconnect es au moyen de terminaux externes dans la partie sup rieure de la batterie Les l ments des batteries sont souvent mont s dans des bacs isol s du sol pour viter le refroidissement de l lectrolyte par l interm diaire de support de bois ces bacs sont r alis s en plastique transparent afin de bien visualiser le rep rage de niveau de l lectrolyte Les liaisons entre les l ments doivent tre dimensionn es de mani re avoir une chute de tension tr s faible quelque soit le r gime 141 gt Principe de fonctionnement Une r action chimique intervient lorsque la batterie alimente une charge connect e ces deux lectrodes Pendant la d charge 1il y a une oxydation la plaque n gative qui se traduit par une perte d lectrons et r duction la plaque positive ou gain d lectrons L lectrolyte en pr sence dans la batterie facilite le d placement des charges lectrochimiques sous forme d ions Le processus inverse se produit quand la batterie se recharge on voit appara tre imm diatement une force lectromotrice entre les deux lectrodes Les quations des r actions suivantes d crivent la r action principale 46 lectrode Positive PbO gt 4H SO4 26 PbSO4 2H20 Electrode negative Pb S047 pbSOs 2e R action Pb PbO 2H2S04 7 2PbSO
114. s A Hapi Longueurs d ondes um Figure IIL 1 spectre solaire hors atmosph re 20 II 2 La trajectoire du soleil Toute application solaire n cessite la connaissance du mouvement apparent du soleil pour un point donn de la surface terrestre figure II 1 caract ris par sa latitude positive pour l h misph re Nord et sa longitude d finie par rapport au m ridien de Greenwich positivement vers l Est 31 44 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Solstice y d t Parall le ss l axe de rotation Fa Equinoxes 23 50 Lat 46 solstice d hiver Horizon Parall le au plan de l quateur Figure II 2 trajectoires apparentes du soleil vues par un observateur terrestre pour un jour donn 31 Le soleil d crit un cercle centr sur l axe de rotation de la terre d plac un angle par rapport au plan parall le l quateur Pour l observateur terrestre en consid rant la d clinaison comme constante sur une journ e le soleil d crit un cercle autour de l axe de rotation de la terre Figure I 2 Ce cercle est parall le au plan de l quateur et sa hauteur apparente sur ce plan donn par la d clinaison Au cours de la journ e l instant o le soleil passe par le m ridien du lieu de l observateur c est dire o 1l est au sud dans notre h misph re est le midi vrai Pour un instant quelconque l angle horaire AH est
115. s des r cepteurs Cet ensemble appel aussi balance of system ou BOS comprend tous les quipements entre le champ de modules et la charge finale la structure rigide fixe ou mobile pour poser ces modules c blage la batterie en cas de stockage son r gulateur de charge et l onduleur lorsque les appareils fonctionnent en courant alternatif V Co t de l installation d une centrale photovolta que Le co t global de l installation d une centrale PV qui n est pas raccord e au r seau est donn par la relation suivante 47 48 Cr APe BCe Cro IIL 16 Avec Co t du watt cr te photovolta que 1200 DA Pc puissance cr te du champ PV B Co t du Kwh de la batterie 4000 DA Cs Capacit de stockage de la batterie Kwh Cro La somme des co ts de tous les autres syst mes VI Conclusion Les installations photovolta ques doivent tre dimensionn es pour qu elles puissent fournir de l nergie dans les conditions les plus d favorables ce qui nous permet d aboutir une meilleure optimisation des installations photovolta ques Dans ce chapitre nous avons d crit les l ments d une installation PV Nous avons aussi pr sent les tapes de dimensionnement d une centrale PV avec le logiciel PVSYST Les r sultats de simulation d une centrale de puissance 1MW interconnect e au r seau sont regroup s et interpr t s dans le chapitre suivant 67 Chapitre IV S
116. s le panneau B Les r gulateurs de charge s rie Contrairement au r gulateur shunt qui d rive le courant vers une r sistance le r gulateur s rie stoppe la circulation du courant en ouvrant le circuit lectrique Les modules restent sous tension mais les batteries sont l abri de la surcharge Il s agit galement d une technologie ancienne peu performante Elle ne permet pas non plus de recharger les batteries au del de 70 de leur capacit 29 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques tant donn que le module produit de l lectricit tant qu il est clair on ne peut pas stopper la recharge de la batterie autrement qu en ouvrant le circuit et en cr ant une d rivation figure IL 7 T i Figure II 7 Sch ma de principe d un r gulateur de charge s rie 19 Tant que la tension Up aux bornes de la batterie est inf rieure la tension de la diode Zener Uz le courant d livr par le panneau solaire charge la batterie travers le transistor absence de r gulation d s que la tension de la batterie devient sup rieure celle de la diode Zener le transistor se bloque et le courant ne passe qu travers la r sistance apparition de la r gulation Donc le r gulateur s rie ouvre le circuit lectrique pour couper le courant qui provient du champ PV C R gulateur PWM Le r gulateur PWM Pulse With Modulation ou MLI Modulation en largeur d impulsion est un r
117. ssance optimale en sortie 21 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques Figure II 3 Boite de d rivation 13 La boite de d rivation est compos e galement d un circuit imprim sur lequel se trouvent Des diodes Schottky s rie plac es sur un radiateur sur chaque entr e qui emp chent aux batteries de se d charger dans les panneaux Des fusibles de protections qui emp cheront aux batteries de se d charger dans les modules en cas de destruction des diodes antiparall les Des diodes lumineuses en parall le sur chaque fusible de protection Ces diodes permettant de contr ler individuellement chaque branche de modules Par exemple une boite 4 entr es de 24 Volts sera constitu e de deux branches de deux modules il y aura donc deux diodes qui permettront de constater le fonctionnement de chaque branche Une protection parafoudre Transil ou VDR en sortie de la bo te Le c blage de ces boites permet d avoir une sortie en 12 24 ou 48 volts selon les modules elles sont quip es de deux douze entr es selon les tensions de sortie La quantit d lectricit dans l ensemble des composants des panneaux PV d pend des besoins en lectricit la taille du panneau L ensoleillement du lieu d utilisation La saison d utilisation La puissance d livr e par un panneau est importante dans les heures d ensoleillement maximales ce qui n cessite un l ment de stock
118. t de fonctionnement et la protection des personnes et du mat riel Il peut toute fois tre n cessaire ou pratique de grouper dans une armoire d entr e avant l onduleur les c bles provenant de champs s par s les sectionneurs DC les dispositifs de protection anti surtensions 58 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Le contacteur principal DC doit pouvoir s parer le champ photovolta que sous charge Il ne faut utiliser que des contacteurs con us et test s pour commuter du courant continu la tension nominale Il ne doit pas tre utilis nominalement pour arr ter le fonctionnement de l onduleur E Onduleur D Le local de l onduleur doit tre bien ventil de fa on permettre l vacuation de l nergie thermique produite par les pertes de transformation F Contacteur c t courant alternatif AC M me si le point d injection dans le r seau est relativement loign un disjoncteur AC et les protections de ligne seront mont s dans une armoire de sortie proximit de l onduleur Il ne doit pas tre utilis pour interrompre le fonctionnement de l onduleur G Injection comptage L injection dans le r seau s effectue travers un tableau de distribution faisant partie de l installation Pour choisir le point d injection il faut se rappeler que la centrale photovolta que produit un courant de puissance variable dont le maximum d pend de
119. t que la contribution la plus importante est celle de l onduleur d o l importance de faire un bon choix de la technologie permettant la meilleure efficacit possible de ce composant Annexes Annexe Caract ristiques I V et P V du module base de silicium monocristallin a Module PV LG Electronics LG 250 51C G3 Temp colluks 45 C mad incidente 1000 Win mad incidente 800 Wim Courant A mad incidente 600 Win mad incidente 400 Winr Irad incidente 200 Win Tension V Module PV LG Electronics LG 250 51C 63 irad incidente 1000 Win Temp callules 10 C Temp collulcs 25 C Temp colluls 40 C Temp collul s 55 C Temp collules 70 C L ourant A Pmpp 266 8 W Pmpp 250 0 W Pmpp 232 9 W Pmpp 215 3 W Pmpp 187 3 W 20 29 Tension V Figure A 1 Influence de la temp rature sur la caract ristique I V Annexes Module PV LG Electronics LG 250 51C G3 Temp colluls 45 C irad incidente 1000 Wiin mad incidente 800 Win irad incidente 600 Wint irad incidente 400 W irad incidente 20m Puissance W 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tension V Figure A 2 Influence de l clairement sur les caract ristiques I V et P V Annexes Mod le LG 250 S1C 63 Fabricant LG Electronics Mom fichier LGElectronics_LG260_51C_G3 Source donn es Manufacturer 2012 ki Original Psuest data
120. t 50 C lradiance plan Impp STC lc STC lc aus STC 510A x Annuler Figure III 12 Configuration du syst me dans PVSYST C Dimensionnement de syst me outil visuel Un outil sp cifique rassemble toutes les contraintes pour le dimensionnement du syst me Figure III 13 e Pour le nombre de modules en s rie le diagramme sup rieur montre la courbe I V du champ PV t hiver et les contraintes de tension y compris courants et puissance de l onduleur e Pour le dimensionnement de l onduleur le second graphique montre la distribution annuelle de puissance MPP du champ et la puissance effective de l onduleur e Le dimensionnement optimal de l onduleur est bas sur la perte de surcharge acceptable sur une ann e Il conduit habituellement sur dimensionner le rapport de puissance nominale champ onduleur de l ordre de 1 25 63 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau g Conditions de dimensionnement Champ Onduleur Dimens Tension du champ Dimensionnement en puissance Champ PF Pnom STC 148 Ewp Champ PF Pras 13 5 Kwdc Onduleurs Poom AC 126 Ky ac Courant 4 Vinpp Mlin Vabs Max Yupp pour Pumas Perte sur puissance 362 kWh power limitation 02 Rapport Phom Champ Ond 1 18 z ii Las pl ms pa 200 300 400 500 600 700 200 Tension W Dimensionnement puissance Distribution de sortie onduleur Distribution d nergies champ a
121. t augmenter et sont difficilement mesurables Le c ble du champ n est normalement pas r alis sous tube sauf pour la protection m canique des passages sur sol et les c bles doivent tre r sistants aux UV et comporter une double isolation Il existe sur le march des c bles sp cialement fabriqu s pour les installations photovolta ques Les coffrets de raccordement Figure I 9 contiennent normalement les borniers s par s positifs et n gatifs des arriv es de tous les c bles provenant des cha nes de modules en s rie Ils contiennent galement les diodes anti retour et les dispositifs de protections Il faut rappeler que les fusibles ne prot gent pas les circuits PV du fait que le courant de court circuit peut tre plus faible que le courant normal Un interrupteur DC n est pas obligatoire ce niveau s il existe l entr e de l onduleur mais il peut s av rer fort utile pour isoler des l ments du champ photovolta que pendant le montage ou des travaux sur le b timent Un champ photovolta que peut comporter plusieurs coffrets dispos s de fa ons diminuer les longueurs de c bles et optimiser les sections Les coffrets doivent r pondre aux exigences d tanch it ils doivent tre largement dimensionn s pour permettre un c blage propre et bien accessible et construits en mati re ininflammable si possible en m tal 57 Chapitre II Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau
122. ta que Cette tape consiste calculer la quantit de modules photovolta ques que l on devra poss der pour couvrir ces besoins en lectricit gt Estimation de la puissance cr te de la centrale photovolta que La puissance cr te de la centrale photovolta que install e d pend de l irradiation du lieu On la calcule de fa on satisfaire les besoins pendant la p riode la plus d favorable en appliquant la formule suivante 36 pe IV 1 K Ir Pc Puissance cr te de la centrale photovolta que Wc Ir Irradiation moyenne mensuelle re ue par le capteur photovolta que correspondant au mois le plus d favorable Wh m 2 jour 1 Ec Energie consomm e Wh K Coefficient correcteur Ce coefficient tient compte De l inclinaison non corrig e des modules suivant la saison Du point de fonctionnement des modules Du rendement moyen de la batterie 90 Du rendement de r gulateur 95 Des pertes dans les c bles de connexion pour les syst mes avec batterie 66 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau K est en g n ral compris entre 0 55 et 0 75 La valeur souvent utilis e dans des calculs du syst me avec batterie est k 0 65 37 IV 3 D finition d un syst me photovolta que Un syst me photovolta que se compose d un champ de modules et d un ensemble de composants qui adapte l lectricit produite par les modules aux sp cification
123. te pluridisciplinaire HAL 2006 14 N Achaibou A Malek N Bacha Mod le de vieillissement des batteries plomb acide dans l installation PV Revue des Energies Renouvelables N sp cial CHEMSS pp 61 66 2000 15 I Tsuda K Kurokawa K Nozaki Annual simulation results of photovoltaic system with redox flow battery solar Energy Materials and solar cells 35 pp 503 508 1994 16 D Th venard and M Ross Validation and Verification of Component Models and System Models for the PV CETC internal report 2003 035 Canada 2003 17 P Derk Electrochemical Energy Storage for Renewable Sourceand Grid Blancing ouvrage ISBN 978 0 444 62616 5 2014 18 D Turcotte M Ross and F Sheriff Photovoltaic hybrid System Sizing and Simulation Tools PV Horizon Canada 2001 19 Z Bachi S El fodil Conception et r alisation d un syst me de r gulation de charge semi statique a sortie fixe pour installation photovolta que m moire d ingenieur d etat USTHSB 1992 20 M Dahbi tude et optimisation d une installation Hybride PV olienne Autonome m moire de magister option physique nerg tique Universit Fran ois Rabelais Tours 2007 21 M Lopez Contribution l optimisation d un syst me de conversion olienne pour une unit de production isol e Th se de doctorat universit PARIS SUD 11 2008 22 C Hennous et K Ait allala Dimensionnement et installation d
124. tovolta que Un module photovolta que est un g n rateur lectrique de courant continu Autrement dit c est un appareil qui cr e de l lectricit lorsqu il est expos la lumi re du soleil Il ne faut pas le confondre avec le panneau solaire thermique dont le r le est de produire de la chaleur pour le chauffage et l eau chaude sanitaire par exemple Ce sont deux technologies compl tement diff rentes utilisant la m me source d nergie Le module est compos d un cadre rigide le plus souvent en aluminium permettant la fixation et d une vitre transparente en verre tremp sur le dessus A l int rieur se trouve un nombre variable de cellules photovolta ques connect es lectriquement s rie et parall le En r alit ce sont elles qui g n rent l lectricit On les regroupe l int rieur du module afin de cumuler leur puissance et de les rendre plus r sistantes l environnement ext rieur La taille du module varie en fonction du nombre de cellules qu il contient De forme rectangulaire et de faible paisseur 5cm ses dimensions sont d environ un m tre de large pour une longueur comprise entre 1 5 et 2m Leur poids est de 15 20 kg On trouve cependant des modules de plus petite taille pour des applications sp cifiques n cessitant de faibles puissances relais de t l communication borne de signalisation 23 IV 2 1 Dimensionnement d un champ PV 27 gt Dimensionnement d un g n rateur photovol
125. trales photovolta ques raccord es au r seau demandent au bureau d ing nieur beaucoup de qualit s n gociateur et de diplomatie Dans les cas de plus en plus fr quents de g n rateurs int gr s la construction s ajoute le dialogue permanent avec les architectes et avec tous les corps de m tiers impliqu s dans cette int gration Il n est pas inutile de souligner que le projet d int gration doit tre engag d s les premiers travaux de l architecte pour assure les meilleurs r sultats 55 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau II 2 l ments d une installation PV A Le module Les principales caract ristiques des modules et des champs photovolta ques ont t pr cis es au chapitre IL En pratique le projet devra d finir le type de modules par ses dimensions ou par le nombre de cellules qu il comporte Les modules mono et poly cristallin les plus courants sont compos s de 36 cellules dispos es en 3 12 ou 4 9 Les dimensions des modules d pendent de celles des cellules de l ordre de 100 100 mm avec une tendance vers des cellules plus grandes pour les polycristallins Avec l augmentation de la dimension des centrales photovolta ques les constructeurs proposent maintenant des modules compos s de plus de cellules souvent 72 cellules soit l quivalant d un module double Les grands modules pour l int gration qui sont en quelque sorte des l ments
126. tre une tude descriptive g n rale des syst mes photovolta ques est pr sent e Cette tude comprend la conception des syst mes photovolta ques leurs types leurs probl mes produits leurs compositions et les crit res de choix d un syst me photovolta que II Les centrales solaires Les centrales solaires utilisent le rayonnement solaire pour produire de l lectricit Une centrale solaire photovolta que est compos e de plusieurs champs de panneaux solaires comportant un grand nombre de cellules photovolta ques convertissant directement l nergie lumineuse en lectricit L inconv nient des centrales solaires est qu elles ne peuvent pas produire d lectricit la nuit Pour palier ce probl me on a deux solutions e soit on stocke durant le jour une partie de la chaleur apport e par le fluide non vaporisable dans un accumulateur cette chaleur sera lib r e durant la nuit et exploit e pour produire de l lectricit e soit on utilise des carburants fossiles comme le gaz par exemple pour chauffer le liquide non vaporisable Pour cela on installe dans la centrale une chaudi re gaz qui prend le relais des miroirs la nuit et qui s arr te au matin HI Les composants d une centrale photovolta que L ensemble de cellules photovolta ques reli es entre elles constitue le module photovolta que Plusieurs modules sont group s pour former un syst me ou une centrale photovolta que qui comprend d au
127. tres composants comme le r gulateur l onduleur et la batterie pour un site isol autonome Afin de bien comprendre le fonctionnement d un syst me photovolta que il est utile d en analyser les principaux composants Figure II 1 Les informations pr sent es ne se veulent pas exhaustives mais doivent permettre de comprendre le r le et l utilit de chacun des composants ainsi que de leur emplacement respectif 20 Chapitre II tat de l art sur les centrales photovolta ques DE Eee Armoire lectrique Tableau de Onduleu CTI Ress I Eclairage lectrom nager CaTTErIe accumulateurs fanicha Modules P Figure II 1 Sch ma g n ral d une installation photovolta que III 1 Les panneaux solaires capteurs Le champ solaire se compose de modules photovolta ques interconnect s en s rie et ou en parall le afin de produire la puissance requise Figure II 2 Ces modules sont mont s sur une armature m tallique qui permet de supporter le champ solaire avec un angle d inclinaison sp cifique Pa ie A A Figure II 2 Panneau solaire 13 Pour chaque champ on peut avoir autant de sorties que de modules ce que fait qu on aura besoin de boite de d rivation qui regroupe le tous comme l illustre la figure II 3 Alors cette boite de d rivation fix e sur une structure du montage a comme r le d effectuer les connections entre les modules pour obtenir une pui
128. u MPP Energie AC avec limitation de puissance Onduleur Pnom CE sface cup mas specifice Energie kWh u ssance du champ nan Histogramme Irad en heures C Irad enkwh m Energie A amp C en kwh Figure IIL 13 Conditions de dimensionnement champ onduleur dans PVSYST Apr s un bon dimensionnement du syst me on peut d finir diff rentes pertes comme les ombrages lointains et proches en utilisant un diteur 3D complet pour la d finition de l environnement et des conditions d ombrages proches Des outils sp cialis s sont galement fournis pour l valuation des pertes de c blage et de pertes telles que la qualit des modules l inad quation entre les modules les salissures les comportements thermiques selon le mode de montage la non disponibilit du syst me etc D Simulation et rapport La simulation calcule la distribution des nergies tout au long de l ann e Un rapport complet avec tous les param tres impliqu s et les r sultats principaux est con u pour tre directement transmis l utilisateur 64 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau E Principaux r sultats 1 La production d nergie totale MWh an est essentielle pour valuer la rentabilit du syst me PV 2 L indice de performance PR d crit la qualit du syst me lui m me 3 L nergie sp cifique kWh kWp est un indicateur de la productivit du syst me selo
129. u soleil Figure II 5 On parle souvent d incidence normale lorsque 0 c est dire les rayons sont perpendiculaires aux capteurs L angle d incidence s crit en fonction de la position du soleil HS AZ 31 cosa cos f sin HS sin B cos HS cos AZ y s e II 5 Plan des capteurs Figure IILS d finition des angles pour un plan inclin inclinaison azimut etl angle d incidence 31 49 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau Une surface inclin e par rapport l horizontale avec l angle B re oit une puissance nerg tique r partie entre le direct le diffus et le r fl chi 39 A Rayonnement direct Soit un lieu de latitude L le flux est d fini par 38 Se cos L 6 cos cos w sin L R sin Rp 2 EE a e a II 6 SH cos L cos w sin L sin 6 Ro rapport de flux direct Ss flux direct pour un plan horizontal SE flux direct horizontal W d clinaison soleil angle horaire du soleil Alors le flux direct pour le plan inclin B Sp Rpt SH II 7 B Rayonnement diffus Le flux une inclinaison B et l attitude L capt e par une surface orient e face au Sud Est est donn par le mod le suivant 38 COS l Hest 1 Ri E II 8 2 sinh il Fi 1 Kpi 1 I 9 GH D Dy Fi Kr i Ne ler IIL 10 Avec Kr 1 coefficient de s r nit 1 angle d incidence du rayon direct par rapport au rayon inclin
130. uit de Np cellules en parall le Vcon la tension du circuit ouvert de Np cellules en parall le VI 4 3 Regroupement des cellules s rie et parall le La caract ristique Ipv Vp d un g n rateur solaire peut tre consid r e comme le fruit d une association d un r seau de NS Np cellules en s rie parall le La caract ristique globale peut en outre varier en fonction de l clairement temp rature du vieillissement des cellules et les effets d ombrage ou d inhomog n it de l clairement De plus il suffit d une occultation ou d une d gradation d une des cellules mises en s rie pour provoquer une forte diminution du courant produit par le module photovolta que Lorsque le courant d bit est sup rieur au courant produit par la cellule faiblement clair e la tension de celle ci devient n gative et devient un l ment r cepteur Celle ci se trouve dissiper une quantit trop importante de puissance lectrique qui pourrait aboutir sa destruction si le d faut persiste trop longtemps C est le ph nom ne du point chaud Pour rem dier ce ph nom ne on quipe donc les panneaux photovolta ques des diodes by pass qui ont pour r le de prot ger les cellules qui deviennent passives figure L 15 a Des mesures r alis es sur un module photovolta que commercial de 85Wc sur lequel on occulte volontairement diff rents niveaux d ombrage une des 36 cellules qui composent se g n rateur sont cons
131. une diminution de la demande sur les centrales hydro lectrique et donc par une r serve d eau qui pourra tre mise profit pendant la nuit ou lors des p riodes de faibles insolations La mise en service de centrale photovolta que dans un r seau de distribution lectrique largit le r le de la distribution En plus de sa fonction traditionnelle de r partiteur de l nergie produite par les gros producteurs le distributeur assure maintenant le r le de 54 Chapitre III Dimensionnement d une centrale PV raccord e au r seau compensateur entre les exc dents et les insuffisances de la production d lectricit d origine solaire Figure II 8 Consommation Energie prise au r seau nergie solaire produite 4 3 5 T Puissance kW Production solaire 3 T Cuisson 2 9 2 Lessive i _ Cuisson Figure IILS change d nergie lectrique 31 Il s ensuit que le flux du courant lectrique dans les lignes de distribution n est plus unidirectionnel et que le rapport commercial entre le distributeur et l usager n est plus uniquement celui de fournisseur client Il est absolument n cessaire de s assurer que les conditions de reprise du courant solaire souvent tr s favorables un moment donn soient garanties au moins pendant la dur e d amortissement de l installation ce qui n est malheureusement pas toujours le cas L tude l engineering et la r alisation de cen
132. ureaux entreprises centres commerciaux Elle est par ailleurs particuli rement souple d emploi VI Les crit res de choix d une centrale photovolta que Trois crit res peuvent tre pris en compte dans le classement en fonction de la structure du syst me gt Le premier crit re est la pr sence ou non d une source d nergie classique Cette source conventionnelle peut tre un g n rateur diesel une micro turbine gaz et dans le cas d une tude du r seau lectrique complet une centrale toute enti re gt Un second crit re possible est la pr sence ou non d un dispositif de stockage La pr sence d un stockage permet d assurer une meilleure satisfaction des charges lectriques pendant les p riodes d absence d une ressource primaire convertir en lectricit Les dispositifs de stockage peuvent tre des batteries rechargeables des lectrolyseurs avec r servoirs d hydrog ne des volants d inertie etc gt La derni re classification possible est celle relative au type de sources d nergie renouvelables utilis es La structure du syst me peut contenir un syst me photovolta que une olienne un convertisseur d nergie hydraulique centrales hydro lectrique ou utilisation des vagues ou une combinaison de ces sources Un crit re important pour la s lection de la source utilis e est le potentiel nerg tique disponible qui d pend de l endroit d installation du syst me hybride gt Un autr

Contribution à l`étude de conception d`une centrale photovoltaïque

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