Solution intelligente stockage de recharge d'énergie solaire pour les stations recharge de EV

1.1 Présentation du projet

Le projet se situe dans une station de recharge pour véhicules électriques à Shanghai. La station existante sera transformée en un site pilote intégrant la production d'énergie solaire, le stockage d'énergie et la recharge. Elle compte actuellement 22 places de parking, chacune équipée d'une borne de recharge rapide (60 kW). Les places 1 à 8 sont couvertes par des abris ; les places 9 à 13 sont à l'air libre ; et les places 14 à 22 sont situées au sous-sol du bâtiment administratif. Les bornes 1 à 12 sont alimentées par le transformateur 800 kVA n° 1 ; les bornes 13 à 22 par le transformateur 630 kVA n° 2.

D'après l'étude de faisabilité, des panneaux solaires pourront être installés sur le toit du bâtiment. Les abris des places 1 à 8 seront transformés en abri photovoltaïque. La zone sud des places 9 à 13 restera inchangée en raison de la hauteur des arbres, ce qui rend difficile l'installation de panneaux photovoltaïques. Le système de stockage d'énergie sera installé au sous-sol du bâtiment et relié directement au transformateur n° 2 via un passage de câbles existant. Les bornes de recharge actuelles resteront opérationnelles, formant ainsi un site pilote intégré pour la production, le stockage et la recharge d'énergie. Si la production d'énergie photovoltaïque dépasse la consommation de la station, l'excédent sera stocké. En cas de production insuffisante, le système de stockage d'énergie sera utilisé conjointement au réseau électrique pour assurer l'alimentation, optimisant ainsi l'efficacité économique du système.

1.2 Intérêt de l'intégration photovoltaïque et du stockage d'énergie dans les stations de recharge

Avec la croissance économique, la demande d'électricité augmente, tout comme la consommation d'énergie, notamment d'origine thermique. Ceci génère de la pollution et des émissions de gaz à effet de serre, impactant notre environnement. Les systèmes photovoltaïques, solution d'économie d'énergie, produisent et consomment de l'électricité localement, offrant ainsi d'importants avantages environnementaux et économiques. Cependant, la production d'énergie photovoltaïque est variable. Bien que la production soit optimale par temps ensoleillé, les conditions d'ensoleillement et d'autres facteurs environnementaux varient, rendant la production instable. Les systèmes de stockage d'énergie permettent de pallier cette instabilité. Le stockage électrochimique d'énergie englobe les systèmes de batteries rechargeables classiques, tels que les batteries lithium-ion, les batteries à flux, les batteries au plomb et les batteries sodium-soufre, ainsi que les systèmes de batteries rechargeables émergents (batteries sodium-ion, batteries lithium-soufre et batteries lithium-air). Pour les systèmes électriques, les caractéristiques techniques essentielles des systèmes de stockage d'énergie résident notamment dans leur puissance et leur durée de fonctionnement. Cette durée de fonctionnement constitue un avantage significatif par rapport aux dispositifs traditionnels à demande instantanée. L'intégration de systèmes de stockage d'énergie permet non seulement de compenser l'instabilité de la production d'énergie photovoltaïque, mais aussi de résoudre des problèmes tels que le gaspillage d'énergie photovoltaïque dû à la discordance entre les périodes de charge et les périodes de production.

Topologie du système de charge pour les systèmes de stockage photovoltaïque

1.3 Avantages du stockage et de la recharge photovoltaïque

(1) Utilisation optimale du terrain

Les panneaux photovoltaïques sont installés sur le toit du bâtiment administratif et sur la toiture de la galerie de stationnement. Cette solution exploite les espaces disponibles sans occuper de terrain supplémentaire, optimisant ainsi l'utilisation des ressources foncières.

(2) Rentabilité accrue

La production d'électricité photovoltaïque peut alimenter directement les bornes de recharge. En cas de surplus d'énergie, le système de stockage la stocke. En cas de besoin, l'énergie stockée est utilisée.

Selon les tarifs d'électricité, le prix varie en fonction des périodes de pointe et hors pointe. La différence de prix peut atteindre 0,11 USD/kWh. Le système de stockage permet de stocker l'électricité en période de faible consommation et de la restituer en période de pointe, générant ainsi des économies.

(3) Réduction de la capacité du transformateur

Ce projet prévoit l'installation d'un système de stockage d'énergie de 100 kW/215 kWh (batterie solaire au lithium-ion). Ce système permet de réduire la charge sur le transformateur en période de forte consommation, tout en garantissant une qualité d'alimentation et en réduisant les coûts de consommation.

2. Conception du système

2.1 Caractéristiques du projet : Fiabilité élevée : Le système photovoltaïque, de stockage et de recharge est optimisé. Les équipements et composants sont de qualité supérieure et assurent une alimentation électrique fiable. La durée de vie des panneaux photovoltaïques est supérieure à 20 ans et celle des batteries lithium-ion à 6 000 cycles.

Rentabilité élevée : Les panneaux photovoltaïques produisent de l'électricité en continu grâce à la lumière solaire, optimisant ainsi l'utilisation des ressources énergétiques et réduisant les coûts d'électricité. Le système de stockage permet de compenser les fluctuations de consommation et de tirer profit des différences de prix entre les périodes de pointe et hors pointe.

Efficacité élevée : Les panneaux photovoltaïques sont en silicium monocristallin, avec une puissance nominale supérieure à 540 Wp et un rendement supérieur à 82 %. Le système de stockage utilise des batteries lithium-fer-phosphate avec un rendement de charge/décharge supérieur à 92 %.

Sécurité : Les panneaux photovoltaïques offrent une double protection : contre les impacts de foudre, les chutes dues au vent et les risques d'électrocution. Le système de gestion des batteries solaires intègre un système de protection à trois niveaux qui surveille en permanence le fonctionnement de la batterie, garantissant ainsi la sécurité.

Facilité d'utilisation : Les systèmes photovoltaïque et de stockage d'énergie utilisent des plateformes cloud, permettant un accès multi-dispositifs et un contrôle à distance. Les utilisateurs peuvent consulter en temps réel la production d'énergie, l'état de la batterie et la production énergétique cumulée.

2.2 Conception du système photovoltaïque

Le système photovoltaïque, installé sur le toit du abri-voiture et du bâtiment administratif, est conçu pour être raccordé au réseau. L'électricité produite est consommée localement. Les panneaux solaires sont connectés en série pour produire du courant continu (CC), qui est ensuite acheminé vers l'entrée CC d'un onduleur. Ce dernier convertit le courant continu en courant alternatif (CA), qui est ensuite raccordé à une barre omnibus basse tension pour la connexion au réseau. Cette barre omnibus basse tension assure également la connexion du système au système de stockage d'énergie, aux bornes de recharge et aux autres équipements. Le système comprend principalement un ensemble de modules photovoltaïques, un onduleur monophasé raccordé au réseau, un transformateur élévateur de tension, un coffret de distribution et des câbles de distribution.

2.2.1 Configuration du système photovoltaïque

La puissance nominale installée est de 67,58 kW. Le système utilise 124 modules monocristallins de 545 W ; chaque chaîne comporte 16/11 modules. Deux onduleurs monophasés de 30 kW sont utilisés.

Après conversion par l'onduleur, le système est raccordé au réseau via un point de raccordement basse tension situé sur le secondaire du transformateur type coffret n° 1.

Schéma de disposition des panneaux solaires

L'onduleur est installé sous les panneaux solaires, et le câble est provisoirement posé depuis le toit de la salle de garde jusqu'au mur, puis raccordé au boîtier de distribution n°1 via la tranchée à câbles existante.

Schéma de principe de l'installation du onduleur et du câblage photovoltaïque

2.3.2 Principe de raccordement au réseau et mesure

Le système de production d'électricité photovoltaïque est conçu comme un système connecté au réseau en ligne, sans surveillance. Il n'y a pas de commutation de puissance intermédiaire ni de temps de commutation, ce qui permet une « consommation d'énergie inductive ». Le système est connecté à un point de raccordement au réseau désigné via un coffret de distribution photovoltaïque.

Le principe de raccordement au réseau du système photovoltaïque repose sur l'acquisition en temps réel des signaux électriques du réseau (tension, fréquence et phase) afin de maintenir une tension, une fréquence et une phase uniformes. Ses paramètres électriques de sortie répondent pleinement aux exigences du réseau électrique national pour le raccordement au réseau de production d'électricité décentralisée et à ses exigences de qualité de l'énergie, telles que l'écart admissible de la tension d'alimentation du réseau.

Schéma de connexion au réseau du système de production d'énergie photovoltaïque

L'énergie photovoltaïque est distribuée en priorité aux stations de recharge. Si la production d'énergie photovoltaïque est insuffisante pour alimenter les stations de recharge, le système de stockage d'énergie sera utilisé si disponible ; sinon, l'énergie sera puisée directement sur le réseau. En cas de surplus d'énergie photovoltaïque, celle-ci sera stockée dans le système de stockage d'énergie.

2.3.3 Sélection des équipements et matériaux essentiels

2.3.3.1 Sélection des panneaux solaires

Après une analyse approfondie du marché, de la maturité technologique, de la fiabilité opérationnelle et des perspectives de développement des différentes technologies de panneaux solaires actuellement disponibles, et suite à une étude de marché, ce projet a déterminé que, parmi les panneaux solaires à grande capacité actuellement disponibles, les panneaux monocristallins au silicium de haute efficacité (545 Wp) étaient les plus adaptés. Leurs principaux paramètres techniques sont présentés dans le tableau suivant :

2.3.3.2 Sélection de l'onduleur photovoltaïque

L'onduleur photovoltaïque, qui convertit le courant continu en courant alternatif dans un système de production d'énergie solaire, est le composant essentiel de ce système. Son choix est donc déterminant pour le rendement et la fiabilité de la production d'énergie. Pour ce projet, la conception préliminaire a retenu deux onduleurs de type chaîne, raccordés au réseau, d'une puissance de 30 kW chacun. Les paramètres spécifiques sont présentés dans le tableau ci-dessous.

2.3.3.3 Conception et sélection du système de support pour panneaux solaires

Les supports de panneaux solaires sont fabriqués en acier Q235 de haute qualité, galvanisé à chaud. Robustes et esthétiques, ils permettent une installation rapide et facile. Aucun traitement supplémentaire n'est nécessaire sur site. Les soudures et autres travaux sur place sont minimisés. La disposition des panneaux photovoltaïques doit prendre en compte les caractéristiques du toit et s'intégrer harmonieusement à l'environnement. La conception doit être standardisée, prévoir un espace pour la maintenance et optimiser l'intégration paysagère. L'espace disponible sur le toit doit être utilisé au maximum. Pour les toits plats en béton, l'inclinaison des panneaux est de 15°.

Les supports comprennent des boulons, des rondelles et des écrous en acier inoxydable. Les blocs de pression et autres composants sont pré-assemblés en usine pour une installation rapide et sans erreur. Sauf cas exceptionnel, aucun perçage n'est nécessaire sur site, et les soudures (à l'exception de celles pour la protection contre la foudre) sont minimales, réduisant ainsi le bruit et les perturbations. Les orifices des supports sont protégés par des capuchons pour éviter les dommages. Les détails témoignent de la qualité du système.

(1) Les supports et leurs matériaux doivent répondre aux exigences de conception et offrir une résistance aux intempéries (vent, corrosion, rouille, etc.).

(2) Les supports doivent être installés sur la fondation selon les spécifications, avec un positionnement précis et des tolérances respectant les normes. Ils doivent être solidement fixés.

(3) Le système de mise à la terre doit être correctement connecté.

2.3.3.4 Conception du système de protection contre la foudre

Les systèmes photovoltaïques décentralisés sont principalement conçus pour protéger contre la foudre directe, la foudre induite et les ondes de foudre intrusives.

(1) Protection directe contre la foudre

Compte tenu de la faible hauteur d'installation des panneaux solaires, aucun dispositif de protection contre la foudre, tel que paratonnerre ou paratonnerre, n'est installé dans le parc photovoltaïque. Le cadre du panneau solaire doit être solidement fixé au support, puis au réseau de terre. Afin d'optimiser la dispersion du courant de foudre, tous les supports solaires de la station peuvent être solidement fixés.

Le boîtier de l'onduleur et du transformateur élévateur local est solidement relié au réseau de terre principal. Afin de prévenir la corrosion, des matériaux galvanisés à chaud sont utilisés pour les matériaux de mise à la terre dans toute la station.

(2) Protection contre la foudre induite

La disposition des fils et des électrodes de terre pour les surtensions induites par la foudre doit être conforme aux exigences de la norme DL/T620-2012 « Protection contre les surtensions et coordination de l'isolement des installations électriques à courant alternatif » ; la résistance de terre pour la protection contre la foudre ne doit pas dépasser 30 Ω. Afin d'éviter que la foudre induite, les surtensions, etc., ne provoquent des surtensions et n'endommagent les équipements connectés au réseau dans le local de distribution, les mesures de protection contre la foudre utilisent principalement des parafoudres.

2.3.4 Tableau de calcul de la production d'énergie solaire

2.4 Conception du système de stockage d'énergie

2.4.1 Configuration du système de stockage d'énergie

Le système est conçu comme un système de stockage d'énergie intégré, avec une capacité nominale de 100 kW/215 kWh. Dans ce cas, nous utilisons des batteries solaires Brovolt de 100 kW/215 kWh. Le système est connecté au réseau basse tension après conversion d'énergie par un convertisseur de stockage d'énergie. Ses principaux composants comprennent : un coffret de batteries, un système de gestion de batterie (BMS), un système de conversion d'énergie (PCS), un système de gestion de l'énergie (EMS) et des systèmes auxiliaires (système de contrôle de température, système de protection incendie et système de vidéosurveillance). Le système utilise des batteries lithium-fer-phosphate comme support de stockage d'énergie, connectées au réseau via le PCS. Les principales exigences fonctionnelles sont les suivantes :

Gestion de la sécurité des batteries : Le système est équipé d'un BMS pour gérer la charge et la décharge des batteries en temps réel et assurer une protection multi-niveaux.

Gestion de l'énergie : Le BMS est connecté au PCS et au système de surveillance. L'EMS permet de définir des stratégies de charge et de décharge adaptées aux tarifs d'électricité locaux, optimisant ainsi le fonctionnement du système et réduisant les coûts.

Contrôle de la température : Le système est équipé d'un système de climatisation industrielle. Le système de dissipation thermique permet de maintenir une température stable à l'intérieur du coffret.

Protection incendie : Le système est équipé d'un système d'extinction d'incendie à aérosol, qui déclenche automatiquement et rapidement l'alarme et éteint le feu pour assurer la sécurité du système.

2.4.2 Tarifs de l'électricité

Selon les derniers tarifs d'électricité à heures variables publiés par State Grid pour le mois d'octobre 2022, un système de tarification en deux tranches horaires sera appliqué : heures de pointe hors saison estivale (8h00-11h00 et 18h00-21h00), heures normales (6h00-8h00, 11h00-18h00 et 21h00-22h00) et heures creuses (de 22h00 à 6h00 du lendemain).

2.4.3 Mode de charge et de décharge

En fonction des fluctuations des tarifs d'électricité dans le district de Xuhui, le système de stockage d'énergie fonctionne en mode de charge et de décharge alternées. La charge a lieu pendant la période de faible consommation nocturne (de 00h00 à 08h00) et la décharge pendant la première période de pointe diurne (de 09h00 à 11h00). La recharge supplémentaire (entre 15h00 et 18h00) est effectuée à l'aide du système photovoltaïque si la production d'énergie est suffisante ; sinon, la recharge se fait à partir du réseau. La décharge se poursuit ensuite pendant la période de pointe du soir (de 18h00 à 21h00).

2.4.4 Système de stockage d'énergie

2.4.5 Système de gestion de l'énergie (EMS) pour les systèmes de stockage d'énergie

L'EMS assure la surveillance et la collecte de données en temps réel pour l'ensemble du système de stockage d'énergie et gère le processus de stockage. Il surveille également la charge du réseau électrique en temps réel, permettant ainsi une gestion unifiée de l'ensemble du système.

1. Surveillance en temps réel du statut de fonctionnement du système

Le système collecte des données en temps réel et planifiées pour tous les paramètres et états de fonctionnement surveillés, traite les données historiques importantes et les stocke dans une base de données. Cela inclut :

Des informations générales telles que la tension, le courant, la température moyenne, le SOC, le SOH, les limites de courant et de puissance de charge/décharge de chaque batterie (BMS), la tension et la température minimales/maximales des cellules, les informations sur les défauts et les alarmes, la capacité de charge/décharge historique et l'énergie de charge/décharge historique.

Les paramètres pertinents du PCS, notamment : la tension/le courant/la puissance côté CC, la puissance active/réactive, la tension, le courant, le facteur de puissance, la fréquence, la température, la température du boîtier, le statut de fonctionnement, les informations sur les alarmes et les défauts, la capacité de charge/décharge journalière et la capacité cumulée de charge/décharge.

Les informations sur la tension, le courant, la puissance active, la puissance réactive, la fréquence, etc. de la charge.

2. Affichage des données de fonctionnement du système

Le système permet à l'utilisateur de personnaliser les données affichées sur l'interface selon ses besoins, pour consulter les données en temps réel et historiques et générer des rapports.

3. Stratégie de fonctionnement économique

Contrairement à l'analyse de fonctionnement économique des systèmes électriques classiques, qui calcule principalement la courbe des pertes du transformateur selon différents modes de fonctionnement, l'analyse de fonctionnement économique des microréseaux utilise le PCS et l'onduleur pour le calcul. Elle analyse la capacité de stockage d'énergie et le rapport de charge pour déterminer la stratégie de fonctionnement optimale et exécuter les commandes d'optimisation.

4. Gestion des alarmes

Le système enregistre et permet de consulter les événements de différents niveaux, en utilisant un code couleur pour différencier les types et la gravité des événements.

5. Rapports, courbes en temps réel et affichage du flux d'énergie

Le système enregistre, analyse et permet de consulter les courbes en temps réel. L'utilisateur peut sélectionner les données à enregistrer et à analyser. Les données en temps réel, les données historiques et les valeurs statistiques sont affichées sous forme de courbes et de diagrammes à barres. Les intervalles de données statistiques sont de 5, 15, 60 minutes et 24 heures. 6. Analyse des données

Les outils d'analyse de données courants comprennent les diagrammes de flux énergétiques, la comptabilité analytique, l'analyse des économies d'énergie, l'analyse de l'efficacité énergétique de la production, la prévision de la consommation énergétique et l'analyse comparative.

7. Analyse de la performance du système

L'analyse de la performance économique repose principalement sur la modélisation du système de gestion de l'énergie pour évaluer l'efficacité globale du système, en tenant compte de facteurs tels que la production de PCS et l'état de santé (SOH) du système de stockage d'énergie.

2.4.5 Système de protection incendie

Système d'alarme et de contrôle incendie + Système d'extinction automatique par aérosols

Le module de contrôle incendie offre une grande sensibilité et fiabilité, permettant une réaction rapide aux conditions internes du boîtier et une extinction efficace par aérosol. Le spray d'aérosol couvre intégralement la zone incendiée, éteignant ainsi rapidement le feu. Le système est sans entretien : le détecteur fonctionne pendant plus de huit ans et l'agent extincteur a une durée de vie de dix ans. Respectueux de l'environnement, il ne génère aucune pollution après l'extinction du feu, garantissant ainsi un environnement propre et durable.

2.4.6 Système de climatisation

Le système de climatisation utilise un ventilateur de condensation et un ventilateur d'évaporation à faible consommation d'énergie (ventilateur DC sans balais), avec une durée de vie pouvant atteindre 20 ans. Le système est conforme à la norme IP55, avec une protection électrique interne IP67 et une résistance à la corrosion de niveau C5. Il offre également une double protection contre la condensation. Au printemps et en hiver, lorsque la température ambiante est inférieure à zéro, le boîtier active le mode chauffage pour maintenir la température interne à 16 °C avant le démarrage. Le système de climatisation passe ensuite en mode veille. En été et en automne, lorsque la température ambiante est plus élevée, le système de climatisation et le contrôle des ventilateurs maintiennent une température de fonctionnement stable pour les cellules de la batterie.