Photovoltaïque : vision globale d'un système

[savagex69]

Bonjour à tous,

Sur plusieurs sujet le photovoltaïque à été abordé, c’est pourquoi je vais essayer de faire une petite compile des informations utiles sur le sujet. Je vais le présenter en plusieurs discussions à fin de s’y retrouver un peu plus facilement :

1- Vision globale d’un système
2- Les modules/panneaux photovoltaïques
3- Les régulateurs photovoltaïques
4- Les onduleurs ou convertisseurs (pas encore fait et j'ai pas grand chose en stock)
5- Protection et section de câble (pas encore fait)
6- Autre (Coupleur et compagnie) (pas encore fait et j'ai pas grand chose en stock)
7- Estimation de production (pas encore fait)
8- Dimensionner une installation photovoltaïque (pas encore fait)
9- Les différents types de batterie (j'ai pas grand chose en stock)

Si certaine personnes ont d’autres avis ou une vision différente sur ce que je vais dire, faite le savoir le photovoltaïque et encore plus les sites isolés ou installation autonome sont des sujet à discussion, car chacun y va de sa petite touche, raisonnement ou expérience et rien n’est figé au final. Je n'ai pas d'expérience dans les systèmes embarqué dans les véhicules, cependant les éléments sont les mêmes sauf la gestion batterie normal/batterie de service.

Pour commencer la vision global du système, qui permettra de voir où se situe chaque élément. Et de discuter/poser des questions suivant les besoins de chacun!

Pour cela j’ai pris deux schémas sur le site de deux fabricants et j'ai fais un petit synoptique pour que cela parle au maximum de gens :

Synoptique_fabriquant_jpeg.jpg

Synoptique_pv.jpg

Numéro correspondant au 1er schéma (Mastervolt)
1. Panneau solaire : il permet de transformer l’irradiation du soleil en énergie électrique continue.
2. Régulateur de charge photovoltaïque : il permet de recharger la batterie en utilisant l’énergie produite par le panneau solaire. Il permet d’adapter la tension du module photovoltaïque à la tension des batteries. (voir sujet dédié)
3. Tableau électrique de répartition 12V ou 24V : Interrupteur + protection électrique pour chaque départ
4. Batterie de service : qui alimente les consommables (frigo, onduleur, éclairage,…)
5. Convertisseur ou onduleur, 230 V depuis la batterie de service (quand il n'y a aucun raccordement au réseau si on peut le raccorder au réseau on parle généralement d’onduleur chargeur)
6. Tableau électrique standard 230V/50 hertz, protégé par fusibles ou disjoncteurs.
7. Chargeur de batterie : Charge les batteries quand le réseau EDF est disponible. (Il peut être intégré dans l'onduleur)
8. Raccordement réseau.
9. Répartiteur de charge pour charger deux batteries (ou plus) simultanément.
10. Batterie démarrage véhicule.
11. Alternateur du véhicule

On peut retrouver en plus :
- Shunt de mesure pour connaitre précisément l’énergie disponible
- Moniteur de batterie, relié au shunt, pour visualiser l'état de charge des batteries/consommation
- Protection diverse

Les schémas représentent de gros systèmes, dans le but de balayer l'ensemble des éléments car on peut très bien se contenter d'une panneau photovoltaïque avec un régulateur et une batterie accessoire. A chacun de faire sa soupe et la discutions est la pour en parler

[savagex69]

Dans la lignée des sujets parlant du photovoltaïque, voici venu le temps des modules ou panneaux.
Je vais le découper en 9 parties (une par message) :
- Les différentes technologies
- Les cellules cristallines
- Les diodes by-pass
- Courant de retour entre module
- Information d’une fiche technique
- Courbe caractéristique
- Garantie de produit et garantie de production
- Orientation
- Les différentes formes de modules

Quelque élément pour mieux comprendre la suite :
Wc : pour Watt Crête, correspond à l’unité de puissance pour un module photovoltaïque dans les conditions standard de test (STC)

Quand je parle de rendement, c’est en termes de puissance crête par m² donc 10% égale 100Wc/m² pour le module.

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Une partie des différentes technologies :

MONO Cristallin : Les cellules monocristallines sont de la première génération, elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal. Ces cellules sont en général d’un bleu foncé uniforme et d’une forme octogonale. Les modules ont un rendement de l’ordre de 15 à 19%, et engendrent un coût de production plus élevé que les cellules poly cristallines. Plutôt utilisé lorsque l’on a une orientation et inclinaison optimal. Leurs productions diminuent avec l’élévation de température.

POLY ou MULTI Cristallin : Les cellules poly cristallines sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux dont les orientations sont différentes. Vues de près, on peut voir l’aspect bleuté non uniforme et pailleté de ces cellules; on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Leur rendement est de l’ordre de 13 à 16%. Leurs productions diminuent avec l’élévation de température.

gauche POLY / droite MONO

mono_poly.jpg

AMORPHE : Les modules photovoltaïques amorphes ont un coût de production moins élevé, mais malheureusement leur rendement n'est que 6 à 10% actuellement. On peut trouver des modules souples. Ils sont composés d’un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est disposée une fine couche de silicium, l’organisation des atomes n’est pas régulière comme dans un cristal. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ». Elles présentent l’avantage de fonctionner avec un éclairement faible (nuage, ombre,…) et d’être moins sensible aux températures élevées que les cellules cristallines. Plutôt utilisé lorsque l’on a une mauvaise orientation ou une faible inclinaison (moins de 10°) ou des températures ambiantes élevée.


Voila pour les trois technologies les plus utilisé mais on trouve aussi ce que l'on appelle des COUCHE MINCE :
Les module couche mince, n’utilise pas de silicium, on trouve différente composition :
- CdTe : Tellurure de Cadmium
- CIS : Cuivre, Indium, Sélénium
- CIGS : Cuivre, Indium, Gallium, Sélénium

Leur rendement est de l’ordre de 6 à 13%. Ils ont les mêmes avantages que la technologie amorphe soit une meilleure production en lumière diffuse et une faible sensibilité aux élévations de température. Cependant certain composant utilisé pose quelque problème de recyclage.

Hybride / Tandem : Les modules hybride ou tandem (suivant les dénominations) combinent les avantages des deux technologies: silicium monocristallin et film de silicium amorphe. On arrive à des rendements de 17 à 20%, mais cela à un coup plus important. Il existe différent type comme le HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer)


Certain fabricant laisse un peu plus de marge entre les cellules et les bords du module, ils auront donc un rendement moins important car une surface de module plus grande… Ceci est un avantage pour les modules en toiture, car avec le temps le bas des modules se salis, et fini par recouvrir les cellules et donc de perdre en production.

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Concernant les cellules des modules cristallins Mono et Poly :

Un module est constitué de plusieurs cellules reliées en série. Les cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs (généralement silicium) qui transforment directement la lumière du rayonnement solaire en énergie électrique. Les particules de lumière (photons) viennent heurter les électrons sur le silicium et lui communiquent leur énergie. Le silicium est traité (dopé) de manière à jouer le rôle de clapet anti-retour d'électricité (comme une diode) et ainsi à diriger tous les électrons dans le même sens. Une tension apparaît donc en présence de lumière aux bornes de la cellule. Si l'on ferme le circuit, le courant peut circuler. La tension est peu variable alors que le courant est quasi proportionnel à la lumière reçue.

Bus bar.jpg

Verticalement le « busbar » qui permet de relier les cellules les unes aux autres, on peut en avoir deux ou plus. Horizontalement les bandes de collecte ou finger permette de collecter les électrons de la cellule pour les ramener sur le « busbar »

Certain module cristallin n’ont pas de « busbar » visible et utilise une méthode à contact arrière, pour gagner en rendement car le « busbar » recouvre une partie de la cellule.

3_back contact.jpg

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Les diodes by passe

Les cellules étant montées en série dans un module photovoltaïque, si une ou plusieurs cellules sont à l'ombre, elles subissent une surchauffe qui peut entraîner leur destruction. En effet, une cellule "masquée" voit l'intensité qui la traverse diminuer. De ce fait, elle bloque la circulation de l'intensité "normale" produite par les autres cellules. La tension aux bornes de cette cellule "masquée" augmente, d’où l’apparition d’une surchauffe. C'est l'effet d'auto polarisation inverse qui est appelé "Hot spot (soit en français point chaud) Les diodes by-pass servent alors à protéger les cellules à l'ombre en dérivant l'intensité "normale" pour l'empêcher de passer dans la cellule "masquée". Un panneau solaire dispose de une à cinq diodes by-pass suivant les modèles.

4_diode_by_pass.jpg

Dans l’exemple de gauche, on voit en rouge le chemin du courant.
Dans l’exemple de droite, il y a trois diode (D1 ; D2 ; D3 en haut), la cellule en rouge représente la cellule masquée. Le courant va alors passer par la diode D1, on perd donc 1/3 du module.

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Courant de retour entre module

Alors que les diodes by-pass sont utilisées à l'intérieur d'un module pour compenser l'effet d'auto polarisation inverse, le même phénomène peut être observé, entre les modules eux-mêmes, lorsqu’un champ est constitué de plusieurs modules en série et de plusieurs strings (chaine de module, pas de blague ceux au fond de la classe je vous vois venir ) en parallèles. Les diodes de blocage évitent que le flux de courant soit inversé entre les strings de panneaux reliés en parallèle, quand il y a un ombrage sur l'un d'entre eux. On peut aussi utiliser des fusibles, mais il faut les vérifier et éventuellement les remplacer… L'emploie d'un fusible intervient généralement lorsqu'on a plus de deux branches de modules en parallèle (pour être plus précis, cela se calcul d'après la norme NF C15-712)

5_module_parall.jpg

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Sur une fiche technique de module on trouve en information électrique :

5_fiche_tech.jpg

La puissance d’un module est donnée sous les conditions de test STC soit pour une luminosité de 1000W/m² à une température de 25°. Sur un bon nombre de fiche technique on trouve également la puissance en condition NOCT soit 800W/m² et 20°.

Voc : tension de circuit ouvert : Il ne faut pas oublier que du moment qu’un module photovoltaïque est exposé à la luminosité, il produit de l’électricité même si rien n’est branché à ses bornes (un peu comme une prise non utilisé dans votre maison, si vous avez un appartement ça marche aussi )
Isc : Courant de court circuit : nous renseigne sur le courant maximal que l’on peut avoir en sortie du module. Ne pas mettre le module en cours circuit, si cela arrive, attendre qu’il face nuit noir ou recouvrir le module avec une bâche ou une couverture avant de défaire la connexion pour éviter l’arc électrique à l’ouverture.
Imp et Vmp sont les valeurs optimales que l’on peut avoir pour la puissance max, on en reparlera juste après.
Ir : Courant inverse maximal : c’est le courant de retour maximal que peut supporter le module, si l’on met un fusible de protection il doit être inférieur ou égale à ce calibre.

6_fiche_tech_suite.jpg

Les coefficients de température qui nous importe le plus est celui de la puissance. Plus la température sera importante, plus les pertes le seront. L’extrait est celui d’un module cristallin -0.45%/°C, pour un module amorphe on sera autour de -0.24%/°C.

Sur les fiches techniques on peut également trouver des informations concernant l’épaisseur du verre et son traitement ainsi que la résistance mécanique du module. Plus le verre sera épais plus il sera résistant mais plus le module sera lourd… Le type de connecteur,...

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Courbe caractéristique

7_courbe.jpg

Les modules photovoltaïques sont des semis conducteurs, leurs fonctionnements/courbes sont complexes à expliquer car non linéaire. Mais globalement, on peut noter deux choses :
- L’intensité lumineuse va faire varier le courant de sortie plus que la tension.
- La courbe un peu plus épaisse correspond au MPPT (Maximum Power Point Tracking) en français point de puissance ou fonctionnement maximal, afin de sortir la puissance la plus élevé en adaptant le rapport entre la tension et le courant du module.

8_courbe_temp.jpg

Ces courbes nous montrent l’évolution de la tension, du courant et de la puissance pour un ensoleillement constant mais avec une variation de la température de la cellule. Donc plus il fera chaud et plus il y aura du soleil et plus le module aura des pertes...

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Garantie produit et garantie de production

Sur les modules photovoltaïques, il y a 2 garanties et les fabricants jouent un peu à la surenchère :
- garantie produit, comme tout produit normalement garantie 2 ans, mais on trouve en général au moins 5 ans et certain vont jusqu’à 10 ou 12 ans.

- garantie de production : le fabricant s’engage sur la production de son module en prenant tout de même un coefficient de perte au fils des années. Le minimum que l’on trouve en général c’est 90% à 10 ans et 80% à 25 ans. Généralement la perte de production est progressive, c’est pourquoi certain fabricant commence à appliquer des garanties de production linéaire.

9_garantie.jpg

Un petit article d’un fabricant, où il n’est relevé que 8.3% de perte après 20 ans (s’il le garantisse c’est bien qu’ils ont une marge):
http://www.enerzine.com/1/14304+la-prem ... -ans+.html


Les problèmes que l’on peut avoir sur des modules :

Incendie : Faire attention au connections et au faux contact, qui créeront un arc électrique donc un échauffement. En 2012 il y a eu le cas du fabricant Scheuten qui a eu un défaut de fabrication sur ses boitiers (situé derrière les modules) où sont placées les diodes bypass et les cables de liaison.

10_risque.jpg

Snail tracks ou en français trace d’escargot en raison de l’aspect visuel laissé, il cherche encore la raison et les conséquences. Ce serait un problème de traitement antérieur du silicium, (car il est souvent utilisé du silicium recyclé) qui peut toucher les fabricants européens et chinois. Dans certain cas on constate une perte de puissance importante dans d’autre non, mystère...

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Orientation

L’orientation et l’inclinaison optimal dépend de différent paramètre. Suivant la période de l’année l’inclinaison ne sera pas la même et l’orientation dépendra du moment de la journée. Le mieux étant d’avoir le module perpendiculaire au rayon du soleil. Je reviendrais sur ce point dans la discussion : Estimation de production

Un petit tableau prévu pour les installations sur toiture et fonctionnant toute l’année, cela donne déjà un ordre d'idée :

11_inclinaison.jpg