Cet article est tiré du guide de conception des systèmes photovoltaïques pour bâtiments. Il présente la classification et les paramètres des modules photovoltaïques, le calcul de la puissance réelle des panneaux solaires, le calcul de la puissance installée par unité de surface, le calcul de la production d'énergie photovoltaïque, le calcul de l'espacement des panneaux photovoltaïques et une démonstration de cas réel.
Classification des modules photovoltaïques
1-1. Les modules photovoltaïques sont classés en modules photovoltaïques en silicium cristallin et en modules photovoltaïques à couches minces selon le type de cellules solaires.
1-2. Les modules photovoltaïques sont classés en modules flexibles et non flexibles selon leur apparence. La forme des modules flexibles peut être pliée et déformée librement, et les panneaux des modules non flexibles sont généralement en verre photovoltaïque.
1-3. Les modules photovoltaïques flexibles sont robustes et peuvent généralement supporter une flexion de plus de 30°. Utilisés sur des toits en pente, ils s'adaptent mieux à la toiture. S'ils sont utilisés, les modules flexibles ne doivent pas être posés directement sur le toit.
2. Composition des modules PV
2-1. Les modules PV en silicium cristallin sont principalement composés de cellules de batterie, de bandes d'interconnexion, de barres omnibus, de verre, de film adhésif, de fond de panier, de cadre en alliage d'aluminium, de silicone et de boîte de jonction. Comme illustré à la figure 2-1 :
2-2. Les modules PV à couches minces sont des structures multicouches, principalement composées de verre trempé, d'une couche conductrice transparente, d'une couche fenêtre (couche semi-conductrice de type N), d'une couche tampon, d'une couche d'absorption (couche semi-conductrice de type P), d'une électrode de fond de panier et de verre. Comme le montre la figure :
3. Principaux paramètres des modules photovoltaïques et calcul des séries photovoltaïques
3-1. Les principaux paramètres d'un module photovoltaïque sont : le poids et la taille du module, la puissance maximale (P), le coefficient de température à vide (K), le coefficient de température à vide (K), le courant optimal de fonctionnement (1), le courant de court-circuit (1), la température limite basse en fonctionnement (℃), la température limite haute en fonctionnement (℃), la tension à vide (V), la tension optimale de fonctionnement (Vm), la charge statique maximale de surface positive, la charge statique maximale arrière, etc.
3-2. La puissance maximale d'un panneau solaire correspond à sa puissance de fonctionnement dans des conditions d'essai standard (STC). La capacité installée du côté CC du projet correspond à la puissance installée totale calculée à partir de la puissance maximale du module photovoltaïque. Par exemple, pour le projet photovoltaïque décentralisé de 5,9 MWc sur le toit d'une gare de Pékin, la capacité installée de 5,9 MWc est calculée à partir de la puissance maximale du module photovoltaïque.
3-3. Le poids et la taille sont les principaux paramètres pour calculer le nombre de modules photovoltaïques installés sur le toit d'un bâtiment. La capacité de charge du toit est un autre paramètre important. La conception du système photovoltaïque doit d'abord calculer la charge du toit afin de garantir son utilisation normale.
3-4. Le coefficient de température de la tension d'ouverture du module photovoltaïque, le coefficient de température de la tension de fonctionnement, les conditions de fonctionnement à basse température, les conditions de fonctionnement à haute température, la tension d'ouverture, la tension de fonctionnement et les paramètres liés à l'onduleur sont les principaux paramètres pour calculer le nombre de modules photovoltaïques. La formule de calcul est la suivante.
Kv - Coefficient de température de la tension à vide du panneau solaire ;
K'v - Coefficient de température de la tension de fonctionnement du panneau solaire ;
N - Nombre de séries de panneaux solaires ;
t - Température limite basse (℃) dans les conditions de fonctionnement du panneau solaire ;
t' - Température limite haute (℃) dans les conditions de fonctionnement du panneau solaire ;
Vdcmax - Tension d'entrée CC maximale autorisée par un onduleur (V) ;
Vmpptmax - Tension MPPT maximale d'un onduleur (V) ;
Vmpptmin - Tension MPPT minimale d'un onduleur (V) ;
Voc - Tension à vide du panneau solaire (V) ;
Vpm - Tension de fonctionnement du panneau solaire (V) ;
4. Puissance réelle du panneau solaire
4-1. Les paramètres fournis par le fabricant du panneau solaire sont ceux des conditions d'essai standard STC, c'est-à-dire un rayonnement solaire de 1 000 W/m. La température de la batterie est de 25 °C, et les paramètres électriques spectraux AM1.5G sont de 1,5 G.
4-2. Dans le cadre d'un projet, la puissance réelle du panneau solaire dépend de la température de fonctionnement, de l'intensité du rayonnement solaire et d'autres paramètres. Pour simplifier le calcul, la puissance réelle des panneaux solaires est calculée comme suit :
Im = Courant de fonctionnement optimal ;
Vm = Tension de fonctionnement optimale ;
Sref = Intensité de rayonnement dans les conditions d'essai standard STC ;
△T,△S = Différence entre la température et l'intensité de rayonnement à intensité standard ;
P = Puissance réelle ;
S = Intensité de rayonnement réelle
a = 0,0025 °C ; b = 0,0005 m/W ; c = 0,00288 °C ;
Observer l'influence de l'intensité du rayonnement solaire. Supposer que la température est constante. Sans tenir compte de son influence, déduire la formule suivante de la formule précédente :
En remplaçant les données dans la formule (4), on obtient la formule suivante :
P = 0,001 * lm * Vm * S * ln(2,21828 + 0,0005 S)
Déterminer le panneau solaire. Im et Vm sont des valeurs fixes, et leur produit est la puissance standard dans les conditions d’essai standard, considérée comme la constante K. La formule ci-dessus peut être interprétée comme suit :
P = K * S * In(2,21828 + 0,0005 S) K = 0,001 x Pref (5)
P = Puissance réelle ;
Pref = Puissance nominale dans les conditions d’essai standard STC ;
S = Intensité de rayonnement réelle ;
Pour différentes valeurs de K, le rayonnement est compris entre 200 W/m² et 800 W/m². La relation fonctionnelle de la formule (5) est illustrée à la figure 4-1. Sans tenir compte de l'influence de la température, la puissance réelle du panneau solaire est fondamentalement linéaire avec l'intensité du rayonnement, plus l'effet du rayonnement est important
.
5. Calcul de la puissance installée par unité de surface
5-1. La méthode d'installation des modules photovoltaïques dépend principalement de l'environnement et des conditions structurelles du bâtiment.
5-2. La puissance installée par unité de surface est déterminée par la méthode d'installation des composants, les normes comptables et d'autres facteurs.
5-2-1. Calculé par la surface du module
En fonction de la surface du module, la surface d'installation unitaire des différents modules de puissance est égale au module divisé par la surface du module. La formule de calcul (6) est la suivante :
Pe = Paz/(DxLxcosβ) (6)
Pe = Puissance installée par unité de surface ;
Paz = Capacité d'installation photovoltaïque ;
L = Longueur de la surface inclinée du panneau photovoltaïque ;
W = Largeur du module ;
β = Angle d'inclinaison du panneau photovoltaïque ;
5-2-2. Calculé sur la surface au sol du projet
Dans le cadre du projet d'installation de panneaux photovoltaïques, une méthode d'installation à angle d'inclinaison fixe est adoptée, avec un espacement précis entre les panneaux photovoltaïques, ce qui augmente la surface au sol du projet et évite l'occultation des panneaux photovoltaïques. La formule de calcul est la suivante :
Pe = Paz/S (7)
Pe = Puissance installée par unité de surface
Paz = Puissance installée des modules PV
S = Surface totale des travaux
Exemple de calcul 1 : Un projet de toiture photovoltaïque de 10,8 kWc à Pékin utilise un total de 20 modules de 540 Wc, disposés sur une seule rangée de deux colonnes. Chaque colonne carrée est composée de 10 modules PV avec un angle d'inclinaison de 33°. La toiture du projet est en béton armé et orientée plein sud. La distance entre le point le plus bas du panneau solaire et le sol est de 0,3 m, le parapet de 2 m, le panneau solaire sud de 5,5 m et le panneau solaire nord de 1 m. La largeur du panneau photovoltaïque est de 11,52 m, et des canaux de maintenance de 1 m de large sont prévus de chaque côté du panneau.
Empreinte du projet : S = 13,82 x 13,52 = 186,85 m². Puissance installée par unité de surface Pe = 10,8/186,85 = 57,80 W/m².
6. Exemple de calcul de la production d’électricité d’une centrale photovoltaïque
6-1 La formule de calcul de la production d’électricité photovoltaïque est la suivante :
Ep = Ha * (Paz / Es) * K (8)
Ep = Production réseau (kWh) ;
Ha = Rayonnement solaire horizontal total (kW·h/m²) ;
Paz = Puissance installée du module (kWc)
Es = Rayonnement dans des conditions standard (constante = 1 kWh/m²)
K = Coefficient d’efficacité global. Le facteur d'efficacité globale K inclut : le facteur de correction du type de panneau solaire, l'inclinaison du champ photovoltaïque, le facteur de correction d'azimut, la disponibilité du système de production d'électricité photovoltaïque, le taux d'utilisation de la lumière, le rendement de l'onduleur, les pertes dans la ligne collectrice, les pertes du transformateur d'appoint, le facteur de correction de la pollution de surface du panneau solaire et le facteur de correction du rendement de conversion du module photovoltaïque.
Exemple de calcul 2 :
Un projet de système photovoltaïque de toiture à Pékin, d'une puissance installée totale (PAZ), d'un champ photovoltaïque de 2,8 MWc est posé horizontalement. Le rayonnement solaire moyen Ha mesuré par la station météorologique à proximité du projet au cours des 20 dernières années est de 1 456,94 kWh/㎡, et le rendement global K (rendement PR) du projet est de 0,861. Ces données sont intégrées dans la formule (8). Le résultat du calcul de la production d'électricité du projet E est le suivant :
Ep = 1 456,94 x 2 800 / (1 x 0,861) = 3 512 390,95 kWh
6-2. Pour le calcul de la production d'électricité, les données d'ensoleillement total doivent être basées sur les données fournies par la station météorologique située à proximité du site du projet. Lorsque le panneau photovoltaïque est installé avec un angle d'inclinaison fixe, le rayonnement solaire total correspondant au plan incliné est utilisé pour différents angles d'inclinaison, ou la méthode du coefficient de correction du plan incliné est utilisée. Le coefficient de correction à Pékin est de 1,0976.
7. Espacement des panneaux photovoltaïques
7-1. Lors de la conception d'un système photovoltaïque, il est nécessaire de calculer l'espacement des panneaux photovoltaïques. L'ombre qui les recouvre réduit leur rendement de conversion et affecte leur fonctionnement normal.
7-2. L'espacement des rangées et des colonnes du panneau photovoltaïque doit garantir qu'ils ne soient pas masqués les uns par les autres, avant, après, à gauche et à droite, entre 9 h et 15 h, tout au long de l'année.
7-3. Pendant la période de 9 h à 15 h au solstice d'hiver, l'espacement non masqué des panneaux photovoltaïques est calculé comme suit, comme indiqué.
D - Distance minimale à laquelle le module photovoltaïque n'est pas masqué par des obstacles ou par l'ombre du module photovoltaïque situé au premier rang.
L - Longueur de la surface inclinée du champ photovoltaïque.
β - Angle d'inclinaison du champ photovoltaïque.
Ψ - Latitude locale.
