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Systèmes PV_Polytech_Alain Ricaud_Oct-11.doc Systèmes photovoltaïques Polytech'

Systèmes PV_Polytech_Alain Ricaud_Oct-11.doc Systèmes photovoltaïques Polytech' Savoie 5eme année Alain Ricaud, Oct 2011 Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 3/ 155 SOMMAIRE LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES ........................................................................ 10 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES AVEC STOCKAGE ELECTRO-CHIMIQUE ......... 12 1 Principe de fonctionnement ........................................................................................................................ 12 1.1 Schéma de principe. .................................................................................................................................. 12 1.2 Modes de fonctionnement. ......................................................................................................................... 12 1.2.1 Premier mode : déconnexion de la charge ........................................................................................ 12 1.2.2 Deuxième mode de fonctionnement : excédent de courant ................................................................. 13 1.2.3 Troisième mode de fonctionnement : courant nul .............................................................................. 13 1.2.4 Quatrième mode de fonctionnement : déficit de courant .................................................................... 13 1.2.5 Cinquième mode de fonctionnement : nuit......................................................................................... 14 1.3 Caractéristiques de fonctionnement............................................................................................................ 14 1.4 Intérêt de la diode anti-retour. .................................................................................................................... 16 2 Les panneaux ............................................................................................................................................... 16 2.1 Le châssis. ................................................................................................................................................ 17 2.2 Le câblage. ................................................................................................................................................ 17 2.3 Règles d'installations des champs de panneaux .......................................................................................... 18 3 Les accumulateurs électro-chimiques ......................................................................................................... 19 3.1 Généralités ................................................................................................................................................ 19 3.1.1 Définitions et paramètres utiles......................................................................................................... 19 3.1.1.1 Rendement d'utilisation ........................................................................................................... 20 3.1.1.2 Résistance interne ................................................................................................................... 20 3.1.1.3 Capacité .................................................................................................................................. 20 3.1.1.4 Capacité massique ................................................................................................................... 21 3.1.1.5 Auto-décharge ........................................................................................................................ 21 3.1.1.6 Charge d’égalisation ............................................................................................................... 21 3.1.1.7 Profondeur de décharge ........................................................................................................... 21 3.1.1.8 Tenue en cycles....................................................................................................................... 21 3.1.1.9 Durée de vie............................................................................................................................ 21 3.1.1.10 Autonomie .............................................................................................................................. 22 3.2 Les accumulateurs au Plomb acide............................................................................................................. 22 3.2.1 Description. ..................................................................................................................................... 22 3.2.2 Principe de fonctionnement .............................................................................................................. 23 3.2.2.1 Contraintes liées aux surcharges et aux décharges profondes .................................................... 23 3.2.3 Caractéristiques ................................................................................................................................ 23 3.2.3.1 Tension ................................................................................................................................... 23 3.2.3.2 Rendement. ............................................................................................................................. 24 3.2.3.3 Autodécharge. ......................................................................................................................... 24 3.2.3.4 Durée de vie. ........................................................................................................................... 24 3.3 Les accumulateurs Cadmium - Nickel ........................................................................................................ 24 3.3.1 Description. ..................................................................................................................................... 24 3.3.2 Caractéristiques ................................................................................................................................ 25 3.3.3 Applications ..................................................................................................................................... 25 3.4 Autres couples électro-chimiques ............................................................................................................. 25 3.4.1 Nickel-Zinc ...................................................................................................................................... 25 3.4.2 Nickel-Fer ........................................................................................................................................ 26 Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 4/ 155 3.4.3 Nickel-NaCl ..................................................................................................................................... 26 3.4.4 Lithium-ion ...................................................................................................................................... 26 3.4.5 En résumé ........................................................................................................................................ 26 3.5 Utilisation des accumulateurs dans les systèmes solaires. ........................................................................... 26 3.5.1 Stockage - tampon ............................................................................................................................ 26 3.5.2 Durée de stockage ............................................................................................................................ 26 3.5.3 Conditions d’exploitation des accumulateurs. ................................................................................... 27 3.5.4 Caractéristiques souhaitées ............................................................................................................... 27 3.5.5 Conditions de charge. ....................................................................................................................... 27 3.6 Véhicules électriques: un moyen de stockage solaire mobile ? .................................................................... 27 4 Régulation électronique de la charge .......................................................................................................... 30 4.1 Généralités ................................................................................................................................................ 30 4.2 Autorégulation .......................................................................................................................................... 30 4.3 Régulation parallèle (ou shunt) .................................................................................................................. 31 4.3.1 Principe. .......................................................................................................................................... 31 4.3.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 31 4.3.2.1 Absence de régulation ............................................................................................................. 31 4.3.2.2 Régulation .............................................................................................................................. 32 4.3.3 Avantages. ....................................................................................................................................... 32 4.3.4 Inconvénients. .................................................................................................................................. 32 4.4 Régulation série électronique. .................................................................................................................... 34 4.4.1 Principe ........................................................................................................................................... 34 4.4.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 34 4.4.2.1 Absence de régulation. ............................................................................................................ 34 4.4.2.2 Régulation. ............................................................................................................................. 34 4.4.3 Avantages. ....................................................................................................................................... 35 4.4.4 Inconvénients. .................................................................................................................................. 35 4.5 Régulation série électromécanique. ............................................................................................................ 35 4.5.1 Principe. .......................................................................................................................................... 35 4.5.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 36 4.5.2.1 Absence de régulation. ............................................................................................................ 36 4.5.2.2 Régulation. ............................................................................................................................. 37 4.5.3 Avantages. ....................................................................................................................................... 37 4.5.4 Inconvénients ................................................................................................................................... 37 4.6 Disjonction automatique de la charge......................................................................................................... 38 4.6.1 Principe. .......................................................................................................................................... 38 4.6.2 Etude du fonctionnement. ................................................................................................................. 38 5 Dimensionnement ........................................................................................................................................ 40 5.1 Données d’ensoleillement. ......................................................................................................................... 40 5.2 Principe de calcul. ..................................................................................................................................... 40 5.2.1 Coefficient correctif (K). .................................................................................................................. 41 5.2.2 Calcul de la puissance module requise. ............................................................................................. 41 5.2.3 Calcul de la capacité de batterie requise. ........................................................................................... 42 5.2.4 Calcul économique. .......................................................................................................................... 42 5.3 Exemple .................................................................................................................................................... 43 5.3.1 Données de consommation ............................................................................................................... 43 5.3.2 Données de production ..................................................................................................................... 43 5.3.3 Dimensionnement modules .............................................................................................................. 43 5.3.4 Détermination de la capacité batterie. ............................................................................................... 44 5.3.4.1 Calcul de la capacité minimale. ............................................................................................... 44 5.3.4.2 Calcul de la capacité nominale ................................................................................................ 44 5.3.5 Premier calcul économique............................................................................................................... 45 5.3.6 Optimisation technico-économique ................................................................................................... 45 5.3.7 Deuxième calcul de coût de l'investissement ..................................................................................... 47 5.3.8 Choix des options techniques............................................................................................................ 47 5.3.9 En résumé ........................................................................................................................................ 48 5.4 Courant alternatif ou courant continu ? ...................................................................................................... 49 5.4.1 Comparaison de prix pour l’utilisateur .............................................................................................. 50 Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 5/ 155 LE COUPLAGE DIRECT ................................................................................................ 52 1 Charge résistive ........................................................................................................................................... 52 2 Charge adaptée ............................................................................................................................................ 53 2.1.1 L'Electrolyseur ................................................................................................................................. 53 2.1.2 Les moteurs à courant continu .......................................................................................................... 54 2.1.3 Pompage solaire ............................................................................................................................... 56 2.1.3.1 Des pompes solaires africaines... ............................................................................................. 56 2.1.3.2 ...aux barrages hydroélectriques. .............................................................................................. 56 3 Adaptation de la charge ............................................................................................................................... 57 3.1.1 Principe ........................................................................................................................................... 57 3.1.2 Différents types d’adaptateurs .......................................................................................................... 57 3.1.3 Caractéristiques de fonctionnement .................................................................................................. 57 3.1.4 Conditions à remplir par l’adaptateur ................................................................................................ 59 CENTRALES PHOTOVOLTAÏQUES .............................................................................. 60 1 Analyse typologique ..................................................................................................................................... 60 1.1 Les centrales au sol ................................................................................................................................... 60 1.2 Les centrales rapportées sur des bâtiments ................................................................................................. 60 1.3 Les centrales intégrées aux bâtiments......................................................................................................... 60 1.3.1 Critères d’intégration........................................................................................................................ 60 1.3.2 Analyse économique de l'intégration................................................................................................. 61 1.3.2.1 Eléments de structure .............................................................................................................. 61 1.3.2.2 Effet de substitution ................................................................................................................ 62 1.3.2.3 Synergie de fonctions .............................................................................................................. 62 1.3.3 Potentiel des surfaces de toitures disponibles .................................................................................... 62 2 Centrales au sol ............................................................................................................................................ 63 2.1 Modules recommandés pour centrales au sol ............................................................................................. 63 2.1.1 Faible coût ....................................................................................................................................... 63 2.1.2 Haut rendement ................................................................................................................................ 64 2.1.3 Volumes, performances, prix de vente et coût du kWh ...................................................................... 64 2.2 Structures .................................................................................................................................................. 66 2.3 Câblage ..................................................................................................................................................... 66 2.4 Facteurs clés de succès des centrales au sol ................................................................................................ 66 2.4.1 La région ......................................................................................................................................... 66 2.4.2 Le foncier ........................................................................................................................................ 66 2.4.3 L’usage ............................................................................................................................................ 68 2.5 Choix de la technologie : fixe ou « tracker » .............................................................................................. 68 2.5.1 Suivi équatorial ................................................................................................................................ 68 2.5.2 Suivi azimutal .................................................................................................................................. 68 2.5.3 Suivi deux axes ................................................................................................................................ 68 2.5.4 Autres types de suivi ........................................................................................................................ 68 2.5.5 Fabricants de systèmes de suivi ........................................................................................................ 69 2.5.6 Gain apporté par un système de suivi ................................................................................................ 70 2.5.7 Inconvénients ................................................................................................................................... 72 2.5.7.1 Occupation au sol.................................................................................................................... 72 2.5.7.2 Le vent ................................................................................................................................... 73 2.6 Approvisionnement /Logistique ................................................................................................................. 74 2.7 Matériel .................................................................................................................................................... 74 2.7.1 Onduleur /Poste de livraison /Raccordement au réseau ...................................................................... 74 2.7.1.1 Précautions à prendre .............................................................................................................. 74 2.7.1.2 Respect des normes (exemple de la France) ............................................................................. 74 2.7.2 Modules photovoltaïques .................................................................................................................. 75 2.7.3 Câblage courant continu (des modules aux onduleurs) ...................................................................... 75 2.7.4 Onduleurs ........................................................................................................................................ 75 Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 6/ 155 2.7.4.1 Généralités .............................................................................................................................. 75 2.7.4.2 Dimensionnement ................................................................................................................... 76 2.7.4.3 Impératifs techniques .............................................................................................................. 76 2.7.4.4 Localisation ............................................................................................................................ 77 2.7.4.5 Protection de découplage ......................................................................................................... 77 2.7.4.6 Protection contre la foudre et mise à la terre ............................................................................ 77 2.8 Structure des coûts d’une centrale au sol .................................................................................................... 77 2.8.1 Foncier ............................................................................................................................................ 77 2.8.2 BOS surfacique ................................................................................................................................ 77 2.8.3 BOS lié à la puissance ...................................................................................................................... 77 2.8.4 Installation ....................................................................................................................................... 78 2.8.5 Coûts « fixes » ................................................................................................................................. 78 2.8.5.1 Aménagement terrain, accès, fermeture, grillage ...................................................................... 78 2.8.5.2 Approvisionnement, transport sur site ...................................................................................... 78 2.8.5.3 Poste de livraison, comptage, raccordement ............................................................................. 78 2.8.5.4 Monitoring .............................................................................................................................. 78 2.8.5.5 Assurances .............................................................................................................................. 78 2.8.5.6 Système de surveillance .......................................................................................................... 78 2.8.5.7 Développement, Ingénierie ...................................................................................................... 79 2.9 Coût des centrales au sol ........................................................................................................................... 79 2.9.1 Centrales PV fixe ............................................................................................................................. 79 2.9.2 Avec suivi 2 axes ............................................................................................................................. 80 3 Construction rapportée au bâti ................................................................................................................... 82 3.1 Façades photovoltaïques ............................................................................................................................ 82 3.2 Toitures photovoltaïques ........................................................................................................................... 83 3.2.1 Structures sur toits plats ................................................................................................................... 83 3.2.1.1 Calcul des charges................................................................................................................... 84 3.2.2 Structures sur toits inclinés ............................................................................................................... 87 3.2.2.1 Coefficient de température ...................................................................................................... 88 3.2.3 Câblage ............................................................................................................................................ 89 4 Constructions intégrées au bâtiment ........................................................................................................... 89 4.1 La situation particulière de la France ......................................................................................................... 89 4.1.1 Synergie de fonctions ....................................................................................................................... 89 4.1.2 Effet de substitution ......................................................................................................................... 89 4.2 Typologie des solutions techniques ............................................................................................................ 90 4.3 Principe général ........................................................................................................................................ 90 4.4 Les modules photovoltaïques intégrés sur bacs métalliques ........................................................................ 90 4.4.1 Les jonctions entre bacs métalliques ................................................................................................. 91 4.4.1.1 Les jonctions par recouvrement des bacs ................................................................................. 91 4.4.1.2 Les jonctions avec jonction « sur tasseaux » ............................................................................ 91 4.4.1.3 Les jonctions « à joint debout » ............................................................................................... 92 4.4.2 Les bacs photovoltaïques en zinc de Rheinzink ................................................................................. 92 4.4.3 Les bacs photovoltaïques en alu Kalzip AluplusSolar de Corus Building System ............................... 93 4.4.4 Les bacs aciers photovoltaïques, Sunny Steel, de Sunland 21 ............................................................ 94 4.4.5 Les bacs aciers photovoltaïques, Arval arsolar, de Arcelor Mittal ...................................................... 95 4.4.6 Conclusion sur les bacs photovoltaïques ........................................................................................... 96 4.5 Les modules photovoltaïques intégrés sur membrane ................................................................................. 97 4.5.1 Membrane de Solar Integrated .......................................................................................................... 97 4.5.2 Membrane Evalon solar d’Alwitra .................................................................................................... 98 4.5.3 Membrane Biosol PV de Centrosolar .............................................................................................. 101 4.5.4 Critères de comparaison des membranes photovoltaïques ................................................................ 101 4.6 Les modules translucides et semi-transparents ......................................................................................... 102 4.6.1 Les types d’ancrages et acteurs ....................................................................................................... 102 4.6.2 Les modules translucides ................................................................................................................ 103 4.6.2.1 MSK ..................................................................................................................................... 103 4.6.2.2 Tenesol ................................................................................................................................. 103 4.6.2.3 Schüco .................................................................................................................................. 104 4.6.2.4 Systaic .................................................................................................................................. 105 Polytech' Savoie 5eme année ©Alain Ricaud, Oct 2011 7/ 155 4.6.3 Les modules semi-transparents ....................................................................................................... 106 4.6.3.1 MSK ..................................................................................................................................... 106 4.6.3.2 Schott Solar .......................................................................................................................... 107 4.7 Les solutions utilisant des modules photovoltaïques classiques ................................................................. 108 4.7.1 Les points communs aux différents systèmes .................................................................................. 108 4.7.2 Just Roof de MSK .......................................................................................................................... 109 4.7.3 Energiedach® de SolarWorld ......................................................................................................... 110 4.7.4 SolRif de Schweizer : ..................................................................................................................... 111 4.7.5 Système Annabelle® de ArcelorMittal ........................................................................................... 112 4.7.6 Comparatif des systèmes d’intégration ............................................................................................ 114 4.7.6.1 Les critères de classification .................................................................................................. 114 4.8 Les tuiles photovoltaïques ....................................................................................................................... 115 4.8.1 Tuile Imerys................................................................................................................................... 115 4.8.2 Tuile Lafarge ................................................................................................................................. 115 4.8.3 Tuile uploads/Ingenierie_Lourd/ 1-ouvrage-systemes-photovoltaiques-ecole-d-x27-ingenieurs 1 .pdf