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Travaux Pratiques de caractérisation de panneaux photovoltaïques Bertrand Gélis

Travaux Pratiques de caractérisation de panneaux photovoltaïques Bertrand Gélis1, Vincent Creuze1, Christian Glaize2, Franck Lecat2 bertrand.gelis@univ-montp2.fr, vincent.creuze@lirmm.fr, glaize@univ-montp2.fr, lecat@iut-nimes.fr 1IUT de Montpellier, Département GEII, 99 avenue d’Occitanie, 34296 Montpellier. 2IUT de Nîmes, Département GEII, 8 rue Jules Raimu, 30907 Nîmes Cedex 2. RÉSUMÉ : Dans cet article, nous présentons une séance de travaux pratiques de caractérisation d’un panneau photo- voltaïque réalisée en deuxième année d’IUT GEII (Génie Électrique et Informatique Industrielle) et en Licences Profes- sionnelles Gestion et Utilisation des Énergies Renouvelables (GUER), Maîtriser et Intégrer les Énergies (MIE) et Char- gé d’Affaire en Ingénierie Électrique et Électronique (CAIEE). Nous décrivons également les deux maquettes réalisées par les départements GEII des IUT de Nîmes et de Montpellier. Ces maquettes de conception économiques permettent aux étudiants non seulement de tracer les caractéristiques courant-tension et puissance-tension d’un panneau, mais aussi d’étudier l’influence de l’éclairement et de la température sur la production énergétique. Le bilan auprès des étudiants est très positif, tant au niveau de la simplicité d’utilisation que de l’illustration concrète du cours. Mots clés : panneaux photovoltaïques, caractérisation, travaux pratiques. 1 INTRODUCTION Depuis plus d’une décennie, la formation aux énergies renouvelables s’est considérablement développée (Ly- cées, STS, IUT, Licences Pro, Master, écoles d’ingénieurs). Parmi les thèmes étudiés, la production d’électricité par panneaux photovoltaïques tient une place importante à la fois par sa relative simplicité de mise en œuvre et par son fort impact sociétal [1][2][3] [4]. 2 MAQUETTES Avant que ne soient commercialisées des maquettes (voir annexe), l’IUT de Nîmes avait déjà créé plusieurs dispositifs pour illustrer l’enseignement en photovol- taïque dont le « Soleil Artificiel » décrit ci-après. L’IUT de Montpellier a préféré pouvoir fournir une maquette à chaque binôme d’étudiants. Dans un souci d’économie, il a choisi des modules de petites tailles. 2.1 La maquette de l’IUT de Nîmes La maquette de Nîmes (fig. 1) utilise un panneau de 65 Wcrête (BP 365J de BP-Solar). Elle est utilisée en TP tournant en relation avec d’autres TP photovoltaïques (injection sur le réseau, mesures à la caméra thermique des températures des cellules, régulateur de charge de batterie,… Pour ne pas gaspiller le flux lumineux et ne pas faire trop chauffer les cellules photovoltaïques, nous avons choisi d’utiliser des lampes dichroïques. Afin d’avoir un éclairement identique sur chaque cellule, il a été choisi d’utiliser autant de lampes dichroïques que de cellules photovoltaïques soit 36. Ces lampes ont pour caractéristiques 12 V 50 W et d’une ouverture de 24° (OSRAM 41870 FL). Leur spectre d’émission est don- né en Annexe 2. Elles sont branchées en série en deux chaînes en parallèle. En réalité, on a utilisé 20 lampes par chaînes (20*12 = 240 V, tension du réseau) pour ne pas suralimenter les lampes et faire griller prématuré- ment la plus faible. Fig. 1 : Vue générale de la maquette de l’IUT de Nîmes Les deux chaînes de lampes sont alimentées par un unique gradateur pour simuler la variation de lumière sur une journée. Le gradateur est commandé en 0-10 V par une carte électronique utilisant un PIC 18F4331 conçue par les étudiants en projet industriel de Licence Professionnelle (fig. 2). Un interrupteur à 12 positions simule les ensoleillements pour les 12 mois de l’année. La gradation est possible de 0 à 100% mais au prix d’une modification du spectre lumineux en fonction du niveau de lumière désiré. Fig. 2 : Le gradateur et sa commande lirmm-00830880, version 1 - 5 Jun 2013 Manuscrit auteur, publié dans "CETSIS 2013 : 10ème Colloque sur l'enseignement des Technologies et des Sciences de l'Information et des Systèmes, France (2013)" Utilisant un panneau photovoltaïque de puissance no- table, la maquette est nécessairement volumineuse. Le chariot « lampes » mesure 75cm de large, 1m63 de haut et à une profondeur de 1m. Sa masse s’établit à 30 kg environ. Le chariot « module photovoltaïque et charges » mesure 64cm de large, 1m45 de haut et à une profondeur de 1m. Sa masse s’établit à 20 kg environ. 2.2 La maquette de l’IUT de Montpellier La maquette est composée d’un panneau photovoltaï- que au silicium polycristallin dont les caractéristiques sont détaillées dans le tableau suivant. Puissance 5 Wc Tension à Pmax 17 V Courant à Pmax 300 mA Tension en circuit ouvert 21,6 V Courant de court circuit 330 mA Longueur x Largeur x Profondeur 194x385x28 mm Dimension utile de Silicium 36500 mm² Tab. 1 : Tableau des caractéristiques du module RALOSS 5W Fig. 3 : La maquette de l’IUT de Montpellier, en position ouverte pour la photo. En face du panneau sont disposées 12 lampes fluo compactes de modèle GENERAL ELECTRIC FLE20TBXT3/840. Il s’agit de lampes de 20 W avec un IRC de 82, une température de couleur de 4000 K et un flux lumineux de 1152 lm. Leur spectre d’émission est donné en Annexe 2. La maquette étant prévue pour servir de charge triphasée polluante dans d’autres TP, elle est câblée sur trois phases (fig. 5). Pour nos essais, il suffit de relier les 3 neutres ensemble et les trois phases ensemble. On pourra ensuite alimenter entre phase et neutre en 230 V avec le secteur. Fig. 4 : Vue arrière avec les raccordements, les interrupteurs et l’afficheur de température Ph1 Ph2 Ph3 N3 N1 N2 Fig. 5 : Branchement des lampes de la maquette. Les interrupteurs sur deux des trois phases permettent de changer l’éclairement. Dans une certaine mesure, il est également possible d’utiliser la gradation en ali- mentant les lampes via un alternostat. Les lampes n’étant pas « officiellement graduable », nous avons procédé en les allumant sous tension nominale puis en diminuant la tension jusqu’à 150 V soit un taux de gradation en tension de 35%. Enfin, derrière le panneau photovoltaïque, une sonde de température (Type CT) est fixée et un afficheur numérique permet de visualiser la température de fonc- tionnement. L’ensemble de la maquette (figures 3 et 4) mesure 36 x 40 x 30 cm et pèse 5,2 kg. Le coût total des compo- sants s’élève à 200 € environ (module photovoltaïque 50 €, lampes et douilles 80 €, bois et découpe 20 €, sonde de température et afficheur 30 €, tôle inox 10 €, bornes et câbles 10 €). Le temps de montage et de câ- blage représente environ 6 h par maquette. 2.3 Comparaison des maquettes Le tableau 2 reprend les données précédentes en vue d’une comparaison entre les 2 maquettes. lirmm-00830880, version 1 - 5 Jun 2013 Il apparaît que la maquette de Nîmes est plus appro- priée à alimenter des charges réelles que celle de Montpellier. En revanche, cette dernière est très simple de réalisation et son coût permet une fabrication pour plusieurs binômes. La comparaison des lampes reste délicate. Aucune ne donne entière satisfaction sur la puissance en sortie du panneau. Maquette de Nîmes Maquette de Montpellier Puissance nominale des panneaux 65Wc 5Wc Puissance extraite grâce au soleil artificiel. Rapport à la puissance nominale des panneaux 39 W (60%) à froid 33 W (51%) à chaud 2,5 W (50%) à froid 1,6 W (32%) à chaud Puissance électrique consommée par les lampes 2000W 240W Caractéristiques photométriques de la source (d’après documentations constructeur) 3600 cd, 2950 K(1) , IRC : 100 57 lm/W, 4000 K IRC : 82 Variation de l’éclairement 0 100% par gradateur commandé en 0-10V par carte PIC 65-100% par alternostat. Possibilité de gradins grâce aux interrupteurs Utilisation de l’énergie produite Effective et aisée (voir maquette de charges) Difficile car peu de puissance en sortie du panneau. Échauffement Dépasse 70°C Limité à env. 65°C Coût et simplicité Maquette en TP tournant assez volumineuse Maquette simple, réalisée en 6 exemplaires rapidement. Tient sur une table de TP Robustesse Aucune lampe changée en 5 ans Lampes fragiles à cause de la gradation (3 lampes changées en 1 an) Tab. 2 : Tableau de comparaison des 2 maquettes 3 EXEMPLE DE SEANCE DE TRAVAUX PRA- TIQUES Dans cette partie, nous décrivons une séance de Tra- vaux Pratiques de 3 h. Elle a pour but la caractérisation d’un panneau photovoltaïque. Des courbes relevées par les étudiants lors de séances de Travaux Pratiques sont 1 Une température de couleur basse est intéressante puisque le silicium est plus sensible aux radiations rouges que bleues. Les spectres d’émission des lampes sont donnés en Annexe 2. également présentées. Enfin, nous concluons par la description de la façon dont les étudiants ont perçu cet enseignement et cette maquette. 3.1 Caractéristiques du panneau La première partie de la séance consiste à faire criti- quer la maquette aux étudiants. Après une présentation par l’enseignant, nous les interpellons sur les condi- tions standard de caractérisation (STC : Standard Test Conditions) des documentations constructeurs. La maquette ne permet pas d’obtenir les 1000W/m² néces- saires. De plus le spectre lumineux n’est pas normalisé et enfin la température n’est pas contrôlée. La conclu- sion est rapidement tirée : si cette maquette ne permet pas une caractérisation normative, elle permet néan- moins de mettre en évidence des caractéristiques élec- triques ainsi que des tendances d’évolution de gran- deurs en fonction des paramètres externes. uploads/Industriel/ cetsis-2013-gelis-creuze-glaize-lecat-pdf.pdf