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Centrales photovoltaïques - Bundesamt für Energie BFE

1. s 100 150 Tension V 9 2 8 Facteur d incidence Dans le groupe de d finition du champ PV le dernier param tre n cessaire concerne les pertes par r flexion dues l incidence non normale La quantit de rayonnement transmis la surface de la cellule ob it aux lois de Fresnel figure 9 10 Pour une incidence normale la perte par r flexion d environ 5 est d j incluse dans l efficacit du pan neau donn e par le constructeur Mais elle augmente lorsque les rayons sont inclin s il s agit donc de d finir une correction Dans la suite nous appellerons cette correction IAM pour Incidence Angle Modifier Rayonnement incident R flexion Absorption Rayonnement transmis Figure 9 9 Caract ristique I V r sultante d un champ de 10 cha nes de 6 panneaux en supposant une distribution gaussienne du courant nominal de dispersion d viation standard 5 Perte d incidence ou IAM Figure 9 10 Lois de Fresnel pour la transmission d un vitrage 195 9 Dimensionnement et mesures Figure 9 11 Correction IAM selon l angle d incidence Pour les simulations le calcul complet des lois de Fresnel est un peu complexe Il existe une param trisation simple qui approxime cette loi avec une pr cision suffisante et a t adopt e par le bureau des standards am ricain ASHRAE IAM 1 bo 1 cos 1 o amp est l angle d incid
2. 160 PACER 8 Installations autonomes 8 4 1 R gulateur shunt Le r gulateur shunt est en g n ral r serv aux g n rateurs com Echauffement portant peu de panneaux avec un courant qui d passe rarement 10 Compensation thermique 15 amp res Ce type de circuit impose une diode de blocage dans le r gulateur donc une dissipation de puissance locale lors de la charge Les bons r gulateurs sont quip s d une diode schottky faible tension directe une valeur typique de tension directe est environ 0 6 V ce qui 15 A correspond 9 W de dissipation radia teur ext rieur ou bo tier m tallique La valeur de 15 A est aussi une valeur maximale pour viter de trop grandes sections de c ble La charge s effectue en deux temps tant que la tension maximale de charge n est pas atteinte tout le courant du g n rateur est transf r l accumulateur lorsque cette tension maximale est atteinte le cir cuit court circuite le g n rateur en fermant un interrupteur sur le cir cuit Lorsque la tension de batterie est redescendue une deuxi me tension pr cise la charge recommence L interrupteur sur le circuit est le plus souvent un transistor MOS qui bien dimensionn dissipe en g n ral moins de puissance que la diode de blocage On peut aussi trouver des transistors jonction dissipant l quivalent de la diode schottky ou des relais mais ces derniers sont moins fiables et vont limiter la dur e de vie du r
3. 73 3 G n rateur solaire Courants parasites Dans cette tude deux installations sont mesur es et dans les deux cas la puissance install e tait surestim e par le fabricant 9 et 12 ceci a souvent t confirm lorsque des installations en Suisse ont t mesur es par des laboratoires ind pendants Il est recommand avant de commander des panneaux solaires d obtenir une garantie de puissance du fournisseur et de pr ci ser toutes les modalit s de cette garantie par exemple qui endosse la garantie le fabricant ou l importateur o est le for juridique etc Cette remarque est galement valable pour la garantie de dur e de vie des panneaux Si l on veut dimensionner le champ photovol ta que de mani re optimiser le co t de l nergie produite on verra que ce champ sera plus puissant que l onduleur ce qui nous impose de demander de la part du fabricant d onduleurs une garantie sp ciale L onduleur doit pouvoir fonctionner continuellement sa puis sance maximale m me si le champ de panneaux peut fournir une puissance plus importante 3 6 Dangers du courant continu Les installations photovolta ques coupl es au r seau utilisent des onduleurs dont la plage de tension est de plus en plus lev e Ceci peut poser des probl mes dus la nature du courant continu dont les installateurs ou bureaux d ing nieurs ont peu d exp rience Le courant fourni par un panneau
4. Tension vide 500 mV DER EN Le gatalogger calcule l irradiance lectrique et la temp rature de la cellule Courant de court circuit 30 mA 1 ohm 30 mV Shunt Le moyen le plus simple pour mesurer la composante diffuse est d utiliser un solarim tre devant lequel on cache le rayonnement direct soit par un arceau plac le long de la trajectoire diurne du soleil soit par un cache mobile faisant un tour en 24 heures Tr s peu de stations m t orologiques en sont quip es car ils n cessitent une surveillance et un r glage p riodique de l arceau ou du cache 2 3 2 Donn es m t orologiques en Suisse En Suisse on dispose depuis la fin des ann es 70 seulement des donn es enregistr es par le r seau Anetz pour environ 55 stations r parties sur tout le territoire suisse Ces donn es comportent en g n ral outre le global horizontal la dur e d ensoleillement la tem p rature l humidit la direction et vitesse du vent et ne sont publi es qu en valeurs mensuelles Pour trois stations seulement Kloten Davos et Locarno des mesures horaires incluant le diffus sont actuellement disponibles D autre part des mesures tr s compl tes ont t enregistr es de 1978 1982 Gen ve par une quipe de l Universit 2 3 3 La base de donn es M t onorm D s 1985 un effort consid rable a t entrepris pour fournir aux concepteurs d installations solaires un outil fiable et standardi
5. I s agit d un onduleur miniaturis d une puissance de l ordre de 100 W mont directement sur le panneau PV Cette conception pr sente de nombreux avantages le syst me de connection est extr mement simplifi puisque tous les panneaux sont reli s en parall le gr ce un seul c ble 220V AC e on limine ainsi les l ments d licats du c blage du champ diodes de protection bo te de connexion ainsi que les probl mes li s aux courants continus commutateurs DC corrosion des contacts e les op rations de montage sont sans danger lectrique car ces appareils n cessitent la pr sence du r seau pour fonctionner e les pertes de d sadaptation des panneaux PV sont limin es plus encore les panneaux sont compl tement ind pendants les uns des autres ils peuvent tre mont s dans diff rentes orientations sans inconv nient de m me les probl mes d ombrages partiels ne se posent plus que pour chaque panneau individuel e certains mod les sont quip s d un transmetteur s riel d infor mations permettant de surveiller d un seul coup le bon fonction nement de tous les modules onduleurs panneaux gr ce un ordinateur e pour une production de masse les prix devraient devenir comp titifs avec les onduleurs centralis s certains constructeurs annoncent 0 5 1 W Dans les inconv nients restent r soudre la protection contre la foudre la mise la terre les probl mes d
6. l isolement du champ par rapport la terre doit tre sup rieur au double de la tension de service plus 1000 V cf 5 2 2 Les essais seront effectu s au niveau du coffret de r partition du champ en d connectant la liaison vers l onduleur ainsi que tous les dispo sitifs parasurtensions la tension vide de chaque cha ne de modules est mesur e en retirant le support de la diode ou du fusible s rie correspondant Cette tension est tr s peu d pendante du rayonnement et son homog n it d une cha ne l autre peut tre contr l e m me par temps couvert le courant de court circuit de chaque cha ne individuelle donne une indication de la qualit des panneaux et des effets d ombrages ventuels Il est proportionnel l irradiance et tr s peu d pendant de la temp rature Si on dispose d une mesure du rayonnement dans le plan des capteurs solarim tre ou cellule de r f rence il peut tre compar la valeur correspondante sp cifi e par le fabricant Apr s avoir retir la diode ou fusible il est th oriquement possible de mesurer le courant de court circuit en branchant un amp rem tre aux bornes de la cha ne cependant le branchement direct de la pointe de touche occasionne des tincelles impressionnantes qui d t riorent les contacts Il est pr f rable de disposer d un inter rupteur DC pour enclencher le court circuit dans l amp rem tre lors de la mesure La caract ristique 1
7. 6 Types de centrales photovolta ques Les structures doivent supporter la charge statique du poids des modules et selon l inclinaison une surcharge de neige ou de glace En outre elles doivent r sister aux forces du vent qui peuvent tre consid rables en fonction de la disposition et de la grandeur des sur faces inclin es souvent tr s expos es La seule base existant actuellement est la norme SIA160 qui est appli cable aux constructions et fournit une base de calcul relative la charge statique du vent avec quelques indications concernant les effets dynamiques Un exemple de calcul est donn au chapitre sui vant Une tude a rodynamique compl te ou des essais en soufflerie ne sont envisageables que pour de tr s grandes unit s 5 Les modules avec cadre sont g n ralement fix s par boulonnage ceux sans cadres sont fix s par des profils ad hoc ou coll s ou fix s par boulons traversants 6 3 2 C blage Pour faciliter le c blage et minimiser les effets d ombrage la surface de captage est g n ralement r partie en rang es parall les est ouest sur la largeur du terrain disponible Le c blage des rang es suivra naturellement les structures jusqu aux coffrets de raccordement Les liaisons entre rang es et jusqu aux onduleurs se font en cani veau 6 4 Construction rapport e sur b timent Les structures doivent r sister aux charges statiques et dynamiques Figure 6 8 SIG Gen
8. Le c blage du champ n est normalement pas r alis sous tube sauf pour la protection m canique des passages sur le 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 contiennent normalement les borniers s par s positifs et n gatifs des arriv es de tous les c bles prove nant des cha nes de modules en s rie Ils contiennent galement les diodes antiretour et les dispositifs de protection 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 nominal 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 tra vaux sur le b timent Un champ photovolta que peut comprendre plusieurs coffrets dis pos s de fa on diminuer les longueurs de c bles et optimiser les sections 104 PACER 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau Les coffrets doivent r pondre aux exigences d tanch it de long vit et de s curit ils doivent tre largement dimensionn s pour per mettre un c blage propre et bien accessible et construits en mati re ininflammable si possible en m tal Dans l
9. chauffement etc 4 4 6 R gulation et recherche du MPP Dans tous les appareils PWM d crits ci dessus la commande de largeur des impulsions doit assurer les deux fonctions suivantes e la g n ration des demi sinuso des qui seront ensuite altern es par l tage de sortie e l adaptation de l imp dance d entr e du convertisseur de mani re suivre tout instant le point de puissance maximum du champ Cette r gulation est habituellement g r e en temps r el par un micro processeur Si elles ne sont pas lues directement sur le r seau auquel cas l onduleur suivra le comportement du r seau par exemple dans le S13000 les valeurs de r f rence pour la sinuso de sont stock es dans une EPROM et restitu es en phase gr ce un PLL ex le SOLCON La recherche du point de puissance maximum s ex cute par approximations successives partir de la tension vide l ondu leur pr l ve sur le condensateur dont le r le est de stocker l ner gie du champ durant une demi p riode la quantit d nergie cor respondant au maintien d une tension donn e et calcule la puissance moyenne obtenue durant un pas de temps donn Pour le pas suivant elle compare la puissance du dernier pas avec l avant dernier et incr mente ou d cr mente son pr l vement selon que l nergie a augment ou diminu La recherche du MPP implique 95 4 Onduleurs pour le r seau donc une perp tuelle osci
10. savoir un rendement lev une grande dur e de vie avec un grand nombre de cycles et une autod charge faible Le comportement lectrochimique d une batterie suit l quation sui vante Electrode Acide Electrode Electrode Eau Electrode Positive N gative Charge Positive N gative lt PbO gt 2H2SO Pb PbSO4 2H20 PbSO4 D charge 4 46 3 65 3 86 11 97 g Ah 5 65 0 67 5 65 11 97 153 8 Installations autonomes Variation de densit de l lectrolyte Figure 8 2 Caract ristique de charge d une batterie au plomb La masse positive charg e est en dioxyde de plomb brun la masse n gative charg e est en plomb gris spongieux Durant la d charge une partie de l lectrolyte se lie au plomb et le transforme en sulfate de plomb cette transformation produit de l eau ce qui fait baisser la densit de l lectrolyte On peut calculer cette variation de densit en fonction de la charge d charge pour chaque Ah de d charge 3 654 g d acide se lie au plomb et 0 672 g d eau est produit la charge produisant les m mes valeurs en retour Cette variation de densit est facile mesurer dans les batteries ouvertes pour contr ler l tat de charge La variation de densit de l lectrolyte a un autre effet important qui limite l emploi des batteries basse temp rature sa temp rature de cong lation augmentant lorsque la batterie est d charg e Chaque cellule de batterie plomb fourn
11. 14 de rendement Le rendement th orique maximal d pend du spectre lumineux re u et du gap du semi conducteur pour le silicium o il vaut 1 12 eV 300 K seuls les photons de longueur d onde inf rieure 1 1 um g n reront donc des porteurs et m me si son nergie est sup rieure au gap chaque photon g n rera seulement une paire de porteurs l exc dent d nergie tant dissip en chaleur En tenant compte de tous ces facteurs le rendement th orique maximal est environ de 22 pour le silicium cristallin La figure 3 11 montre la portion de spectre g n rant effectivement du courant dans une cel lule au silicium On remarque que toute la lumi re visible est utile de m me que le proche infrarouge et l ultraviolet Dans l espace le rendement th orique sera plus lev la proportion d ultraviolet tant plus importante Les facteurs qui limitent encore le rendement sont les pertes par r flexion que l on peut limiter 4 avec les effets d une couche antireflets d indice de r fraction de 2 3 et d une encapsulation de verre indice 1 5 les pertes par recombinaison les porteurs g n r s par l effet pho tovolta que se recombinent parfois localement au lieu d tre s pa r s par le champ lectrique de la jonction ceci arrive sp cialement aux porteurs g n r s en profondeur ou en surface du wafer o les d fauts sont plus denses et la pr sence d impuret s plus impor tante ce qui cr e des ce
12. Figure 10 1 Comparaison des co ts R ponse Toutes les installations en service en Suisse utilisent des cellules au silicium mono ou polycristallin Le mat riel de base est le silicium qui est l l ment le plus r pandu la surface du globe C est un l ment chimiquement stable et non polluant qui ne peut en aucun cas laisser de r sidus dangereux Les cellules qui ont motiv cette critique sont des cellules l ars niure de gallium qui sont test es dans des laboratoires am ricains et pr sentent des rendements sup rieurs 30 Toutefois ces cel lules doivent travailler sous concentration avec des syst mes orien t s vers le soleil dans des conditions qui ne sont pas applicables en Suisse trop de rayonnement diffus Sur la base de recherches conduites par des laboratoires am ricains il n existe aucun probl me en fin de vie des modules photovolta ques utilis s en Suisse 10 4 Potentiel conomique du photovoltaique 10 4 1 Potentiel court terme Le potentiel conomique actuel est limit aux installations isol es pour lesquelles les co ts d installation de lignes lectriques seraient sup rieurs l investissement photovolta que Dans de telles instal lations qui n cessitent un stockage par batterie la limite de comp titivit d pend de la longueur de la ligne qui devrait tre install e et de son environnement plaine ou montagne ligne a rienne ou enter r e Pour une consommatio
13. chercher combien de panneaux sont n cessaires pour com penser la consommation Dans l exemple du chalet de Leysin on liste le courant de charge d un panneau pour chaque mois pour tenir compte des variations de tem p rature point 4 1 re ligne ensuite on calcule l nergie en Ah mois que produit le nombre de panneaux choisi On inclut ici le rendement de charge d charge qui vaut 0 9 environ pour une batterie au plomb Enfin on choisit l inclinaison optimale du g n rateur celui ci dans cet exemple tant accessible un bon choix est 60 d octobre f vrier 30 le reste de l ann e ligne 5 du point 4 On voit qu avec un choix de 2 panneaux de 50 W un d ficit nerg tique appara t seulement en ao t o le chalet est utilis 3 semaines enti res celui ci peut tre compens par le choix d une batterie de capacit sup rieure ou par l ajout d un troisi me panneau 8 7 6 Dimensionnement de la batterie Le dimensionnement de la batterie d pend du degr de fiabilit que l on d sire atteindre Dans une r gion o l ensoleillement est r gu lier et r parti de mani re assez uniforme durant l ann e la capacit peut tre de seulement 4 5 jours de consommation Sous nos lati tudes et sp cialement en plaine on peut avoir plusieurs semaines cons cutives de temps maussade dans ce cas la capacit devrait id alement d passer cette pire p riode En Suisse on installe sou vent une capacit
14. conomique qualitative et par l conduire une plus faible utilisation des mati res premi res et de l nergie avec pour corollaire un plus large recours au savoir faire et la mati re grise Jusqu ici si l on fait abstraction du potentiel hydro lectrique la contribution des nergies renouvelables notre bilan nerg tique est n gligeable Aussi le programme PACER a t il t mis sur pied afin de rem dier cette situation Dans ce but le programme cherche favoriser les applications dont le rapport prix performance est le plus int ressant apporter les connaissances n cessaires aux ing nieurs aux architectes et aux installateurs proposer une approche conomique nouvelle qui prenne en compte les co ts externes informer les autorit s ainsi que les ma tres de l ouvrage Cours manifestations publications vid os etc Le programme PACER se consacre en priorit la formation conti nue et l information Le transfert de connaissances est bas sur les besoins de la pratique Il s appuie essentiellement sur des publica tions des cours et d autres manifestations Les ing nieurs archi tectes installateurs ainsi que les repr sentants de certaines branches sp cialis es en constituent le public cible La diffusion plus large d informations plus g n rales est galement un l ment important du programme Elle vise les ma tres de l ouvrage les architectes les ing nieurs e
15. dement peut atteindre 90 Cyclage et dur e de vie C est le param tre le plus favorable du Ni Cd elles supportent en g n ral 1000 cycles 80 de d charge d tre stock es d charg es 3 5 ans et leur dur e de vie atteint facilement 10 ans Figure 8 8 Capacit temp rature cellule Ni Cd 159 8 Installations autonomes Autod charge Ce param tre est beaucoup moins favorable au Ni Cd Leurs pertes sont en moyenne 5 10 fois plus lev es que celles de batteries au plomb stock es une temp rature quivalente Mise en s rie parall le montage Ici galement le Ni Cd demande plus de soins lorsqu on monte plu sieurs cellules de 1 2 V en s rie si le syst me n est pas quip d un r gulateur coupant les utilisateurs au dessous d environ 1 V par cel lule il faut imp rativement mesurer tous les l ments de batterie et appairer les capacit s avant de les connecter en s rie Si les l ments ne sont pas identiques en cas de d charge totale l l ment plus faible capacit va devoir supporter une inversion de sa tension alors que les autres cellules peuvent encore d biter du courant cet effet r duit rapidement la dur e de vie de cet l ment Pour la mise en parall le les m mes pr cautions que pour le plomb doivent tre observ es Le montage de petits l ments Ni Cd est en g n ral plus facile gr ce leur tanch it Pour les grandes batteries le bac tanche est
16. galement lorsqu on veut dissuader les utilisateurs de connecter n importe quel consommateur 12 V sur le syst me 174 PACER 8 Installations autonomes 8 7 2 Point de fonctionnement des modules On a vu que pour charger une batterie 12 V le panneau devait tra Calculs en amp re vailler une tension d environ 15 V 8 1 Pour simplifier les calculs et amp re heure on consid rera que le panneau fonctionne cette tension et l on prendra le courant correspondant les calculs d nergie tant en Ah Le rendement charge d charge vaut alors 90 pour une batterie au plomb Si le g n rateur est constitu de modules de 50 W on prend en premi re approximation le courant de charge 15 V et NOCT Par exemple pour le Siemens M50 ce courant vaut environ 2 9 A Si la consommation principale est en hiver on peut prendre le courant 20 ou 25 C et dans ce cas ce courant vaut environ 3 05 A 8 7 3 Calcul des consommateurs C est la premi re information obtenir de l utilisateur il faut en g n ral lui expliquer quels sont les consommateurs utilisables et quels sont les crit res de choix Ensuite on calcule pour chaque mois la somme des consommations Estimer toutes les en Ah Le tableau 8 3 pr sente un exemple de dimensionnement avec consommations des consommateurs vari s pour un chalet de week end 4 chambres durant l ann e occup en moyenne par trois personnes Le chalet est situ Leysin VD on p
17. sibles et ne devraient pas avoir besoin de contr le ou d entretien en cons quence la qualit du c blage prend une importance toute par ticuli re Les modules avec c bles embrochables sont pr f rables aux bor niers serrage vis qui sont peu accessibles Pour faciliter le c blage des cha nes d l ments photovolta ques en fa ade et en toiture une nouvelle gamme de connecteurs monopo laires a t con ue cet effet 7 6 5 Construction int gr e au b timent Figure 6 15 Fa ade de la Windm hle Bienne 9 kW 127 6 Types de centrales photovolta ques PACER 6 5 1 Principe g n ral La technique de fixation des modules est en g n ral la m me que celle utilis e pour les l ments de construction qu ils remplacent En cons quence une toiture photovolta que int gr e fera appel aux techniques des couvreurs et une fa ade photovolta que int gr e celles des fa adiers Le r le du responsable de l tude de la coordination et ou de la r a lisation du projet sera essentiellement de sp cifier les caract ris tiques de l l ment photovolta que apte remplacer l l ment de construction quivalent tout en garantissant les conditions d exploi tation du g n rateur photovolta que Il n existe encore que peu de fabricants qui produisent des modules sp cifiquement pour l int gration mais les principaux fournisseurs de modules standards largissent leur gamme vers des
18. vide multipli e par deux plus 1000 V est la valeur d isolement pres crite pour les installations reli es au r seau Pour un syst me typique de 3 kW comportant 6 panneaux en s rie fonctionnant 100 V la ten sion ouverte est d environ 140 V et l isolement prescrit de 1280 V Le montage d un champ de panneaux photovolta ques sur une struc ture existante toit terrasse entra ne une charge pond rale sup pl mentaire de l ordre de 15 kg m de module Cette masse ne devrait pas d passer 15 de la charge maximale admise pour le toit ou la terrasse en question Les effets du vent sont galement consid rables surtout si les pan neaux sont distants et non int gr s au b timent un calcul permet tant le dimensionnement des structures porteuses est propos au chapitre 5 L aspect esth tique du champ doit tre estim avant sa construction on essayera de limiter au maximum l impact visuel des panneaux qui refl tent la lumi re par leur verre et de les int grer le plus pos sible dans la structure d j construite Par exemple on vitera de monter des panneaux sur un toit avec un angle diff rent de celui du toit On pr f rera des supports bas sur une terrasse moins visibles qu une structure haute 3 5 1 Mise en s rie de modules appairage La mise en s rie des modules permet d augmenter la tension du champ Pour d terminer le nombre de panneaux connecter en s rie il faut conna tre la tension nominale n c
19. 1000 V normes internationales e La derni re op ration est le test au simulateur solaire qui permet de trier les panneaux qui seront souvent vendus au watt Pour les techniques utilisant un support m canique arri re comme certains panneaux couche mince plac s sur les bateaux ou les v hi cules de course solaire le module est fabriqu de fa on similaire une plaque d aluminium par exemple rempla ant la barri re d humi dit arri re et le verre avant tant remplac par une couche plastique tanche et vieillissant bien aux UV Avant Verre EVA CN VLC LD VIS LLI III EVA Verre Tedlar Arri re Les premi res techniques d encapsulation utilisaient des r sines sili cones comme isolant l environnement ce qui rendait le proc d humide et difficilement automatisable La technique de lamination est pratiquement s che et peut tre auto matis e elle est actuellement tr s au point et la plupart des fabri cants donnent 10 ans de garantie certains m me 20 ans pour les modules encapsul s sous verre tremp et mont s dans un cadre Les avantages du verre tremp comme support m canique sont ses excellentes performances de transparence son indice de r fraction qui am liore les performances de la couche antireflets des cellules et ses caract ristiques de dilatation tr s proches de celles des cellules garantissant peu de tension m canique entre les cellules Certains constructeurs ont essay
20. B le Binningen La Chaux de Fonds St Moritz Samedan Berne Liebefeld Locarno Sion Coire Ems Lucerne Wynan Davos Lugano Zurich Kloten Gen ve Cointrin Montana Zurich SMA Glaris Payerne G thingen Pully Les donn es horaires seront fournies sous forme de Design Refe rence Years DRY Bas es sur des mesures recueillies durant une dizaine d ann es les DRY sont une juxtaposition des 12 mois les plus significatifs choisis dans cet chantillon pour obtenir une ann e moyenne repr sentative En attendant la sortie de M t onorm 95 on trouvera dans la biblioth que de PVSYST les donn es DRY des 22 stations ci dessus 2 3 4 Corrections des donn es m t o Lorsqu on voudra simuler un syst me photovolta que il conviendra de choisir un site m t orologique dont les conditions soient le plus repr sentatives du lieu du syst me Or les valeurs m t o peuvent varier d un lieu l autre en fonction de divers param tres r gion microclimat brouillards type et orientation du terrain etc L altitude est un des param tres les plus significatifs notamment concernant la temp rature c est pourquoi on d finit une distance climatique comme la somme quadratique de la distance entre deux sites et leur diff rence d altitude affect e d un poids de 100 DistClim DistHor2 100 DiffAlt 2 1 M t onorm 85 valeurs mensuelles M t onorm 95 valeurs horaires Tableau 2
21. Figure 9 4 R partition des pertes de fonctionnement pour l installation des SIG durant l ann e 1992 Energie solaire 100 Effic nominale 12 4 Pertes 37 Energie utile 63 D tail des pertes aux SIG Caract modules PV Fonct onduleur 138 2 MPP 4 5 Seuil onduleur Ombrages IAM Tcellules R 12 2 3 1 7 2 6 2 8 2 1 Deux contributions sont pr pond rantes dans ce bilan Les caract ristiques des panneaux PV sont en moyenne 10 au dessous des sp cifications du fabricant L efficacit des onduleurs en fonctionnement est de 87 de la puissance nominale mais seulement de 83 si l on se r f re la puissance DC disponible la sortie du champ On constate que les autres pertes se r partissent en parts qui valentes de sources diverses MPP l efficacit du champ puissance maximum n est pas constante mais diminue selon le logarithme de l ensoleillement vers les faibles valeurs l ombrage d une balustrade de s curit se manifeste au cours de l apr s midi les pertes ohmiques sont lev es dues la faible tension d entr e des onduleurs la temp rature des cellules en fonctionnement pond r e par l ensoleillement avoisine les 35 en moyenne annuelle la perte IAM est due aux effets d incidence lorsque le rayonnement n est pas perpendiculaire au capteur le seuil de l onduleur correspond une i
22. Il s agit principalement des batteries pour les installations isol es et de modules rempla ables pour les onduleurs des installations reli es au r seau En outre il est prudent de pr voir le remplacement des protections de surtensions tous les 10 20 ans de m me que les c blages entre modules qui ne sont pas pos s sous tubes 10 1 4 Valeur effective du courant produit La structure de la demande d lectricit fait ressortir une grosse dif f rence entre l nergie de ruban et l nergie de pointe La valeur du courant est donc une fonction bien d finie de la p riode du jour pen dant laquelle il est consomm respectivement mis disposition de l usager De m me la demande est plus forte en hiver qu en t et dans une certaine mesure la compensation se fait par les r serves des barrages hydrauliques avec repompage le cas ch ant L opti misation de la valeur effective du courant produit pourra amener un choix d inclinaison des surfaces de captage tel que pr s de 45 de l nergie soit produite pendant la moiti hivernale de l ann e Cet argument revalorise le cas de capteurs en fa ade 212 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques Par la liaison au r seau les centrales solaires et les barrages hydro lectriques peuvent tre consid r s comme un tout Pendant la pro duction d lectricit solaire d importantes r serves d eau ne sont pas consomm es Par temps couvert les b
23. PL 9 2 7 x 14 5 600 67 4 11 Fluo U PL 11 2 7 x 21 5 900 82 5 03 Fluo U PL double 10 3 4 x 9 5 600 60 3 68 Fluo droite 18 dia 2 6 x 59 1450 81 4 97 Fluo droite 36 dia 2 6 x 120 3450 96 5 89 Sodium 18 dia 5 3 x 22 1800 100 6 14 Sodium 36 dia 5 3 x 31 4800 137 38 41 Ce tableau montre que le rendement augmente avec la puissance ceci pour tous les types de lampes Pour comparer les valeurs nous avons pris comme r f rence la lampe incandescence de 60 W qui correspond une puissance tr s fr quente pour une petite lampe Les valeurs de rendement des lampes fluorescentes ne tiennent pas compte des pertes du ballast mais celles ci sont compens es par le gain d au fonctionnement haute fr quence 20 50 kHz qui atteint de 10 15 selon les tubes par rapport 50 Hz 167 8 Installations autonomes Figure 8 11 Lampe fluorescente en AC 50 Hz Inductance s rie Starter Pour qu un tube fluorescent mette de la lumi re il faut faire passer un courant lectrique entre les deux lectrodes du tube ce courant est v hicul par le plasma qui s tablit dans le gaz remplissant le tube Le plasma ne peut s tablir que si la tension atteint une tension le v e d pendant de la longueur du tube et du gaz utilis par exemple pour une tube de 120 cm il faut au minimum 700 volts pour que le courant passe Pour abaisser cette tension on chauffe les deux lec trodes pour lib rer plus
24. V 61 3 G n rateur solaire D pendance de la temp rature S ries de cellules La figure 3 19 pr sente le comportement de la m me cellule sous une lumi re de 1 kW m et des temp ratures entre 0 et 80 C On remarque l importance des variations de la tension qui perd environ 2 2 5 mV K env 0 41 K pour une cellule au silicium cristallin Pour d autres technologies les coefficients de temp rature baissent lorsque le gap augmente pour le GaAs l effet est environ de la moi ti env 0 22 K et pour le silicium amorphe l effet est r duit de 30 env 0 29 K Le courant gagne un petit peu d intensit lorsque la temp rature augmente ceci peut tre expliqu par une meilleure absorption de la lumi re le gap baissant lorsque la tem p rature augmente L accroissement du courant peut tre n glig au point de puissance maximale et le comportement global de la cellule en temp rature est une perte de 0 4 0 5 par degr K 3 4 Structure d un panneau photovoltaique On a vu qu une cellule au silicium cristallin pr sente une tension ouverte d environ 0 55 0 6 V et un point de puissance maximale correspondant environ 0 45 V Les premiers panneaux ont t con us pour pouvoir recharger une batterie standard au plomb de 12 V Consid rant que le panneau doit pouvoir charger cette batterie jusqu sa tension maximale d environ 14 V et que l on va perdre 1 2 V en c blage et lec
25. Y Yields Taux d indisponibilit du syst me pannes tnav t O Energie solaire de r f rence fur G dt Gsrc Yr kWh m jour Production du champ four Exjour dt Po Ya Production finale fiour Elo jour dt Po Yi kWh Pertes de captage Y YA Le jour kWp Pertes du syst me Ya Yf LL Indice de performance Performance Ratio Y Y PR Rapport de pertes de captage Lc Y LR Rapport de pertes syst me Ls Y L R Efficacit globale du syst me PV Eio jour Es A jour Mtot 205 9 Dimensionnement et mesures Tableau 9 3 Exemple d une fiche r sum caract risant l installation des SIG limit e aux param tres concernant les installations li es au r seau La production du champ YA correspond l nergie produite quoti diennement par le champ par KW en l absence de pertes Ya serait gal Y La production du syst me Yf est l quivalent la sortie de l onduleur Les pertes Lc et Ls sont donc simplement les pertes cor respondantes respectivement dans le champ et dans le condition nement de l nergie Finalement le rapport de performance PR repr sente l efficacit du syst me global par rapport ce qu on pourrait en attendre selon la puissance install e Pour les meilleurs syst mes le PR ne d passe gu re 80 Les figures 9 16 et 9 17 donnent un exemple de le repr sentation de ces valeurs pour l installation des SIG Site Gen ve Puissance n
26. avec des pertes importantes de l ordre de 5 de la puis sance nominale pour quelques kVA L1 L2 L3 Transfo BF a ll tt H a H Ur L2 Us Filtre t c 92 va PACER 4 Onduleurs pour le r seau 4 4 3 Onduleurs circuit HF interm diaire On peut diminuer sensiblement ces pertes par l utilisation d un trans formateur haute fr quence figure 4 6 On construit d abord un onduleur haute fr quence de l ordre de 10 100 kHz qui g n re des impulsions de largeur modul e On introduit ensuite un trans formateur HF bien plus petit et de meilleures performances La sor tie de ce transformateur redress e et filtr e fournit deux demi sinu so des de m me signe qu il convient encore d alterner travers un pont de quatre thyristors Cette configuration est adopt e dans la plupart des onduleurs actuels dans la gamme de quelques kW Figure 4 6 Principe d un onduleur avec modulation de largeur d impulsion se x F 0 A K MAA haute fr quence et isolation 7 L1 galvanique par transformateur HF Ug i ne URIE ue d apr s 1 pe N k g A A Transfo HF Etage de sortie alternances Onduleur HF Redresseur 93 4 Onduleurs pour le r seau Figure 4 7 Principe d un onduleur synth se de tension d apr s 11 4 4 4 Ond
27. de noyer les cellules dans du verre acrylique pour obtenir une structure incassable mais les dilatations internes d truisaient les connexions entre cellules La figure 3 21 pr sente la courbe l V d un panneau typique de 53 W en fonction de la temp rature La valeur de 53 W est une mesure sous une irradiance de 1 kKW m2 spectre AM 1 5 et temp rature de 25 C Ces valeurs sont appel es STC Standard Test Conditions et elles sont utilis es par tous les fabricants pour d finir leurs produits Mais ces conditions sont rarement rencontr es dans la r alit sauf en 64 PACER 3 G n rateur solaire hiver parce que la temp rature d un module au soleil est en g n ral plus lev e que 25 C Pour tenir compte de conditions plus r a listes et habituelles les fabricants donnent une valeur de temp ra ture typique des cellules lorsque la temp rature ambiante est de 20 C l irradiance de 800 W m et le vent de 1m sec Cette valeur est appel e NOCT Nominal Operating Cell Temperature et pour les NOCT panneaux standards elle varie entre 45 et 50 C La puissance cr te la temp rature NOCT est une bonne valeur lorsqu on veut int grer l nergie que peut produire un panneau sur une ann e par exemple On peut en premi re approximation multi plier cette puissance par le nombre de kWh m re us dans l ann e Figure 3 21 Courbes l V d un panneau 53 W en fonction de la temp rature T ja g 3 L
28. en parall le l exemple habituel d installation de 3 KW 6 modules en s rie comporte en g n ral 9 10 cha nes en parall le On a vu que l appairage des panneaux mis en s rie est avantageux pour optimiser la puissance pour optimiser la mise en parall le il faut si possible apr s appairage des courants essayer d obtenir des sommes de tensions les plus homog nes possible entre cha nes et ajouter une diode en s rie avec chaque cha ne de panneaux La diode s rie assure qu aucun courant ne peut circuler d une cha ne dans l autre par exemple si une cha ne comporte des panneaux moins performants r sistance shunt plus faible elle ne pourra pas absorber de courant provenant des autres cha nes Ce ph nom ne est surtout important aux faibles niveaux d irradiance ou lorsqu un panneau d une cha ne subit un ombrage La pr sence de la diode s rie permet galement de mesurer une cha ne de panneaux par exemple courant de court circuit sans ouvrir le c blage Enfin on groupera les modules de fa on ce qu une ombre impor tante touche si possible tous les panneaux d une m me cha ne et non pas un panneau de chaque cha ne Ceci est particuli rement important pour les modules mont s sur une terrasse en sheds 72 3 G n rateur solaire L ombre du premier shed en hiver va commencer tout en bas du shed suivant il faut si possible connecter les panneaux en s ries hori zontales de mani re ce que l ombr
29. ga lement une bonne pr caution Prix Les batteries Ni Cd sont nettement plus ch res que celles au plomb leur prix d achat au kWh atteint environ Fr 2000 leurs dur e de vie et cyclage tant comparable aux batteries blocs tubulaires leur co t nerg tique est environ le double soit environ Fr 1 40 KWh Mais les batteries Ni Cd supportant une d charge totale permettent de dimensionner des syst mes puissance photovolta que l g rement r duite et sans r gulateur ce qui peut partiellement compenser leur surco t 8 4 R gulateurs Les r gulateurs de charge de batterie au plomb pour installations autonomes photovolta ques peuvent se caract riser en trois groupes principaux les r gulateurs s rie qui incorporent un interrupteur entre le g n rateur et l accumulateur pour arr ter la charge les r gulateurs shunt qui ont un interrupteur en parall le avec le g n rateur pour couper la charge ce qui impose la pr sence d une diode de blocage dans le r gulateur les r gulateurs Maximum Power Tracker MPT qui utilisent un circuit sp cial cherchant le point de puissance maximale du g n rateur pour charger l accumulateur avec le plus grand courant possible A ces trois types de circuit il faut ajouter en g n ral un r gulateur de d charge qui va emp cher une d charge profonde de la batterie en coupant les utilisateurs une tension pr cise Ce circuit sera toujours du type s rie
30. gale le jour en dur e la perte nocturne sera gale au courant inverse du panneau fois 12 h Ce courant inverse est fortement d pendant de la techno logie du fabricant il varie entre quelques mA et 50 mA pour les modules modernes de 50 W Pour citer un exemple nous avons mesur le courant inverse 12 V d un panneau BP 250 comme gal 26 mA La perte nocturne en Ah sera alors P nuit 12 26 10 0 312 Ah En examinant la courbe I V du panneau BP prog PVsyst on mesure une diff rence de 0 16 A entre 14 et 14 5 V points de fonctionnement moyens avec et sans diode schottky une temp rature de pan neau de 70 C On peut donc affirmer qu il suffit de 2 heures de fonc tionnement 70 C sous 1 kW m d irradiance pour compenser la perte nocturne A 55 C la diff rence de courant est de 0 11 A cette temp rature la compensation prend donc environ 3 heures Pour ce panneau il est avantageux de travailler en pays chaud sans diode de blocage et avec un r gulateur s rie Pour d terminer ce choix il faut mesurer plusieurs panneaux pour conna tre la disper sion des courants inverses L interrupteur s rie est souvent un relais de grand courant 20 30 A ce qui permet d avoir un petit circuit sans dissipation interne impor tante Pour limiter les commutations le circuit est souvent quip d une source de courant en parall le avec le relais qui compensera sa consommation et l autod charge de la ba
31. lectricit 4 En Allemagne certaines Le principe de rachat de l UCS est la r tribution en fonction des co ts compagnies ach tent de l lectricit produite par de nouvelles installations en Suisse le courant photovolta que 0 16fr kWh la revendication de l industrie photovolta que est le au co t de production rachat au co t de production r el 1 1 50 fr kWh En pratique le courant photovolta que se n gocie entre ces deux prix limites Il faut noter une pratique assez r pandue en Suisse al manique qui consiste livrer du courant photovolta que une certaine cat gorie de consommateurs qui s engagent en financer la production Dif f rentes formes de financement sont expos es dans le rapport E 2000 sur les Mod les de gestion des installations photovolta ques parles S E 5 En Suisse romande l ENSA Electricit Neuch teloise SA a lanc en juin 1993 le club ENSOL lequel met en souscription des tranches de production de 50 100 ou 250 kWh solaires au prix de 1 20 fr kWh Cette forme de subvention par le consommateur permet des par ticuliers qui n ont pas les moyens techniques ou financiers de construire une centrale photovolta que de s associer la promotion 142 7 Conduite du projet de l nergie solaire toutefois elle ne cr e pas les conditions n ces saires au d veloppement de l industrie photovolta que A Gen ve par exemple en vertu de la loi sur l nergie du 1
32. pe O g Z O Figure 9 17 Repr sentation mensuelle des indices de performance pour les E PR LSR E KER p riodes sans panne 1 0 8 Hanan 0 6 0 4 0 2 0 207 9 Dimensionnement et mesures l PACER R f rences 1 2 3 4 L Keller P Affolter Optimisation de la surface des panneaux PV en fonction du convertisseur statique simulations Bureau Keller Burnier OFEN Novembre 1990 L Keller P Affolter Optimisation de la surface du champ PV Mesures et validation de la simulation Bureau Keller Burnier et EPFL OFEN Mai 1994 Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants Document A Photovoltaic System Monitoring CEC JRC Ispra Issue 4 2 juin 1993 Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants Document B Analysis and Presentation of Monitoring Data CEC JRC Ispra Issue 4 1 juin 1993 208 va PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 1 Calcul conomique 211 10 1 1 Production de courant annuelle 211 10 1 2 Charge financi re annuelle 211 10 1 3 D penses de fonctionnement annuelles 212 10 1 4 Valeur effective du courant produit 212 10 1 5 Mod les de financement 213 10 2 Co ts externes et surco ts inventori s du prix de l nergie 215 10 2 1 Energie prix bas mais co ts lev s 215 10 2 2 Co ts externes et cons quences sur le prix de l nergie 217 10
33. photocomposition et flaschage e DAC 1006 Lausanne e City Comp SA 1110 Morges Direction du projet et coordination e Jean Graf EPFL DA ITB LESO 1015 Lausanne ISBN 3 905232 26 X Copyright 1996 Office f d ral des questions conjonc turelles 3003 Berne juin 1996 Reproduction d extraits autoris e avec indication de la source Diffusion Coordination romande du programme d action Construction et nergie EPFL LESO Case postale 12 1015 Lausanne N de commande 724 243 f Form 724 243f 6 96 800 xxxx ABTIE Association des bureaux techniques d ing nieurs en lectricit Association suisse des lectriciens Office d lectricit de la Suisse romande Association des professionnels romands de l nergie solaire Soci t suisse des ing nieurs et des architectes Union des centrales suisses d lectricit Union technique suisse PACER Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets Avant propos D une dur e totale de 6 ans 1990 1995 le Programme d action Construction et Energie se compose des trois programmes d impul sions suivants PI BAT Entretien et r novation des constructions RAVEL Utilisation rationnelle de l lectricit PACER Energies renouvelables Ces trois programmes d impulsions sont r alis s en troite collabo ration avec l conomie priv e les coles et la Conf d ration Ils doi vent favoriser une croissance
34. tr s opaque laissant passer seulement 20 de lumi re toutes les autres cellules sont sous irradiance maximale La figure 3 23 pr sente la caract ristique l V d un panneau dans ces conditions on remarque que le point de fonctionnement de la cha ne est calculable par it ration pour d terminer le courant Pour chiffrer l exemple on fait l hypoth se que la cha ne n est pas seule mais que d autres cha nes en parall le imposent une tension de fonctionne ment de 105 V point typique 25 C de cellule Pour commencer essayons un courant de fonctionnement de 2 A correspondant une tension nulle pour le panneau ombr Pour les autres panneaux au soleil la tension correspondante est de V 2A 20 V V 5 pan 100V La tension atteinte est trop faible le courant doit alors tre l g re ment plus faible A 1 5 A le panneau ombr fournit une tension de 4 V environ tandis que les panneaux au soleil atteignent V 1 5A 21V V 5 pan 105V La tension totale atteint maintenant V cha ne 105 4 109 V Cela signifie que le point de fonctionnement doit se trouver entre ces deux valeurs et que la cellule ombr e aura un point de fonctionne ment donn par environ V cell 18V cell 1 75A P cell 31 5 W C est l effet Hot Spot voqu plus haut A ce point la cellule d passe 100 C Mais cet effet devient plus grave lorsque le panneau fonc tionne plus haute temp ratur
35. 12 cellules ou 4rang es de 9 11 cellules Le tab entre les cellules forme une petite boucle destin e absorber les mouvements des cellules dus aux dilatations e On proc de ensuite un premier contr le lectrique et optique de Contr le lectrique la cha ne avec une source lumineuse de grande surface Les cha nes sont alors plac es en parall le et reli es entre elles la plupart du temps en s rie Avant de proc der l encapsulation il faut encore nettoyer les soudures pour liminer les r sidus de flux ventuels e Les matrices de cellules sont alors plac es l envers dans une pile Encapsulation de mat riaux comprenant dessous une plaque de verre tremp ensuite une couche d EVA ethylvinylac tate une feuille de fibre de verre textur e pour l vacuation de l air une feuille d EVA et au sommet une feuille de mat riau composite tanche barri re d humidit ou une deuxi me plaque de verre L EVA est utilis comme mat riau moulant et absorbant les dilatations il est galement stable et ne vieillit pas aux UV e La pile est ensuite transf r e dans un laminateur machine Lamination chambre tanche qui r alise le cycle suivant vacuation de l air entre les couches diff rents cycles thermiques dont un passage 150 C et compression pour liquifier l EVA qui p n tre partout entre les couches on obtient apr s refroidissement un laminat l EVA ayant polym ris et tant devenu transparent Cer
36. 18 pr sente une m me cellule de 10 x 10 cm diff rents niveaux d clairage on remarque que le courant est directement pro portionnel l irradiance ces niveaux d clairement La tension par contre n est pas tr s d grad e lorsque la lumi re baisse dans une cellule monocristalline la r sistance parasite shunt reste assez le 60 w z z PACER 3 G n rateur solaire Figure 3 18 Courbe l V diff rentes irradiances qL E pa O O 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 U Tension V v e et la cellule peut fournir une tension correcte m me petits clai rages Pour une cellule polycristalline qui pr sente une plus faible r sistance shunt la tension peut parfois baisser de mani re impor tante d s que la lumi re est en dessous de 30 50 W n 3 5 du maximum Au contraire si une cellule pr sente une r sistance para site s rie importante c est lumi re lev e que la tension au point de puissance maximale en souffrira le plus dans ce cas lorsque l irradiance baisse le fill factor augmente et la courbe devient plus carr e cas habituel des cellules amorphes 3 3 2 Courbe l V en fonction de la temp rature L effet le plus important est l influence de la temp rature qui deman dera des choix importants dans la conception des panneaux et des syst mes Figure 3 19 Courbe l V en fonction de la temp rature Courant A 0 or 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 U Tension
37. 1992 2 Behauptungen und Stellungnahmen zum Thema Photovoltaik Thomas Nordmann PV F rderprogrammileiter E2000 TNC Consulting 8708 M nnedorf 31 Wirtschaftlichkeit Speicherkratfwerke Michael H ckel Bulletin UCS 2 1995 230 va PACER Glossaire Glossaire Accumulateur Ensemble des batteries mont es en s rie parall le d une installation autonome Dans le cas d une installation raccord e au r seau le r seau lui m me joue le r le d accumulateur Alb do Coefficient de r flexion du sol AM Air Mass Valeur d crivant le type de spectre solaire utilis pour une mesure AM exprime la quantit d atmosph re que traversent les rayons du soleil AM 1 sin hauteur du soleil au niveau de la mer La valeur mini male d AM est 1 lorsque le soleil est la verticale atmosph re mini male AM 0 extraterrestre AM 1 5 correspond une hauteur de soleil de 42 Amorphe cellules panneaux Les cellules amorphes sont form es par le d p t de couches tr s fines m taux silicium amorphe a Si sur un support ad quat en g n ral verre ou acier inox voir silicium Angle d incidence Angle entre les rayons du soleil et la normale au plan de capteurs Angle horaire Angle projet sur le plan de l quateur entre le soleil et le midi vrai Il varie de 15 par heure Autonome Installation ind pendante du r seau en g n ral dot e d un stoc kage batteries Azimut Orientation
38. 2 2 1 Quel est le volume des co ts externes 217 10 2 2 2 Surco ts inventori s du prix de l nergie calcul s en fonction de co ts externes 220 10 2 3 Appr ciation des r sultats 222 10 2 4 Remarques finales perspectives 223 10 3 R ponse certaines critiques 224 10 3 1 Demande trop de terrains 224 10 3 2 Non rentabilit 224 10 3 3 Investissements trop lev s 225 10 3 4 Attendre les progr s techniques 225 10 3 5 Retour nerg tique trop faible 225 10 3 6 Bilan cologique d favorable 226 10 3 7 Trop cher pour Energie 2000 227 10 3 8 Besoin de stockage par pompage 227 10 39 Provoque des d chets polluants 227 10 4 Potentiel conomique du photovolta que 228 10 4 1 Potentiel court terme 228 10 42 Potentiel moyen terme 229 10 4 3 Potentiel long terme 229 209 va PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 1 Calcul conomique Le co t de production du courant photovolta que est une fonction des 3 facteurs suivants Production de courant annuelle Charge financi re annuelle D penses de fonctionnement annuelles 10 1 1 Production de courant annuelle La quantit de courant produite pendant une ann e d pend de la qualit de l ensoleillement et de la qualit de l installation Le premier facteur d pend bien entendu des conditions climatiques mais aussi de l orientation des plans de captage et des v
39. 4 Rayonnement sur un plan inclin 27 2 4 1 D finitions g om triques 27 2 4 2 Mod le de transposition 27 2 5 Evaluations pratiques 29 2 5 1 Rayonnement horizontal 29 2 5 2 Rayonnement dans le plan capteur 30 2 5 3 Ombrages 35 R f rences 36 13 PACER 2 Rayonnement incident 2 Rayonnement incident Ce chapitre doit nous amener valuer pr cis ment le poten tiel nerg tique qu on peut attendre du rayonnement solaire dans un lieu et pour une installation donn s Apr s la g o m trie solaire nous verrons l origine et la structure de l ner gie qui nous vient du soleil Les donn es m t orologiques d terminent l nergie disponible pour le plan horizontal elles doivent tre transpos es dans le plan inclin des capteurs en tenant compte de divers effets perturbateurs tels que l horizon les r flexions du sol et les ombrages d objets proches ventuels Logiciels utilis s Une grande partie des informations de ce chapitre pourront tre illus PVSYST tr es par le logiciel PVSYST En particulier les calculs de g om trie g om trie solaire solaire angles d incidence mod le de rayonnement pour un ciel 22 stations suisses clair effets d incidence ombrages de sheds etc pourront tre visua lis s ou tabul s pour n importe quel lieu terrestre PVSYST contient une biblioth que de donn es m t o pour 22 stations suisses et per met de visualiser les donn es sous forme de tables et graphique
40. 55 3 G n rateur solaire Figure 3 15 Cellule au CuS CdS Gap 1 eV Photosynth se lt CuS CdS M tal Bandes d nergie 3 2 4 4 Cellules au s l niure de cuivre et d indium CulnSe2 Ce mat riau gap d environ 1 eV absorbe fortement la lumi re Une couche de 0 5 um est suffisante et d apr s le fabricant am ricain Arco de petites cellules de 3 6 cm ont atteint 12 5 de rendement Certains laboratoires utilisent au milieu de ce compound une couche de CdS ce qui pose de nouveau le probl me du Cd Les d veloppe ments actuels essayent de substituer au Cd un l ment moins pol luant Ces cellules peuvent tre int ressantes dans des cellules mul tibles comme fond leur gap tant particuli rement faible et collectant les rouges et proches infrarouges 3 2 4 5 Cellules lectrochimiques On pr sente ici de fa on tr s raccourcie la cellule mise au point l EPFL par l quipe du professeur Graetzel S inspirant des m ca nismes de la photosynth se o la lumi re est absorb e par les tr s nombreuses couches de chlorophylle l quipe de Lausanne a mis au point une cellule o la g n ration des porteurs et leur s paration sont 56 3 G n rateur solaire assur es par deux mat riaux diff rents le g n rateur de charge est un colorant absorbant qui est d pos sur un semi conducteur gap optimal ou proche de l optimal La structure pr sent e en 1993 uti
41. 8 Installations autonomes Cyclage et dur e de vie Pour une batterie solaire plaques ou tanche le nombre de cycles charge d charge est d environ 200 cycles 80 de profondeur de d charge 30 de d charge il d passe en g n ral 800 cycles La dur e de vie de telles batteries d passe souvent 5 ans et peut atteindre jusqu 10 ann es Les batteries blocs tubulaires d passent 4500 cycles 30 de d charge et elles durent plus de 10 ann es Autod charge Cette valeur varie d un constructeur l autre car elle d pend des mat riaux utilis s alliage de plomb s parateurs Une bonne bat terie solaire ne devrait pas avoir plus de 3 5 de perte de capacit mensuelle 20 C L autod charge augmente avec la temp rature et triple 30 C par rapport 20 C Mise en s rie parall le montage On peut connecter en s rie parall le des batteries solaires exacte ment identiques et de m me ge Pour la mise en parall le il faut veiller l quilibrage des courants par un c blage sym trique Pour chaque cha ne de batterie monter un fusible en s rie dans le c blage Il est toujours avantageux de surdimensionner une batterie au d part la mise en parall le de batteries d ges diff rents tant for tement d conseill e la batterie la plus g e faisant vieillir pr matu r ment la nouvelle Il est galement meilleur d utiliser une grande batterie plut t que deux petites totalisant l
42. 9 2 1 Electricit sans co ts du risque Centrale au fil de l eau Centrale accumulation Centrale nucl aire Installation turbine gaz Augmentation du prix de revient de l lectricit photovolta que lors de la prise en consid ration des co ts externes del construction transport et limination Prix de Augmentation du revient actuel prix de revient sans ct kWh co ts du risque ct kWh Tableau 10 2 Surco ts inventori s du prix de l nergie calcul s en fonction des co ts externes SIPE en comparaison avec les prix actuels de l nergie Trois variantes sans les suppl ments de risque pour les risques d accident lors de la production d lectricit Variante SIPE 1 SIPE sur la base d estimations de co ts de dommages Variante SIPE 2 pour l effet de serre les SIPE reposent sur les co ts d vitement pour les autres domaines ce sont les co ts des dommages qui sont utilis s avec la prise en consid ration de la r duction de la consommation d nergie suite une strat gie d vitement Variante SIPE 3 SIPE sur la base d estimations des co ts des dommages mais sans les co ts externes de l effet de serre 221 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER 10 2 3 Appr ciation des r sultats Les r sultats du tableau 10 2 par d finition ne sont pas complets De nombreux co ts externes d ordre immat riel ne peuvent pas encore tre appr hend s et d au
43. 91 4 4 1 Onduleurs pilot s par le r seau 91 4 4 2 Onduleurs r f rence interne 91 4 4 3 Onduleurs circuit HF interm diaire 93 4 4 4 Onduleurs synth se de tension 94 4 4 5 Onduleurs distribu s 95 4 4 6 R gulation et recherche du MPP 95 4 4 7 Interconnexion de plusieurs onduleurs 96 4 5 Pr cautions de montage 96 R f rences 98 79 4 Onduleurs pour le r seau 4 Onduleurs pour le r seau Dans une installation raccord e au r seau l appareil de condi tionnement de la puissance onduleur est l l ment cl le plus d licat de l installation Situ l interface entre le champ PV et le r seau il doit tre adapt aux imp ratifs techniques et doit assurer la s curit de deux sous syst mes lectriques tr s diff rents Outre les divers principes de fonctionnement nous verrons dans ce chapitre les pr cautions observer lors du choix de l appareil pour l adaptation aux normes de s curit et de qualit du courant inject dans le r seau 4 1 Installations autonomes et r seau On distingue deux grandes classes d installations photovolta ques les installations dites autonomes o l nergie produite au fil du soleil doit en g n ral tre stock e dans des batteries si l utilisation n est pas imm diate les installations raccord es au r seau capables de d biter l nergie produite en surplus des besoins propres ventuels de l utilisateur dans le r seau Outre les
44. Adresses utiles En Suisse romande les informations sont diffus es par le journal ENERGIE dit par la Conf rence romande des d l gu s l nergie 7 4 3 Divers Les soci t s de distribution d lectricit encouragent parfois la pro duction des nergies renouvelables par des tarifs int ressants pour la reprise du courant lectrique voir chapitre 7 5 141 7 Conduite du projet PACER Canton D ductions Subventions Documents Date fiscales consulter Berne X P C Extrait du PV du Conseil ex cutif 26 06 91 Fribourg X Gen ve X P R gl d appl de la Loi sur l nergie 31 08 88 Tarif Eai des SIG 01 01 93 Jura X Neuch tel X Valais X C Loi sur les conomies d nergie 11 03 87 Vaud X Installations pilotes P subventions priv es C subventions pour les communes Figure 7 1 Subventions cantonales directes 7 5 Tarification 7 5 1 Conditions de rachat du courant Il n existe pas de r gle g n rale concernant les modalit s de rachat du courant produit La d cision appartient chacune des 1200 soci t s distributrices qui ont des sensibilit s diff rentes par rapport la probl matique des nergies renouvelables Diff rentes recommandations ont t publi es ce jour parmi les quelles nous citerons celles de l UCS concernant la r tribution des injections dans le r seau 3 et celui de l OFEN concernant un mod le de contrat pour la reprise de l
45. STC Standard Test Conditions Conditions de r f rence pour la mesure des modules solaires selon IEC 904 1 irradiance de 1000 W m 2 temp rature de cellule de 25 C spectre AM 1 5 Synergie de fonctions Effet obtenu par l int gration architecturale des modules photovol ta ques qui peuvent remplir d autres fonctions telles que ombrage clairage l ments de fa ade ou de couverture 237 Glossaire Syst me photovolta que connect au r seau G n rateur photovolta que utilisant le r seau comme r servoir pour injecter les surplus de production et soutirer les besoins pendant les p riodes d ensoleillement insuffisant Syst me photovolta que ind pendant ou en lot G n rateur photovolta que produisant l nergie pour un consom mateur isol non connect au r seau Comporte en g n ral des l ments de stockage ou un syst me hybride Syst me hybride Combinaison d un g n rateur photovolta que ou olien avec un g n rateur d appoint utilisant une nergie non renouvelable pour limiter les probl mes et les co ts de stockage de l lectricit dans des batteries D signe galement un syst me mixte photovolta que et olien Temp rature cellule Temp rature effective des cellules d un panneau sous des conditions d ambiance et d irradiance donn es voir aussi NOCT Temp rature coefficients Puissance K Variation de puissance d un module en fonction d
46. V cf figure3 17 intensit nominale ou trier rapidement en courant un lot de cellules fonctionnant un point de tension fixe Courant A Puissance W 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 Tension V La figure 3 17 pr sente une cellule monocristalline typique de 10x10cm on a trac la variation du courant par rapport la tension ainsi que la courbe de puissance par rapport la tension On repr sente la courbe dans le quadrant 1 pour des raisons de commodit et facilit de lecture On remarque que la courbe de puissance passe par un maximum environ 0 45 volt valeur typique dans cette tech nologie cette tension V MPP on fait correspondre un courant I MPP et en tra ant le rectangle passant par ces points on d finit la surface sous la courbe Plus une cellule sera de bonne qualit plus cette surface sera grande pour un courant inchang et plus la courbe sera carr e On d finit ainsi le facteur de remplissage FF Fill Factor FF Pmax Voc Isc Dans la fabrication on va chercher optimiser le fill factor sans perdre de courant ni de tension en effet une cellule grille de m tal lisation large aura peu de r sistance s rie et un bon fill factor mais aura perdu du courant cause de l ombrage l optimum sera un com promis entre ces deux points Les valeurs typiques de fill factor vont environ de 60 cellules amorphes ou m diocres 80 meilleures cellules La figure 3
47. V globale du champ n est pas mesurable facilement elle n cessite une charge variable capable d absorber la puissance nominale 9 3 2 Contr les de l onduleur L onduleur ne peut fonctionner qu en pr sence du r seau Les contr les devront donc attendre la visite des services comp tents Ceux ci v rifieront les param tres touchant aux exigences des ins tallations domestiques et aux prescriptions de l entreprise distribu trice en particulier la qualit de la mise terre la surtension occa sionn e par l injection de puissance les harmoniques et missions lectromagn tiques etc Si l installation ne pr sente pas de d faut le compteur d injection sera mont et l entreprise d lectricit proc dera la mise en service provisoire Pendant au moins une semaine elle mesurera la tension les surtensions et le courant inject par l installation PV dans le r seau public Si les valeurs mesur es ne d passent pas les valeurs admises le pro pri taire de l installation re oit une autorisation d exploitation en parall le avec le r seau ainsi qu un contrat pour la fourniture de l nergie inject e La plupart des onduleurs disposent maintenant d une connexion per mettant de contr ler leur fonctionnement par un PC Ce contr le four nit en g n ral la tension DC ainsi que les tension courant et puis sance du c t alternatif Certains m morisent les donn es sur une certaine dur e permettant ainsi
48. architectes et entreprises devront tre vit s Dans le cas o la chose ne serait pas possible il est important d ta blir un co t net du g n rateur et de reporter les co ts annexes sur le budget de construction Le d roulement d un projet photovolta que suit la proc dure habi tuelle aux chantiers de construction avec quelques adjonctions La succession des tapes est d crite ci apr s 7 1 1 Pr liminaires L nergie photovolta que est encore une source d nergie co teuse Les mesures d conomie et en partant du principe que l nergie conomis e est l nergie la d nergie passent avant moins ch re une valuation pr liminaire de la gestion et de la les nergies renouvelables conservation de l nergie dans le b timent concern permettra d valuer si besoin est les mesures prendre avant la r alisation de la centrale photovolta que Cette d marche est importante car la d ci sion d investissement ou de subventionnement est souvent prise dans un contexte nerg tique plus g n ral 7 1 2 Avant projet L avant projet comprendra l tude des donn es climatiques locales et des r glements relatifs aux constructions ainsi qu un premier aper u des possibilit s de subventions La partie technique comprendra le choix des syst mes et des com posants ainsi qu une premi re esquisse de la construction et du dimensionnement incluant un calcul sommaire de la production d nergie voir 9 1 Pr dime
49. contre chaque panneau est fix par quatre points de montage et chaque point de montage est utilis par quatre panneaux De ces consid rations r sulte que la surface d action du vent par unit de fixation repr sente exactement la surface d un panneau K c q A La force K est transmise par les l ments de fixation qui sont les points faibles de la structure Plus ce nombre sera choisi petit plus les forces seront importantes et plus grand sera le danger d arra chement de l un d entre eux Ce mode de calcul permet une optimi sation empirique 126 l il PACER 6 Types de centrales photovolta ques Figure 6 14 Forces du vent sur un toit inclin Fo Panneau Points de fixation CL ERP D SS A Surface de prise O om na 7777 77 7 6 4 4 Pose sur fa ade Des modules photovolta ques peuvent galement tre fix s contre une fa ade de fa on identique la pr c dente en prenant garde une bonne ventilation arri re dans le cas de fa ades de grande hau teur Lors de pose en fa ade il ne faut pas perdre de vue les condi tions de captage qui ne sont pas optimales Une fa ade sud pr sente des conditions de captage int ressantes en hiver les fa ades est et ouest sont plus d favoris es et un calcul pr liminaire est indispensable 6 4 5 C blage Les modules pos s en toiture ou en fa ade sont difficilement acces
50. correspondant une hauteur du soleil de 48 au niveau de la mer 2 2 5 Spectre du rayonnement Le rayonnement lectromagn tique est compos de grains de lumi re appel s photons L nergie de chaque photon est directe ment li la longueur d onde E h v h c x o h est la constante de Planck v la fr quence c la vitesse de la lumi re Le spectre du rayonnement extraterrestre correspond environ l mission d un corps noir port 5800 K Une courbe standard combpil e selon les donn es recueillies par les satellites est d sign e sous le nom de AMO Sa distribution en nergie est r partie en ultraviolet UV 0 20 lt lt 0 38 um 6 4 visible 0 38 lt lt 0 78 um 48 0 infrarouge IR 0 78 lt lt 10 um 45 6 La figure 2 8 montre l att nuation observ e apr s le passage tra vers une paisseur d atmosph re correspondant 1 5 masse d air La d finition de ce spectre de ciel clair not AM 1 5 sert de r f rence pour la mesure de cellules photovolta ques On peut gale ment remarquer le spectre du diffus par beau temps nettement ren forc vers le bleu du fait de la diffusion de Rayleigh sur l air Les diffus par ciel couvert couvrent beaucoup mieux tout le spectre visible ciel blanc Cela a son importance car nous verrons par la suite que la sensibilit des cellules photovolta ques est maximale dans les r gions rouge et infrarouge 1 5 Il y Rayonne
51. de la Suisse au volume mondial des dommages gaz charbon 6 29 n gligeable pas analys 102 267 28 73 Centrales d accumulation Centrales au fil de l eau Part suisse aux dommages 1 670 43 600 mondiaux estim s Volume de co ts selon le concept du co t d vitement 5 200 7 400 3 130 48 400 6 660 12 200 Tableau 10 1 Tableau synoptique des estimations concernant les co ts externes dans le domaine de l nergie sans la mon tarisation des risques de dommages de la production d lectricit 219 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER 10 2 2 2 Surco ts inventori s du prix de l nergie calcul s en fonction de co ts externes Si l on r partit les co ts externes de la pollution atmosph rique sur les missions de polluants qui en sont l origine on obtient des suppl ments d missions en francs kg de polluant atmos ph riquel Si les missions de polluants atmosph riques sp cifiques d un syst me nerg tique sont connues les co ts externes de la pollution atmosph rique en francs par kWh d input nerg tique engendr e par ce syst me peuvent tre calcul s l aide des sup pl ments d missions Suppl ments d missions par kg d mission annuelle SO 11 5 26 9 francs kg NO 13 8 32 3 francs kg en plus pour les missions en t NO kso 14 3 33 5 francs kg COVso 12 4 30 7 francs kg Les surco ts inventori s du prix de l nergie calcul s
52. dont on ne conna t que les moyennes mensuelles les simulations dyna miques requi rent la cr ation de s quences artificielles de valeurs horaires pour le rayonnement et la temp rature Gr ce des m thodes statistiques bas es sur un grand nombre de donn es m t o enregistr es dans des r gions climatiques diff rentes il est possible de g n rer des valeurs horaires synth tiques qui reprodui sent au mieux les distributions temporelles r alistes successions de jours successions d heures dans la journ e Une telle g n ration sera propos e par M t onorm 95 et est impl ment e dans le logiciel PVSYST avec les options suivantes soit g n rer des suites de valeurs conformes aux distributions g n rales mais parfaitement al atoires aboutissant des moyennes mensuelles et annuelles non pr determin es on aura une distribution de bonnes et de mau vaises ann es soit renormaliser ces donn es pour obtenir les moyennes mensuelles et annuelles fournies au d part 2 3 6 Mod le de rayonnement diffus Le traitement de l nergie re ue au niveau des cellules fait intervenir diff remment les composantes directe et diffuse Il est donc n ces saire de disposer d une valuation diff renti e global et diffus ou direct et diffus en valeurs horaires Malheureusement ces mesures sont rarement disponibles dans les bases de donn es m t orologiques horaires et ne sont pas fournies par le g n rateur synth t
53. du r seau et de l environnement lectromagn tique 83 4 4 Principes de fonctionnement 91 4 5 Pr cautions de montage 96 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau 99 5 1 Principe de raccordement 101 5 2 El ments d une installation 102 5 3 Protection et s curit 106 5 4 Dispositif de mesures 111 6 Types de centrales photovolta ques 113 6 1 Analyse typologique 115 6 2 Analyse conomique de l int gration 118 6 3 Construction sur le terrain 120 6 4 Construction rapport e sur b timents 121 6 5 Construction int gr e au b timent 127 6 6 Centrales hybrides 129 6 7 Centre de d monstration 131 7 Conduite du projet 133 7 1 Planification 135 7 2 Normes et prescriptions 139 Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets et 7 3 Autorisations et proc dure 139 7 4 Subventionnement 141 7 5 Tarification 142 8 Installations autonomes 147 8 1 Syst mes 150 8 2 G n rateurs 151 8 3 Batteries 153 8 4 R gulateurs 160 8 5 Onduleurs 164 8 6 Consommateurs 166 8 7 Dimensionnement 174 9 Dimensionnement et mesures 181 9 1 Pr dimensionnement 183 9 2 Dimensionnement d taill 187 9 3 Contr les la r ception de l installation 200 9 4 Mesures en exploitation 202 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 209 10 1 Calcul conomique 211 10 2 Co ts externes et surco ts inventori s du prix de l nergie 215 10 3 R ponses certaines critiques 224
54. eau d pendant de la taille du vase d expansion et que la robinetterie doit tenir continuellement la pression R servoir membrane Pressostat Entr e d eaau Alimentation robinets Le syst me accumulation est plus simple mettre en uvre la r sistance la pression de la robinetterie n est pas critique la pompe peut tre command e soit par un syst me automatique flotteur dans le r servoir soit manuellement Les d savantages sont la faible pression et la n cessit de purger le r servoir en hiver Pour ces deux moyens on peut utiliser des pompes centrifuges ou membranes du type de celles d velopp es pour les bateaux Rendement lev mais dur e de vie limit e Confort moderne Figure 8 12 Syst me de pompe en pression 171 8 Installations autonomes Moteur charg au d marrage 8 6 3 3 Circulateurs de chauffage Un troisi me usage des pompes solaires est la commande de la pompe de circulation de capteurs solaires La pompe peut soit fonctionner au fil du soleil en esp rant que son d bit est adapt aux performances thermiques des capteurs ou tre enclench e par un r gulateur mesu rant la diff rence de temp rature collecteurs accumulateur Les pompes pour cet usage sont en g n ral centrifuges des mod les entre 8 et 40 W permettent de r soudre les cas habituels pour des besoins familiaux Le m me type de circulateur peut tre utilis par exem
55. en fonction des co ts externes SIPE montrent le niveau des co ts externes mon tarisables des diff rents agents nerg tiques Ces surcro ts ne d pendent pas uniquement de l agent nerg tique mais aussi du syst me nerg tique dans lequel les agents nerg tiques sont consomm s c est dire de ses missions sp cifiques respecti vement de ses technologies de combustion et d assainissement des gaz d chappement Le tableau 10 2 fournit une vue d ensemble des augmentations du prix de l nergie calcul es pour diff rents syst mes de chauffage ainsi que pour la production et la distribution de courant lectrique Les SIPE estim s se pr sentent g n ralement sous la forme de fourchettes afin de tenir compte des incertitudes existantes La Variante SIPE 1 se base g n ralement sur des valuations des co ts des dommages qui sont cependant probl matiques dans le cas de l effet de serre C est pourquoi nous pr f rons la Variante SIPE 2 qui estime les co ts externes de l effet de serre travers les co ts d vitement Afin de clarifier et d illustrer l influence des co ts de l effet de serre une Variante SIPE 3 sans ces derniers a t isol e Pour les syst mes nerg tiques de production et distribution de chaleur les SIPE contiennent aussi les co ts externes qui sont entra n s par le conditionnement des combustibles pr combustion effets externes lors de la pr paration des agents nerg tiques esti
56. en continu d instal lations solaires d une part cause de leur prix modique de l ordre de 500 FS et d autre part pour leur r ponse spectrale proche de celle des panneaux Cependant le rayonnement ainsi mesur est tr s dif ficile relier avec pr cision au rayonnement global des mesures m t orologiques Nous pr ciserons ce point d licat dans le para graphe 9 4 3 En m t orologie les mesures les plus couramment disponibles por tent sur le rayonnement global dans le plan horizontal L valuation de l nergie incidente sur un plan quelconque est effec tu e par des mod les de transposition dont nous parlerons plus loin qui font intervenir galement la composante directe ou la compo sante diffuse ce qui revient au m me puisque dans le plan hori zontal on a la relation Global Direct Diffus Dur e d ensoleillement irradiance flux W m Irradiation nergie kWh m Mesures du global Mesures m t orologiques courantes global horizontal 23 2 Rayonnement incident Figure 2 9 Mesures du rayonnement solaire Pyranom tre et cellule PV de r f rence Mesures du diffus Pyranom tre Tr s large spectre de rayonnements Grande acceptance angulaire Coupoles de verre KE Tension thermo lectrique O 5 15 mV Thermocouples Cellule PV de r f rence R ponse spectrale sp cifique au PV Sl cristallin Acceptance angulaire limit e par r flexions
57. entre sheds p et la largeur de chaque bande de capteurs L S capt _ L _ f S horiz p cos f sin B tg 0 Se Limite d ombrage Cependant seul le rapport L p et l inclinaison restent significatif lors d une optimisation Pour limiter les ombrages mutuels on peut admettre sous nos latitudes une hauteur limite du soleil de 18 envi ron pour une orientation au sud L ombrage prend alors l allure indi qu e sur la figure 9 2 et reste acceptable durant tout l hiver pour une orientation sud Une orientation diff rente correspond simplement une translation de cette courbe selon l axe des azimuts on voit donc que les effets d ombrage seront plus importants en cas d orientations autres que le sud 184 PACER 9 Dimensionnement et mesures Figure 9 2 Ombrages mutuels de sheds longueur infinie pour une Ombrages mutuels de sheds orientation sud angle limite 18 orientation sud angle limite 18 Latitude de Gen ve 46 Hauteur 30 120 Q Azimut Pour une surface horizontale donn e la surface de capteurs qu on peut installer en respectant un angle d ombrage pr d termin est donc maximum pour des capteurs horizontaux et diminue mesure qu on incline les capteurs Pour une inclinaison raisonnable de 30 elle avoisine les 40 de la surface horizontale disponible Figure 9 3 Taux d occupation du sol selon Lim 21 l inclinaison des ca
58. et permettant le dopage du mat riau La figure 3 13 montre un arrangement possible d atomes de sili cium amorphe Figure 3 13 Aspect du silicium amorphe Liaison pendante On fabrique ainsi un compos qui est un alliage de silicium amorphe Cellule couche mince et d hydrog ne a Si H Cet alliage pr sente un gap plus lev que le silicium cristallin et absorbe la lumi re beaucoup plus fortement 1 um suffisant capter le rayonnement re u sur terre Ce qui signi fie que la quantit de silicium n cessaire n est plus pr pond rante en regard des autres co ts de la cellule Des films de 1 um peuvent tre d pos s sur des substrats divers sur le march on trouve le plus souvent le verre structure tr s proche ou l acier inoxydable ce qui permet de fabriquer des panneaux peu fragiles et l gers Le dopage est effectu lors du d p t du mat riau en ajoutant les l ments sous forme gazeuse au silane Les longueurs de diffusion ou la dur e de vie des porteurs minori taires sont tr s courtes dans ce mat riau ce qui rend le substrat peu conducteur et augmente beaucoup la r sistance s rie La seule par tie active est la jonction les porteurs g n r s ailleurs se recombinant le plus souvent localement La structure inhomog ne du mat riau rend la structure instable lors des premiers jours de fonctionnement un panneau amorphe verra son courant diminuer de 10 20 pour ensuite se stabili
59. exp q V I Rs kT 1 V I Rs Rp et on remarque que le courant de court circuit condition V 0 n est plus strictement gal Ip Figure 3 9 Sch ma quivalent d une cellule solaire 47 3 G n rateur solaire Extraction du silicium Purification du silicium Cristallisation du silicium 3 2 Technologie des cellules photovolta ques Les trois premiers paragraphes seront consacr s exclusivement aux cellules fabriqu es partir de silicium deuxi me l ment le plus abondant dans la cro te terrestre apr s l oxyg ne Le dernier sous chapitre traitera des autres mat riaux de base Le silicium n existe pas pur mais seulement sous forme oxyd e tant le constituant de base du sable Pour fabriquer du silicium pur on utilise la base du sable de quartz qui est cristallis Le proc d de raffinage est une r duction dans un four arc lectrique par du car bone la r action suit l quation SiO2 2C gt Si 2CO On fabrique de cette mani re par ann e plus d un million de tonnes de ce silicium dit m tallurgique Sa puret est de l ordre de 98 99 les impuret s les plus importantes tant l aluminium et le fer Sa prin cipale utilisation est comme composant de l aluminium et de l acier Ce proc d d extraction est relativement efficace l nergie consom m e tant peu pr s la m me que pour l extraction de l aluminium ou du titane Une petite p
60. facilement des lectrons ce qui facilite ga lement le d marrage froid A 230 Vac et 50 Hz on ins re avec le tube une inductance sur un p le et un starter comme indiqu sur la figure 8 11 lorsque le montage est mis sous tension le starter qui contient un gaz du m me type que le tube s allume et chauffe son bi lame se ferme ce qui fait passer un grand courant dans les lec trodes du tube qui chauffent Le starter tant ferm s est teint il refroidit et s ouvre ce qui provoque une tension lev e aux bornes du tube due l inductance s rie L enclenchement peut durer quelques secondes suivant la phase et la tension instantan es o cette s quence se passe ce qui explique les clignotements usuels au d marrage En basse tension DC pour remplacer le starter et l inductance on fabrique un l vateur de tension haute fr quence qui lorsqu il n est pas charg fournit une tension assez lev e pour d marrer le tube Les fabricants proposent un grand choix de lampes fluorescentes en 12 et 24 Vdc elles sont en g n ral propos es sous forme de r glettes en bo tier aluminium ou plastique et con ues pour le march du cara vaning On peut galement trouver les ballasts lectroniques seuls pour alimenter par exemple des tubes en forme de U type PL qui peuvent tre incorpor s plus facilement dans des lampes de forme traditionnelle 168 8 Installations autonomes Crit res de choix
61. gulateur Pour des installations large plage de temp rature T lt 0 C amp T gt 30 C il faut utiliser un r gu lateur qui mesure la temp rature ambiante et adapte la tension maxi male de charge en cons quence Une valeur typique de compensa tion est 6 mV C par cellule 2V de batterie Figure 8 9 R gulateur shunt Refroidissement Diode de blocage D w 2 Li A Commande m Z k 8 4 2 R gulateur s rie Le r gulateur s rie fonctionne de la m me mani re que le shunt cycle de charge compensation thermique mais son interrupteur en s rie n oblige pas la pr sence de diode de blocage sur le circuit celles ci seront le plus souvent plac es dans les bo tes de jonction des panneaux solaires L utilit r elle de la diode de blocage doit tre examin e avec soin Dans les pays temp r s les besoins d nergie solaire sont en g n ral beaucoup plus lev s en hiver sauf pour r frig ration qu en t dans ce cas la diode de blocage ne g ne pas le panneau ayant une r serve de tension suffisante froid 161 8 Installations autonomes Estimer les pertes des diodes de blocage pour les pays chauds R cup ration du surplus d nergie Figure 8 10 R gulateur s rie Dans les pays chauds il faut estimer le gain ou la perte de la diode de blocage ici les besoins sont en g n ral plus importants en t ventilation et r frig ration En estimant que la nuit
62. kWp pour un plan 30 sud et pour une fa ade sud correspondant aux conditions m t orologiques de la figure 4 4 197 9 Dimensionnement et mesures Figure 9 12 Distribution de puissance au MPP pour un champ de 3 18 kW 30 sud Figure 9 13 Distribution de puissance au MPP pour le m me champ en fa ade sud 60 panneaux plan 30 sud Valeurs du 1 1 92 au 31 12 92 Energie par bin kWh 0 0 0S 1 0 LS 20 2 5 amp BS Puissance du champ au MPP kW Puissance du champ au MPP kW 100 Valeurs du 1 1 92 au 20 G Le Energie par bin Le PNom 3 18 kWp 20 0 0 5 1 6 15 2 0 2 5 3 0 3 5 Puissance du champ au MPP kW Dans la mesure o l appareil supporte des surpuissances tempo raires ce qui et normal il doit comporter les s curit s n cessaires on peut admettre que la puissance maximale du champ 30 est de 3 KW environ alors qu elle ne d passe pas 2 4 kW en fa ade Enfin la puissance r elle aux conditions standard est le plus souvent inf rieure la puissance nominale sp cifi e par le fabricant Ce d faut de performances est difficile int grer dans le dimensionne ment car inconnu avant la commande N anmoins on peut tabler sur une perte situ e habituellement entre 5 et 12 Ainsi la puissance optimale du champ sera sup rieure la puissance nominale de l onduleur pour les deux raisons suivantes une raison physique en aug
63. l nergie n cessaire l extrac tion du combustible La production d un MWh de courant lectrique consomme 4 1 gr d uranium 238 Ceci repr sente l extraction de 640 kg de minerai d uranium en Australie ou en Afrique du Sud Toute cette cha ne d approvisionnement repr sente une charge consid rable pour l environnement et le CO 226 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques Le m me MWh peut aussi tre produit avec 300 kg de charbon ou 200 kg de fuel Le photovolta que consomme pour la m me quantit de courant 2 5 kg de verre 0 1 1 kg de cadre 1 5 kg de silicium et aucun com bustible 10 3 7 Trop cher pour Energie 2000 Critique Pour atteindre les objectifs fix s par le programme E2000 il faudrait investir des milliards rien que pour le photovolta que En comparai son avec les autres objectifs de notre programme d conomie d ner gie la d pense est d mesur ment lev e R ponse Le photovolta que est une partie d Energie 2000 L ensemble des nergies renouvelables sans l hydraulique devraient d ici l an 2000 couvrir 0 5 des besoins de courant Le photovolta que devrait en fournir le quart c est dire un apport annuel de 55 millions de kWh ce qui repr sente une puissance install e de 50 MW soit environ 20 fois la valeur de 1992 Cela repr sente une augmentation de la sur face de module par habitant de 5 4 x 5 4 cm 27 x 27 cm La r alisation de ce p
64. l on r percute les co ts externes valu s sur les prix de l nergie dans le domaine de l lectricit et de la chaleur en fonction de ceux qui les causent c est pour l huile de chauffage que l on obtient les plus grandes disparit s Pour l huile de chauffage extral g re les co ts se situeraient entre 140 et 220 des prix du march de 1992 alors que pour l huile de chauffage moyenne et lourde les diff rences de prix seraient encore plus importantes D autre part le prix du gaz naturel augmenterait de 70 100 celui du bois de 25 50 et celui de l lectricit de 5 11 sans prise en consid ration des risques d accident L estimation des risques de rupture de barrage ou d accidents majeurs dans les centrales nucl aires tr s faible probabilit mais potentiel de dommage extraordinairement lev d pend fondamentalement de l attitude de la population envers de tels risques Il existe diff rents concepts pour la mon tarisation des attitudes face au risque qui m nent des suppl ments de prix de l lectricit de l ordre de 0 1 ct par kWh 2 14 ct par kWh Cet tat de fait montre que l nergie est consomm e aujourd hui un prix trop bas Les prix de l nergie actuels envoient des signaux erron s aux agents conomiques ce qui a comme cons quence que l nergie est trop consomm e et pas assez conomis e 216 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 2
65. l optimum avec un ondu leur limitation est beaucoup moins marqu aux environs de 140 150 Pour une fa ade sud cet optimum est repouss au del de 200 Ces r sultats ne tiennent pas compte du d faut de caract ristiques par rapport aux sp cifications du fabricant qui augmente encore ces optimums d un facteur 5 12 Avec la baisse des co ts proportionnels prix des capteurs les opti mums obtenus ci dessus seront encore plus lev s D autre part il faut bien faire attention que ces r sultats sont tablis pour le climat du Plateau suisse Dans des conditions diff rentes montagne par exemple il peut tre n cessaire de r tudier lopti misation l aide de PVSYST 9 3 Contr les la r ception de l installation La v rification finale du bon fonctionnement de l installation au niveau du captage sera effectu e par l installateur Avant la mise en service en parall le avec le r seau public l instal lation doit d abord tre contr l e par l entreprise d lectricit com p tente 9 3 1 Contr le du champ Les v rifications du montage du champ comporteront les mesures suivantes les mises terre de toutes les parties de l installation supports cadres des capteurs connexions jusqu l onduleur liaison au 200 9 Dimensionnement et mesures circuit parafoudre seront inspect s visuellement et doivent tre conformes aux exigences expos es dans le chapitre5 3
66. le blindage c t coffret sera reli aux structures m talliques pour r aliser la mise terre En parall le cette liaison on ajoutera une mise terre suppl mentaire le plus pr s possible du c ble ou l on augmentera la section du blindage pour que la section totale soit de 25 mn Cu au minimum c pour les b timents sans parafoudre ext rieur et les panneaux sans cadre m tallique et sans clateur le blindage sera reli uniquement aux l ments para surtensions et ventuellement aux supports m talliques Il faut tout de m me respecter les pr cautions de c blage d crites ci dessus et la section minimale de 25 mn Cu de blindage qui am liorent la s curit en cas de coup de foudre En cas de modification ou d agrandissement de l installation la mise terre est ainsi d j conforme Entre les p les DC et la terre du blindage on doit monter des l ments para surtensions l entr e du b timent Ceux ci seront dans un coffret difficilement inflammable m tal si possible A l entr e de l onduleur on montera de m me de telles protections de dimensions quivalentes entre les deux p les DC et la gaine de blindage Le dimensionnement respectera les recommandations des fabricants Pour des liaisons courtes entre le coffret et l onduleur un seul groupe de para surtensions peut suffire S il se trouve sur le b timent d autres structures m talliques moins de 1 m tre des panneaux solaires celles ci s
67. le d pannage l instruction du personnel et les modifications ou extensions de l installation Cette documentation se trouvera dans un lieu facilement accessible par exemple pr s de l onduleur Dans la mesure du possible la documentation comprendra les l ments suivants Introduction description e Introduction prescriptions bibliographie e Conception g n rale du syst me e Description de l installation v sous 4 e Rendements nerg tiques calcul s Service e Sch ma bloc v sous 6 e Check lists d entretien et explications e Description de la signalisation En cas de panne e Liste des fournisseurs adr t l fax e Quittance des alarmes remise en route e Check list des manuels d instructions e Liste des responsables de la s curit Sch mas de principe fonctions e Sch mas avec explications e Description du fonctionnement e Description des r gles de s curit Entretien et contr le e Travaux de l utilisateur e Travaux des fournisseurs Annexes e Sch mas lectriques e Plans d installation e Instructions de service onduleurs etc e Protocoles de mesure mise en service e Liste des pi ces de rechange 138 va PACER 7 Conduite du projet 7 2 Normes et prescriptions Par sa nature multidisciplinaire une installation photovolta que est soumise aux diff rents r glements et recommandations des profes sions concern es En plus des normes cit e
68. les il peut former des ombres et tre concentr par des miroirs Rayonnement diffus Rayonnement diffus par l atmosph re air n bulosit On le d compose parfois en composantes isotrope circumsolaire et bande horizon Rayonnement extraterrestre Rayonnement l ext rieur de l atmosph re il varie de 3 3 au cours de l ann e autour de sa moyenne de 1367 W m voir constante solaire Rendement d une installation photovolta que Rapport de la puissance g n r e par une installation photovolta que par rapport l irradiance solaire re ue sur la surface des panneaux Rendement d un module Rapport de la puissance maximale g n r e par rapport l irradiance re ue sur toute la surface du module Rendement pond r europ en Valeur moyenne de rendement d un onduleur d installation coupl e au r seau fonctionnant dans des conditions m t orologiques moyennes pour l Europe R gulateur Dispositif lectronique ou lectrom canique emp chant la surcharge d une batterie au plomb Est souvent coupl un deuxi me circuit d lestant la sortie lorsque la batterie est d charg e pour viter une trop grande d charge de la batterie R sistance de c blage R sistance globale des c bles de connexion vue de l onduleur Silicium mono polycristallin c Si Silicium utilis pour la fabrication de cellules mono ou polycristal lines Spectre du rayonnement Distribution en longueurs d onde
69. les dopants pour r aliser des structures multicouches gap diff rents chaque couche tant sp cialis e dans la conversion d une bande du spectre de lumi re Les panneaux sur le march sont soit une seule jonction avec des rendements de 4 6 soit deux jonctions attei gnant 7 9 Le d veloppement des cellules amorphes a b n fici de leur utilisation grande chelle comme source de courant dans les calculettes solaires plusieurs m gawatts de telles cellules sont fabriqu s chaque ann e Un avantage du silicium amorphe dans cet usage est son meilleur rendement tr s faibles clairements et dans les petites longueurs d onde bleus d clairage fluorescent Le potentiel de r duction massive des prix des g n rateurs est une r alit avec cette technologie En am liorant la stabilit des mat riaux et en utilisant des structures multicouches le rendement du sili cium monocristallin devrait tre d pass pour un co t nettement inf rieur dans une fabrication grande chelle 3 2 4 Autres technologies couche mince A part les cellules au silicium cristallin ou amorphe actuellement sur le march on a essay une grande vari t de techniques pour fabri quer un semi conducteur meilleur march avec lequel on pourrait fabriquer une cellule On a ainsi essay de faire cro tre du silicium monocristallin partir de silicium polycristallin directement sur un substrat de graphite sous forme d une feuil
70. les niveaux de tension et courant continus du champ En particulier les interrupteurs haute tension et courant DC contien nent des dispositifs sp ciaux plaques pour fractionner un arc ven tuel dissiper son nergie et faciliter son extinction 3 6 2 Risque d incendie Les cons quences d un arc lectrique peuvent conduire un incen die qui pourra occasionner des d g ts locaux ou se propager et d truire un local technique ou une habitation On peut citer plusieurs exemples un contact d fectueux vis mal serr e ou corrod e a permis l apparition d un arc lectrique dans un onduleur la borne a t d truite mais le feu ne s est pas propag la panne ayant t d tect e par un contr le de routine dans l installation du Mont Soleil 500 kW lors d un essai un arc s est form sur un disjoncteur s est propag dans tout le local de service et a d truit la r gulation et l onduleur dans une installation photovolta que de 3 x 3 kW sur une ferme un incendie a compl tement d truit les combles et l installation le syst me fonctionnait une tension nominale de 100 V mais les sectionneurs de ligne taient garantis jusqu 60 Vdc L enqu te pr tend que l incendie s est d clar la suite d une perturbation d un r partiteur de charge qui tait mont dans un bo tier polyamide inflammable Ce bo tier tait mont sur une poutre dans le grenier foin Tout ayant br l on peut supposer
71. les pertes par mismatch d pareillement un tri est n ces saire voir chapitre 3 Pour de grosses installations les contrats pr voiront une garantie de puissance qui sera contr l e la mise en service 5 2 2 C blage de champ Une centrale photovolta que dans la gamme des 100 kW peut fonc tionner sous une tension de 2 x 350 V DC avec des courants pouvant atteindre plusieurs dizaines d amp res 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 photo volta que plus 1000 V soit plus de 2000 V pour l exemple ci dessus 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 serrage vis qui devraient tre contr l s r guli rement mais la tendance utili ser 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 103 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau PACER Les chutes de tension co tent cher en photovolta que Le c blage du champ proprement dit est d termin d une
72. lise les composants suivants figure 3 16 sur un substrat de verre on d pose tout d abord une m tallisation transparente l lectrode n gative ensuite un semi conducteur le TiO dioxyde de titane qui tablit un bon contact ohmique avec l lectrode sur le TiO on ajoute un colorant mol cules complexes l absor beur dont la structure est proche de la chlorophylle Les photons vont lib rer des porteurs dans le colorant qui va injec ter des lectrons dans le semi conducteur de type n o ils ne pour ront pas se recombiner ce dopage n permet d viter d utiliser un composant ultrapur et abaisse le co t du composant On ajoute sur le colorant un lectrolyte en parfait contact ce qui permet aux trous restants dans le colorant d tre absorb s par l lectrolyte par r ac tion d oxydor duction l lectrolyte fournissant les lectrons L lec trolyte est galement en contact avec une lectrode positive d po s e sur une deuxi me plaque de verre et lorsque l on ferme le circuit entre les deux lectrodes le courant peut s tablir les lectrons pro venant du semi conducteur passant dans l lectrolyte en une r ac tion de r duction et le r g n rant L astuce principale de la cellule pr sent e provient de la texture du semi conducteur avec une surface plane ce proc d pourrait au mieux r cup rer environ 1 d nergie solaire dans la cellule r ali s e le TiO a une extr me
73. m Gen ve 1153 Zurich contre 1370 pour Sion ou Davos Mais les carts ne d passent gu re 10 Figure 2 12 Global et diffus horizontaux mod le pour un beau jour Mod le ciel clair le 21 juin Gen ve Global 8 4 KWh m 2 jour lrradiance W m Heure l gale Figure 2 13 Global et diffus mensuels 200 Gen ve M t o Gen ve mesures 1992 in Global horizontal 1195 KWh m 2 Valeurs mensuelles Wh m Diffus horizontal 574 kWh m Diffus global 48 Janv F v Mars Avril Mai Juin Juil Ao t Sept Oct Nov D c 29 2 Rayonnement incident Facteur de transposition mensuel annuel 2 5 2 Rayonnement dans le plan capteur L effet de l inclinaison et l orientation des capteurs peut tre valu par le facteur de transposition not R y c est dire le rapport de l nergie re ue sur le plan consid r par rapport la valeur hori zontale Globalpian B y R B y Globalhoriz Ces facteurs de transposition sont calcul s partir de donn es horaires pour des p riodes mensuelles ou annuelles lls sont en prin cipe caract ristiques d un lieu et d un climat donn s La figure 2 14 est bas e sur 3 ans de mesures Gen ve enregistr es dans 6 plans diff rents Elle permet de visualiser rapidement l effet de l orientation sur la quantit de rayonnement disponible annue
74. modules plus grands 72 cellules par exemple sans cadre et avec une bor dure sans cellule plus large permettant l int gration Le module sur mesure est en g n ral plus cher mais il permet souvent d adopter des techniques de montage plus performantes et s adapte plus exactement au concept de l architecte Les premiers modules de ce type ont t con us et fabriqu s en 1990 par une entre prise suisse dont les r alisations sont illustr es par les figures 6 15 6 16 et 6 17 8 6 5 2 Fa ades photovolta ques Les fa ades photovolta ques utilisent les m mes syst mes de fixa tion que les fa ades plaqu es conventionnelles Le plus souvent des rails verticaux sont fix s au gros uvre une certaine distance pour tenir compte de l isolation thermique et de la ventilation Les brides de fixation doivent permettre un alignement tr s pr cis des rails et les d placements longitudinaux dus la dilatation Les l ments de fixation des plaques photovolta ques sur les rails doivent galement assurer un bon alignement et un l ger jeu vertical En outre le mon tage le c blage et le remplacement ventuel d un seul module doi vent tre possibles Un syst me de montage employ habituellement pour la fixation de plaques de c ramique en rev tement de fa ade a d j t utilis dans plusieurs fa ades photovolta ques avec de bons r sultats 9 6 5 3 Toitures photovolta ques La structure photovolta que L
75. moins favorables et ne conservent qu une efficacit relative de 65 au sud se d gradant rapidement lorsqu on s en carte L homog n it du champ lorsqu on branche des modules PV Tous les capteurs devraient en s rie et en parall le pour former un champ la caract ristique avoir la m me orientation globale du champ est la somme des caract ristiques en tension et courant des panneaux Cependant si certains panneaux sont 183 9 Dimensionnement et mesures L optimisation des sheds est un compromis entre l inclinaison et la surface occup e Figure 9 1 Angle limite d ombrages pour des sheds d ficients la puissance totale qu on peut extraire diminue rapi dement de mani re non lin aire car certains panneaux ne travaillent plus leur point de puissance maximum C est pourquoi un champ inhomog ne form de modules orient s dans dif f rentes directions et donc sous des clairements diff rents chaque instant de la journ e ne pourra jamais fournir sa puissance maximale L ing nieur devra donc veiller conserver l ensemble des capteurs d un champ dans une m me orientation Par champ on consid re ici tous les capteurs connect s sur une entr e d un onduleur c est dire l l ment qui assure le suivi de la puissance maximum Optimisation de sheds trois param tres fondamentaux caract risent une structure en sheds sur une toiture plate l inclinaison des panneaux l espacement
76. n rer galement de l lectricit et de rechar ger l accumulateur Cependant le g n rateur hybride le plus courant utilise comme com pl ment une g n ratrice moteur essence diesel ou gaz ce qui permet de trouver des solutions l gantes aux probl mes de dimen sionnement de chalet utilis s toute l ann e La g n ratrice a comme premi re fonction de recharger l accumula teur lors de p riodes de faible ensoleillement mais elle permet ga lement d alimenter des utilisateurs occasionnels en 230 Vac tels que machines de bricolage aspirateur et ainsi de se passer d un ondu leur 8 2 G n rateurs Voici quelles sont les caract ristiques optimales des g n rateurs pour installations autonomes 8 2 1 G n rateur solaire Le premier choix du g n rateur est celui de la technologie Les panneaux amorphes seront en g n ral r serv s aux applications Panneau amorphe optimal de faible puissance leur prix n tant pas plus int ressant pour des petite puissance modules de plus de 25 W Un autre cas particulier peut tre leur uti lisation dans des sites parfois partiellement ombrag s ici le panneau amorphe sur substrat verre est avantag parce que ses cellules sont de grande longueur typiquement la longueur du panneau et une ombre partielle occultera seulement une partie de la surface des cel lules et non une ou plusieurs cellules compl tes de la cha ne Les panneaux cristallins seront
77. panneaux bien ventil s sheds libres et plus dans le cas contraire fa ades int gration D autres pertes sont prendre en consid ration pertes ohmiques du Premi re approximation c blage effets d incidence dispersion des caract ristiques etc Energie produite Parmi celles ci la contribution la plus importante est certainement Phom Einc PR celle de l onduleur dont on ne peut attendre une efficacit annuelle meilleure que 88 90 dans l tat actuel de la technologie Globa lement l exp rience montre que l efficacit globale du syst me rap port e la puissance nominale install e ne d passe gu re 70 75 habituellement et peut atteindre 80 dans les meilleures installa tions Cette efficacit appara t souvent dans la litt rature sous le nom de rapport de performance not PR pour Performance Ratio dont la d finition exacte sera donn e au paragraphe 9 4 4 Durant cette phase de pr dimensionnement l ing nieur veillera aussi tous les l ments qui peuvent porter ombrage au champ Au besoin il tablira une carte de la ligne d horizon qu il pourra repor ter sur un diagramme de la position du soleil en hauteur azimut par exemple l aide de PVSYST rubrique nergie incidente cf para graphe 2 5 3 Il existe des m thodes manuelles pour estimer l ner gie perdue par ombrage lointain mais leur fiabilit n est pas suffi samment garantie et leur expos n en vaut pas la
78. peine lorsqu on dispose de PVSYST 9 2 Dimensionnement d taill Le dimensionnement d taill d une installation a pour objectif de fixer les modalit s de construction en fonction de crit res tech niques conomiques et d efficacit nerg tique comporte le choix des composants panneaux PV onduleur mat riel de raccordement etc la disposition d taill e du champ de capteurs orientation mode de montage c blage etc l estimation de l nergie produite une valuation des co ts de construction et le prix du kWh r sultant Pour les analyses d efficacit nerg tique et les optimisations selon divers choix techniques l outil principal sera la simulation du sys t me gr ce au logiciel PVSYST 9 2 1 Effets perturbateurs L tude d taill e d un syst me PV doit permettre de d terminer l nergie produite par le syst me en tenant compte de tous les effets perturbateurs possibles Les divers effets prendre en consid ration ont t identifi s lors de la mesure et l analyse des donn es d installations en fonctionnement r el Pour fixer les id es la figure 9 4 montre les performances du syst me de 7 5 kW des SIG Gen ve sur une ann e de fonction nement Ind pendamment des pannes d onduleurs qui n ont pas t prises en compte ici les pertes rapport es la puissance nominale install e ont t de 37 187 9 Dimensionnement et mesures
79. pertes E Facteur de pertes diffus 3 4 Ed EJ 60 Hauteur du soleil 30 f A KV D HA Pa LA 120 Azimut Toiture ant rieure 192 PACER 9 Dimensionnement et mesures Pour les besoins de la simulation le programme tablit une grille de facteurs d ombrage selon la position hauteur et azimut du soleil dans laquelle il suffira ensuite d interpoler Il peut reporter sur le diagramme hauteur azimut des courbes d iso ombrage figure 9 7 ce qui donne visuellement un bonne id e de la situation en fonction des p riodes de l ann e Le facteur d ombrage doit tre appliqu la composante directe de Le facteur d ombrage est l ensoleillement Pour valuer l effet des obstacles sur la composante appliqu la composante diffuse isotrope on int gre le facteur d ombrage sur la portion de directe ciel vue par les capteurs Ce facteur d ombrage pour le diffus iso trope est ind pendant de la position du soleil et reste donc constant durant l ann e enti re De m me on supposera que l alb do dans la direction des obstacles L effet des ombrages au sol est n gligeable On int gre le facteur d ombrage au sol sur la sur le diffus et l alb do portion de sph re entre le prolongement inf rieure du champ et le est constant au cours sol Ce coefficient est galement constant durant l ann e de l ann e 9 2 6 Ombrages et production lectrique Les ombrages partiels sur
80. pilotes cette conomie est en partie compens e par une augmentation de co t de l tude et de la conduite de chantier 6 2 2 Effet de substitution Lorsque les modules photovolta ques sont con us de fa on rem placer les mat riaux qui servent d enveloppe au b timent il est logique de d duire du co t de la centrale photovolta que le co t des mat riaux auxquels ils ont t substitu s L un des plus importants constructeurs de fa ades en Suisse fournit les indications suivantes 3 Fa ade m tallique y compris fen tres et pare soleil 1200 fr m2 Fa ade m tallique avec modules PV int gr s 1650 fr m 2 118 6 Types de centrales photovolta ques 6 2 3 Synergie de fonctions Par sa disposition en fa ade ou en toiture l l ment photovolta que peut galement jouer un r le dans le contr le de l clairage et du cli mat int rieur du b timent les l ments peuvent tre translucides et participer l clairement des locaux Ils peuvent tre dispos s en brise soleil lls peuvent tre mobiles et contr ler la p n tration des rayons solaires Par l int gration une partie des co ts est report sur d autres budgets Figure 6 5 Brise soleil au LESO EPFL 3 3 kW Figure 6 6 Ombrage mobile shadovoltaic 119 6 Types de centrales photovolta ques l PACER Figure 6 7 Mont Soleil 500 kW 6 2 4 Potentiel des surfaces disponibles Les surfaces de
81. plus lev s La diminution n cessaire des co ts est possible par le transfert des progr s technologiques des laboratoires vers une production indus trielle de produits fiables Les modules photovolta que repr sentent actuellement entre 35 et 50 du co t des installations reli es au r seau 224 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques Pour les autres l ments onduleur structures c blage engineering l industrie suisse dispose d un large savoir faire Cette part des co ts ne peut tre r duite que par l exp rience effective de r alisations 10 3 3 Investissements trop lev s Critique Si l on compare les co ts d investissement de nouvelles centrales nucl aires comme Leibstadt 1984 6 fr W avec ceux des centrales photovolta ques actuelles de 20 fr W on ne voit pas comment cette diff rence pourrait tre combl e R ponse De telles comparaisons ne doivent pas tre conduites sur la base des co ts de construction uniquement Une comparaison valable doit prendre en compte la totalit des co ts n cessaires la production de l nergie construction combustibles entretien d molition li mination Le photovolta que se pr sente alors de fa on beaucoup plus favorable aujourd hui d j En comparaison avec une centrale nucl aire il est possible d investir 3 4 fois plus dans la r alisation d une centrale photovolta que car les 3 4 des co ts de fonctionne
82. plusieurs dizaines de cm D s le milieu des ann es 70 on a d termin quels l ments taient nocifs au bon rendement des cellules solaires et par quel moyen on pour rait fabriquer un cristal de silicium bon march de qualit dite solaire Ainsi est n le silicium polycristallin ou semi cristallin de qualit solaire qui appara t comme la juxtaposition de petits cristaux mono cristallins d orientations diff rentes et de dimensions du mm au cm Le terme semi cristallin est plus appropri la taille des grains de cris taux tant nettement plus importante que dans les polycristaux usuels Pour fabriquer ce mat riau on refond tous les d chets provenant du tirage de monocristaux dans un creuset carr temp rature et atmo sph re contr l es Le bloc obtenu est souvent un gros rectangle de 22 cm de c t et 15 cm de profondeur qui sera ensuite taill en 4 parts de 10 x 10 x 15 cm avant d tre d bit en wafers Le proc d conomise ainsi de la surface les wafers tant carr s et Silicium m tallurgique le rendement en mati re est bon les seules pertes provenant des bords en contact avec le creuset qui sont contamin s par des impu ret s du creuset La recristallisation a galement pour effet d am liorer localement la puret du mat riau les impuret s tant concen tr es aux fronti res entre cristaux Pour exploiter cette particularit on a essay d utiliser comme mat riau de base du silicium m ta
83. points faibles et optimiser l ensemble de l ins tallation Le processus de simulation de PVSYST calcule le comportement du syst me et l ensemble des perturbations pour chaque heure de fonc tionnement partir des donn es d entr e c est dire de l nergie disponible d finie par la base m t o Le syst me est caract ris par un ensemble de param tres r partis en plusieurs groupes fonctionnels la d finition de l nergie incidente dans le plan des capteurs les ombrages proches le champ PV la structure du syst me faisant intervenir des composants regroup s dans une biblioth que Les besoins de l utilisateur peuvent tre mod lis s si le r seau ne peut absorber toute l nergie produite ou si on doit appliquer une tarification diff rente entre nergie consom m e sur place et nergie revendue Le lecteur se r f rera au mode d emploi du logiciel pour les d tails d utilisation 9 2 3 Projet site et m t o Dans PVSYST l tude d une installation donn e est effectu e dans le cadre d un projet qui fixe les donn es du site et de la m t o Pour un projet donn l op rateur peut d finir diverses variantes de chaque groupe de param tres et ex cuter la simulation pour toute combinaison d sir e Le site contient les param tres g ographiques de l installation lati tude longitude altitude fuseau horaire n cessaires aux calculs de g om trie solaire 189 9 Dimensionnement et mesu
84. qu ils souhaitaient apporter leur texte Dans ce sens ils assurent l enti re responsabilit de leurs textes Des am liorations sont encore possibles et des suggestions ventuelles peuvent tre adress es soit au directeur du cours soit directement aupr s de l Office f d ral des questions conjoncturelles Pour terminer nous tenons remercier toutes les personnes qui ont contribu la r alisation de la pr sente publication Office f d ral des questions conjoncturelles Service de la technologie Dr B Hotz Hart Vice directeur va PACER Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets Table des mati res 1 Introduction 7 1 1 Le d veloppement du photovolta que 9 1 2 Le potentiel du photovolta que en Suisse 9 1 3 Les centrales photovolta ques 10 1 4 La structure du cours 10 2 Rayonnement incident 13 2 1 G om trie solaire 15 2 2 Energie du soleil 19 2 3 Rayonnement horizontal 23 2 4 Rayonnement sur un plan inclin 27 2 5 Evaluations pratiques 29 3 G n rateur solaire 37 3 1 Effet photovolta que 39 3 2 Technologie des cellules photovolta ques 48 3 3 Caract ristiques des cellules photovolta ques 59 3 4 Structure d un panneau photovolta que 62 3 5 Champ photovolta que 67 3 6 Dangers du courant continu 74 4 Onduleurs pour le r seau 79 4 1 Installations autonomes et r seau 81 4 2 Caract ristiques des onduleurs 81 4 3 Sp cifications
85. que 7 1 7 Mise en service Lorsque le montage d une centrale photovolta que int gr e a lieu dans le cadre d une construction nouvelle la pose des modules doit avoir lieu en m me temps que le montage de la fa ade ou de la toi ture pour garantir l tanch it du b timent Par contre la mise en ser vice ne pourra se faire qu une fois le c blage int rieur de l installa tion secteur termin Il en r sulte souvent une difficult respecter le planning ou un d lai d attente avant la mise en service Pour viter des retards de payement et des probl mes de garantie avec les fournisseurs il est recommand de proc der une mise en 137 7 Conduite du projet service provisoire qui comportera au moins la mesure de puissance DC du champ de modules et si possible un test de fonctionnement de l onduleur avec une injection provisoire sur le r seau lectrique de chantier De cette fa on un d compte d finitif pourra tre pr sent l archi tecte avec une r serve concernant les prestations relatives la mise en service d finitive laquelle peut intervenir parfois plusieurs mois plus tard Pour des raisons de s curit la centrale photovolta que ne sera mise en service permanent qu apr s le raccordement au point d injection d finitif voir 9 4 Contr le la r ception 7 1 8 Documentation Une documentation est indispensable toute installation photovol ta que pour faciliter la mise en service
86. que chapitres 2 3 et 4 10 1 Introduction Il aborde ensuite la th orie des installations autonomes chapitre 8 et coupl es au r seau chapitre 5 En troisi me partie il apporte une analyse des diff rents types de dis position des l ments de captage chapitre 6 ainsi qu un guide pour la conduite du projet chapitre 7 Le dimensionnement fait l objet d un chapitre d taill avec la pr sentation du nouveau logiciel PVSYST d velopp par l Universit de Gen ve dans le cadre d une recherche financ e par l OFEN cha pitre 9 Le dernier chapitre chapitre 10 rassemble en guise de conclusion quelques consid rations de politique nerg tique qui peuvent tre utiles pour la d fense d un projet photovolta que d une certaine importance 11 2 Rayonnement incident Rayonnement incident 2 1 G om trie solaire 15 2 1 1 Le syst me terre soleil 15 2 1 2 Trajectoire du soleil 16 2 1 3 Temps solaire temps l gal 18 2 2 Energie du soleil 19 2 2 1 Energie renouvelable 19 2 2 2 Rayonnement extraterrestre 20 2 2 3 La masse d air 20 2 2 4 Rayonnements direct et diffus 21 2 2 5 Spectre du rayonnement 22 2 3 Rayonnement horizontal 23 2 3 1 Mesures d ensoleillement 23 2 3 2 Donn es m t orologiques en Suisse 24 2 3 3 La base de donn es M t onorm 24 2 3 4 Corrections des donn es m t o 25 2 3 5 G n ration de donn es synth tiques 26 2 3 6 Mod le de rayonnement diffus 26 2
87. que l incendie a plut t t provoqu par le bo tier qui s est enflamm par un arc provenant d un mauvais contact Le sectionneur n ayant pas t d clench l hypoth se du mauvais contact est plus plausible 75 3 G n rateur solaire Figure 3 28 Corrosion lectrochimique En conclusion il est recommand d utiliser des appareils con us pour le DC de les monter dans un bo tier m tallique et d isoler ce bo tier de tout mat riau inflammable par exemple avec une plaque de Pical 3 6 3 Corrosion lectrochimique La corrosion lectrochimique peut appara tre la jonction de 2 m taux en pr sence d humidit La corrosion va lentement d truire le m tal au plus faible potentiel lectrochimique Pour que ce ph nom ne se produise il faut un l ment constitu de deux m taux diff rents une liaison lectrique entre ces deux m taux un lectrolyte pouvant entrer en contact avec les m taux et transporter les ions cet lectrolyte peut tre seulement en surface comme par exemple de la condensation La vitesse de la corrosion d pend de la nature de l lectrolyte en atmosph re saline la vitesse augmente consid rablement Il faut ainsi veiller aux syst mes en bordure de mer ou proche de routes sal es en hiver Le courant continu peut s ajouter au courant galvanique et augmen ter la vitesse de corrosion par un facteur 100 La figure 3 28 r sume les diff rentes formes de cor
88. que la tension baisse lorsque le courant augmente de m me que la tension minimale autoris e sans endom mager la batterie cet effet est d la r sistance interne On en tien dra compte pour les r gulateurs si les courants de d charge d pas sent C 10 Un autre effet que l on observe sur cette courbe est que la capacit baisse lorsque le courant augmente la capacit de r f rence de 100 Ah correspond une d charge en 10 h et donc un cou rant de 10 A A plus petites courants le produit courant par le temps d passe 100 Ah alors qu plus grands courants c est l inverse On peut ainsi d terminer la courbe 8 4 qui pr sente la capacit en fonc tion du temps de d charge de la batterie Pour comparer deux batteries il faut conna tre leur capacit au m me courant de d charge ou au moins la m me vitesse de d charge Pour de petits syst mes isol s la valeur de capacit pour une d charge de 20 heures est assez pratique c est souvent le niveau de courant d un syst me pour chalet de week end Heures h Figure 8 3 Caract ristique de d charge batterie de 100 Ah C10 Figure 8 4 Capacit temps de d charge 155 8 Installations autonomes Figure 8 5 Capacit temp rature Danger de gel Figure 8 6 Etat de charge minimal sans cong lation 8 3 1 3 Influences de la temp rature 120 100 80 Capacit 40 20 Temp rature C La
89. quivalant 3 4 semaines de consommation ce qui permet de d charger la batterie de seulement 10 30 et pro longe sa dur e de vie Il est prudent de surdimensionner la capacit 176 8 Installations autonomes d une nouvelle installation de chalet l augmentation du confort apport par le solaire poussant les utilisateurs plus fr quenter leur chalet D autre part on peut apr s quelques ann es d exp rience ajouter des panneaux si n cessaire mais il est d conseill de connec ter en parall le des batteries d ges diff rents Dans l exemple du chalet une capacit d environ 300 400 Ah correspond la consom mation moyenne mensuelle sauf pour la p riode de vacances en t Pour calculer les variations de capacit on utilise la formule Cap m min Cap m 1 Cap m 1 Cons m Prod m On fait encore l hypoth se que la batterie est pleine au mois de mai pour partir sur une valeur plausible Si la consommation journali re est lev e par rapport la capacit il faut affiner le calcul et travailler par p riodes de 15 jours ou semaine pour suivre les variations de capacit Dans l exemple pr sent le cas est la limite la consommation journali re tant lev e par rapport la capacit pr vue la fiabilit sera assez faible pour la p riode de vacances 177 8 Installations autonomes PACER Tableau 8 3 Exemple de dimensionnement File LEYSIN
90. rugosit qui permet de multiplier la sur face en contact avec le colorant et l lectrolyte par environ 800 1 verre CL D LOL LL LL LLOLLLLLLULLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLULLL 3 lectrolyte NNNANSU 4 TiO2 LL LILI LL LL LL LL LL LL LL LIL LL LL 1 verre Le TiO2a un gap de 1 63 eV proche de l optimal et permet d atteindre plus de 0 7 V de tension ouverte Les r sultats pr sent s en 1993 sont de 10 de rendement Ces cellules sont particuli rement int ressantes pour les applications faible luminosit car leurs pertes internes sont tr s faibles et leur transparence devrait permettre de d velopper galement des appli cations dans le b timent fen tres Rugosit lev e Figure 3 16 Cellule Graetzel Verres 1 Electrodes transparentes 2 Electrolyte 3 Colorant 4 Semi conducteur 5 Gap 1 63 eV 57 3 G n rateur solaire Silicium Cellule Sciage Augmentation de la production Il reste encore d montrer la dur e de vie du produit un lectrolyte liquide n tant pas facile encapsuler Par contre l int r t de cette cellule est qu elle utilise des l ments bon march et abondants et que leur mise en fabrication pourrait tre relativement simple sans traitements haute temp rature Il para t galement possible d ima giner une cellule couches multiples pour mieux exploiter le spectre solaire et viser des rendements de l ordre de 20 30
91. s pi ces tournantes est en surface donc beaucoup facilit e De plus le syst me immerg tol re une qualit de l eau moins bonne et permet de travailler avec tr s peu de fond Les pompes membrane sont galement int ressantes jusqu environ 60 m pour les petits besoins quelques l min Fonction nant l aide d un moteur DC tanche leur rendement peut atteindre 50 La pompe est assez tol rante aux variations de qualit de l eau et peut fonctionner sec un probl me rencontr est que certains mod les ne supportent pas une trop grande pression l entr e variation de hauteur de la nappe Le d savantage principal est une dur e de vie plus limit e qui impose une maintenance accrue 8 6 3 2 R seau d eau sous pression Le pompage principal sous nos latitudes est la mise en pression d eau d une habitation Le syst me utilise soit une pompe comman d e par un pressostat d marrant lorsqu un utilisateur ouvre un robi net cf figure 8 2 soit un r servoir dans les combles aliment depuis un puits par la pompe Les deux syst mes ont leurs avantages et leurs inconv nients Le syst me en pression permet d assurer une pression lev e ce qui est agr able pour le fonctionnement d une douche ou pour tirer rapidement de l eau Un autre avantage est qu il n y a pas de grand r servoir purger en hiver les d savantages sont que la pompe s enclenche chaque fois que l on tire plus de quelques litres d
92. temp rature ambiante influence la capacit On remarque que au dessous de 0 C la capacit baisse rapidement figure 8 5 il faut pour une utilisation ces temp ratures limiter fortement l usage de l accumulateur ou augmenter fortement sa capacit pour viter sa destruction par le gel On utilise dans ce cas un r gulateur tension de coupure ajustable qui permet de couper les utilisateurs au des sus du point de cong lation de l lectrolyte Pour les syst mes tra Vaillant au dessous de 0 C on utilisera un r gulateur qui compense la tension maximale de charge de 6 mV C 8 3 A temp rature le v e gt 25 C il faut galement pr voir la compensation thermique pour viter l vaporation de l lectrolyte ces temp ratures on uti lise souvent un lectrolyte moins concentr pour limiter la corrosion interne de la batterie La figure 8 6 donne le minimum d tat de charge respecter d une batterie de 100 Ah 10h en fonction de la temp rature pour viter la cong lation de l lectrolyte 90 80 70 Etat de charge 60 min 50 40 30 N Temp rature C 8 3 1 4 Autres caract ristiques Rendement Le rendement petits courants de charge d charge est pratique ment constant pour une batterie neuve on prend une valeur de 0 83 en Wh ou 0 9 en Ah Pour une batterie professionnelle type tubu laire cette valeur peut atteindre jusqu 0 98 en Ah 156
93. toiture Ne RE A 7 2 chaleur 2 Les panneaux photovolta ques font partie int grante de l enveloppe du b timent El ment de fa ade photovolta que 6 1 4 Crit res d int gration Il faut tre conscient que la disposition des modules photovolta ques fix s ou int gr s l enveloppe d un b timent n est pas toujours opti male par rapport aux crit res de captage du rayonnement solaire Dans la mesure du possible on choisira les meilleurs emplacements et l on tiendra compte dans une premi re valuation des coefficients d utilisation de surface et des coefficients de captage solaire approxi matifs selon les sch mas suivants 1 116 6 Types de centrales photovolta ques Choix des emplacements Disposition d favorable pour le captage photovolta que Disposition favorable pour le captage photovolta que Figure 6 2 Choix des emplacements Chemin es et autres obstacles du c t nord D crochements inclin s au lieu de mansarde pignon Grandes a de toit du c t sud S E Ligne fa ti re est ouest aR amp Figure 6 3 Coefficients d utilisation Coefficients d utilisation 77 KR A AAARAALAA 1 0 0 6 0 6 0 6 1 0 1 0 1 0 1 0 M Toit inclin Structures Toit en shed Minished Toit incurv en rang es 0 5 0 6 0 6 1 0 0 7 0 8 0 8 0 9 Fa ade verticale Fa ade en zigzag Fa ade en zigzag Fa ade inclin e vertic
94. un champ PV produisent en r alit des effets beaucoup plus complexes si l on se rappelle du fait que lorsqu une seule cellule est ombr e c est le courant de toute la cha ne de cellules en s rie avec elle qui est limit M me avec les diodes by pass de protection cette cha ne ne participe plus que mar ginalement la production du champ On a ainsi des effets non lin aires pratiquement impossibles r soudre dans le cadre d une telle simulation C est pourquoi le logiciel offre la possibilit de partitionner le champ en rectangles repr sentant chacun une cha ne de panneaux en s rie On d finit alors un facteur d ombrage effectif en supposant que tout l ment touch par l ombrage devient inactif Cette hypoth se est certes pessimiste mais elle donne une limite sup rieure aux pertes d ombrage r elles Lorsque la g om trie de l ombrage est bien caract ris e l ing nieur aura int r t organiser le c blage du champ de mani re regrou per les modules susceptibles d encourir une ombre simultan ment Par exemple dans le cas de sheds les modules du bas seront si pos sible connect s en s rie 9 2 7 D finition du champ PV A ce stade le logiciel conna t l nergie arrivant r ellement sur la sur face des capteurs Il faut maintenant d finir les param tres du champ On choisit d abord l l ment de base le panneau PV dans la biblio Choix des panneaux th que des composants disponibles sur l
95. 1 Donn es DRY dans M t onorm 95 Distance climatique 25 2 Rayonnement incident Corrections d altitude G n ration de donn es horaires partir de moyennes mensuelles G n ration de donn es de rayonnement diffus Pour assurer une pr cision de l ordre de 5 sur le global et 1 C sur la temp rature M t onorm 95 recommande de consid rer comme acceptable une distance climatique jusqu 20 km Cette exigence permet de d limiter des zones de validit autour des sites de mesure qui peuvent tre tr s r duites en r gions montagneuses Ainsi par exemple pour la station de Sion seul le fond de la vall e du Rh ne de Martigny Sierre est concern Pour tenter d tendre ces zones on peut envisager d appliquer des corrections d altitude une analyse statistique de l ensemble des donn es Anetz avait permis M t onorm 85 de d terminer des gra dients mensuels pour l ensoleillement et la temp rature d pendant de la r gion climatique et de la saison brouillards hivernaux Bien que ces gradients aient t tablis pour les donn es mensuelles leur utilisation pour des simulations PV en valeurs horaires ne devraient pas introduire d erreurs trop importantes en ce qui concerne la simu lation de syst mes PV PVSYST permet d effectuer cette correction d altitude en cas de besoin 2 3 5 G n ration de donn es synth tiques En dehors de ces zones de validit ou pour des sites trangers
96. 10 4 Potentiel conomique du photovolta que 228 Glossaire 231 Adresses utiles 241 Liste des publications et vid os du programme d action PACER 243 1 Introduction 1 Introduction 1 1 Le d veloppement du photovolta que 9 1 2 Le potentiel du photovolta que en Suisse 9 1 3 Les centrales photovolta ques 10 1 4 La structure du cours 10 PACER 1 Introduction 1 Introduction 1 1 Le d veloppement du photovolta que Les co ts d installation pour la production d nergie lectrique d ori gine solaire n ont pas encore atteint le niveau des co ts des autres producteurs qui alimentent les r seaux De ce fait le co t de pro duction du kWh est encore sup rieur au prix moyen de l lectricit en Europe Il en r sulte que le photovolta que s est principalement d velopp jusqu maintenant par l acquisition de petites parts de march ou niches conomiques Il s agissait principalement de l alimentation de consommateurs isol s non raccord s au r seau pour lesquels l alternative photovolta que tait conomiquement int ressante La plupart de ces installations concernent des consommateurs relative ment modestes tels que chalets de week end cabanes de clubs alpins relais hertziens stations de pompage signalisation routi re et ferroviaire etc Leur puissance photovolta que install e varie entre quelques dizaines et quelques centaines de watts et le stockage s effectue habitue
97. 1996 7242431 Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets A l usage des bureaux d ing nieurs Energies renouvelables Office f d ral des questions conjoncturelles Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets A l usage des bureaux d ing nieurs Le secteur conomique du photovolta que se partage entre les petites installations pour l alimentation de consommateurs isol s et les installations plus importantes qui sont la pr figuration des centrales photovolta ques de demain et pourraient couvrir 10 de la consom mation d lectricit en Suisse au d but du 21 si cle C est plus particuli rement l usage des bureaux d ing nieurs et des entreprises qui auront tudier construire et exploiter de telles centrales lectriques que s adresse ce cours qui comporte en plus des bases th oriques n cessaires une analyse des diff rentes dispositions possibles un guide pour la conduite de projet et un chapitre consacr au dimensionnement avec pr sentation du nouveau logiciel PVSYST d velopp par l Universit de Gen ve dans le cadre d une recherche financ e par l Office f d ral de l nergie Les deux types de centrales photovolta ques autonomes et rac cord es au r seau sont tudi s dans le cadre de ce cours qui r serve une place importante l int gration architecturale des modules photovolta ques Note La st
98. 2 Co ts externes et cons quences sur le prix de l nergie Les co ts externes sont valu s pour l ensemble de l approvi sionnement suisse en nergie en 1990 c est dire y compris les co ts externes de la consommation d nergie pour les transports mais sans les co ts externes des transports qui ne se rapportent pas la consommation d nergie tels que les co ts externes d accidents de bruits et d encombrement Le rel vement du prix de l nergie calcul en fonction de co ts externes SIPE a t toutefois r serv aux seules utilisations de l nergie dans les domaines de l lectricit et de la chaleur 10 2 2 1 Quel est le volume des co ts externes Avec les connaissances empiriques disponibles actuellement il n est pas possible d entreprendre un calcul complet ne f t ce qu approxi mativement de tous les co ts externes de l approvisionnement en nergie Il est cependant possible d appr hender dans certains domaines une part des externalit s dont on suppose l existence Pour les dommages aux mat riaux ou les atteintes la sant dus la pollution de l air il existe du moins en principe la possibilit d tablir des relations quantitatives entre pollutions et dommages l aide d analyses dose r ponse et ou d examens pid mio logiques Il peut tre montr qu il existe des relations non quivoques entre certains polluants SO NO poussi res ozone et la fr quence de sympt mes de certa
99. 20 kWh m dans ce cas il faudrait attendre 18 ans pour retrouver l nergie grise Nous avons men tionn ces chiffres anciens pour montrer les proportions la purifica tion du silicium et son sciage demande elle seule 78 de l nergie grise En gardant ces m mes chiffres et en changeant seulement le sciage et en estimant que 0 5 mm de silicium suffit 0 2 mm pertes et 0 3 mm pour le wafer on produit alors 0 85 m de wafers par kg de silicium et l nergie grise devient 800 Wh m de wafer L nergie grise du panneau passe alors 1270 kWh m et le temps de r cu p ration dans les m mes conditions 10 5 ann es Ce petit exemple montre l importance du sciage mais depuis cette tude d autres chiffres ont t publi s pour les trois proc d s utilisant le silicium et en 1989 3 on publiait deux valeurs la premi re comme tant l tat de la technique avec des usines produisant en moyenne 2MW par an et une deuxi me comme ce qu il tait possible d atteindre en 5 ans pour des productions de 25 MW par usine Le tableau 3 1 r sume ces r sultats en ramenant les chiffres au watt cr te produit ce qui est plus parlant les panneaux n ayant pas tous la m me technologie et le m me rendement au m2 On remarque le net avantage de la tech nologie amorphe cependant il faut relativiser ces valeurs si l on tient compte des besoins annexes aux panneaux solaires comme la sur face occup e le c blage les supports et accessoires n
100. 21 go 8 80 1 75 Efficacit 70 60 th r 0 w 20 30 40 50 60 70 8 w w P Pn DC SOLCON SI300 EGIR 10 PV WR 1500 Il faut souligner que l allure incurv e de cette courbe au dessous du maximum est la traduction d un comportement pratiquement lin aire de la puissance de sortie en fonction de celle d entr e affect d un seuil correspondant la consommation propre de l appareil pour l activation de ses circuits de commande La figure 4 3 montre en effet la m me courbe trac e dans les variables Pout f Pin pour le SOLCON 3300 Bien que le maximum d efficacit soit situ entre 90 et 93 selon les appareils l efficacit moyenne reste toujours bien en de de ces valeurs du fait que l installation PV fonctionne diff rents niveaux de puissance La figure 4 4 montre la distribution d ensoleillement mesur e dans un plan sud inclin 35 pour les donn es de Gen ve 89 4 Onduleurs pour le r seau Figure 4 3 Caract ristique de l onduleur SOLCON dans les variables d entr e sortie P out f P In Figure 4 4 Distribution typique d nergie incidente selon la puissance P Out CA kW O 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 P In CC kW Les pertes directes de rendement correspondent la convolution de la distribution d ensoleillement par le rendement de l onduleur chaque puissance corres
101. 4 Acier galvanis neuf 0 35 Galvanis tr s sale 0 08 Le rayonnement incident sur le plan des capteurs est alors la somme Global Direct Diffus Alb do Tout l art des mod les de transposition sera alors d valuer la contri bution relative de chaque composante selon la donn e du global et du diffus horizontaux Parmi ceux ci le mod le de Perez 5 est le plus performant dans le diffus il distingue les composantes cir cumsolaire isotrope et bande horizon et les value selon une para m trisation g n rale tablie d apr s des donn es mesur es dans plusieurs sites et diff rents climats 1 Circumsolaire ASE c ne 5 er THIN Diffus isotrope Bande horizon env 5 28 va PACER 2 Rayonnement incident 2 5 Evaluations pratiques 2 5 1 Rayonnement horizontal La d termination d taill e des donn es m t orologiques sera habi tuellement effectu e gr ce aux logiciels M t onorm et PVSYST N anmoins les grandes lignes du comportement g n ral peuvent tre pressenties gr ce aux tableaux et figures suivants Le tableau 2 3 donne l nergie mensuelle disponible dans le plan horizontal pour diverses situations en Suisse Les figures 2 12 et 2 13 montrent le global et diffus horizontaux pour un beau jour et les valeurs mensuelles 1992 Gen ve Les nergies annuelles sont un peu plus faibles sur le Plateau qu en montagne 1234 kWh
102. 45 1 13 1 09 96 87 81 17 78 86 1 01 1 20 1 20 1 15 60 90 78 76 74 73 72 71 70 73 79 87 79 80 90 90 68 66 85 63 60 58 61 60 58 56 67 68 90 45 1 04 99 84 71 61 57 60 66 75 84 1 08 1 04 90 0 1 19 1 11 88 68 55 50 51 63 84 1 08 1 28 1 20 90 45 92 87 73 63 56 52 53 61 17 98 1 00 96 90 90 59 56 55 53 53 51 50 53 58 66 61 61 90 180 48 41 39 36 35 36 34 34 34 38 43 49 Tableau 2 4 Facteurs de transposition mensuels pou r Kloten climat du Plateau 32 w AS PACER 2 Rayonnement incident R B a LOCARNO MOIS JANV FEV MARS AVRIL MAI JUIN JUIL AOUT SEPT OCT NOV DEC B ta Gamma 0 0 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 30 90 1 00 1 00 1 00 99 97 97 98 99 97 95 95 97 30 45 1 45 1 31 1 20 1 09 1 02 1 00 1 02 1 07 1 14 1 26 1 36 1 48 30 0 1 61 1 39 1 24 1 09 1 01 98 1 00 1 07 1 19 1 39 1 54 1 69 30 45 1 36 1 19 1 09 1 00 95 93 94 98 1 08 1 24 1 35 1 45 30 90 89 88 86 87 88 87 86 86 89 92 94 93 45 90 96 96 96 94 90 90 91 93 91 90 91 93 45 45 1 57 1 37 1 21 1 06 97 93 96 1 04 1 13 1 31 1 44 1 62 45 0 1 79 1 48 1 26 1 05 94 90 92 1 02 1 19 1 48 1 69 1 91 45 45 1 44 1 21 1 06 94 88 85 86 92 1 05 1 27 1 43 1 56 45 90 84 80 78 79 79 78 78 AT 81 86 89 88 60 90 90 89 89 86 82 82 82 85 83 83 84 87 60 45 1 60 1 36 1 17 99 87 84
103. 6 3 35 LAUSANNE 0 97 1 82 3 00 4 47 5 19 6 00 6 23 5 00 3 77 2 32 1 13 0 80 3 40 LUGANO 1 32 2 00 3 19 4 43 5 03 6 07 6 42 65 13 3 63 2 71 1 43 1 32 3 56 NEUCHATEL 0 84 1 64 2 74 4 40 5 16 6 10 6 16 490 3 60 1 94 0 90 0 65 3 26 SION 1 29 2 14 3 45 4 90 5 48 6 33 6 52 5 23 4 17 2 87 1 53 1 16 3 76 SAINT GALL 0 97 1 75 2 74 4 17 5 03 5 50 5 71 4 61 3 57 2 19 1 13 0 77 3 19 ZURICH 0 84 1 64 2 68 4 17 5 06 5 70 5 81 4 71 3 57 2 03 0 97 0 68 3 16 Tableau 2 3 Irradiation globale sur plan horizontal en kWh m jour selon M t onorm R B a KLOTEN MOIS JANV FEV MARS AVRIL MAI JUIN JUIL AOUT SEPT OCT NOV DEC B ta Gamma 0 0 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 30 90 98 98 98 97 96 96 96 97 95 93 97 98 30 45 1 21 1 20 1 13 1 06 1 01 99 1 01 1 04 1 09 1 13 1 25 1 20 30 0 1 28 1 27 1 17 1 07 1 01 98 1 00 1 05 1 16 1 27 1 35 1 29 30 45 1 15 1 13 1 06 1 01 97 94 95 1 00 1 10 1 21 1 20 1 16 30 90 92 91 90 89 90 89 88 90 94 99 93 93 45 90 94 93 93 91 89 89 90 89 86 82 92 93 45 45 1 24 1 23 1 12 1 03 96 93 95 99 1 07 1 13 1 29 1 24 45 0 1 35 1 32 1 17 1 04 95 90 93 1 01 1 16 1 31 1 43 1 35 45 45 1 16 1 13 1 03 95 90 87 88 94 1 08 1 23 1 23 1 18 45 90 86 84 82 82 81 80 79 82 87 94 87 88 60 90 87 86 85 83 81 80 82 81 77 74 86 87 60 45 1 23 1 20 1 07 95 87 83 86 91 1 00 1 07 1 28 1 22 60 0 1 35 1 31 1 12 96 84 79 82 92 1 10 1 30 1 45 1 36 60
104. 6 7 1 5 Contrat 136 7 1 6 Suivi du chantier 137 7 1 7 Mise en service 137 7 1 8 Documentation 138 7 2 Normes et prescriptions 139 7 3 Autorisations et proc dure 139 7 4 Subventionnement 140 7 4 1 Conf d ration 140 7 4 2 Cantons 141 7 4 3 Divers 141 7 5 Tarification 142 7 5 1 Conditions de rachat du courant 142 7 5 2 Dispositif de comptage 143 R f rences 145 133 PACER 7 Conduite du projet 7 Conduite du projet La r alisation d une centrale photovolta que pr sente cer taines particularit s o le ma tre d ouvrage attend de son investissement un retour conomique e la liaison au r seau implique une n gociation avec la soci t distributrice e les chantiers de construction et d lectricit sont conduits simultan ment Toutes ces contraintes doivent tre prises en compte dans la conduite du projet 7 1 Planification La responsabilit g n rale de la r alisation d une centrale photovol ta que revient normalement au bureau d ing nieur ou l entreprise qui est en charge du projet Lorsque la centrale est int gr e dans l enveloppe d un b timent l architecte du projet va intervenir et il importe de bien d finir d s le d but les t ches et les responsabilit s Il est vident que la centrale photovolta que doit pouvoir tre consi d r e comme une unit s par e dont le financement est d j diffi cile et en cons quence les honoraires au pourcentage selon la norme SIA 108 des
105. 7 9 2 10 Dimensionnement de l onduleur 197 9 3 Contr les la r ception de l installation 200 9 3 1 Contr le du champ 200 9 3 2 Contr les de l onduleur 201 9 4 Mesures en exploitation 202 9 4 1 Contr le d exploitation p riodique 202 9 4 2 Mesures continues d taill es 202 9 4 3 Prise des mesures 203 9 4 4 Analyse et pr sentation des donn es 204 R f rences 208 181 PACER 9 Dimensionnement et mesures 9 Dimensionnement et mesures Nous distinguerons deux niveaux de dimensionnement des installations d abord un pr dimensionnement grossier au stade de l avant projet l aide de tables et abaques puis une tude fine en vue de la r alisation en s appuyant sur le logi ciel PVSYST Nous verrons ensuite les mesures effectuer sur l installa tion la r ception et en exploitation ainsi qu une mani re normalis e de pr senter les r sultats 9 1 Pr dimensionnement 9 1 1 Puissance install e Au stade de l avant projet l ing nieur essayera de situer en colla boration avec l architecte les surfaces disponibles pour recevoir des capteurs solaires Son r le est alors d valuer grossi rement la puis sance PV qu il est possible d installer en fonction de la technologie choisie ainsi que les nergies annuelles qu on peut en attendre a priori selon l orientation ou certains choix constructifs particuliers Par d finition la puissance install e est la puissance nominale des La puissance i
106. 8 sep tembre 1986 et du r glement d application du 31 ao t 1988 les Ser vices Industriels de Gen ve ont introduit un tarif sp cial Eai pour l achat d nergie lectrique issue de sources renouvelables Le prix pay pour l nergie refoul e dans le r seau est le prix de l nergie du tarif Ei soit 19 50 ct kWh en hiver et 12 95 ct kWh en t major de 200 situation d but 1994 Il faut cependant noter que les SIG refusent de s engager appliquer ce prix pendant toute la dur e d amortissement du projet ce qui enl ve une bonne partie de l int r t de leur offre situation fin 1994 7 5 2 Dispositif de comptage La pose des compteurs r pond deux objectifs diff rents mesurer l nergie produite par la centrale photovolta que r gler financi rement les changes d nergie Selon l importance de l installation l OFEN consid re 3 variantes qui sont pr sent es dans le sch ma de la page suivante Les variantes 1 et 3 sont applicables aux producteurs consomma teurs qui font appel au r seau pour compenser le d phasage entre leur production et leur consommation Sur les petites installations P lt 3kW le compteur n enregistre que la diff rence La variante 2 est adapt e aux centrales photovoltaiques d une cer taine importance dont la consommation propre est faible par rapport la production L exploitant d une telle installation est en principe une personne juridique autonome On cons
107. 86 96 1 07 1 28 1 45 1 66 60 0 1 88 1 49 1 22 97 83 78 81 93 1 14 1 49 1 76 2 03 60 45 1 45 1 17 99 86 78 15 15 82 98 1 23 1 43 1 60 60 90 76 72 70 70 69 68 67 68 72 79 82 81 90 90 71 70 68 65 61 60 60 63 63 64 66 68 90 45 1 42 1 14 92 72 61 57 60 69 82 1 04 1 25 1 49 90 0 1 73 1 29 96 67 53 47 49 62 86 1 26 1 59 1 91 90 45 1 24 93 74 61 53 50 50 57 72 99 1 23 1 41 90 90 58 53 51 51 50 49 47 49 53 60 64 63 90 180 34 34 30 31 32 34 31 30 29 29 34 34 Tableau 2 5 Facteurs de transposition mensuels pour Locarno R B a DAVOS MOIS JANV FEV MARS AVRIL MAI JUIN JUIL AOUT SEPT OCT NOV DEC B ta Gamma 0 0 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 30 90 1 02 1 02 1 02 1 01 1 00 1 00 1 02 1 01 99 94 93 99 30 45 1 44 1 30 1 19 1 09 1 03 1 02 1 05 1 09 1 18 1 29 1 33 1 48 30 0 1 57 1 38 1 21 1 08 1 00 97 99 1 06 1 22 1 44 1 51 1 68 30 45 1 33 1 19 1 07 99 93 91 91 96 1 08 1 27 1 34 1 43 30 90 89 88 87 87 86 85 82 84 86 91 94 93 45 90 1 00 99 98 98 95 95 98 96 94 87 88 96 45 45 1 57 1 37 1 21 1 08 99 96 1 00 1 06 1 19 1 34 1 40 1 63 45 0 1 75 1 47 1 24 1 06 94 89 92 1 02 1 23 1 54 1 65 1 90 45 45 1 41 1 21 1 05 94 86 82 82 89 1 04 1 31 1 42 1 56 45 90 84 82 80 80 A7 5 73 75 77 84 89 89 60 90 95 94 93 92 87 87 90 89 86 79 81 93 60 45 1 62 1 38 1 19 1 03 90 87 91 98 1 13 1 31 1 40 1 6
108. 87 Norme europ enne EN 60555 Effets en retour des appareils m nagers sur les r seaux lectriques 1 concepts 2 harmoniques 3 fluctuations de tension EN55014 modif 1 octobre 1988 Limites et m thodes de mesures pour les perturbations lectromagn tiques des appa reils m nagers GC PTT Ordonnances suisses pour la protection contre les para sites mai 1979 Toutes les normes ci dessus peuvent tre obtenues ASE Case postale 8034 Zurich 98 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau 5 1 Principe de raccordement 101 5 2 El ments d une installation 102 5 2 1 Modules 102 5 2 2 C blage de champ 103 5 2 3 C blage de liaison 103 5 2 4 Contacteur c t courant continu DC 103 5 2 5 Onduleur 106 5 2 6 Contacteur c t courant alternatif AC 106 5 2 7 Injection comptage 106 5 3 Protection et s curit 106 5 3 1 Surtensions 106 5 3 2 Parafoudre et mise terre 107 5 4 Dispositif de mesures 111 R f rences 112 99 PACER 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau Partout o le r seau de distribution lectrique est disposition il est possible de se passer de l l ment de stockage par un couplage au r seau Dans ce cas c est le r seau ou plus exactement le barrage hydro lectrique qui joue le r le de stockage 5 1 Principe de ra
109. 9 60 0 1 85 1 50 1 22 99 83 78 81 92 1 18 1 56 1 71 2 03 60 45 1 43 1 19 1 00 87 76 72 72 80 97 1 27 1 42 1 61 60 90 78 76 74 73 68 66 63 65 68 76 82 84 90 90 81 79 77 75 66 66 68 67 66 60 62 79 90 45 1 49 1 21 99 83 65 61 65 72 87 1 06 1 20 1 57 90 0 1 75 1 35 1 02 17 54 48 50 62 90 1 33 1 55 1 96 90 45 1 27 1 00 81 68 53 49 48 55 71 1 02 1 22 1 47 90 90 65 62 60 59 49 48 45 47 49 57 64 71 90 180 46 45 45 46 36 37 33 31 27 26 37 46 Tableau 2 6 Facteurs de transposition mensuels pour Davos climat alpin 33 2 Rayonnement incident PACER TSV 4H 5H 6H 7H 8H 9H 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H JANV 0 8 14 22 36 39 39 23 5 0 FEV 0 6 23 45 66 89 103 100 78 30 9 0 MARS 0 5 28 62 106 144 159 172 158 125 78 36 5 0 AVR 0 3 22 64 116 167 211 241 250 228 180 130 73 2 3 0 MAI 3 17 53 111 180 236 286 308 317 303 258 189 123 58 17 0 JUIN 3 25 64 123 194 266 325 353 363 333 289 211 145 80 31 3 JUIL 3 25 75 150 228 300 361 403 414 397 356 267 170 83 30 9 AO T 0 9 34 84 138 203 261 292 305 283 242 178 114 50 9 0 SEPT 0 11 39 86 142 206 258 287 270 214 144 70 16 0 OCT 3 11 25 53 92 139 164 158 122 61 23 3 NOV 2 11 28 44 58 55 53 34 6 0 DEC 0 2 11 19 22 28 22 14 5 0 Tableau 2 7 Valeurs horaires moyennes du rayonnement direct sur plan horizontal Kloten Wh m 50 100 150 200 250 PLAN VERTICAL EST OUEST N2 DU JOUR PLA
110. ACER HAUTEUR gt EST Figure 2 4 Trajectoires du soleil Gen ve latitude 46 12 N longitude 6 09 E Le temps de r f rence est le temps l gal d hiver Temps solaire vrai TSV Equation du temps ET printemps automne 1H l I 21 MAI 23 JUILLET 20 AVRIL 23 AOUT 20 MARS 23 SEPT 18 FEV 23 OCT 17 JAN 24 NOV 22 DECEMBRE l il 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 SUD OUEST AZIMUT gt 2 1 3 Temps solaire temps l gal La dur e du jour est d finie par le passage du soleil la verticale d un m ridien donn correspondant un tour de la terre sur elle m me augment de l arc d crit autour du soleil durant la journ e Cepen dant l cart entre deux passages n est pas strictement constant au cours de l ann e pour les deux raisons suivantes e l orbite de la terre est elliptique et l arc parcouru diff re selon la loi des aires de K pler Cette contribution suit un comportement sinuso dal d amplitude 7 8 minutes _l obliquit de l axe de rotation induit une seconde correction ayant l allure d une sinuso de avec une p riode de 6 mois et une amplitude de 10 minutes La composition de ces deux corrections appel e quation du temps ET est trac e sur la figure 2 5 L quation du temps varie lentement d ann e en ann e sous l effet de la pr cession des quinoxes rotation du grand a
111. BUREAUX G n rateur P V Ombrage A Eclairage Espace libre j Electricit PARTIE CENTRALE MUR TROMBE CAGE D ESCALIER G n rateur P V Chaleur Captage de la chaleur nai Electricit El ment vitr 6 7 Centre de d monstration 6 7 1 Programme de l AIE L Agence Internationale de l Energie g re diff rents programmes relatifs aux nergies renouvelables Dans le cadre du programme Solar Heating amp Cooling Progamme la t che 16 Photovoltaics in Buildings est particuli rement int ressante pour l industrie photovolta que puisqu elle concerne l int gration des l ments de captage dans la structure des b timents La responsabilit de cette t che incombe la Suisse 12 6 7 2 Demosite Dans le cadre de la t che 16 et en collaboration avec l OFEN le LESO EPFL a con u et r alis un centre exp rimental dont le but est de mettre disposition des fabricants d l ments photovolta ques un centre d essais et de d monstration l usage des architectes et ing 131 6 Types de centrales photovolta ques l PACER nieurs d sirant r aliser une int gration photovolta que Au d but de l ann e 1996 une douzaine de syst mes diff rents ont permis de nombreux visiteurs d appr cier les solutions propos es par des constructeurs suisses et trangers Une visite Demosite est sou vent l argument qui entra ne la d cision de l architecte ou du ma tre de l ouv
112. CER 9 Dimensionnement et mesures 9 2 9 D finition du syst me Les param tres du champ permettent de calculer l nergie lectrique potentiellement disponible la sortie du champ PV s il fonctionnait toujours au MPP Maximum Power Point Cependant la conduite du champ est assur e par les convertisseurs d nergie du syst me L nergie r ellement extraite du champ d pend donc de la qualit de recherche du point de puissance maxi mum ou de la tension de fonctionnement point de fonctionnement s il s agit d un utilisateur tension ou r sistance fix e Dans le logiciel PVSYST le pas suivant concerne la configuration du syst me coupl au r seau isol avec batteries etc Nous limite rons ici la discussion aux syst mes coupl s au r seau o l onduleur effectue la recherche du point de puissance maximum Pour la d finition du syst me l op rateur est invit choisir un type d onduleur dans la librairie Cet onduleur pourra tre unique ou mul tiple selon le nombre de champs d finis pr c demment Le pro gramme teste la compatibilit de l onduleur choisi avec les donn es du champ tension d entr e selon le nombre de panneaux en s rie ordre de grandeur de la puissance nominale 9 2 10 Dimensionnement de l onduleur On peut penser en premi re analyse qu il suffit de connecter une puissance du champ PV gale la puissance maximale de l ondu leur Dans la r alit c est la d marche la plu
113. CT Nominal Operating Cell Temperature Temp rature r elle des cellules d un module fonctionnant aux condi tions suivantes temp rature ambiante de 20 C irradiance solaire de 800 W m2 spectre AM 1 5 vitesse de vent de 1 m s Les valeurs typiques de NOCT sont entre 45 et 60 C 235 Glossaire Ombrage partiel En cas d ombrage d une ou plusieurs cellules d un panneau le cou rant total du panneau est r duit en cons quence Si l ombrage est pr vu avant construction par exemple montage en sheds le c blage ad quat des panneaux en s ries horizontales limitera son influence voir galement diode by pass Ombrage lointain Ombrage suffisamment lointain pour que l ombre se manifeste sur tout le champ quasiment simultan ment effet d horizon Ombrages proches Effets d obstacles proches portant des ombres partielles sur un champ PV Onduleur Appareil lectronique de conditionnement de puissance pour trans former le courant continu champ PV batterie en courant alternatif Les onduleurs pour la connexion au r seau pilotent en g n ral la recherche du point de puissance maximum du champ PV Pertes d adaptation Facteur de pertes d la dispersion des caract ristiques des pan neaux courant de court circuit tension dans un champ Photovolta que effet Effet permettant de lib rer des charges lectriques dans un semi conducteur sous l effet de la lumi re Photovolta q
114. E 3 et 175 8 Installations autonomes pour le monde celles de l Universit du Wisconsin 4 Les donn es sont aussi disponibles sous forme d un programme qui calcule ga lement l nergie dans un plan quelconque Comme premi re approximation on peut utiliser les valeurs du tableau 8 3 et prendre la plus proche localit Aux points 1 et 2 du tableau 8 3 on a indiqu les valeurs de l exemple du chalet situ Leysin sous 1 les irradiations sont indiqu es en valeurs mensuelles l horizontale et pour les trois angles de 30 45 et 60 l orientation tant ici de 10 ouest sous 2 les m mes irradiations sont indiqu es en valeurs journa li res plus parlantes pour estimer la production d un panneau En cas d ombrage lointain montagne il faut soit conna tre les heures de lever et coucher du soleil chaque mois soit reproduire l horizon sur une figure de trajectoire du soleil cf figure 2 4 Cette derni re m thode est n cessaire si l obstacle est plus proche arbre maison et produit une ombre une partie de la journ e seulement Ensuite on utilise une table de densit d irradiance tableau 2 7 pour calculer la perte due l ombre pour chaque mois ou plus facilement avec le logiciel PVSYST 8 7 5 Calcul de la puissance du g n rateur La m thode la plus simple consiste calculer ce que produit un pan neau standard de 50 W partir des donn es d irradiation du lieu et ensuite
115. LOCATION LEYSIN EXEMPLE PACER2 1 IRRADIATIONS MENSUELLES kWh m mois OR ANGL JANV FEV MARS AVR MAI JUIN JUIL AOUT SEPT OCT NOV DEC 0 44 7 62 7 106 9 144 8 169 4 180 6 193 0 158 8 120 9 89 5 46 5 39 6 10 0 30 69 5 85 9 129 2 158 0 171 0 176 9 192 2 167 3 140 8 119 9 67 8 65 8 10 0 45 76 8 91 3 131 2 153 5 160 4 163 4 178 7 160 1 140 7 126 3 73 7 74 0 10 O 60 80 0 91 9 126 7 141 9 143 1 143 4 157 7 145 6 133 8 126 0 75 7 78 1 2 IRRADIATIONS JOURNALIERES kWh m j 0 1 47 2 06 3 50 4 75 5 55 5 92 6 33 5 21 3 96 2 93 1 52 1 30 10 0 30 2 28 2 82 4 24 5 18 5 61 5 80 6 30 5 49 4 62 3 93 2 22 2 16 10 0 45 2 52 2 99 4 30 5 03 5 26 5 36 5 86 5 25 4 61 4 14 2 42 2 43 10 O 60 2 62 3 01 4 15 4 65 4 69 4 70 5 17 4 77 4 39 4 13 2 48 2 56 3 BESOINS Ah j TENSION 12 V LUMIERE 26 0 19 5 19 5 19 5 13 0 13 0 13 0 13 0 19 5 19 5 26 0 26 0 TV 16 0 16 0 16 0 16 0 8 0 8 0 8 0 8 0 16 0 16 0 16 0 16 0 FRIGO 0 0 0 0 0 0 9 0 33 0 33 0 33 0 33 0 33 0 0 0 0 0 0 0 TOTAL 42 0 35 5 35 5 44 5 54 0 54 0 54 0 54 0 68 5 35 5 42 0 42 0 OCCUPATION 9 6 6 6 6 6 6 21 6 6 6 9 CONSOM M 378 213 213 267 324 324 324 1134 411 213 252 378 4 PRODUCTION PHOTOVOLTAIQUE Ah mois NB DE PANNEAUX 2 RENDEMENT 0 9 I PANNEAU 3 05 3 05 3 05 3 00 2 95 2 90 2 90 2 90 2 95 3 00 3 05 3 05 10 0 30 382 472 709 853 908 923 1003 873 748 647 372 361 10 0 45 422 501 720 829 852 853 933 836 747 682 405 406 10 0 60 439 505 696 766 760 749 823 760 710 680 416 429 PR
116. La g n ratrice essence diesel ou gaz est un compl ment plus facile mettre en uvre Son prix est bon march et correspond environ 2 panneaux de 50 W si l on inclut un chargeur de 20 A Ses inconv nients sont la pollution le bruit son alimentation sa main tenance et sa faible dur e de vie Cependant elle permet de rendre possible co t abordable l alimentation de sites isol s en hiver Le dimensionnement sera bas sur une r duction maximale du temps de fonctionnement pour limiter ses nuisances La taille du g n rateur solaire par rapport l apport de la g n ratrice sera un compromis acceptable pour l utilisateur 8 3 Batteries Les batteries utilis es dans les syst mes solaires autonomes sont en g n ral de type plomb acide Les batteries au cadmium nickel sont rarement utilis es car leur prix est beaucoup plus lev cependant on en donnera quelques param tres typiques leur emploi tant plus fr quent dans les applications professionnelles 8 3 1 Batterie au plomb Ce type est tr s connu par son utilisation dans les automobiles le tableau ci dessous rappelle les diff rences principales entre les bat teries solaire et de d marrage Caract ristique Batterie solaire d marrage Courant lt lt capacit gt capacit Rendement lev moyen Cyclable oui faible Autod charge faible moyenne Ce tableau donne les caract ristiques les plus recherch es d une bat terie solaire
117. M t onorm chap 2 r f 2 Pour une premi re esti mation rapide on pourra suivre la proc dure manuelle d crite au paragraphe 2 5 Le logiciel M t onorm fournit directement les valeurs ad quates En premi re approximation l nergie produite par le champ PV est proportionnelle aux valeurs d nergie incidente Cette nergie est obtenue directement partir de la puissance install e qui est rap pelons le la puissance produite par l installation sous une irradiance de 1kW m 2 aux conditions standard On peut donc consid rer que chaque kWh m d nergie incidente permettra au champ de fournir l quivalent de sa puissance nominale pendant une heure donc EPV kWh Pinst kWp kW m Einc kWh m Dans cette expression il faut observer que la puissance install e est une valeur relative une irradiation donn e sa dimension se r f rant une surface Cette nergie concerne la puissance th orique aux conditions stan dard Il faut consid rer qu en fonctionnement les cellules s chauf fent sous l effet de l absorption du rayonnement solaire et donc que leur efficacit varie La variation est n gative pour le SI cristallin fac teur d environ 0 5 C mais peut tre tr s faible ou m me posi 186 PACER 9 Dimensionnement et mesures tive pour d autres technologies amorphes etc Avec du SI cristal lin on peut admettre une perte globale de 3 en moyenne annuelle pour des
118. N VERTICAL NORD Figure 2 15 Distribution de valeurs du global journalier kWh m jour pour 3 ans de mesures Gen ve La courbe enveloppe correspond un mod le de beau jour 34 va PACER 2 Rayonnement incident 2 5 3 Ombrages Nous distinguerons deux types d ombrages e l ombrage lointain 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 l ombrage proche les obstacles proches portent des ombrages sur une partie seulement du champ Leur traitement n cessite de reconstruire la g om trie exacte du syst me et de son environ nement en 3 dimensions Ils seront trait s au paragraphe 9 2 5 e les ombrages mutuels de sheds sont un cas particulier des ombrages proches on en discutera galement au paragraphe 9 1 1 En valeurs horaires les ombrages lointains ou 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 tout en conservant celle du diffus isotrope et de l alb do La courbe de l horizon doit tre relev e sur le terrain ou ventuelle ment une carte topographique en mesurant l angle d l vation de l horizon pour diff rents azimuts Ces mesures peuvent tre repor t es sur le dia
119. NORM 95 Energie solaire et M t orologie Manuel du concepteur Notions de base et logiciel METEONORM V2 0 Meteotest et Office f d ral de l nergie Berne 1995 Distribution InfoEnergie 2003 Neuch tel R Perez P Ineichen E L Maxwell R D Seals A Zelenka Dynamic Global to Direct Irradiance Conversion Models ASHRAE Transactions Vol 98 Part 3578 1992 R Perez et al Modeling Daylight Availability and lrradiance Components from Direct and Global Irradiance Solar Energy 44 pp 271 289 1990 36 3 G n rateur solaire G n rateur solaire 3 1 Effet photovolta que 39 3 1 1 Propri t s des semi conducteurs 39 3 1 2 Principe de fonctionnement 41 3 1 3 Dopage des semi conducteurs 41 3 1 4 Jonction p n 43 3 1 5 Cellule solaire 45 3 2 Technologie des cellules photovolta ques 48 3 2 1 Cellules monocristallines 48 3 2 2 Cellules polycristallines 51 3 2 3 Cellules amorphes 52 3 2 4 Autres technologies couche mince 54 3 2 4 1 Cellules l ars niure de gallium GaAs 55 3 2 4 2 Cellules au tellurure de cadmium CdTe 55 3 2 4 3 Cellules au sulfure de cadmium et de cuivre 55 3 2 4 4 Cellules au CulnSe gt 56 3 2 4 5 Cellules lectrochimiques 56 3 2 5 Energie grise 58 3 3 Caract ristiques des cellules photovolta ques 59 3 3 1 Courbe l V en fonction de la lumi re 59 3 3 2 Courbe l V en fonction de la temp rature 61 3 4 Structure d un panneau photovolta que 62 3 4 1 Mod
120. OD 30 60 439 505 709 853 908 923 1003 873 748 680 416 429 5 DEFICIT ENERGETIQUE Ah mois 10 0 30 60 o o o 0 o o o 261 o o o o 6 ETAT DE CHARGE BATTERIE Ah CAPACITE 300 Ah PLEINE EN MAI 300 300 300 300 300 300 300 39 300 300 300 300 178 va PACER 8 Installations autonomes R f rences 1 F Garcia Rosillo F Chenlo F Fabero 1994 Performance and reliability of fluorescent lamps and ballasts for stand alone PV systems Proceedings of the 12th Photovoltaic Solar Energy Conference Amsterdam 2 METEONORM Office f d ral de l nergie OFEN 3003 Berne Diffusion InfoEnergie 2003 Neuch tel 3 Atlas europ en du rayonnement solaire Commissions des Communaut s Europ ennes 1984 Volumes 1 et 2 Verlag TUV Rheinland 4 World distribution of solar radiation Report N 21 Solar energy laboratory the University of Wisconsin July 1966 5 C M R CP 18 2416 Les Brenets 179 9 Dimensionnement et mesures Dimensionnement et mesures 9 1 Pr dimensionnement 183 9 1 1 Puissance install e 183 9 1 2 Energie produite 186 9 2 Dimensionnement d taill 187 9 2 1 Effets perturbateurs 187 9 2 2 Simulation le logiciel PVSYST 189 9 2 3 Projet site et m t o 180 9 2 4 L nergie incidente 191 9 2 5 Les ombrages proches 191 9 2 6 Ombrages et production lectrique 193 9 2 7 D finition du champ PV 193 9 2 8 Facteur d incidence 195 9 2 9 D finition du syst me 19
121. Un autre aspect de ce composant provenant de la tr s grande sur face d velopp e est sa r tention de charge la configuration actuelle stocke 1 coulomb par cm2 quand on coupe la lumi re le courant continue de passer pendant un bref laps de temps Peut tre pourra t on exploiter cet effet pour fabriquer un v ritable accumulateur solaire o l nergie s accumule l int rieur de la cellule L avenir nous dira si ce composant sortira de son laboratoire pour devenir une v ritable cellule solaire 3 2 5 Energie grise Un aspect important lorsqu on fabrique un g n rateur solaire est de savoir s il va produire plus d nergie dans sa vie qu il n en a fallu pour le fabriquer Ce point a t examin d s le d but de la fabrication des cellules pour applications terrestres Des chiffres publi s en 1976 d j 2 donnaient pour la production de 1 kg de silicium Silicium m tallurgique 24 kWh kg silicium monocristal Czochralski 680 kWh kg En ajoutant la coupe de l poque on produisait environ 0 4 m de wafer par kg ce qui donne 2 5 kg pour 1 m et 1700 kWh m de wafer la coupe et le wafer consomme 1 06 mm de mati re pour des cellules de 10 x 10 cm dans ce cas En ajoutant la fabrication et tenant compte d un rendement de fabrication de 90 pour obtenir des cellules de 12 l nergie grise atteint 2170 kKWh m2 En Suisse de plaine on re oit en moyenne 1000 kWh m annuel ce qui avec 12 de rendement produit 1
122. a l I Pen 1 Installation I d autoproduction l l Compteur sans l i l cliquet J Pro P4 Propre Consommateur consommation fe Eire 4 Mesure du solde gt compteur double tarif P Compteur production A ji 7 Figure 7 2 Couplage des compteurs 144 va PACER 7 Conduite du projet R f rences 1 Office f d ral de l nergie Division Technique nerg tique Sec tion Energies renouvelables Secteur solaire actif M Urs Wolfer 3003 Berne T l 031 322 56 39 Fax 031 382 43 07 2 Journal L Energie Arp ge 21 Vy Creuse 1260 Nyon T l 022 361 92 52 Fax 022 361 60 20 3 R tribution des injections d lectricit dans le r seau d appro visionnement Recommandations pour la mise en pratique de l arr t sur l nergie Union des centrales suisses d lectricit d cembre 1992 Postfach 6140 8023 Zurich T l 01 211 51 91 Fax 01 211 04 42 4 Conditions de raccordement des autoproducteurs Mod les de contrat et commentaires D partement f d ral des transports des communications et de l nergie Office f d ral de l nergie avril 1994 Kappelenstrasse 14 3003 Berne T l 031 322 56 11 Fax 031 382 43 07 5 Tr gerschaftmodelle f r Photovoltaikanlagen unter Einbezug der Elektrizit swerke Projektgruppe der Elektrizit tswerke und der Solarenergiebranche juillet 1993 c o U C S Postfach 6140 8023 Z rich T l 01 211 51 91 F
123. a 1000 W m 1 C PMax 59 5 W 25 C PMax 53 6 W 47 C PMax 48 3W 75 C PMax 41 5 W 0 5 10 15 20 25 Tension V 3 4 2 Panneau au silicium amorphe Le panneau amorphe fabriqu sous verre est beaucoup plus simple terminer les cellules sont fabriqu es sous le verre avant en m me temps que leurs interconnections en s rie Il reste alors uniquement prot ger l arri re de la cellule de l environnement et connecter le plus et le moins situ s aux bords de la plaque de verre Comme pro tection arri re on utilise des films plastiques ou du verre avec un joint lastique entre les deux verres L ensemble est alors comme pour les panneaux cristallins entour d un joint et d un cadre en alu minium ou en mati re synth tique Un connecteur est souvent coll au verre arri re les connexions et tant cach es dans le cadre Pour les cellules amorphes fabriqu es sur un support non isolant ex inox il faut r aliser un panneau de la m me mani re qu avec des cellules cristallines Il existe sur le march beaucoup de petits pan neaux amorphes mont s dans des substrats plastiques destin s la recharge de petits accumulateurs pour maintenir une batterie en pleine charge ou alimenter de petits ventilateurs ou autres petits consommateurs lampes de jardin alarmes Le panneau amorphe de petites dimensions quelques cm a t tout d abord d velopp pour alimenter les calculatrices p
124. a collectivit C est pourquoi ces co ts sont consid r s comme des co ts externes par opposition aux co ts internes tels que les co ts de la main d uvre du capital et autres qui sont pay s par ceux qui en sont l origine Au total notre consommation d nergie co te donc nettement plus que ce que nous payons pour elle 1 Prix r els de l nergie prix actuels nominaux de l nergie diminu s du rench rissement Evolution des prix r els de l nergie 1980 1992 lectricit 15 huile de chauffage extral g re 54 gaz 24 essence 41 bois 4 charbon 2 215 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER Les analyses d crites dans ce rapport cherchent chiffrer ces co ts externes environnementaux et ceux dus aux risques qui d coulent de la consommation d nergie en Suisse et de les confronter aux prix du march dans le domaine de l approvisionnement en lectricit et en chaleur L tude r v le les l ments suivants En 1990 la production et la consommation d nergie ont caus des co ts externes d un ordre de grandeur qui se situe entre 6 7 et 12 mia de francs an y compris environ 4 0 7 2 mia de francs pour l approvisionnement en lectricit et en chaleur Les risques d accidents dans la production d lectricit rupture de barrage ou accident dans une centrale nucl aire ne sont pas inclus Avec une fourchette de 5 2 7 4 mia de francs a
125. a loi exponentielle Is exp U Ut 1 qui peut se simplifier en env 1 d erreur I Is exp U Ut avec U tension impos e la diode Le courant d pend de la Ut kT q 26 mV 300 K temp rature k 1 38 10 23 constante de Boltzmann q 1 602 1019 charge de l lectron T temp rature absolue en K IS courant de saturation Lorsque la tension impos e est n gative le courant inverse va res ter pratiquement nul jusqu ce que la tension atteigne une valeur qui laisse passer le courant par effet tunnel propri t utilis e par les diodes zener ou jusqu ce que la tension impos e provoque un cla quage de la jonction par effet avalanche A la figure 3 7 on a repr sent la courbe V typique d une diode au silicium Figure 3 7 Diode au silicium 3 1 5 Cellule solaire La cellule solaire au silicium est une diode de grandes dimensions avec des caract ristiques de fabrication et d aspect bien particuli res Lorsqu on s int resse capter la lumi re avec un cristal de silicium on s aper oit que le silicium r fl chit 30 de la lumi re re ue 2 dans les longueurs d onde utiles la surface de la terre Ce ph nom ne 45 3 G n rateur solaire Isc courant de court circuit Voc tension ouverte est d l indice de r fraction lev du silicium passant de 2 dans le proche IR 7 dans l UV Ceci impose l ajout d une couche anti reflets la surf
126. a m me capacit Il faut toujours pr voir une bonne ventilation des batteries pour vi ter l accumulation de gaz explosif De m me un bac tanche sup pl mentaire est une bonne protection en cas de fuite d acide qui attaque toutes les mati res organiques Les batteries tanches sont utiles pour les applications portables Prix Le choix d une technologie sera fonction de l utilisation et non d un co t minimal de stockage Pour un syst me peu utilis comme un chalet de week end avec 50 100 cycles partiels par an on choisira la batterie la moins ch re parce qu il serait impossible de rentabili ser une batterie tubulaire Par contre pour une utilisation quoti dienne le choix du tubulaire ou d une technologie interm diaire s impose Dans le tableau ci dessous on compare l investissement moyen par kWh 20 h de d charge et le co t de l nergie charg e d charg e 30 de d charge sans compter les frais financiers de remplace ment et d entretien Technologie Cycles Investissement Co t nerg tique 30 Fr KWh Fr KWh Etanche 800 320 1 33 Plaques 800 250 1 04 Batt OPzS 2800 550 0 65 Tubulaire bloc 4500 970 0 72 157 8 Installations autonomes Figure 8 7 Caract ristique de charge cellule Ni Cd Dans l analyse du co t d un syst me r el il faudra tenir compte des frais ventuels de remplacement ou d entretien sp cialement si le site est difficilement a
127. a pu observer dans de nombreuses installations que cette tension harmonique parasite pouvait perturber le fonctionnement des onduleurs et m me mener des pannes irr versibles Il est donc conseill de n uti liser ce montage que pour de petites puissances et avec une imp dance tr s faible du conducteur neutre au point d injection La s pa ration des lignes de neutre jusqu au point d injection quelques dizaines de m tres s est souvent r v l e efficace pour r soudre le probl me 4 3 6 Signaux de commande du r seau Le r seau lectrique suisse est affect par des signaux de commande enclenchements de chauffe eau clairage public etc dans la gamme de fr quences situ e entre 300 Hz 1100 Hz environ Ces signaux peuvent atteindre des amplitudes de 20 V limite admissible ASE Historiquement ils ont pos de graves probl mes au fonc tionnement des onduleurs surtout ceux provenant des Etats Unis o de tels signaux n existent pas lls provoquaient l arr t de l appareil jusqu au lendemain et m me parfois des pannes hardware Ces probl mes peuvent tre contourn s par l utilisation de filtres mais avec la difficult que chaque distributeur utilise des fr quences diff rentes Inversement les nouveaux appareils avec r f rence sinuso dale interne fournissent un signal propre avec une tendance att nuer ces signaux par compensation L installation de filtres sp ci fiques entre l onduleur et
128. able permet galement de faire fonc tionner l onduleur tension de sortie plus faible en mode d attente faible consommation d s qu une charge est branch e un circuit la d tecte et fait fonctionner l onduleur 230 Vac 8 5 4 Onduleurs crit res de choix Avant de choisir un onduleur il faut s assurer qu une solution en courant continu toujours plus conome en nergie n existe pas que la consommation ventuelle en mode d attente ne p nalise pas trop l installation solaire que l onduleur peut d marrer la charge essai que son rendement est suffisant au point de fonctionnement de la charge que la charge tol re la distorsion de l onduleur que les variations de la tension de sortie sont accept es par la charge que l onduleur est prot g contre les surcharges c t DC et AC et contre la surchauffe que l onduleur coupe les utilisateurs en cas de basse tension DC 8 6 Consommateurs Les consommateurs utilis s dans les installations autonomes doi vent avoir un rendement maximum et doivent pouvoir fonctionner avec fiabilit dans la plage de tension de l accumulateur pour les syst mes avec batteries au plomb en 12 V nominal par exemple la plage usuelle va de 14 10 11 V 25 C Pour d autres tensions nominales la plage sera la m me en proportion pour des syst mes batteries au Ni Cd l utilisateur doit supporter de fonctionner
129. ace du silicium si l on veut am liorer quelque peu le rende ment Une autre propri t tudier est de d terminer quelle pro fondeur dans le cristal il faut fabriquer la jonction pour optimiser le rendement On reviendra plus en d tail sur ces crit res au cha pitre 3 2 L illumination d une cellule solaire produit un courant proportionnel appel photocourant ind pendant de la tension Mais lorsque la ten sion augmente une partie de ce courant est redissip dans la jonc tion selon l quation de la diode La caract ristique 1 V d une cellule solaire s crit donc lp Is exp U Ut 1 o Ip photocourant Is courant de saturation de la diode C est une quation implicite dont la r solution I f V doit faire appel des m thodes d approximations successives On d finit 2 points importants sur cette courbe le courant de court circuit lorsque V 0 vaut Isc lp la tension de circuit ouvert lorsque le courant est nul s crit Voc kT q In 1 lp ls ou pour lsc Is Voc kT q In Ip ls Il est important de remarquer qu elle varie avec le log de Ip donc avec le log de l illumination Le courant de saturation s d pend de la surface de la diode donc de la cellule et des caract ristiques de la jonction il varie exponen tiellement avec la temp rature et double environ tous les 10 K Cette d pendance en temp rature compense largement le terme kT q et la tensi
130. actuellement semblent encore trop bas par rapport aux r sultats obtenus ici L tude signale galement quelques lacunes de connaissances et de recherche qui devraient tre combl es dans l int r t de la politique de l environnement et de l nergie et qui sont pr sent es ci dessous Les externalit s de l exploitation de l nergie hydraulique n ont pu tre quantifi es que tr s imparfaitement Les donn es n cessaires manquent encore dans une large mesure et n ont pas pu tre labor es dans le cadre de cette tude La question des risques d accidents majeurs dans les centrales hydrauliques et nucl aires n cessite un approfondissement Tout d abord il s agit ici de d terminer les risques pour lesquels il n existe en particulier pour les centrales hydrauliques quasiment pas de donn es fondamentales pour la Suisse incidences analyses de risque En outre pour les risques avec une probabilit de r alisation extr mement faible et des incidences tr s fortes et incertaines il s agit aussi d valuer les risques valuation pr cise des pr f rences des individus face au risque L effet de serre engendre l l ment de co t externe le plus important Les pr visions climatiques sont encore incertaines et vont le rester dans le futur proche Nous consid rons comme cela a d j t mentionn l adoption d un objectif politique de r duction de CO comme le proc d ad quat dans la situati
131. ale avec fen tres sans fen tres avec fen tres CUS Coefficient d utilisation de la surface surface de cellule surface de b timent CCS Coefficient de captage solaire nergie solaire capt e nergie capt e 30C face au sud 117 6 Types de centrales photovolta ques Figure 6 4 R partition des co ts d une centrale photovolta que non int gr e 6 2 Analyse conomique de l int gration 6 2 1 El ments de structure Le co t des structures de support des l ments photovolta ques repr sente une fraction de l ordre de 10 20 du co t total de l ins tallation La centrale photovolta que du LEM Gen ve prise comme exemple consiste en un champ de 88 modules de 110 W dispos s de fa on conventionnelle sur une toiture plate Les honoraires des bureaux d ing nieurs qui ont particip de fa on b n vole au projet dans le cadre d un programme d autoformation organis par l Office canto nal genevois de l nergie ont t ajout s pour 10 2 Centrale photovolta que LEM Gen ve ing nieurs ass divers 10 3 lectriciens 16 modules pv 33 monteurs 2 acc s toit A0 tanch it 12 10 onduleur structures La part associ e la structure est dans ce cas de 19 4 dont une bonne partie pourrait tre conomis e en utilisant la structure d un b timent comme l ment porteur Il faut toutefois noter que dans des projets
132. ant ne d passe pas quelques pour cent de la capacit 158 8 Installations autonomes 8 3 2 2 Caract ristique de d charge La caract ristique de d charge des cellules Ni Cd varie suivant leur technologie la temp rature et le niveau de courant On ne pr sente pas ici de courbe particuli re chaque fournisseur ayant des donn es diff rentes Un point important noter est que le Ni Cd peut tre compl tement d charg ce qui rend la pr sence d un r gulateur de d charge super flu si les utilisateurs tol rent de fonctionner jusqu 0 V Contrairement aux batteries au plomb les batteries au Ni Cd ont une capacit qui varie peu avec le courant de d charge par exemple une capacit de 102 Ah 5 h correspond une capacit de 110 Ah 100h 8 3 2 3 Influence de la temp rature On a vu que la courbe de charge figure 8 6 est fortement influen c e par la temp rature La temp rature influence galement la capa cit figure 8 7 mais un des principaux avantages sur le plomb est que le Ni Cd ne g le pas 120 100 80 Capacit 60 40 Temp rature C 8 3 2 4 Autres caract ristiques Rendement Le rendement charge d charge est en g n ral plus faible que pour le plomb calcul en Ah il vaut en g n ral 70 80 pour les petites cellules de 0 5 7 Ah Pour les l ments de grande capacit tra vaillant des courants de quelques pour cent de leur capacit le ren
133. ant pas de polarit mais seulement de concentration Les photons de grande longueur d onde rouges g n rant des porteurs dans cette zone am liorent le courant de la cellule mais surtout la surface faible taux de recombinaisons aug mente la tension ouverte et donc le rendement de la cellule le d p t d une couche antireflets sur l avant s rigraphie de TiO ou Ta20 5 par exemple et cuisson le d p t de la grille de m tallisation avant p te d argent s rigra phi e et cuisson le d p t d un m tal soudable sur l arri re p te d argent s rigra phi e et cuisson le test et tri de toutes les cellules fabriqu es La figure 3 10 montre en coupe chelles non respect es une cellule au silicium monocristallin Figure 3 10 Cellule au Si monocristallin Grille de m tallisation avant Couche antireflets Surface avant dop e n et textur e Jonction et champ lectrique Substrat p BSF champ arri re Dopage p M tallisation d aluminium M tallisation soudable N NOUR RG UNS 5 p BRA RGU 7 On voit donc que cette fabrication comprend beaucoup d tapes et qu elle va de nouveau consommer passablement d nergie pour tous les traitements thermiques des temp ratures souvent entre 400 et 900 C La tendance actuelle est de r aliser des cha nes de fabri cation proc d s si possible secs pour viter les manipulations de wafers telles que par exemple un transfert de ca
134. appelle cet l ment une jonction p n 3 1 4 Jonction p n La mise en contact de deux zones dopages oppos s dans un semi conducteur constitue un l ment fort connu la diode A l interface o les concentrations d atome trangers font passer le silicium du type p au type n appara t une r gion appel e zone de charge d espace qui provient de la tendance des lectrons exc dentaires de la couche n vouloir passer du c t p o ils sont attir s par les trous exc dentaires et de la tendance des trous vouloir passer du c t n par r ciprocit Cet change de porteurs dans la zone de charge spatiale cr e un champ lectrique qui va contrebalancer l change de charges et r tablir l quilibre thermique On repr sente la figure 3 5 la zone de charge spatiale et les courbes de champ lectrique et de poten tiel d une jonction p n Jonction p n jan X lt 6 X Densit de porteurs Champ lectrique g 5 x X Potentiel Figure 3 5 Jonction p n 43 3 G n rateur solaire Figure 3 6 Bandes d nergie et concentration des porteurs dans une jonction Il est galement int ressant de repr senter les bandes d nergie au voisinage de la transition p n Comme un corps l quilibre se carac t rise par un seul niveau de Fermi ce sont les bandes de valence et de conduction qui vont varier la jonction pour suivre les variations de dopage A la figure 3 6
135. applications industrielles t l communications balises etc les installations autonomes de production d nergie peuvent avoir des dimensions familiales de l ordre de 100 500 Wp ou alimenter les besoins d une collectivit d un village etc plusieurs kWp ou dizaines de kWp De m me les installations raccord es au r seau peuvent corres pondre aux besoins nerg tiques d une famille d une entreprise d un b timent public On parle alors d autoproduction avec des puis sances install es de l ordre de 1 4 kWp correspondant la consom mation annuelle d une famille ou plus L nergie non utilis e par le producteur est inject e dans le r seau et l nergie du r seau est uti lis e lorsque la production solaire ne suffit pas Dans ce cas le r seau se comporte donc comme un stockage virtuel d nergie Enfin on envisage et construit galement de grandes centrales solaires de production 100 kWp plusieurs MWp Compte tenu de la variabilit des apports solaires on consid re actuellement qu une p n tration de 10 20 de production PV est acceptable pour le r seau dans les conditions actuelles 4 2 Caract ristiques des onduleurs La transformation du courant photovolta que de nature essentielle ment continue en courant alternatif usuel 230 V 50 Hz est effectu e par des appareils lectroniques appel s convertisseurs statiques ou onduleurs Les exigences d entr e et de sortie requ
136. arrages reprennent la couver ture du besoin Ce mode de production est justifi par le fait que bien que la capa cit des barrages soit tr s importante elle ne couvre qu environ 18 de la charge moyenne de la p riode hivernale et qu en cons quence l eau accumul e dans les barrages pendant cette p riode doit tre utilis e parcimonieusement pour viter que les barrages ne soient vides en d but d ann e Le courant solaire contribue donc prolon ger la r serve d nergie La tarification du courant lectrique en Suisse n est pas uniforme mais d une fa on g n rale le tarif est fonction du niveau de tension du r seau de distribution plus le voltage est lev plus le prix est bas Suivant l importance de la centrale photovolta que le courant sera inject un niveau de tension donn Au niveau haute tension le courant se n gocie en dessous de 0 10 fr KWh toutefois il est connu que les nouvelles unit s de pro duction hydrauliques ou thermiques pr sentent des co ts de pro duction qui peuvent d passer 0 15 fr kWh Dans le sens d une poli tique long terme visant maintenir une certaine ind pendance nerg tique un co t de production sup rieur au courant import est galement justifi Si le courant est inject dans un r seau moyenne tension il ne pourra tre consid r comme nergie de pointe que si le r seau dispose de centrales hydrauliques avec accumulation sinon le courant man q
137. au dessus de la bande de valence est appel e bande de conduction son niveau d nergie minimale est Ec La conduction lectrique utilise les lectrons de cette bande Les mat riaux sont caract ris s par leur niveau de Fermi Ef qui corres pond au potentiel lectrochimique ou au travail de sortie des lec trons dans le solide Les m taux ont une structure lectronique o Ef se trouve l int rieur d une bande permise Les isolants ont une bande compl tement occup e par les lectrons et un large seuil avant la bande suivante qui est vide d lectrons basse temp rature le niveau Ef est alors entre ces deux bandes permises Une bande vide d lectrons ne peut videmment pas participer au courant dans un cristal Curieusement une bande pleine ne peut pas non plus conduire de courant pour que le courant puisse s tablir il faut que le mat riau puisse chan ger de niveau d nergie ce qui est le cas des m taux o la bande de conduction n est jamais pleine Un semi conducteur est un isolant qui pr sente une bande interdite gap de plus petite valeur qu un isolant basse temp rature il est isolant plus haute temp rature des lectrons peuvent acc der la bande de conduction et il manque des lectrons dans la bande de valence Le gap typique des cellules usuelles est de 1 12 eV pour le silicium 300 K La figure 3 1 repr sente les bandes d nergie des trois types de mat riaux isolants conducteurs et se
138. ax 01 211 04 42 145 8 Installations autonomes Installations autonomes 8 1 Syst mes 150 8 1 1 Syst mes photovolta ques 150 8 1 2 Syst mes hybrides 151 8 2 G n rateurs 151 8 2 1 G n rateur solaire 151 8 2 2 Autres g n rateurs 152 8 3 Batteries 153 8 3 1 Batterie au plomb 153 8 3 1 1 Caract ristique de charge 154 8 3 1 2 Caract ristique de d charge 155 8 3 1 3 Influences de la temp rature 156 8 3 1 4 Autres caract ristiques 156 8 3 2 Batterie au nickel cadmium 158 8 3 2 1 Caract ristique de charge 158 8 3 2 2 Caract ristique de d charge 159 8 3 2 3 Influence de la temp rature 159 8 3 2 4 Autres caract ristiques 159 8 4 R gulateurs 160 8 4 1 R gulateur shunt 161 8 4 2 R gulateur s rie 161 8 4 3 Maximum Power Tracker 163 8 4 4 R gulateur de d charge 163 8 4 5 R gulateurs crit res de choix 163 8 5 Onduleurs 164 8 5 1 Onduleur onde sinuso dale 165 8 5 2 Onduleur onde carr e 165 8 5 3 Onduleur onde pseudo sinuso dale 165 8 5 4 Onduleurs crit res de choix 166 8 6 Consommateurs 166 8 6 1 Lampes 167 8 6 1 1 Lampes fluorescentes 167 8 6 1 2 Lampes incandescence et halog ne 169 8 6 1 3 Lampes portables 169 8 6 2 Radio T l viseurs 169 8 6 3 Pompes 170 8 6 3 1 Pompes au fil du soleil 170 8 6 3 2 R seau d eau sous pression 171 8 6 3 3 Circulateurs de chauffage 172 8 6 4 R frig rateurs 172 8 6 5 Ventilateurs 172 8 6 6 Ordinateurs et p riph riques 173 8 6 7 Conn
139. c bles La figure 3 22 pr sente un exemple de bornier typique de panneau europ en On remarque les deux diodes by pass d j mont es en antiparall le Diodes by pass Passages de c bles tanches On s assurera que de l eau ne peut pas s accumuler dans le bo tier et que les connexions sont bien serr es Si les conditions ambiantes sont tr s corrosives bords de mer on peut noyer la bo te enti re dans une r sine silicone pr parer en atelier dans une atmosph re s che ou utiliser des modules sp ciaux sans bo tier avec sorties par c ble Les laminats destin s l int gration aux b timents sont souvent uni quement pourvus de connecteurs sur c bles tanches 66 va PACER 3 G n rateur solaire 3 5 Champ photovolta que Le champ photovolta que est l ensemble des panneaux mont s en s rie et en parall le pour atteindre une tension et un courant plus grands Pour d terminer le nombre de panneaux utiliser en s rie et en paral Installation r seau typique l le on part de la tension nominale atteindre que l on divise par la tension au point de puissance maximale d un panneau au NOCT Le nombre de panneaux en parall le sera fonction de la puissance d si r e Lorsque plusieurs panneaux sont connect s en s rie il faut se rappeler que m me clairage faible la tension ouverte atteint envi ron 1 4 fois la tension au point de puissance maximale Cette tension
140. ccessible 8 3 2 Batterie au nickel cadmium Dans ce paragraphe on va passer en revue de mani re raccourcie les m mes points que pour la batterie au plomb La batterie au Ni Cd beaucoup plus ch re que celle au plomb n est pratiquement pas utilis e pour les syst mes solaires priv s mais seulement pour des applications professionnelles Plaques Eau Plaques Positive N gative Charge Positive N gative 4 2Ni O OH Cd 2H20 1NI OH 2 Cd 0H 2 D charge 3 42 2 10 0 67 6 19 g Ah 3 46 3 73 6 19 L lectrolyte KOH n appara t pas dans la relation il fournit seulement une petite partie de l eau et sa densit ne varie pratiquement pas 8 3 2 1 Caract ristique de charge La figure 8 6 pr sente une courbe typique de charge courant constant pour une cellule Ni Cd trois temp ratures diff rentes 1 6 1 3 1 2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 tch On remarque que les courbes de charge varient en fonction de la temp rature et que la fin de charge d pend galement de la temp rature Ces effets rendent la conception d un r gulateur solaire difficile en effet le courant du panneau varie avec l ensoleillement et la forte d pendance la temp rature impose une compensation thermique Pour cette raison les batteries au Ni Cd sont dimensionn es de mani re tol rer un courant permanent de charge ce qui est pos sible si ce cour
141. ccordement 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 entre 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 tous les surplus d nergie produits Toute injection dans le r seau se traduit par une diminution de la demande sur les centrales hydro lectriques et donc par une r serve d eau qui pourra tre mise profit pen dant la nuit ou lors de p riodes de faible insolation Plusieurs centaines d installations de ce type sont maintenant en ser Le raccordement au r seau vice en Suisse dont certaines depuis une dizaine d ann es appor permet un change d nergie tant la preuve de la parfaite compatibilit avec le r seau et de la haute fiabilit de la production d nergie La mise en service de centrales photovolta ques dans un r seau de distribution lectrique largit le r le du distributeur 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 com pensateur entre les exc dents et les insuffisances de la production d lectricit d origine solaire Figure 5 1 C nsommati Echange d nergie lectriq
142. certains syst mes travaillant basse temp rature le pompage de l eau pour faire tourner ensuite une g n ratrice hydraulique la catalyse de l eau pour produire de l hydrog ne Dans ce chapitre on d crira principalement les syst mes avec bat teries au plomb ou au Ni Cd et on analysera plus en d tail les consommateurs bien adapt s ces syst mes On terminera par les r gles de dimensionnement Les installations autonomes peuvent tre class es en fonction de la puissance de leur g n rateur qui peut atteindre seulement quelques mW montres calculatrices ou jusqu environ 100 kW pour les plus grandes Les plus grandes installations ind pendantes sont des micror seaux alimentant de petites communaut s isol es Afrique certaines mai sons isol es habit es toute l ann e et non reli es au r seau des sys t mes de t l communication relais hertziens et les syst mes de pompage d eau qui souvent fonctionnent sans batterie au fil du soleil On a galement aliment des tunnels en ventilation et clai rage dans certains pays du Moyen Orient A la figure 8 1 on sch matise les installations autonomes 149 8 Installations autonomes PACER Figure 8 1 Installations autonomes R gulateur gt NZ 0 5 2 2 2 D B 3 Accumulateur MEF Fe z L gt a D V hicule 5 3 oO S T 3 1 Syst mes Les installations autonomes peuvent tre subd
143. cessaires En tenant compte de ces l ments qui sont d favorables la technolo gie amorphe plus faible rendement on obtient le tableau 3 2 qui prend en compte le g n rateur complet install et mont 58 w TE 3 G n rateur solaire Technologie Ann e Energie grise Rendement ie 3 1 d dul l kWh Wp nergie grise des modules seuls Mono 1989 8 06 14 cristalline 1994 4 69 15 5 Poly 1989 7 30 12 cristalline 1994 3 52 13 5 Amorphe 1989 4 22 6 1994 2 54 8 En calculant le retour d nergie pr vu valeurs de 1994 avec la m me irradiation que plus haut 1000 kWh m on voit que pour un g n rateur amorphe de 8 de rendement la dur e est de 2 5 ans pour un polycristallin de 13 5 la dur e est de 3 5 ans et pour un mono cristallin de 15 5 la dur e est de 4 7 ans Technologie Ann e Energie grise Relative kWh Wp Mono 1989 11 0 100 cristalline 1994 5 9 53 6 Poly 1989 10 8 98 2 cristalline 1994 5 0 45 5 Amorphe 1989 9 5 84 6 1994 4 5 40 9 Les chiffres esp r s pour la production de masse 1994 sont proches les uns des autres et les valeurs relatives nous montrent que l on esp re gagner environ la moiti de l nergie par rapport au standard monocristallin de 1989 On remarque galement que les panneaux amorphes sont int ressants lorsqu ils peuvent tre utilis s dans de petits syst mes 10 20 W ou 1 panneau o l infrastructure est la m me quelle que soit la te
144. chnologie 3 3 Caract ristiques des cellules photovolta ques On pr sente ci dessous les caract ristiques lectriques des cellules photovolta ques au silicium cristallin ou amorphe Les autres tech nologies difficilement disponibles sur le march ne seront pas abor d es cependant la majorit des effets d crits ici peuvent tre trans pos s d autres cellules par simple ajustement de param tres 3 3 1 Courbe l V en fonction de la lumi re La premi re caract ristique int ressante est de savoir comment une cellule r agit diff rentes intensit s lumineuses En fin de fabrica tion toutes les cellules sont mesur es sous une irradiance de 1kW m et si possible spectre AM 1 5 l aide de sources lumineuses Pay back time Tableau 3 2 Energie grise des installations raccord es au r seau 59 3 G n rateur solaire Figure 3 17 Courbe I V sous 1 kW m Fill Factor au x non qui permettent d obtenir un spectre proche de celui du soleil On contr le galement la temp rature ambiante et celle du posage de mesure Souvent les syst mes utilisent comme source de lumi re un flash pour viter la surchauffe la cellule est alors charg e par une r sistance variable pilot e par ordinateur pendant le flash la machine mesurant galement la lumi re avec une cellule de r f rence et la temp rature pour calculer les performances de la cellule Une telle machine peut en g n ral sortir une courbe l
145. contraintes seront tr s diff rentes si le vent vient de devant ou de derri re les modules Vent de face La pression du vent q est repr sent e par une force agissant en un point au milieu de la surface de captage laquelle force est divis e en deux composantes K et Ky K c q A Ky K cos a Kx K sin 123 6 Types de centrales photovolta ques A q pression du vent A surface c facteur de courant 1 1 5 R r action D axe du moment amp angle de pente G poids u coefficient de frottement 0 7 K force du vent longueur du socle Figure 6 12 Forces exerc es par un vent de face y DIA A D1 W SSSR SSSR NT Cr a LY Rx 2 Ry TG o Cette action du vent entra ne des forces et des moments par rapport au point D1 Equilibre des forces Direction y Ry K G Direction x REK Moment par rapport D1 Kx y G 1 2 Ky x Condition d adh rence Rk gt u R u K G Condition de basculement K y lt G 1 2 K x La toiture doit tre en mesure de supporter la force R en plus des autres charges La r sistance des structures portantes doit tre v ri fi e par le constructeur La force de frottement Rx doit tre sup rieure la force d entra ne ment horizontal Kx 124 6 Types de centrales photovolta ques Le moment K y ne doit pas d passer celui qui r sulte du poids et de la composante horizontale du vent ce qui mont
146. contre la structure polycristalline est plus r sistante en cas de tension inverse la puissance est dissip e entre les joints de grains donc dans toute la surface sous forme de rayonnement infrarouge alors que pour une cellule monocristalline l mission infrarouge a lieu seulement la p riph rie du wafer g n rant des temp ratures locales plus lev es 3 2 3 Cellules amorphes La fabrication du silicium amorphe est encore moins critique que celle du polycristal Directement partir du silicium sous forme gazeuse silane on peut d poser sur diff rents substrats du silicium amorphe On parle de silicium amorphe parce que le mat riau n a plus de structure cristalline les atomes sont en g n ral li s quatre autres atomes mais sans ordre ni p riodicit ce qui entra ne des microvides lorsque un atome est parfois li seulement trois autres atomes On parle ici de liaisons non satisfaites ou pendantes Ces dis continuit s cr ent beaucoup de niveaux d nergie permis travers la bande interdite gap ce qui emp che de doper effectivement le mat riau ou d obtenir des dur es de vie raisonnables des porteurs Cependant le silicium amorphe provenant du silane contient une proportion importante d hydrog ne 5 10 qui va se lier ces liai 52 PACER 3 G n rateur solaire sons pendantes et d autres d fauts du mat riau r duisant la den sit d tats dans la bande interdite
147. culs de co t de l nergie on calcule des annuit s fixes selon la formule suivante A r 1 r 1 r 1 211 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques dans lequel a annuit recherch e A capital emprunt r taux d int r t n dur e de l amortissement Pour tenir compte de la d pr ciation de la monnaie il convient de prendre un taux d int r t r actualis qui est gal la diff rence entre le taux d int r t et le taux d inflation Le tableau suivant donne la valeur des annuit s fixes pour un capi tal de Fr 100 000 Taux Ann es d amortissement d int r t 10 12 15 20 25 30 35 40 50 0 05 12950 11283 9634 8024 7095 6505 6107 5828 5478 0 055 13267 11603 9963 8368 7455 6881 6497 6232 5906 0 06 13587 11928 10296 8718 7823 7265 6897 6646 6344 0 065 13910 12257 10635 9076 8198 7658 7306 7069 6791 0 07 14238 12590 10979 9439 8581 8059 7723 7501 7246 0 075 14569 12928 11329 9809 8971 8467 8148 7940 7707 0 08 14904 13270 11683 10185 9368 8883 8580 8386 8174 0 09 15582 13965 12406 10955 10181 9734 9664 9296 9123 10 1 3 D penses de fonctionnement annuelles Le fonctionnement d une centrale photovolta que est 100 automa tique Les d penses de fonctionnement consistent d une part en frais de contr le et d entretien et d autre part en une r serve pour rem placement d l ments titre pr ventif
148. d nergie possible entre les batteries et la charge en 230 Vac fonction de la puissance On s int resse la courbe de rendement en fonction de la charge de l onduleur les appareils modernes performants atteignent un rende ment sup rieur 90 d s une charge de 5 10 de leur puissance nominale Mais le rendement des appareils consommateurs peut d pendre de la forme de l onde par exemple un moteur aliment par une onde carr e a un tr s mauvais rendement et va chauffer Consommation en mode d attente stand by C est une donn e tr s importante pour les onduleurs qui travaillent occasionnellement et restent branch s en permanence Souvent dans ces cas la consommation vide est plus importante que la consommation utile Un onduleur performant de 500 W 12 V consomme par exemple 0 4 A en attente ce qui fait 9 6 Ah ou 115Wh j II faudrait si possible d clencher l onduleur entre deux uti lisations 8 5 1 Onduleur onde sinuso dale Les onduleurs modernes sinuso daux pour installations ind pen Onduleur sophistiqu dantes utilisent les m mes techniques que celles d velopp es pour la liaison au r seau Les circuits sont plus simples mettre en uvre les protections et synchronisation au r seau n existant pas On trouve ainsi sur le march de petits onduleurs 100 500 W utilisant la technique HF interm diaire cf 3 4 3 sans filtre de sortie le signal haute fr quence toujours pr sent peut ainsi
149. de charge m canique du moteur D autre part la consommation continue de l onduleur pourra tre une part importante de l nergie et les mod les 230 Vac sont moins bien isol s que les mod les solaires sp cialement d velopp s 8 6 5 Ventilateurs Pour la ventilation de petits espaces on trouve des ventilateurs DC utilis s en lectronique Certains sont m me d j mont s avec des cellules solaires dans une bouche de ventilation pour caravane ou bateau Pour les besoins plus importants s chage du foin par exemple beau coup de ventilateurs industriels peuvent tre obtenus avec un moteur DC Pour ces besoins le syst me de d marrage du moteur est plus difficile r soudre que la modification en DC Pour les pays chauds on trouve un ventilateur plafonnier en 24 Vdc qui a environ 40 plus de rendement que son quivalent en 230 Vac 172 va PACER 8 Installations autonomes 8 6 6 Ordinateurs et p riph riques La plupart des ordinateurs portables peuvent tre connect s une alimentation 12 Vdc prise allume cigares ce qui r sout le probl me d alimentation Pour valuer la consommation r elle il est conseill de mesurer l appareil en tenant compte des cycles de charge d charge de l accumulateur int gr qui est le plus souvent au Ni Cd Pour l imprimante les mod les les moins gourmands en nergie sont les mod les jet d encre 12 150 W les mod les impact consomment en g n
150. de l ordre de 1 5 2 4 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 cu rit de fonctionnement et la protection des personnes et du mat riel Il peut toutefois tre n cessaire ou pratique de regrouper 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 antisur tensions Le contacteur principal DC doit pouvoir s parer le champ photovol ta 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 normalement pour arr ter le fonctionnement de l onduleur Figure 5 2 Coffret de raccordement Un c blage au plus court diminue les pertes 105 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau PACER La puissance produite doit pouvoir tre absorb e en totalit 5 2 5 Onduleur Le local de l onduleur doit tre bien ventil de fa on permettre l vacuation de l nergie thermique produite par les pertes de trans formation Les sp cifications des onduleurs sont donn es au cha pitre 4 5 2 6 Contacteur c t courant alternatif AC De m me si le point d injection dans le r seau est relativement loi gn un disjoncteur AC et les protections de ligne seront mont s dans un
151. de ne fonctionne pas le pan neau fournissant encore une l g re tension positive mais 47 C NOCT la protection de la diode agit et limite la puissance dissip e par la cellule ombr e 41 W au lieu de 48 4 W sans diode Cellule avec 80 d ombrage 35 autres cellules du panneau R sultante pour le panneau Protection par diode P 41 W Tc 160 C Courant A Tension W 70 PACER 3 G n rateur solaire Ces deux exemples montrent qu une diode by pass n est pas une protection absolue et qu une cellule ombr e peut tout de m me atteindre un point de fonctionnement qui pourra l endommager C est pourquoi les normes europ ennes imposent des protections qui font appel deux diodes by pass La figure 3 25 pr sente la courbe l V d un panneau ombr deux diodes by pass Dans ce cas la puissance maximale que peut atteindre la cellule ombr e est de 11 W 25 C ce qui fait monter sa temp rature 61 C Ce niveau de temp rature n est maintenant plus destructeur et le panneau est efficacement prot g Figure 3 25 Panneau et 2 diodes by pass Cellule avec 80 d ombrage 17 autres cellules demi panneau Demi panneau avec 1 diode R sultante pour le panneau Courant A Protection par diode P 11 W Tc 61 C Tension V Ces courbes ont t trac es par le logiciel PVSYST qui permet de varier les donn es pour s adapter un cas de figu
152. de retracer l histoire du fonctionnement du syst me Cette connexion PC sera utile non seulement la mise en service mais aussi pour un contr le p riodique du fonctionnement de l installa tion 201 9 Dimensionnement et mesures 9 4 Mesures en exploitation Les mesures en exploitation peuvent tre r alis es sur deux niveaux soit un contr le p riodique simple par exemple mensuel de la production globale de l installation sans investissement suppl mentaire soit pour les installations de recherche ou projet pilotes une mesure continue de divers param tres en vue d une analyse d taill e du fonctionnement du syst me 9 4 1 Contr le d exploitation p riodique Le contr le d exploitation le plus simple ne comporte en g n ral pas de mesures des conditions m t orologiques on ne pourra donc pas en d duire une estimation directe de l efficacit du syst me mais seulement une tendance d volution long terme Le contr le le plus rudimentaire est simplement le relev p riodique hebdomadaire mensuel du compteur d nergie inject e et ven tuellement du compteur d nergie consomm e par l unit d habita tion M me si on dispose de donn es d une station m t orologique proche et si on peut faire correspondre les dates de relev s avec les intervalles de mesures m t o disponibles par exemple un relev la fin de chaque mois on ne peut pas comparer directement les valeu
153. des limites dues diff rents facteurs Parmi les principaux il faut citer la compatibilit des surfaces de captage avec l environnement plus particuli rement avec l environnement construit pour la Suisse et la capacit d absorption du r seau en fonction des particularit s d une production d centralis e et p rio diquement variable Un parc de 2000 MW serait en mesure de produire du courant de pointe toute l ann e pratiquement sans faire appel la capacit de stockage hydraulique Figure 10 2 MW Apport d une production de 2000 MW photovolta que 8000 7000 6000 Ps UT D 5000 4000 Ai FAN 3000 2000 T ER Z EEE 1000 O 6 12 18 240 6 12 18 24 0 6 12 1824 0 6 12 18 24 20 12 1978 21 3 1979 20 6 1979 19 9 1979 229 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER Pour conserver l int r t de la production de courant de pointe une combinaison avec la production hydro lectrique est n cessaire au dessus de 2000 MW Au del de 8 de photovolta que il serait n ces saire de trouver de nouvelles formes de stockage 3 Le potentiel long terme peut donc tre valu 4000 MW ce qui est parfaitement compatible avec l inventaire des surfaces cons truites utilisables en Suisse R f rences 1 Photovoltaics as a demand side management option Benefits of a utility customer partnership Wenger Hoff Perez World Energy Congress Atlanta
154. e son facteur nerg tique est toujours inf rieur 1 Sans par ler des dommages caus s la qualit de l air 10 3 6 Bilan cologique d favorable Critique La charge cologique du photovolta que est consid rable le temps de retour cologique en CO de la centrale de Mont Soleil se situe plus de 12 ans R ponse On entend par temps de retour cologique d une installation photo volta que la dur e pendant laquelle elle doit produire sans charge pour l environnement pour compenser la charge d une centrale conventionnelle ayant produit l nergie n cessaire sa fabrication La valeur de 12 ann es r sulte d un travail de semestre effectu l EPFZ sur la centrale de Mont Soleil laquelle est une installation pilote qui par sa construction dans le terrain demande un investis sement en mat riaux nettement sup rieur la majorit des centrales int gr es construites en Suisse En reprenant les chiffres de cette tude pour une centrale int gr e on constate une diminution de plus de 40 des missions de CO en outre cette tude ne tient pas compte des progr s r alis s ces derni res ann es dans la fabrica tion des modules photovoltaiques De toute fa on ce genre de calcul appliqu aux autres moyens de production d nergie montre que l hydraulique et le photovolta que sont sensiblement plus propres que toutes les nergies non renouvelables Il faut naturellement aussi consid rer
155. e A NOCT si le point de fonctionne ment du champ est de 94 8 V 3 14 l ensemble de la cha ne va tra vailler 2 2 A et le point de fonctionnement de la cellule ombr e passe V cell 22V cell 22A P cell 48 4 W La puissance a fortement augment dans une ambiance plus chaude dans ce cas les connections la cellule ombr e risquent de s ouvrir et le panneau ne laissera plus passer de courant Hot Spot 69 3 G n rateur solaire Figure 3 23 Panneau ombr sans protection Diode by pass Figure 3 24 Panneau et une diode by pass Cellule avec 60 d ombrage 35 autres cellules du panneau R sultante pour le panneau Panneau en court circuit P 38 W Te 152 C Courant A 30 20 10 0 10 20 30 Tension V 3 5 3 Protection par diode antiparall le Pour rem dier ce probl me on monte en parall le avec chaque panneau une ou deux diodes by pass en opposition c est dire avec la cathode au du panneau la tension inverse du panneau ne peut alors pas d passer la tension directe des diodes soit environ 1 ou 2 V La figure 3 24 pr sente la courbe l V d un panneau prot g par une diode by pass On remarque qu une cellule ombr e peut encore atteindre toute la tension directe des autres cellules du panneau et un courant de 2 A avant que la diode ne conduise En reprenant les deux exemples ci dessus on remarque qu 25 C la dio
156. e 12 l encouragement de l utilisation des nergies renouvelables Les limites de cette aide sont fix es par voie d ordonnance en par ticulier celle du 22 janvier 1992 qui d finit dans son article 22 la notion d installations pilotes et de d monstration P D ainsi que la modi fication du 30 juin 1993 La participation de la Conf d ration au financement des projets P D est g r e dans le cadre du programme E2000 et pouvait aller jusqu 30 et exceptionnellement 60 des co ts imputables tant entendu que la participation globale Canton Conf d ration ne pou vait d passer 80 sauf exceptions En outre dans le cadre du programme de lancement promu en 1992 il tait pr vu une contribution de 5000 fr kW install pour tout g n rateur photovolta que de 1 20 KW mont sur un b timent scolaire Tout renseignement compl mentaire est demander au respon sable du secteur solaire actif de la section nergies renouvelables de la division Technique nerg tique de l Office f d ral de l Energie 1 En raison de l arr t f d ral relatif aux r ductions lin aires de bud get SR 616 62 les montants initialement pr vus sont tous r duits de 10 7 4 2 Cantons Les aides cantonales peuvent se pr senter sous diff rentes formes qui sont r sum es dans la figure 7 1 Dans tous les cas il est bon de se renseigner aupr s de l Office can tonal de l nergie dont l adresse figure dans le chapitre
157. e Circuit pr chauffage des lectrodes garantissant un nombre d enclenchements lev par exemple 5000 au minimum Les circuits sans pr chauffage noircissent le tube aux extr mit s les lectrodes en se d truisant s y d posant e Oscillateur HF produisant une onde sinuso dale une tude r cente a montr que la dur e de vie de telles lampes 1 tait nettement plus lev e D autre part les lampes onde sinuso dale produisent beaucoup moins d interf rences radio ce qui est important pour les produits vendus en Afrique o la radio AM est pratiquement la seule re ue dans les campagnes e Circuit haut rendement r sistant aux variations de tension par exemple de 10 14 V et la temp rature ambiante e Circuit r sistant au vieillissement du tube et supportant de fonctionner sans tube lorsque le tube vieillit il est plus difficile d marrer et peut parfois s allumer moiti l oscillateur lectronique n est alors pas correctement charg Peu de fournisseurs peuvent r pondre tous ces crit res il faut alors faire un compromis et choisir en fonction de l usage 8 6 1 2 Lampes incandescence et halog ne Lorsqu on compare les rendements lumineux tableau 8 1 on remarque que les lampes incandescence ont entre 4 et 6 fois moins de rendement puissance gale que les fluorescentes on peut alors recommander ces lampes uniquement pour des utilisations tr s courtes par exemp
158. e armoire de sortie proximit de l onduleur Il ne doit pas tre utilis pour interrompre le fonctionnement de l onduleur 5 2 7 Injection comptage L injection dans le r seau s effectue travers un tableau de distribu tion faisant partie de l installation Pour choisir le point d injection il faut se rappeler que la centrale pho tovoltaique produit un courant de puissance variable dont le maxi mum d pend de la puissance install e et des conditions m t orolo giques Cette puissance doit pouvoir tre absorb e sans perte par les consommateurs pr sents au point d injection ou en amont de ce point voir les probl mes d imp dance au chapitre 4 Tous les syst mes de synchronisation et de s curit tant d j com pris dans l onduleur le point d injection ne comporte pas de dispo sitif 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 d crits plus loin 5 3 Protection et s curit 5 3 1 Surtensions Un g n rateur photovolta que est par d finition une installation lectrique ext rieure qui doit tre prot g e contre les effets des intemp ries telles que la pluie le vent la foudre etc D autre part elle doit pr senter toutes les conditions de s curit n cessaires pour les personnes susceptibles de se d placer proximit Une protect
159. e coffret de raccordement 1 S parateur de puissance DC I 5 2 Dispositif antisurtension E 3 Bornes 4 Fusibles et ou diodes antiretour OL ONEA N Sorties 5 Parafoudre JAAR AS SAZ 5 6 C ble blind principal DC mn 2 Nues 7 C ble de cha ne positif 8 C ble de cha ne n gatif 5 2 3 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 enve loppe 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 des armoires tanches ce qui permet leur montage ext rieur proximit imm diate des g n ra teurs Cet avantage est appr ciable dans le cas de montage sur toit plat ou en terrain mais il 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
160. e crit re de choix principal qualit d coute gale est la consommation continue la plus faible Pour les t l viseurs le choix est plus limit pour les appareils ali mentation directe DC seuls quelques mod les de petits formats sont disponibles la consommation des grands tubes restant importante Si l utilisation du t l viseur est rare il peut tre avantageux de r cu p rer une petite TV noir blanc et d ajouter un petit onduleur 100 W 8 6 3 Pompes Le pompage de l eau est une des priorit s du solaire en Afrique Pour les utilisations en Europe les besoins les plus courants sont la mise en pression de l eau d une habitation 8 6 3 1 Pompe au fil du soleil Une installation de pompage solaire en site isol doit tre soigneu sement con ue m me si la technique est parfaitement adapt e une pompe demande toujours de la maintenance donc un minimum de formation des utilisateurs D autre part la pompe doit s adapter aux conditions locales de pompage comment va voluer la nappe phr a tique lorsqu on pompe plus fortement quels seront les variations de niveau les variations de qualit de l eau etc On ne d taillera pas ici les avantages et inconv nients des syst mes avec ou sans batterie avant d installer une pompe directement sur un g n rateur solaire il faudra s assurer que celle ci accepte les grandes variations de courant et tension du g n rateur durant la journ e Trois syst mes p
161. e horizontale touche tous les pan neaux des m mes cha nes Dans ce cas la diode de blocage s rie par cha ne va emp cher un courant inverse vers la cha ne ombr e Il n est pas utile d effectuer des liaisons parall les suppl mentaires autres qu aux extr mit s de cha nes Ceci pourrait tre dangereux en cas d ombre partielle le courant inverse pouvant devenir important si plusieurs panneaux en parall le peuvent le fournir Dans le cas des panneaux de puissance comportant plusieurs cellules en parall le les diodes by pass sont dimensionn es pour supporter la somme des courants pouvant provenir des cellules On montre la figure 3 27 un champ de panneaux typique Conditions NOCT Panneaux 53 W Upmax out 94 8 V Ipmax out 9 18 A Pmax out 870 W 3 5 5 Dimensionnement du champ photovolta que Ce point sera d velopp en d tail au chapitre 8 cependant on peut remarquer que la majorit des petits syst mes de 3 kW install s en Suisse ces derni res ann es ont t syst matiquement dimension n s selon la r gle puissance continue panneaux puissance alter native onduleur sans s int resser au co t final de l nergie qui en r sultait Un tude publi e en juin 1994 4 montre que cette mani re de faire est un peu na ve et que le surdimensionnement du champ de panneaux permet de produire du kWh photovolta que meilleur co t Ombre horizontale Figure 3 27 Champ photovolta que
162. e la temp rature des cellules valeurs typiques 0 4 0 55 pour le c Si 0 3 pour le a Si Tension ouverte mV K Variation de tension d un module en fonction de la temp rature des cellules d pend du nombre de cellules en s rie Valeurs typiques 2 mV K par cellule pour le c Si avec 36 cellules on atteint 72 mV K 60 mV K pour un type de module a Si de ten sion nominale quivalente Courant de court circuit mA K Variation de courant d un module en fonction de la temp rature des cellules d pend de la surface des cellules Valeurs typiques 1 8 mA K pour un panneau cellules de 10 x 10 cm c Si panneau 50 W 2 5 mA K pour un panneau a Si de puissance quivalente Temps de r cup ration d nergie En anglais pay back time temps qu il va falloir attendre pour qu un panneau ou une installation compl te ait produit son nergie grise voir ce terme En am liorant la technologie et le rendement et en augmentant les quantit s produites cette valeur baisse r guli re ment pour les modules photovolta ques Temps l gal TL Temps officiel des horloges Temps solaire TSV R f rence de temps ou le midi vrai correspond au passage du soleil la verticale du m ridien du lieu Tension d essai Tension maximale inject e au panneau pour le tester par exemple tension d essai d isolement Tension ouverte Voc Tension d livr e par un panneau sans charge 238 PACER Glossaire Toi
163. e march Le programme suppose que tous les panneaux du syst me sont identiques On d finit ensuite le nombre de panneaux et leur interconnexion en Interconnexions s rie parall les avec les possibilit s de regroupement d finies dans le cadre de la figure 9 8 Plusieurs panneaux en s rie et parall le for ment des groupes on peut ventuellement connecter plusieurs groupes en s rie et parall le pour former un champ Un champ est connect sur une entr e d onduleur Le syst me peut comporter plu sieurs champs identiques avec plusieurs onduleurs 193 9 Dimensionnement et mesures Figure 9 8 C blage des modules pour former un champ Un champ est caract ris par une entr e onduleur Pertes thermiques R sistance du c blage Dispersion des caract ristiques des panneaux Groupe un champ i une entr e onduleur R seau Champ 2 Ceci fixe les caract ristiques globales du syst me puissance nomi nale courant et tension surfaces brute et active Le type de montage m canique influera sur le comportement ther mique il est important de veiller une bonne ventilation de fa on limiter la temp rature des cellules expos es au soleil et donc la perte d efficacit correspondante de l ordre de 0 5 de la puis sance par C La temp rature des cellules est calcul e par un bilan thermique entre l nergie absorb e et l nergie perdue d apr s un
164. ec une cole technique TELEMESURE D UNE INSTALLATION PHOTOVOLTA QUE DATALOGGER l n l STOCKAGE K VOLT DC Ky PA AMP_D PREPARATION DES SIGNAUX KA VO SpA Al uA SA Figure 5 5 Syst me de mesure 111 a 4 a 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau PACER R f rences 1 Recommandations SOFAS PROMES OFEN Swissolar Mellin gerstrasse 39 5400 Baden 2 Prescriptions IFICF ESTI N 2330690 f Drucksachenverwaltung Luppenstrasse 1 8320 Fehraltorf 3 Publication Prof H berlin 12th PV Conf Amsterdam avril 1994 Poster 10B 12 112 PACER 6 Types de centrales photovolta ques 6 Types de centrales photovoltaiques 6 1 Analyse typologique 115 6 1 1 Les centrales dans le terrain 115 6 1 2 Les centrales rapport es sur des b timents 115 6 1 3 Les centrales int gr es aux b timents 115 6 1 4 Crit res d int gration 116 6 2 Analyse conomique de l int gration 118 6 2 1 El ments de structure 118 6 2 2 Effet de substitution 118 6 2 3 Synergie de fonctions 119 6 2 4 Potentiel des surfaces disponibles 120 6 3 Construction sur le terrain 120 6 3 1 Structures 120 6 3 2 C blage 121 6 4 Construction rapport e sur b timent 121 6 4 1 Structures sur toits plats 122 6 4 2 Calcul des charges 122 6 4 3 Structures sur toits inclin s 126 6 4 4 Pose sur fa ade 127 6 4 5 C blage 127 6 5 Cons
165. ectique et c blage 173 147 8 Installations autonomes et 8 7 Dimensionnement 174 8 7 1 Tension minimale 174 8 7 2 Point de fonctionnement des modules 175 8 7 3 Calcul des consommateurs 175 8 7 4 Energie solaire disponible 175 8 7 5 Calcul de la puissance du g n rateur 176 8 7 6 Dimensionnement de la batterie 176 R f rences 179 148 PACER 8 Installations autonomes 8 Installations autonomes Dans la plupart des installations solaires on a besoin de l nergie durant les p riodes o il n y a pas de soleil jours sombres nuit c est pourquoi on a recours dans la plupart des cas un accumulateur d nergie ceci est vrai qu elles soient autonomes o l accumulateur est constitu d une bat terie ou quelles soient reli es au r seau o le r seau lui m me joue le r le d accumulateur Les installations sans accumulateur beaucoup plus rares sont par exemple des pompes eau syst mes utilis s dans les pays arides ou d sertiques ou des syst mes de ventila tion ou s chage fonctionnant au fil du soleil Pour dimensionner une installation autonome il est important de conna tre tous les besoins en nergie et d utiliser des consomma teurs pr sentant le plus haut rendement pour conomiser sur la taille du g n rateur et de l accumulateur Pour accumuler l nergie on utilise par exemple des batteries au plomb dans la majorit des cas des batteries au Ni Cd pour
166. elles partir de donn es mensuelles Des fichiers horaires DRY pour les 22 stations du tableau 2 1 sont livr s avec le logiciel pr ts l emploi D autres sources de donn es par exemple des valeurs mesur es peuvent tre introduites gr ce un module programmable d interpr tation de formats ASCII 9 2 4 L nergie incidente L nergie incidente est essentiellement le r sultat de la transposition L nergie incidente est du rayonnement dans le plan des capteurs Elle fait intervenir les l nergie disponible param tres suivants dans le plan des capteurs le type de champ fixe suiveur un ou deux axes ou avec ajuste ment saisonnier l orientation du champ inclinaison et azimut le coefficient d alb do peut tre d fini mensuellement pour tenir compte d une ventuelle couverture neigeuse la hauteur d horizon pour les ombrages lointains Nous avons d j discut des implications de l orientation dans le paragraphe 2 5 2 et le d but de ce chapitre Le choix d une orienta tion d pend de multiples facteurs latitude quantit de direct glis sement de la neige ou nettoyage par la pluie etc ainsi que de ce qu on veut optimiser nergie annuelle hivernale L option de poursuite du soleil par des capteurs mobiles peut para tre s duisante Bien qu elle soit largement utilis e dans les grandes cen trales en r gions d sertiques Californie Isra l elle ne se justifie pas dans nos r gio
167. empirique n est possible que dans les domaines suivants voir les r f rences en annexe pertes de productions agricoles dommages aux b timents 217 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER co ts des dommages aux for ts pertes de revenus de l conomie foresti re co ts pour la construction d ouvrages suppl mentaires n cessaires ou de mesures de protection et co ts de la sant pertes de production dues la maladie co ts de traitement Dans un petit nombre de domaines valeur de recr ation et d existence de la flore et de la faune par exemple une forme de mon tarisation des pr f rences individuelles est possible Par contre les estimations concernant les co ts de l effet de serre doivent encore tre consid r es comme tant hypoth tiques Par cons quent seuls les co ts d vitement seront retenus dans l estima tion des co ts externes relatifs l effet de serre Les estimations de co ts qui figurent dans le tableau de la page ci contre ne sont donc pas compl tes puisque des aspects essentiels n ont pas pu tre quantifi s Les indications correspondent donc plut t la pointe de l iceberg des co ts externes La largeur des fourchettes des estimations particuli rement marqu e pour ce qui est des co ts externes de l effet de serre montre bien les incertitudes consid rables qui p sent sur les estimations En 1990 les co ts ex
168. ence Pour un vitrage simple on prend habi tuellement b 0 1 mais avec un panneau PV la cellule est directe ment coll e sous le vitrage et les mesures indiquent qu il faut plut t choisir bo 0 05 Le logiciel laisse la possibilit de d finir des pro fils exotiques pour l utilisation de panneaux sp ciaux Approximation ASHRAE IAM 1 bo 1 cos 1 avec bo 0 05 0 10 20 30 4o 50 50 FTO 20 30 Angle d incidence amp On constate sur la figure 9 11 que pour les incidences inf rieures 60 il n y a pas trop de probl mes Dans une installation bien orien t e les incidences plus rasantes correspondent des heures de faible ensoleillement Cependant ce facteur peut devenir important en moyenne pour les mauvaises orientations par exemple en fa ade Le facteur d IAM est applicable au rayonnement direct Pour le diffus isotrope le facteur d IAM doit tre int gr sur toutes les directions de la vo te c leste vues par le capteur On peut mon trer que pour une demi sph re plan horizontal IAMaitfus 1 bo Le logiciel calcule le facteur lIAMaiffus pour la situation r elle des capteurs dans le champ Comme pour l ombrage ce facteur reste constant au cours de l ann e Le calcul du rayonnement effectif atteignant les cellules s crit donc Globale IAM a Direct IAMairrus Diffus En moyenne annuelle les pertes d IAM restent limit es 2 ou 3 196 va PA
169. entielle en fonction de l altitude avec un facteur d amortisse ment diminution de 1 e 0 37 d environ 7 8 km Pour les altitudes habituelles cette approximation lin aire suffit 20 2 Rayonnement incident 2 2 4 Rayonnements direct et diffus En traversant l atmosph re le rayonnement solaire est absorb et diffus Au sol on distingue plusieurs composantes Le rayonnement direct est re u directement du soleil sans diffusion par l atmosph re Ses rayons sont parall les entre eux il forme donc des ombres et peut tre concentr par des miroirs Le rayonnement diffus est constitu des photons diffus s par l atmosph re air n bulosit a rosols Sa structure varie avec les conditions m t orologiques Par temps couvert on admet qu il est isotrope c est dire qu on re oit un rayonnement identique de toutes les directions de la vo te c leste Par temps clair ou voil outre le ciel bleu relativement isotrope diffusion sur l air on a une couronne plus brillante autour du soleil composante appel e circumsolaire et souvent un renforcement sur l horizon la bande horizon cf figure 2 11 p 28 L alb do est la partie r fl chie par le sol Il d pend de l environ nement du site il faudra en tenir compte pour valuer le rayon nement sur plans inclin s NMU Die ZT Rayonnement extraterrestre moyen 1367 W m ZINN IN Limite de l atmosph re Direct Diffus Rayonne
170. entuels pro bl mes d ombrage comme cela a t expos au deuxi me chapitre Il est important de se rappeler que le m me investissement en mat riel peut produire deux fois plus d nergie dans la p ninsule Ara bique que sur le Plateau suisse La qualit de l installation d pend d un dimensionnement correct de tous les l ments et naturellement de leur rendement de transfor mation Le potentiel d am lioration de rendement pour les onduleurs n est plus tr s important mais pour les g n rateurs photovolta ques les progr s sont continus et les rendements en laboratoires d pas sent 25 10 1 2 Charge financi re annuelle L amortissement du capital investi dans l quipement de production est de loin la plus grande partie des co ts de production Comme pour les centrales lectriques conventionnelles il est normal de compter avec des dur es d amortissement compatibles avec les dur es de vie du mat riel Des g n rateurs photovolta ques en ser vice depuis 20 30 ans n ont pas montr de diminution de rende ment et les dur es d amortissement appliqu es aux installations hydrauliques de l ordre de 40 ans seraient logique Compte tenu du manque d exp rience dans ce domaine la plupart des calculs sont faits sur la base de 25 ans La charge financi re annuelle ou annuit se compose de la part de remboursement du capital et de la part d int r ts payer L annuit peut tre fixe ou variable mais pour les cal
171. eront reli es aux pan neaux pour r aliser la compensation de potentiel Ce sera le cas par exemple pour un toit m tallique qui sera directement mis terre afin d assurer une bonne protection Il n en demeure pas moins que les forts courants induits dans les cadres des modules peuvent endommager les cellules qui ne se trou vent qu quelques mm de distance Une tude r cente 3 montre que l on peut liminer totalement le risque de dommage par le champ lectromagn tique en augmentant cette distance de quelques centi m tres et que l on peut viter les impacts de foudre sur les modules par un r seau de petites piques mont es sur les ch ssis Figure 5 3 l Protection int rieure S ASS N N ANN SK a Parafoudre ext rieur d 109 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau PACER INSTALLATION PHOTOVOLTAIQUE PRODUCTRICE D ENERGIE PLACEE SUR UN BATIMENT GENERATEUR SOLAIRE AVEC MODULES MINIMISER LES BOUCLES INDUCTIVES CABLAGE AVEC ISOLATION RENFORCEE CABLE DE LIAISON AVEC MAS eu ALLIQUE ENVEL DE MAN 40 rm Cu MINIMISER LES BOUCLES INDUCTIVES POUR LES BATIMENTS SANS CONDUCTEUR ISOL DE MIN 16 mm Cu DISPOSMIF DE PROTECTION I CONTRE LES SURTENSIONS Y PRISE DE TERRE DU BATIMENT DISJONCTEUR DC ONDULEUR LIGNE DE MISE A TERRE DU DISPOSITIF DE PROTECTION amm CONTRE LA FOUDRE 25
172. es comportent deux volets l enregistrement des donn es gr ce un mat riel sp cifique de mesures datalogger ou PC solarim tre diverses mesures lectriques et de temp ratures l analyse de ces donn es qui doit conduire une compr hension approfondie des performances et du comportement du syst me 202 PACER 9 Dimensionnement et mesures Ces mesures sont en g n ral conduites sur une longue p riode une ann e ou plus Les objectifs des mesures d taill es et de leur analyse peuvent tre r sum s de la mani re suivante d terminer les performances la fiabilit et la durabilit de l installation et ses composants valuer la qualit de la conception et du dimensionnement identifier les inefficacit s et pertes du syst me et de ses compo sants et leur lien avec les conditions d utilisation fournir l utilisateur les informations pour optimiser la gestion de son installation ventuellement fournir les donn es n cessaires l valuation du potentiel de la technologie du PV dans l approvisionnement nerg tique Pour d gager les principes g n raux r gissant le fonctionnement et la gestion des installations PV il est int ressant de pouvoir compa rer les mesures de diverses installations entre elles pour diff rentes tailles et conceptions de syst mes diff rentes applications tra vaillant sous diff rents climats Dans ce but le JRC Joi
173. es des cha nes Collecteur hybride Collecteur solaire utilisant galement l nergie thermique produite par un panneau photovolta que Compensation thermique Correction de tension apporter en fonction de la temp rature dans la charge d une batterie Valeur typique pour le plomb 5 mV K Compteur lectrique avec cliquet Compteur lectrique normal qui ne peut tourner que dans le sens de la consommation Compteur lectrique sans cliquet Compteur lectrique sp cial qui peut tourner dans les deux sens et permet de d duire de la facture le courant r inject dans le r seau Compteur lectrique de production Compteur lectrique destin exclusivement au comptage de l ner gie produite par une centrale photovolta que des fins de contr le et de facturation de l nergie produite Constante solaire Densit moyenne d nergie re ue par la terre 1367 W m voir Rayonnement extraterrestre Courant de court circuit Isc Courant que d livre un panneau solaire en court circuit Courbe I V Caract ristique courant tension d une cellule ou d un panneau solaire courbe en fonction de l irradiance de la temp rature D clinaison Angle entre l axe terre soleil et le plan de l quateur un moment donn de l ann e 232 Glossaire Diode by pass ou antiparall le Diode mont e en parall le inverse avec un panneau ou une partie de panneau par exemple 1 2 panneau Evite les tensions
174. essaire et la tension de fonction nement des modules Pour des syst mes autonomes chargeant des batteries la tension nominale est le plus souvent un multiple de 12 V tension de charge pr vue pour les panneaux ayant de 33 40 cellules Le choix dans ce cas d pend de la temp rature ambiante du site qui d termine le choix du module les panneaux grands nombre de cellules pour les pays chauds nombre de cellules plus faible pour les pays temp r s Ensuite on connecte en s rie le m me nombre de panneaux que de batteries 12 V en s rie Pour les installations reli es au r seau la tension nominale du champ devra se trouver si possible au milieu de la plage de fonc tionnement de l onduleur Cette plage de tension correspond aux limites de fonctionnement du MPT Max Power Tracker de l ondu leur cf chapitre 4 Par exemple un onduleur fonctionnant entre 67 3 G n rateur solaire Tension optimale 80 et 120 V de tension d entr e d terminera une tension nominale de 100 V Ces 100 V de tension nominale devraient correspondre la tension de puissance maximale des panneaux en s rie NOCT qui est proche de la valeur moyenne de fonctionnement sous nos latitudes En prenant par exemple un panneau monocristallin de 36cellules dont on conna t le coefficient de temp rature en tension CT V et les autres caract ristiques V pmax 17 4 V 25 C NOCT 47 C CT V 73 5 mV C on obtient V
175. et doivent par cons quent tre mis terre Parafoudre Le parafoudre provoque desinfluences nuisibles viter si possible sur les objets les personnes et installations avoisinantes Un coup de foudre ou son champ lectromagn tique associ sur une instal lation photovolta que provoque des surtensions par couplage induc tif capacitif ou galvanique qu il faut conduire la terre Les chan gements d intensit du champ lectrique terrestre proche pendant un orage provoquent des surtensions par couplage capacitif sans que survienne un coup de foudre Les grandes pointes transitoires de courant qui surviennent lors de coups de foudre quelque 10 kA ms induisent des tensions qui peu vent atteindre plusieurs centaines de kV dans les imp dances et inductivit s des parties frapp es En m me temps appara t un champ magn tique qui induit des tensions par couplage magn tique dans les parties parall les des conducteurs touch s Un coup de foudre rayonne galement un champ lectrique qui peut dans un rayon de 100 m tres endommager des composants lectroniques insuffi samment prot g s Abstraction faite de l effet thermique direct d un coup de foudre un g n rateur photovolta que est endommag par les grandes diff rences de potentiel qui d passent les capacit s d iso lation des mat riaux utilis s et qui peuvent conduire finalement un incendie provoqu par des arcs lectriques ou des surcharges des cond
176. eut monter des panneaux sur une orientation de 10 ouest selon un angle libre le montage est accessible si l on veut changer l inclinaison durant l ann e Il n y a pas d ombre proche ou lointaine l horizon est d gag On liste tout d abord tous les besoins journaliers et ensuite on somme les besoins mensuels en multipliant par le taux d occupation On estime que les besoins d clairage sont en moyenne une lampe de 13 W par personne soit 3 25 A pour le tout Les besoins journa liers sont de 8 h j en hiver 26 Ah j 6 h j en automne et printemps 19 5 Ah j 4 h j en t 13 Ah j De mai septembre un r frig rateur consomme 400 Wh j soit 33 Ah i Un t l viseur consommant 4 A fonctionne 2 h j en t 8 Ah j et 4h j le reste de l ann e 16 Ah j Le chalet est occup tous les week ends 6 jours mois de d cembre mars un week end sur deux le reste de l ann e 3 jours mois une semaine Nouvel An 3 jours en d cembre 3 en janvier trois semaines en ao t total 21 jours Les besoins sont r sum s au point 3 du tableau 8 3 avec les consom mations journali res le taux d occupation mensuel et la consom mation totale mensuelle 8 7 4 Energie solaire disponible Pour d terminer l nergie solaire disponible il faut disposer de tables statistiques d irradiations Pour la Suisse on utilise METEONORM 2 pour l Europe par exemple les tables tablies par la CE
177. exprim e en W m ou son int gration sur une dur e d termin e l irradiation en kWh m ou MJ m Les mesures m t orologiques d irradiance sont habituellement enregistr es pour le plan horizontal par des solarim tres instru ments de mesures fonctionnant principalement sur deux principes les pyranom tres mettent profit l effet de serre dans une double coupole de verre et utilisent des thermopiles pour d terminer la diff rence de temp rature du senseur noir avec l ambiant Ils enregistrent une tr s large fraction du spectre et sont les plus pr cis de l ordre de 1 lorsqu ils sont soigneusement calibr s Mais leur prix reste lev plus de 2000 FS les d tecteurs photovolta ques sont plus d pendants de la temp rature et surtout pr sentent une r ponse spectrale s lective localis e dans le rouge et l infrarouge Leur mesure d pend donc de la composition spectrale du rayonnement et on ne peut gu re en attendre une pr cision meilleure que 5 Mais ils sont net tement plus conomiques e les cellules de r f rence calibr es et vendues par des centres officiels par exemple le Centre de Recherche des Commu naut s Europ ennes CEC JRC Ispra sont un cas particulier de d tecteurs photovolta ques PV Les cellules de r f rence sont normalement destin es la mesure des performances de panneaux PV dans les conditions standard N anmoins certains les utilisent pour la mesure
178. facteur de d perditions thermiques d pendant de la vitesse du vent k W m K Kbase Kvent v m s Pour une structure en sheds avec libre circulation devant et derri re les panneaux on peut admettre d apr s diverses mesures sur des sites r els Kbase 20 W m K Kvent 6 W m K m s Le logiciel propose une grille de calcul pour la r sistance de c blage d un champ interconnexions entre panneaux groupes et champ onduleur La perte due la dispersion des caract ristiques des panneaux pertes de mismatch est une valeur fixe d pendant du mode de fonctionnement MPP ou tension fixe Un outil graphique permet de l estimer si l on conna t la distribution r elle des courants ou puis sances nominales des panneaux de l installation qui peut tre demand e au fournisseur Un tri pr alable pour regrouper les pan neaux les plus proches dans des m mes s ries permet de diminuer significativement cette perte 194 9 Dimensionnement et mesures Panneau de r f rence ARCO M55 mesures ISPRA 6 Panneaux en s rie 10 s ries en parall le Panneaux non tri s Caract ristique r sultante Caract ristique moyenne Enveloppes 2 sigmas Dispersion ISC Moy 3 31 Sigma 0 17 A Courant A Points de puiss max pour G incident 1000 W m Puissance nominale 3 03 kW et r elle 2 95 kW Perte de puissance au point max 2 6 Perte de courant 85 de Vmax 5 8
179. gie produite pendant leur dur e de vie et l nergie consomm e pendant leur fabrication est d favorable 225 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER R ponse Sur la base des modules photovolta ques mono et polycristallins fabriqu s avec la technique actuelle une centrale photovolta que a besoin de 4 7 ann es pour produire l quivalent nerg tique consomm par sa fabrication Ce qui donne pour une dur e de vie de 20 30 ans un facteur retour nerg tique compris entre 4 3 et 7 5 Et encore ce calcul ne tient pas compte des conditions favorables du d mant lement d installations photovolta ques En effet ces instal lations se composent c t de la couche photovolta que ultra mince de mat riaux usuels pour lesquels existe d j en Suisse des circuits de recyclage de telle sorte que la consommation d nergie de fabrication peut tre amortie de 30 50 Avec les technologies des films minces le temps de remboursement nerg tique sera ramen moins d un an Toutes les installations de production d nergie qui travaillent sans nergie renouvelable ont besoin de plus d nergie qu elles ne pour ront en produire Une chaudi re au fuel par exemple a besoin d nergie pour sa construction pendant son fonctionnement et pour sa destruction L apport de l installation c est dire la chaleur pro duite est toujours plus faible que le contenu nerg tique du com bustibl
180. gramme de hauteur azimut du soleil La figure 2 16 montre un exemple de profil d horizon typique pour un environne ment montagneux enregistr e dans PVSYST Plan d inclinaison 35 et azimut 10 4 KA CG 120 90 60 X CX X A ga o 60 30 Derri re Azimut le plan On peut valuer la perte d nergie incidente correspondante en uti lisant le tableau 2 7 des valeurs horaires du direct mais PVSYST accomplit tr s bien ce travail Pour les valeurs mensuelles le probl me est plus complexe L quipe du nouveau programme M t onorm 95 a mis au point des m thodes sp cifiques et livre maintenant des donn es mesur es corrig es pour les perturbations de l horizon lors de la prise de mesures sur chaque station m t o ce qui n tait pas le cas dans les donn es de M t onorm 85 Ombrage lointain effets d horizon Ombrage proche Figure 2 16 Trac de l horizon dans le diagramme hauteur azimut du soleil 35 2 Rayonnement incident l PACER R f rences 1 2 3 4 5 J A Duffie W A Beckman Solar Engineering of Thermal Processes J Wiley amp sons N Y 2nd edition 1991 P Bremer S Kunz R Volz METEONORM 85 Vol 1 th orie Vol 2 Donn es Vol 3 proc dures de calcul Vol 4 sources de donn es Office f d ral de l nergie Berne 1986 Distribution InfoEnergie 2003 Neuch tel Jan Remund Esther Salvisberg Stefan Kunz METEO
181. hamp de capteurs et le r seau est actuellement discut e chez les professionnels du solaire Les avantages touchent essentiellement la s curit l une ou l autre polarit du circuit continu peut tre mise la terre ind pendamment du r seau en cas de panne de l onduleur la tension du r seau ne risque pas de se retrouver sur le champ de capteurs inversement aucun risque d introduire des tensions continues dans le r seau en fonctionnement normal des courants continus parasites pourraient occasionner une d t rioration des contacts par effet galvanique la s paration permet de choisir la tension continue de fonctionnement du champ PV ind pendamment de celle du r seau Par contre l int r t principal de l limination du transformateur est la simplification du circuit le transformateur est un l ment cher et encombrant et l am lioration du rendement quelques sp cia lement int ressant dans la mesure o les pertes sont li es principa lement la puissance nominale du transformateur alors que l ondu leur fonctionne la plupart du temps charge partielle 4 3 9 Pannes software et hardware Contrairement aux panneaux PV d une fiabilit quasi absolue les onduleurs sont le maillon faible des installations PV coupl es au r seau lls sont responsables de la plupart des coupures de produc tion recens es dans les installations r elles On distingue plusieurs types de dysfo
182. id Il Flachglas MOSFET 2 2 kVA 4000 Grid Il 3 3 kVA Onduleurs triphas s AEG AEG 12 150 kVA BF 89 92 420 V Co RSR ER TR CH 100 kVA option 1000 V max Surv fabricant Studer CH Studer PWM IGBT 10 60 kVA Sans 97 100 750 V Oui RS232 et ou MOSFET Siemens Siemens D Fabrimex 3 5KkVA BF 88 192 V nom CNRS NS ST Modem soft CH 100 kVA 550 V nom Modem 48 100 V Oui RS232 93 72 145 V 94 3 72 145V G p neejqel t66L 1219 9SSINnS ay91euu 8j INS s jq uods p sinajnpuo senbjenn ne s 2j Inod s n jnpuo tr 4 Onduleurs pour le r seau l PACER R f rences 1 2 3 4 5 6 7 8 H H berlin Photovoltaik AT Verlag Aarau Schweiz 1991 H H berlin Photovolta k Wechselrichter f r Netzverbundanla gen Elektroniker 6 7 1992 Inspection f d rale des installations courant fort Prescrip tions provisoires de s curit pour les installations productrices d nergie photovolta que juin 1990 STI N 233 0690 f Inspection f d rale des installations courant fort Prescrip tions provisoires de s curit STI N 233 0690 f juin 1990 Marche en parall le de g n rateurs lectriques avec les r seaux basse tension STI N 219 1081 d f octobre 1981 Norme ASE 3600 f 1987 La limitation des perturbations lec triques dans les r seaux de distribution harmoniques et fluc tuations de tension Norme ASE 3601 f 19
183. il s en mati re 100 recyclable dans une installation r alis e par l OCEN Gen ve 6 La pr paration de la surface du toit avant la pose est importante pour viter de blesser l un des films tanches le gravier et le sable doi vent tre enlev s et une plaque souple assurera une r partition uni forme de la pression sous les plaques de b ton Apr s la pose des structures le sable et le gravier sont r partis de nouveau Certains toits sont recouverts de dalles de b ton ou comportent des nervures apparentes en b ton dans lesquelles les structures m tal liques peuvent tre directement fix es 6 4 2 Calcul des charges Ce paragraphe est adapt de la version allemande du manuel PACER Photovoltaik Planunggsunterlagen f r autonome und netzgekop pelte Anlagen Nr 724 243 D Les forces engendr es par le poids de l installation la charge de neige et les effets du vent s additionnent La pression du vent exerce un effort perpendiculaire la surface expos e Les effets de ces forces peuvent entra ner e une surcharge du toit e un arrachage des structures par d pression e un glissement ou une d formation Figure 6 9 Addition des charges Addition des charges Vent Vent Charge Charge 122 PACER 6 Types de centrales photovolta ques Les tabelles suivantes donnent les valeurs de base pour le calcul selon la norme SIA 160 Figure 6 10 hi p h p h p i P hi p Charge de la
184. ines maladies La relation de cause effet entre pollution de l air et dommages aux b timents est galement visible Des pertes agricoles dues des valeurs d ozone lev es peuvent aussi tre d montr es empiriquement Dans d autres domaines toutefois des manques de connaissance doivent tre reconnus Les pr judices sur le monde animal et v g tal ne sont gu re mesurables par les sciences naturelles et souvent encore que partiellement examin s Dans le domaine empirique l effet de faibles doses radioactives s appuie sur des informations tr s lacunaires sur la catastrophe de Tchernobyl ou sur les analyses des effets retard s Hiroshima et Nagasaki ces derni res n aboutis sant qu des conclusions de port e limit e Les cons quences d une catastrophe climatique sont galement concern es Selon les connaissances actuelles il faut s attendre une l vation du niveau de la mer et un accroissement de la fr quence des ph nom nes climatiques extr mes La d sertification de grandes surfaces habi t es et le d clenchement de vagues d migration massive ne sont pas exclus Une quantification ou m me une mon tarisation de ces processus n est possible qu l aide d hypoth ses les plus diverses Ces derni res sont discut es ci apr s Ainsi l valuation mon taire imm diate du niveau des dommages soit ce que l on appelle le co t des dommages sur la base de comportements d ment v rifi s sur le plan
185. influences sur le r seau sont soumises aux prescriptions de l ASE Normes ASE 3600f et 3601f de l Association suisse des lectriciens ou leurs quivalents europ ens notamment les normes EN60555 et les missions lectromagn tiques aux normes des PTT 3 81 Il faut pr ciser que la technologie est encore jeune et que ces normes peuvent subir des modifications dans les ann es venir 4 3 2 Couplage et synchronisation M me si certains onduleurs g n rent eux m mes leur propre sinu so de de r f rence la plupart ont besoin de la pr sence du r seau pour fonctionner L enclenchement de l onduleur doit se faire parfaitement en phase L enclenchement doit se faire ce qui n cessite la pr existence du r seau Dans la pratique l ondu en phase leur est en g n ral quip d un interrupteur de marche L op ra tion de couplage au r seau ne doit en principe pas tre r alis e direc tement mais toujours l aide de cet interrupteur Inversement on ne coupera jamais la connexion au r seau en un point proche de l onduleur une coupure trop brusque en charge peut induire des pics transitoires susceptibles d endommager les com mutateurs lectroniques de l tage de sortie En cas de coupure acci 83 4 Onduleurs pour le r seau Choix du point d injection dentelle ces risques sont att nu s avec la distance par le jeu de l inductivit de la ligne de transport 4 3 3 Fonctionnement au
186. ins de journ es l intervalle est d limit par le lever cou cher du soleil La transposition s applique diff remment pour chaque composante du rayonnement Pour la composante directe il s agit d une projection dans un plan diff rent donc d une simple op ration g om trique effet cosi nus Direct Direct cos sin HS Le diffus peut tre lui m me subdivis en diverses contributions cf fig 2 11 Pour le diffus isotrope le rayonnement issu de la portion de ciel vue par le capteur vaut Diffusisop DiffuSison 1 cos B 2 Plan inclin caract ris par son inclinaison et son azimut Figure 2 10 D finition des angles pour un plan inclin inclinaison B azimut y et angle d incidence a 27 2 Rayonnement incident Coefficient d alb do Tableau 2 2 Coefficients d alb do usuels Figure 2 11 Composantes du rayonnement diffus et le rayonnement sur la portion de sph re situ e au dessous de l horizon issu des r flexion sur le sol alb do sera la fraction com pl mentaire Alb do p Global 1 cos 2 o le coefficient d alb do p est une mesure de la r flectivit du sol d pendant de sa structure cf tableau 2 2 Milieu urbain 0 14 0 20 Herbe 0 15 0 25 Herbe fra che 0 26 Neige fra che 0 82 Neige mouill e 0 55 0 75 Asphalte sec 0 09 0 15 Asphalte mouill 0 18 B ton 0 25 0 35 Tuiles rouges 0 33 Aluminium 0 85 Cuivre 0 7
187. inverses des tructrices aux bornes des cellules ombr es en cas d ombre partielle sur un panneau d une cha ne de panneaux Diode de blocage Diode mise en s rie avec un panneau ou une cha ne de panneaux pour les installations coupl es au r seau vite que le courant puisse circuler d une cha ne dans l autre pourles installations autonomes bloque le courant inverse durant la nuit Distance climatique Somme quadratique de la distance entre deux sites et leur diff rence d altitude affect e d un poids de 100 d finition de M t onorm Dur e de vie La dur e de vie des modules est estim e plus de 25 ans elle sera influenc e par les atteintes de l environnement et la qualit de l encapsulation cellules cristallines Pour l lectronique associ e onduleurs r gulateurs cette dur e devrait d passer 15 ans Ecliptique Plan de la trajectoire de la terre autour du soleil Electrification d centralis e Electrification en dehors du r seau lectrique r alis e une chelle locale en utilisant l nergie solaire olienne hydraulique la bio masse ou encore un groupe lectrog ne Energie grise L nergie grise est l nergie totale qu il a fallu consommer pour fabri quer un produit valeur sp cialement int ressante dans le cas d un panneau solaire Energie incidente Energie lumineuse ou rayonnement disponible dans le plan des cap teurs Equation du temps Variations de la
188. ion g n rale contre les surtensions par exemple par des varistors doit tre mont e le plus pr s possible du champ afin d assurer la protection des modules Au cas o la ligne reliant le champ l onduleur pr sente une certaine longueur il faut galement pr voir une protection contre les surten sions l entr e des c bles dans le b timent et dans tous les cas au tableau d entr e de l onduleur pour sa protection 106 PACER 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau Les diodes de protection en s rie dans les cha nes ou en parall le sur les modules ou groupes de modules doivent tre refroidies cor rectement Pour une diode de cha ne la puissance dissiper atteint au maximum la valeur de la chute de tension dans la diode multi pli e par le courant de cha ne 5 3 2 Parafoudre et mise terre Ce chapitre est tir des recommandations pour l utilisation de l ner gie solaire SOFAS PROMES OFEN 1994 1 Une installation photovolta que demande des moyens pour prot ger les personnes et le mat riel contre les dommages dus aux d charges atmosph riques Mise terre La mise terre est un moyen de protection pour maintenir les ten sions de contact ou de d charge aussi faibles que possible pour que des personnes ou installations ne soient bless es ou endommag es Les syst mes photovolta ques courant sup rieur 2 A sont consi d r s comme des installations courant fort
189. ique Nous devrons donc encore recourir un mod le liant la proportion de diffus la seule donn e disponible soit le global horizontal Un des mod les les plus performants l heure actuelle Perez Ineichen 4 utilis dans METEONORM et PVSYST fait inter venir l indice de clart k et une mesure de stabilit des conditions m t o par la prise en compte de ses valeurs horaires pr c dente et suivante 26 va PACER 2 Rayonnement incident 2 4 Rayonnement sur un plan inclin 2 4 1 D finitions g om triques Un plan inclin est caract ris par son inclinaison par rapport l horizontale et son orientation ou azimut y par rapport au sud n gatif vers l est sens antitrigonom trique L angle d incidence co est l angle form entre la normale du plan et les rayons du soleil On parle souvent d incidence normale lorsque a 0 c est dire les rayons sont perpendiculaires au capteur L angle d incidence s crit en fonction de la position du soleil HS AZ cos cos f sin HS sin B cos HS cos AZ y su b Normale au plan Plan des capteurs 2 4 2 Mod le de transposition La transposition du rayonnement du plan horizontal dans un plan quelconque d pend de la g om trie solaire c est donc un proces sus caract re instantan Dans la pratique pour des valeurs horaires on choisit la position du soleil au milieu de l intervalle Aux d buts et f
190. ises pour les installations autonomes et pour le couplage au r seau sont extr mement diff rentes et les appareils correspondants forment deux classes bien distinctes de produits 81 4 Onduleurs pour le r seau MPPT recherche du point de puissance maximum 4 2 1 Onduleurs pour installations autonomes Dans les installations autonomes familiales la plupart des appareils fonctionnent directement sur le circuit continu de la batterie 12 24 ou 48 V L usage d un onduleur occasionne des pertes importantes et devrait tre r serv aux appareils non disponibles sur le march en version courant continu ou l emploi occasionnel d appareils standard La gamme de puissance des onduleurs domestiques va de 100 2000 W Ils fonctionnent avec une tension d entr e fixe et une puis sance de sortie variable selon la charge La forme du signal alterna tif peut tre carr e trap zo dale ou sinuso dale Pour une utilisation prolong e la consommation vide est un facteur d terminant Ces appareils seront d crits en d tail dans le chapitre 8 sur les ins tallations autonomes 4 2 2 Onduleurs pour le r seau Les onduleurs pour la connexion au r seau ont une puissance nomi nale d environ 100 W plusieurs centaines de kW Jusqu 3 3 KW ils fonctionnent en g n ral en 230 V monophas alors qu au dessus ils doivent tre triphas s basse ou moyenne tension Etant connect directement sur le champ PV le
191. ison Au cours de la journ e l instant o le soleil passe par le m ridien du Angle horaire lieu de l observateur c est dire o il est au sud dans notre h mi sph re est le midi vrai Pour un instant quelconque l angle horaire AH est l angle projet sur le plan de l quateur entre le soleil et le midi vrai il vaut 15 par heure 360 24h La position du soleil est d finie par deux angles sa hauteur HS Positions du soleil l angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu et son azimut AZ hauteur et azimut l angle avec la direction du sud compt n gativement vers l est sens antitrigonom trique dans l h misph re Nord figure 2 3 Figure 2 3 D finition de la position du soleil Z nith 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 sin HS sin LAT sin cos LAT cos cos AH sin AZ cos sin AH cos HS On pourra tirer de nombreuses valeurs remarquables de ces deux expressions Par exemple l heure du lever du soleil est donn par la condition HS 0 soit cos AH tg LAT tg Ou encore la hauteur maximale du soleil midi solaire HS max 90 LAT soit pour Gen ve 46 2 de latitude HSmax 67 3 au solstice d t et 20 3 en hiver 17 2 Rayonnement incident l P
192. it une tension moyenne de 2V et l on assemble en s rie parall le le nombre d l ments n ces saires pour atteindre une tension et un courant d sir s Les petites capacit s vont souvent par batteries de 6 ou 12 V 3 ou 6 cellules en s rie alors que les grandes capacit s partent d l ments 2 V qui peu vent atteindre jusqu 2000 Ah connect s en s rie 8 3 1 1 Caract ristique de charge La figure 8 2 repr sente l allure de la courbe de charge courant constant d une batterie au plomb pour diff rentes temp ratures U o e 2 5 20 C 2 4 40 C 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 2 4 6 8 18 20 30 tCh On remarque que la tension augmente rapidement lorsque la batte rie approche de la pleine charge ceci facilite la conception de r gu lateurs D autre part les courbes en temp ratures suivent des paral l les r guli res et on peut d terminer une d pendance lin aire de la tension maximale en temp rature qui vaut par cellule 2 V dVmax T 6 mV C 154 8 Installations autonomes 8 3 1 2 Caract ristique de d charge La figure 8 3 repr sente les courbes de d charge diff rents cou rants N N N D NN amp N 10A SA 2A 1A 2 4 6 810 20 40 60 80 100 200 tch La premi re observation est
193. ites de l injection de per turbations harmoniques dans le r seau sont r gies par les normes ASE 3601 2 1987 ou EN60555 2 5 Pour un appareil donn ces normes stipulent un courant maximum admissible pour chaque har monique tableau 4 3 Ordre max A Ordre max A 2 1 08 3 2 30 4 0 43 5 1 14 6 0 30 7 0 77 9 0 40 11 0 33 13 0 21 8 lt n lt 40 0 23 8 n 15 lt n lt 39 0 15 15 n Toutefois en cas de d passement et en accord avec le distributeur d lectricit on peut n anmoins utiliser ces appareils si certaines conditions li es cette fois la qualit du r seau sont respect es Dans ce cas il faut v rifier que les taux d harmoniques en tension mesur s au point d injection entre phase et neutre pour la basse ten sion entre phases pour la moyenne tension ne d passent pas les valeurs de tableau 4 4 Ce tableau d rive du pr c dent en supposant une imp dance du r seau de Z 04Q j n 0 25 Q Ordre AU Ordre AU 2 0 3 3 0 85 4 40 0 2 5 0 65 7 0 6 9 11 0 4 13 0 3 15 lt n lt 39 0 25 Certaines installations sont quip es de 3 onduleurs monophas s mont s en toile au lieu d un seul appareil triphas Dans ce cas au contraire des fondamentales qui se compensent les harmoniques d ordre multiple de 3 sont en phase dans le conducteur neutre et 86 4 Onduleurs pour le r seau peuvent conduire des courants tr s importants On
194. ivis es en deux cat gories suivant le type de leur g n rateur g n rateur photovolta que uniquement g n rateur hybride comportant par exemple des panneaux photovolta ques plus une olienne ou un autre type de g n rateur Elles comportent souvent un syst me d appoint g n ratrice essence ou diesel pour les plus grandes 8 1 1 Syst mes photovolta ques C est le type que nous d crirons le plus en d tail et dont nous don nerons quelques r gles de dimensionnement L application princi pale en Suisse est l alimentation de chalets alpages ou autres habi tations isol es Une autre application qui demande un dimensionnement soigneux est la pompe au fil du soleil r serv e en principe aux pays du sud mais qui est souvent con ue par des bureaux d ing nieurs occiden taux les fonds provenant de programmes d aide nord sud 150 PACER 8 Installations autonomes 8 1 2 Syst mes hybrides Ces syst mes ajoutent au syst me pr c dent un g n rateur com pl mentaire qui devrait si possible compenser le manque d nergie lorsque l ensoleillement est limit On peut citer l olienne qui dans notre pays produit plus par mauvais temps ou le g n rateur thermo lectrique utilisant des l ments Peltier convertissant un gradient de temp rature directement en courant continu Ces derniers g n ra teurs sont int ressants pour les chalets o le chauffage en g n ral bois permet ainsi de g
195. jusqu 25 de la tension nominale environ et au dessous jusqu 0 V Si la sous tension n est pas tol rable il faut ajouter un r gulateur de d charge qui coupe la sortie au dessous du seuil acceptable Les syst mes photovolta ques autonomes ont induit des am liora tions de rendement dans pratiquement tous les consommateurs sp cialement d velopp s pour ce march Dans la conception d une installation il est presque toujours plus avantageux de chercher des consommateurs fonctionnant en cou rant continu ou de les adapter plut t que d ajouter un onduleur et un consommateur en 230 Vac Ceci est galement valable pour les petites machines machines traire moulin c r ales groupes de froid etc En g n ral les moteurs DC de quelques kW ont un rende ment sup rieur ceux en AC et un onduleur perd toujours au mini mum 10 de son nergie en chaleur Enfin pour l alimentation de chalets habitations isol es sous nos lati tudes il est souvent profitable de remplacer l onduleur destin ali menter des consommateurs occasionnels par une petite g n ratrice qui permet galement de charger les batteries en hiver 166 va PACER 8 Installations autonomes 8 6 1 Lampes Les lampes repr sentent les principaux consommateurs des sys Lampe fluorescente t mes autonomes Le principal type utilis est la lampe fluorescente rendement lev qui pr sente le rendement le plus lev Les autres sou
196. l lurgique Cependant m me si des cellules de 8 10 de rendement ont pu tre fabriqu es la dispersion des r sultats tait trop impor tante et la proportion de wafers utilisables trop faible Les caract ristiques lectriques des cellules polycristallines sont similaires aux monocristallines m me gap seuls certains d fauts 51 3 G n rateur solaire Avantages d fauts du polycristal Figure 3 12 Cellule polycristalline diff rencient ce mat riau qui est actuellement le plus utilis pour les cellules dont les rendements de conversion atteignent 11 13 en g n ral La figure 3 12 pr sente une coupe de cellule polycristalline En comparaison des monocristallines la fabrication de cellules avec un tel mat riau est plus critique les grains de cristaux n ayant pas d orientation pr f rentielle entra ne beaucoup d effets non d sir s le d capage du silicium est moins homog ne et produit des sur faces tr s irr guli res la diffusion de la jonction est irr guli re en profondeur et du phosphore a tendance diffuser rapidement aux joints de grains la m tallisation de la grille avant doit tre plus paisse pour compenser les marches entre grains ce qui oblige aussi aug menter sa largeur les ombres sont ainsi plus importantes par sa structure le mat riau est plus sensible aux impuret s qui diffusent aux fronti res de grains et shuntent la cellule par
197. l appareil est en partie convertie en chaleur dans l appareil d o la n cessit de choisir un local abrit du soleil bien ventil et d assurer une bonne circulation de l air autour de l appareil radiateurs en fonctionnement normal Rappelons galement que l onduleur est susceptible de rayonner des perturbations lectromagn tiques et qu il peut tre n cessaire de choisir son emplacement dans une maison d habitation en fonction des utilisations de la radio et la t l vision ainsi que du bruit pho nique qu il peut engendrer Le tableau 4 5 donne une liste de quelques onduleurs disponibles sur le march suisse 96 L6 Type Fabricant Vendeur Technologie Puissance Transfo Effic Tension Affich Liaison PC AC max d entr e mesures ECOVERTER Victron Total PWM IGBT 1 kVA HF 93 50 90 V Non Non Le agen fees JU Pr Je PO POLYCON Studer CH Studer IGBT et 2 2 kVA Sans 97 100 750 V Oui RS232 wsos ansa uoser aawa e e PV WR 1800 SMA D Holinger Thyristors 1 8 kVA HF 89 80 130 V Oui PV DATA en SI 3000 Photoelectric Fabrimex MOSFET 3 kVA HF 91 40 60 V Oui Non aa a a N E E a SOLARMAX S Sputnik Eng Tritec PWM IGBT 3 3 kVA HF 95 400 750 V Oui RS232 de A E SOLCON 3300 Hardmeier Hardmeier PWM 3 3 kVA 92 80 120 V RS232 HF E 70 140 V Sunking 5000 SMA Holinger PWM IGBT 5 0 kVA HF 93 240 400 V RS232 de no TOPCLASS ASP CH D Fabrimex PWM 2500 Gr
198. le 230 V 400 V 6 soit 244 V 424 V ne doit jamais tre d pass e La surtension au point d injection est d termin e par la structure et limp dance du r seau Dans le cas monophas le comportement du circuit g n ral peut tre analys selon la figure 4 1 L imp dance d terminante pour les variations de tension au point d injection est l imp dance du r seau Zi L imp dance de la ligne liant l onduleur au point d injection Ziiaison doit tre minimis e selon le crit re de la limitation en tension maximale admissible En effet l onduleur lui m me doit tre quip d une coupure automatique en cas de d passement de cette limite mesur e la sortie de l appareil Les conditions de d passement interviendront donc d autant plus facilement que la chute de tension dans Ziaison St importante Par exemple pour un onduleur de 3 3 kW 220 V 15 A situ 20 m du tableau et connect par un c ble de 2 x 2 5 mm2 cette chute de tension atteint 5 3 V En pratique on surdimensionnera donc souvent la section d un facteur 2 ou 3 L imp dance des lignes de transport se calcule de la mani re sui vante Z R L 2rfI Q o R p l s longueur de c ble m s section mm Selon la recommandation ASE la r sistivit du cuivre sera prise par s curit T 60 soit p 22 MQ mm m 84 w 2 PACER 4 Onduleurs pour le r seau 3 Figure 4 1 rais
199. le corridor avec minuterie La lampe halog ne est tr s l g rement meilleure son rendement puissance gale tant 20 sup rieur la lampe incandescente mais il faut la garder pour le m me type d utilisation de courte dur e 8 6 1 3 Lampes portables Les lampes portables sont un cas particulier des lampes fluores centes elles incorporent en plus une lectronique de contr le de la batterie Crit res de choix suppl mentaires e Eviter les mod les incorporant le panneau avec la lampe la batterie dans un bo tier panneau lampe au soleil peut atteindre jusqu 70 C mesur sur une lampe d un grand constructeur en Afrique e Si la batterie est de type Ni Cd s assurer qu il y a un d lestage en basse tension sinon le tube vieillira trop vite Avec une batterie au plomb s assurer que le r gulateur de charge est de type s rie pour que l on puisse recharger depuis un autre syst me ou un chargeur secteur Contr ler qu il existe galement un r gulateur de d charge d lestage basse tension e S assurer que la consommation continue ventuelle de la batterie par le r gulateur ne p nalise pas le stockage A r server pour les clairages occasionnels ou de courtes dur es 169 8 Installations autonomes En g n ral de grande puissance Pompe simple et fiable 8 6 2 Radio t l viseurs Le choix des radios et cha nes Hi Fi est tr s grand en 12 V gr ce aux autoradios L
200. le directement utilisable pour la fabrication de cellules ce proc d donnait des r sultats irr guliers cause de la contamination du graphite et des inhomog n it s du cristal obtenu et il a t abandonn Une autre forme de ruban donnait des meilleurs r sultats on tirait lat ralement une feuille de monocristal depuis une bain de silicium en fusion mais le proc d fut galement abandonn car les dimensions paisseur taient difficilement contr lables Tous ces essais n ont pas obtenu de r sultats suffisamment probants ou n ont pas trouv de finance ment pour sortir des laboratoires Le futur des cellules photovolta ques r side certainement dans les techniques couche mince soit partir du silicium amorphe soit d autres cristaux semi conducteurs ou de techniques totalement dif f rentes comme par exemple celle d velopp e l EPFL et s inspirant de la photosynth se 54 PACER 3 G n rateur solaire 3 2 4 1 Cellules l ars niure de gallium GaAs Ce sont les cellules qui ont atteint les meilleurs rendements on a Gap 1 43 eV r alis 22 en laboratoire pour un maximum th orique d environ 26 Les cellules au GaAs ont un gap de 1 43 eV qui est une valeur proche de l optimal pour le rayonnement re u sur terre Elles se caract risent par une meilleure r sistance aux temp ratures le v es et par un plus faible coefficient de temp rature en tension env 0 2 K ce qui les rend c
201. le point d injection peut donc tre n ces saire si l installation de la maison comporte des r cepteurs pour ces signaux 4 3 7 Perturbations lectromagn tiques Le fonctionnement des onduleurs implique des commutations rapides de courants lev s et g n re donc des perturbations lec tromagn tiques dans une large plage de fr quences radio s ten dant de 150 kHz 30 MHz Ces perturbations peuvent tre mises soit par les connexions du r seau soit par le circuit photovolta que qui jouent le r le d antennes Les limites d mission sont r gies par une ordonnance des PTT et reprises par des normes europ ennes sur les missions E M par les appareils m nager et autres appareils lectriques dans l habitat EN 55014 et EN 50081 1 r f 7 et 8 Les mesures sont effectu es l aide de sondes de contact travers un r seau d adaptation d imp dance normalis Les onduleurs doivent tre quip s de filtres HF sur toutes leurs connexions vers l ext rieur Malheureusement du c t continu de certains appareils ceux ci sont omis ou insuffisants pour respecter les normes Ceci est d autant plus grave que l onduleur fonctionne en permanence du matin au soir et que dans l habitat les appareils sensibles t l radio ordinateur sont en g n ral situ s faible dis tance 87 4 Onduleurs pour le r seau 4 3 8 S paration galvanique La n cessit d une s paration galvanique entre le c
202. lement que tr s peu de pannes destructives en hiver 88 PACER 4 Onduleurs pour le r seau Les pannes de mat riel occasionnent en g n ral une perte de pro duction de plusieurs semaines d lai de r paration auquel il faut ajouter le retard de la d couverte de la panne si le syst me n est pas surveill r guli rement Le taux de pannes est tr s variable d une installation l autre pour un m me mod le d onduleur certaines installations ont fonctionn sans failles durant des ann es alors que d autres pr sentent deux ou trois pannes par an Cette sensibilit peut tre souvent attribu e la qualit locale du r seau Notons toutefois que les onduleurs modernes pr sentent une fiabi lit tout fait acceptable aujourd hui et qui va en s am liorant avec l exp rience des constructeurs taux de disponibilit en 1994 98 4 3 10 Efficacit L efficacit est la caract ristique cruciale de l onduleur en fonction nement Elle varie avec la puissance selon les courbes de la figure 4 2 mesur es pour divers appareils du commerce par l Ecole d ing nieurs de Burgdorf ISB Ces efficacit s sont caract ris es par une puissance de seuil suivie d une mont e plus ou moins abrupte aux faibles puissances et un maximum environ la moiti de la puis sance nominale Figure 4 2 Efficacit s typiques de divers onduleurs de 1 5 3 3 kW en fonction de la puissance de sortie d apr s
203. lentin 10 D l gu l nergie 1014 Lausanne T l 021 316 70 16 Fax 021 316 70 36 242
204. li e directement l irra diation globale Or pour tre comparables entre diverses installa tions et conformes aux simulations pr visionnelles les perfor mances d une installation PV doivent tre caract ris es par rapport l irradiation globale sur tout le spectre correspondant aux donn es m t orologiques En effet seules les donn es m t o peuvent servir de base de donn es standard communes tous les sites 203 9 Dimensionnement et mesures A A Tableau 3 1 Param tre Symbole Unit s Ensemble minimum de param tres enregistrer lors de mesures d taill es selon JRC Ispra Irradiance globale plan capteurs G W m2 Temp rature ambiante l ombre Tam C Tension du champ Va V Courant du champ total la A Tension l entr e de l onduleur Vi V Courant sortie onduleur lc A Puissance sortie onduleur Pio kW Puissance d livr e au r seau Pru kW Puissance consomm e sur le r seau Pru kW Non disponibilit du syst me tuav hr Les indices de performances sont normalis s la puissance nominale install e Mentionnons galement que la disposition en sheds occulte la com posante d alb do ainsi que la partie inf rieure de la vo te c leste pour le diffus bande horizon Par rapport un rayonnement mesur hors du champ mesure de r f rence m t orologique ces pertes devraient tre prises en compte explicitement Dans la pratique cou rante la mesure du rayonnement a
205. lis depuis 1954 la m me ann e que la premi re cel Gap 1 2 eV et 2 3 eV lule diffus e au silicium tait pr sent e Depuis de nombreux essais ont t tent s pour fabriquer un produit commercialisable Les cel lules tandem au Cu S CdS sont faciles fabriquer partir d un sub strat polycristallin de CdS d environ 20 um Le CdS est d pos sur un substrat de m tal de verre ou de m tal recouvert de plastique par vaporation sous vide les cristaux obtenus peuvent avoir des grains de 5 um environ Le tout est ensuite immerg dans une solution de chlorure de cuivre entre 80 et 100 C pendant 10 30 secondes Ceci substitue le Cu pour le Cd dans une profondeur de 0 1 0 3 um cr ant la jonction Cu 2S CdS Ensuite on d pose une grille m tallique Le Cu2S peut diffuser quelques microns aux fronti res de grains la figure 3 15 montre en coupe une telle cellule ainsi que le diagramme des bandes d nergie avec les gap diff rents des deux mat riaux Le CuS est un mat riau de type p avec un gap de 1 2 eV alors que le CdS est de type n avec un gap de 2 3 eV On a mesur en laboratoire des rendements jusqu 10 alors que l on trouve sur le march des panneaux 5 Le principal d savantage du Cu S CdS part l aspect cologique Ecologie est le manque de stabilit provenant de sa sensibilit l environne ment humidit moisissures haute temp rature etc qui demande un tr s grand soin d encapsulation
206. llation autour de la valeur optimale r elle Sa constante de temps peut tre de quelques secondes ou dizaines de secondes et la pr cision est en g n ral de l ordre du pour cent 4 4 7 Interconnexion de plusieurs onduleurs Pour des puissances sup rieures 10 kW les onduleurs sont parfois modulaires une seule unit de commande g re plusieurs modules de puissance D autre part pour am liorer le rendement basse puissance cer tains appareils peuvent fonctionner en ma tre esclave quand le premier onduleur atteint sa puissance maximale il enclenche auto matiquement la mise en parall le du second Le PV WR 1800 de SMA peut travailler selon ce sch ma 4 5 Pr cautions de montage L onduleur sera en g n ral plac dans la mesure du possible proximit de la bo te de distribution du champ de mani re mini miser les connexions DC et le transport des c bles de terre De m me rappelons que la connexion au point d injection peut tre critique et la section des c bles sera souvent surdimensionn e d un facteur deux ou trois Pour une mise en hors service commode il est recommand de pr voir proximit de l onduleur un commutateur DC c t champ si la bo te de connexions du champ est loign e ainsi qu un disjonc teur c t r seau Mais on veillera n actionner ces commutateurs qu apr s avoir mis l onduleur hors service avec sa commande propre L nergie perdue par inefficacit de
207. lle ment ou saisonni rement Le facteur de transposition d pend du climat et en particulier de la quantit de rayonnement diffus Dans le climat de Gen ve repr sentatif du Plateau suisse avec brouillards hivernaux fr quents la part du rayonnement diffus est de l ordre de 47 53 par contre dans les r gions montagneuses cette part peut tre inf rieure 45 voire 42 et l inclinaison optimale annuelle passe alors 35 45 On peut remarquer que ce facteur d pend fortement de la p riode consid r e l optimum annuel se situe autour de 30 40 sud mais il est plus faible en t et plus fort en hiver avec des inclinaisons res pectivement de 25 et 45 On constatera que ces optimums ne sont pas tr s marqu s si on reste orient au sud une inclinaison de 60 fera perdre moins de 10 d nergie et l installation en fa ade environ 35 Mais aux fortes inclinaisons les pertes augmentent assez vite mesure que l azimut s loigne du sud D autant plus que dans ces cas les pertes par r flexion sur les capteurs dues l incidence du rayonnement direct cf 9 2 8 prennent galement de l importance Si on d sire effectuer une valuation mensuelle un peu plus d taill e on choisira selon la situation l une des trois tables 2 4 2 5 ou 2 6 tablies par M t onorm l aide des donn es de Kloten Davos ou Locarno On peut y interpoler des facteurs de transposition pour l orientation choisie e
208. llement avec des batteries I n en va plus de m me depuis que des pr occupations touchant la protection de l environnement et la conservation des ressources commencent intervenir dans le choix des techniques et des ner gies de demain L nergie photovolta que est potentiellement une source d nergie in puisable et relativement plus acceptable pour notre environnement En outre l volution des co ts long terme la hausse pour les nergies non renouvelables et la baisse pour le photovolta que en fera un partenaire concurrentiel pour alimenter les r seaux dans quelques ann es Il n en faut pas davantage pour que les autorit s responsables et les organisations professionnelles int ress es s efforcent d j de pr voir le d veloppement de cette nouvelle source d nergie par des pro grammes d encouragement et des cours de formation 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 et dont la puissance install e varie entre quelques kW et quelques cen taines de kW 1 2 Le potentiel du photovolta que en Suisse L Office f d ral de l nergie OFEN a publi deux tudes qui mon trent que les installations photovolta ques peuvent couvrir environ 10 de la consommation lectrique de la Suisse 1 Introduction Les surfaces n cessaire
209. lt 3 3 kW par phase ne sont pas soumises l obligation de soumettre les plans l IFICF ESTI e Les installations avec P gt 3 3 kW par phase ou P gt 10 KW triphas sont soumises l obligation de soumettre les plans e Toutes les installations doivent tre annonc es aux Services lectriques Un r glement d exception pour les petites installations est en pr paration 139 7 Conduite du projet l PACER Le devoir de faire contr ler les installations existe pour tous les types de g n rateurs photovolta ques raccord s au r seau Certaines compagnies de distribution demandent que la mise en ser vice se fasse en pr sence d un de leurs repr sentants La proc dure typique est d crite ci dessous PROCEDURE TYPIQUE Demande de raccordement aux SE et IFICF ESTI Sch ma de l installation Protection contre la foudre Sp cifications des composants Accord des SE et de l IFICF ESTI y Planification d taill e y Permis de construire y Autorisation de construire des SE Construction de la centrale PV R ception mise en service Autorisation d exploiter des SE et IFICF ESTI 140 va PACER 7 Conduite du projet 7 4 Subventionnement 7 4 1 Conf d ration L aide de la Conf d ration est bas e sur l arr t f d ral sur l nergie du 14 d cembre 1990 qui pr voit son articl
210. lus de cellules souvent 72 cellules soit l quivalent d un module double Les tr s grands modules pour l int gration qui sont en quelque sorte Les modules int grables sont des l ments de construction sont adapt s leur fonction et sont des l ments de construction souvent confectionn s en fonction du projet Les modules amorphes utilisables pour les centrales photovol ta ques ont des dimensions qui d pendent des quipements de pro duction Il faut rappeler qu ils produisent environ la moiti moins d lectricit par unit de surface Habituellement toutes les cellules sont connect es en s rie mais l on commence trouver aussi des modules avec c blages s rie paral l 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 vu A ce propos il faut souligner que le cadre renforce la rigidit et quelquefois am liore l tanch it du laminat en cons quence il est important de s assurer de l tanch it et de la rigidit des modules sans cadre Le module est l l ment producteur dont d pendra 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 du chapitre 9 Il peut arriver que les modules soient issus de lots diff rents et pour viter
211. m s avec suppl ments d missions suisses tablis dans le cadre de la pr sente tude Outre la valeur moyenne de SIPE pour les centrales d accumulation au fil de l eau et nucl aires pour les usines thermiques des SIPE r sultant de la production mixte de courant sont tablis Les SIPE sont pr sent s sans les co ts externes de risques Les co ts externes d v nements importants mais extr mement rares rupture de barrage grand accident de centrale nucl aire ne sont pas pris en consid ration 4 NOX SO missions d oxyde d azote en t COV missions d hydrocarbures en t en raison de la formation d ozone 220 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques Syst me nerg tique Prix 1994 de Surco ts inventori s du prix de l nergie calcul agent nerg tique l nergie sur la base de finale Co t du dommage Co t du dommage Co t du dommage g n ral Effet de serre mais sans co ts Co ts d vitement externes de l effet de serre Variante SIPE 1 Variante SIPE 2 Variante SIPE 3 ct kWh ct kWh ct kWh ct kWh Gaz naturel 3 0 AFB Soufflante 5 3 4 5 1 0 4 0 8 Atmosph rique 5 3 5 5 3 0 5 1 1 Low NOx 5 3 4 5 0 Gaz 5 3 4 5 1 ct kWh ct kWh ct kWh Huile de chauffage l g re 4 5 AFB Low NOx 3 4 9 7 6 Chaudi re br leur 4 9 7 6 Huile lourde Industrie huile lourde 1 5 4 6 44 6 0 10 3 Bois 4 5 AFB Copeaux humides 0
212. mar Cu DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS INTERRUPTEUR DE L INSTALLATION L1 L2 L3 INSTALLATION INTERIEURE INTERRUPTEUR DU RESEAU SI UNE EXPLOMATION EN ILOT EST PREVUE I 1 l I I I 1 PRISE DE TERRE l DU BATIMENT Uk L1LL2 L3 RESEAU A BASSE TENSION PEN Figure 5 4 Sch ma de mise terre 110 va PACER 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau 5 4 Dispositif de mesures Il importe de faire une distinction entre les installations courantes bas es sur une technique prouv e dans des conditions d exploita tion bien connues et les projets pilotes ou de d monstration R D Dans le premier cas l onduleur fournit normalement les indications n cessaires pour s assurer du bon fonctionnement de l installation en outre des relev s r guliers des compteurs de production permet tront de d celer tr s vite une divergence entre les valeurs de l ner gie mesur es et celles calcul es Dans le deuxi me cas un suivi plus pr cis est n cessaire et souvent exig par les organismes qui ont particip au financement Les syst mes de mesure n cessaires seront analys s au chapitre 9 ils peuvent consister en kits de mesure munis d un data logger et d un modem reli un centre d analyse des donn es mais dans le cas de tr s grandes centrales plus complexes le syst me de mesure devient un projet en soi souvent r alis en collaboration av
213. ment d un corps noir 5900 K AM 1 5 Absorption de la vapeur d eau de l atmosph re lrradiance spectrale W m2 nm Composante diffuse ciel clair 0 5 Absorption NT H201CO2 Absorption CO ozone 1 0 0 2 0 4 0 6 o8 1 12 14 1 6 18 2 22 24 26 28 3 32 UV R Longueur d onde um Spectre visible E hv eV 543 2 1 5 1 2 1 09 08 07 06 0 5 22 va PACER 2 Rayonnement incident 2 3 Rayonnement horizontal 2 3 1 Mesures d ensoleillement Le rayonnement solaire disponible au niveau du sol est quantifi pour divers lieux principalement par des mesures m t orologiques Historiquement ces mesures ont t enregistr es gr ce desh lio graphes de Campbell Stokes une boule de verre focalise les rayons sur Un papier qui noircit Ces mesures fournissaient un nombre d heures d ensoleillement c est dire la dur e pendant laquelle le rayonnement direct d passe un certain seuil par ailleurs mal d ter min entre 150 et 250 W m2 Cette information est videmment peu pr cise mais on en dispose de nombreuses mesures depuis tr s longtemps en m t orologie C est pourquoi un mod le bas sur des corr lations a t d velopp pour tenter d un tirer une quantification nerg tique L valuation d installations solaires n cessite des donn es d irra diance c est dire du flux d nergie incidente sur une surface don n e par unit de temps et de surface
214. ment d une centrale nucl aire sont li s au combustible au fonction nement et l entretien sans compter le d mant lement Les co ts de distribution de l lectricit entrent pour environ 50 dans le prix du courant la prise Le courant photovolta que est pro duit de fa on d centralis e proximit de son lieu de consomma tion Une fois construite une centrale photovolta que n entra ne pas de co ts de combustible et un minimum de frais d entretien 10 3 4 Attendre les progr s techniques Critique Il n est pas raisonnable d installer des cellules actuellement sur le march avec des rendements de 10 15 alors qu en laboratoire sont test es des cellules avec un rendement de 25 R ponse Des progr s significatifs ont t r alis s en laboratoire ces derni res ann es mais ces innovations ne seront appliqu es par l industrie aux produits commerciaux que lorsque le march aura atteint une dimension suffisante En effet les investissements pour la recherche ne repr sentent qu environ 10 des investissements n cessaires la mise en production d une nouvelle technologie Les r sultats de la recherche et du d veloppement ne seront trans mis l industrie que lorsque la demande du march garantira les investissements n cessaires 10 3 5 Retour nerg tique trop faible Critique Les installations photovolta ques ont un mauvais facteur nerg tique c est dire que le rapport entre l ner
215. ment global env 1000 W m par ciel clair On appelle direct normal le rayonnement direct mesur perpendi culairement aux rayons du soleil Mesur selon un plan non per pendiculaire le m me rayonnement irradie une plus grande surface et est donc moins intense effet cosinus Ip In cos o a est l angle d incidence voir figure 2 10 p 27 Par temps clair on obtient au sol un rayonnement normal de l ordre de 1000 W m La diff rence avec l extraterrestre est en partie r fl chie vers l espace par les hautes couches de l atmosph re et en partie absorb e et transform e en chaleur dans l atmosph re L quilibre thermique de l atmosph re et de la terre est assur par la r mission vers l espace de cette chaleur sous forme de rayonnement infrarouge Pour les besoins de divers mod les nous d finissons galement l indice de clart k comme le rapport du rayonnement au sol nor malis l extraterrestre Cette grandeur est une mesure de l att nuation dans l atmosph re et peut tre d finie pour chaque com posante globale diffuse et directe Direct Diffus Alb do Figure 2 7 Composantes du rayonnement solaire extraterrestre global direct diffus alb do Direct normal Indice de clart 21 2 Rayonnement incident Spectre AM 1 5 de r f rence Figure 2 8 Spectre du rayonnement solaire AMO extraterrestre et AM1 5 paisseur de 1 5 atmosph re
216. ment la lumi re en lectricit en utilisant certaines propri t s des mat riaux semi conducteurs Pour comprendre le fonctionnement d une cellule on se limitera ci dessous d crire le ph nom ne dans le cas du silicium et l on d crira d autres mat riaux au point 3 2 3 1 1 Propri t s des semi conducteurs On rappelle succinctement quelques d finitions et quations qui per mettront de mieux comprendre le fonctionnement d une cellule solaire 39 3 G n rateur solaire Gap silicium 1 12 eV Figure 3 1 Bandes d nergie des mat riaux Le mod le des bandes d nergie est utilis pour d crire les solides l quilibre thermodynamique 1 et pr voir leur comportement lec trique D finitions L quilibre thermodynamique indique qu aucun transfert d nergie n existe entre deux syst mes Le niveau d nergie d un lectron est l nergie E qu il faudrait lui four nir pour l amener l ext rieur du mat riau Les lois de la m canique quantique montrent que les niveaux d ner gie sont proches et se groupent en bandes d nergie A l int rieur de ces bandes il existe une continuit des niveaux d nergie alors que entre bandes on d finit une bande interdite La bande correspondant aux lectrons de la couche ext rieure est appel e bande de valence bande qui permet la liaison des atomes entre eux L nergie maximale de la bande de valence est Ev La bande d nergie imm diatement
217. mentant la puissance du champ on travaille plus haut dans la r gion du coude et le rendement global augmente jusqu tre compens par les pertes aux hautes puissances La perte au seuil est moins marqu e avec les onduleurs les plus modernes qui pr sentent de bonnes performances aux faibles puissances 198 9 Dimensionnement et mesures et surtout une raison conomique le prix de l onduleur tant fix son co t relatif dans l installation diminue lorsqu on augmente la puissance de capteurs Mais les optimisations sont li es une caract ristique essentielle des onduleurs au del de la puissance maximale certains mod les limi tent leur puissance la puissance nominale en d pla ant le point de fonctionnement sur la caract ristique I V du champ alors que d autres comportent des s curit s qui coupent purement et simple ment la production parfois jusqu au lendemain matin Le surdi mensionnement est videmment beaucoup plus d licat avec les appareils coupure Heureusement les appareils modernes sont maintenant quip s de dispositifs limitation L optimisation de la dimension du champ exprim e en puissance nominale fabricant en fonction de celle de l onduleur a t tr s soi gneusement tudi e dans 1 et 2 La figure 9 14 montre l nergie qu on peut obtenir en surdimensionnant le champ pour 3 cas de figure Si le syst me coupure chute fortement partir de 110 les s
218. mi conducteurs i Bandes de 7 conduction 2 Ef z D a mr interdite 2 2 P gt S valence M tal Isolant Semi conducteur 40 3 G n rateur solaire 3 1 2 Principe de fonctionnement Pour cr er un courant lectrique dans un semi conducteur il faut lui fournir une nergie qui permet d extraire des lectrons de la bande de valence pour les transf rer dans la bande de conduction soit une nergie sup rieure au gap de la bande interdite La lumi re dont les photons transportent une nergie E h v permet d atteindre cet effet c est l effet photovolta que La lumi re p n trant dans un semi conducteur permet donc si son nergie est sup rieure au gap de faire passer le semi conducteur de l tat isolant l tat conducteur ce ph nom ne augmentant lorsque la temp rature du semi conduc teur s l ve Lorsque un lectron est extrait de la bande de valence pour passer dans la bande de conduction il laisse derri re lui une vacance ou un trou sa place alors un autre lectron proche de la bande de valence peut combler ce trou et laisser derri re lui son tour un trou on aura ainsi tabli un courant de trous Les deux types de courant ne seront pas diff renci s on parlera simplement de cou rant qu il s agisse d lectrons ou de trous De m me on dit que l absorption de l nergie des photons par le semi conducteur cr e des paires de porteurs lectron trou L effet ph
219. n les co ts d vitement de l effet de serre constituent la part du lion des co ts externes de la production et de la consommation d nergie Il s av re qu une strat gie de r duction des missions de CO r duction de 50 des missions de CO d ici 2025 menacerait moins les co ts qu une volution non influenc e du trend actuel autrement dit les co ts d vitement de CO devraient tre significativement moindres que les co ts qui d couleraient de la survenue de l effet de serre les indications sur les co ts des atteintes sont encore hypoth tiques et s appuient sur une fourchette qui s tablit entre 1 7 et 44 mia de francs an Les vrais co ts de l approvisionnement nerg tique se situent encore nettement plus haut que les co ts pay s aujourd hui augment s des co ts externes que nous avons calcul s de nombreux co ts externes n ont pas pu tre appr hend s ou calcul s par exemple des co ts immat riels tels que la souffrance ou la douleur d autres sont encore inconnus et ne peuvent tre que soup onn s Les 6 7 12 mia de francs an valu s y compris les co ts d vitement de l effet de serre pourraient constituer la limite inf rieure du total des co ts externes S ils taient r percut s sur la consommation actuelle les d penses pour l nergie seraient ainsi augment es de 30 60 et passeraient de quelque 19 mia de francs 1992 environ 26 31 mia de francs an Si
220. n que la bouture des cristaux de 1 2 m tres de long et jusqu 30 cm de diam tre Pour obtenir des tranches de silicium wafers d environ 200 400 um paisseur utilisable il faut ensuite couper le mat riau avec une scie diamant e ce qui perd encore peu pr s la moiti de la mati re On voit donc que le proc d total a un rendement en mati re faible 15 20 et qu il est tr s gourmand en nergie Les tapes suivantes de fabrication de la cellule seront le d capage de la surface pour liminer les d fauts de sciage par 48 PACER 3 G n rateur solaire ex soude caustique 40 et 120 C on essaie en g n ral d obtenir une surface textur e en petites pyramides pour am liorer la collection de la lumi re dans toutes les directions une diffusion de phosphore pour r aliser la jonction phosphine Fabrication de la cellule 20 minutes 900 C ce dopage va contrebalancer le dopage ini tial p de la mati re pour obtenir une couche n en surface et n la jonction un d capage de l arri re et des c t s pour liminer le phosphore amen partout lors de la diffusion mais non d sir un dopage de l arri re avec de l aluminium s rigraphie et cuis son ce qui cr e une diffusion p et une surface am liorant la col lection des porteurs on appelle cette couche champ de surface arri re BSF back surface field ce qui n est pas tout fait appro pri le dopage ne change
221. n journali re donn e on d termine la puis sance cr te du g n rateur photovolta que et l investissement cor respondant que l on compare au co t de raccordement Pa 300 o 2 200 x 2 E ES jt nn S PV 22 kWh jour DO 8 D 100 PV 3 6 kWh jour Distance au r seau km 228 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques Depuis 1994 l alimentation lectrique de sites isol s fait en France l objet d une tude pr liminaire mettant en comp tition de fa on objective tous les modes de production possibles Le plus grand potentiel pour ce genre d installation se trouve malgr tout dans les pays en d veloppement PED 10 4 2 Potentiel moyen terme Le d veloppement du photovolta que pour ces prochaines ann es va d pendre de la rapidit avec laquelle les soci t s de distribution vont l admettre comme source de courant pour alimenter le r seau au m me titre que les autres sources thermiques et hydrauliques Il est certain que les augmentations substantielles du prix de l lec tricit qui ont d but en 1994 et qui sont encore pr vues pour plu sieurs ann es vont rapprocher toujours plus le prix du courant pho tovoltaique de la plage des prix qui entrent dans la composition du prix moyen factur au consommateur 10 4 3 Potentiel long terme La part de courant photovolta que dans la palette des ressources nerg tiques pr sente
222. nctionnement Les plus banals sont les microcoupures momentan es qui durent quelques secondes ou minutes Ces coupures sont tr s fr quentes dans certaines installations elles n ont pas d incidence sur la pro duction nerg tique mais peuvent perturber le r seau lors d enclen chements d clenchements rapides de fortes puissances Lors de certaines perturbations transitoires r seau surchauffe cer tains appareils interrompent leur production mais sont incapables de red marrer en charge le d marrage n a lieu que le lendemain occasionnant la perte d une demi journ e de production en moyenne Enfin les pannes destructives surviennent le plus souvent au niveau des composants de sortie Leur cause n est pas toujours identifiable Dans les mod les anciens elles pouvaient r sulter de perturbations dans le r seau telles que signaux de commande surtensions transi toires de tr s courte dur e surtensions d harmoniques dans le conducteur neutre Certaines pannes ont galement t caus es par des modes de fonctionnement extr mes qui devraient normalement tre support s et trait s par les s curit s de l appareil d passement de la puissance maximale dans un champ exp rimental surdimen sionn d passement de la tension maximale de sortie par fort enso leillement et demande faible du r seau etc La probabilit des pannes est augment e lors du fonctionnement pleine puissance On ne d plore habituel
223. neige selon SIA 160 m kg m m kg m m kg m m kg m m kg m 400 92 500 123 600 159 700 202 800 251 900 308 1000 371 1100 440 1200 516 1300 599 1400 688 1500 784 1600 886 1700 995 1800 1111 1900 1233 2000 1362 h altitude du lieu p pression de la neige minimum 90 kg m2 Les installations au dessus de 2000 m et les conditions d enneige ment exceptionnelles doivent tre tudi es tout particuli rement Pour des pentes de toit lt 60 et lorsque le glissement de la neige n est pas emp ch la charge de neige peut tre valu e p p cosa Sur des pentes plus fortes la neige ne tient en principe pas Figure 6 11 Hauteur Charge du vent selon SIA 160 au dessus du sol m 0 5 5 15 15 40 40 80 80 160 160 320 Pression du vent q kg m2 70 85 100 120 150 180 Beaucoup de toits plats sont calcul s avec de petites marges de s cu rit pour tenir compte de la charge de neige Dans ces conditions il peut tre hasardeux d ajouter des contraintes suppl mentaires importantes sans v rifier le dimensionnement des structures de la toiture le concours d un bureau de g nie civil est alors n cessaire Le calcul des forces agissantes peut tre fait en divisant l installation en sections s par es plus faciles calculer La figure 6 9 repr sente la coupe d une installation poids avec l indication des forces agis santes L l ment de calcul choisi est un support avec la surface de captage correspondante Les
224. ns pour les raisons suivantes l effet d orientation est surtout marqu pour la composante directe Avec les 48 52 de diffus sur le Plateau un plan qui suit constamment le soleil ne re oit gu re plus que 20 d nergie suppl mentaire par rapport un plan fixe 35 sud la structure d orientation est co teuse Elle doit r sister au vent et la neige contrairement aux panneaux PV cette structure comporte des pi ces mobiles est donc sujette usure et n cessite de l entretien l esth tique en milieu urbain en p tit pour viter les ombrages mutuels de telles structures n cessitent une grande surface au sol la puissance suppl mentaire peut tre fournie meilleur co t par l addition d une surface quivalente de panneaux PV fixes Une orientation selon un seul axe est plus simple mettre en uvre mais conserve une majorit des inconv nients cit s L option la plus adapt e dans nos r gions peut tre une structure m canique simple autorisant un ajustement saisonnier de l inclinaison Mais le gain reste faible et l exp rience montre que les propri taires n gligent tr s vite de prendre en charge une telle op ration 9 2 5 Les ombrages proches Avec la g n ralisation des syst mes PV et l int gration des capteurs dans le b timent rares sont les installations qui ne subissent pas un probl me d ombrage arbre chemin e m t pan de mur etc Or il 191 9 Dime
225. nsionnement Dans le cas d une centrale 135 7 Conduite du projet int gr e la construction une r union avec l architecte et le ma tre de l ouvrage d finira les surfaces quiper La derni re partie comprendra les consid rations conomiques telles qu investissement subventions prix de revient du courant 7 1 3 Projet Les d tails de la r alisation doivent tre abord s dans cette phase en particulier le dimensionnement exact de la partie lectrique et de la partie construction voir 9 3 Contr les la r ception de l installa tion Les installations photovolta ques sont soumises la proc dure d autorisation de construire habituelle Celle ci ne pose en g n ral pas de probl me en dehors des zones soumises la protection des sites La demande de raccordement doit tre pr sent e la soci t de dis tribution locale et le dossier du projet l inspectorat des courants forts pour toute installation d passant 3 3 KW par phase Les conditions de reprise du courant seront n goci es ce stade voir 7 5 Tarification Le dossier du projet sera galement pr sent l Office cantonal de l nergie pour la demande d une subvention cantonale Dans la plu part des cantons cet office transmet la demande l OFEN Berne pour la subvention f d rale voir 7 4 Subventionnement 7 1 4 Mise en soumission et attribution La pr paration des appels d offre pour les travaux et le
226. nsionnement et mesures Figure 9 6 Exemple de la repr sentation g om trique d un syst me PV et de son environnement Figure 9 7 Courbes d iso ombrages correspondantes dans le diagramme hauteur azimut est quasiment impossible d appr hender intuitivement les pertes li es aux ombrages proches Contrairement l ombrage lointain les obstacles proches portent des ombres sur une partie seulement du champ Leur traitement n cessite de reconstruire la g om trie exacte du syst me et son envi ronnement en trois dimensions Pour une position donn e du soleil on d finira le facteur d ombrage comme la fraction ombr e par rap port la surface totale du champ Pour conna tre l effet sur l nergie utilisable le facteur d ombrage doit tre valu tout instant de l ann e ce qui n cessite un processus de simulation avec un pas de temps court horaire par exemple Le logiciel PVSYST dispose d un outil CAO simplifi pour de tels trai tements L op rateur construit son syst me en assemblant des formes l mentaires pr d termin es Il peut ensuite visualiser en perspective l ombre port e pour toute position du soleil ou instant de l ann e Ombrage le 1er nov 9h30 Hauteur du soleil 18 azimut 43 A Soleil 6 Perte d ombrage 29 i a Champ de capteurs Cage d escalier Toiture ant rieure inclin 9 Geneva lat 46 2 long 6 2 alt 400 m 90 Facteur de
227. nstall e panneaux PV donn e par le constructeur pour les conditions stan est la puissance nominale dard 1000 W m2 25 C AM 1 5 On l exprime souvent en Wp ou des capteurs aux conditions kWp p pour peak standard La premi re valuation de la puissance qu il est possible d installer devra tenir compte de divers types de contraintes e L orientation g n rale tant donn le prix encore lev des L optimum de l orientation panneaux PV il est n cessaire de choisir des orientations tr s est relativement peu marqu favorables la production d nergie L influence de l orientation est indiqu e par la figure 2 14 qui montre le facteur de trans position mais aussi la perte d nergie annuelle ou saisonni re par rapport l optimum graphique valable pour un climat de plaine Pour les installations coupl es au r seau si le prix de l nergie ne varie pas trop entre l t et l hiver on se r f rera plut t un opti mum annuel La recherche d une optimisation hivernale impli quant des panneaux plus inclin s ne se justifie que pour des sites montagneux et tr s bien ensoleill s en hiver Une autre raison d incliner plus fortement les panneaux en montagne est de faciliter le glissement de la neige On constate que l optimum annuel est peu marqu et laisse pour les toitures une large marge d inclinaisons 15 45 et azimuts sud 30 sans pertes notoires Les installations en fa ade sont videmment
228. nt au niveau de puissance usuelle de l installation doit tre lev e enclenchement et d clenchement automatiques avec un seuil d irradiance faible 82 PACER 4 Onduleurs pour le r seau e qualit et pr cision de la recherche du point de puissance maximum e plage d entr e en tension elle conditionne le nombre de panneaux connecter en s rie dans le champ e comportement puissance maximale certains appareils se d connectent d autres continuent de fonctionner en limitant la puissance e protection en temp rature e consommation faible nulle sur le r seau durant la nuit e affichage des param tres de fonctionnement et des pannes possibilit s de contr le par ordinateur ext rieur e fiabilit l un des points cruciaux jusqu aujourd hui encombrement et poids raisonnables pour le montage dans les habitations niveau sonore acceptable Certains de ces points sont repris dans les paragraphes suivants 4 3 Sp cifications du r seau et de l environnement lectromagn tique 4 3 1 Prescriptions Les syst mes PV connect s au r seau doivent satisfaire aux normes de s curit de l IFICF ESTI Inspection f d rale des installations courant fort notamment en ce qui concerne les probl mes de construction m canique mise terre et protection contre la foudre Ces principes sont surtout li s la construction du syst me capteur PV ils seront trait s dans le chapitre 5 Les
229. nt gration 6 4 3 Structures sur toits inclin s La structure photovolta que Une pente de toit bien orient e face au sud est galement un empla est parall le la structure cement privil gi du toit sans la remplacer Dans le cas d immeubles existants le g n rateur photovolta que sera pos parall lement la surface de tuiles au moyen d une struc ture l g re laquelle sera ancr e directement sur la charpente du toit au moyen de pi ces de liaison sp ciales qui prennent la place d une tuile ce type de fixation existe pratiquement pour tous les mod les de tuiles Ces pi ces peuvent tre pos es intervalles relativement proches ce qui fait que les forces transmises sont mod r es Les probl mes particuliers ce type de montage sont e transmettre toutes les forces agissant sur les modules la structure du toit e ne pas d truire l tanch it pendant le montage e viter les accumulations d eau proximit des bo tiers de connexion ou des passages de c bles e assurer un bon refroidissement des modules par une distance ad quate Les points de fixation doivent galement transmettre la force d arra chement qui peut r sulter des courants d air sur les panneaux Comme valeur indicative on peut prendre la valeur n gative de la pression de vent donn e la tabelle du paragraphe pr c dent Une r partition correcte des charges sur les points de fixation est importante Dans l exemple ci
230. nt Research Center des Communaut s Euro p ennes ISPRA a tabli une normalisation concernant la prise de donn es les formats de stockage et la pr sentation des r sultats r f 3 et 4 Le JRC offre un service d analyse pour une valuation stan dard du syst me et supporte la gestion d une banque de donn es de ces mesures de syst mes disponible travers le r seau informa tique public Les paragraphes suivants r sument succinctement les exigences du JRC 9 4 3 Prise des mesures Les mesures doivent tre enregistr es en valeurs horaires et Normalisation pour la prise stock es dans un format ASCII sp cifi de mesures Pour une installation coupl e au r seau les param tres enregistrer sont r sum s dans la table 9 1 Les temp ratures doivent tre d ter min es avec une pr cision de 2 C et les param tres lectriques 2 du fond d chelle Le rayonnement doit tre mesur gr ce une cellule PV de r f rence certifi e le centre d ISPRA peut fournir des cellules cali br es L op rateur doit mettre un soin particulier son alignement dans le plan des capteurs Par rapport un pyranom tre le choix d une cellule de r f rence peut se discuter cf 2 3 1 La recommandation du JRC est vraisem blablement bas e sur le co t 500 FS pour une cellule contre 3000 FS environ pour un bon pyranom tre Mais la mesure PV est biais e par sa sensibilit spectrale et ne peut tre re
231. ntres de recombinaison Des porteurs s pa r s par le champ lectrique peuvent galement tre recombin s durant leur trajet vers une m tallisation La puret du silicium la distance de la jonction de la face avant la qualit du BSF et la qua lit du traitement de la surface jouent un r le tr s important les pertes dues l ombre de la grille de m tallisation frontale on optimise la largeur et l paisseur de la grille sa forme et sa den sit vis vis de la r sistance surfacique du silicium pour obtenir le meilleur rendement les pertes ohmiques des m tallisations avant et arri re et du mat riau Rs ainsi que les pertes parall les Rp les pertes dues l augmentation de temp rature du mat riau au soleil 50 w z z PACER 3 G n rateur solaire Figure 3 11 Spectres utiles o kW m um Spectre terrestre Energie dissip e o en chaleur Lo Energie non o 4 absorb e Energie utile um 1 1 um 1 12 eV 3 2 2 Cellules polycristallines Le principal d faut des cellules monocristallines est leur co t qui pro Silicium semi cristallin vient en grande partie de l utilisation d un mat riau de grande puret et demandant beaucoup d nergie pour sa fabrication D autre part la puret extr me du mat riau indispensable lorsqu on fabrique des structures microscopiques circuits int gr s n est peut tre pas n cessaire pour une grosse diode de
232. nts en particulier lorsque les l ments de captage sont int gr s l enveloppe m me du b timent La liaison au r seau implique en outre un rapport nouveau avec la soci t distributrice d lectricit lequel doit tre n goci dans le cadre du projet Enfin le ma tre d ouvrage attend non seulement une r alisation tech niquement parfaite mais aussi une rentabilit conomique qui r ponde ses pr visions Il r sulte de ces particularit s que la r alisation d une centrale pho tovoltaique est un projet assez complexe qui demande au del de la r alisation technique une attention particuli re dans l organisation du chantier les d marches pr alables et les calculs conomiques On peut dire par exp rience que la r ussite d un tel projet d pend en par tie d une bonne d finition des mandats de chaque partenaire et de la d signation d un seul responsable 1 4 La structure du cours Destin avant tout des ing nieurs de bureaux d tudes ou d entre prises ayant en charge la r alisation d une centrale photovolta que ce cours ne comporte pas d exercice de construction effective comme c est le cas dans le pr c dent cours PACER G n rateurs photovol ta ques N 724 242 f destin aux installateurs lectriciens Il comprend en premi re partie les bases n cessaires la compr hension de la physique du rayonnement solaire et au fonctionnement des l ments d un syst me photovolta
233. ominale Po 7 63 kW Surface totale Aa 61 3 m2 Taux de pannes partielles O 0 024 P riode de mesures 1 1 92 31 12 92 Taux d acquisition de mesures 100 Donn es climatiques Energie incidente plan capteurs Es a 82 290 kWh Irradiation moyenne journali re Gc 3 67 kWh m jour Bilans du syst me Energie totale la sortie du champ Ea 6875 kWh Energie totale fournie par le sys Eo 5835 kWh t me Energie fournie au r seau Etu 5835 kWh Bilans et efficacit s des composants Efficacit des onduleurs n 84 9 Indices de performance Energie solaire de r f rence Y 3 67 heures jour Production du champ Ya 2 46 heures jour Production finale Y 2 09 heures jour Pertes de captage L 0 21 heures jour Pertes du syst me Ls 0 37 heures jour Indice de performance Performance Ratio PR 0 57 sans panne 0 65 Efficacit globale du syst me Ntt 7 09 sans panne 8 07 206 o N Q O p Avril Mai Juin Juillet L o 5 z gt O v Octobre D D G E D O D O Novembre o g a E g o D a w PACER 9 Dimensionnement et mesures Figure 9 16 6 Repr sentation mensuelle des indices de production Yields g Le pour les p riodes sans panne 5 m 4 M 5 3 D 2 1 m RERA I 0 D Le 5 amp D 2 0 DaS e SRE ee T LL TA 0 ro O gt
234. omp titives pour les syst mes concentration de lumi re On a mesur avec une cellule au GaAs en lumi re 206 x concentr e un rendement de 29 2 Le GaAs est beau coup utilis dans l industrie de l lectronique pour r aliser des diodes lumineuses et la fabrication de cellules solaires reste li e ces tech nologies Un autre avantage du GaAs par rapport au silicium cristal lin est qu il absorbe toute la lumi re dans moins de 10 um ce qui permet d utiliser le proc d de croissance pitaxiale des cristaux partir d un substrat fortement dop le dopage tant r alis durant le processus Les meilleurs r sultats ont t atteints avec des cellules o la jonction se trouvait moins de 1 um de l avant Il est galement possible de fabriquer des cellules multiples gaps diff rents une cellule tandem GaAs et GaSb a atteint 37 de rendement pour une lumi re concentr e de 100 x 3 2 4 2 Cellules au tellurure de cadmium CdTe Plusieurs proc d s partent de compos s du cadmium ce qui pour Gap 1 5 eV rait poser des probl mes cologiques de r cup ration en fin de vie de ces panneaux Le premier mentionn ici le tellurure de cadmium a un gap de 1 5 eV proche de l optimal et les cellules fabriqu es dans ce mat riau ont atteint 12 en laboratoire et pr sentent une grande stabilit sans d gradation des performances 3 2 4 3 Cellules tandem au sulfure de cadmium et de cuivre Cu2S CdS Le CdS est uti
235. on nominale de charge cette tension valant la tension maximale de l accumulateur la chute de tension travers la diode de blocage les pertes de ligne Pour un syst me typique 12 V batterie plomb acide on aura 25 C 14 V au maximum pour la batterie environ 1 V tol rable pour les autres pertes si la diode est de type schottky faibles pertes soit environ 15 V On choisira dans ce cas un pan neau qui sa temp rature de fonctionnement donne le courant d sir Vnom 15 V Il faut ensuite conna tre la temp rature de fonctionnement typique du g n rateur pour un syst me utilis en t on peut en premi re approximation utiliser la valeur NOCT sous nos latitudes pour autant que le panneau soit bien ventil arri re ouvert Pour les pays chauds une valeur moyenne est la temp rature ambiante 30 40 C suivant le type et la construction du panneau couleur mat riaux et suivant la ventilation La fr quence les besoins et la p riode d utilisation sont galement importants pour alimenter en lumi re un chalet de week end utilis toute l ann e on ne prendra pas l t comme r f rence parce que les besoins en lumi re seront faibles la belle saison par contre si un r frig rateur est galement aliment c est en g n ral l t qui sera la r f rence On voit que le cahier des charges du point de fonctionnement du g n rateur est ici beaucoup plus complexe que pou
236. on Resgan Connexion d un onduleur 7 aN monophas et imp dances Sr gt caract ristiques pour le calcul Ris Lis Li s Rr s des limites de tension y U injection A USS i G n r f SERAN solaire Onduleur Point d injection R seau La r actance des lignes de transport d pend de l environnement direct du c ble et de sa structure mono triphas e mais tr s peu de sa section La table 4 1 en donne les valeurs pour la fr quence fon damentale 50 Hz Rappelons que la r actance est proportionnelle la fr quence et que l imp dance augmente donc avec l ordre des harmoniques Tableau 4 1 Type de ligne R actance 50 Hz R actance de quelques types de c bles utilis s dans les r seaux de Conducteur libre lignes a riennes 0 34 mQ m distribution C ble isol monoconducteur 0 18 mQ m C ble 4 conducteurs sous gaine ou tube 0 085 mQ m Il faut noter enfin qu en monophas l imp dance prise en compte est celle de la somme des deux c bles alors que pour un montage triphas elle ne sera que la somme des 3 conducteurs ext rieurs agissant sur le transport des 3 tensions combin es On peut consi d rer que l imp dance globale de la ligne triphas e n est que 60 d une ligne monophas e Et sur le m me point on peut injecter 5 6 fois plus d nergie en tri qu en monophas pour la m me chute de tension Pour une installation importante quelques kW et particuli rement en milieu ru
237. on a trac l allure de ces variations ainsi que le logarithme naturel des concentrations d lectrons et trous la jonction La barri re de potentiel cr e par la jonction repr sente la principale caract ristique de la diode le courant ne pourra pas passer dans le sens renfor ant cette barri re mais seulement dans le sens inverse On d finit la tension ext rieure impos e la diode comme positive lorsqu elle a pour effet de diminuer ce champ lectrique interne Lorsque la tension impos e est sup rieure la barri re de potentiel la courant peut passer Comme les niveaux d nergie des semi conducteurs dop s sont tous deux l int rieur de la bande interdite la tension de passage qui correspond la diff rence des deux poten tiels est l g rement plus faible que le gap du semi conducteur divis par la charge l mentaire de l lectron es Qc 5 bl Sa Ec f nL vd D D Anete aa aaea eS oS O z Ef Ev D amp n No N E D Oz 44 PACER 3 G n rateur solaire En pratique on calcule une valeur 300 K de Vd Eg q 0 4V 0 5V ce qui donne pour le silicium Vd 1 12 eV q 0 45 V 0 67V Pour transformer la jonction p n en diode il faut encore lui ajouter des contacts m talliques on peut alors tracer sa caract ristique V en lui imposant une tension ext rieure Si la tension impos e est positive le courant va cro tre selon l
238. on de risque donn e Les co ts d vitement ont t calcul s ici de mani re tout fait statique car on n en sait pas beaucoup plus sur les futures technologies de substitution que ce qui existe actuel lement Il serait int ressant d laborer une estimation des co ts d vitement dans le temps par exemple avec une perspective technologique jusqu l an 2025 et en se basant sur les trends de d veloppement du pass Finalement la th matique des externa lit s respectivement des co ts externes doit tre rendue acces sible au public int ress sous une forme ad quate 223 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER 10 3 R ponse certaines critiques La connaissance des possibilit s et des limites de l utilisation de l nergie photovolta que est encore tr s incompl te et souvent bas e sur des pr jug s dans ce sens les opinions exprim es dans la presse jouent un tr s grand r le Il est fr quent que des arguments d ci sifs soient avanc s contre le photovolta que Les r ponses ces critiques ont t labor es par le directeur du pro gramme d encouragement au photovolta que d Energie 2000 2 10 3 1 Demande trop de terrains Critique Une utilisation intensive du photovolta que emploiera it des surfaces d raisonnables de terrain par exemple 66 km pour la production de 2500 millions de kWh qui correspond celle de la centrale de M h leberg R
239. on ouverte baisse avec la temp rature ce qui est important dans le dimensionnement des syst mes A la figure 3 8 on repr sente la caract ristique d une diode dans les quatre quadrants 1 amp 2 sans lumi re et 3 amp 4 sous illumination La lumi re permet effectivement de tirer de l nergie du composant le courant tant de signe oppos la tension quadr 4 On remarque que la courbe sous illumination est simplement d ca l e vers le bas de la valeur Isc ce qui est normal vu l hypoth se d une g n ration constante du courant par la lumi re La valeur Voc repr sente en fait l galit du courant de g n ration par la lumi re et du courant de consommation de la diode sans lumi re 46 PACER 3 G n rateur solaire Figure 3 8 Cellule solaire caract ristique I V Obscurit O2 Q1 a lsc Lumi re On peut compl ter le sch ma quivalent de la cellule solaire figure 3 9 en ajoutant deux r sistances pour tenir compte des pertes internes Rs repr sente la r sistance s rie qui tient compte des pertes ohmiques du mat riau des m tallisations et du contact m tal semi conducteur Rp repr sente une r sistance parall le provenant de courants parasites entre le dessus et le dessous de la cellule par le bord en particulier et l int rieur du mat riau par des inhomog n it s ou impuret s L quation de la caract ristique 1 V devient alors l Ip Is
240. onomique de monter des panneaux avec une tension adapt e la charge nombre de cellules et la saison du plus grand besoin d nergie 8 4 4 R gulateur de d charge Ce dispositif est n cessaire pour tous les syst mes o la protection Emp cher une d charge de la batterie est prioritaire Un contre exemple est l clairage solaire profonde de la batterie d un voilier il vaut mieux endommager sa batterie en continuant d alimenter ses feux de position que naviguer tous feux teints pour sauver sa batterie et risquer une collision La tension de d lestage sera si possible inversement proportionnelle au courant de sortie pour respecter les caract ristiques de d charge des batteries valable pour les r gulateurs grands courants Pour les r gulateurs simples travaillant des courants de moins de 10 de la capacit il faut cou per les sorties lorsqu il reste 10 20 de capacit dans la batterie T gt 0 C Pour la majorit des syst mes le r gulateur de d charge en g n ral incorpor au r gulateur de charge est n cessaire Deux types seront utilis les r gulateurs automatiques r enclenchement automatique des sorties apr s coupure syst mes non habit s les r gulateurs manuels qui n cessitent une intervention humaine apr s coupure et sont recommand s pour les syst mes habit s Les r gulateurs manuels permettent de couper tous les utilisateurs en partant du site Avec un
241. ormale Facteur d ombrage Fraction illumin e de la surface du champ PV c est le compl ment du facteur de perte d ombrage Facteur d ombrage sur le diffus Int grale du facteur d ombrage sur la portion de sph re vue par les capteurs elle est constante au cours de l ann e G n rateur solaire Ensemble du ou des panneaux solaires connect s en s rie parall le Hauteur du soleil Angle entre la direction du soleil et le plan horizontal IAM incidence Angle Modifier Voir facteur d incidence IFICF Inspection f d rale des installations courant fort ESTI en alle mand Inclinaison Angle entre un plan de capteurs et l horizontale Indice de performance Y pour Yields Mesure de l nergie d un champ ou d un syst me normalis e la puissance nominale install e Ces quantit s d finies par le JRC ISPRA sont ind pendantes de la taille du syst me et exprim es en heures par jour heures quivalentes de fonctionnement 1000 W m et 25 C Installation autonome Installation solaire ind pendante du r seau Par exemple alimenta tion lectrique de chalet metteur de t l communication etc avec stockage d nergie batteries ou sans stockage comme pompage d eau ventilation et s chage etc 234 Glossaire Installation coupl e au r seau Installation transf rant l nergie du g n rateur au r seau lectrique l aide d un onduleur Int gration photo
242. orsque les conditions le permettent la m thode de fixation la plus remplace la structure du toit s re consiste utiliser le lattage traditionnel et disposer les plaques dans toutes ses fonctions photovolta ques en cailles de fa on assurer l tanch it des joints horizontaux par recouvrement Dans ce cas les modules doivent naturellement comporter une bande sans cellules leur partie sup rieure Toutefois le joint dans le sens vertical ne peut se faire par recouvrement comme pour les tuiles conventionnelles sans poser de difficiles probl mes de refroidissement des modules L tanch it est donc assur e par des profils verticaux ad hoc On trouve galement de petits modules photovolta ques dont le cadre pr sente toutes les particularit s m caniques d une tuile de grandes dimensions 10 128 PACER 6 Types de centrales photovolta ques Figure 6 16 Toiture cylindrique d un immeuble administratif Gen ve 9 6 kW 6 6 Centrales hybrides 6 6 1 Principe Les modules int gr s doivent tre convenablement refroidis par un L chauffement des modules courant d air naturel ou forc m nag entre l arri re des panneaux expos s au soleil constitue et la structure du b timent une source de chaleur gratuite Sans augmentation de co t consid rable il est possible de pr voir l utilisation de l nergie thermique ainsi produite pour couvrir une partie des besoins du b timent P
243. ortables ce march a repr sent jusqu un quivalent de 3 MW de cellules amorphes par ann e Il existe galement des modules amorphes de grandes dimensions de plus de 1 m destin s l int gration dans les b timents L int r t de tels modules est qu ils devraient permettre de r duire terme le 65 3 G n rateur solaire Figure 3 22 Bo te de connexion Protection de l environnement prix des panneaux int gr s le rendement dans le cas de panneaux en fa ade n tant pas un facteur de choix important lorsque la sur face doit de toute fa on tre couverte le module devient dans ce cas un l ment de construction comme les autres 3 4 3 Connexions Les connexions au panneau solaire sont importantes car elles vont souvent tre d terminantes pour la dur e de vie du module Ces connexions sont le plus souvent rassembl es dans un ou deux bo tiers tanches bornes vis coll s au dos du panneau ou fix s au cadre Les sorties du panneau arrivant au bornier sont entour es de r sine silicone La plupart des borniers ont au moins trois bornes standard europ en pour le plus le moins et le point milieu Dans ce m me standard on trouve souvent d j install es deux diodes by pass dont le r le sera d crit au chapitre 3 5 3 Les c bles de liaison arrivant dans le bo tier devront entrer depuis le bas pour r aliser une goutte pendante et viter de transporter l humidit courant le long des
244. oto lectrique modifie simplement la conductivit lectrique de certains semi conducteurs ceci est utilis pour fabriquer des r sistances d pendant de la lumi re LDR composants largement utilis s dans les appareils photogra phiques et partout o la lumi re doit tre mesur e Pour transformer le semi conducteur photosensible de composant passif en composant actif il faut pouvoir g n rer un courant de por teurs donc apporter une force qui obligera les lectrons et les trous s couler dans deux directions oppos es Cette force sera r alis e par un champ lectrique interne provenant du dopage du semi conducteur 3 1 3 Dopage des semi conducteurs On pr sente ci dessous l exemple du silicium qui usuellement est dop au bore ou au phosphore dans les cellules solaires Le dopage d un semi conducteur pur va permettre d amener des charges exc dentaires qui am lioreront la conductivit du mat riau A la figure 3 2 on repr sente une vue plane des atomes de silicium 4 lectrons dans la couche externe qui sont chacun li s quatre autres atomes de silicium En regard on montre galement les deux niveaux d nergie Ec bas de la bande de conduction et Ev sommet de la bande de valence ainsi que la valeur Eg largeur de la bande interdite ou gap En dopant le silicium avec des atomes trangers de phosphore qui ont 5 lectrons dans leur couche externe un lectron par atome de phosphore ne pourra pas se lie
245. our des utilisations basse temp rature comme le pr chauffage par exemple il est possible d optimiser la production d lectricit et de chaleur 6 6 2 Toitures hybrides Les toitures qui se pr tent le mieux une r cup ration de la chaleur sont celles qui pr sentent de grandes surfaces d un seul tenant ou les structures r guli res en forme de sheds assez hauts Une grande fabrique de la r gion b loise produit de cette fa on de l nergie thermique utilis e pour le chauffage avec stockage saison nier et de l lectricit pour ses besoins propres Gr ce une gestion rationnelle de l nergie et une r cup ration syst matique de la cha leur la couverture globale de ses besoins nerg tiques atteint 70 11 6 6 3 Fa ades hybrides Les parties de fa ade ne comportant pas de fen tre peuvent gale ment apporter une contribution au syst me de chauffage de l immeuble 129 6 Types de centrales photovolta ques Figure 6 17 B timent industriel Kirchberg 18 kWel 12kWth Lo Los Le on on ae bo om bo dom EEEF 27 a 130 PACER 6 Types de centrales photovolta ques Figure 6 18 Fa ade hybri FA ADE MULTIFONCTIONS KIRCHBERG Area Apres PARTIES LAT RALES CONTREC URS sn G n rateur P V Ventilation naturelle El ment de fa ade Electricit r fl chissant Z D PARTIES LAT RALES FENETRE
246. panneaux obtenus 3 4 1 Module au silicium cristallin On utilise la m me technologie pour r aliser des modules avec des cellules mono ou polycristallines la seule diff rence est en g n ral un nombre plus lev de cellules pour les polycristallins la tension 62 PACER 3 G n rateur solaire de leurs cellules au point de puissance maximale tant plus faible que celle des cellules monocristallines Deux technologies sont utilis es pour fabriquer un panneau solaire la premi re s appuie sur un verre tremp devant les cellules comme principal support m canique la seconde utilise un mat riau arri re rigide comme support m canique et une face avant plastifi e Le premier type est le plus courant cf figure 3 20 et les s quences de fabrication sont par exemple Apr s le tri en courant une tension donn e derni re tape de la Tri fabrication des cellules on soude des bandes de cellules en plusieurs s ries la connexion du dessus d une cellule au dessous de la cellule suivante se faisant par une bande de cuivre tam e plate tab la soudure peut tre r alis e la main avec un simple fer souder ou par des machines soudant par points Le tab Mise en s rie traverse en g n ral les trois quarts de la cellule dessus avec plusieurs points de soudure pour abaisser la r sistance s rie La longueur de la cha ne correspond la longueur du panneau o l on dispose usuellement trois rang es de 10
247. par rapport au sud compt n gativement vers l est sens antitrigonom trique dans l h misph re nord trigonom trique dans l h misph re sud Capteurs hybrides Capteurs solaires capables de produire simultan ment de l nergie lectrique et de l nergie thermique Cellule de r f rence Instrument de mesure d irradiance utilisant l effet photovolta que et biais par son acceptance spectrale Cellule solaire El ments photovolta ques actifs mis en s rie dans un module solaire 231 Glossaire Centrale photovolta que Champ photovolta que d une certaine importance consid r comme un producteur d nergie lectrique au m me titre qu une centrale thermique ou hydraulique Cha ne Ensemble de panneaux connect s en s rie pour augmenter la ten sion de fonctionnement Des cha nes quivalentes peuvent tre connect es en parall le Champ photovolta que Ensemble des panneaux c bl s en s rie parall le connect s une seule entr e de l unit de conditionnement d nergie charg e de la recherche du point de puissance maximum MPPT Charge utilisateur Demande besoins d nergie lectrique de la part de l utilisateur du syst me PV Coffret de r partition Coffret r unissant toutes les connexions des cha nes de panneaux d un g n rateur photovolta que pour la mise en parall le Contient galement des protections contre les surtensions contacteur DC et ventuellement les diodes s ri
248. part par les crit res de mise en s rie et en parall le des modules expos s au chapitre 3 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 Les sections de c bles doivent tre calcul es de fa on limiter la perte de puissance environ 1 voir feuille de calcul PVSYST Py In p l AI Py Perte de puissance W In Courant nominal A p R sistance sp cifique pcu 0 02 Qmm m Longueur totale du c ble m Section de c ble mm gt I La perte d nergie est proportionnelle au carr du courant ce qui jus tifie dans les installations importantes de travailler des tensions plus lev es Les diodes de cha ne 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 mQ dans les bor niers et 15 50 mQ dans les disjoncteurs Ces pertes se traduisent par l chauffement des contacts Les protections contre les surtensions avec des varistors ne condui sent normalement que peu de courant mais avec le vieillissement les courants de fuite peuvent augmenter et sont difficilement mesu rables
249. pensons une installation photovolta que reste exploit e plus de 20 ans l exploitant n en tirera aucun avantage exag r En effet la r mun ration couvrant les co ts de production n est fix e que pour 20 ans Par la suite l exploitant ne re oit plus que le prix du kWh normal alors qu il doit continuer payer le fonctionnement L exploitant est en r alit moins bien plac que la compagnie lectrique qui touche le m me prix au kWh apr s la fin de l amortissement de ses installations conventionnelles 214 va PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 2 Co ts externes et surco ts inventori s du prix de l nergie Extrait de la version abr g e du rapport de synth se Co ts externes et surco ts inventori s du prix de l nergie dans les domaines de l lectricit et de la chaleur 1994 N de commande 724 270 7 f OCFIM EDMZ 3000 Berne 10 2 1 Energie prix bas mais co ts lev s Malgr les crises p troli res des ann es 1970 et 1980 la consommation d nergie en Suisse a continu d augmenter Un regard sur le d veloppement des prix r els de l nergie fournit une explication partielle ce fait pr occupant au niveau r el l nergie est devenue continuellement moins ch re durant ces derni res ann es le prix du p trole se situant aujourd hui au niveau de celui de 1970 Malgr une consommation en hausse nous d pensons aujourd hui nettement moins d argen
250. ple pour un chauffage central bois dans un chalet 8 6 4 R frig rateurs Les r frig rateurs pour installations autonomes utilisent des com presseurs fonctionnant avec un moteur DC et une armoire isola tion renforc e Leur prix est beaucoup plus lev que les mod les standards en 230 Vac environ 2 3 fois plus cher mais leur consom mation est inf rieure la moiti pour les meilleurs mod les Pour am liorer le rendement des r frig rateurs ou cong lateurs il faut les placer dans un endroit frais diff rence de temp rature int rieure ext rieure la plus faible possible s assurer que l changeur est bien ventil pour qu il puisse travailler efficacement ajouter des accumulateurs de froid gla ons ou l ments ferm s pour que le compresseur travaille plus longtemps et moins souvent son efficacit est ainsi augment e les charger avec des aliments aussi froids que possible pour viter de devoir les refroidir ne pas les utiliser en hiver On trouve aussi des r frig rateurs vaccins pour les dispensaires m dicaux isol s ceux ci ont t test s par l OMS o l on peut en obtenir les r sultats Il est fortement d conseill d utiliser un r frig rateur en 230 Vac ali ment par un onduleur m me si la puissance du compresseur est seulement de 50 100 W l onduleur devra tre capable de d mar rer une charge facilement 10 fois plus lev e suivant l tat
251. plus sophistiqu s tels que les thyristors coupure GTO transistors de puissance MOSFET de puissance ou les nouveaux IGBT Le fonctionnement sera alors command par des signaux de r f rence internes La figure 4 5 en indique les principes de base Dans le cas le plus simple b dit 6 impulsions on g n re un signal carr avec passage z ro Ce montage est utilis sur certains gros ondu leurs triphas s dizaines de kVA mais pr sente encore un fort taux d harmoniques n cessitant un filtrage important Avec leurs possi bilit s de commutation rapide les nouvelles technologies de semi conducteurs permettent d utiliser la technique de modulation de lar geur d impulsion PWM pour Pulse Width Modulation o la forme sinuso dale du signal est reconstitu e gr ce l int gration d une suite d impulsions br ves de largeur variable Cette technique est lar gement utilis e dans les alimentations d coupage On peut mon trer que N impulsions par demi p riode permettent d liminer les harmoniques jusqu au rang N 91 4 Onduleurs pour le r seau PACER Figure 4 5 Principes de base d un onduleur triphas r f rence interne d apr s 1 b tension de sortie pour commutation 6 impulsions c modulation de largeur d impulsions Dans cette configuration la connexion au r seau et la s paration gal vanique est encore effectu e travers un encombrant transforma teur 50 Hz
252. pmax 15 8 V NOCT et en connectant 6 modules en s rie on obtient une tension de puis sance maximale de champ V pmax ch 94 8 V au NOC Cette valeur est l g rement plus faible que l optimum de 100 V mais elle devrait faire l affaire On peut encore v rifier que durant toute l ann e l onduleur pourra fonctionner au point de puissance maximale du champ en estimant les temp ratures extr mes de l hiver et de l t La plage de temp rature de modules correctement ventil s peut tre estim e entre 0 et 60 C en plaine Les valeurs de champ deviennent alors CT V ch 441 mV C V pmax 115 5V 0 C V pmax 89 1 V 60 C On remarque que les extr mes sont bien l int rieur de la plage de fonctionnement de l onduleur Un autre facteur est consid rer lorsqu on connecte plusieurs modules en s rie en premi re approximation le courant obtenu sera limit par le courant du plus mauvais panneau de la cha ne Il est donc int ressant avant de monter un champ de trier les pan neaux et de connecter en s rie ceux ayant des courants la puis sance maximale le plus proche possible Certains constructeurs indi quent les mesures d taill es de chaque panneau ce qui facilite ce tri Sinon on peut trier les panneaux en les mesurant l aide d une charge lectronique tension fixe ou d une batterie par beau temps L appairage permet de gagner quelques pourcent de courant et il est par
253. pondante Distribution de global incident sur un plan 35 sud Donn es de Gen ve 1992 Energie par bin kWh i 200 400 600 500 1000 1200 On voit qu elles d pendront du dimensionnement du champ par rap port la puissance nominale de l onduleur si l onduleur est sous dimensionn on tombe le plus souvent dans la partie incurv e de faible efficacit La figure 4 2 indique que le SOLCON est de loin le plus favorable dans cette zone Nous discuterons en d tail l avantage surdimensionner le champ dans le chapitre 9 Si on consid re le fonctionnement annuel global la simulation d taill e effectu e dans cet exemple avec un SOLCON indique que les pertes de l onduleur en fonctionnement atteignent 9 7 aux quelles il faut ajouter les pertes de seuil lorsque la tension minimale n est pas atteinte 0 9 ou la puissance DC est insuffisante 0 6 Ainsi pour une efficacit maximale de 92 l efficacit r elle n est que de 89 90 va PACER 4 Onduleurs pour le r seau 4 3 11 Plage d entr e en tension La plage de tensions d entr e admissibles pour l onduleur d termine le nombre de panneaux connecter en s rie Pour prendre un exemple le S13000 est construit pour 3 panneaux de 36 cellules et fonctionne entre 40 et 60 V alors que le SOLCON admet 6 panneaux et va de 80 120 V L avantage de travailler une tension plus le v e est de diminuer le courant du champ lors
254. ponse Cet argument n est pertinent que dans le cas d installations construites sur le terrain Notre civilisation a d j consomm suf fisamment de terrains cultivables pour la construction qui permet traient la pose d une infrastructure photovolta que int gr e aux constructions suffisante pour la production de beaucoup plus que 2500 millions de kWh sans utilisation de nouveaux terrains La surface construite en Suisse repr sentait en 1991 plus de 2400km2 Dans les derni res ann es la presque totalit des centrales solaires suisses a t r alis e sur des toitures et des fa ades mais aussi sur des barri res d autoroute par exemple 10 3 2 Non rentabilit Critique Le photovolta que n est pas conomique m me long terme et n a donc aucune perspective comme producteur d nergie R ponse Le photovolta que l origine utilis principalement dans l espace sans pr occupations conomiques ne se trouve comme moyen de production d nergie lectrique qu au tout d but de sa courbe d apprentissage technico conomique Avec une production mondiale annuelle de l ordre de 60 MW dont moins de 10 destin aux installations reli es au r seau on peut consid rer les co ts de production actuels de l ordre de 1 fr kWh comme extr mement avantageux Avec de si petits volumes de r a lisation les premi res centrales lectriques du d but du si cle avaient des co ts de production consid rablement
255. prix d achat du kWh solaire son prix de revient r el est la seule solution capable d amener le photo volta que au niveau des autres producteurs d nergie lectrique En fait le d veloppement de toutes les nouvelles sources d nergie a t financ de cette fa on et le photovolta que est aujourd hui pr t rejoindre les modes de production conventionnels Ce mode de financement pr conis par les associations profession nelles de l nergie solaire est connu en Allemagne sous le nom de Mod le d Aix la Chapelle En juin 1993 le Conseil municipal d Aix la Chapelle a demand au directeur de la mairie de mettre en uvre le plus rapidement possible par tous les moyens juridiques dispo nibles une r mun ration couvrant les co ts de production du cou rant photovolta que fourni au r seau ce qui a t reconnu comme un mod le tout fait acceptable en 1994 par le Minist re de l indus trie du Land de Rh nanie Westphalie Mod le d Aix la Chapelle D finition du mod le Une r tribution qui couvre les co ts de production signifie que les distributeurs d nergie ach tent le courant d ori gine solaire et olien livr au r seau un prix calcul de mani re couvrir les frais d installation et de fonctionne ment Les surco ts qui en r sulteraient pour les distributeurs peuvent tre imput s par eux leurs clients Investissement Une installation photovolta que optimis e d une puissance in
256. proportion de rayonnement direct A cause des probl mes d ombrage le besoin de surface au sol repr sente sous nos latitudes environ 3 fois la sur face de captage pour des sheds et 4 fois en tracking 6 1 2 Les centrales rapport es sur des b timents Lorsque l orientation et l inclinaison sont favorables il est possible d utiliser des structures construites comme supports pour les l ments photovolta ques On r alise de la sorte une conomie appr ciable de terrain mais aussi de co t de construction pour les fonda tions et les structures elles m mes Si la pente du toit est favorable le coefficient d utilisation du sol peut tre inf rieur l unit 6 1 3 Les centrales int gr es aux b timents Sur des b timents nouveaux ou l occasion de restauration de L efficacit des syst mes fa ades et de toitures il est possible de remplacer les l ments qui int gr s d pend du choix servent d enveloppe au b timent par des l ments photovolta ques des surfaces En plus des avantages du cas pr c dent on obtient une meilleure int gration visuelle et l on conomise le co t des plaques de rev te ment 115 a 6 Types de centrales photovolta ques PACER Figure 6 1 Princi l int Ean rincipe de l int gration Sans int gration AN G lectricit Les panneaux photovolta ques ne sont pas des l ments de l enveloppe du b timent Avec int gration El ment de
257. pteurs pour 0 9 diverses limites d ombrage 0 0 8 Lim 18 0 7 N 0 6 jm 15 O 0 5 2 04 a 0 3 S 02 2 0 1 0 0 20 40 60 80 inclinaison des capteurs e La technologie envisag e plusieurs types de capteurs sont La technologie sera choisie offerts sur le march le choix peut d pendre de l nergie d sir e en fonction de la puissance mais galement de consid rations esth tiques discuter avec requise de crit res l architecte les cellules monocristallines restent g n ralement tr s esth tiques et du prix sombres mais bien structur es alors que les polycristallines offrent des reflets bleut s et moir s les panneaux amorphes ont une homog n it noire etc sans compter les composants futurs en couches minces o l on peut envisager toute une gamme de couleurs Certains fabricants proposent des panneaux ajour s form s de deux couches de verre avec des cellules suffisamment espac es pour laisser filtrer la lumi re et qui peuvent servir de brise soleil du plus bel effet 185 9 Dimensionnement et mesures Evidemment chacune de ces variantes est caract ris e par une efficacit propre ce qui peut se traduire par une puissance install e sp cifique par unit de surface Cette efficacit varie dans un fourchette d environ 12 pour des cellules monocristallines environ 6 dans le cas de panneaux amorphes Il est donc n cessaire d en tenir compte lors du pr dimen
258. qu on double la ten sion les pertes ohmiques du c blage sont divis es par quatre 4 4 Principes de fonctionnement 4 4 1 Onduleurs pilot s par le r seau Appel s aussi commutation ext rieure ces appareils sont rela tivement simples et bon march Les l ments de commutation sont des thyristors enclench s par un signal de commande et d clench s lors du passage z ro de la sinuso de lls g n rent des signaux rec tangulaires ou trap zo daux en montage triphas contenant beau coup d harmoniques Le pilotage par le r seau implique un d pha sage cos p et la connexion au r seau est effectu e travers une tr s grosse self et un transformateur 50 Hz accompagn s d un filtre pour att nuer les harmoniques Les onduleurs thyristors sont utilis s surtout pour de tr s grosses puissances Cette technologie b n ficie d un prix inf rieur car elle est appliqu e grande chelle dans d autres domaines de conver sion du courant Mais avec tous ses inconv nients ce principe est de moins en moins utilis aujourd hui 4 4 2 Onduleurs r f rence interne Une fois enclench s les thyristors ne peuvent tre coup s que par le passage du courant z ro Or si l on veut am liorer la qualit du signal produit taux d har moniques et d phasage il est n cessaire de commuter la puissance plusieurs fois par p riode On devra donc avoir recours des com mutateurs lectroniques
259. r f rence de temps au cours de l ann e dues l ellip ticit de l orbite terrestre et l obliquit de son axe de rotation 15 minutes environ ESTI European Solar Test Installation Laboratoire de mesure de la CEE Ispra l ESTI sigle allemand pour IFICF Fa ade photovolta que Fa ade dont les l ments de rev tement sont constitu s par des l ments photovolta ques Facteur de forme FF Fill factor Quotient de la puissance maximale d une cellule panneau sur le produit courant de court circuit par tension ouverte FF Pmax lsc Voc 233 Glossaire Facteur de perte d ombrage Fraction ombr e de la surface de champ PV c est le compl ment du facteur d ombrage Facteur de pertes thermiques Facteur de pertes exprim en W m caract ristique du champ d pend du type de montage des panneaux Il conditionnera la tem p rature du champ selon le rayonnement incident Facteur de rendement Le facteur de rendement exprime le rapport entre l nergie que pro duira un module ou une installation durant sa dur e de vie et l ner gie grise de ce module ou de cette installation Facteur de transposition Rapport du rayonnement sur un plan inclin normalis au rayonne ment global horizontal Facteur d incidence IAM Att nuation du rayonnement transmis la cellule selon l angle d inci dence lois de r flexions et transmissions de Fresnel par rapport une incidence n
260. r gulateur automatique si l on oublie un utilisateur enclench la batterie va suivre des cycles de charge d charge lents destructeurs long terme par exemple une lampe oubli e allum e en hiver dans un petit chalet provoque la cou pure de la sortie 11 V le lendemain la batterie si elle remonte 12 V soleil rallume la lampe qui red charge la batterie jusqu 11 V 2 coupure Ces cycles entre 10 et 20 de capacit d truisent une batterie en quelques mois et sont dangereux en cas de basse tem p rature de la batterie 8 4 5 R gulateurs crit res de choix Diode de blocage de type schottky si n cessaire Bornes de qualit acc s facile Consommation interne minime quelques mA au maximum Compensation thermique de la charge T gt 30 C et T lt 0 C R enclenchement manuel des sorties pour syst mes habit s Indicateurs de pleine charge et de coupure de la sortie Protection des sorties fusibles 163 8 Installations autonomes PACER Pays temp r s Puissance Type de r gulateur du g n rateur Shunt S rie MPT lt 100 W 100 500 W AE HEAR vhs Bien adapt Possible Mal adapt Pays chauds En g n ral le r gulateur s rie est mieux adapt 8 5 Onduleurs Les onduleurs utilis s dans les installations solaires autonomes sont caract ris s par leur technologie et par la forme d onde qu ils g n ren
261. r serv s toutes les applications plus Panneau cristallin optimal puissantes et aux besoins de petite puissance o la surface dispo grande puissance sition est r duite syst mes portables Une fois la technologie d termin e on choisira le panneau en fonc tion de plusieurs crit res point de fonctionnement tension courant plage de temp rature ambiante fr quence et p riode des besoins A partir de ce cahier des charges plusieurs fournisseurs seront s lec tionn s les crit res de choix finaux seront alors la qualit et la garantie le prix le montage facilit d installation c blage aspects pratiques l esth tique 151 8 Installations autonomes Tension de fonctionnement Dans les installations autonomes m me si un seul panneau est ins tall le dimensionnement devra respecter les m mes crit res que pour un champ photovolta que d installation raccord e au r seau cf chapitre 3 5 Pour les syst mes sans accumulation le g n rateur devra si possible produire le maximum d nergie la tension de fonctionnement de l utilisateur par exemple rester dans la plage de tension du MPT d une pompe au fil du soleil la temp rature des modules Pour les syst mes accumulation de petite puissance lt 500 W il est rare d utiliser un r gulateur MPT Dans ce cas on comparera les panneaux qui fournissent le maximum de courant la tensi
262. r avec ses correspondants du silicium il y aura alors un exc dent de charges n gatives dans le cristal figure 3 3 Cet apport d lectrons cr e un niveau d nergie Ed dans la bande interdite proche de la bande de conduction il suffit alors de peu d nergie pour faire passer ces lectrons dans la bande de conduction et cr er un courant Le silicium ainsi dop est appel sili cium de type n Par sym trie on peut galement doper le silicium avec du bore qui a seulement trois lectrons dans sa bande de valence Le r sultat est l apparition d un exc dent de trous donc de charges positives 41 3 G n rateur solaire l PACER Figure 3 2 Silicium pur Figure 3 3 Silicium de type n Figure 3 4 Silicium de type p puisqu il manque un lectron chaque atome de bore pour com pl ter les 4 lectrons du silicium figure 3 4 Il appara t galement un niveau d nergie Ea dans la bande interdite juste au dessus de la bande de valence Ce mat riau ainsi dop est appel silicium de typep ko 42 3 G n rateur solaire On a vu que le dopage permet d apporter des exc s de charge posi tive ou n gative au semi conducteur et d ainsi faciliter le passage d un courant lectrique Il faut encore pour fabriquer une cellule solaire mettre en contact ces deux types de dopage pour profiter du champ lectrique ainsi cr l interface entre les deux dopages on
263. r un syst me li au r seau 8 2 2 Autres g n rateurs L olienne est un compl ment appr ciable des syst mes solaires en pays temp r s cependant son utilisation est recommand e uni quement chez des clients ayant de bonnes notions de m canique et capables de s occuper de la maintenance de tels g n rateurs Si l olienne fonctionne par vents relativement faibles son apport sera important mais sa maintenance galement les risques de casse aug mentant Si elle fonctionne seulement par vent fort il faudra la r ser ver aux endroits tr s expos s pour que son apport ne soit pas n gli geable Les crit res de point de fonctionnement sont les m mes que pour les g n rateurs solaires avec l influence de la temp rature en moins Le thermog n rateur est une curiosit qui ne s est pas r ellement d velopp e bas e sur l effet Peltier r versible utilis en g n ral dans le sens courant gt gradient thermique pour refroidir des composants 152 8 Installations autonomes lectroniques il pourrait tre un compl ment utile en hiver mais son utilisation demande quelques pr cautions les l ments Peltier ne supportent en g n ral pas une temp rature sup rieure 240 C et ont un rendement de conversion faible environ 4 Ces g n rateurs sont en g n ral associ s un chauffe eau l eau tant la source froide du gradient de temp rature la source chaude tant le plus souvent un feu de bois
264. rage R f rences 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Sofas Tagung Bern 19 02 93 Plazierung der Solarzellenmodule an in der Geba deh lle P Toggweiler PMS Energie 8617 M n chaltorf D veloppement d une centrale PV des fins de formation LEM SA OCEN M Sella Office cantonal genevois de l nergie 1204 Gen ve Workshop 92 IEA Task 16 Profiles for Roof Integration A Hal ler Schweizer AG 8908 Hedingen Etude OFEN 92 PV sur les marquises de gares Bonnard et Gar del 1007 Lausanne Workshop 92 IEA Task 16 SIA Rules Wind Loads A Schmid Flugzeugwerke 6032 Emmen Structures recyclables type LEM OCEN EBO AG 8134 Adliswil Connecteurs PV Multicontact 4123 Allschwill Int gration photovolta que Atlantis Energie 3012 Berne Workshop 92 IEA Task 16 Fassadensystem Aluhit Wyss Metallbau 6014 Littau Workshop 92 IEA Task 16 Solar Tile Newtec Ch Meier Alpha Real 8008 Z rich PV Geba de Bestandteil Document SIA D 073 Fabrik der Zukunft zu 70 energieautark A Aerni 4422 Arisdorf Task 16 PV in buildings repr sentant suisse P Toggweiler Ene colo AG 8617 M nchaltorf Demosite chef de projet Ch Roecker EPFL LESO PB 1015 Lau sanne 132 7 Conduite du projet Conduite du projet 7 1 Planification 135 7 1 1 Pr liminaires 135 7 1 2 Avant projet 135 7 1 3 Projet 136 7 1 4 Mise en soumission et attribution 13
265. ral o les lignes de distribution BT peuvent tre longues il sera n cessaire de contr ler la qualit du r seau complet parfois jusqu au transformateur moyenne tension A titre indicatif le tableau 4 2 donne les imp dances des transformateurs MT usuels pour le circuit secondaire On trouvera dans la r f rence 2 un expos tr s d taill et des exemples de calcul P nominale R sistance R actance 50 Hz Tableau 4 2 KVA Q Q Imp dance des transformateurs kVA mQ mQ MT 16 kV 400 V au secondaire 63 42 104 100 25 69 160 14 45 250 8 6 30 400 5 4 20 85 4 Onduleurs pour le r seau Le taux d harmoniques mesure la qualit de la sinuso de Tableau 4 3 Limites en courant des harmoniques selon la norme EN60555 2 Tableau 4 4 Limites en tension des harmoniques Les harmoniques d ordre multiple de 3 se renforcent dans le conducteur neutre 4 3 5 Perturbations basse fr quence Selon le th or me de Fourier tout signal p riodique peut tre d compos en une somme de sinuso des les harmoniques dont les fr quences sont des multiples de la fr quence fondamentale 50 Hz pour le r seau Leur amplitude relative appel e taux d har moniques est une mesure de la d formation du signal par rapport une sinuso de pure Les onduleurs PV g n rent des harmoniques qui d pendent beau coup de leur principe de fonctionnement Pour les installations domestiques les lim
266. ral plus de 100 W et les types laser de 300 1500 W 8 6 7 Connectique et c blage Peu de fournisseurs proposent des connecteurs sp ciaux pour le solaire L un cependant offre une gamme de prise fiches et inter rupteurs bien adapt s CMR cf 5l les contacts sont largement dimensionn s tiennent plus de 50 A et ind trompables Il existe m me la possibilit de monter un fusible miniature l int rieur de la fiche Imax 16 A Parall lement il offre aussi des r gulateurs utili sant ces prises ce qui permet une maintenance et un contr le faciles les entr es sorties pouvant tre d connect es sans acc s au c blage Pour le c blage d installations autonomes les recommandations du chapitre 5 2 2 sont toujours valables Pour le c blage int rieur on peut tirer par exemple du fil rigide de 2 5 mm et en connecter plusieurs en parall le On peut admettre qu une perte de 0 5 V est un maximum en 12 V le tableau 8 2 indique les longueurs correspondantes une telle perte pour diff rents cou rants et sections de c ble aller et retour 173 8 Installations autonomes PACER Tableau 8 2 Longueur de c ble pour 0 5 V Courant Section 2 X mm de perte de tension A 15 25 4 6 10 1 18 8 32 1 50 0 75 0 125 0 3 6 2 10 4 16 7 25 0 41 7 5 3 8 6 3 10 0 15 0 25 0 7 2 7 4 5 7 1 10 7 17 9 9 2 1 3 5 5 6 8 3 13 9 12 1 6 2 6 4 2 6 3 10 4 15 1 3 2 1 3 3 5 0 8 3 On remarque qu avec la section u
267. ransport et l installation SIPE N anmoins m me lorsqu il est tenu compte d importants surco ts inventori s de prix dus aux effets externes dans les syst mes nerg tiques conventionnels la production solaire d lectricit et de chaleur tend rester non conomique 222 PACER 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques 10 2 4 Remarques finales perspectives Dans le cadre d ENERGIE 2000 l Office f d ral des constructions a l intention d int grer les surco ts inventori s du prix de l nergie dans ses d cisions d investissement Dans le programme d action PACER les calculs de rentabilit utilis s dans les cours et les publications vont tre largis en fonction des co ts externes mon tarisables c est dire les SIPE Par ailleurs les formations PACER correspondantes vont rendre l utilisation des calculs de rentabilit largis plus accessibles aux investisseurs comme aux d cideurs Les informations et les r sultats livr s par cette tude aussi nouveaux et concrets qu ils soient ne suffisent cependant pas pour marquer d finitivement l avance sur le chemin des d cisions macro conomiquement et cologiquement rationnelles Des informations sont certes disponibles mais il manque encore l incitation mon taire pour les investisseurs priv s La taxe CO que le Conseil f d ral a mise en consultation repr sente un tel instrument incitatif m me si les niveaux de taxe discut s
268. rateur solaire 3 6 1 Arc lectrique C est le ph nom ne le plus spectaculaire que l on peut faire appa ra tre d j avec quelques panneaux en s rie au soleil lors du c blage Entre deux conducteurs polarisation oppos e se forme un champ lectrique qui d pend de leur espacement et de la tension Si la dis tance est assez petite l air s ionise par l augmentation du champ dans le cas du courant alternatif l inversion du champ 50 Hz pro voque chaque fois son annulation Par contre en DC l ionisation ne baisse pas et le risque d apparition d un arc est beaucoup plus lev En application habituelle d appareils ou installation en DC mais ali ment es par le r seau un arc va provoquer un court circuit et une forte augmentation du courant qui en g n ral d clenchera une pro tection fusible etc Dans le cas des panneaux photovolta ques le courant de court circuit est pratiquement le m me que le courant nominal et d autre part il varie en fonction de la lumi re On ne peut donc pas prot ger les appareils aliment s par des panneaux l aide des protections classiques L arc atteint des temp ratures de quelque 1000 C Les pi ces de toute mati re entourant l arc commencent fondre l isolation br ler et l arc se propage le long des conducteurs Tous les appareils utilis s dans le c blage et surtout ceux qui doi vent interrompre le courant du champ doivent tre sp cialement con us pour supporter
269. rces de lumi re comme les lampes incandescence et halog ne seront r serv es aux courtes dur es d utilisation On utilise parfois des lampes vapeur de sodium pour des cand labres leur rendement est plus lev mais leur lumi re orange monochromatique et leur prix limitent leur usage 8 6 1 1 Lampes fluorescentes Ce sont les lampes les mieux adapt es en terme de rendement Le tableau 8 1 ci dessous donne les valeurs de flux lumineux et de ren dement des meilleurs tubes de chaque dimension ainsi que quelques valeurs pour les lampes incandescence halog ne et vapeur de sodium Nous avons utilis les valeurs des mod les Osram mais ces donn es comparatives sont valables pour d autres fournisseurs de lampes Tous les mod les sont basse tension 12 ou 24 V les types fluorescents et vapeurs de sodium doivent tre aliment s par des ballasts lectroniques x 3 Tableau 8 1 Type de Puissance Dimensions Flux Rendements Flux lumineux et rendement de lampe W cm Im Im W rel lampes Incandescence 25 dia 6 x 10 5 325 13 0 8 Incandescence 40 dia 6 x 10 5 580 14 5 0 9 Incandescence 60 dia 6 x 10 5 980 16 3 1 0 Halog ne 10 dia 0 9 x 3 1 120 12 0 74 Halog ne 20 dia 0 9 x 3 1 350 17 5 1 07 Halog ne 35 dia 1 2 x 4 4 650 18 6 1 14 Halog ne 50 dia 1 2 x 4 4 1000 20 1 23 Halog ne 100 dia 1 2 x 4 4 2300 23 1 41 Fluo droite 8 dia 1 6 x 29 430 54 3 31 Fluo droite 13 dia 1 6 x 52 950 73 4 48 Fluo U
270. re en prenant l qui noxe de printemps pour origine 15 2 Rayonnement incident Vue de profil Solstice Equinoxe de printemps Vue de profil Solstice Equinoxe d automne Figure 2 1 Plan de l cliptique l orbite terrestre et les saisons Lieu g ographique latitude et longitude Figure 2 2 Trajectoires apparentes du soleilvues par un observateur terrestre pour un jour donn 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 2 1 2 Trajectoire du soleil Toute application solaire n cessite la connaissance du mouvement apparent du soleil pour un point donn de la surface terrestre carac t ris par sa latitude positive pour l h misph re Nord et sa longi tude d finie par rapport au m ridien de Greenwich positivement vers l est Solstice y d t Parall le s l axe de rotation A 23 5 x Equinoxes Lat 46 Solstice d hiver Horizon Le Z e Parall le au plan de l quateur 16 PACER 2 Rayonnement incident Pour un 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 2 2 Ce cercle est parall le au plan de l quateur et sa hauteur apparente sur ce plan est donn e par la d clina
271. re l importance de la longueur du socle Vent de dos Le calcul est le m me que dans le cas pr c dent Equilibre des forces Direction y R G K Direction x Rx Kx Moment par rapport D1 Kk Y G 1 2 K x Condition d adh rence Rxk gt u R u G K Condition de basculement K y lt G 1 2 K x Le danger de glissement et de basculement de la structure au point D est important L effet de la prise du vent par l arri re des panneaux peut tre diminu par diff rentes mesures e augmentation du poids des structures e montage d un paravent e prolongation des pieds vers l avant Figure 6 13 Vent arri re 125 6 Types de centrales photovolta ques PACER Les quations ci dessus indiquent les valeurs marginales pour le dimensionnement de la structure portante Le poids G doit tre choisi de fa on viter le glissement ou le basculement mais sans d pas ser les possibilit s de charge du toit La longueur des structures joue un r le important dans la stabilit de l ensemble Lorsque le toit ne supporte pas la surcharge calcul e il y a d autres possibilit s d assurer une bonne stabilit l installation e plusieurs rang es sont mont es sur une m me construction la force du vent ne suffit plus faire basculer l ensemble le montage sur les supports arri re de t les pour d vier le vent permet galement de diminuer le poids voir plus loin sous i
272. re pr cis Le c blage de la cha ne de panneau est ainsi sch matis la figure 3 26 o l on montre le point milieu des panneaux o sont connect es les deux diodes by pass La plupart des constructeurs font sortir ce point de la cha ne de cel lules avec une seule connection d autres sortent deux c bles ce qui permet d ventuellement utiliser les panneaux demi tension en connectant chaque moiti en parall le Un autre constructeur important groupe ses cellules en trois rang es ce qui rend difficile la connexion du point milieu au centre du pan neau dans ce cas les deux diodes by pass sont connect es en paral l le avec deux tiers du panneau soit deux fois 24 cellules ce qui donne une caract ristique ombr e tout fait particuli re si une cel lule ombr e est au milieu du panneau 71 3 G n rateur solaire Figure 3 26 Cha ne de panneaux prot g s Diode s rie de blocage Conditions NOCT Panneaux 53 W Diode de 7 blocage Upmax 15 8 V Upmax out 94 8 V Diodes by pass Ipmax out 3 06 A Pmax out 290 W 3 5 4 Mise en parall le de modules La mise en parall le des modules ne pose pas de probl me particu lier Plusieurs panneaux connect s en parall le vont travailler la m me tension leurs courants respectifs s additionnant Un champ de panneaux photovolta ques alimentant un onduleur comporte le plus souvent plusieurs cha nes de modules connect es
273. res Figure 9 5 Organigramme du processus de simulation PVSYST Donn es m t o horaires Ann e de r f rence Donn es m t o mensuelles Donn es horaires Mesures plan capteurs G n ration de valeurs horaires synth tiques Projet D finition du site Base de donn es m t o horaires Corrections m t o Rayonnement incident dans le plan capteurs Transposition plan fixe plan suiveur Albedo Horizon Ombrages proches Dessin du syst me et son environnement 3D Facteur d ombrages brut et selon modules Champ PV Choix des panneaux PV biblioth que Nombre et interconnexions des panneaux Facteur de pertes thermiques R sistance ohmique du c blage D sadaptation des panneaux mismatch Facteur d incidence IAM Syst me Choix de la configuration r seau syst me isol Choix des composants onduleurs Charge utilisateur Profils constant mensuel journalier Profil de probabilit s instantan es Simulation du syst me par pas horaires R sultats pour une version de calcul Tableaux graphiques mensuels journaliers horaires Fichiers ASCII d exportation 190 PACER 9 Dimensionnement et mesures Le fichier m t o de base doit tre pr par dans le format interne du programme soit partir de donn es ASCII en valeurs horaires soit en synth tisant des valeurs horaires artifici
274. rincipaux de pompes sont disponibles e Les pompes centrifuges sont destin es aux forages relati vement profonds en solaire typiquement jusqu 120 m les pompes sont entra n es soit par un moteur courant continu tanche immerg ou en surface avec un arbre soit par un moteur alternatif immerg aliment par un onduleur La hauteur de refoulement est proportionnelle la puissance de la pompe ce qui limite ce type aux relativement grandes puissances gt kW dizaines de l min Le rendement moyen est le plus mauvais des syst mes disponibles typiquement de 30 Ce syst me est d licat si le niveau de la nappe varie fortement la pompe ne supportant pas de tourner sec la pompe est galement tr s sensible la qualit de l eau En cas de probl me m canique tout le syst me est au fond du forage ou du puits la maintenance et le contr le sont difficiles e Les pompes b liers sont int ressantes pour des forages jusqu 100 m parce que les seules parties m caniques immerg es sont deux clapets le pompage de l eau se faisant en surface par une pompe standard entra n e par un moteur quelconque Le rendement est meilleur de l ordre de 40 L int r t de cette technique est que la hauteur de refoulement ne d pend pas de la puissance des syst mes pour habitations isol es besoins r duits sont disponibles La maintenance des l ments m caniques les 170 8 Installations autonomes plus sollicit
275. rogramme en prix de 1992 repr senterait un surco t de 800 millions de francs lequel r percut sur le prix moyen entra nerait une augmentation de prix du courant de 0 2 ct kWh pen dant 8 ans La contrepartie de l effort serait de r aliser les conditions n cessaires pour lancer une industrie photovolta que pour le pro chain mill naire 10 3 8 Besoin de stockage par pompage Critique L emploi du photovolta que entra nerait en Suisse la n cessit de construire des installations de pompage turbinage suppl mentaires R ponse Les centrales photovolta ques produisent du courant de jour c est dire que l nergie est produite au moment de la plus grande consommation Les installations de pompage turbinage transfor ment l nergie de bande des centrales thermiques en nergie de pointe imm diatement disponible Il n est donc pas n cessaire de construire des installations de pompage suppl mentaire pour atteindre les objectifs d Energie 2000 La capacit des bassins de stoc kage est suffisante pour assurer la couverture des vides de la pro duction photovolta que Ce n est qu avec une part d environ 8 de photovolta que que le probl me commencerait se poser 10 3 9 Provoque des d chets polluants Critique Beaucoup de panneaux photovolta que contiennent des mati res base d arsenic qui termineront leur vie dans les d charges 227 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER
276. roportion de cette production quelques dizaines de tonnes sera purifi e pour l industrie de l lectronique Pour obtenir un mat riau suffisamment pur pour fabriquer des com posants lectroniques on utilise le proc d Siemens qui lie le sili cium un gaz partir d acide chlorhydrique le trichlorosilane qui est ensuite distill par distillation fractionn e L quation de base qui est r versible pour la derni re op ration est Si 3HCI lt gt SiHCls H2 Le silicium se d pose ensuite sur une baguette de silicium chauff e sous forme de petits grains polycristallins Ce dernier pas a un mau vais rendement de mati re env 37 et n cessite beaucoup d ner gie ce qui rend son co t plus lev que le pas pr c dent 3 2 1 Cellules monocristallines Pour passer de l tape pr c dente silicium pur environ 99 999 polycristallin un mat riau monocristallin utilisable pour les com posants lectroniques on utilise une troisi me tape galement gourmande en nergie le proc d Czochralski Le polycristal est fondu dans un creuset avec un peu de dopant par exemple du bore pour obtenir un mat riau de base de type p au sommet de ce bain on place une bouture de silicium monocristallin dans l orientation pr cise que l on veut obtenir et l on fait cro tre le cristal sous la bouture en tirant tournant et contr lant tr s pr cis ment la temp rature On fait cro tre ainsi dans la m me orientatio
277. rosion galvanique Champ de modules photovolta ques OF RO y Ofi RON BOS BRO Fuites de courant Electrolyte Corrosion des contacts Point de corrosion El ment galvanique local 76 va l PACER 3 G n rateur solaire R f rences 1 J D Chatelain Trait d lectricit Volume VII Dispositifs semi conducteurs 1979 Editions Georgi St Saphorin 2 M A Green Solar cells 1982 by Prentice Hall Englewood Cliffs N J 07632 3 H H berlin Photovoltaik 1991 AT Verlag Aarau 4 L Keller P Affolter Optimisation de la surface du champ pho tovolta que 1994 Rapport ENET N 9100290 Office f d ral de l nergie 77 4 Onduleurs pour le r seau 4 Onduleurs pour le r seau 4 1 Installations autonomes et r seau 81 4 2 Caract ristiques des onduleurs 81 4 2 1 Onduleurs pour installations autonomes 82 4 2 2 Onduleurs pour le r seau 82 4 3 Sp cifications du r seau et de l environnement lectromagn tique 83 4 3 1 Prescriptions 83 4 3 2 Couplage et synchronisation 83 4 3 3 Fonctionnement autonome 84 4 3 4 Perturbations de la tension du r seau 84 4 3 5 Perturbations basses fr quences 86 4 3 6 Signaux de commande du r seau 87 4 3 7 Perturbations lectromagn tiques 87 4 3 8 S paration galvanique 88 4 3 9 Pannes software et hardware 88 4 3 10 Efficacit 89 4 3 11 Plage d entr e en tension 91 4 4 Principes de fonctionnement
278. rradiance de 150 W m sur les capteurs 188 9 Dimensionnement et mesures L tat de propret des capteurs n a pas t pris en compte Des cap teurs tr s sales peuvent perdre quelques pour cent mais cette perte reste habituellement inf rieure 2 ou 3 dans des conditions nor males lavage par la pluie Cette num ration donne un aper u des multiples perturbations envisager Certaines pourront rester n gligeables ou au contraire devenir pr pond rantes selon les caract ristiques du syst me et les choix constructifs On constate qu aucune d entre elles ne peut tre n glig e priori au profit d une autre C est pourquoi un dimensionnement r aliste doit faire appel un logiciel d taill tel que PVSYST Le fonctionnement du syst me glo bal et l valuation de chaque perte s appuient en g n ral sur des mod lisations physiques d pendant de param tres qui doivent tre d termin s et fournis par l op rateur Cette analyse n inclut pas les pertes al atoires imputables aux pannes de fonctionnement surtout de l onduleur ou autres pertur bations de caract re occasionnel neige grosses salissures telles que feuilles etc 9 2 2 Simulation le logiciel PVSYST Les objectifs de la simulation du syst me PV sont d une part de four nir une estimation de l nergie produite et sa distribution dans le temps et d autre part de quantifier les effets perturbateurs de mani re identifier les
279. rs obtenues En effet l efficacit du syst me est d finie par rap port l nergie incidente dans le plan des capteurs alors que les valeurs m t orologiques sont donn es pour le plan horizontal Il faut donc appliquer le facteur de transposition voir chapitre 2 ce qui entra ne des incertitudes suppl mentaires Au cas o on effectue la mesure du rayonnement sur l installation le solarim tre d tecteur PV ou cellule de r f rence doit tre plac parall lement au plan des capteurs dans un endroit suffisamment d gag haut des sheds par exemple La mesure de l nergie inci dente suppose l int gration du signal r alis e par un appareil lec tronique sp cialis quip d un compteur Avec ces donn es minimales outre les bilans mensuels et annuels le r sultat le plus parlant sera pr sent sous forme de diagramme d entr e sortie p ex en valeurs mensuelles ou hebdomadaires obtenu en reportant pour chaque p riode l nergie produite en fonction de l nergie incidente transpos e Les points de fonction nement doivent s aligner sur une droite dont la pente en premi re approximation est directement li e l efficacit du syst me 9 4 2 Mesures continues d taill es Les mesures d taill es monitoring exigent un investissement important elles ne sont effectu es que sur quelques installations pilotes par un personnel sp cialis chercheurs instituts bureaux d tude etc Ell
280. ructure de ce document diff re de celle de la version originale en langue allemande constitu e du manuel PACER N 724 243 d Photovoltaik Planungsunterlagen f r autonome und netzgekoppelte Anlagen compl t du manuel Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht f r Inselanlagen und Verbundnetz publi chez AT Verlag ISBN 3 905232 26 X 1996 252 pages N de commande 724 243 f l PACER Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets A l usage des bureaux d ing nieurs Programme d action PACER Energies renouvelables Office f d ral des questions conjoncturelles Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets PACER R pertoire des auteurs Associations de soutien PROMES Chapitres 1 5 6 7 10 e Jean Marc Cottier ing EPFZ 1200 Gen ve ASE Chapitres 2 4 9 OFEL Andr Mermoud Dr phys GAP Universit de Gen ve 1200 Gen ve Chapitres 3 8 e Michel Villoz ing EPFL 1170 Aubonne SIA Chapitre 10 UCS e Jean Graf EPFL DA ITB LESO 1015 Lausanne UTS Avec des contributions de e Pierre Reichenbach ing ETS ABTIE 1205 Gen ve e Moreno Sella adjoint scientifique OCEN 1211 Gen ve e Pascal Affolter et Jack Bonvin ing EPFL EPFL DA ITB LESO 1015 Lausanne Correcteur e Jean Claude Scheder 1038 Bercher Mise en page
281. s per mettant d valuer rapidement le rayonnement solaire 24 2 Rayonnement incident Le programme M t onorm 85 comprend une s rie de 4 publications exposant la m thodologie ainsi qu une synth se des donn es du r seau Anetz permettant d valuer l nergie solaire disponible en n importe quel lieu de Suisse et sur des plans de diverses orienta tions en valeurs mensuelles 2 Ces donn es taient surtout des tin es au calcul d installations thermiques et incluent d ailleurs des tables de la quantit d nergie directement fournie par certains types de capteurs Ces publications ont t doubl es d un logiciel d usage extr mement simple et rapide qui fournit l ensoleillement et la temp rature men suels pour un lieu et dans un plan quelconques Mais si des donn es mensuelles peuvent suffire pour une premi re estimation des performances d un syst me photovolta que avec une pr cision de l ordre de 10 20 une analyse plus fine dyna mique requiert des donn es d taill es horaires pour le global et le diffus Cette exigence fait l objet d une refonte globale du pro gramme M t onorm sous l appellation M t onorm 95 disponible depuis fin 1995 Cette nouvelle base de donn es appuie ses valeurs mensuelles sur des moyennes de 10 ann es de mesures 1983 1992 dans 64 stations et fournit des donn es horaires 3 mesur es pour 22 stations tableau 2 1 Altdorf Interlaken St Gall
282. s quipements comprend galement la partie b timent de l installation La ligne de partage des responsabilit s entre b timent et quipement photovolta que doit tre clairement d finie Par exemple l lectricien sera responsable des performances lectriques et le couvreur de l tanch it Le planning des travaux sera tabli en accord avec l architecte et le cas ch ant en fonction de l avancement de la construction du b ti ment Les commandes ne seront pass es qu une fois les formalit s avec les autorit s termin es 7 1 5 Contrat L utilisation d un contrat est recommand e pour les grandes instal lations o l offre ne donne pas les garanties suffisantes Le formu laire SIA 1023 peut servir de base avec une d finition aussi exacte que possible des l ments suivants Article 1 Objet du contrat e D finition claire du travail e Partenaires sous traitants etc e Description d taill e des travaux e Base de calcul des prix cf SIA 118 art 38ff 136 PACER 7 Conduite du projet Article 2 El ments du contrat e D tail des offres re ues e Accords particuliers liaison au r seau e Sp cification de puissance e Liste des plans du projet existants e Conditions ventuelles SIA ASE etc Article 4 D lais cf SIA 118 art 92 e Inclure un planning d taill e Relever l influence de la m t o D pendance des autres travaux Article 5 Juridiction cf SIA 118 art 37 e Lieu d
283. s divers Le logiciel METEONORM 95 fournit des donn es m t orologiques METEONORM 95 standard pour n importe quelle commune de Suisse et quelques sites donn es m t o standard europ ens 5 2 1 G om trie solaire 2 1 1 Le syst me terre soleil Le soleil est une sph re de mati re gazeuse compos e principale ment d hydrog ne et d h lium dont le diam tre atteint environ 1 4million de km La terre d crit autour du soleil une trajectoire l g rement elliptique Trajectoire de la terre dont le soleil occupe l un des foyers cf figure 2 1 Sa distance moyenne est de 149 6 millions de km avec une variation de 1 7 La terre traverse le grand axe de l ellipse le 2 janvier position la plus proche et le 2 juillet la plus loign e du soleil Depuis la terre le diam tre apparent du soleil est vu sous un angle de 0 5 L axe de rotation de la terre sur elle m me est inclin de 23 27 par Plan de l cliptique rapport au plan de l cliptique plan de l orbite terrestre On appelle D clinaison d clinaison l angle form par l axe terre soleil avec le plan de l qua teur un moment donn de l ann e La d clinaison vaut donc 23 27 au solstice d t 23 27 au solstice d hiver et est nulle aux quinoxes Dans l approximation d une trajectoire circulaire la d cli naison s crit pour chaque jour de l ann e sin 0 4 sint o t d signe la coordonn e angulaire de la ter
284. s dans les chapitres concern s il peut tre utile de consulter l un des documents suivants e Loi sur les installations lectriques Ordonnance sur la pr sentation des plans e Ordonnance de l inspectorat des courants forts e Ordonnance sur la production d lectricit basse tension NEV Ordonnance sur les installations basse tension NIV e Loi sur les accidents Ordonnance sur les mesures contre les accidents e Normes sur les charges de vent et de neige SIA 160 e Prescriptions sur les parafoudres SN414402 e Ordonnances des installations int rieures des S E locaux e Compatibilit de service en parall le ASE 3601 1 2 3 EN60555 e Recommandations de l USC pour l injection dans le r seau e Prescriptions de s curit du travail CNA1805 f 44002 f 44009 f Prescriptions relatives aux petites installations IFICF ESTI 232 1289 7 3 Autorisations et proc dure Dans les deux prescriptions de l inspectorat des courants forts le devoir de soumettre les plans est mentionn dans les limites que nous r sumons ci dessous 1 Installations isol es e Les installations avec Uce lt 120 V ne sont pas soumises l obligation de soumettre les plans l IFICF ESTI e Les installations avec Uce gt 120V sont soumises l obligation de soumettre les plans e Les installations avecl gt 2 A sont soumises l obligation de soumettre les plans 2 Installations reli es au r seau e Les installations avec P
285. s se fait au travers de groupes de travail ceux ci sont respon sables du contenu de m me que du maintien des d lais et des bud gets Documentation Le cours comprend les bases th oriques et les directives relatives aux diff rentes phases de la r alisation d une centrale photovolta que La pr sente publication sert de document didactique de base et com prend galement certains outils de travail qui faciliteront la mise en uvre d un projet la bibliographie la fin de chaque chapitre permet de consulter les documents cit s et d approfondir la question le glossaire pr sente les termes nouveaux et donne leur d finition exacte les annexes comportent des documents de r f rence qu il est bon de consulter tout en s assurant qu il n existe pas de nouvelle dition le logiciel et son manuel d utilisation repr sentent un puissant outil de calcul mais aussi une biblioth que de composants dynamique pouvant tre mise jour au fur et mesure de l apparition de nouveaux produits La mise en page est a r e et comporte une large marge permettant aux participant au cours de noter leurs remarques personnelles Le pr sent document a fait l objet d une proc dure de consultation il a galement t soumis l appr ciation des participants au premier cours pilote Ceci a permis aux auteurs d effectuer les modifications n cessaires ceux ci tant toutefois libres de d cider des corrections
286. s se trouvent sur les immeubles les parkings ou le long des voies ferr es et des autoroutes Vu la croissance du march la fabrication des g n rateurs photovolta ques et des ondu leurs prendra une telle ampleur que l on peut s attendre d impor tantes r ductions de prix Par sa nature m me le photovolta que aura des retomb es conomiques sur de nombreux secteurs de l cono mie suisse mais en revanche son implantation sera lente Il est vrai semblable que trente quarante ann es seront n cessaires pour construire les centaines de milliers de petites centrales photovol ta ques qui ensemble fourniront les 10 de notre consommation d lectricit C est une des raisons pour lesquelles l industrie et l co nomie doivent tre aid es au d but de ce d marrage mais c est aussi l occasion de s investir dans cette industrie d avenir 1 3 Les centrales photovolta ques Une centrale photovolta que de 500 kW occupe une surface de cap tage d environ 4500 m2 Selon la disposition des modules cela repr sente une surface au sol qui peut varier entre 4000 m et 20000 m2 En fa ade on peut m me dire que l emprise au sol est nulle mais la surface quiper reste importante Cette particularit de la produc tion d nergie photovolta que est un l ment d terminant de tout pro jet photovolta que La r alisation d une telle installation fait appel des techniques et des corps de m tiers tr s diff re
287. s suivie Mais nous allons voir que ce n est pas la meilleure Nous avons vu au chapitre 4 que l efficacit d un onduleur est maxi Eviter l utilisation male aux environs de la moiti de sa puissance nominale et qu elle d un onduleur d cro t lorsque la puissance diminue Il est donc d conseill d utili surdimensionn ser un onduleur surdimensionn par rapport la puissance effective du champ car il travaillera plus souvent dans la partie du coude d effi cacit Par contre on peut se demander quelle est la puissance optimale du champ pour un onduleur donn e Il faut d abord se rappeler que la puissance nominale de l ondu leur est habituellement exprim e en termes de puissance de sor tie la puissance maximale correspondante du champ sera donc Ppcmax 1 2 Pacmax o efficacit soit environ 10 sup rieure e D autre part la puissance maximale DC ne doit pas tre La puissance maximale confondue avec la puissance nominale du champ d finie pour du champ est le plus souvent les conditions standard La puissance maximale que l on peut tirer inf rieure la puissance du champ est li e l ensoleillement dans le plan consid r et la nominale install e temp rature du champ dans les conditions d irradiation maximum Elle n est pas d finie a priori on peut recourir au logiciel PVSYST pour la d terminer pr cis ment les figures 9 12 et 9 13 montrent les distributions de puissance d un champ de 3 18
288. sations d air ascenseurs fa ades m talliques structures porteuses manteaux de c bles bo tiers de raccordement avec les conducteurs de la protection ext rieure Dans les grands difices une compensation de potentiel mul tiple est n cessaire pour limiter les tensions induites dans les c bles des niveaux tol rables Comme autre moyen de protection il faut viter dans le c blage des champs de panneaux de laisser des dis continuit s qui peuvent tre p n tr es par des champs lectroma gn tiques ext rieurs susceptibles d induire des tensions dange reuses pendant les orages Il faut concevoir le c blage de telle mani re que les liaisons entrantes et sortantes des cha nes soient serr es et parall les afin de limiter au maximum la surface entre les c bles Ex cution de parafoudre et mise terre Les prescriptions provisoires de s curit de l Inspection f d rale des installations courant fort IFICF ESTI d crivent la r alisation de parafoudres et de mises terre 2 En voici les principales recommandations 2 1 5 Mise terre d installations sans b timent La mise terre respectera les prescriptions de l IFICF ESTI et les normes ASE 3569 Pour l ensemble du champ de panneaux il faut r aliser une com pensation de potentiel avec mise terre qui limite les tensions d attouchements et d arcs 120 V pour des dur es sup rieures 5secondes Pour les grands syst mes
289. se dans l espace par la surface du soleil notamment sous forme d ondes lectromagn tiques Le spectre de ce rayonne ment correspond l mission d un corps noir port 5800 K dont le maximum est situ dans le domaine visible La densit moyenne d nergie re ue par la terre appel e constante solaire est de 1367 W m 2 La valeur r elle du rayonnement extra terrestre varie de 3 3 au cours de l ann e du fait de l ellipticit de l orbite terrestre lo 1367 1 0 033 cos J W m o J j n 365 25 j N du jour partir du 1 janvier Rapport un plan horizontal le rayonnement extraterrestre est alors lon lo sin HS Et la moyenne du rayonnement sur 24 heures est obtenue par lo lt sin HS gt La figure 2 6 retrace la variation de lt sin HS gt au cours de l ann e pour diff rentes latitudes I nO I N V viO VE VII IX xX XI XII 50 100 150 200 250 NUM RO DU JOUR 2 2 3 La masse d air La masse d air optique est d finie par ciel clair comme la masse d atmosph re travers e par le rayonnement direct pour atteindre le sol rapport e la travers e verticale au niveau de la mer En pre mi re approximation elle s exprime par MA 1 0 1 Altitude sin HS mais pour des hauteurs de soleil faibles inf rieures 10 ou 15 on doit tenir compte de la courbure de la terre Rappelons que la pression atmosph rique pr sente une distribution expon
290. ser A l tat actuel de la technique les fabricants de panneaux amorphes offrent une garantie d au moins 5 10 ann es d une baisse maximale de performance de 10 Les cellules amorphes gap plus lev que le silicium cristallin ont une tension plus lev e mais le rendement maximal atteignable avec une jonc tion est de l ordre de 13 A part le co t de mati re beaucoup plus faible le principal avantage des cellules amorphes est leur faible paisseur qui permet de r aliser une structure multicellules en s ries tension directement utilisable pour par exemple recharger une bat terie La technique utilis e est une succession d op rations ressem blant au proc d planar des semi conducteurs Pour une cellule Proc d planar d pos e sur du verre on peut avoir les tapes suivantes d p t d une m tallisation transparente par exemple oxyde de zinc sur tout le verre d p t de silicium amorphe dop p d p t d alliage a Si H d p t de silicium amorphe dop n d limitation des cellules attaque chimique d p t des m tallisations arri re en s rie avec les m tallisations avant La figure 3 14 pr sente une telle cellule en coupe 53 3 G n rateur solaire Figure 3 14 Cellule amorphe Cellule multigaps verre 1 lectrodes 2 silicium 1 TN RUN RUN ps l 1 NN Un autre int r t de la cellule amorphe est la possibilit de varier
291. si totalit de l nergie disponible sur terre Outre l apport direct sous forme de lumi re et chaleur elle est l origine de la biomasse photosyn th se du cycle de l eau des vents des courants oc aniques et sous forme stock e de nos r serves de gaz p trole et charbon Les seules ressources nerg tiques non solaires sont la chaleur de la terre g othermie moins de 1 W m2 les mar es et l nergie nucl aire fission et peut tre fusion Nos r serves d uranium sont tr s faibles quelques dizaines d ann es Les nergies fossiles ne sont pas in puisables mais sur tout leur utilisation m ne une lib ration de CO qui modifie l qui libre global du bilan thermique de la plan te par l effet de serre Si bien qu long terme la seule solution viable pour l homme en atten dant les r acteurs fusion nucl aire encore hypoth tiques est de se restreindre aux nergies renouvelables solaire hydraulique vent biomasse mar es et nergie thermique des mers 19 2 Rayonnement incident Constante solaire Rayonnement extraterrestre Figure 2 6 Valeur moyenne lt sinh gt sur 24h pour diff rentes latitudes Masse d air optique 2 2 2 Rayonnement extraterrestre L nergie du soleil est produite par r actions de fusion thermonu cl aire les noyaux d hydrog ne protons s assemblent en noyaux d h lium 2 protons 2 neutrons avec d gagement d nergie Cette nergie est mi
292. sionnement e Capteurs sur mesure dans de nombreux cas d int gration les contraintes de construction ne pourront s accommoder de panneaux aux dimensions existantes il existe maintenant sur le march des fabricants suisses de panneaux sur mesure Ceux ci restent videmment encore un peu plus chers mais permettent souvent de trouver des solutions optimales Le prix dans les conditions actuelles du march le prix sp cifique par watt est relativement quivalent pour les panneaux cristallins mono et poly et les panneaux amorphes Cette quipartition des prix entre les diverses technologies semble tre une cons quence des lois du march et ne devrait donc pas trop changer dans l avenir Mais on peut consid rer que les panneaux amorphes occuperont une plus grande surface et occasionneront des co ts d installation plus importants Ceux ci n ont d ailleurs pratique ment pas t utilis s dans des installations de puissance jusqu maintenant 9 1 2 Energie produite Les choix discut s au paragraphe pr c dent concernent la puissance install e li e la quantit de capteurs La production d nergie qu on peut en attendre est un second volet du pr dimensionnement Sa d termination n cessite l valuation de l nergie incidente dans le plan des capteurs elle est donc li e la m t orologie et l orienta tion choisie Pour un lieu situ en Suisse cette valuation est donn e en valeurs mensuelles par
293. solaire s annule uniquement pen dant l obscurit si un arc aliment par des panneaux se forme il sera extr mement difficile de l teindre et en g n ral l extinction corres pondra la destruction de l l ment o l arc s est form Une autre propri t du courant continu favorise l apparition de cou rants parasites lorsque plusieurs m taux sont en contact dans une atmosph re humide Ces courants parasites vont transformer la jonction des m taux en une pile ce qui va d composer le m tal au potentiel lectrochimique le plus faible ce ph nom ne pratique ment n gligeable avec du courant alternatif peu d truire des contacts en quelques mois si l atmosph re est corrosive air salin par exemple Enfin le courant continu est plus dangereux pour le corps humain faible dose il provoque des d sordres lectrochimiques qui peuvent entra ner la mort et haute intensit il provoque des br lures tr s dangereuses Les installations fonctionnant moins de 50 V ne repr sentent pas de grand danger D s 120 V par contre il faut pr voir des mesures de protection sp ciales Sur un chantier il faut garder l esprit qu un champ de panneaux g n re une tension proche de la maximale d s le lever du jour m me par temps couvert Lors des travaux de c blage il faut tre extr mement prudent sp cialement sur les installations fonctionnant plusieurs centaines de volts 74 va PACER 3 G n
294. ssette d capage en milieu liquide une s rigraphie Les diff rents traitements ther miques et m me parfois la diffusion se font dans des fours bande et le proc d peut tre continu sans stock interm diaire ce qui faci lite son automatisation Une autre tendance est de scier toujours plus 49 3 G n rateur solaire Rendement des cellules Pertes de rendement fin 100 um tant suffisant pour capter tout le spectre re u sur terre certains constructeurs essaient de traiter des wafers de 130 180 um mais cette paisseur est actuellement un minimum pour limiter la casse lors de manipulations et de chocs thermiques ventuels Pour conomiser de la mati re de nouvelles scies utilisent un fil tr s fin portant une poussi re de diamant pour la coupe et permettant de perdre seulement 200 um de mati re La cellule au silicium monocristallin couramment disponible sur le march atteint actuellement les rendements les plus lev s certains constructeurs multiplient les proc d s sophistiqu s diffusion tr s proche de la surface avant pour am liorer la collection des photons de petite longueur d onde photons tr s nerg tiques et p n trant peu dans le silicium m tallisation avant extr mement fine d pos e au fond d une gorge grav e au laser 2 couches antireflets pour atteindre jusqu 17 de rendement Mais la majorit des panneaux monocristallins sur le march en 1994 atteignent environ 13
295. stall e de 5 kWc implique aujourd hui un investisse ment de DM 20 000 par kWc Dur e d amortissement Les installations de production d lectricit sont g n ralement amorties en 20 ans Int r ts Les calculs de co ts dans l industrie lectrique se basent sur l int r t r el int r t nominal inflation m me lorsque le prix de vente du produit courant lectrique est li l inflation Dans le cas d une r mun ration couvrant les co ts de production l exploitant d une installation photovolta que re oit pendant toute la p riode d amortissement un prix ind pendant des augmentations courantes du prix C est pourquoi il faut compter avec un int r t nominal des cr dits d investissement actuellement environ 8 Fonctionnement Les co ts de fonctionnement des installations photovolta ques du programme des 1000 toits entretien r parations assurances se sont lev s 1 des investissements Rendement annuel Les installations photovolta ques du programme des 1000 toits ont eu un rendement annuel de 1000 kWh par kW de puissance install e Calcul Investissement par kWc de puissance install e 20 000 DM Int r t sur 20 ans 800 DM an 16 000 DM Fonctionnement sur 20 ans 200 DM an 4 000 DM TOTAL 40 000 DM Production lectrique en 20 ans 20 000 kWh Co t de production du courant 2 DM kWh Prix pay par le distributeur 2 DM kWh Et que se passe t il au bout de 20 ans Si comme nous le
296. suelle de 1 5 mn et une charge de 100 W 12 V il ne faut pas d passer une longueur de 2 m tres 8 7 Dimensionnement Le dimensionnement d une installation autonome est beaucoup plus complexe que celui d une installation reli e au r seau il faut conna tre les besoins r els de l utilisateur durant l ann e les donn es climatiques locales irradiances ombres temp ra tures brouillard microclimat etc le degr de fiabilit d sir les caract ristiques de charge du panneau choisi les caract ristiques de l accumulateur et des consommateurs Les diff rents paragraphes expliquent une mani re simple de calcu ler un syst me si l on dispose d un ordinateur avec tableur 8 7 1 Tension nominale Le choix de la tension nominale sera dict par les conditions sui vantes taille de l endroit lectrifier grandeur des besoins consommateurs disponibles fonctionnant la tension nominale Les tensions usuelles de 12 et 24 V sont les plus utilis es Des sys t mes fonctionnant 48 ou 108 Vdc sont r serv s des applications sp ciales pour de grandes installations gt kW Pour tous les syst mes de quelques panneaux de 50 W avec de petites distances de c blage la tension de 12 V est pr f rable parce que le choix des consommateurs est le plus grand On choisira de travailler en 24 V lorsque les distances de c blage seront importantes ou lorsque la puissance sera lev e
297. t Nous d crirons uniquement les onduleurs statiques les g n ratrices AC aliment es par un moteur courant continu n tant pratiquement pas utilis es pour ces applications Les principaux types produisent une onde sinuso dale une onde car r e ou une onde dite pseudo sinusoidale Le choix de l onduleur va d pendre des utilisateurs qu il devra faire fonctionner ce choix s appuyant sur des crit res valables pour n importe quelle onde Les crit res principaux sont Pr cision de la tension de sortie Ce chiffre est donn en par rapport 230 Vac Utile dans certaines utilisations appareils lectroniques d licats Hi Fi L onduleur doit tre stable quelle que soit sa charge et quelle que soit sa tension d entr e R sistance aux surcharges et au courant r actif Pour arriver d marrer certaines charges l onduleur doit produire souvent plusieurs fois sa puissance maximale pendant un temps assez bref Comme exemple de charge d marrage difficile on peut citer les r frig rateurs P d marrage 5 10 fois P nominale et les moteurs d j charg s m caniquement Distorsion harmonique Dans certaines utilisations sensibles la pr sence d harmoniques est une g ne audible Hi Fi o elle perturbe le fonctionnement de la charge moteurs 164 PACER 8 Installations autonomes Rendement C est sans conteste le crit re de choix principal On d sire perdre le Observer le rendement en moins
298. t les appliquer aux donn es mensuelles du lieu consid r Enfin la figure 2 15 montre la distribution de valeurs journali res cor respondant 3 ann es de mesures Gen ve sur diff rents plans La courbe enveloppe correspond un mod le de ciel clair 30 2 Rayonnement incident PACER ETE Figure 2 14 2 Facteurs de transposition a du global calcul pour Gen ve FT 0 7 67 valable pour le climat du Plateau 3 E suisse mais pas en r gions FT 0 8 76 montagneuses 8 2 FT 0 9 86 re 5 f gt i E 2 FT 10 95 E 8 FTe 1 05 100 Est 60 30 Sud 30 60 Ouest Azimut o HIVER amp F 1 1 83 gt E E 2 b ag Est 60 30 Sud 30 60 Ouest Azimut D FT 0 8 71 7 FT 0 9 80 b kej e 2 E 2 30 T 1 13 100 0 Est 60 30 Sud 30 60 Ouesi Azimut 31 2 Rayonnement incident PACER JANV FEV MARS AVRIL MAI JUIN JUIL AOUT SEPT OCT NOV DEC ANNEE BALE 1 03 1 64 2 61 4 07 4 87 5 40 5 52 4 55 3 50 2 26 1 13 0 87 3 13 BERNE 0 90 1 68 2 74 4 13 4 97 5 70 5 90 4 71 3 57 2 16 1 03 0 77 3 20 DAVOS 1 52 2 36 3 68 4 97 5 52 5 77 5 97 4 94 4 10 3 03 1 63 1 39 3 75 GENEVE 0 94 1 79 2 97 4 42 5 26 6 07 6 29 5 03 3 70 2 23 1 07 0 74 3 38 LA CHAUX DE FONDS 1 19 1 89 2 90 4 40 5 00 5 57 5 77 4 74 3 70 2 61 1 30 1 0
299. t les autorit s Le bulletin Construction et Energie qui para t trois fois par an four nit tous les d tails sur ces activit s Ce bulletin peut tre obtenu gra tuitement sur simple demande Chaque participant un cours ou autre manifestation du programme re oit une publication sp ciale ment labor e cet effet Toutes ces publications peuvent galement tre obtenues en s adressant directement la Coordination romande du programme d action Construction et Energie EPFL LESO Case postale 12 1015 Lausanne Comp tences Afin de ma triser cet ambitieux programme de formation il a t fait appel des sp cialistes des divers domaines concern s ceux ci Centrales photovolta ques Guide pour le dimensionnement et la r alisation de projets PACER appartiennent au secteur priv aux coles ou aux associations pro fessionnelles Ces sp cialistes sont paul s par une commission qui comprend des repr sentants des associations des coles et des branches professionnelles concern es Ce sont galement les associations professionnelles qui prennent en charge l organisation des cours et des autres activit s Pour la pr paration de ces activit s une direction de programme a t mise en place elle se compose du Dr Jean Bernard Gay du Dr Charles Filleux de M Jean Graf du Dr Arthur Wellinger ainsi que de Mme Ir ne Wuillemin et de M Eric Mosimann La pr paration des diff rentes activit
300. t pour l nergie qu au d but de 1970 Une autre volution est moins connue et difficilement chiffrable si les prix de l nergie ont diminu en termes r els leurs co ts macro conomiques ont augment La pollution de l air est l origine de co ts dus des maladies des voies respiratoires ou des troubles circulatoires des pertes de productions agricoles des atteintes aux for ts et aux b timents A cela s ajoute la menace de l effet de serre dont les premi res r percussions semblent d j s annoncer sous forme de dommages dus aux temp tes ou d inondations Aux co ts courants dus aux charges pesant sur l environnement il convient d ajouter les risques d accidents Il s agit ici principalement des risques d accidents majeurs lors de la production d lectricit rupture de barrage ou accident majeur dans une centrale nucl aire dont la probabilit de r alisation est certes tr s faible mais qui s ils se produisaient pourraient tre tout fait catastrophiques Ces risques constituent eux aussi des co ts A c t des cat gories habituelles de co ts telles que co ts de mati res premi res d exploitation de capital et de main d uvre notre syst me nerg tique engendre donc dans presque tous les domaines de la vie courante des co ts qui n apparaissent pas dans les prix de l nergie Ils ne sont donc pas support s par ceux qui en sont l origine puis par les consommateurs mais par l
301. tains fabricants pour acc l rer la lamination qui prend facilement une heure passent par le laminateur pour une tape raccourcie et transf rent ensuite le panneau en tuve pour terminer la polym risation Les tabs de contacts et et souvent le point milieu sortent travers la plaque composite arri re ou sur le c t dans le cas du verre certains fabricants percent le verre qui doit tre tremp apr s cette op ration pour laisser passer les contacts Les passages de connexions ainsi que les bords du laminat sont Connexions les endroits les plus fragiles du panneau les plus susceptibles de laisser passer de l humidit jusqu aux cellules e On monte ensuite une bo te de connection ou un connecteur Cadre l arri re englobant les sorties du panneau qui sont encore noy es dans la r sine Ensuite le laminat est entour d un joint tanche et utilis tel quel dans le cas de modules int gr s une structure porteuse fa ade toiture ou entour d un cadre en g n ral en aluminium anodis le joint tanche absorbant les dilatations 63 3 G n rateur solaire Recommandation d isolement Figure 3 20 Coupe d un panneau Garantie STC Pour les modules double verre contacts sortant lat ralement l isolement lectrique entre le cadre et les contacts est assez critique Cette isolement dans le cas de syst mes li s au r seau doit tre de deux fois la tension vide du champ de panneaux plus
302. tatera dans les trois cas la pr sence d un compteur pro duction qui est obligatoire en vertu de l arr t sur l nergie pour permettre la prise en compte s par e de la production solaire au niveau f d ral Lorsqu une soci t distributrice d lectricit accorde un tarif pr f rentiel pour encourager la production d nergie renou velable il est important de savoir si ce tarif est applicable la tota lit du courant produit ou seulement au solde de courant inject dans le r seau sur une certaine p riode De m me il est important de s assurer que les conditions favorables de reprise du courant sont valables sur la dur e d amortissement de l installation La notion d autoproducteur qui est reprise dans plusieurs docu ments est ambigu dans le sens o une centrale de type Mont Soleil n est certainement pas un autoproducteur Il est pr f rable d utiliser la notion de producteur ind pendant ou de producteur d centralis 143 7 Conduite du projet Couplage des compteurs sur des installations productrices d nergie Variante 1 Couplage standard D l Entreprise installation oOo d lectricit d autoproduction CUT l P l avec cliquet L Propre Si ci gt I consommation i Consommateur lt 1 l 1 eu 1 l l Pl i Installation R gt L d autoproduction l a S j l Il Propre l 3 a l m D Consommateur i L l w
303. tension alternative apr s l onduleur le v e la mise terre doit tre approuv e par la compagnie d lectri cit Une s paration des mises terre entre les parties courant continu et alternatif peut parfois tre envisag e pour viter leur influence respective 2 1 6 Mise terre et parafoudre d installations sur b timents Pour la mise terre on applique la norme technique de l ASE pour les installations basse tension SN ASE 1000 1 23 Une installation photovolta que productrice d nergie n cessite dans tous les cas une mise terre Pour le parafoudre du b timent la norme ASE 4022 s applique En r sum la norme n exige pas qu un b timent ou une installation photovolta que soient quip s de parafoudre 108 PACER 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau Pour les modules mont s sur une construction ceux ci peuvent s accommoder des conditions existantes voir sch ma de principe plus loin Le c ble de liaison entre le coffret de r partition du champ et l onduleur doit tre blind gaine ou tuyau m tallique d une struc ture de section minimale de 10 mm quivalent cuivre Du c t du coffret de r partition il faut proc der comme suit a pour le b timent avec parafoudre ext rieur il faut relier le blindage du c ble au parafoudre existant et aux structures m talliques supports et cadres des panneaux b pour les b timents sans parafoudre ext rieur
304. ternes mon tarisables de la consommation suisse d nergie se sont situ s entre 6 7 et 12 mia de francs an Si l on ne prend pas en consid ration l effet de serre les co ts externes restant s l vent encore entre 1 5 et 4 8 mia de francs Les co ts externes des risques d accident lors de la production d lectricit ne sont pas encore consid r s ici En raison du caract re fondamentalement diff rent de la mon tarisation de risques de dommages ils sont trait s s par ment 2 Co ts d vitement co ts suppl mentaires n cessaires la r alisation d un certain objectif de politique de l environnement ici co ts suppl mentaires afin de r duire jusqu en 2025 les missions de CO de moiti par rapport au trend des missions de CO2 3 Externalit s globales comme l effet de serre et la pollution des mers part suisse en tant que part aux missions totales respectivement la consommation globale d nergie Externalit s locales r gionales pollution de l air dommages en Suisse plus les dommages bas s sur les missions lors de la transformation de l nergie valu s sur la base de l valuation en Suisse des co ts des dommages 218 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques Estimations de co ts v rifi es mio de fr an Dommages identifiables dans le domaine de l nergie chaleur lectricit transports Dommages aux for ts vraisemblablement dus des polluants a
305. terrain propre construire des centrales solaires en campagne et en montagne sont consid rables mais une multiplica tion d installations de type Mont Soleil porterait vite atteinte aux pay sages et ne serait sans doute pas tol r e L utilisation de l environnement construit par contre ne soul vera aucune objection et ne suppose aucune modification de nos com portements habituels A titre d exemple la centrale du Mont Soleil occuperait la surface de la grande marquise de la gare de Lausanne La surface construite en Suisse repr sente plus de 2500 km2 L utili sation de 4 de cette surface permettrait d installer pour 10 GW de centrales photovolta ques produisant environ 10000 GWh an soit le cinqui me de la consommation actuelle d lectricit Selon une tude portant sur le 1 arrondissement des CFF les per rons des gares eux seuls repr sentent une surface de toiture de 0 4km sur lesquels pourraient tre install es des centrales photo volta ques pour une puissance valu e entre 6000 et 8000 kW 4 6 3 Construction sur le terrain 6 3 1 Structures Les centrales photovolta ques construites sur le terrain sont dans la mesure du possible compos es d l ments pr mont s qui sont assembl s sur place Les modules sont fix s par groupes de 4 8 sur des cadres ou des profil s qui sont ensuite pos s sur les structures qui assurent la fixa tion et la bonne orientation des modules 120
306. ticuli rement important lorsqu on travaille tension fix e charge d une batterie d un syst me isol Le programme PVSYST permet d estimer les gains de l appairage 3 5 2 Effets de l ombre On a vu que le courant d un panneau ou d un champ est limit par celui de la plus mauvaise cellule ou du plus mauvais panneau L ombre va jouer le m me effet si une seule cellule de la cha ne est l ombre le courant total sera limit par le courant de cette cellule Il est donc imp ratif d viter au maximum les ombres provoqu es par les obstacles proches Un piquet devant un champ photovol ta que pourra consid rablement r duire la puissance si son ombre balaie le champ durant la course du soleil 68 3 G n rateur solaire Un autre effet beaucoup plus insidieux appara t lorsqu une cellule est ombr e le reste du panneau tant au soleil cet effet est appel Hot Spot point chaud et il peut entra ner la destruction de la cellule ombr e On a vu que la cellule solaire n est ni une source de courant ni une source de tension mais qu elle peut jouer ces deux r les suivant la charge qui lui est connect e c est dire qu elle va fonctionner au point de puissance donn par la charge En reprenant l exemple du panneau 36 cellules on peut essayer de chiffrer les d g ts une temp rature de cellule de 25 C en partant des hypoth ses suivantes une cellule d un panneau de la cha ne est ombr e par une feuille
307. titue le principal mat riau partir duquel sont fabri qu es les cellules Les premi res cellules ont t con ues pour permettre une alimentation lectrique fonctionnant plusieurs ann es sur les satellites De grandes soci t s de l lectronique se sont au d but int ress es cette technologie pour alimenter des sites isol s mesures t l communications balises avant que les successifs chocs p troliers relancent leur int r t dans les ann es septante A partir de cette p riode des soci t s sp cialis es dans ce domaine se sont cr es tout d abord aux USA ensuite au Japon et en Europe La technologie des cellules au silicium est maintenant bien ma tris e et les nouveaux d veloppements se concentrent sur l am lioration du rendement et l abaissement des co ts de fabrication En parall le avec ces produits existants de nouvelles cellules utilisant des ph nom nes proches de la photosynth se pourraient appara tre sur le march dans la prochaine d cennie si les d veloppements promet teurs obtenus en laboratoire se concr tisent par des produits indus triels notamment l EPFL par le professeur Graetzel cf 3 2 4 5 Dans ce chapitre on pr sente l effet photovolta que les technologies actuelles les caract ristiques lectriques des g n rateurs solaires et quelques effets du courant continu 3 1 Effet photovolta que Les cellules solaires actuellement sur le march convertissent direc te
308. tmosph riques Pertes de productions agricoles dues des taux d ozone plus lev s Maladies des voies respiratoires et du c ur troubles circulatoires dus des missions d oxydes d azote de dioxyde de soufre et de poussi res plus lev es Dommages aux b timents dus aux missions de polluants atmosph riques Co ts de capital 260 760 Pollutions de la mer et du sol dus au transport et au stockage de p trole produits p troliers et gaz naturel Cas de d c s dans l exploitation normale de centrales nucl aires D g ts naturels et pertes de production agricoles dus l exploitation normale de centrales hydrauliques Dommages d espace naturel dus aux transports de courant Total sans effet de serre Incidences de l effet de serre relevant de l nergie Total co ts v rifi s et partiellement v rifi s avec les co ts des dommages de l effet de serre avec les co ts d vitement de l effet de serre Estimations de co ts partiellement v rifi es mio de fr an 330 560 410 1770 40 50 310 Economie foresti re Dangers naturels Agriculture de montagne Tourisme Valeur de r cr ation et d existence Total Dont revenant l nergie 0 200 1 090 2 890 545 1 445 Pertes de production due maladies des voies respiratoires maladies du c ur troubles circulatoires 260 790 120 1060 Co ts de nettoyage suppl mentaires 60 200 produits p troliers min raux part
309. tonome Pour des raisons videntes de s curit l onduleur ne doit plus four nir de tension en cas de coupure du r seau Les prescriptions de l IFICF ESTI stipulent qu il doit tre coup en moins de 5 secondes Techniquement cette exigence peut tre difficile r aliser dans cer tains cas car si la consommation de l utilisateur correspond environ la production on ne d c lera aucune variation significative de ten sion Il faut donc chercher un autre crit re de d tection des coupures habituellement on fixe une fr quence propre du g n rateur diff rente de celle du r seau et on d tecte alors la d rive en fr quence lorsque la synchronisation dispara t La plupart des appareils actuels se coupent dans une fraction de seconde 4 3 4 Perturbations de la tension du r seau L injection de puissance dans le r seau provoque videmment une augmentation de la tension Cette augmentation est mesur e au point d injection qui doit tre choisi aussi proche que possible du tableau de distribution dans une maison individuelle D apr s les normes ASE et europ ennes l augmentation au point d injection ne doit pas d passer 3 en basse tension 230 400 V et 1 6 en moyenne tension Soulignons que la variabilit de la pro duction conditions m t orologiques jour nuit entra nera des varia tions correspondantes sur le r seau utilisateur au cours du temps De plus dans tous les cas la tension maximale admissib
310. tres ne sont pas connus dans la mesure o il subsiste un manque de clart sur les relations de cause effet effets possibles de synergie et d accumulation etc ou parce que les effets eux m mes ne se sont pas encore manifest s Des incertitudes consid rables p sent galement sur ces r sultats ce dont rendent compte les fourchettes de chiffres Compte tenu la fois de ce manque d exhaustivit et de ces incertitudes les r sultats de l tude indiquent pour nous une limite inf rieure pour les co ts externes et les SIPE Ils peuvent tre consid r s comme tant la pointe mon taire de l iceberg des co ts externes Compte tenu du caract re probabiliste de l effet de serre des incertitudes existantes et du fait de l irr versibilit vraisemblable d une modification climatique si elle se r alisait la Variante SIPE 2 qui estime les co ts de l effet de serre l aide de la m thode des co ts d vitement devrait tre pr f r e Les r sultats sont clairs m me cette estimation minimale des co ts externes engendrerait un doublement gaz ou un triplement huile de chauffage extral g re du prix des agents nerg tiques fossiles La prise en compte des co ts externes am liorerait nettement la comp titivit du bois nergie en raison de sa neutralit dans le cycle du carbone pour sa part le gaz naturel serait galement plus comp titif face l huile de chauffage extral g re Pour l lec
311. tricit les r sultats tablis doivent tre interpr t s Les co ts externes sans les risques d accident se situent dans la Variante SIPE 2 entre 0 8 et 1 8 ct kWh c est dire dans un ordre de grandeur de 5 11 des co ts moyens d clar s de 1990 Il faut cependant encore ajouter les co ts externes de risque qui d pendent de l valuation du risque et de l attitude des individus face au risque Par le biais des surco ts inventori s de prix comptabilis s ici l nergie dans les domaines de l lectricit et de la chaleur devrait devenir plus ch re tandis que via les prix relatifs les techniques permettant d conomiser l nergie ainsi que les nergies renouvelables devraient devenir meilleur march Plus encore siles co ts externes de production de distribution d installation et de tri des d chets taient aussi comptabilis s la capacit concurrentielle des moyens d conomiser l nergie serait tr s nettement augment e au niveau de l isolation des fa ades dalles fen tres conduits En consid rant ces mesures sur le plan conomique elles se montrent en partie plus conomiques que les solutions conventionnelles sans mesures d conomie d nergie Les co ts vrais de l lectricit solaire installations photo volta ques et la chaleur produite partir de capteurs solaires sont galement touch s quoique de mani re faible 3 10 par le rel vement des prix li la production au t
312. tronique de contr le il faudra dimensionner un panneau fonctionnant environ 16 V sa puissance maximale Si l on divise 16 par 0 45 on trouve le chiffre arrondi de 36 valeur extr mement courante comme nombre de cellules en s rie des panneaux usuels du march En pratique on pourra choisir sur une offre qui va de 30 44 cellules par panneau pour les mod les les plus courants On commence trouver des panneaux sp ciaux comportant des nombres diff rents de cellules con us pour les grands syst mes connect s sur le r seau qui travaillent souvent plus de 100 V mais ceux ci sont encore l exception et le panneau standard type 12 V est toujours largement majoritaire Les fonctions principales du panneau photovolta que sont la protec tion des cellules de l environnement leur mise en s rie pour atteindre une tension utilisable et une protection m canique lrradi es par un spectre solaire au niveau de la terre les cellules ont une dur e de vieillimit e pourvu que les mat riaux externes utilis s pour leur confection m taux des contacts soient prot g s des atteintes de l environnement Pour les cellules usage extraterrestre satellites leur dur e de vie peut tre limit e par des dopages dus aux radiations ionisantes solaires radiations qui sur terre sont fil tr es par l atmosph re Ci dessous on pr sente quelques possibili t s de protection des cellules ainsi que les performances globales des
313. truction int gr e au b timent 127 6 5 1 Principe g n ral 128 6 5 2 Fa ades photovoltaiques 128 6 5 3 Toitures photovoltaiques 128 6 6 Centrales hybrides 129 6 6 1 Principe 129 6 6 2 Toitures hybrides 129 6 6 3 Fa ades hybrides 129 6 7 Centre de d monstration 131 6 7 1 Programme de l AIE 131 6 7 2 Demosite 131 R f rences 132 113 PACER 6 Types de centrales photovolta ques 6 Types de centrales photovoltaiques Une centrale photovolta que de 500 kW repr sente une sur face de captage d environ 4500 n Selon la disposition des modules cela peut repr senter une occupation de surface au sol qui varie de 4000 nr 20 000 m Cette particularit de la production d nergie photovolta que est un l ment d ter minant du projet 6 1 Analyse typologique On peut distinguer trois fa ons de r aliser les grandes surfaces de modules photovolta ques qui sont n cessaires au captage de l ner gie solaire 6 1 1 Les centrales dans le terrain Dans ce type de construction une structure ad hoc sert orienter et L orientation optimale fixer les modules dans une direction optimale par rapport au soleil est toujours possible En Suisse une centrale de ce type se trouve au Mont Soleil avec une dans le terrain puissance de 500 kW En Californie des centrales de plusieurs MW ont t construites certaines avec des syst mes de poursuite de la trajectoire du soleil ce qui se justifie par la tr s grande
314. tterie lorsque le relais travaille L emploi d un relais permet galement de d river le cou rant du g n rateur vers une autre sortie lorsque la batterie est plei nement charg e On peut ainsi r cup rer l exc dent d nergie pro duite en le dissipant sous forme thermique par exemple ce qui est toujours bienvenu dans les installations en haute altitude Le courant du r gulateur s rie est limit par la capacit de coupure du relais ou par la dissipation de puissance du transistor s rie choisi typique ment il est limit aux g n rateurs chargeant moins de 30 A par relais Charge auxiliaire Source de courant Commande PANNEAU BATTERIE 162 va PACER 8 Installations autonomes 3 4 3 Maximum Power Tracker Le MPT est un dispositif qui doit permettre une conomie de co t panneaux et c blage dans les installations de grandes puissances Ce circuit travaille en g n ral plus haute tension que celle de l accu mulateur typiquement 2 3 fois celle ci ce qui permet de r duire la section des c bles ou de limiter leur perte Le MPT travaillant au point de puissance maximale du g n rateur quelle que soit sa temp ra ture ou quelle que soit la tension de la batterie am liore le rende ment de charge Le MPT est rentable uniquement pour les grands syst mes pouvant utiliser toute l nergie produite toute l ann e dans une grande plage de temp rature sinon il est plus c
315. ture photovolta que Toiture dont les l ments de rev tement sont constitu s par des l ments photovolta ques Voc Tension ouverte d un module 239 va l PACER Adresses utiles Adresses utiles Liste des offices cantonaux de l nergie FRIBOURG D partement des transports et de l nergie Rue Joseph Piller 13 1701 Fribourg T l 037 25 28 41 43 46 Fax 037 25 28 48 GENEVE Office cantonal de l nergie Rue du Puits St Pierre 4 1204 Gen ve T l 022 319 23 23 Fax 022 319 20 94 JURA Service des transports et de l nergie Rue des Moulins 2 2800 Del mont T l 066 21 53 90 Fax 066 22 76 18 JURA BERNOIS Service d information sur les conomies d nergie Rue de la pr fecture 2 2608 Court lary T l 039 44 18 40 Fax 039 44 15 17 NEUCHATEL Service cantonal de l nergie Rue de Tivoli 16 Case postale 24 2003 Neuch tel T l 038 39 47 26 Fax 038 39 60 60 VALAIS D partement cantonal de l nergie Avenue du Midi 7 1950 Sion T l 027 60 31 00 Fax 027 60 30 04 Monsieur Serge Boschung Chef de la section Energie Monsieur Jean Pascal Genoud Directeur de l Office Monsieur G rard Kaech Chef du service de l nergie Monsieur Jean Luc Juvet Chef du service de l nergie Monsieur Moritz Steiner Chef du service de l nergie 241 Adresses utiles PACER VAUD D l gation cantonale Monsieur Charly l nergie Cornu Rue du Va
316. u niveau du shed peut tre inf rieure de plusieurs pour cent au rayonnement th orique r el ce qui favorisera l valuation des performances r elles du syst me dans l analyse globale 9 4 4 Analyse et pr sentation des donn es Les r sultats doivent tre pr sent s de mani re claire compr hen sibles par les utilisateurs Le tableau 9 3 donne un exemple de fiche normalis e r sumant les principaux param tres et r sultats pour un syst me donn Pour faciliter les comparaisons entre diverses installations le JRC a d fini une liste de param tres grandeurs mesur es et indices de per formances et pr cis la mani re de les tablir Concernant les sys t mes reli s aux r seau ces d finitions apparaissent en d tail dans le tableau 9 2 On remarquera tout particuli rement les d finition des indices de performance normalis s faisant r f rence la puissance nominale aux conditions standard Ces quantit s sont ind pendantes de la taille de la situation et de l orientation du champ et permettent donc une comparaison directe et imm diate de syst mes entre eux Dans ces d finitions l nergie est exprim e en kWh par kWp install sur un intervalle d une journ e On consid re que chaque kWh m d nergie incidente devrait id alement permettre au syst me de fournir sa puissance nominale pendant une heure cf 9 2 1 ou en d autres termes cela repr sente le temps de fonctionnement qui valent so
317. u si ge de l entreprise responsable Article 6 Assurances e Indiquer les polices et les couvertures garanties Article 7 Conditions de payement e Indiquer avec pr cision les modalit s e Pr voir une garantie bancaire e Pr voir le retard de mise en service d un retard g n ral de chantier Article 8 Convention particuli re En cas de risque lev li l utilisation de technologies nouvelles e Report des garanties sur les garanties fournisseurs 7 1 6 Suivi du chantier Si le bureau d ing nieur est responsable de l ex cution il faudra Les r unions de chantier compter avec une participation aux r unions de chantier et de nom r servent souvent breux contacts avec les entreprises de construction et avec le bureau des surprises d architecte Certains d tails d ex cution ne figurent pas forc ment sur les plans et peuvent poser des probl mes comme par exemple une descente de goutti re qui peut porter ombrage une fa ade photovolta que et devra tre d tourn e au dernier moment Dans les cas de montage dans des conditions difficiles d acc s un contr le permanent du c blage est n cessaire on mesurera en par ticulier la tension vide de chaque cha ne au fur et mesure du mon tage Le bureau est galement responsable de la s curit des personnes et devra avertir par crit les entreprises des mesures prendre sur le chantier par rapport aux particularit s du g n rateur photovol ta
318. uant les jours sans soleil devrait tre achet au prix fort La probl matique de l apport conomique d une production lec trique d origine solaire dans un r seau de distribution est complexe et n a pas fait l objet d tudes exhaustives en Suisse Une tude de ce genre a t men e par Pacific Gas amp Electric Company 1 10 1 5 Mod les de financement Aussi longtemps que le prix de revient du kWh sera sup rieur la valeur effective du courant produit la diff rence sera couverte par un financement ext rieur sous l une des formes voqu es au cha pitre 7 Il importe de diff rencier les financements par subventions l qui pement qui r duisent artificiellement la charge financi re annuelle et les financements par adaptation du tarif de l lectricit solaire aux conditions de production Les installations financ es par des subventions ont permis la r ali sation de projets pilotes qui ont fait conna tre la technique et ont assur la fiabilit des syst mes Toutefois cette m thode n a pas per mis de r unir les conditions conomiques n cessaires l closion d un v ritable secteur industriel La pr carit des subventions r duites au gr de la sant conomique g n rale n est pas de nature encourager le financement long terme n cessaire au d veloppe ment industriel 213 10 Arguments conomiques cologiques nerg tiques PACER Le financement par l adaptation du
319. ucteurs Les normes tablies pour les protections contre la foudre et les sur tensions ASE directive 4022 distinguent les parafoudres ext rieurs et int rieurs Le parafoudre ext rieur a la mission d loigner le passage de la foudre des structures inflammables ou endommageables et de conduire le courant de l clair jusqu la terre au moyen d un conduc teur m tallique avec la plus petite chute de tension possible Le para 107 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau PACER Un c blage serr fait partie d une bonne protection foudre d un difice n cessite ainsi un syst me de conducteurs qui attirent la foudre un syst me de conducteurs qui peut transporter si possible l ext rieur du b timent le courant jusqu la terre et une mise terre qui peut transmettre le courant la terre L utilisation d clateurs dans les installations photovolta ques est souvent peu pratique cause des probl mes d ombrage Dans ce cas la protec tion ext rieure se limitera lier entre elles toutes les structures m tal liques et les mettre terre Le parafoudre int rieur comprend tous les moyens n cessaires prot ger les objets des d g ts ventuels provoqu s par des tensions ou des courants Un moyen efficace de protection int rieure est la compensation de potentiel Elle comprend la liaison lectrique de toutes les parties m talliques d un b timent plomberie chauffage canali
320. ue Energie prise au r seau nergie solaire produite 3 5 Puissance KW Production solaire Cuisson Nuages Lessive Oh ah 8h 12h 16h 20h 24h 101 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau PACER Il s ensuit que le flux du courant lectrique dans les lignes de distri bution n est plus unidirectionnel et que le rapport commercial entre le distributeur et l usager n est plus uniquement celui de fournisseur client La plupart des entreprises suisses de distribution d lectricit accep tent maintenant de jouer ce r le largi mais si l on constate une cer taine unit dans le domaine des prescriptions techniques il n en est pas de m me dans celui de la tarification du courant produit 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 centrales photovolta ques raccord es au r seau demandent au bureau d ing nieur beaucoup de qualit s de 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 q
321. ue PV Utilisation de l effet photovolta que pour la production d lectricit PR Performance Ratio Rapport de performance d une installation normalis la puissance nominale install e du champ Puissances Puissance maximale Pmax W Produit du courant par la tension au point de puissance maximale d une cellule ou d un panneau solaire Puissance nominale W Puissance maximale aux conditions STC Puissance garantie Puissance nominale du module moins la marge de puissance typiquement 5 10 valeur minimale garantie par le fabricant Puissance effective en service Puissance mesur e aux conditions STC Valeur donn e par le fabricant ou test e par un laboratoire ind pendant Puissance cr te install e Wp Puissance que d livre un g n rateur photovolta que fonctionnant sa puissance nominale STC voir ce terme Les installations photovolta ques sont en g n ral caract ris es par la somme des puissances STC des panneaux du champ Pyranom tre Instrument de mesure d irradiance utilisant l effet de serre ayant une large acceptance spectrale et angulaire mesure du rayonnement global 236 va PACER Glossaire PWM Pulse Width Modulation Technique de traitement de signaux de puissance haute fr quence utilis e dans les onduleurs Rayonnement direct Rayonnement venant directement du soleil sans diffusion sur l atmosph re Ses rayons sont parall
322. ue le projet d int gration doit tre engag d s les premiers travaux de l architecte pour assurer les meilleurs r sultats La production annuelle d une installation raccord e au r seau en Suisse vaire entre 550 et 1050 kWh kW peak Les principales caract ristiques des g n rateurs photovolta ques raccord s au r seau sont r sum es ci dessous valeurs moyennes pour une orientation optimale en Suisse en 1995 Production annuelle 815 kKWh kWpeak Variation annuelle 65 en t 35 en hiver Variation journali re 70 entre 10 et 15 heures Surface de captage 8 m2 kW Co t d investissement 13000 fr KW Co t de production 1 fr KWh 5 2 El ments d une installation 5 2 1 Modules Les principales caract ristiques des modules et des champs photo volta ques ont t pr cis es au chapitre 3 En pratique le projet devra d finir le type de modules par ses dimen sions ou par le nombre de cellules qu il comporte Les modules mono et polycristallins les plus courants sont compo s s de 36 cellules dispos es en 3 x 12 ouen 4x9 Les dimensions des modules d pendent de celles des cellules de l ordre de 100 x 100 mm avec une tendance vers des cellules plus grandes pour les polycristallines Avec l augmentation de la dimension des centrales photovolta ques les constructeurs proposent maintenant des modules compos s de 102 PACER 5 Centrales photovolta ques raccord es au r seau p
323. ule au silicium cristallin 62 3 4 2 Panneau au silicium amorphe 65 3 4 3 Connexions 66 3 5 Champ photovolta que 67 3 5 1 Mise en s rie de modules appairage 67 3 5 2 Effets de l ombre 68 3 5 3 Protection par diode antiparall le 70 3 5 4 Mise en parall le de modules 71 3 5 5 Dimensionnement du champ photovolta que 73 3 6 Dangers du courant continu 74 3 6 1 Arc lectrique 75 3 6 2 Risque d incendie 75 3 6 3 Corrosion lectrochimique 76 R f rences 77 37 3 G n rateur solaire 3 G n rateur solaire Lorsque la lumi re atteint une cellule solaire une partie de l nergie incidente est convertie directement en lectricit sans aucun mouvement ou r action produisant des d chets ou pollutions Cette propri t remarquable est au c ur de toute installation photovolta que L effet photovolta que fut observ pour la premi re fois par Becquerel en 1839 entre des lectrodes plong es dans un lectrolyte la lumi re Dans un solide c est en 1876 que l on observa un ph nom ne photo lectrique dans le s l nium et ce mat riau fut utilis pour la mesure de la lumi re avant que le silicium ne soit d velopp Les cellules solaires sont fabriqu es depuis plus de trente ans et les quantit s actuelles produites d passent 50 MW par ann e en 1993 Le d veloppement des cellules solaires a suivi les progr s de l indus trie des semi conducteurs en particulier ceux de l industrie du sili cium qui cons
324. uleurs synth se de tension Dans ce concept original le champ de capteurs doit tre fragment en divers sous champs fournissant des tensions tag es en puis sances de deux cf figure 4 7 La demi sinuso de est construite par additions binaires de ces tensions selon le principe d un convertis seur D A Chaque sous champ est commut individuellement l ins tant ad quat par un transistor et stocke son nergie dans un conden sateur entre deux contributions Un tage de sortie doit galement alterner les demi sinuso des produites mais il n y a pas besoin de transformateur et le rendement peut donc tre excellent m me charge partielle Ce principe tr s simple a t propos en Allemagne depuis plusieurs ann es Malheureusement tous les l ments du champ ne peuvent pas fonctionner simultan ment leur point de puissance maximum De plus il n cessite un c blage complexe et l adaptation du nombre de panneaux dans chaque sous champ ne peut pas toujours tre optimis Et en cas d ombrage partiel la forme de la sinuso de peut tre fortement perturb e C est pourquoi aucun appareil de ce type n est actuellement commercialis en Suisse 11V 22V 44V 88v 176V Synth se sinus Upc Uu ij 94 va PACER 4 Onduleurs pour le r seau 4 4 5 Onduleurs distribu s R cemment est apparu sur le march un nouveau concept de connexion au r seau parfois appel le panneau AC
325. ur tension et leur cou rant d entr e sont donc tr s variables avec les conditions d enso leillement et de temp rature ambiante voir figures 3 18 et 3 19 L une des fonctions importantes de l onduleur r seau est donc la recherche du point de puissance maximum souvent not e MPPT pour Maximum Power Point Tracking c est dire l adaptation per manente de l imp dance d entr e afin d optimiser chaque instant le produit P U I sur la caract ristique du champ PV L onduleur doit ensuite construire une ou trois tension s sinuso dale s correspondant aux normes requises par le r seau Les imp ratifs techniques suivants doivent alors tre satisfaits e une parfaite synchronisation avec le r seau Nous verrons qu il existe deux types de synchronisation les onduleurs pilot s par le r seau et ceux r f rence sinuso dale interne d clenchement automatique en cas de coupure du r seau pas de fonctionnement en lot e limitation de la tension de sortie la valeur maximale admissible pour le r seau e ne pas occasionner de d phasage important e faible taux de fr quences harmoniques signal proche de la sinuso de e faibles perturbations lectromagn tiques hautes fr quences _insensibilit aux signaux de commande du r seau e l isolation galvanique entre le champ et le r seau est souhaitable D autres qualit s sont surveiller lors du choix d un onduleur le rendeme
326. us une irradiance constante de 1 KW m que l on peut donc aussi exprimer en heures par jour Intuitivement la production solaire de r f rence Y repr sente l nergie solaire disponible dans le plan des capteurs Num rique ment elle correspond simplement la moyenne journali re d ner gie incidente sur la p riode t consid r e exprim e en kKWh m jour 204 w M 9 Dimensionnement et mesures Tableau 9 2 Quelques d finitions et param tres pour la pr sentation standardis e des donn es selon la nomenclature du JRC Ispra Param tre Symbole Unit s M t o Irradiation dans le plan des capteurs G dt Gc kWh m2 Conditions standard 1 kW m2 25 C AM1 5 STC Irradiance aux STC Gsrc 1 kKW m2 Energie dans le plan capteur Gc Aa Esa kWh m2 P riode de mesure consid r e T jours mois Champ photovolta que Puissance nominale aux STC selon constructeur Po kWp Surface du champ surface brute des modules Aa m2 Efficacit nominale selon STC Po Aa Gsrc NA Norm Energie de sortie de champ Jla Va dt 1000 Ea kWh Efficacit du champ Ea Es A NA Mean Conditionnement de puissance Onduleur Energie DC entr e onduleur la Vi dt 1000 Er kWh Energie AC sortie onduleur Po dt Eio kWh Efficacit nerg tique onduleur io En n R seau Energie fournie au r seau Pru dt Etu kWh Energie consomm e du r seau Peu dt Efu kWh Indices de performance syst me
327. ve 7 5 kW 121 6 Types de centrales photovolta ques PACER 6 4 1 Structures sur toits plats Les constructions usage industriel en Suisse comptent plus de sur face de toits plats que de surface en toits inclin s Ces toitures sont des emplacements privil gi s pour capter l nergie solaire cependant la plupart de ces toits sont pourvus d une tan ch it multicouche tr s d licate Pendant la pose et en service le g n rateur photovolta que ne doit pas tre la cause d accidents et il n est pas question de percer cette surface pour fixer les structures Avec ce type de toiture il est n cessaire de poser des structures dont la stabilit est assur e par leur propre poids Ces structures sont en g n ral fixes mais adapt es l angle de captage optimum Toute la structure peut tre en b ton ou seulement le socle qui assure la sta bilit par son poids et sur lequel vient se fixer une structure secon daire l g re Cette structure secondaire est compos e de profil s rigides qui permettent d adapter l angle de captage au moment du montage La plupart des constructeurs utilisent des profil s en alu minium mais quelques installations ont t mont es avec des mat riaux moins gourmands en nergie pour des raisons videntes De bons r sultats ont t obtenus avec le bois dans une installation r a lis e par l Ecole Suisse d Ing nieurs et de Techniciens du Bois ESIB Bienne et avec des prof
328. ventuellement pertur ber la charge Les appareils plus puissants utilisant cette technique ont en g n ral un filtre liminant les harmoniques HF 8 5 2 Onduleur onde carr e C est la technique la plus simple pour g n rer une onde alternative Onduleur simple Dans ce cas on commande deux transistors dans le primaire d un transformateur par un oscillateur de 50 Hz S il est parfaitement carr le signal g n r va produire une somme d harmoniques impaires qui ne pourront souvent pas alimenter sans probl me des charges induc tives Les appareils utilisant cette technique n ont pas de r glage de la tension de sortie celle ci va donc varier avec la charge et la ten sion d entr e 8 5 3 Onduleur onde pseudo sinuso dale Ce sont en g n ral les appareils les plus performants en terme de rendement La technique utilis e part d un oscillateur modulation de largeur d impulsion 50 Hz commandant deux transistors dans le primaire d un transformateur Le signal produit est un double carr positif et n gatif avec passages par z ro le passage par z ro chaque commutation r duit les harmoniques par rapport au signal carr Le carr de largeur variable en fonction de la charge et de la tension d entr e permet un ajustage pr cis de la tension de sortie 165 8 Installations autonomes Consommateurs sp cialement d velopp s pour le solaire meilleur rendement Cette impulsion de largeur vari
329. volta que Action visant remplacer des l ments de construction par des l ments photovolta ques remplissant les m mes fonctions architectu rales Irradiance Densit de flux de rayonnement puissance exprim en W m2 Irradiation Energie de rayonnement pour une dur e d termin e exprim e en KWh m2 ou MJ m2 Isc Courant de court circuit du panneau JRC Joint Research Center Centre de recherche des Communaut s europ ennes install Ispra en Italie voir aussi ESTI Laminat Module sans cadre destin l int gration dans une autre structure fa ade toit etc Masse d air optique Quantit d atmosph re par rapport la travers e verticale de l atmo sph re au niveau de la mer Voir AM Air Mass Mismatch Voir pertes d adaptation Module ou panneau solaire El ment de base d une installation photovolta que constitu de suf fisamment de cellules en s rie pour atteindre une tension utilisable MPP Maximum Power Point Point de puissance maximale d une cellule ou d un panneau MPT Maximum Power Tracker Dispositif cherchant faire fonctionner un g n rateur solaire son point de puissance maximale pour en tirer une nergie maximale utilis dans les onduleurs coupl s au r seau et dans certains r gu lateurs Mur Trombe Syst me de captage solaire thermique pour fa ades bas sur la pro duction d air chaud entre un mur et un rev tement transparent NO
330. xe de l ellipse d environ 20 minutes par an soit un tour en 26000 ans et est tabu l e dans les tables de navigation Elle peut tre calcul e par exemple gr ce une s rie de Fourier 6 param tres valable pour 1980 ET 0 0072 cosJ 0 0528 cos2J 0 0012 cos3J 0 1229 sinJ 0 1565 sin2J 0 0041 sin3J o J j 27 365 25 j N du jour de l ann e 18 PACER 2 Rayonnement incident Figure 2 5 La correction de l quation Equation du temps du temps Minutes o Janv F v Mars Avril Mai Juin Juil Ao t Sept Oct Nov D c Le temps l gal en un lieu donn d pend encore de sa longitude La r f rence de temps terrestre est donn e par le temps solaire moyen de Greenwich GMT Par convention la surface terrestre est divis e en fuseaux horaires correspondant des d calages de une heure par rapport GMT L Europe est dans le fuseau horaire N 1 en hiver et l heure d t correspond au fuseau N 2 Pour tablir la relation d finitive entre temps solaire vrai TSV et Temps l gal TL temps l gal TL on doit encore introduire la position longitude du lieu dans le fuseau horaire TL TSV FusH Long 15 ET Tous ces param tres solaires peuvent tre obtenus tables ou gra phiques pour un lieu g ographique quelconque dans le logiciel PVSYST 2 2 Energie du soleil 2 2 1 Energie renouvelable L nergie qui nous vient du soleil repr sente la qua
331. yst mes limitation restent beaucoup plus stables m Limitation 30 O Coupure 30 Limit fa ade 1100 1000 m 900 T a 800 kWp o 700 m 600 EAC annuelle kWh 500 80 100 120 140 160 180 200 220 PNom champ PNom onduleur Pour les m mes cas la figure 9 15 indique le prix du kWh calcul avec PVSYST en utilisant les hypoth ses conomiques de l tude 2 co t de construction fixe onduleur 7500 FS frais d installation raccordement etc 1500 FS co ts proportionnels la puissance install e capteurs 9 FS Wp supports montage 2 FS Wp cr dit 6 5 amortissement sur 20 ans frais d entretien 200 FS an Utiliser un onduleur limitation lorsque le champ est surdimensionn Figure 9 14 Energie selon le surdimensionnement du champ pour des plans orient s au sud 199 9 Dimensionnement et mesures PACER Figure 9 15 Optimum conomique selon le ar o ni surdimensionnement du champ m Limitation 30 O Coupure 30 Limit fa ade pour des plans orient s au sud 2 2 m 2 FH es ou gt m z 18 LL m lt 1 6 Z m 5 14 o D a S x 12 0o g E E a 80 100 120 140 160 180 200 220 PNom champ PNom onduleur Conform ment aux conclusions de cette tude on constate qu un onduleur coupure peut supporter un champ orient sud 30 sur dimensionn de 120 mais surtout que

Centrales photovoltaïques - Bundesamt für Energie BFE

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