Technologie PV

Albedo : selon la surface nous avons une réflexion différente.

Historique du photovoltaïque :

• 1839 : découverte de l’effet photovoltaïque par Becquerel
• 1954 : cellules hauts rendements pour le spatial
• 1958 : cellues à 9% de rendement
• 1973 : première maison solaire dans le Delaware (en Belgique c’est en 2008 que ça s’est développé avec le plan solwat)
• 1983 : premier véhicule solaire en Australie (4000 kms)

Fabrication des cellules

La matière première c’est du sable, de rivière principalement car dans le désert il est trop érodé par le vent.

On va découper différentes cellules que l’on va assembler en string (cellules connectées deux à deux).

Donc on produit des cellules photovoltaïques à partir de silicium. Ces cellules sont assemblées en modules, eux-même assemblé en panneau photovoltaïque avec lesquels on formera le système photovoltaïque.

En présence d’oxygène la cellule va se dégrader, il faut donc la protéger dans un panneau photovoltaïque.

Une cellule photovoltaïque a une tension d’environ 0,7 Volt. En les mettant en série, la tension s’aditionne.

Le Watt crête – WC

La puissance d’un panneau est mesurée en Watt crête – WC. Pour mesurer la performance d’un panneau c’est toujours dans des conditions standard (STC).

Conditions Standars de test (STC) :

• Irradiation : 1000 W/m²
• Air Mass (AM) : 1,5. (L’air mass (ou masse d’air) est un grand volume d’air atmosphérique homogène qui partage des caractéristiques uniformes de température et d’humidité sur une vaste étendue horizontale.)
• T° ambiante : 25°C.

Ce sont des conditions que l’on a pas tout les jours.

Il y a une autre valeur qui est plus compatible avec la réalité – NOCT.

Nominale Operating Cell Temperature (NOCT) :

• Irradiation : 800 W/m²
• Air Mass (AM) : 1,5
• T° ambiante : 20°C
• Vitesse du vent de 1 m/s

Les cellules photovoltaïques

• Couche mince – Silicium amorphe
  • ce qu’on trouve sur des gadget (calculette par exemple)
  • pulvérisation sur un matériau support
  • + sensible au rayonnement diffus
  • – sensible à l’ombrage
  • rendement 6 à 7 %
  • avantage prix
  • très rare dans le résidentiel car on est limité par la surface donc besoin d’un meilleur rendement

• Les cellules en silicium monocristallin :
  • rendement de l’ordre de 21 à 24% (220 – 240 W/m2)
  • + sensible au rayonnement direct
  • forme reconnaissable et typique au mono
  • la plupart des panneaux sont ainsi

• Les cellules en silicium polycristallin :
  • rendement d’environ 19% (190 W/m2)
  • + sensible au rayonnement direct et à la température
  • de moins en moins présents

Busbars

Les busbars sont les bandes métalliques conductrices (généralement en argent ou en cuivre) qui traversent la surface d’une cellule solaire de façon horizontale.

Leur rôle est de collecter le courant électrique généré par les cellules et de l’acheminer vers les câbles de connexion du panneau. Plus il y a de busbars (3, 5, 9, 12…), plus la résistance électrique est faible et le rendement amélioré.

Les modules photovoltaïques

La durée de vie d’un module photovoltaïque:

• 15 à 30 ans sur la fabrication
• diminution de la production annuelle: 0,3 à 0,8%
• diminution de la production l’an 1 : 1,2%

• Les modules verre-tedlar

• Les modules verre-verre
  • Cellules dans un vitrage

• Les modules couches minces souples

• Les modules couches minces rigides

• Les ardoises et tuiles solaires
  • problèmes de surchauffe (plus la cellule chauffe, plus le rendement chute)

• Les tandems
  • On mixe les 2 types de cellules pour avoir une meilleure production

• Les modules à demi-cellules
  • couplage des cellules différents
    • tension identique
    • courant = I/2
  • pertes résistes réduites
  • meilleur gestion de l’ombrage

• Les modules bifaciaux
  • technologie des années 80
  • production sur les deux faces du modules
  • puissance augmentée de 10 à 20% (si conditions optimales jusqu’à 30 à 40%)
  • nature du sol très importante pour l’albédo
  • hauteur des modules importante pour l’albédo

Rendement d’un module

Le rendement d’un module c’est ce qu’il produit en fonction de ce qu’il reçoit.

Rendement = η = PC/(SxPf)

PC = W/m²

Exercice 31.

Montage Série et parallèle

En série les tension s’additionne et en parallèle se sont les intensités qui s’additionne.

Protection des modules – les diodes by-pass

Il est très important de bien choisir l’emplacement du panneaux pour l’effet d’ombrage. Pour éviter les problèmes quand l’ombre va sur les panneaux on a des diodes by-pass.

Une diode by-pass est un composant électronique placé en parallèle sur une ou plusieurs cellules solaires d’un panneau photovoltaïque. Son rôle est de protéger les cellules ombragées ou défectueuses : quand une cellule ne produit plus correctement, elle devient une résistance qui consomme de l’énergie et chauffe (effet “point chaud”). La diode by-pass court-circuite alors ce groupe de cellules défaillantes, permettant au courant de les contourner. Cela limite les pertes de production et évite la surchauffe, qui pourrait endommager le panneau de façon permanente. En pratique, un panneau standard en contient généralement 3, chacune protégeant un tiers des cellules.

En Belgique la meilleure installation est orientation plein sud à 35°. En Belgique 1kWc -> 1050 kWh/an dans les conditions optimales.

Types d’installation

• Installation hybrides :
  • réseau et batteries
• Installations autonomes
  • appelée aussi ilotage
  • limites :
    • le local à batteries (fonction de la consommation et de l’autonomie souhaitée)
    • la durée de vie des batteries
    • le prix des batteries
    • le surcoût lié au régulateur DC/DC et au convertisseur DC/AC

Il faut faire bien attention au choix de l’orientation et de l’inclinaison.

On utilise le tableau ci-dessous pour avoir un coefficient de correction.

Exemple :

1 kWc de modules orienté sud-est et incliné à 15° –> CCR = 0,93

1 kWc –> 1000 x 0,93 =930 930 kWh/an (en Belgique)

Exercice 32.

Quelles est donc la bonne stratégie pour favoriser notre consommation ? On doit viser l’autoconsommation. Le couplage d’une orientation Est-Ouest sur une surface plane et avec une inclinaison à 10°C (modules dos à dos) permet de mettre plus de panneaux et augmenter la production sur toutes la journée pour auto consommer aussi le matin et le soir et ne pas produire lorsque l’on est parti.

Couplage orientation Est-Ouest :

• Optimalisation d’une surface plane
• Modules dos à dos : inclinaison à 10°
• Réduction de la prise au vent
• Permet de placer 2x plus de puissance qu’une orientation plein sud

L’onduleur

Rôles de l’onduleur :

• transformer le DC en AC
• synchroniser l’alternance de l’onduleur avec celle du réseau
• chercher le Mpp
• déconnexion automatique en cas de perte de l’AC
• choix : dimensionner en Belgique à
  • la Pac max onduleur = 80% de la Pc totale des modules installés

Caractéristiques :

• Rendement de l’onduleur : entre 92 et 98% ($\eta$ européen)
  • le rendement dépend essentiellement de la puissance et de la tension d’entrée DC
• Emissions de bruits typiques : 25 dB
• Autoconsommation (nuit) : 1 W

Wp = Watt pic = Watt crête

Types de raccordement

–> Mono string (1 Mpp)

Dans cette configuration, chaque onduleur peut exploiter aux mieux chaque string.

Avantage

• Recherche du point de puissance maximale (MPP) pour chaque string.

Inconvénient

• Influence de la perte de rendement d’un module (du à l’ombrage, à la saleté, ou à une défaillance) sur les performances des modules du string (mais limitée à celui-ci !).

–> Multi string (plusieurs Mpp)

1. Champ de capteur (ou générateur).
2. Boitier de raccordement.
3. Onduleur.
4. Compteur.
5. Réseau.

Dans cette configuration,  l’onduleur ne perçoit pas les différences de caractéristiques entre les courants produits par les différents strings. Ils sont en effet couplés au préalable au niveau du boitier de raccordement. C’est à partir de ce courant (d’intensité égale à la somme des courants et de tension égale à la tension la plus haute des différents strings) réellement perçu par  l’onduleur est que celui-ci adaptera ses caractéristiques d’entrées pour faire fonctionner le générateur photovoltaïque à son point de puissance maximum.

Avantage

• Coût.
• Simplicité et rapidité de montage.

Inconvénient

• La tension de sortie et donc la production énergétique est très facilement perturbée par un string plus faible (ombrage, nombres de panneaux, type de cellule,…).
• Ce type de raccordement ne permet pas de travailler avec des strings de natures différentes sans altérer considérablement la production

–> Micro-onduleurs (souvent 1 Mpp/module)

Avantage

• Facilité d’emploi.
• Pas de câblage en courant continu.
• Indépendance de chaque module (l’ombrage d’un panneau et sa perte de rendement résultante n’affecte pas la production des autres panneaux. De même que la panne d’un onduleur n’influence pas les autres modules).

Inconvénient

• Coût.
• Maintenance : en général ce type d’onduleur est directement intégré au panneau. Sa défaillance entraine le remplacement du panneau (hors la durée de vie de celui-ci est normalement inférieure à celle du panneau).

Choix de l’onduleur

On ne peut pas mettre n’importe quel onduleur sur le réseau. Il y a une liste d’onduleur autorisé en Belgique (Synergie C10/11, Liste C10/26, VDE 0126).

Le choix de l’onduleur se fait donc sur :

• le type de réseaux
• le type de modules
• le ombre de modules
  • U_OC à -10°C, U_MPP à -10° et +70°C, I_MPP
• Puissance des modules (pour des modules exposés orientation Sud, inclinaison 35° on essaie de respecter la règle : P_{maxAC en VA} = 80% de P_{DC installés en WC})
• l’endort où il est placé

Le compteur d’énergie verte

Il y avait avant une obligation de mettre un compter. d’énergie verte pour les CV quand les particuliers pouvaient avoir droit au CV. Ce n’est plus d’application à l’heure actuelle.

Le compteur réseau ou GRD

On est en train de remplacer les anciens compteurs par des nouveaux, bidirectionnel. Ceux qui ont fait leur installation avant le 31/12/2023, même si ils changent le compteur garde le bénéfice du compteur qui tourne à l’envers jusqu’en 2030.

Équilibre production – consommation

Batteries de stockage

Dimensionner une batterie : SLYDE 25

• 1) Méthode “autonomie 1 jour”
  • On part de la consommation journalière et on retire la production hivernale attendue du PV
  • La batterie doit couvrir le besoin net quotidien
  • On corrige ensuite avec la profondeur de décharge utilisable (ex : 90%)
  • exemple : 12,6 kWh/j – 3 kWh/j = 9,6 kWh/J à fournir par la batterie
  • Capacité nominale 9,6/0,9 = 10,6 kWh soit 2 pacses de 5 kWh

• 2) Méthode “couverture de la part hors soleil”
  • On estime la part de la consommation qui n’est pas couverte pendant les heures d’ensoleillement
  • Cette approche parle souvent mieux au client qu’un simple nombre de jours d’autonomie
  • Exemple : 30 kWh/j et 60% consommés en journée -> 40% restent à couvrir
  • Energie à stocker : SUITE SLYDE

• 3) Méthode pratique SLYDE

Gestion intelligente des consommateurs

Pour mieux produire la domotique peut nous aider. Avant de passer aux batteries, l’installation d’une bonne domotique est la base, ça sera moins onéreux.

Pour les ballons d’eau chaude il y a des dispositif de résistance pour chauffer directement en courant continu (donc produit directement par les panneaux).