TP Dimensionnement Des Installations Photovoltaïques [PDF]

Zitiervorschau

Université Mohammed V de Rabat École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers de Rabat

DEPARTEMENT : Génie Electrique (3ème Année FI EEIN)

TP : Dimensionnement Photovoltaïque par PVSyst

Année universitaire 2021-2022

S. El Hani/I.Aboudrar

I.

TP : Dimensionnement Photovoltaïque par PVSyst

Objectifs du TP Il s’agit d’effectuer l’étude et le dimensionnement des installations photovoltaïques à

l’aide du logiciel de simulation PVsyst (logiciel utilisé dans l’industrie pour effectuer le dimensionnement de ce type de systèmes). Une des difficultés majeures de la production d’électricité à l’aide d’une installation photovoltaïque est son caractère aléatoire. En effet, beaucoup de paramètres tels que la météo, la situation géographique, l’orientation et l’inclinaison des panneaux solaires, peuvent pour un système donné fournir des résultats très différents. Pour maitriser au mieux ces paramètres très fluctuant, nous utiliserons le logiciel PVsyst. Pour la démonstration du logiciel, le système que nous nous proposons d’étudier est une installation domestique autonome situé à Rabat. La consommation journalière de cette maison est donnée par le tableau suivant, le client désire avoir une autonomie de 3 jours. Appareils Électriques

Puissance Unitaire (en W)

Durée d'utilisation Journalière

10 lampes

10 W

5 h/jour

1 Ordinateur

70 W

3 h/jour

1 Réfrigérateur

200 Wh/jour

24 h/jour

2 Télévision

50 W

4 h/jour

1 Machine à Laver

1000 W

2 h/jour

1 Micro-Onde

1000 W

0.5 h/jour

1 Fer à Repasser

800 W

0.5 h/jour

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II.

TP : Dimensionnement Photovoltaïque par PVSyst

Présentation du logiciel PVsyst

Figure 1 : Présentation de PVsyst PVsyst est un logiciel de pré dimensionnement, conçu pour être utilisé dans le domaine du photovoltaïque pour la conception et le dimensionnement du système. Il propose plusieurs manières de modéliser un système PV (système autonome ou raccorder au réseau); comme il propose plusieurs technologies des cellules PV et des batteries ainsi que les différents fabriquant de ces derniers. Pour notre étude on a choisi un système isolé avec des batteries. La simulation d’un système sous PVsyst nécessite plusieurs étapes qui se succèdent l’une après l’autre.

III.

Dimensionnement d’un système PV autonome

Une installation photovoltaïque autonome doit ˆêtre capable de fournir de l’énergie, y compris lorsqu’il n’y a plus de soleil, il faut donc qu’une partie de la production journalière des modules photovoltaïques soit stockée.

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Figure 2 : Composantes d’un système photovoltaïque autonome

A.

Composantes de base d’un système photovoltaïque autonome

❖ Champ photovoltaïque : Un champ photovoltaïque est l’assemblage de deux ou plusieurs modules photovoltaïques on les branches en série afin d’augmenter la tension d’utilisation et en parallèle afin d’augmenter le courant.

✓ Caractéristiques : ▪ ▪ ▪ ▪ ▪

Pc : Puissance crête d’un module photovoltaïque en Wc. Impp : Courant au point maximum de puissance. Vmpp : Tension au point maximum de puissance. Vco : Tension de circuit ouvert d’un module photovoltaïque. Icc : Courant de court-circuit d’un module photovoltaïque.

❖ Convertisseur (onduleur) : La fonction principale de l’onduleur est de transformer le courant continu, issu d’un panneau solaire en courant alternatif.

✓ Caractéristiques : ▪ ▪ ▪ ▪

η : Rendement Ue : Tension d’entrée V (DC). Us : Tension de sortie V (AC). Pond : Puissance (W).

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❖ Régulateur de charge : Il permet en effet d’assurer la charge complète de la batterie et prévient de tout risque de surcharge de celle-ci en stoppant l’alimentation de cette dernière lorsque cela s’avère nécessaire.

✓ Caractéristiques : ▪ ▪ ▪ ▪

Ureg : Tension (V). Iereg : Courant d’entrée (A). Isreg : Courant de sortie (A). Preg : Puissance (W).

❖ Batterie : D’une part, il sert à stocker de l’énergie sous forme chimique, et d’autre part, de la restituer sous forme électrique (décharge de la batterie).

✓ Caractéristiques : ▪ ▪ ▪ ▪

U : Tension nominale (V). Cbat : Capacité nominale en (Ah). D : Décharge maximale admissible. Durée de vie : Nombre des cycles charges-décharges.

❖ Câbles : Un fil électrique se compose d’une âme conductrice, rigide ou souple, enrobée d’un isolant. L’âme peut être en cuivre, cuivre nickelé ou nickel (métal blanc).

✓ Caractéristiques : ▪ ▪ ▪

B.

ρ : est la résistivité du câble en Ω.m L : est la longueur du câble en (m). I : est le courant qui traverse le câble en (A).

Comment dimensionner un système PV autonome ?

❖ Etape 1 : Détermination des besoins de l’utilisateur ▪ ▪ ▪

Bilan de consommation journalière Facture ´électrique mensuelle Contrôle horaire de consommation électrique

❖ Etape 2 : Détermination de la puissance crête à installer ▪

La puissance crête des capteurs photovoltaïques est déterminée en fonction des besoins en énergie électrique Bj (en KWh/j) et de l’irradiation journalière Hmin (en KWh/m².j) 𝑃𝑐 =

▪

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑗𝑜𝑢𝑟𝑛𝑎𝑙𝑖è𝑟𝑒 𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑛𝑒 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑛𝑐𝑒 × 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙𝑒

Calcul du nombre des panneaux à installer 𝑁𝑏 =

𝑃𝑐 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑐𝑟ê𝑡𝑒 𝑑 ′ 𝑢𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢

❖ Etape 3 : Détermination de la capacité des batteries 𝐶𝑏𝑎𝑡 =

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑗𝑜𝑢𝑟𝑛𝑎𝑙𝑖è𝑟𝑒 × 𝐽𝑜𝑢𝑟𝑠 𝑑′𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑒 𝑃𝐷𝐷 × 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑑𝑒𝑠 𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒𝑠 × 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡

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❖ Etape 4 : Choix du régulateur : On sépare souvent pour ce calcul les 2 fonctions du régulateur : la charge et la décharge. ▪

▪

▪

▪

Le dimensionnement de la régulation de charge (à l’entrée) est en fonction de la puissance du générateur donc du courant produit par les modules (courant de charge). Le dimensionnement de la régulation de décharge (la sortie) est fonction de la puissance totale des récepteurs donc du courant consommé par ces récepteurs (courant de décharge ou courant d’utilisation.) L’intensité admissible du courant d’entrée du régulateur doit être supérieure à la valeur maximale produite par le générateur. 𝐼𝑟é𝑔 ≥ 𝑁𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔 × 𝐼𝑚𝑝𝑝 La tension de régulateur doit ˆêtre presque égale à la tension de système. 𝑈𝑟é𝑔 ≈ 𝑈𝑠𝑦𝑠

❖ Etape 5 : Choix de l’onduleur ▪

La puissance d’onduleur est supérieure strictement à la puissance de système. 𝑃𝑜𝑛𝑑 > 𝑃𝑠𝑦𝑠

❖ E´tape 6 : Choix de câblage ❖ E´tape 7 : Étude de rentabilité de système ...

Les étapes de la simulation d’un système PV autonome sous PVsyst A. Désignation du projet IV.

Le projet inclut principalement la définition du site géographique et le fichier météo horaire. Par ailleurs, on peut construire plusieurs variantes du système à étudier.

Figure 3 : Désignation du projet dans PVsyst

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B.

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Les paramètres du site

Dès le lancement de la simulation du système étudié, la fenêtre indiquée sur la Figure 3 s’affiche. Ainsi, l’utilisateur introduit les coordonnées géographiques relatives au site concerné, ce qui permit d’avoir toutes les informations nécessaires du gisement solaire.

Figure 4 : Coordonnées géographiques du site Rabat Hay Riad La figure 5 ci-dessous nous donne les moyennes mensuelles des irradiations globales et diffuses ainsi que celles des températures et la vitesse du vent pour la base de données de Meteonorm 7.2.

Figure 5 : Données Météorologiques mensuelles de Rabat Hay Riad

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Par ailleurs, la Figure 6 nous montre la trajectoire du soleil à chaque heure de la journée pendant les mois de l’année selon les deux coordonnées : l’azimut (angle avec la direction du sud, compté négativement vers l’Est) et la hauteur du soleil (angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu).

Figure 6 : Diagramme de la trajectoire du soleil Exemple : si on désire lire la position du soleil le 20 juin à 9h, il suffit de trouver l’intersection de la ligne 2 et 9h, le résultat est : -90° (90° ouest) et 42° (la hauteur est 42°).

C.

Orientation des panneaux

Afin de pouvoir estimer les angles optimaux d’inclinaison des modules photovoltaïques dans cette région pour lesquelles le gain énergétique est amélioré, nous avons opté pour une inclinaison de 33°.

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Figure 7 : Orientation des panneaux

D.

Détermination des besoins électriques

En mode « autonome », PVsyst dispose d’une fenêtre où nous choisirons la consommation estimée. Les appareils d’une habitation diffèrent selon le type, la consommation électrique et le temps d’utilisation. PVsyst donne l’estimation de la consommation journalière et mensuelle moyenne. Dans le cadre de notre étude et selon la figure 8, les résultats obtenus sont comme suit : ❖ La consommation électrique journalière : 4234 Wh/jours ❖ La consommation électrique mensuelle : 127 kWh/mois

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Figure.8 : Calcul des besoins électriques Maintenant on va configurer la fenêtre du système dans laquelle nous allons dimensionner notre champ PV, les batteries de stockages et nous allons choisir le type l’onduleur à utiliser dans cette application. On voit au haut de la figure suivante que le logiciel nous recommande d’installer une puissance crête de 1053 Wc, une capacité de batterie 623 Ah avec une tension d’alimentation de 24V pour la durée d’autonomie requise (dans notre cas c’est 3 jours).

Figure.9 : Caractéristiques recommandées

E.

Dimensionnement du parc de batteries

On a choisi des batteries acides au plomb gel pour le stockage d’énergie ; Ainsi, selon la figure 10, pour une tension DC de 24 V et une durée d’autonomie de trois jours le nombre de batteries nécessaires pour un tel système photovoltaïque est de 6 batteries (2 en séries de 3 chaines). La capacité totale du parc de batteries est de 717 Ah, pour assurer une énergie électrique suffisante pendant les journées peu ou non ensoleillées.

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Figure 10 : Dimensionnement du parc de batteries Les caractéristiques des batteries utilisées sont données dans la figure suivante.

Figure 11 : Les caractéristiques de la batterie

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F.

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Dimensionnement du champ PV

Plusieurs technologies existantes pour les modules PV ; pour cela le dimensionnement du module est basé selon plusieurs critères comme les besoins électriques de l’installation et le choix d’une technologie qui réduit au maximum le nombre de batteries sans avoir un manque d’énergie. Ainsi, comme c’est indiqué sur la figure 12 le type de module choisi dans le cas de cette présente étude est de type : LG385 N 2T-A5.

Figure 12 : Dimensionnement du champ PV La figure suivante représente les caractéristiques du panneau choisi.

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Figure 13 : Les caractéristiques du module PV

G.

Le choix du régulateur

Le régulateur le plus utilisé dans la technologie du photovoltaïque est le MPPT. La figure 14 montre les caractéristiques électriques du régulateur MPPT.

Figure 14 : Les caractéristiques du régulateur MPPT

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H.

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Le choix de l’onduleur

Le choix de l’onduleur (Annexe D) n’est pas configuré sur PVsyst, pour cela on a opté pour un onduleur choisis par rapport à trois critères : ▪ ▪

▪

I.

La tension d’entrée de l’onduleur doit être la même tension de sortie du régulateur, qui est 24V. Sa puissance doit être supérieure égale ou à la puissance maximale journalière du besoin plus 30% de cette dernière. Soit : 1,6 kW + 30% = 2 kW Le rendement est de 95%.

Etude Economique

La section investissements et charges de l'évaluation économique définit toutes les charges initiales et les coûts de fonctionnement du système afin de calculer l'investissement total, le coût annuel et le coût énergétique. Les coûts peuvent être définis globalement, par pièces, par Wc installés ou par m². Vous pouvez travailler avec n'importe quelle devise, et passer de l'une à l'autre par une sélection dans la zone de liste. Le bouton "Tarifs" permet d'ajuster leur parité relative. En choisissant l'un d'eux comme référence, vous pouvez modifier manuellement ou télécharger depuis Internet les taux de change ou ajouter de nouvelles devises.

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Figure 15: Etude économique

Exercice d’application : Système autonome Chefchaouen

J.

Exercice I : Dimensionnement d'un system autonome à Chefchaouen ❖ Site :

▪

Température : Chefchaouen (voyez les données de radiation du PVGYS et NASA)

▪

Type d'installation demande : autonome

▪

Type de champ : plan incliné fixe

▪

Optimisation par rapport à irradiation annuelle (consommation pendant toute l'année)

▪

Consommation 7 jours par semaine

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▪

Jours d'autonomie : 2 jours

▪

LOL :1%

▪

Inclination de toit : 15° et Azimut -5°

Donnés de consommation : on va gérer électricité par une maison isolée et garder part de l'énergie produite dans les batteries pour faire la consommation par la nuit ❖ Bilan des besoins Énergétiques : Appareil de Consommation Puissance Eclairage : Lampe à basse consommation 11 W Lampe à basse consommation 15 W Fluorescente 18 W Communications et audiovisuels Télévision 150 W Radio 35 W Electroménager Ordinateur Portable 60W Machine à Laver 600W Electroménager du Froid Réfrigérateur-congélateur 200 W Autres Petits appareils 200 W Micro-onde 600 W Chauffage 150 W

Quantité

h/jour

4 4 6

1H 1H 2H

1 0

2H 1H

3 1 utilisation / semaine

2H 350Wh/7j

1

1000 Wh/j

1 1 1

0.5 H 0.2 H 4H

❖ Travail Demandé : i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii. ix.

Choisir le site sur PVSYST et importer la base donnée de Chefchaouen par NASA. Donner la trajectoire du soleil pour le site de Chefchaouen. Choisir l’orientation des panneaux (selon le cahier de charge) et interpréter les pertes par rapport à l’optimum. Remplir les besoins utilisateur et donner la distribution horaire (interpréter les résultats). Faire le choix de la tension du système, LOL et les jours d’autonomie. Choisir des batteries à plomb et leur configuration (2V par batterie). Faire le choix du module PV, du régulateur et de l’onduleur. Faire un bilan économique de l’installation. Vérifier les Résultats de la simulation (Rapport, Tableaux et Diagramme d’entrée/sortie journalière).

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Dimensionnement des installations photovoltaïques couplées au réseau V.

A.

Principe d’autoconsommation photovoltaïque

L’autoconsommation photovoltaïque consiste à raccorder la centrale solaire sur le réseau privé du propriétaire dans l’objectif de consommer localement la production solaire. Il reste nécessaire d’être raccordée au réseau puisqu’il ne s’agit pas d’une installation autonome.

Figure 16: Composant d’un système photovoltaïque d’autoconsommation ❖ A : Panneaux solaires : Les panneaux solaires sont généralement installés sur le toit. Ces panneaux solaires sont constitués de cellules photovoltaïques qui convertissent la lumière solaire en courant continu.

❖ B : L’onduleur : L’onduleur est un appareil qui transforme le courant continu produit par les panneaux en courant alternatif compatible avec le réseau électrique de la maison.

❖ C : Compteur électrique de production : Le compteur électrique de production mesure l’énergie produite par les panneaux solaires.

❖ D : Le compteur de consommation : Suivi de la performance de l’installation en temps réel (à la distance).

❖ E : Raccordement au réseau électrique L’objectif de l’autoconsommation photovoltaïque est d’alléger la demande en énergie en provenance du réseau public. Ce type de système est ainsi dimensionné en fonction des consommations du site et notamment du profil de charge au cours de la journée. L’enjeu du dimensionnement est donc de trouver la solution optimale pour maximiser les économies, tout en limitant la réinjections de surplus non valorisé.

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Figure 17: Superposition de la courbe de génération et la courbe de consommation

➢ On d´définit ainsi deux indicateurs clés de ce type de projet : ▪

Le taux de couverture solaire : c’est la proportion de la consommation du site en provenance du solaire. Le taux d’autoconsommation : c’est la proportion de la production solaire totale consommée sur place.

▪

Le principal avantage de l’autoconsommation photovoltaïque pour le propriétaire est la réduction de sa facture d’électricité et un d´début de l’indépendance ´énergétique : en effet une partie de la facture énergétique globale voit son coût fixé sur 20 ans et ne subit pas les augmentations inévitables du coût de l’énergie conventionnelle. L’autoconsommation photovoltaïque est également une réponse à la problématique de l’intégration des installations au réseau : en effet, de par son dimensionnement, la production solaire est en adéquation avec la charge du site et la réinjections sur le réseau est ainsi limitée.

B.

Comment dimensionner un système PV d’autoconsommation ?

❖ Etape 1 : Détermination des besoins de l’utilisateur ▪ ▪ ▪

Bilan de consommation journalière Facture électrique mensuelle Contrôle horaire de consommation électrique

❖ Etape 2 : Détermination de pourcentage d’énergie à produire à partir de l’installation photovoltaïque ▪

Généralement on essaye de produire toujours moins que ce qu’en consomme pour ne pas perdre de l’énergie, sauf si l’excès d’énergie est injecté au réseau.

❖ Etape 3 : Détermination de l’énergie journalière à produire par l’installation PV 𝐸𝑝 =

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑗𝑜𝑢𝑟𝑛𝑎𝑙𝑖è𝑟𝑒 𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑛𝑒 𝑝𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑑 ′ é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑒𝑛 𝑃𝑉

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TP : Dimensionnement Photovoltaïque par PVSyst

❖ Etape 4 : Détermination de la durée d’ensoleillement moyenne (annuelle, mensuelle, mois le plus défavorable ...) ❖ Etape 5 : Détermination de la capacité du système PV 𝑃𝑝 =

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑗𝑜𝑢𝑟𝑛𝑎𝑙𝑖è𝑟𝑒 𝑃𝑉 𝐷𝑢𝑟é𝑒 𝑑′𝑒𝑛𝑠𝑜𝑙𝑙𝑒𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡

❖ Etape 6 : Détermination du coefficient du performance ❖ Etape 7 : Calcul de la puissance crête à installer 𝑃𝑐 =

𝑃𝑝 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑢 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑛𝑐𝑒

❖ Etape 8 : Calcul du nombre de panneaux 𝑁𝑏 =

𝑃𝑐 𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑐𝑟ê𝑡𝑒 𝑑 ′ 𝑢𝑛𝑝𝑎𝑛𝑛𝑒𝑎𝑢

❖ Etape 9 : Dimensionnement de la partie électrique ❖ Etape 10 : Etude de rentabilité de système ...

Exercice d’application : Dimensionnement d’un système couplé au réseau au Marjane Tanger Medina

C.

❖ Site :

▪ ▪ ▪

Irradiance et Température : Tanger (Voir les données sur PVsyst Meteonorm 7.2) Type d’installation demandé : couplé au réseau Type de champ : sheds sur toit (limité seulement par l’espace)

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▪ ▪

TP : Dimensionnement Photovoltaïque par PVSyst

Donnés de consommation : on va allumer les bureaux du supermarché Marjane et vendre les excédents générés. Puissance à installer : 6 KWc

❖ Travail Demandé : x. xi. xii. xiii. xiv. xv.

Choisir le site sur PVSYST et importer la base donnée de Marjane Tanger Medina par Meteonorm 7.2. Donner la trajectoire du soleil pour ce site et le tableau d’irradiation mensuelle. Choisir l’orientation des panneaux. Faire le choix du module PV et de l’onduleur. Faire un bilan économique de l’installation. Vérifier les Résultats de la simulation (Rapport, Tableaux et Diagramme d’entrée/sortie journalière).