Cours TP GRETA - PV Autonome [PDF]

Zitiervorschau

PHOTOVOLTAIQUE – Module Centrale Autonome Cours CA1 : Analyse structurelle

Le 30.03.10

Centrale photovoltaïque autonome

Greta 25 - Centrale photovoltaïque Autonome - Professeur M. TIMIN Jean-Louis

PHOTOVOLTAIQUE – Module Centrale Autonome Cours CA1 : Analyse structurelle

Le 30.03.10 SOMMAIRE

1/ Problématique d'une centrale photovoltaïque autonome 2/ Conseils pour la rédaction du cahier des charges 3/ Structure d’une centrale photovoltaïque autonome 4/ Les installations et leurs caractéristiques 5/ Stockage de l’énergie 5.1/ Caractéristiques des batteries 5.2/ Les types de batteries 5.3/ Batterie au plomb (Pb) 5.4/ Batterie au Nikel-Cadmium (NiCd) 5.5/ Batterie au Nickel-Métal hydrure (NiMH) 5.6/ Batteries AGM 6/ Les régulateurs de charge 6.1/ Les caractéristiques du régulateur 6.2 / Fonction des régulateurs de charge (batterie au plomb) 6.3 / Technologie des régulateurs de charge 7/ Bilan énergétique 8/ Organisme Conseils 9/ Annexes

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1/ Problématique d'une centrale photovoltaïque autonome (en site isolé) * Cahier des charges (ce qui désire le client) besoins primaires : l’éclairage, la production de froid pour la conservation des aliments ou l’utilisation d'appareils domestiques (radio, télévision,…).

* Appareils à basse consommation La maison des Baronnets Produits Serelio

* Analyse cahier des charges (ce qu’il faudrait proposer au client)

Des précautions à prendre Avant de vouloir électrifier un site isolé, il est indispensable de bien recenser ses besoins : Existe-t-il un projet de prolongement du réseau EDF dans le secteur ? Quel appareil électrique est-ce que je veux utiliser en priorité? Combien de temps par jour ? Combien de jour par an ? Ces informations servent à dimensionner le parc de batteries et la régulation du système. D’autre part l’étude des besoins permet de limiter les consommations au stricte nécessaire afin que le dimensionnement du système photovoltaïque soit réalisé au plus juste. Le coût des modules photovoltaïques et des batteries étant particulièrement élevé, l’investissement en sera ainsi minimisé.

* Stockage d'énergie

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2/ Conseils pour la rédaction du cahier des charges (www.ese.fr) Quel type de récepteurs électriques puis-je alimenter avec une installation photovoltaïque site isolé ?  L’éclairage avec des lampes à économie d’énergie et/ ou tubes fluorescents TV/ Chaîne hifi Petit électroménager Éventuellement réfrigérateurs voir congélateurs Éventuellement petit pompage

Quel type de récepteurs électriques ne peut pas être alimenté par une installation photovoltaïque site isolé ?  Chauffage électrique Ballon d’eau chaude électrique Machine à laver Sèche linge Fer à repasser Gros électroménager Faut-il stocker l’énergie produite et comment ?  Oui, il faut la stocker à travers un parc de batteries généralement composé de batteries plomb + acide, batteries ouvertes ou sans entretien. Quelle est la durée de vie des batteries ?  De 3 à 12 ans selon la qualité choisie au départ. 3 ans batterie stationnaire ordinaire 5 ans batterie stationnaire haute de gamme sans entretien 10/ 12 ans batterie stationnaire plomb ouvert tubulaire avec entretien tous les 6 mois Comment orienter les panneaux ?  Plein sud pour l’hémisphère nord Plein nord pour l’hémisphère sud De combien incliner les panneaux ?  Tout dépend de votre lieu géographique et de la période d’occupation des locaux. Pour un site France Métropole en usage 12 mois sur 12, la réponse est 60°. Quelles puissances installer?  Les petits sites isolés nécessitent de 75 à 400 Wc. Les équipements moyens de 400 Wc à 1200 Wc. L’électrification d’habitat isolé demande plus régulièrement une puissance 2000 ouverte, fermée, tubulaire, plomb, Nickel,…

Plomb, stationnaires, autres 5.1/ Caractéristiques des batteries -

Tension = 12 volt ! Ce n’est pas suffisant… (energiepropre.net)

Capacité nominale: C’est la quantité maximum d'énergie que contient une batterie (sous température idéale de 25°). Elle s’exprime en Ampère heure (Ah). Etat de charge: C’est le pourcentage de la quantité d'énergie disponible dans la batterie à un instant t. Profondeur de décharge (PDD) : C’est le pourcentage d’énergie maximum que l'on peut retirée d’une batterie. Elle ne doit pas être déchargée au-delà de cette valeur, afin de prolonger sa durée de vie. En général, on choisit PDD = 25% pour 2 jours d’autonomie ou moins, PDD = 70% pour 4 jours d’autonomie, PDD = 80% pour plus de 8 jours d'autonomie. Température : La variation de température influence le rendement de la batterie. Celle-ci a un fonctionnement idéal à température ambiante de 25°C ; Il faut donc prévoir si possible une régulation thermique pour maintenir sa durée de vie. Tension nominale: C’est la tension type de la batterie. Elle correspond aussi à la tension de fonctionnement du système autonome. Ex : Tension 12V, 24V, 48V... Taux de décharge : C’est le temps nécessaire pour décharger entièrement la batterie. Supposons une batterie de capacité de 100Ah et de courant de décharge de 5 A : Le taux de décharge sera 100Ah / 5A soit 20 heures ; Il est noté C/20. Taux de recharge : C’est la quantité de courant qu’il faut pour recharger une batterie en un temps donné (temps du taux de décharge). Supposons une batterie de 100Ah et de taux de décharge C/20 : Le taux de recharge sera 100Ah / 20h soit 5 A. Cycle et durée de vie: C’est le nombre de séquences de charge/décharge, que peut subir une batterie à sa profondeur de décharge. Il détermine les performances de la batterie et sa durée de vie. Nombres de jours d’autonomie: C’est la durée pendant laquelle la batterie peut alimenter toute seule l’installation en courant, sans être rechargée ni endommagée.

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5.2/ Les types de batteries On distingue dans les systèmes à énergie renouvelable, les batteries Acide-Plomb et les NickelCadmium. Les Nickel-Cadmium sont beaucoup plus chères et ne sont utilisées que dans des cas très particuliers (peu d’entretien). Par contre les batteries Acides-Plomb de types ouvertes et AcidesPlomb de types fermées sont les plus utilisées dans les systèmes solaires autonomes avec un coût initial bas.

Energiepropre.net

AMG (Absorbent Mat Glass) : Séparateur microporeux en fibre de verre imprégné d’électrolyte entre les plaques de plomb) VRL (Valve Regulated Lead Acid) : batteries étanches à recombinaison avec soupapes de sécurité

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5.3/ Batterie au plomb (Pb) Les batteries Pb (Plomb-acide) sont des composants développés depuis le XIXème siècle. Deux électrodes de plomb et d’oxyde de plomb sont plongées dans un électrolyte composé d’acide sulfurique dilué. En reliant les électrodes à un récepteur externe consommant du courant, les électrodes se transforment en sulfate de plomb et l’acide se dilue (Cette dilution permet d’évaluer l’état de charge de la batterie en mesurant la densité d’acide). En fournissant un courant à la batterie, l’acide se concentre et les électrodes retournent à leurs états initiaux.

Courbe de décharge

Courbe de charge (principe)

5.4/ Batterie au Nikel-Cadmium (NiCd) Les batteries Ni-Cd, onéreuse, ont une longue durée de vie (15 à 20ans) et sont employés dans des systèmes photovoltaïques particuliers quand l’accès au site est très compliqué (haute montagne, désert,…). Inconvénient de ce type de batterie est le problème de recyclage du cadmium (toxique). Exemple de caractéristiques Réalise 8 000 cycles à 15% de profondeur de décharge faible maintenance : plus de 4 ans sans remplissage spécialement dimensionnée pour des temps de décharge allant de quelques heures à quelques jours Capacités : de 45 Ah à 1110 Ah (débit C120)

5.5/ Batterie au Nickel-Métal hydrure (NiMH) Les batteries au NiMH (Nickel-Métal-Hydrure) peu polluant mais de faible capacité (quelque mAh à quelques Ah sont réservés aux applications de faibles capacités (modules < 5Wc).

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5.6/ Batteries AGM L'acronyme AGM signifie "Absorbed Glass Mat". L'électrolyte est absorbé et donc immobilisé dans des buvards en fibre de verre (boro-silicate), placés entre les électrodes. Le processus de recombinaison des gaz est différent du cas des batteries ouvertes : les molécules d'oxygène diffusent à travers les tissus-séparateurs, des électrodes positives vers les électrodes négatives pour y former de l'eau. Les alliages Pb - Ca et Pb - Ca - Sn sont utilisés pour les batteries AGM car ces alliages de plomb permettent de limiter l'électrolyse de l'eau (peu de dégazage). Inconvénients Pas d'entretien Très faible dégagement d'hydrogène Faible taux d'autodécharge (1 à 3 % par mois) Densité énergétique élevée Peux délivrer des courants de décharge importants Moins d'emprise au sol pour une même capacité que les batteries ouvertes Technologie robuste : bonne résistance aux chocs et vibrations Avantage : Durée de cyclage assez faible Diminution de la durée de vie de moitié avec une augmentation de la température de 8°C

5.6/ Batterie gel Les batteries gel ont de très bonnes performances en cyclage et acceptent les décharges profondes. Les batteries gel peuvent même être laissées complètement déchargées sans que cela ne pose de problème. Par contre elles tolèrent moins les forts courants de charge/décharge que les batteries AGM. Pas de dégagement gazeux, résistantes aux chocs. L'autodécharge faible 1 à 3 % par mois (contrairement à une batterie normale acide plomb qui se décharge très vite, si on ne l'utilise pas un certain temps). La durée de vie est accrue donc le prix d'achat est rentabilisé sur la durée sans compter le gain en performance. Comme l'électrolyte est Gélifié (GEL) elle est étanche et le transport en est beaucoup plus aisé et sans danger en n'ayant pas de liquide qui puisse couler. Les Gélifiées sont très peu sensible aux effets dommageables du gel.

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6/ Les régulateurs de charge 6.1/ Les caractéristiques du régulateur On rencontre les régulateurs de charge/décharge indiqués pour les applications domestiques où des dépassements de consommation sont prévus, et ceux uniquement de charge qu'on utilise que lorsque le système ne présente aucun risque de décharge accidentelle. Les autres fonctions du régulateur peuvent être la surveillance et la sécurité de l’installation, la recherche du point maximal de puissance ou la commande de recharge de la batterie par d’autres sources. Tension nominale: Elle doit pouvoir supporter la tension en circuit ouvert du panneau PV à soit environ deux fois sa propre tension nominale. Courant d’entrée: C’est le courant de charge maximum provenant des panneaux et que le régulateur peut contrôler sous une tension donnée. Choisir 1.5 fois le courant de court-circuit des panneaux PV pour un régulateur shunt et 1.5 fois le courant nominal des panneaux PV pour un régulateur série. Courant de sortie: C’est le courant maximum que tirent les appareils branchés simultanément. Courant de pointe: c'est le courant transitoire de certains appareils (Ex : Les réfrigérateurs) que doit supporter le régulateur. Généralement il est égal à 3 fois le courant transitoire. Protection: Les conducteurs arrivant au régulateur doivent être protégés contre les surcharges, l’inversion de polarité et l'augmentation de température.

6.2 / Fonction des régulateurs de charge (batterie au plomb) Contrôle de la charge La tension d’une batterie chargée à courant constant augmente de façon linéaire jusqu’à ce qu’elle atteigne pratiquement la fin de charge où soudainement elle augmente beaucoup plus rapidement lorsque sa matière active est presque complètement transformée et où l’électrolyte commence à libérer des gaz. Cette gazéification est la décomposition de l’eau de l’électrolyte en hydrogène et oxygène et correspond en fait à une électrolyse. Si on laisse durer ce phénomène, la batterie deviendra surchargée, ce qui accélérera la corrosion du plomb, fera perdre de l’électrolyte et endommagera les plaques de plomb. La fonction principale du régulateur est gérer cette surcharge. Les inconvénients (gazéification, sulfatation, Egalisation Lors des cycles de charge/décharge, pour faire face aux différences de capacité entre les cellules, aux variations de température entre cellules, les variations d’auto décharge, il est recommandé d’effectuer une charge d’égalisation qui va permettre la charge complète de toutes les

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cellules de la batterie (environ une à deux charges d’égalisation par an). Peu recommandée pour les batteries fermées !

Contrôle de la décharge Permet d’éviter la décharge profonde de la batterie nuisible pour sa durée de vie. Un circuit de délestage permet de déconnecter les récepteurs lorsque la tension de la batterie est descendue au-dessous d’un seuil critique. Seuil choisi en fonction de la durée de vie espérée, la température ambiante et le niveau de courant. Délestage Trois critères permettent de choisir En cas de grand froid (