Système Solaire Photovoltaïque (PV) lié au Réseau

La plupart des systèmes photovoltaïques sont des systèmes liés au réseau qui fonctionnent en conjonction avec l’énergie fournie par la compagnie d’électricité. Un système solaire relié au réseau dispose d’un onduleur spécial qui peut recevoir de l’énergie du réseau ou envoyer une alimentation CA de qualité réseau au réseau de services publics lorsqu’il y a un excès d’énergie du système solaire.

Système solaire PV lié au réseau

De plus, l’entreprise de services publics peut produire de l’énergie à partir de fermes solaires et envoyer de l’énergie directement au réseau.

Systèmes photovoltaïques résidentiels et de petite taille reliés au réseau

Les systèmes photovoltaïques reliés au réseau peuvent être configurés avec ou sans batterie de secours. Le système PV le plus simple lié au réseau n’utilise pas de batterie de secours, mais offre un moyen de compléter une fraction de la puissance du service public. Les principaux composants de ce système sont les modules PV et un onduleur.

Système PV résidentiel connecté au réseau (Source: Wikipedia)

Les modules peuvent être connectés en série à l’onduleur si les limites de tension ne sont pas dépassées, ou une boîte de combinaison séparée peut être utilisée pour combiner les sorties de divers modules en parallèle.

L’onduleur doit être un type spécial qui peut être connecté directement au boîtier du disjoncteur ca, il doit donc convertir le courant continu des modules PV en courant alternatif compatible avec le réseau et correspondre à la phase de l’onde sinusoïdale utilitaire.

Il doit également pouvoir déconnecter le système PV (à l’aide d’un commutateur de transfert automatique) lorsque le réseau est en panne, il doit donc s’agir d’un onduleur approuvé conforme à la norme UL 1741. Un commutateur de transfert est un commutateur automatique qui peut commuter des charges entre des sources d’alimentation alternatives sans interrompre le courant.

Un schéma synoptique de base d’un système PHOTOVOLTAÏQUE en réseau avec des modules photovoltaïques en série est illustré à la figure 1.

Comparé à un système avec batterie de secours, un système sans batterie comme celui-ci est moins coûteux, plus facile à installer et presque sans entretien. Il a l’avantage de ne pas avoir à fournir toute l’énergie nécessaire à la maison ou à l’entreprise; il peut compenser n’importe quelle fraction de l’énergie et faire en sorte que l’utilité compense la différence.

Si le réseau est fiable, comme c’est le cas dans la plupart des zones urbaines, un système sans batterie offre les meilleures performances par dollar dépensé.

Pour de nombreux immeubles de bureaux commerciaux, magasins et bâtiments industriels, un système sans batterie est logique. Ces types de bâtiments sont normalement occupés pendant la journée, ce qui correspond aux heures où la ressource solaire est disponible.

Habituellement, les modules peuvent être installés sur le toit du bâtiment ou sur une structure de stationnement, de sorte que le terrain n’est pas sacrifié pour le réseau. Le système peut être configuré de manière à ce que toute puissance excédentaire soit revendue au service public, ce qui atténue toute préoccupation concernant la capacité inutilisée du week-end ou des vacances.

Figure 1 Système solaire photovoltaïque sans batterie simplifié lié au réseau

Norme UL 1741

The Underwriters Laboratories® (UL) est un organisme indépendant de certification de la sécurité des produits qui rédige des normes de sécurité et teste la conformité des produits.

La norme UL 1741 énumère les exigences pour les onduleurs, les convertisseurs, les contrôleurs de charge et les équipements de système d’interconnexion pour les systèmes d’alimentation interactifs (liés au réseau) et pour les systèmes non liés au réseau.

D’autres normes UL sont écrites pour les modules PV et les boîtes de jonction, le câblage, les connecteurs, les batteries et les systèmes de montage. Par exemple, la norme UL 1703 spécifie des normes pour les systèmes photovoltaïques jusqu’à 1 000 V.

Les entreprises qui reçoivent la certification UL sont autorisées à afficher la marque UL sur le ou les produits.

Installation PHOTOVOLTAÏQUE résidentielle et de petite taille raccordée au réseau avec batterie de secours

Les installations photovoltaïques raccordées au réseau avec batterie de secours peuvent continuer à alimenter chaque fois que le réseau tombe en panne. Le système peut passer de manière transparente à l’alimentation de secours en cas de panne électrique. Simultanément, il déconnecte le système du réseau afin qu’il n’envoie pas de courant lorsque le réseau est en panne.

Charges de sauvegarde

Un petit système avec une capacité de sauvegarde complète de la batterie est beaucoup plus cher qu’un système sans batterie.

Une façon de réduire les coûts consiste à diviser le système en charges sauvegardées et en charges non sauvegardées, réduisant ainsi le nombre de batteries requises, économisant le coût initial et réduisant les besoins en maintenance et en espace.

Cette option nécessite de recâbler le panneau de service et de placer les charges non sauvegardées sur un panneau dédié séparément de celles qui sont sauvegardées. Essentiellement, cette option équivaut à avoir deux systèmes, mais le recâblage d’un panneau peut être une option moins coûteuse qu’un système entièrement sauvegardé.

Un système avec des charges sauvegardées et des charges non sauvegardées est illustré dans le schéma fonctionnel de la figure 2. Les panneaux sont représentés dans une boîte de combinaison, mais un agencement en série est une autre option pour connecter les modules.

Une boîte de combinaison est une boîte de connexion électrique permettant de combiner les sorties de plusieurs panneaux solaires en une seule sortie CC.

Figure 2 Système de batterie de secours simplifié pour une partie de la Charge CA

Lorsque le système est en mode interactif sur le réseau, l’onduleur prélève l’énergie des sources et l’envoie aux charges sauvegardées. Les charges principales sont alimentées directement à partir du réseau.

S’il y a plus d’énergie des modules photovoltaïques que nécessaire pour les charges sauvegardées, l’excédent est mis sur le réseau par un commutateur de transfert interne, ce qui entraîne un crédit pour le propriétaire (comptage net).

Lorsque le réseau est en panne ou hors spécification, le commutateur de transfert s’ouvre et seules les charges sauvegardées reçoivent de l’onduleur. Les charges principales dépendent uniquement du réseau, elles seront donc éteintes jusqu’à ce que l’alimentation soit rétablie.

Dimensionnement de l’onduleur PV

La taille de l’onduleur et de la batterie de secours requise pour un système partiellement sauvegardé nécessite une analyse des charges qui seront mises sur le système sauvegardé.

Pour estimer la puissance requise pour les charges de secours, la puissance de chaque charge peut être résumée sur une feuille de calcul. Les moteurs ont besoin de plus de puissance pendant le démarrage que pendant le fonctionnement, de sorte que le système doit être dimensionné en fonction de la puissance de démarrage. À partir des résultats de cette analyse, l’onduleur, y compris diverses options, peut être sélectionné. Une option consiste à utiliser des onduleurs qui peuvent être empilés.

Le terme empilement fait référence à la connexion de deux onduleurs pour fournir des sorties 120/240 V à phase divisée. Une autre option disponible sur certains onduleurs est de fournir une entrée de générateur de moteur de secours.

Batterie pour système PV

La batterie est dimensionnée en fonction du nombre de jours d’autonomie requis. La taille peut être basée sur des modèles historiques de temps où la grille est en panne.

En général, un système qui sauvegarde la grille n’est cyclé que lorsque la grille est en panne, de sorte que les considérations de dimensionnement sont différentes de celles du système sans grille, qui fait des cycles quotidiens.

Une profondeur de décharge de 80% est appropriée pour un système qui est pédalé rarement, et le nombre de jours d’autonomie est basé sur les performances du réseau plutôt que sur les conditions météorologiques.

Le cycle peu fréquent signifie que les batteries scellées peuvent être un bon choix pour un système de secours car elles nécessitent moins d’entretien que les batteries inondées.

L’inconvénient des batteries scellées est qu’elles sont plus chères et ont une espérance de vie plus courte que les batteries inondées.

Pour les systèmes de sauvegarde par batterie, des compteurs de batterie qui peuvent signaler l’état de charge sont utiles. Ces compteurs indiquent la tension, le courant et le pourcentage de charge complète.

Une autre option est un compteur de puissance qui surveille les performances du système et alerte l’utilisateur des conditions de panne.

Des études ont montré que les systèmes de surveillance encouragent la conservation de l’énergie et que des informations plus détaillées conduisent à une plus grande conservation.

Petits systèmes photovoltaïques avec Micro-onduleurs

Les systèmes présentés précédemment prennent le courant continu à un onduleur central et le convertissent en courant alternatif à ce moment-là. Une autre option qui gagne en popularité est d’utiliser un micro-onduleur à chaque module.

Un micro-onduleur est un convertisseur CC/CA dimensionné pour fonctionner avec un seul module solaire. Ainsi, il peut fournir un suivi de point de puissance maximal pour le module et une plus grande efficacité, en particulier pour des situations telles qu’un seul module ombré dont le rendement est réduit. Un système de base est illustré à la figure 3.

Chaque onduleur émet un courant alternatif compatible avec le réseau qui est synchronisé avec d’autres micro-onduleurs du système. Les micro-onduleurs sont installés en parallèle les uns avec les autres pour former un circuit de dérivation.

Les circuits de dérivation sont souvent combinés au niveau d’un sous-panneau. Le résultat est un système plus modularisé; si un module ou un micro-onduleur tombe en panne, le reste du système continue de fonctionner (à sortie réduite) car les autres micro-onduleurs sont connectés en parallèle et une source ouverte n’affecte pas le fonctionnement des autres.

Le module ou le micro-onduleur défectueux peut être réparé sans déconnecter le reste du système ; cependant, le module défectueux peut devoir être retiré pour être réparé.

Certains modules sont équipés d’un micro-onduleur intégré et de circuits pour optimiser la sortie.

Les micro-onduleurs intégrés n’ont pas accès aux circuits CC du module PV, mais ils éliminent le câblage CC, les connecteurs, les boîtes de combinaison, etc. Cela simplifie l’installation, rendant l’ensemble du système efficace et rentable. Il élimine également les circuits CC haute tension (jusqu’à 600 V), de sorte que le système de micro-onduleur est plus sûr que les systèmes haute tension avec un onduleur central.

Figure 3 Système de Micro-onduleur de base. Le courant continu de chaque module est converti en courant alternatif où il est connecté à d’autres micro-onduleurs du système.

Systèmes photovoltaïques commerciaux et institutionnels

Les systèmes photovoltaïques solaires commerciaux et institutionnels peuvent offrir des économies d’échelle et présentent souvent l’avantage d’une demande d’électricité relativement plus faible la nuit.

La plupart de ces systèmes sont conçus pour réduire la demande d’électricité d’un utilisateur plus important, comme une entreprise, une école ou une usine de fabrication, de sorte que le système est conçu pour être un système PHOTOVOLTAÏQUE relié au réseau.

Quelques systèmes sont conçus comme des systèmes hors réseau pour des applications à distance, comme un système PHOTOVOLTAÏQUE installé pour un sanctuaire marin sur les îles Farallones.

Le sanctuaire marin avait auparavant importé du diesel pour faire fonctionner des générateurs d’électricité. En plus de compléter l’énergie des services publics, une autre application pour les établissements commerciaux et institutionnels consiste à fournir une station de carburant solaire à leurs employés ou au public.

Les panneaux solaires sont montés au-dessus d’une aire de stationnement, et ils fournissent de l’énergie de charge aux véhicules électriques, une excellente adéquation de la ressource disponible au besoin (recharge des véhicules électriques). La figure 4 montre une station de carburant solaire.

De nombreuses collectivités et entités gouvernementales fournissent ces stations dans les parkings publics pour encourager l’utilisation des véhicules électriques et réduire les émissions.

Figure 4 Station de Ravitaillement solaire. Les modules solaires de cette station de ravitaillement sont utilisés pour charger des véhicules électriques.

Systèmes photovoltaïques reliés au réseau

Dans certaines régions, les services publics ont construit de grands réseaux photovoltaïques conçus pour alimenter le réseau. Les services publics ont de nombreuses considérations différentes pour la mise en œuvre de systèmes solaires photovoltaïques, car ils fournissent de l’énergie plutôt que de la consommer.

Lorsqu’une entreprise de services publics envisage d’ajouter de l’énergie solaire, le système est d’abord analysé et modélisé pour déterminer les effets, l’équilibrage de charge, le chargement de l’équipement et les problèmes de qualité de l’énergie.

Le coût global, comme tout nouveau réseau de transport et de distribution requis, et l’impact sur les installations existantes, comme la réduction des coûts du carburant, sont évalués.

Dans certains cas, il peut être plus économique de développer des systèmes distribués utilisant des panneaux solaires plus petits déployés sur des alimentateurs spécifiques pour supporter une charge supplémentaire et réduire les coûts en capital.

Les systèmes distribués peuvent également réduire les coûts liés à la ligne en raison de la puissance dissipée dans les lignes de transmission.

Questions d’examen

1. Quelle est l’exigence pour les onduleurs PV liés au réseau?
2. Quelles sont les deux raisons pour lesquelles un système PV lié au réseau n’est pas sauvegardé?
3. En quoi le dimensionnement d’un réseau de batteries dans un système PV lié au réseau diffère-t-il du dimensionnement d’un réseau de batteries dans un système sans réseau?
4. Pourquoi une surveillance constante du système est-elle utile pour un système PV lié au réseau?
5. Quels facteurs de coût les services publics devraient-ils prendre en compte pour ajouter des ressources solaires photovoltaïques qu’un propriétaire n’a pas besoin de prendre en compte?

Réponses:

1. Les onduleurs photovoltaïques connectés au réseau doivent synchroniser leur sortie avec l’utilitaire et pouvoir déconnecter le système solaire si le réseau tombe en panne.
2. (1) Un système conçu pour compléter l’alimentation du réseau et ne pas le remplacer à tout moment n’a pas besoin de sauvegarde, de sorte que l’installation est simplifiée. (2) La batterie de secours est coûteuse, prend de la place et nécessite un entretien régulier.
3. Dans un système photovoltaïque relié au réseau, la batterie ne doit remplacer le réseau que pendant les pannes, de sorte que la probabilité et la durée des pannes sont le facteur clé pour déterminer la taille de la batterie. Dans un système autonome, le facteur clé pour déterminer la taille de la batterie est la météo à l’emplacement et les perspectives de longues périodes de nuages ou de pluie qui empêcheraient le système de fonctionner au mieux.
4. La surveillance du système peut fournir des données de performance de base pour le système et aider à identifier les problèmes avec le système.
5. Certains facteurs que les services publics doivent prendre en compte sont l’équilibrage de la charge, le chargement de l’équipement, les problèmes de qualité de l’alimentation, le coût global, y compris tout nouveau système de transport et de distribution, ainsi que de nombreux autres facteurs.