Définition et présentation des différentes étapes du dimensionnement

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Notions essentielles à la conversion photovoltaïque

Le rayonnement solaire

Définition

Le rayonnement solaire désigne l’ensemble des ondes électromagnétiques émises par le so-leil. Il se compose donc d’ultraviolets, de la lumière visible, mais également d’ondes radio en plus de rayons cosmiques.
Ce rayonnement a des caractéristiques qui lui sont particulières, il est composé de plusieurs éléments et prend différentes formes. [4]

Caractéristiques du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire se compose de radiations électromagnétiques émises par le soleil, dont le spectre s’étend des plus petites longueurs d’ondes (rayons gamma) vers des grandes ondes radioélectriques.
Le rayonnement solaire reçu au sommet de l’atmosphère dans un plan perpendiculaire aux rayons solaires et pour une distance terre-soleil égale à sa valeur moyenne est appelé la cons-tante solaire et vaut 1367 W/m2. Lorsque ce rayonnement traverse l’atmosphère pour at-teindre la surface terrestre, il est fortement atténué en raison des phénomènes d’absorption et de diffusion par les différents constituants de celle-ci. [5]
On constate que tout le rayonnement solaire n’arrive pas directement au sol, à la traversée de l’atmosphère, différentes situations se produisent imposant ainsi différents constituants du rayonnement solaire. L’atmosphère joue donc un rôle dans la propagation du rayonnement solaire.

Rôle de l’atmosphère

L’atmosphère est composée de couches superposées les unes sur les autres depuis le sol. On distingue la troposphère, la stratosphère, puis la mésosphère, suivi de la thermosphère.
Malgré une atténuation importante lors de la traversée de l’atmosphère, la quantité restante demeure encore importante quand elle arrive au sol. On peut ainsi compter sur 1000 W/m2 crête dans les zones tempérées et jusqu’à 1300 W/m2 lorsque l’atmosphère est faiblement polluée en poussière ou en eau, avec de la vapeur d’eau dans la troposphère et une mince couche d’ozone dans la stratosphère dont le rôle est si important dans l’absorption des rayons ultraviolets les plus dures. On rajoute à cela les aérosols (ensemble des particules solides ou liquides suspendues dans un milieu gazeux) qui sont des particules soit d’origine artificielle telle que produites par l’industrie, l’automobile ou le chauffage, soit d’origine naturelle telle que les molécules soufrées produites par les algues océaniques, ou les particules emportées dans l’air par l’érosion éolienne naturelle des sols.

Constituants du rayonnement solaire au sol

En traversant l’atmosphère, le rayonnement solaire est absorbé et diffusé. Au sol on distingue plusieurs composants :
 Le rayonnement direct est reçu directement du soleil sans diffusion dans l’atmosphère, ses rayons sont parallèles entre eux.
 Le rayonnement diffus est constitué par la lumière diffusée par l’atmosphère. La dif-fusion est le phénomène qui répartit un faisceau parallèle en une multitude de fais-ceaux partant dans toutes les directions.
Dans le ciel ce sont à la fois les molécules d’air, les gouttelettes d’eau (nuage) et les poussières qui produisent cet éclatement des rayons du soleil.
 L’albédo est la partie réfléchie par le sol, il dépend de l’environnement du site. La neige par exemple renvoie énormément de rayons lumineux. Alors le rayonnement global doit tenir compte de toutes ces contributions et il est en effet égal à la somme de celles-ci. [6]

La masse d’air

Plus le soleil est bas sur l’horizon, plus il va traverser une épaisseur importante d’atmosphère et plus il va subir de transformations. On appelle masse d’air (ou Air Masse en anglais), le rapport entre l’épaisseur d’atmosphère traversée par le rayonnement direct pour atteindre le sol et l’épaisseur traversée à la verticale du lieu. [7]

Historique de l’effet photovoltaïque

Considéré dans l’antiquité comme un dieu, le soleil est aujourd’hui réduit au statut d’énergie, une énergie qu’il nous faut apprendre à capter, à transformer, à stocker.
La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte en 1839 par un physicien français Alexandre Edmond Becquerel (en irradiant une électrode en argent dans un électrolyte, il obtient une tension électrique).
En 1875, le physicien Werner Von Siemens expose devant l’académie des sciences de Ber-lin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs.
Et la première cellule solaire fonctionnelle fut construite en 1883 par Charles Fritts. Mais le rendement de sa cellule, étant très faible, empêcha à l’époque son utilisation. Seulement, le phénomène est encore considéré comme anecdotique jusqu’à la seconde guerre mondiale. [10]
En 1905 Albert Einstein publie un article sur l’effet photoélectrique permettant d’expliquer le fonctionnement des dispositifs du système photovoltaïque, ce qui lui a valu le prix Nobel en 1921. [11]
Les premières vraies cellules sont apparues en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium. Les recherches d’après-guerre ont permis d’améliorer leurs performances et leur taille et ce n’est qu’en 1954 que trois chercheurs américains, Chapin, Pearson, et Prince mettent au point une cellule photovoltaïque au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell Téléphone. On entrevoit alors la possibilité de fournir de l’électricité grâce à ces cel-lules. Au même moment, l’industrie spatiale naissante, cherche de nouvelles solutions (autre que le procédé nucléaire) pour alimenter ses satellites.
Le premier satellite scientifique américain « l’Explorer-6 » lancé en Août 1959, il est équipé de panneaux solaires, il a une masse de 40 Kg et dispose d’une caméra sommaire pour voir la Terre.

Les batteries de stockage

L’énergie solaire, comme son nom l’indique dépend du rayonnement solaire, alors que celui-ci peut être parfois en défaut à cause de conditions climatiques défavorables (ciel dégagé ou couvert) et avec la période de la journée (nuit par exemple).
Le rôle des batteries solaires est de stocker chimiquement l’énergie en excès produite par les modules et la restituer quand il y a besoin. La batterie doit avoir une autonomie de quelques jours pour assurer la production d’énergie à l’utilisation lorsque les modules ne produisent plus.
L’autonomie d’une batterie solaire est le nombre de jours sans apport solaire pendant lesquels les batteries peuvent produire l’énergie nécessaire à l’utilisation. Une batterie solaire est une batterie à décharge lente, elle n’a pas les mêmes caractéristiques qu’une batterie de voiture par exemple, elle se décharge plus progressivement et supporte mieux les décharges peu pro-fondes. [15]

La capacité de stockage des batteries solaires

C’est la quantité d’énergie que l’on peut stocker dans la batterie, elle s’exprime en ampères-heures(Ah), car on comptabilise cette énergie par le produit du courant que l’on tirerait (en A) par la durée de cette décharge (en heures).
L’énergie stockable ou « capacité » d’une batterie dépend de beaucoup de paramètres, en par-ticulier de la façon dont elle a été chargée ou déchargée. On doit donc donner la capacité dans des conditions de référence, souvent pour une durée de décharge de 20 heures et pour une température de 25°C. On parlera alors de capacité nominale.
La température ambiante joue aussi énormément sur la capacité de la batterie, c’est sans doute le paramètre le plus important. Le froid a un effet de ralentissement sur les réactions chi-miques.
Une batterie a donc une capacité beaucoup plus faible à froid qu’à chaud. C’est donc la gamme de température que la batterie rencontrera qui doit en premier guider le calcul d’une capacité. [16]

Charge d’une batterie

La charge est l’opération qui consiste à entrer de l’énergie dans la batterie. C’est ce que fait la photo génératrice qui lui est couplé en débitant un courant de charge (en ampères) dans la batterie. La règle du dixième consistant à recharger les accumulateurs en leur appliquant un courant de charge égal au dixième de la capacité horaire(exprimée en ampères-heures).Une telle charge est dite C/10 ou 0,1C( C étant la capacité nominale de l’accusateur).
Même si ce régime à 0,1C est idéal pour la longévité des accumulateurs et pour le rendement de charge, les accumulateurs modernes sont capables de supporter des recharges sous des cou-rants considérablement plus faibles (jusqu’à C/500 pour les accumulateurs au plomb). Pour la durée de vie de l’accumulateur, une opération de charge est d’autant plus efficace et inoffen-sive qu’elle dure plus longtemps sous un courant faible. [16]

Décharge d’une batterie

La durée de vie des accumulateurs dépend principalement de la profondeur de la décharge  imposée (rapport entre la quantité d’électricité déchargée et la capacité nominale) ; il faudra tenir compte de ce paramètre, décharge maximale, pour le calcul de la capacité de l’accumulateur. En effet, il existe un seuil de tension sous lequel on ne peut plus décharger l’accumulateur, sous peine de le détériorer.
D’autre part plus le courant de décharge est faible, par rapport à sa capacité nominale, plus la capacité de l’accumulateur sera grande. Le courant de décharge peut être constant ou non dans les applications pratiques de l’énergie photovoltaïque. S’il s’agit d’éclairer en permanence, le courant de décharge sera globalement constant. Mais s’il s’agit par exemple d’un portail automatique, avec un récepteur qui fonctionne 23h/24 en veille (10 mA par exemple) et un moteur qui fonctionne 1h par jour en moyenne (2 A typiquement), les courants de décharge sont extrêmement variables. On s’assurera, dans ce cas, que l’accumulateur peut supporter le courant de décharge important (2 A) pendant le temps de la manœuvre du portail soit 10 à 15 s. [16]

Les accumulateurs Nickel Cadmium

Le NiCd a longtemps été le couple électrochimique le plus utilisé en faible capacité, dans toutes les applications rechargeables. Il est constitué d’une électrode de cadmium et d’une électrode d’oxhydroxyde de nickel NiOOH, et il a une tension nominale de 1,2 V.
Leur utilisation étant ralentie depuis l’apparition des NiMH, les accumulateurs nickel-cadmium restent néanmoins plus intéressants pour le solaire, du fait de leur meilleure efficaci-té de charge à faible courant et de leur bonne tenue aux basses températures.
Leur inconvénient est qu’il est recommandé de les charger au-dessus de 0°C, ce qui com-plique leur utilisation en extérieur dans les pays froids.

Les accumulateurs Nickel Meta hydrures (NiMH)

Dérivés des NiCd, ces accumulateurs ont été développés avec 3 objectifs : augmenter la capa-cité par unité de volume, favoriser les charges rapides (pour le marché du téléphone portable notamment) et éliminer le cadmium toxique pour l’environnement et déjà interdit dans certains pays. L’électrode de cadmium est remplacée par alliage apte à stocker l’hydrogène d’où son nom NiMH.
A part la première caractéristique (ils sont plus compacts), ces accumulateurs ne sont pas meilleurs que les NiCd pour le solaire. Ils sont même moins bons en ce qui concerne la tenue au froid. Mais ils les ont déjà pratiquement remplacés chez tous les fabricants.
– Les avantages des NiCd et NiMH pour le solaire sont les suivants :
• petites capacités disponibles sous de multiples formes (butons, bâtons, prismes….) de 30 à 200 mAh ;
• plus compacts que les batteries plomb (30% de capacité en plus) ;
• plus de tensions disponibles, du fait de la valeur 1,2V par élément : 2,4V ; 3,6V ; 4,8V ; 12V….. ;
• excellente tenue à la chaleur.
– Les inconvénients des NiCd et NiMH pour le solaire sont les suivants :
• autodécharge ;
• charge difficile à moins de 0°C ;
• effet mémoire ou cristallisation quand les accumulateurs sont peu sollicités
Il existe également de grosses batteries NiCd à très hautes performances, environ trois fois plus onéreuses que les batteries plomb étanche, mais qui sont les seuls à atteindre des durées de vie de l’ordre de 20 ans.
Elles sont utilisés dans des applications solaires, mais dans des cas particuliers et quand le déplacement sur le site revient très cher (site inaccessible ou dangereux).

Les accumulateurs au lithium

Sur beaucoup d’appareils portables, le lithium rechargeable est présent sous le nom « Li-ion », de  tension 3,6V. Très compacte et à recharge rapide, cette technologie n’est pas très bien adaptée au solaire à ce jour, en particulier parce que les accumulateurs doivent subir un protocole de charge assez précis, plus incompatible avec les courants énormément variables d’un photo générateur soumis à divers éclairements.
De plus, il est arrivé des dommages importants voire des incendies à cause de batteries au lithium surchargées qui se sont très fortement échauffées. Or, un panneau solaire a une ten-sion qui peut s’élever largement au-dessus de la tension de la batterie. Un excellent limiteur de surcharge est donc indispensable pour protéger une batterie au lithium avant de la coupler à un photo générateur. [17]

Le régulateur solaire

Description et rôle d’un régulateur

Le régulateur de charge/décharge est associé à un générateur photovoltaïque. Il doit assurer des fonctions de protections :
– pour éviter une décharge de la batterie dans le panneau (diode by-pass),
– pour éviter une surcharge ou une décharge profonde de la batterie,
– en cas de court-circuit côté charge.
Son rôle est aussi de contrôler le transfert d’énergie entre le générateur photovoltaïque, la bat-terie et la charge en fonction :
– de la disponibilité de la ressource et de l’état de charge de la batterie (classiquement trois phases de charge : C/10 ou Imax, floating, gazing,
– du caractère prioritaire ou non de la charge. [18]
La fonction du régulateur est primordiale car elle a un impact direct sur la durée de vie de la batterie. On trouve sur les installations plusieurs technologies de contrôleurs de charge :
 Régulateur tout ou rien (TOR) par coupure électromécanique. Ce type de régulateur n’est plus commercialisé et est amené à disparaître,
 Régulateur MLI (à modulation de largeurs d’impulsion) avec deux types de couplage sur la batterie :
– Couplage direct appelé PWM (Pulse With Modulation).
– Couplage par adaptateur d’impédance appelé MPPT (Multi Power Point Tracking)

Fonctionnement

Chaque régulateur a son mode de fonctionnement qui lui est propre. Nous décrirons les modes de fonctionnement des régulateurs PWM et MPPT.

Le régulateur PWM

Le régulateur est inséré entre le champ photovoltaïque et la batterie. Il est composé d’un inter-rupteur électronique fonctionnant en MLI et d’un dispositif anti-retour (diode). L’ouverture et la fermeture de l’interrupteur électronique s’effectuant à une certaine fréquence, ce qui permet de réguler le courant de charge en fonction de l’état de charge avec précision.
Lorsque la tension batterie est inférieure à la tension de limitation du régulateur, l’interrupteur est fermé. La batterie se charge alors avec le courant correspondant à l’ensoleillement. On est en phase « Bulk ».
Lorsque la tension batterie atteint un seuil de régulation prédéterminé, l’interrupteur s’ouvre et se ferme à une fréquence fixe pour maintenir un courant moyen injecté dans la batterie. La batterie est chargée, on parle de « floating ».
Attention : le régulateur PWM ne peut fonctionner qu’exclusivement avec des modules pho-tovoltaïques de 36 ou 72 cellules (12V ou 24V)

Le régulateur MPPT

Le régulateur de charge est composé d’un convertisseur DC/DC à découpage de haut rende-ment qui assure trois fonctions :
– détection de la puissance maximale du champ photovoltaïque tant que la batterie n’est pas chargée,
– conversion DC/DC,
– régulation de la tension de sortie en fonction de la phase de charge (Bulk, Absorption et Floating)
Le convertisseur DC/DC est utilisé comme abaisseur de tension (tension MPP > tension batte-rie).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I
1 INTRODUCTION
2 Présentation des deux options du système
2.1 Présentation de la première option (Tout solaire)
2.2 Présentation de la deuxième option (Appoint)
3 Notions essentielles à la conversion photovoltaïque
3.1 Le rayonnement solaire
3.2 La déclinaison du soleil
3.3 L’angle horaire
3.4 L’éclairement dans son modèle simplifié
3.5 Le principe de l’effet photovoltaïque
4 Les composants d’un système photovoltaïque
4.1 Les modules
4.2 Les batteries de stockage
4.3 Le régulateur solaire
4.4 L’onduleur
5 Conclusion
Chapitre II
1 INTRODUCTION
2 Définition et présentation des différentes étapes du dimensionnement
2.1 Les besoins en énergie électrique
2.2 L’énergie fournie par le générateur photovoltaïque
2.3 Dimensionnement du panneau photovoltaïque
2.4 Choix de la tension du fonctionnement
2.5 Dimensionnement de l’onduleur
2.6 Dimensionnement du stockage
2.7 Choix des câbles
3 Dimensionnement de l’option 1 (TOUT SOLAIRE)
3.1 Dimensionnement du premier scénario de l’option 1
3.2 Dimensionnement du deuxième scénario de l’option 1
3.3 Dimensionnement du troisième scénario de l’option 1
4 Dimensionnement de la deuxième option (APPOINT)
4.1 Dimensionnement du premier scénario de l’option 2
4.2 Dimensionnement du deuxième scénario de l’option 2
4.3 Dimensionnement du troisième scénario de l’option 2
5 Dimensionnement par PVsyst 5.74
5.1 Présentation du logiciel
5.2 Fonctionnement du logiciel
6 CONCLUSION
Chapitre III
1 INTRODUCTION
2 Comparaison au réseau conventionnel
2.1 Comparaison du premier scénario de l’option 1 au réseau conventionnel
2.2 Comparaison du deuxième scénario de l’option 1 au réseau conventionnel
2.3 Comparaison du troisième scénario de l’option 1 au réseau conventionnel
2.4 Comparaison du premier scénario de l’option 2 au réseau conventionnel
2.5 Comparaison du deuxième scénario de l’option 2 au réseau conventionnel
2.6 Comparaison du troisième scénario de l’option 2 au réseau conventionnel
3 Comparaison des différents scénarios (par option)
3.1 Comparaison des scénarios de l’option 1
3.2 Comparaison des scénarios de l’option 2
4 Avantages et inconvénients de l’énergie solaire photovoltaïque
4.1 Avantages et inconvénients communs aux deux options
4.2 Avantages et inconvénients propres à chaque option
5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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