VALIDATION DU PROGRAMME DE SIMULATION PV TOOLKIT

VALIDATION DU PROGRAMME DE SIMULATION PV TOOLKIT

Les panneaux photovoltaïques et leur application en bâtiment

Le but d’un système photovoltaïque est de transformer la lumière du soleil en électricité. Relié à un bâtiment, un système photovoltaïque peut être soit autonome (par exemple pour l’électrification des sites isolés) soit raccordé au réseau. Dans ce dernier cas, l’électricité produite peut être revendue à la compagnie d’électricité locale. Dans le cadre de notre étude, nous allons seulement nous concentrer sur les systèmes PV connectés au réseau.

Les cellules photovoltaïques sont composées d’un matériau semi-conducteur (en général du silicium). Lorsque les photons frappent ces cellules, ils transfèrent leur énergie aux électrons du matériau. Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, vers une grille collectrice située au-dessus, créant ainsi un courant électrique continu dont l’intensité est fonction de l’ensoleillement (ADEME, 2007).Un système photovoltaïque relié au réseau est généralement composé :
•De modules photovoltaïques

•D’un ou plusieurs onduleurs,

•De compteurs d’électricité, de câbles électriques pour les connexions,

•De divers composants optionnels (protection contre la foudre, fusibles et disjoncteurs, interrupteurs programmables, systèmes de mesure) (CIEE 2007).

Au Canada

Historiquement, le Canada n’est pas un précurseur en matière d’énergie photovoltaïque. Le coût élevé de ce type d’installations (qui diminue mais reste important) combiné au faible coût de l’énergie au Canada (et encore plus au Québec, parce que l’électricité est essentiellement d’origine hydro) ont conduit les gouvernements successifs à ne pas mettre en valeur cette source d’énergie. Dans les années 80, les premières installations photovoltaïques ont commencé à se répandre, mais elles concernaient essentiellement quelques applications Taille du marché [MW] hors réseaux (chalet isolé par exemple). Ce n’est qu’à partir des années 2000, avec la montée en puissance des courants écologiques et la signature du protocole de Kyoto, que le gouvernement a véritablement investi dans l’énergie photovoltaïque (Rowlands, 2005). La principale opportunité de développement réside dans les applications connectées au réseau, notamment les bâtiments.

Pour encourager de telles initiatives, l’Ontario Power Authority a mis en place en 2007 un programme dans le cadre duquel l’électricité PV est payée 42 cents le kilowattheure (RNCan, 2008). Hydro-Québec a rendu possible depuis 2005 le rachat de l’électricité PV sous forme de crédit d’électricité (Hydro-Québec, 2009). Ce type de mesures a contribué à la croissance du marché photovoltaïque canadien. Le Tableau 1.1 présente la capacité PV installée au Canada de 1992 à 2007.En 2007, la capacité PV installée du Canada est de 25.775 MW et le marché a connu une croissance soutenue de 23 % au cours des dix dernières années. En 2004 par exemple, le marché annuel des modules PV (c’est-à-dire la capacité PV installée cette année-là) correspondait à 2.14 MW comparativement à 1.83 MW en 2003 (RNCan, 2004a).

Fichiers d’entrée texte pour les programmes de simulation

Pour ASHRAE Toolkit (étape 1) (Wang 2005) Les fichiers d’entrée pour le logiciel ASHRAE Toolkit, toolkit.idf, varient en fonction des alternatives de conception. Pour une alternative de conception donnée, le fichier toolkit.idfvarie également en fonction des données météorologiques pour chaque jour de référence. Le fichier d’entrée pour le logiciel possède cependant des données qui restent fixes quelle que soit la journée sélectionnée, comme l’éclairage ou l’occupation du bâtiment.

Pour PV Toolkit (étape 2) Le fichier d’entrée pour le programme PV Toolkit est un fichier texte constitué des valeurs des variables de conception de l’installation PV pour lesquelles l’optimisateur demande au programme de calculer la production PV. Par exemple, si l’optimisateur veut connaître la production électrique de l’installation pour 100 panneaux de type 1, un azimut de 0 degré et une orientation de 30 degrés, le fichier d’entrée pour le programme PV Toolkit sera (1,0,30,100).

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Table des matières

CHAPITRE 1 REVUE DE LITTERATURE
1.1 Les panneaux photovoltaïques et leur application en bâtiment
1.1.1 Description des systèmes
1.1.2 Les systèmes photovoltaïques connectés au réseau
1.2 Évaluation de la performance des panneaux photovoltaïques
1.2.1 L’analyse du cycle de vie
1.2.2 Indicateurs de performance
1.3 Méthodes de conception de l’installation photovoltaïque
1.3.1 La méthode empirique ou à partir d’un guide
1.3.2 La simulation à partir de la méthode des approximations successives
1.3.3 La méthode optimisatrice
1.3.4 Limites des études précédentes
1.4 Résumé des travaux de Weimin Wang
1.5 Conclusions
CHAPITRE 2 DÉVELOPPEMENT DU PROGRAMME DE SIMULATION DE L’INSTALLATION PV
2.1 Indications sur la portée de la recherche
2.2 La « consommation d’exergie cumulée étendue »
2.2.1 L’exergie
2.2.2 La consommation d’exergie cumulée (CExC) comme mesure de la diminution des ressources
2.2.3 La consommation d’exergie d’« abatement » comme mesure des émissions de déchets
2.2.4 La CExC étendue comme mesure de la diminution des ressources et des émissions de déchets
2.3 Programme de simulation
2.3.1 Variables de conception
2.3.2 Modèle mathématique régissant la production d’électricité d’une installation photovoltaïque
2.4 Fonctions objectives
2.4.1 L’impact environnemental sur le cycle de vie (LCEI)
2.4.2 Le coût sur le cycle de vie (LCC)
2.4.3 Autres fonctions objectives
2.5 Conclusions
CHAPITRE 3 FORMULATION DU SYSTEME BPV
3.1 Rôle des composants des systèmes d’optimisation
3.2 Architecture du système BPV
3.2.1 Étape 1 : système d’optimisation de la performance du bâtiment
3.2.2 Étape 2 : système d’optimisation de la performance du bâtiment équipé de l’installation PV
3.3 Programmes de simulation
3.3.1 ASHRAE Toolkit pour le calcul des charges du bâtiment utilisé pour l’étape 1
3.3.2 Extensions du logiciel ASHRAE Toolkit utilisées pour l’étape 1
3.3.3 PV Toolkit pour le calcul de la production d’électricité PV utilisée pour l’étape 2
3.3.4 Extensions du logiciel PV Toolkit utilisées pour la performance de l’installation PV lors de l’étape 2
3.4 Fichiers de données de simulation
3.4.1 Organisation des données pour le système d’optimisation du bâtiment
3.4.2 Organisation des données pour le système d’optimisation de l’installation PV (étape 2)
3.5 Fichiers d’entrée texte pour les programmes de simulation
3.5.1 Pour ASHRAE Toolkit (étape 1)
3.5.2 Pour PV Toolkit (étape 2)
3.6 Fichier d’entrée texte pour l’optimisateur de l’étape 2
3.7 Conclusions
CHAPITRE 4 VALIDATION DU PROGRAMME DE SIMULATION PV TOOLKIT
4.1 Comparaison vis-à-vis du modèle de Duffie et Beckman
4.1.1 Contexte
4.1.2 Comparaison par rapport à l’exemple de Duffie et Beckman
4.2 Comparaison par rapport aux logiciels RETSCREEN et PVSYST
4.2.1 Contexte
4.2.2 Comparaison des valeurs mensuelles et annuelles de la production PV et des valeurs intermédiaires de calcul
4.2.3 Comparaison de l’influence du type de panneaux sur la production PV
4.2.4 Comparaison de l’influence de la pente sur la production PV
4.2.5 Comparaison de l’influence de l’azimut sur la production PV
4.3 Conclusions
CHAPITRE 5 ETUDE DE CAS
5.1 Description du cas
5.1.1 Variables de conception
5.1.2 Réglage des paramètres
5.2 Résultats et discussions
5.2.1 Choix de l’alternative de conception du bâtiment seul
5.2.2 Résultats du système d’optimisation du bâtiment équipé
5.3 Influence des paramètres géographiques, économiques et environnementaux sur les résultats
5.3.1 Application à Montréal avec les radiations reçues à Mexico
5.3.2 Application en Allemagne
5.3.3 Application en France
5.4 Retour sur le cas de Montréal
5.5 Autres indicateurs de performance
5.6 Résumé