Energie solaire et bac GET.

Energie solaire et bac GET.
  ‘Nécessité’ de supprimer certains sous-systèmes
usagés et/ou obsolètes …
  Le Futur BAC STI, quelque soit sa forme, intègrera
très probablement une partie énergie renouvelable.
  Rendre le BAC STI plus attractif, le plus vite
possible.
  Une partie du matériel est ou sera disponible dans
les établissements.
Les supports disponibles pour
étudier le photovoltaïque.
Documents papier ou informatique :
  Ressources internet.
  Documents techniques panneaux et onduleurs
  Carte d’ensoleillement, devis.
  Statistique de mesure sur installation réelle
  Norme de pose, de revente, …
Maquette d’essai :
  A réaliser
Installation photovoltaïque réelle:
  Disponible dans 4 établissements
  Les autres lycées équipés ???
  Echange des données de mesure.
Trame de progression
possible.
•  Etude prévisionnelle d’une installation photovoltaïque.
• 
Comparaison avec les relevés statistiques réels de
l’installation du lycée.
•  Décodage des documents constructeur.
•  Synoptique d’une installation.
•  Caractéristiques électriques d’une cellule en fonction de
l’éclairement.
•  Caractéristique d’un groupe de cellules en série, extension à
un module complet.
•  Puissance fournie en fonction de l’éclairement : Rôle du
système MPPT.
•  Effet du masquage d’une cellule, rôle des diodes bypass.
•  Technologie, Etc …
TP1 :Etude d’une installation
Données de l’étude :
•  23 m2 de panneau.
•  Exposition plein sud.
•  Installation en Normandie
•  Devis 20 000€
Ressources normatives et documentaires:
•  Montage intégré au bâti : guide d'intégration officiel.
•  Revente de l’énergie à EDF : Les conditions de rachat EDF
•  Carte ensoleillement
•  Documents techniques panneaux photovoltaïques
On demande :
•  Estimation de l’énergie produite par an.
•  Temps de rentabilité du projet.
Etude de l’ensoleillement
kWh/m2/j
3,5 kWh/m2/j
ou
1278 kWh/m2/an
Soit 1278 h équivalent
plein soleil (1000W/m2)
Caractéristiques des
panneaux photovoltaïques
TSM-165DB01
Estimation de la
production annuelle.
Plein soleil : 1000 W/m2
1278 h/an équivalent plein soleil.
165 W produits en plein soleil par panneau.
23 m2 au total soit 18 panneaux installés
3795 kWh/an
Condition de rachat
Si intégration au
bâti.
Calcul du retour sur
investissement
Rachat par EDF à 55 cts€/kWh
3795 kWh/an produit
Investissement 20 000€
2087€/an en revente
Rentabilisé en 10 ans
Moins si crédit d’impôts …
Comparaison avec les
relevés réels du lycée Alain.
Energie produite (kWh)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Total 2009 : 2962 kWh
Le seuil de rentabilité dépasse alors 12 ans
12
Raison de l’écart
Les caractéristiques
sont mesurées dans
des circonstances très
optimistes …
De plus :
•  Tolérance panneau
•  Rendement onduleur et
pertes dans le câblage
(10%)
•  Inclinaison du panneau
•  Ombre ??
-25% au total
-15% pour +30°C
Synoptique de l’installation
Panneaux PV
Branchement
réseau EDF
Onduleur
Compteur
revente
Liaison DC
Protections
Liaison AC
TP2 : Caractéristique
électrique d’une cellule
Le matériel :
Une maquette
(Très simple à réaliser)
Une source lumineuse
(De préférence modulable)
Un luxmètre
(On peut s’en passer)
Voltmètre, ampèremètre …
Boite à décade
Caractéristique théorique
Les mesures
Eclairement 10 klux
Eclairement 5,8 klux
U
I
P
Rhéostat
U
I
P
Rhéostat
0
285
0
0,00
0
144,7
0
0,00
0,474
0,546
0,635
0,776
0,84
0,914
0,957
0,969
0,982
0,996
1,007
1,017
1,021
1,03
287,5
284,9
281,3
262,2
239,3
206,4
162
146,2
126,8
102,4
83,9
63,7
54,6
34,46
136,275
155,5554
178,6255
203,4672
201,012
188,6496
155,034
141,6678
124,5176
101,9904
84,4873
64,7829
55,7466
35,4938
1,65
1,92
2,26
2,96
3,51
4,43
5,91
6,63
7,74
9,73
12,00
15,97
18,70
29,89
0,233
143,2
33,3656
1,63
0,594
136,3
80,9622
4,36
0,73
125,4
91,542
5,82
0,749
125,6
94,0744
5,96
0,755
125,5
94,7525
6,02
0,81
111,8
90,558
7,25
0,828
107
88,596
7,74
0,91
73,9
67,249
12,31
0,947
44,1
41,7627
21,47
0,956
36,3
34,7028
26,34
0,966
25,73
24,85518
37,54
0,976
14,34
13,99584
68,06
1,031
1,036
1,037
25,39
12,91
7,99
26,17709
13,37476
8,28563
40,61
80,25
129,79
0,98
10,12
9,9176
96,84
0,981
0
0
inf
1,06
0
0
inf
Les mesures
caractéristique tension courant
350
Eclairement 10 klux
300
250
courant en mA
200
Eclairement 5,8 klux
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
tension en V
0,8
1
1,2
Caractéristique puissance
puissance de sortie
250
puissance en mW
200
Eclairement 10 klux
150
Eclairement 5,8 klux
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
Tension en V
0,8
1
1,2
Charge optimale
350
Charge 3 Ω
300
250
courant en mA
200
Charge 6 Ω
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
tension en V
1
1,2
250
puissance en mW
200
La puissance maximale est
obtenue dans le coude de la
caractéristique courant/tension.
En fonction de
l’éclairement, la charge
doit varier pour que la
cellule fournisse le
maximum de puissance.
150
100
Système
50
0
0
0,2
0,4
0,6
Tension en V
0,8
1
1,2
MPPT
Maximal Power Point Tracking
Documentation onduleur.
Puissance crête des
panneaux à ne pas
dépasser !
Mesure d’éclairement avec
luxmètre
Correspondance lux
W/m2 ??
Pas simple car cela dépend du spectre lumineux :
683 lux correspondent à 1W/m2 pour une lumière
monochromatique de longueur d’onde 550nm.
100 lux correspondent environ à
1W/m2 pour la lumière du soleil.
Pour l’éclairage artificiel ?????????? Cela dépend de source
lumineuse.
Quelques mesures
d’éclairement
Plein soleil 100 000 lux ou 1000 W/m2
Ciel couvert 50 000 lux ou 500 W/m2
Ciel pluvieux 10 000 lux ou 100 W/m2
Intérieur (bureau) 500 lux ou 5 W/m2 !!!
L’œil humain adapte sa sensibilité et ne permet
pas de se rendre compte de l’énorme différence
d’éclairement.
Ensoleillement annuel
Mise en série de cellule PV
Caractéristique tension courant de 12 cellules en série.
I (mA)
270
267
265
263
256
252
224
214
171
153
122
111
105
90
80
64
53
29
0
P (mW)
0
85
223
355
538
643
1015
1019
913
846
702
644
620
540
485
390
331
186
0
R
0
1,2
3,2
5,1
8,2
10,1
20,2
22,2
31,2
36,1
47,1
52,3
56,2
66,7
75,8
95,3
117,9
220,7
Inf
Mesure à environ 10 klux
300
6*2 cellules PV
250
200
courant en mA
U (V)
0,00
0,32
0,84
1,35
2,10
2,55
4,53
4,76
5,34
5,53
5,75
5,80
5,90
6,00
6,06
6,10
6,25
6,40
6,57
150
100
1*2 cellules PV
50
0
0 1 2 3 4 tension en V
5 6 7 Chaque mini panneau de la maquette
est déjà un assemblage série de 2 Vmu=0,55V par cellule élémentaire
cellules élémentaires.
Comparaison avec les
panneaux
72 cellules par
panneau, montées
en série
Vmu=0,6V par
cellule élémentaire
La tension à vide est
presque indépendante de
l’éclairement et de la
taille de la cellule
Masquage d’une cellule
Toutes les cellules sont propres et reçoivent le
même éclairement.
I
Eclairement global 10 klux
300
V
6 panneaux éclairés
250
courant en mA
200
1 panneau éclairé
150
100
50
0
0 1 2 3 tension en V
4 5 6 7 Masquage d’une cellule
Apparition de poussière, fientes, ombre, etc
sur une cellule.
Eclairement global 10 klux
I
300
V
250
courant en mA
200
1 panneau éclairé
150
100
1 panneau masqué
50
6 panneaux dont 1 masqué
0
-­‐6 -­‐4 -­‐2 0 tension en V
2 4 6 8 Masquage d’une cellule
La cellule masquée ne fournie pas de puissance mais en
consomme ! Il faut l’éliminer.
U cell
P cell
U (V) I (mA) P (mW) masquée masquée
0
46
0
-5,38
-247,48
0,63
40
25,2
-4,8
-192
1,75
25
43,75
-3,74
-93,5
2,3
21
48,3
-3,12
-65,52
3,4
16,5
56,1
-2
-33
5,57
11
61,27
0,13
1,43
5,9
5,8
34,22
0,45
2,61
6,1
0
0
0,67
0
Elle polarisée en direct et risque d’être détruite.
Masquage d’une cellule
On ajoute des diodes bypass sur les cellules.
Eclairement global 10 klux
I
1 panneau masqué avec diode bypass
300
V
6 panneaux dont 1 masqué
courant en mA
250
200
150
100
1 panneau éclairé
50
0
-­‐2 -­‐1 0 1 2 3 4 5 6 7 tension en V
La cellule masquée est éliminée par la diode bypass
Caractéristiques des panneaux
Une diode
bypass pour
24 cellules !