rapport BE bethune energie renouvelable 07-08

Projet en énergie
Renouvelable
Creuze Maxime, Francq Benoît, Lemaire Loïc, Toulotte
Antoine
IUT de Béthune
Introduction
Les supports de panneaux solaires
Installations panneaux solaires
Calcul de l’angle d’inclinaison
Calcul des dimensions du châssis
Plan de construction du châssis
Les supports d’instrumentations
Le support de rétrocession réseau
Le support de recharge batteries
La carte du régulateur de charges
Tests et dépannages
Bilan du Bureau d’étude
Introduction
On demande de réaliser une installation photovoltaïque afin d’alimenter deux
systèmes électriques :
- un stockage sur batteries d’accumulateurs.
- un renvoi sur le réseau alternatif de l’IUT à l’aide d’un onduleur de
rétrocession.
Les deux systèmes seront bien séparés dans le laboratoire et les constituants bien
identifiés. Pour mener à bien ce bureau d’étude, étant quatre étudiants, nous nous
sommes répartis le travail :
Maxime Creuze s’est chargé du montage de la structure des panneaux solaires afin
de les fixer sur le toit.
Antoine Toulotte s’est chargé du montage de la maquette de rétrocession réseau.
Loic Lemaire s’est chargé du montage de la maquette en alimentation autonome.
Benoît Francq s’est occupé de la carte du régulateur de charge pour la maquette en
alimentation autonome.
Nous nous sommes réparti le travail, mais nous nous sommes entraidés pour que le
résultat du bureau d’études soit le fruit de nous tous.
Les supports de panneaux solaires
Installations panneaux solaires :
Nos installations photovoltaïques vont être utilisées comme maquettes pour les travaux
pratiques qui se dérouleront au mois de février. Le but est d’avoir une utilisation maximal
des panneaux solaires, pour cela il faut que le plan de réception du rayonnement solaire
soit perpendiculaire au rayons lumineux, si ce n’est pas le cas l’énergie reçu par unité de
surface est moindre. Pour obtenir les meilleures performances possibles nous avons donc
décidé d’incliner les panneaux solaires.
Calcul de l’angle d’inclinaison :
Notre université se situe à Béthune qui est dans le nord de la France. Béthune se situe à
50.4° en latitude. Une fois la l’attitude trouvé gr âce au site internet :
http://sunbird.jrc.it/pvgis/ nous avons trouvé la hauteur angulaire du soleil par rapport à
l’horizon qui est de 26° pour le mois de février en début d’après-midi. Une fois la hauteur
angulaire obtenue nous en déduisons l’angle d’inclinaison des panneaux.
Calcul des dimensions du châssis :
Connaissant l’angle ainsi que la longueur d’un panneau on en déduit la longueur du châssis,
sin(26°)=BC/AB
BC=sin (26)*AB=sin (26)*950=416 mm : attention il y a un écart entre le mur et les panneaux à cause de
l’angle.
AB=
A
AC=
=
=854mm
26°
854
950
C
B
416
Plan de construction du châssis :
VUE DE COTE
Angle de 26° en
aluminium de
5mm²
Tube 40*40
en aluminium
Mur
orienté
coté
sud
Plat en aluminium
de 5mm² d’une
longueur de 46
Nous avons eu des difficultés à plier l’aluminium pour obtenir un angle de 26°, il faudrait
trouver une autre solution pour les prochains supports.
Nos installations constituent un total de 36 panneaux solaires, nous avons donc décidé de
faire 6 supports de 6 panneaux. Nous avons choisis cette solution car l’assemblage des
panneaux solaires à pu être réalisé dans l’atelier et la fabrication de plus grand support
aurai augmenté la prise d’air sous les panneaux.
VUE DE FACE
31,75c
31,75c
31,75c
31,75c
31,75c
31,75c
1m
40mm
40mm
2m
Barre de 1m
d’aluminium de
5mm²
Les supports d’instrumentation
Le support de rétrocession
Cette maquette doit renvoyer l’énergie produite par les panneaux solaires sur
le réseau. Pour ce faire, nous utilisons un onduleur de rétrocession associé à
différent éléments de protections afin d’assurer la sécurité des personnes et
des constituants.
Calcul du nombre de panneaux :
On nous demande de réaliser une installation photovoltaïque capable de
rétrocéder une puissance de 250 watts.
Pour ce faire nous disposons :
- d’un onduleur de rétrocession de 250 watts de la marque Gridfit.
-de panneaux solaires du type FEE-14-12 :
-
puissance crête :
12 watts
courant en charge :
0.75 ampères
courant de court-circuit : 0.90 ampères
tension de circuit ouvert : 22 volts
On a donc :
250Wdemandé ÷ 12Wfourni = 20,833 panneaux solaires
On obtient ainsi 21 panneaux, avec une marge de sécurité comte tenu des
salissures, prendre 24 panneaux pour l’installation de rétrocession réseau.
Les constituants du système sont les suivant :
-un onduleur synchrone 24Volts DC- 230Volts AC 50Hz
-un compteur d’énergie monophasé de la marque ULYS
-un disjoncteur magnétoélectrique 16 Ampères
-un ampèremètre indiquant le courant des panneaux solaires
- fiches bananes femelles (points de mesures)
Calcul du prix de l’installation de rétrocession réseau :
Description de l’installation :
Arrivée des
panneaux solaires
et points de mesures
Points de
mesures tension
et courant
Disjoncteur
magnétoélectrique
calibre 16 A
Ampèremètre 20 A
Il mesure le
courant total
provenant des
panneaux solaires.
Onduleur
synchrone :
24Volts DC/230
Volts AC
Compteur d’énergie
Mesure la puissance
retransmise au
réseau.
Retour réseau et
points de mesures
Explication du système :
Nous avons branché en parallèle 6 panneaux solaires. Pour ce système nous
avons 4 groupes de 6 panneaux, ce qui donne au total les 24 panneaux solaires
nécessaires à l’onduleur. Cet onduleur à besoin d’une alimentation de 24 volts. Pour ce
faire nous mettons en parallèle 2 groupes de panneaux. Ces 2 groupes de panneaux sont
mis en série avec les 2 autres groupes de panneaux : on obtient donc bien une tension de
24 volts. La mise en série des panneaux se fait sur la maquette dans le laboratoire
d’électrotechnique.
Le disjoncteur de départ protège les groupes panneaux, un ampèremètre a été
placé en amont des systèmes d’utilisation afin de visualiser le courant fourni par les
panneaux solaires. Pour obtenir cet ampèremètre nous avons utilisé un shunt 20A/100mV.
shunt
20A/100mV
Le système de renvoi au réseau est équipé d’un compteur d’énergie, celui-ci
permettra de d’indiquer la quantité d’énergie renvoyée sur le réseau de l’IUT.
Pour le relier, il suffit de brancher des câbles sur les bornes de la maquette signalé
par l’étiquette réseau et sur les bornes d’alimentation des tables du laboratoire
d’électrotechnique.
La section maximale des conducteurs de l’installation est de 2,5 mm². En effet nous
disposons de 24 panneaux solaires soit un courant égal à 12x0,75=10,8A.
En se prenant une densité de courant de 4 à 5 A/mm², on obtient une section de 2,16 mm²
soit 2,5mm² en valeur normalisé. La section des conducteurs est la même sur toute la
maquette.
Schéma électrique du système :
Le support de recharge batteries
• Description de la maquette
Cette maquette, qui comme son nom l’indique, a pour fonction de
venir recharger 2 batteries, afin de pouvoir alimenter une charge
continu 12V ou alternative 230V 50Hz.
Celle-ci sera connecté à 12 panneaux solaires montés en parallèle
ainsi qu’à une éolienne afin d’obtenir un courant maximum.
Calcul du courant à l’entrée de la maquette
Puissance de l’éolienne
12 panneaux
montés parallèle
P= (1/2)*D^2*V*3
P= (1/2)*0.21^2*6^3
Caractéristiques d’un
panneau
P= 28.09W
Calcul du courant
U0 :22V
Soit
Ie=P/U=28.09/12=2.34A
ICC : 0.9A
I à 16V :0.75A
I
e
I
p
D’où Ip total= 0.75*12=9A
I
I = Ie+Ip=2.34+9=11.34 A
Sur la maquette, juste après l’arrivée de l’énergie nous allons trouver
deux disjoncteurs dont les calibres seront déterminés à la page
suivante.
Comme nous le savons, les énergies solaire et éolienne sont des
énergies inusables, ce qui fait leurs intérêts, ce qui veut dire qu’ils
fournissent de l’énergie constamment or nos batteries, une fois
chargées à 100%, ne peuvent continuer à être chargées sous peine de
surcharge. C’est donc pour cela qu’un régulateur de charge a était
placé.
En aval de celui-ci nous y retrouvons un
disjoncteur ainsi que deux batteries branchées
en parallèle par rapport au circuit principal.
Ces batteries ont pour caractéristiques 12V 105Ah. Elles permettront
d’alimenter soit le circuit continu soit de venir alimenter un onduleur de
puissance 500w et dont son rôle sera de convertir le 12V continu en
230V alternatif.
A sa sortie, on constate la mise en place d’un disjoncteur ainsi qu’une
lampe témoin permettant de visualiser la présence du 230V
• Vue globale de la maquette
Circuit
éolienne
Circuit
panneaux
solaires
Disjoncteu
r 5A
Disjoncteu
r 16A
Régulateu
r de
charge
Mesure tension
batterie
Mesure du
courant
débité par la
batterie
Onduleur
autonome
Disjoncteur 63 A
Disjoncteur
différentiel
30mA
Continu
12V
Alternatif 230V~
50hz
• Choix de la section des câbles et des calibres des
disjoncteurs
Circuit éolienne
I=2.34A
1A >>6mm2
Soit une section
de 1mm2
(2.34/6=0.39m
m2) et un
disjoncteur de
5A
Circuit panneaux
Icc=0.9A par panneaux
Ip total=0.9*12=10.8A
Soit une section de 2.5mm2
(10.8/6=1.8mm2) et un disjoncteur
de 16A
I batterie= 50A
Soit une section
de 10mm2
(50/6=8.33mm)
et un
disjoncteur de
63A
Puissance de l’onduleur
=500W
I =500/230=2.2A
Soit une section de 2.5mm2
et un disjoncteur différentiel
de 16A
• Galvanomètres et bornes permettant
certaines mesures
Permet de
mesurer le
courant
provenant de
l’éolienne
Permet de
mesurer le
courant
provenant
des
panneaux
Permet de
mesurer la
tension aux
bornes de
l’éolienne
Permet de
mesurer la
tension aux
bornes des
panneaux
Galvanomètre
permettant la
mesure du
courant débité
par la batterie
Galvanomèt
re
permettant
la mesure de
la tension au
niveau de la
batterie
Permet de
mesurer la tension
aux bornes du
continu
Permet de
mesurer la
tension aux
bornes de
l’alternatif
• Prix de revient de la maquette
désignation
onduleur autonome AJ-600-24
disjoncteur différentiel 10A / 30 mA
disjoncteur 63A
disjoncteur 16A
disjoncteur 5A
douille banane noire
douille banane bleue
douille banane rouge
douille banane jaune/vert
panneau solaire FEE-14-12
batterie solaire STECO 3000
Batterie solaire STECO 3000
quantité prix unitaire prix totale
1
390,6
390,6
1
0
1
1
24,03
24,03
1
9
0,6035
5,4315
1
0,6035
0,6035
10
0,6035
6,035
1
0,6035
0,6035
12
48,3
579,6
2
66,91
133,82
Total H.T.
T.V.A. 19,6%
total TTC
1140,7235
223,581806
1364,30531
La carte du régulateur de charges
Pour le projet, cette partie a été en grande majorité de l’électronique : plusieurs cartes concernant
la régulation des batteries alimentées par des panneaux solaires de l’installation autonome.
Pour ce système les cartes sont en tous points similaires à l’exception d’un ajout de deux
résistances qui émettent de la chaleur provenant du surplus d’énergie émis par les panneaux ;
ainsi les batteries restent chargées à leur tension maximale et les panneaux continuent de débiter.
Toutefois nous avons été confrontés à un problème au niveau des cartes. Lors des tests
concernant les tensions et plus particulièrement pour le réglage de la tension de seuil des
batteries, nous nous sommes rendu compte que nous n’arrivions pas à descendre celle-ci à la
tension réglée de 13.8V grâce à la résistance réglable.
Pour se faire nous avons fait appel à note tuteur Mr Favier afin de régler ce léger problème. Nous
avons essayé de changer une des résistances afin de pouvoir abaisser la tension de batterie mais
en vain cela ne venait pas de là. Ce n’a été que le lendemain que Mr Favier à trouver la solution
qui se trouvait au niveau des pattes 2 et 3 du comparateur LM311 qui permet de contrôler le circuit
via le réglage de la résistance variable et donc ainsi de commander la conduction du transistor
bipolaire qui fait office de relais pour recevoir l’énergie émise par les panneaux mais aussi la
déviation du courant dans les résistances prévues à cet effet pour évacuer le surplus d’énergie
(qui ne va pas dans les batteries) sous forme de chaleur.
En effet, au niveau du comparateur LM311N, on observait des oscillations importantes à tel point
que sa fréquence était celle d’un émetteur radio. Pour cela il a fallu rajouter un condensateur au
niveau des pattes 2 et 3 du comparateur afin d’atténuer ces oscillations.
Test & Dépannage :
Les tests effectués lors du bon fonctionnement du système consistent à vérifier des tensions sur
certains composants tels que le comparateur LM311, la diode BZX85C…
-La prise de tension de la diode Zener qui doit être d’environ 7.3V.
-La prise de tension au niveau des bornes 2 et 3 du comparateur par réglage de la résistance
variable doit être de 2V.
Par ailleurs vérifier le bon état du fusible de 2A.
Pour ces tests, nous avons réalisé un banc d’essai composé d’une alimentation 12V qui a la même
fonction que l’installation photovoltaïque surmontée d’un rhéostat réglable de 23Ω relié ensuite à la
carte et qui se décrit selon la photo suivante :
Et voici les deux types de cartes réalisées cette année avec leur schéma de câblage :
-la carte composée des 4résistances et du transistor externe.
-la carte composée des 2 résistances.
Bilan du Bureau d’étude
Nous avons pu grâce à ce bureau d’étude exploiter divers domaines tels que
la mécanique avec la construction de la structure des panneaux solaires et
des maquettes, également de l’électrotechnique avec le montage électrique
des maquettes ainsi que de l’électronique avec la réalisation des cartes du
régulateur de charge.
Ce projet nous a permis d’être confrontés à un système réel avec les
contraintes qu’il occasionne.
Les problèmes que nous avons rencontrés:
- problème de carte de régulateur de charge
- problème de conception des angles pour le support des panneaux
- retard d’approvisionnement du compteur d’énergie
Une fois les problèmes résolus, nous avons testé les maquettes grâce à une
alimentation à courant continu. Nous avons pu ainsi vérifier que les aiguilles
des ampèremètres déviaient dans le bon sens et que les valeurs de tensions
et courants correspondaient aux valeurs normales d’utilisations.
Actuellement les maquettes sont prêtes à êtres utilisées. Sur la maquette de
rétrocession réseau, il manque le compteur d’énergie, la commande n’est pas
arrivée. Il n’y a plus qu’à monter les panneaux solaires sur le toit et les
raccorder aux maquettes.
De plus un site internet a été créée afin d’expliquer en quoi consiste nos
maquettes et de voir l’évolution du travail. Ainsi des étudiants en relation avec
l’IUT pourront s’inspirer de notre travail.