I. Introduction
1. Contexte
Face à la demande croissante en électricité et à la prise de conscience environnementale grandissante, l'énergie photovoltaïque suscite un intérêt croissant. Les abris de voiture écologiques alimentés à l'énergie solaire peuvent être conçus comme des centrales solaires distribuées, combinant harmonieusement la technologie de production d'énergie photovoltaïque à l'architecture même de l'abri, offrant ainsi des avantages économiques et sociaux significatifs. La construction d'abris de voiture solaires améliorera le confort de vie.
2. Caractéristiques des ombrières photovoltaïques
Un système de production d'énergie photovoltaïque convertit directement l'énergie solaire en énergie électrique grâce à des panneaux solaires. Ses principaux composants sont les modules photovoltaïques et les onduleurs. Généralement, il utilise une structure porteuse en acier, simple, élégante et esthétique. Ses avantages pratiques incluent une grande fiabilité, une longue durée de vie, l'absence de pollution environnementale, la possibilité de produire de l'électricité de manière autonome ou de se connecter au réseau. C'est une source d'énergie propre et respectueuse de l'environnement, qui contribue efficacement à atténuer les pressions sociales, environnementales et énergétiques. Elle est plébiscitée par de nombreux investisseurs et présente de larges perspectives de développement.
3. Avantages de l'installation de systèmes de production d'énergie solaire
(1) L'énergie solaire est inépuisable. Le rayonnement solaire reçu par la surface de la Terre peut couvrir 10 000 fois la demande énergétique mondiale. L'installation de systèmes d'énergie solaire sur seulement 4 % des déserts de la planète peut produire suffisamment d'électricité pour répondre aux besoins mondiaux. La production d'énergie solaire est sûre et fiable, et n'est pas affectée par les crises énergétiques ni par l'instabilité des marchés des combustibles.
(2) L'énergie solaire est facilement disponible et peut être fournie localement, éliminant ainsi le besoin de transport sur de longues distances et les pertes dues aux lignes électriques.
(3) La production d'énergie solaire ne comporte aucune pièce mobile, est résistante aux dommages et simple d'entretien, ce qui la rend particulièrement adaptée à une utilisation autonome.
(4) La production d'énergie solaire ne génère ni pollution, ni bruit, ni autres risques pour la santé publique et n'a aucun impact négatif sur l'environnement, ce qui en fait une source d'énergie propre idéale.
(5) Les systèmes de production d'énergie solaire ont un cycle de construction court, sont pratiques et flexibles, et peuvent être ajustés en fonction des variations de charge, permettant d'ajouter ou de retirer facilement des panneaux solaires afin d'éviter le gaspillage.
4. Trois avantages majeurs de la construction d'ombrières photovoltaïques pour voitures
(1) La construction d'ombrières solaires pour voitures peut réduire la pression sur le réseau électrique urbain. En utilisant l'espace inutilisé des abris de voiture, les ombrières photovoltaïques pour voitures produisent de l'électricité qui peut être utilisée par les véhicules, et tout surplus d'électricité peut être revendu à l'État, allégeant ainsi la pression sur le réseau électrique urbain.
(2) La construction d'ombrières solaires permet de réaliser des économies d'énergie et de générer des revenus. Ces ombrières photovoltaïques offrent non seulement de l'ombre et un abri aux véhicules, mais produisent également de l'électricité, créant ainsi une situation gagnant-gagnant à la fois pour le bien-être social et environnemental.
(3) La construction d'ombrières photovoltaïques s'inscrit pleinement dans le concept de protection écologique urbaine. Elle répond activement à l'appel national en faveur des économies d'énergie et de la réduction des émissions, contribuant ainsi à la réduction des émissions de carbone et à la création d'une ville moderne sobre en carbone et respectueuse de l'environnement.
II. Aperçu du projet
Le site du projet se situe dans une zone climatique subtropicale humide, caractérisée par quatre saisons distinctes et des précipitations abondantes. On compte en moyenne 117 jours de pluie par an, pour une pluviométrie annuelle moyenne de 1 106,5 mm. L’humidité relative est de 76 % et la période sans gel dure 237 jours. La saison des pluies s’étend de fin juin à début juillet. La température annuelle moyenne est de 16,5 °C, avec des extrêmes allant de -13,1 °C à 39,7 °C.
III. Principes de conception
GB50217-2007 *Norme de conception des câbles pour les réseaux électriques*
GB/T19939-2005 *Exigences techniques pour le raccordement au réseau des systèmes photovoltaïques*
IEEE1547:2003 *Norme d'interconnexion des sources d'énergie distribuées aux réseaux électriques*
IEEE1547.1:2005 *Procédures d'essai des équipements d'interface entre les sources d'énergie distribuées et les réseaux électriques*
IEC62116 *Méthodes d'essai anti-îlotage des onduleurs pour les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau*
JGL/T16-92 *Norme de conception électrique des bâtiments civils*
GB50057-94 *Norme de conception de la protection contre la foudre des bâtiments*
IV. Conception du système
1. Conception générale
Ce projet consiste en une centrale photovoltaïque pour un abri de parking de 6 places, d'une puissance installée totale de 17 600 W. Il utilise des panneaux solaires monocristallins à haut rendement de 550 Wc et un onduleur hybride de 15 kW. La structure porteuse de l'abri est en acier galvanisé, offrant une excellente résistance au vent, aux chocs et à la pression. Le point de raccordement au réseau se situe à moins de 100 mètres à l'intérieur de la centrale.
(1) Production d'énergie photovoltaïque à partir des abris de parking :
Durant la période de production d'énergie photovoltaïque en journée, qui coïncide avec les pics de consommation ou de prix de l'électricité, l'énergie produite alimente directement les charges locales, optimisant ainsi les avantages de l'autoproduction et de l'autoconsommation.
(2) Stockage d'énergie solaire par batteries lithium-ion : En heures creuses, le réseau recharge le système (de 22 h à 8 h, un onduleur de 15 kW recharge le système de stockage d'énergie solaire par batteries lithium-ion pendant 3 heures, atteignant sa capacité maximale de 16,07 kWh).
En heures de pointe, le système de stockage d'énergie solaire restitue de l'électricité pour alimenter les charges locales.
Ce flux bidirectionnel d'électricité, associé à une tarification différenciée selon les heures d'utilisation (stockage à bas prix, utilisation à prix élevé), permet une alimentation électrique à faible coût à partir des bornes de recharge et réduit la consommation locale pendant les heures de pointe, générant ainsi des économies sur les coûts d'électricité.
2. Sélection des onduleurs hybrides :
L’onduleur est l’équipement central d’un système de production d’énergie photovoltaïque. Il assure la liaison entre les circuits CC et CA et doit offrir des fonctions de protection complètes ainsi qu’une puissance de sortie de haute qualité. Le choix de l’onduleur doit répondre aux exigences suivantes :
(1) Rendement de conversion élevé :
Plus le rendement de conversion de l’onduleur est élevé, plus le rendement du système de production d’énergie photovoltaïque est important, plus les pertes totales de production sont faibles et plus la rentabilité du système est élevée.
(2) Large plage de tension d’entrée CC :
La tension aux bornes des modules photovoltaïques varie en fonction de l’ensoleillement et de la température ambiante. Une large plage de tension d’entrée CC pour l’onduleur permet d’exploiter la production d’énergie pendant les périodes de faible ensoleillement, avant le lever et après le coucher du soleil, prolongeant ainsi la durée de production et augmentant la puissance de sortie.
(3) Protection efficace contre l'îlotage :
L'utilisation de plusieurs méthodes de détection de l'îlotage garantit un suivi et une détection précis des paramètres tels que la tension, la fréquence et la phase en cas de coupure de courant, permettant ainsi de déterminer rapidement l'état de l'alimentation du réseau, d'assurer un fonctionnement précis de l'onduleur et de garantir la sécurité du réseau.
(4) Fonction de communication :
L'onduleur doit être doté d'une interface de communication permettant de transmettre en temps réel les données de fonctionnement, les informations de défaut, les alarmes, etc., au système de surveillance de la centrale électrique.
Ce projet de centrale photovoltaïque distribuée sous abri de voiture est équipé d'un onduleur hybride de 15 kW.
3. Panneaux solaires
Ce projet prévoit l'utilisation de modules photovoltaïques monocristallins en silicium à haut rendement de 550 Wc. Les paramètres des modules sont présentés dans le tableau ci-dessous :
| Efficacité | 20.75% |
Puissance de crête | 550W |
Tension de fonctionnement | 40.63V |
Courant de fonctionnement | 13.17A |
Tension en circuit ouvert | 49.34V |
Courant de court-circuit | 13.79A |
Dimensions | 2274mm*1134mm*35mm |
| Température de fonctionnement | -40℃~85℃ |
4. Conception du système de montage solaire
Le système de montage solaire utilise des tôles d'acier laminées à froid Q235B ou des profilés en aluminium. Le choix des matériaux et la conception des supports doivent être conformes à la norme nationale « Code de conception des structures en acier » GB50017. La protection anticorrosion du système de support doit répondre aux exigences suivantes : les traverses, les brides en tôle d'acier ondulée et les connecteurs de traverses doivent être prétraités puis galvanisés à chaud. La couche de zinc doit être conforme à la norme GB/T13912-2002, avec une épaisseur minimale de 65 µm. La surface de l'alliage d'aluminium doit être anodisée AA15.
Toutes les boulons utilisés dans ce projet doivent être conformes à la norme nationale en vigueur « Boulons hexagonaux – Grade C » (GB5780) et répondre aux exigences de protection anticorrosion sur site.
Les blocs de pression latéraux et les blocs de pression centraux sont en alliage d'aluminium.
Conformément à la norme « Code de conception parasismique des bâtiments » (GB50011-2010), l’intensité sismique du système de support est de 7 degrés, l’accélération maximale du sol dans la zone du projet est de 0,1 g et la période caractéristique du spectre de réponse sismique est de 0,40 s.
Le support de fixation est réalisé en profilés d’acier inoxydable. Toutes les liaisons (joints soudés) doivent être robustes afin d’éviter tout desserrage et résister à la corrosion due au vent, au gel, à la pluie et à la neige. Le support de fixation doit satisfaire aux exigences relatives à l’angle d’inclinaison lors de l’installation, à la résistance au vent, à la pression de la neige, à la résistance sismique, à la résistance à la corrosion, à la sécurité, à la polyvalence et à la rapidité d’installation.
Conception de l’inclinaison
Afin de maximiser l’énergie solaire reçue par la surface du champ photovoltaïque, et compte tenu de la relation orbitale Terre-Soleil, cette surface doit idéalement être installée face à l’équateur (azimut de 0 degré). Dans ce projet, afin d'optimiser l'utilisation de la surface de l'abri voiture, les modules sont installés à plat.
5. Sélection des câbles
(1) Principes de sélection
• Vérification des conditions environnementales
• Température ambiante
• Ensoleillement
• Vitesse du vent
• Pollution
• Altitude
• La sélection et la conception de la pose des câbles pour les centrales photovoltaïques doivent être conformes aux dispositions de la norme GB50217 « Code de conception des câbles pour les installations électriques ». La section des câbles doit être sélectionnée et déterminée après une analyse technico-économique.
• Les câbles posés dans les tranchées et les chemins de câbles doivent de préférence être de classe C ou supérieure, ignifugés.
• Les câbles reliant les modules photovoltaïques et les modules aux boîtes de jonction doivent être fixés et protégés du rayonnement solaire.
• La pose des câbles peut être réalisée par enfouissement direct, en tranchées, en chemins de câbles, en caniveaux, etc. Les câbles d'alimentation et de commande doivent de préférence être installés séparément et respecter les espacements minimaux requis.
• L'utilisation des tranchées comme canaux de drainage est strictement interdite.
• Pour les transmissions longue distance, il est préférable d'utiliser des câbles à fibres optiques pour les réseaux.
• Sélection de la tension nominale du câble
• La tension nominale entre phases de l'âme du câble d'alimentation dans les systèmes à courant alternatif ne doit pas être inférieure à la tension de service du circuit utilisé. Le choix de la tension nominale entre l'âme du câble et l'isolant ou la gaine métallique des câbles d'alimentation dans les systèmes à courant alternatif doit respecter les dispositions suivantes :
① Pour les systèmes avec un point neutre directement mis à la terre ou mis à la terre par une faible impédance, lorsque la protection à la terre élimine le défaut en moins d'une minute, la tension nominale doit être égale à 100 % de la tension de phase de service du circuit.
② Pour les systèmes d'alimentation autres que ceux mentionnés au point ①, la tension nominale ne doit pas être inférieure à 133 % de la tension de phase de service du circuit ; dans les cas où un défaut à la terre monophasé peut durer plus de 8 heures, ou lorsque les exigences de sécurité sont élevées, comme dans les circuits de groupes électrogènes, il convient d'adopter une tension nominale égale à 173 % de la tension de phase de service du circuit.
3) Le niveau de tension de tenue aux impulsions des câbles des systèmes à courant alternatif doit satisfaire aux exigences de coordination de l'isolation du système.
4) Le niveau d'isolation des câbles utilisés pour le transport en courant continu doit tenir compte des facteurs de variation de charge et satisfaire aux exigences relatives aux surtensions internes.
5) La tension nominale des câbles de commande ne doit pas être inférieure à la tension de service du circuit et doit satisfaire aux exigences relatives aux surtensions transitoires et à fréquence industrielle admissibles. Elle doit également respecter les dispositions suivantes :
① Pour les câbles de commande (câbles guides) posés parallèlement aux longs câbles haute tension, une tension nominale appropriée doit être choisie.
② Pour les câbles de commande installés dans les équipements de distribution d'énergie haute tension de 220 kV et plus, il convient de choisir une tension de 600/1 000 V, ou de 450/750 V en présence d'un blindage efficace.
③ Hormis les cas ① et ②, il est généralement recommandé de choisir une tension de 450/750 V. Lorsque l'influence des interférences électriques externes est très faible, une tension nominale inférieure peut être choisie.
• Choix de la section du câble : La section du câble doit satisfaire aux exigences de courant admissible continu, de stabilité thermique en court-circuit, de chute de tension admissible, etc. Pour les circuits à courant élevé sur de longues distances, il est également conseillé de choisir la section en fonction de la densité de courant économique.
(2) Type de câble
Compte tenu des conditions de sélection, le type et les spécifications des câbles retenus pour ce projet sont les suivants :
1) Le câble reliant la sortie de la chaîne photovoltaïque à l'onduleur est de type PV1-F1×4 mm² ;
2) Le câble de sortie de l'onduleur de 15 kW est de type ZC-YJV-0,6/1 kV-4×16 mm² ;
3) Le câble de mise à la terre est de type BVR-450/750V10 mm².
6. Stockage d'énergie solaire par batteries lithium-ion
Les batteries solaires sont utilisées pour lisser les pics de consommation et compenser les creux de production sur le réseau électrique, assurant ainsi la continuité et la stabilité de l'alimentation électrique issue des systèmes de production d'énergie renouvelable. Elles servent également d'alimentation de secours pour les services et installations critiques.
Haute sécurité : Utilisation de cellules lithium-fer-phosphate de haute qualité, garantissant l'absence de risque d'incendie ou d'explosion.
Longue durée de vie : Jusqu'à 6 000 cycles, pour une durée de vie pouvant atteindre 10 ans.
Nombreuses interfaces de communication : Équipées de multiples interfaces de communication, telles que CAN 2.0 et RS485, facilitant divers modes de communication.
Performances de charge et de décharge optimales : Supporte les décharges à courant élevé, offre une tension stable, une courbe de décharge régulière, un rendement de conversion élevé et une meilleure utilisation de l'énergie.
Maintenance aisée : Conception modulaire, haute fiabilité et maintenance facile.
7. Protection contre la foudre et mise à la terre
La protection contre la foudre et la mise à la terre de ce projet photovoltaïque de carport à structure métallique sont principalement conformes à la norme GB50057 « Code de conception de la protection contre la foudre des bâtiments ».
Le trajet d'intrusion de la foudre dans un système photovoltaïqueLe système de production d'énergie comprend non seulement les panneaux solaires, mais aussi les lignes de distribution électrique, les câbles de mise à la terre et leurs combinaisons. Afin de garantir le fonctionnement sûr du réseau électrique et la sécurité de la production d'énergie photovoltaïque et des installations électriques, les centrales photovoltaïques raccordées au réseau doivent être équipées de dispositifs efficaces de protection contre la foudre et de mise à la terre. L'emplacement d'installation des équipements extérieurs de ce projet n'étant pas le bâtiment le plus haut des environs, toutes les structures métalliques sont reliées et combinées à des pieux de mise à la terre nouvellement ajoutés afin de former un réseau de protection contre la foudre.
Les mesures de protection contre la foudre et de mise à la terre suivantes ont été adoptées dans ce projet : les cadres en alliage d'aluminium et les supports métalliques des panneaux solaires sont soudés de manière fiable à la bande d'acier plate de protection contre la foudre via une bande d'acier plate de mise à la terre. Une mise à la terre fiable est essentielle pour la protection du système contre la foudre et une utilisation sûre de l'énergie. Dans cette conception, les supports, les cadres des modules photovoltaïques et les connecteurs sont tous des produits métalliques. Le champ photovoltaïque forme naturellement un corps équipotentiel et est connecté de manière fiable au réseau de mise à la terre à proximité. La résistance de terre à chaque point de connexion doit être inférieure à 4 ohms. La sortie CA de l'onduleur est raccordée au réseau électrique via un boîtier de raccordement CA (équipé d'un parafoudre), ce qui permet de prévenir efficacement les dommages causés par la foudre et les surtensions. Toutes les armoires doivent être correctement mises à la terre, et la résistance de terre de chaque point de connexion doit être inférieure à 4 ohms.
V. Production d'énergie et analyse des avantages
1. Production d'énergie théorique
À partir du rayonnement solaire total mensuel moyen sur le site du projet, il est possible de calculer la durée d'ensoleillement maximale mensuelle et annuelle.
Durée d'ensoleillement maximale : La durée d'ensoleillement maximale correspond au nombre d'heures d'ensoleillement sous conditions de fonctionnement standard (irradiance de 1 000 W/m²) sur le plan où sont situés les modules photovoltaïques, pendant une période donnée.
Si le rayonnement solaire reçu par les modules photovoltaïques en 1 heure est de 1 kWh/m², alors, selon la définition de la durée d'ensoleillement maximale, la durée t peut être obtenue comme suit :
t = (1 kWh/m².an) / (1 000 W/m²) = 1 h/an
La puissance maximale des modules photovoltaïques étant calibrée pour une irradiance de 1 000 W/m², la production d'énergie théorique maximale de la centrale photovoltaïque est obtenue en multipliant la durée d'ensoleillement maximale par la puissance installée de la centrale.
Ce projet prévoit l'installation de 32 modules photovoltaïques standard en silicium monocristallin de 550 Wc, pour une puissance installée totale de 17 600 kWc. Les modules sélectionnés mesurent 2 274 mm × 1 134 mm × 35 mm et sont installés par fixation sur supports inclinés.
La durée d'ensoleillement annuelle effective est de 1 913,5 à 2 161,5 heures. Les calculs montrent que la production d'énergie annuelle théorique du système photovoltaïque pour ce projet est de 33 677 kWh.
2. Production d'énergie annuelle théorique : La production d'énergie théorique de la centrale photovoltaïque la première année correspond à la production d'énergie théorique maximale de la centrale multipliée par le coefficient de dégradation des modules photovoltaïques au cours de cette même année. Le coefficient de dégradation des modules photovoltaïques en silicium monocristallin sélectionnés pour ce projet est de 8 % la première année. Par conséquent, la production d'énergie théorique d'une centrale photovoltaïque la première année correspond à la production d'énergie théorique annuelle multipliée par le coefficient de dégradation des modules.
3. Analyse du rendement d'un système de production d'énergie photovoltaïque
Le rendement d'un système de production d'énergie solaire photovoltaïque comprend : le rendement dû au vieillissement des cellules solaires, les pertes du système basse tension AC/DC et le rendement dû au vieillissement des autres équipements, le rendement de l'onduleur et les pertes du transformateur et du réseau. D'après les données de production d'énergie réelles et les coefficients de rendement issus de projets similaires, tant nationaux qu'internationaux, les valeurs de chaque coefficient de rendement sont les suivantes :
(1) Pertes sur les câbles DC : 2 % ;
(2) Pertes dues aux diodes anti-retour et aux jonctions de câbles : 1,5 % ;
(3) Pertes dues aux différences de performances entre les panneaux : 4 % ;
(4) Pertes dues à l'ombrage par la poussière : 2 % ;
(5) Pertes sur la ligne AC : 0,8 % ;
(6) Pertes de l'onduleur : 2 % ;
(7) Pertes dues au rayonnement solaire non exploitable : 1,2 %. (8) Pertes dues aux défauts du système et à la maintenance : 1 % ;
(9) Pertes dues au transformateur : 3 % ;
(10) Pertes dues aux variations de température : 4 %. Après calcul et analyse, le rendement global du système est de 81 %.
VI. Avantages économiques et sociaux
1. Avantages économiques
D’après l’analyse précédente, la capacité installée totale de cette centrale photovoltaïque est de 17 600 kWc, et la production cumulée d’électricité sur 25 ans de fonctionnement continu est de 841 929 kWh.
La production d’énergie photovoltaïque permet de réduire les coûts d’électricité : la capacité installée des installations photovoltaïques étant relativement faible par rapport à la consommation électrique, la majeure partie de l’électricité produite peut être utilisée pour l’autoconsommation. Avec une durée de vie prévue de 25 ans pour la centrale photovoltaïque, et un prix de l'électricité calculé à 0,12 USD, les économies estimées sur les coûts d'électricité s'élèvent à 76 582 USD.
2. Avantages environnementaux complets
La production d'énergie photovoltaïque est non polluante et n'émet aucun gaz à effet de serre, ce qui constitue un avantage considérable. Actuellement, mon pays est principalement alimenté par des centrales au charbon. La combustion du charbon génère d'importantes quantités de gaz nocifs, tels que le dioxyde de soufre, et de dioxyde de carbone, contribuant ainsi à la pollution environnementale. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre, et ses émissions excessives sont un facteur majeur du réchauffement climatique. Une fois en service, le système de production d'énergie photovoltaïque n'émettra aucun gaz à effet de serre. Sur la base d'une période de fonctionnement stable de 25 ans, la production cumulée théorique de ce système pourrait atteindre 841 929 kWh.
Remarque : Économiser 1 kWh d'électricité correspond à économiser 0,36 kg de charbon standard, tout en réduisant simultanément les émissions polluantes de 0,272 kg de poussière de carbone, 0,997 kg de dioxyde de carbone (CO2), 0,03 kg de dioxyde de soufre (SO2) et 0,015 kg d'oxydes d'azote (NOx).
