Projet GEII 2ème année

Centrale d’autoconsommation solaire

 

 

Sommaire:

1. Présentation de l’équipe

2. Principe de l’autoconsommation

3. Présentation du Projet

4. Cahier des charges

5. Etude du projet

6. Réalisation du projet

7. Bilan du projet

8. Conclusion

9. Remerciements

10. Sources

1. Présentation de l’équipe

Nous sommes un groupe d’élèves en 2ème année de Dut GEII, Maillot Thibaut, Raedersdorf Adrien et Schaeffer Victor

2. Principe de l’autoconsommation

L’autoconsommation se définit par le fait de consommer l’énergie produite soit même à l’aide d’énergies renouvelables, mais c’est plus souvent l’énergie solaire qui utilisée par les particuliers produisant leur propre énergie par volonté de préserver la planète, faire des économies ou être indépendant énergétiquement. On associe l’autoconsommation à l’autoproduction qui est le fait de produire sa propre énergie.

En France 77% de l’énergie produite est issue du nucléaire et seul 1,6% de l’énergie produite est de l’énergie  solaire. Ce chiffre varie d’ailleur en fonctions de plusieurs conditions comme la météo, ou l’heure de la journée.

Quand on parle d’autoconsommation énergétique on parle généralement d’énergie photovoltaïque car c’est la plus simple à utiliser pour un particulier, il existe également l’autoconsommation éolienne mais elle est plus compliquée à mettre en place de par la réglementation et d’autre part l’incertitude de production d’une éolienne.

La France avait un retard par rapport à ses voisins l’Allemagne et l’Italie et qui favorisent déjà l’autoconsommation solaire avec des primes à la conversion et des possibilités de revente d’électricité aux producteurs. La France commence seulement à investir dans ce secteur, en légifèrent avec l’union européenne pour augmenter sa part de production en énergie renouvelable.

Depuis la loi du 24 juillet 2017 la vente de courant entre fournisseur et particuliers est légiférée, les particuliers peuvent vendre du courant à leur fournisseur électrique en réinjectant du courant dans le réseau et les auto-consommateurs sont exonérés de la taxe départementale de consommation finale d’électricité et de la CSPE.

En France en  2016  environ 40% des demandes de raccordement étaient pour l’autoconsommation solaire en  2017 il y a eu 19 000 installations photovoltaïques, dont 7 000 pour l’autoconsommation. Et le nombre d’installations solaire en autoconsommation ne cesse d’augmenter depuis 2017.

C’est dans ce contexte, que notre projet ce déroule, en effet en tant qu’étudiant en GEII nous devons nous tenir à la page, ce projet est donc dans l’ère du temps.

 

3. Cahier des charges

diagramme bête à cornes

Préambule

Le projet consiste à réaliser une centrale d’autoconsommation solaire.

Contexte

Nous devons réaliser un projet en groupe tutoré par un enseignant, dans la filière DUT GEII de l’IUT de Mulhouse. Ce projet est organisé en parallèle des cours et est une initiative de l’enseignant tutorant, au vu de l’augmentation de systèmes autoconsommation en France, réaliser et étudier une centrale autoconsommation est un projet qui s’inscrit dans l’esprit d’une filière technologique.

Objectifs

Nous devons dimensionner et réaliser un système MPPT transportable à partir d’un panneau photovoltaïque mobile. Ce système doit être autonome, et pourra alimenter divers appareils de faible puissance.

Description de l’environnement logiciel

• Arduino
• KiCad
• Victron connect
• Coreldraw

Description de l’environnement matériel

• Dispositifs électroniques.
• Matériel d’ER de l‘IUT.
• Outillage de l’IUT lab.

Contraintes techniques:

• La limite de puissance de notre onduleur est de 300W
• La sécurité du système, il ne faut pas déconnecter la batterie quand le panneau délivre du courant au risque d’abîmer nos composants, il faut prévoir de l’aération pour que la batterie ne chauffe pas trop.
• Eviter La décharge complète de la batterie car celà réduit sa durée de vie.

 

4. Etude du projet

Schéma de principe

• Le panneau photovoltaïque fournit du courant continu au régulateur MPPT
  1. Par traitement algorithmique la MPPT utilise le courant du panneau pour gérer la charger la batterie, elle maintient également la charge de la batterie et gère la décharge à l’aide de ses algorithmes préprogrammés.
  2. La MPPT peut directement alimenter une charge continue avec le courant délivré par le panneau photovoltaïque.
  3. Le remote on/off câble sert à contrôler l’allumage l’onduleur par  la MPPT
• La batterie délivre du courant continu à l’onduleur qui convertit ce courant continu en alternatif.
• L’onduleur est relié à des prises terre  et permet d’alimenter des appareils en 230V/50Hz
• A noter la présence d’un fusible de 4 A pour protéger la batterie.

Composants

Panneau photovoltaïque

Un panneau photovoltaïque est un dispositif d’énergie renouvelable, qui transforme l’énergie solaire en énergie électrique.

La lumière du soleil est composée de particules appelées photons qui en entrants en contact avec les cellules de silicium du panneau vont exciter celles-ci et provoquer un mouvement d’électrons entre les parties chargées négativement et positivement,  générant du courant .

Notre panneau est un A-50M  de la marque Atersa, fourni par l’enseignant qui n’est plus disponible sur la marché .

 

 

C’est un panneau photovoltaïque polycristallin, c’est à dire que ses cellules sont composées de plusieurs cristaux de silicium agencées pour former la cellule.

 

 

Caractéristiques:

En conditions de test standard (1 kW/m², 25±2°C AM 1,5)

Puissance (w)	50 ±8%
Ipc (A)	2,64
Upc (V)	18,95
Icc (A)	2,95
Pnom(W)	220W
Uoc (V)	22,46
Eff	13,94%

 

 

 

Régulateur de charge solaire  MPPT

Une MPPT est un dispositif électronique, qui par traitement algorithmique gère le niveau de décharge de la batterie et la puissance que fournit la panneau au système.

Il existe différents algorithmes mais le plus rependu et le plus simple est l’algorithme Perturb and Observe.

P&O (Perturb and Observe)

1. On mesure P1 la puissance du panneau photovoltaïque pour une tension U1 donnée.
2. L’algorithme impose une tension U2 = U1 + dU et mesure la puissance correspondante à U2
3. Si P2>P1 l’algorithme impose U3=U2 + dU
4. SI P2<P1 l’algorithme impose U3=U1- dU

 

Nous utilisons une MPPT  SmartSolar 75V/15A de la marque Victron

Caractéristiques:

U (V)	13,8 V
I (A)	14,4
Icharge (A)	15
Uemax (V)	75
Imax (A)	15

Autoconsommation de la MPPT  25mA

 

Onduleur

Un onduleur est un système d’électronique de puissance qui convertit un courant continu en courant alternatif, dans un système d’autoproduction on utilise des onduleurs hybrides.

 

Nous utilisons un convertisseur Phoenix 350/12  de la marque Victron

Caractéristiques:

Puissance (VA)	350
Puissance (W)	300/250
Umoy (V)	230 ± 3%
F (HZ)	50 ± 0.1%
Ue	12
Eff	89%

 

Batterie AGM « Absorbed Glass Mat »

Une batterie à accumulateurs abrégé batterie est un système pouvant « stocker » du courant par des réactions électrochimiques, une batterie AGM (absorbed glass mat) est un type de batterie destiné à l’autoconsommation solaire au même titre que les batteries GEL, elles sont adaptées aux petits systèmes d’autoconsommation car supportent mieux la décharge profonde,  se chargent rapidement, sont plus légères que des batteries GEL et sont résistantes aux changements de température.

 

Batterie 12 V 60 Ah AGM de la marque Victron

 

 

Dimensionnement des composants

On dimensionne nos composants à partir des caractéristiques du panneau :

Puissance maximale en Watt-crête (W)	50 ±8%
Ipc (A)	2,64
Upc (V)	18,95
Icc (A)	2,95
Uoc (V)	22,46
Eff	13,94%

 

1 l’intensité maximale du régulateur MPTT

Cette intensité doit être supérieure à l’intensité de court-circuit (Icc) de notre panneau, avec une marge de sécurité de ±10-20%

Dans notre cas le courant de court-circuit du panneau est Icc =2,95 A, la MPPT doit donc pouvoir accepter

2,95 ±20% soit 3,54 A.

2 choix du parc de batterie en fonction de la puissance du panneau

 

Puissance de l’installation photovoltaïque	Tension de batterie recommandée
0 – 800 Wc	12V
800 – 1600 Wc	24V
1600 Wc  et +	48V

 

Dans notre cas le panneau fournit 50 Wc en condition optimales on choisit donc un parc de batterie 12V.

Une méthode plus simple est de dimensionner par rapport au nombre de cellules du panneau ex : 36 cellules 12V, 72 cellules 24V

Avec un régulateur MPPT Il faut que la tension du panneau en circuit ouvert soit supérieure à celle de la batterie dans notre cas Uoc = 22,46V > 12V donc on peut utiliser une batterie 12V.

3 Tension maximale MPPT

On doit déterminer la compatibilité de la MMPT avec la tension du panneau en circuit ouvert +20% marge de sécurité en fonction de la température, dans notre ca on a

20% de 22,46 soit 4,492

Uoc= 22,46 + 4,492=26,952 V, on arrondit à 27 V.

Grâce à ces calculs on peut déterminer que notre régulateur de charge solaire sera une MPPT 75V/15A, pour deux  raisons, la première c’est qu’on surdimensionne  la MPPT en courant (on prend 15A au lieu de 10A) au cas où on devrait  rajouter un panneau. La deuxième raison est qu’il n’existe pas de modèle de MPPT en dessous de 75V.

4 l’onduleur

Il faut que la somme des puissances (en Watt) de nos appareils branchés soit inférieure à la puissance délivrée par l’onduleur.

Notre onduleur 12/350 délivre entre 300 W maximum il faut donc que nos appareils branchés ne dépassent pas cette puissance, un gros pc fixe par exemple ne doit pas être alimenté à notre système

Choix des câbles :  

On débite moins de 16 ampères, on prend donc  des sections de 1,5mm².

5. Réalisation du projet

Fabrication du support

Nous étions au départ partit sur un modèle design basé sur Skavenji mais au vu du poids total de nos composants (environ 50kg), ils nous fallait se rabattre sur un support solide et simple.

Nous avons acheté une planche de bois de sapin résistant aux changements de température de la batterie et assez épaisse qui servirait de support de base pour notre montage. Nous avions pros la taille des composants pour définir la taille minimale de notre base sur laquelle est fixée la batterie et l’onduleur, donc les composants les plus lourds (30kg au total)  de la base en prévoyant de l’espace pour la batterie qui chauffe.

Nous avons également acheté des roues pour les fixer sur le support, en effet le poids ne permettant pas d transporter notre montage manuellement les roues permettent un transport plus facile de notre centrale.

Pour le reste de la boite nous avons utilisé des plaques de contreplaqué fournies par Mr. De Sabbta, que nous avons découpées au laser, à partir d’un schéma réalisé sur Coreldraw. Nous avons prévu des emplacement pour mettre 2 prises terres, un allume cigare et des connecteurs bananes 4mm femelles pour connecter notre panneau solaire au système.

 

 

 

 

 

Les plaques de contreplaqué sont tenues entre-elles et à la base  par des équerres vissées.

 

Nous avons utilisé Des vis pour l’onduleur et la MPPT qui elle est fixée sur une des plaques de contreplaqué à la vertical comme demandé dans le manuel d’utilisation du produit. La batterie ne dois pas être percée ou abîmée il  nous a fallu la caler avec des  plaquettes de bois clouées à la base.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Notre onduleur ayant des sorties connecteurs IEC C/14 femelles, il nous faut câbler un adaptateur pour relier l’onduleur aux prises terre.

 

 

 

 

 

 

Commande par Arduino

 

 

Il était  l’origine prévu de réaliser un switch entre  la MPPT  l’onduleur et la batterie pour pouvoir tirer du panneau depuis l’onduleur

Nous avions donc pensé à une carte électronique à transistors NPN,  commandée en 5V par un Arduino UNO. Le but était de faire commuter la sortie de la MPPT directement sur l’onduleur si le panneau fournissait son maximum de puissance, que l’on aurait mesuré avec les capteurs de l’arduino.

 

 

Nous avons réalisé une plaquette test avec un programme de commutation de transistors fonctionnel. Nous avons également prévus les capteurs de courant connectés à l’arduino ainsi que la partie du programme qui s’occupe de traiter les informations des capteurs.

Nous avons ensuite conceptionné et fabriqué la carte de commande avec ses 4 transistors, mais nous nous sommes posé la question de la présence de la carte  pour commander le système.

Nous avons conclu qu’il valait mieux abandonner pour les raisons suivantes:

• Notre système MPPT Victron est déjà complètement autonome,  ajouter un élément extérieur qui perturberait le comportement de notre système ne serait pas une bonne idée.
• Il est déconseillé de débrancher la batterie pour une commutation sur onduleur car cela risque d »endommager le système ou au minimum le perturber.
• Commander notre système pour le faire commuter au moments ou le panneau produit à son maximum aurait réduit l’efficacité de la charge de la batterie.
• Le panneau est de faible puissance et l’onduleur reçoit 12V de tension nominale hors notre panneau fournit environ 18V il y adonc peu de chance que la commutation par transistors fonctionne.

7. Bilan du projet

Résultats

 

Au moment ou nous rendons ce rapport, la boite est opérationnelle et peut alimenter des appareils, il manque un adaptateur c/14 pour la prise terre restante et l’allume cigare n’est toujours pas connecté.

Il est inutile de faire de la réinjection sur le réseau avec un panneau de faible puissance comme le notre, cet aspect n’est donc pas étudié dans notre projet.

Suite à une concertation avec l’enseignant tutorant, nous avons décidé de changer notre MPPT pour un modèle avec Bluetooth intégré afin de pouvoir faire des mesures de consommation et de production de notre système avec l’application Victro Connect.

8. Conclusion

Le projet doit encore être perfectionné et nous pensons qu’il aurait été plus intéressant de réaliser la majorité du système nous mêmes, par exemple en créant intégralement un véritable régulateur MPPT à partir d’un Arduino ou d’un Raspberry Py. Cela aurait pu pousser l’aspect technique à un niveau supérieur. En plus de rendre possible la commutation directe sur onduleur possible, même si au vu de la faible puissance de notre système cela n’aurait pu ne pas fonctionner.

9. Remerciements

Nous souhaitons remercier notre enseignant tutorant Mr Ould Djafar Abdeslam pour son aide sur et ses indications sur la partie théorique ainsi que Mr De Sabbat qui nous a accueilli au sein de l’IUT lab et pour son aide sur la partie réalisation.

10. Sources

https://www.myshop-solaire.com/comment-choisir-son-regulateur–_r_80_a_454.html

http://www.repereelec.fr/cables-dom.htm

https://www.energiedouce.com/content/14-tout-savoir-sur-les-panneaux-solaires

https://www.rte-france.com/fr/eco2mix/eco2mix-mix-energetique

https://www.edfenr.com/autoconsommation/

https://www.legifrance.gouv.fr/eli/loi/2017/2/24/DEVR1623346L/jo/texte