I.2. Description d'une installation type
Toute installation photovoltaïque est composée des
éléments suivants : ? Le système photovoltaïque
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Le système photovoltaïque comprend plusieurs
alignements de panneaux. Chaque panneau contient plusieurs modules,
eux-mêmes composés de cellules photovoltaïques. Si
nécessaire, des fondations reçoivent les supports sur lesquels
sont fixés les modules.
? Les câbles de raccordement
Tous les câbles issus d'un groupe de panneaux rejoignent
une boite de jonction d'où repart le courant continu, dans un seul
câble, vers le local technique. Les câbles issus des boites de
jonction sont soit posés côte à côte sur une couche
de 10cm de sable au fond d'une tranchée dédiée, d'une
profondeur de 70 à 90 cm, soit hors sol au niveau de chemins de
câbles.
Les hautes tensions en courant alternatif sont
généralement enterrés et transportent le courant du local
technique jusqu'au réseau électrique.
? Les locaux techniques
Les locaux techniques (ou postes de transformation) abritent :
? les onduleurs qui transforment le courant
continu en courant alternatif ;
? les transformateurs qui élèvent
la tension électrique pour qu'elle atteigne les
niveaux d'injection dans le réseau ;
? les compteurs qui mesurent
l'électricité injectée sur le réseau
extérieur ;
? les différentes installations de protection
électrique.
? Le poste de livraison
L'électricité produite est injectée dans
le réseau au niveau du poste de livraison qui peut se trouver dans le
local technique ou dans un local spécifique.
? La sécurisation du site
La clôture des installations photovoltaïques est
exigée par les compagnies d'assurance pour la protection des
installations et des personnes. La sécurisation du site peut être
renforcée par des caméras de surveillance, un système
d'alarme, un gardiennage permanent ou encore un éclairage nocturne
à détection de mouvement. La sécurisation est beaucoup
plus recommandée lorsqu'il s'agit d'une centrale solaire
isolée.
? Les voies d'accès et zones de stockage
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Des voies d'accès sont nécessaires pendant la
construction, l'exploitation et le démantèlement de
l'installation. Une aire de stationnement et de manoeuvre est
généralement aménagée à proximité.
Pendant les travaux, un espace doit être prévu pour le stockage du
matériel (éventuellement dans un local) et le stockage des
déchets de chantier.
Durant l'exploitation, il doit être rendu possible de
circuler entre les panneaux pour l'entretien (nettoyage des modules,
maintenance ou des interventions techniques (pannes).
II. Constitution d'une installation
photovoltaïque
Une installation photovoltaïque est constituée des
éléments d'un générateur photovoltaïque, un
parc de batterie d'accumulateurs, d'un onduleur (ou régulateur de charge
et de décharge), et des câbles d'alimentation.
II.1. Les modules photovoltaïques
Les panneaux solaires sont montés sur le toit ou
à une hauteur du sol. Elle absorbe et convertissent les rayons lumineux
du soleil en une forme d'énergie utilisable. L'installation d'un
système photovoltaïque permet de réduire la
dépendance au réseau électrique. Le résultat d'une
installation photovoltaïque est une énergie propre et renouvelable
qui nécessite peut d'entretien.
Les modules sont un assemblage de photopile (ou cellule)
montée en série, afin d'obtenir la tension désirée
(12V, 24V ...). La cellule photovoltaïque est l'élément de
base dans la conversion du rayonnement. Plusieurs cellules sont
associées dans un module qui est la plus petite surface de captation.
Les modules sont regroupés en panneaux, qui sont à leur tour
associés pour obtenir des champs photovoltaïques selon les besoins.
Les cellules photovoltaïques sont réalisées principalement
par le silicium cristallin, qui est utilisé sous forme monocristalline
ou multi-cristalline en plaquette ou en ruban ou encore en couches semi-minces
sur substrat selon les technologies récentes.
Le panneau solaire le plus répandu est le
photovoltaïque. C'est lui que l'on retrouve le plus souvent sur le toit de
nos maisons. Le panneau solaire photovoltaïque est composé de
cellules photovoltaïques qui lui permettent de générer du
courant électrique lorsque les rayons du soleil viennent le percuter.
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II.1.1. Les différentes technologies de panneaux
solaires
Il existe de nombreux semi-conducteurs capables d'exploiter
l'effet photovoltaïque. Ils diffèrent essentiellement par leur
prix, leur rendement, leur sensibilité spectrale. Beaucoup de
technologies sont encore en phase de recherche.
Les premières photopiles mises au point furent au
sélénium avec un rendement de 0,2%. Puis on a découvert
les avantages du silicium et les rendements ont fortement progressé. On
distingue :
· silicium monocristallin
Le panneau solaire monocristallin est composé d'un
seul cristal de silicium ; cher à fabriquer et coûteux en
énergie, il présente un bon rendement à fort et moyen
éclairement (à partir de 100W/m2). Tous usages en
extérieur de forte et moyenne puissance. Rendement typique : 12 à
16%. Plus sensible dans l'infrarouge. Couleur : bleu marine uniforme. Rendement
record : 32%.
· silicium polycristallin ou
multicristallin
Le panneau solaire polycristallin est constitué de
plusieurs cristaux de silicium, il est moins onéreux que le
monocristallin et aussi un peu moins performant, il est utilisé
essentiellement aux éclairements modérés (à partir
de 200W/m2). Rendement typique : 11 à 14%. Technologie la
plus utilisée actuellement car c'est un bon compromis entre prix et
performance. Rendement record : 19%.
· silicium amorphe (aSi)
Dans la technologie amorphe, les atomes sont
complètement désordonnés contrairement aux technologies
cristallines. Il existe des « bras morts », c'est à dire que
certains électrons restent seuls. On ajoute alors des atomes
d'hydrogène pour créer des liaisons. Les rendements typiques (5
à 7%) sont beaucoup plus bas qu'avec du silicium cristallin.
Plus sensible dans le visible et efficace même sous
faible ensoleillement (<200W/m2) ou si la cellule est
partiellement ombragée. Utilisation : applications de petite puissance
et grandes surfaces. Couleur : noir uniforme/brun foncé. Rendement
record : 13%. Bon comportement en température. En début de vie,
le rendement oscille et la puissance délivrée est de 15 à
20% supérieure à la valeur nominale et se stabilise après
quelques mois.
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On parle aussi de silicium amorphe en couche mince car on
dépose une couche de silicium liquide d'1um environ sur un substrat
(verre). Il peut y avoir plusieurs couches pour absorber les différentes
couleurs du spectre solaire : par exemple une couche pour le rouge, une pour le
vert, une pour le bleu. Les rendements sont ainsi nettement
améliorés.
II.1.2. Quelques technologies en cours de
développement
· CuInSe2 (CIS) (diséluniure de
cuivre et d'indium + sulfure de cadmium)
Technologie en couches minces utilisant peu de matière
première. Elle présente un moindre coût par rapport aux
cellules au silicium cristallin, tout en ayant des rendements supérieurs
aux cellules "amorphe". Rendement record : 18%
· CdTe (tellurure de cadmium)
Technologie récente et peu chère pour des
procédés industriels. Cependant, le cadmium (Cd) est connu pour
sa toxicité et certains pays l'on même interdit. Des recherches
ont mis au point des structures à bandes interdites variables (BIV) par
un gradient de largeur de bande interdite qui permet une réponse
spectrale plus étendue : 5um, tout le spectre solaire est ainsi
exploité, mais il existe toutefois des obstacles. Rendement record :
16%
· GaAs (arséniure de gallium)
Principalement utilisé dans les applications spatiales
et les concentrateurs car d'un prix très élevé.
Très haut rendement : de 20 à 25%. Pas d'utilisation dans les
bâtiments.
· TiO2 ou cellules de Graeztel
Inspirées de la photosynthèse, ce sont des
cellules nano-cristallines à colorant portant le nom de leur inventeur,
le chimiste suisse Michael Grätzel. Ces cellules équiperont peut
être bientôt un avion solaire censé faire le tour du monde.
Encore au stade expérimental.
Les modules sont associés en série ou en
parallèle pour obtenir des puissances importantes et la tension
désirée.
On protège chaque cellule PV contre
l'échauffement en lui montant une diode dite « diode bypass »
en parallèle qui la court-circuite. Aussi on évite qu'un module
PV soit récepteur en mettant en série à chaque branche une
diode dite « diode anti-retour », de chute de tension
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négligeable. Les associations
série-parallèle des modules et des diodes sont
présentées sur la figure ci-dessous.
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Figure 3 : Module monocristallin
Figure 4 : Module polycristallin
|
|
Tableau 1 : Tableau comparatif des différentes
technologies des panneaux
Technologie
|
Rendeme nt
|
utilisation
|
Eclairement
minimal
|
Avantages
|
Inconvénients
|
Monocristallin
|
15%
|
Moyenne et grande puissances
|
100W/m2
|
Bon rendement
Pratique pour
des petites
surfaces
|
Assez cher et
coûteux en
énergie pour la production
|
Polycristallin
|
12%
|
Moyenne et grande puissances
|
200W/m2
|
Bon compromis
|
Assez sensible
aux variations
d'éclairement
|
Amorphe (aSi)
|
8%
|
Petite puissance
et grandes
surfaces
|
|
Efficace même
par temps
couvert
|
Rendement faible
|
CIS
|
10%
|
Moyenne puissance
|
|
Peu cher
|
|
CdTe
|
|
Moyenne puissance
|
|
Réponse
spectrale très
étendue
|
Toxicité du
cadmium
|
GaAs
|
25%
|
Satellites
|
|
Très bon
rendement
|
Prix très élevé
|
|
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TiO2
|
4%
|
recherche
|
|
Gros progrès
attendus
|
Faible
résistance à la chaleur
|
|
II.2. Les batteries
Les batteries solaires sont adaptées au cycle quotidien
et à la charge lente des panneaux solaires. Leur durée de vie est
considérablement augmentée si la profondeur de décharge
quotidienne est inférieure à 30%.
On distingue principalement :
? Les batteries au plomb ? Les batteries lithium
II.2.1. Les batteries au plomb
? Les batteries AGM
Les batteries AGM (Absorbed Glass Mat) sont des batteries
étanches au plomb scellé. Elle ne nécessite pas
d'entretien. Elles ont une durée de vie importante (jusqu'à
10ans) et sont très souple d'utilisation. Elles sont conçues pour
supporter une forte demande de puissance, comme au démarrage d'un
moteur. Elles présentent e plus l'intérêt d'être
étanche et de ne pas dégager d'hydrogène ni de chaleur
durant les cycles de charge ou de décharge.
Figure 5 : Batterie AGM Victron
? Les batteries Gel OPzV
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Ce sont des batteries à plomb fermé
étanche. Il s'agit de cellule de 2v et de grande capacité. Il est
nécessaire de les mettre en série pour une alimentation de 12,
24, ou 48v. Elles acceptent un taux de décharge pouvant aller
jusqu'à 80% et encaissent facilement des fortes demandes de courant.
Figure 6 : Batterie gel OPzV Victron
II.2.2. Les batteries lithium
Les batteries lithium s'adaptent au changement de
température et possède une durée de vie
élevée. Elles sont une batterie ultra compacte et très
facile à intégrer dans une installation. La température de
stockage est comprise entre -40 et 60°c. A la différence des
batteries au plomb ou au nickel, les batteries lithium fer-phosphate ne se
dégradent pas si elles ne sont pas régulièrement
chargées à 100% et le processus de charge est plus rapide.
Comme exemple de batterie lithium nous avons : ?
La batterie lithium fer-phosphate
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Figure 7 : Batterie lithium fer-phosphate Figure 8 : Batterie
lithium ion
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II.2.3. Association de batterie
En fonction de la tension ou de la quantité
d'énergie du système, il existe diverses manières
d'associer les batteries :
- Association parallèle ou dérivation :
quand deux ou plusieurs batteries sont branchées en
parallèle, leurs capacités se cumulent (C = C1 + C2 + ... + Cn)
de même que leurs intensités (I = I1 + I2 + ... + In) mais la
tension reste identique (U = U1 = U2 = Un).
Figure 9 : Branchement de 2 batteries en parallèle
- Association série : quand deux ou
plusieurs batteries sont branchées en série, leurs tensions
s'additionnent (U = U1 + U2 + ... + Un) alors que la capacité
exprimée en Ah reste identique (C = C1 = C2 = Cn) ainsi que le courant
(I = I1 = I2 = In).
Figure 10 : Branchement de 2 batteries en série
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- Association mixte : on peut placer en
série plusieurs blocs de série en parallèle comme on peut
placer aussi en parallèle plusieurs blocs de batteries en
série.
Figure 11 : Branchement mixte de 4 batteries II.3. Le
régulateur de charge et décharge
Le régulateur dans un système
photovoltaïque gère la charge et la décharge de la batterie.
Il limite la tension de la batterie afin d'éviter une surcharge, en
déconnectant la batterie trop chargée des modules PV. Quand la
batterie est déchargée, il la déconnecte de l'utilisation,
par un disjoncteur automatique pour la protéger contre la
décharge profonde. Il est situé entre le champ de modules et les
batteries accumulateurs. Sa fonction est primordiale car il a un impact direct
sur la durée de vie de la batterie.
On rencontre :
V' Les régulateurs PWM (Pulse Width
Modulation)
Il est composé d'un interrupteur électronique
fonctionnant en MLI (Modulation de Largeur d'Impulsion) et d'un dispositif
anti-retour (diode).
L'ouverture et la fermeture de l'interrupteur
électronique s'effectuent à une certaine fréquence, ce qui
permet de réguler le courant de charge en fonction de l'état de
charge avec précision.
V' Les régulateur MPPT (Maximum Power Point
Tracking)
Le régulateur de charge est composé d'un
convertisseur DC/DC à découpage de haut rendement qui assure
trois fonctions :
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- 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.
Figure 12 : Régulateur de charge standard
| 
