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Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : phili

Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 1 Master Energétique et Environnement : Travaux Pratiques TP Energie Solaire UPMC Université Pierre et Marie Curie Master Science de l’Ingénieur Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 2 Table des matières A. Introduction ......................................................................................................................... 4 1. Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire. ........................................................ 4 2. Eléments du rayonnement solaire .................................................................................. 5 a) Spectre du rayonnement solaire. Constante solaire et « valeur du Soleil » ............... 6 b) Variation diurne et annuelle ........................................................................................ 8 c) Irradiance disponible sur la surface de la terre ........................................................... 8 d) Angle permettant de projeter le flux incident sur la surface du capteur .................... 9 B. Principe des capteurs solaires ........................................................................................... 12 1. Principe de fonctionnement .......................................................................................... 12 a) Composition d’une cellule PV .................................................................................... 13 b) Récupération des électrons trous ............................................................................. 13 c) Technologies de cellules solaires ............................................................................... 14 d) Caractéristique U/I de la cellule solaire ..................................................................... 16 e) Montage électrique équivalent. Modélisation électrique d’une cellule photovoltaïque. ............................................................................................................................. 18 2. Fonctionnement aux conditions optimales. Concept du contrôleur MPPT .................. 20 a) Concept du contrôleur .............................................................................................. 20 b) Connexion directe sans MPPT ................................................................................... 21 c) Connexion avec adaptation MPPT ............................................................................ 22 3. Architecture d’un générateur photovoltaique .............................................................. 23 a) Association en série ................................................................................................... 23 b) Association en parallèle ............................................................................................. 23 c) Aménagement du montage final. Ombrage et effet de Hot Spot ............................. 24 4. Rendements associés à la chaîne de conversion ........................................................... 25 d) Définition des besoins électriques ............................................................................ 26 e) Exemple de choix d’équipements ............................................................................. 26 5. Elément d'une installation solaire: ................................................................................ 28 a) Accumulateurs ........................................................................................................... 28 b) Régulateur de charge ................................................................................................ 28 c) Onduleur .................................................................................................................... 29 C. TP : Dimensionnement d'une installation ......................................................................... 30 1. Pré étude et choix des éléments ................................................................................... 30 a) Etude des caractéristiques des panneaux ................................................................. 30 b) Etude du rayonnement solaire .................................................................................. 33 Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 3 c) Etude de différents aménagement de capteurs PV .................................................. 35 d) Phénomène d’ombrage. Comportement des modules PV en fonction de leurs connexions 37 2. Exemple d'application ................................................................................................... 39 a) Calcul de l'énergie nécessaire pour satisfaire aux besoins d'une famille ................. 39 b) Calcul du nombre de module et de la surface de pose ............................................. 39 c) Correction en tenant compte des différentes pertes (électriques, ombrage, salissures) 41 d) Limite de tension ....................................................................................................... 42 e) Régulateur de charge ................................................................................................ 42 f) Montage Onduleur .................................................................................................... 43 g) Calcul de la capacité batterie .................................................................................... 44 Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 4 TP Energie solaire A. Introduction 1. Contexte. Energie renouvelable et énergie solaire. Les sources d’énergie conventionnelles telles que le nucléaire ou les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont issues de stocks limités de matières extraites du sous-sol de la terre. Chacune d’elles provoquent dans leurs utilisations des conséquences à long terme plus ou moins importantes sur l’environnement et qui tendent à être mieux maitrisées: pollution atmosphérique, changement climatique, contamination radioactive.... A l’opposé, les sources d’énergie renouvelables ont recours à des flux naturels qui traversent de façon plus ou moins permanente la Biosphère. Dans le cas d’une utilisation d’une infime partie de ces flux, alors ces énergies resteront inoffensives pour l’environnement naturel aussi bien localement que globalement. Toutes les énergies renouvelables sont issues directement ou indirectement du soleil. Son rayonnement direct peut être utilisé de deux manières : • sa chaleur peut être concentrée pour chauffer de l’eau sanitaire, des immeubles, des séchoirs, ou bien un liquide en circulation afin de produire de l’électricité par l’intermédiaire d’un alternateur ou d’une dynamo. C’est le solaire thermique. • sa lumière peut être transformée directement en courant électrique grâce à l’effet photovoltaïque Figure 1 : Bertrand Piccard prépare un tour du monde à bord d’un avion futuriste alimenté seulement par de l’énergie solaire, avec un défi technique : emmagasiner suffisamment d’énergie de jour pour voler de nuit. L’énergie solaire qui touche la terre représente en tout environ 1 540 1015 kWh/an (1 540 péta kWh/an). C’est 15 000 fois plus que la consommation d’électricité mondiale. Il faut évidement prendre en compte l’ensoillement local, enlever les surfaces des mers ainsi qu’intégrer les performences des systèmes de conversion de l’énergie solaire par panneau photo voltaique (PV). Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 5 Figure 2 : Besoin énergétique et énergie disponibles issues de différentes ressources. Source Eco Solar Equipment Ltd L’étude qui vous est proposée a pour objectif de mettre en évidence les performances de l’ensemble des éléments constituants une chaine de production d’électricité basée sur des capteurs photovoltaïques puis de les monter pour simuler une installation complète (exemple celle d’une maison de vacances qui comporte différents besoins électriques). Figure 3 : Schéma de principe d’un système PV 2. Eléments du rayonnement solaire Il faut noter que la cellule photovoltaïque (PV), n’est pas une pile, mais un convertisseur instantané d’énergie, qui ne pourra fournir une énergie sous forme électrique que si elle reçoit une énergie sous forme de rayonnement. La cellule solaire ne peut être assimilée à aucun autre générateur classique d'énergie électrique de type continu. Ceci est dû au fait qu'elle n'est ni une source de tension constante ni une source de courant constant. Actuellement, le rendement de conversion d'énergie solaire en énergie électrique est encore faible (souvent inférieur à 12 %) mais de très nombreuses recherches rendent prometteuses les évolutions du rendement. Sous un ensoleillement nominal de 1000 W/m2, il faut environ 9 m2 de panneaux PV pour fournir 1 kWc, ce qui induit un coût élevé du watt crête. Ce rendement faible ainsi que le coût élevé de la source photovoltaïque ont incité les utilisateurs à exploiter le maximum de puissance électrique disponible au niveau du générateur PV. Ce maximum est généralement obtenu en assurant une bonne adaptation entre le générateur PV et le récepteur associé. Cette adaptation est effectuée à l'aide de convertisseurs statiques basés sur différents modes de fonctionnement. Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 6 a) Spectre du rayonnement solaire. Constante solaire et « valeur du Soleil » La production d'électricité photovoltaïque dépend de l'ensoleillement du lieu et de la température, donc de sa localisation géographique, de la saison et de l'heure de la journée La température à la surface du soleil avoisine les 5800 K. Le spectre du rayonnement solaire s’avère donc similaire à celui d’un corps noir de 5800 K. On appelle constante solaire l’éclairement énergétique du Soleil sur l’atmosphère extérieure lorsque le Soleil et la Terre se trouvent distants d’une UA – une UA (unité astronomique) est la distance séparant la Terre du soleil, soit 149 597 890 km. Les valeurs actuellement admises sont proches de 1360 W/m-2. La constante solaire désigne l’éclairement intégré total sur la totalité du spectre (Figure 4). Figure 4: Spectre de rayonnement à l’extérieur de l’atmosphère terrestre comparé au spectre d’un corps noir à 5800 K (newport). L’éclairement qui traverse l’atmosphère terrestre varie chaque année d’environ 6,6 % en raison de la variation de distance entre la Terre et le Soleil. Les variations de l’activité solaire provoquent des modifications de l’éclairement pouvant aller jusqu’à 1 %. Le spectre du rayonnement solaire à la surface de la Terre est constitué de différents éléments. Le rayonnement direct provient directement du soleil, tandis que le rayonnement diffus est diffusé par le ciel et le milieu extérieur. Un autre rayonnement encore est réfléchi par le milieu extérieur (la terre ou la mer) en fonction de l’albédo local (albédo = rapport de l'énergie solaire réfléchie par unité de surface sur l'énergie solaire incidente). Le rayonnement terrestre total est appelé rayonnement global. Il convient en ce qui concerne l’éclairement global de définir la direction de la surface cible. Master Energétique et Environnement : TP Energie Solaire UPMC | Contact : philippe.guibert@upmc.fr Exemplaire provisoire Page | 7 Figure 5: Rayonnement global total au niveau du sol et ses composantes directes, diffuses et réflectives. L’intégralité du rayonnement qui atteint le sol traverse l’atmosphère, ce qui modifie le spectre en raison des phénomènes d’absorption et de diffusion. L’oxygène et l’azote atomiques et moléculaires absorbent le rayonnement de très courte longueur d’onde, faisant effectivement obstacle au rayonnement aux longueurs d’onde de <190 nm. L’absorption par l’oxygène moléculaire contenu dans l’atmosphère du rayonnement ultraviolet de courte longueur d’ondes entraîne un phénomène de photodissociation (de l’oxygène) qui engendre à son tour une production d’ozone. L’ozone absorbe fortement les ultraviolets de longueurs d’ondes plus élevées entre 200 et 300 nm (bande de Hartley), mais absorbe peu le rayonnement visible. La vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et, dans une moindre mesure, l’oxygène, absorbent de manière sélective dans l’infrarouge proche. La diffusion (de particules) de Rayleigh dépendante de la longueur d’onde et la diffusion par les aérosols et autres particules en suspension dans l’air, uploads/s3/ tp-solaire-pv-upmc.pdf