Comment concevoir une centrale photovoltaïque (solaire)? Un guide étape par étape pour concevoir un système photovoltaïque 2025-07-14
Comment concevoir une centrale photovoltaïque? Un guide étape par étape pour concevoir un système photovoltaïque
La production d'énergie photovoltaïque (PV) fait spécifiquement référence à un système de production d'énergie qui utilise des modules photovoltaïques pour convertir directement l'énergie solaire en électricité.
C'est une méthode nouvelle et prometteuse pour la production d'énergie et l'utilisation complète de l'énergie. Elle défend les principes de production locale d'électricité, de connexion au réseau local et de conversion de l'énergie locale. Cette approche permet non seulement d'augmenter efficacement la capacité de production d'électricité des centrales photovoltaïques de la même échelle, mais aussi de résoudre la question de la perte de puissance lors de la stimulation de la tension et de la transmission longue distance.
Un système de production d'électricité PV se compose de modules, structures de montage, onduleurs, matériaux auxiliaires et construction. Parmi ceux-ci, les modules représentent la majorité des coûts, tandis que les structures de montage représentent une part plus faible, comme le montre la figure ci-dessous.
** Puissance de sortie relativement faible**
En général, la capacité d'un projet de production d'électricité photovoltaïque distribuée se situe à quelques kilowatts.
Contrairement aux centrales centralisées, la taille d'une centrale photovoltaïque a peu d'incidence sur son efficacité de production d'électricité et, par conséquent, peu d'incidence sur sa viabilité économique. Le rendement des investissements pour les petits systèmes photovoltaïques n'est pas nécessairement inférieur à celui des grands systèmes.
** Faible pollution et avantages environnementaux importants**
Les projets de production d'électricité photovoltaïque distribués ne produisent aucun bruit pendant l'exploitation et ne causent pas de pollution de l'air ou de l'eau.
Peut réduire partiellement les pénuries d'énergie locale
Cependant, la densité énergétique de la production d'énergie photovoltaïque distribuée est relativement faible, avec une puissance de seulement 100 watts par mètre carré. De plus, la superficie limitée du toit qui convient à l'installation de modules photovoltaïques ne permet pas de résoudre fondamentalement les pénuries d'électricité.
** Production et consommation simultanées d'énergie**
Les grandes centrales au sol produisent de l'électricité en se connectant au réseau de transmission après une augmentation de tension, fonctionnant uniquement comme installations de production d'électricité. En revanche, la production d'énergie photovoltaïque distribuée se connecte au réseau de distribution, ce qui permet une production et une consommation simultanées, l'accent étant mis sur la consommation locale.
Introduction
L'utilisation de systèmes photovoltaïques distribués est un moyen efficace de réaliser des économies d'énergie et de réduire les émissions. Avec le développement continu de la technologie, les systèmes photovoltaïques distribués sont devenus de plus en plus matures. Les normes et spécifications techniques pertinentes, telles que GB/T 19939-2005 « Exigences techniques pour la connexion au réseau des systèmes de production d'énergie photovoltaïque » et GB/T 29319-2012 « Exigences techniques pour les onduleurs de systèmes de production d'énergie photovoltaïque reliés au réseau », fournissent un soutien technique pour la conception, l'installation et le fonctionnement des systèmes photovoltaïques distribués.
Sécurité
La conception des systèmes photovoltaïques distribués doit être conforme aux normes nationales et aux règlements de l'industrie pour assurer la sécurité du système. La protection contre la foudre et la conception de l'échouement sont des aspects essentiels pour prévenir les dommages aux équipements et assurer la sécurité du personnel. La conception du système doit également tenir compte des facteurs environnementaux et de la sécurité opérationnelle afin de minimiser les risques.
Avantages économiques
Les avantages économiques des systèmes photovoltaïques distribués sont importants. En utilisant des toits inoccupés ou des espaces ouverts pour la production d'électricité, il réduit la dépendance à l'égard des sources d'énergie traditionnelles, réduit les coûts de l'électricité et assure un rendement stable des investissements.
** Impact environnemental**
La production d'électricité photovoltaïque distribuée a un impact environnemental minime. Il contribue à réduire les émissions de gaz à effet de serre et la pollution atmosphérique, contribuant ainsi au développement durable et à la protection de l'environnement.
** Exemples de demandes**
Ces dernières années, les systèmes photovoltaïques distribués ont été largement appliqués dans les milieux résidentiels, commerciaux et industriels de diverses régions. Des études de cas réussies démontrent leur faisabilité et leur efficacité, fournissant une expérience précieuse pour les projets futurs.
** Aperçu du projet**
Ce projet utilise environ 30 m2 de surface de toit efficace, comprenant 12 pièces de 260Wp PV modules. La structure de montage est en alliage d'aluminium avec une durée de vie de 30 ans. La capacité totale installée est de 3,12KWp pour un système de production d'électricité PV distribué sur le toit.
Le système utilise un onduleur Omnik PV 3KW pour convertir la puissance DC en puissance AC 220V, qui est ensuite connecté à la ligne 220V menant à la boîte de distribution intérieure existante du propriétaire. De là, il se connecte au réseau de distribution basse tension du propriétaire via une ligne 220V, permettant la distribution d'électricité au réseau municipal.
Lieu du projet
Le projet est situé dans le comté de Hong'an, au nord-est de la province de Hubei, sur les pentes sud des monts Dabie. Elle borde Macheng à l'est, Dawu à l'ouest, Huangpi (Wuhan) au sud et Xinyang (Henan) au nord. Le comté est situé à 80 km de la capitale provinciale, Wuhan.
La période moyenne sans gel est de 236,4 jours par année. Les précipitations annuelles moyennes sont de 1 116,2 mm, les précipitations estivales représentant la moitié du total. La chute de neige annuelle moyenne est de 8,3 jours, l'humidité relative moyenne est de 77 % et la vitesse moyenne du vent est de 3 sur l'échelle de Beaufort. La durée annuelle moyenne du soleil est de 1 998,8 heures, soit 45 % des heures de soleil possibles. La zone est classée dans la catégorie III des ressources solaires.
PV (panel solaire)** Sélection du module**
Ce projet utilise 260P-60 modules de cellules solaires en silicium polycristallin d'une puissance nominale de 260Wp.
** Sélection de l'onduleur sur grille VV**
Étant donné que le projet comporte un système distribué résidentiel avec une tension de connexion au réseau d'AC220V, un onduleur PV monophasé est sélectionné.
Sélection du site
Pour les systèmes résidentiels et domestiques de production d'énergie photovoltaïque, le site est généralement choisi sur les toits ou à ciel ouvert. Par conséquent, les conditions naturelles à grande échelle (rayonnement solaire, situation géographique, transport, sources d'eau) et les conditions de raccordement au réseau (distance jusqu'au point de raccordement, espacement des points de raccordement, etc.) ne sont pas prises en considération ici.
Les facteurs environnementaux influent plus directement sur le choix du site pour les systèmes de production d'énergie photovoltaïque distribués par les ménages et les résidences. Les principales considérations sont les suivantes :
A. Présence d ' obstacles à l ' ombrage (à court et à long terme) B. Présence de dommages au sel ou de pollution C. Neige hivernale, glace, foudre et autres dangers
Pour ce projet, l'installation est sur le toit du propriétaire, sans grands bâtiments à proximité, de sorte qu'aucune analyse d'ombre n'est nécessaire pendant la conception.
** Angle d'inclinaison et orientation optimaux pour les rayons photovoltaïques**
Pour maximiser les retours du projet et simplifier l'installation tout en assurant un attrait esthétique, l'analyse professionnelle du logiciel de simulation PV indique que l'angle d'inclinaison solaire optimal pour cet emplacement est de 26 degrés, face plein sud.
Cela permet de maximiser la production d'énergie du système sur tout le cycle annuel.
Compte tenu de facteurs tels que la résistance de la structure de montage PV, le coût du système et l'utilisation de la surface du toit, l'angle d'inclinaison est ajusté afin de réduire l'exposition au vent, d'accroître la résistance de la structure, de réduire les coûts et d'améliorer l'utilisation de l'espace, sans réduire significativement la production d'électricité (de 1 % au plus).
L'analyse suggère un angle d'inclinaison recommandé d'environ 17 degrés (aligné sur le versant sud du toit).
** Espacement optimal entre les rayons photovoltaïques**
Pour obtenir la meilleure production annuelle d'énergie et maximiser l'utilisation du toit, l'espacement entre les réseaux de VP devrait empêcher l'ombrage mutuel entre 9 h et 15 h le solstice d'hiver (22 ou 23 décembre). Cet espacement est considéré comme optimal.
La simulation du logiciel professionnel PV montre qu'avec un angle d'inclinaison de 17 degrés et un espacement minimum de 5 mètres entre les points les plus bas des tableaux adjacents, l'ombrage mutuel est efficacement évité pendant la période spécifiée sur le solstice d'hiver.
Conception série-parallèle pour les rayons photovoltaïques
Dans les systèmes de production d'électricité PV distribués, les modules de cellules solaires sont connectés en série pour former des chaînes. Les connexions de série augmentent la tension continue du système pour correspondre à la plage de tension d'entrée de l'onduleur, assurant que le système fonctionne dans les limites de l'onduleur dans des conditions de rayonnement solaire et de température variables.
Pour ce projet, la tension maximale en courant continu (tension maximale en circuit ouvert) de l'onduleur est de 550V, avec une plage maximale de suivi des points de puissance (MPPT) de 70-550V et un canal MPPT par connexion parallèle.
Utilisant 12 pièces de 260W de modules solaires en silicium polycristallin, chacun avec une tension de fonctionnement nominale de 31.2V et une tension de circuit ouvert de 38V, la conception préliminaire nécessite 12 modules en série.
Dans des conditions d'essai standard (25±2°C, 1 000 W/m2 d'irradiance solaire), la tension de fonctionnement nominale de la chaîne de 12 modules est de 374.4V, et la tension de circuit ouvert est de 456V, tous deux dans la plage d'entrée admissible de l'onduleur, assurant un fonctionnement normal.
Dans des conditions variables:
À une température extrêmement basse de -10°C, la tension maximale du point de puissance est de 12 × 31,2 × (0,35% × 35 + 1) = 420,3V, ce qui correspond à la tension d'entrée maximale de 550V.
À une température extrêmement élevée de 42°C, la tension de fonctionnement est de 12 × 31,2 × (-0,35% × 17 + 1) = 352.1V, ce qui correspond à la tension minimale d'entrée MPPT de 70V.
Compte tenu d'une perte de tension de 2%, la conception répond entièrement aux exigences opérationnelles.
Après vérification, le nombre de modules en série est confirmé comme 12.
Conception du système électrique
Basé sur la sélection des modules PV, la sélection des onduleurs et la conception de séries parallèles, le système électrique pour ce projet de production d'électricité PV est conçu conformément aux exigences de raccordement à basse tension du propriétaire.
Protection de l'éclairage et conception de l'échouement
Les composants de base d'un système de production d'électricité PV connecté au réseau comprennent : le réseau de cellules solaires, la boîte de mélange PV, le transformateur de boîte et l'onduleur.
La structure de montage du réseau de cellules solaires est faite de métal et occupe un grand espace, généralement installé dans des zones ouvertes. Pendant les orages, il est particulièrement vulnérable aux coups de foudre. Compte tenu du coût élevé des modules PV et des onduleurs, une protection efficace contre la foudre et les surtensions est essentielle pour éviter les pertes économiques.
Les principales mesures de protection contre la foudre pour les centrales électriques photovoltaïques raccordées au réseau comprennent:
Dispositifs externes de protection contre la foudre tels que les tiges de foudre, les bandes et les filets pour réduire les effets électromagnétiques des courants de foudre entrant dans les bâtiments et protéger les structures.
Les équipements photovoltaïques et les systèmes de mise à la terre des bâtiments sont interconnectés en acier galvanisé, avec un traitement anticorrosion aux points de soudage. Cela réduit la résistance globale à la mise à la terre et crée une surface d'équipement, minimisant les surtensions causées par la foudre.
Les électrodes de mise à la terre horizontales sont enterrées à au moins 0,5 mètre de profondeur (en dessous de la ligne de gel) et reliées dans une grille à l'aide de pinces croisées. Les raccords souterrains doivent être enveloppés de ruban anticorrosion.
Pour ce projet, la conception de la protection contre la foudre inclut la protection externe (des conducteurs d'échouement) et la protection interne (protection contre les ondes).
Conception de la protection contre l'éclairage Description:
Protection externe : Les composants métalliques du réseau PV (structure de montage, cadres de module, etc.) sont reliés à la bande de protection contre la foudre existante sur le toit à l'aide d'électrodes de mise à la terre horizontales.
Protection interne : Un protecteur de surtension de classe II est installé entre les fils neutres, vivants et au sol à la sortie CA de l'onduleur à chaîne. Le terminal de mise à la terre du protecteur de surtension est connecté au réseau de mise à la terre (existant ou nouvellement installé) via des électrodes de mise à la terre horizontales.
6 Analyse des recettes
Références clés:
Méthodes et paramètres d ' évaluation économique des projets de construction (troisième édition) (publiée par la Commission nationale de développement et de réforme et le Ministère de la construction en juillet 2006), note du Conseil d ' État sur la mise en œuvre à titre expérimental d ' un système de capital pour les projets d ' investissement d ' immobilisations corporelles et d ' autres politiques nationales pertinentes.
Politiques de la province de Hubei.
Taux d'intérêt des prêts actuels, réglementation fiscale et dispositions connexes.
Évaluation financière
L'investissement statique total pour ce projet est de 28 100 yens, avec une durée de vie du projet de 20 ans (période de construction d'un mois et période d'exploitation de 20 ans). Le ratio de capital est de 100 %, la première année étant l'année de base. La période d'amortissement est de 20 ans, avec un taux de valeur résiduelle de 5 %.
D'autres paramètres financiers sont fondés sur des réglementations nationales ou des normes industrielles.
** Principaux indicateurs économiques et techniques**
C'est pas vrai.
Objet
Unité
Valeur
1
Capacité totale installée
kWp
3.12
2
Production d'énergie cumulée sur 20 ans
kWh
63 690
3
Production annuelle moyenne d'énergie
kWh
2,81
4
Puissance maximale
kW
•-
5
Moyenne annuelle des heures d'utilisation effectives
h
4,7
6
Alimentation annuelle moyenne par unité
kWh/m2
1.69
7
Alimentation annuelle moyenne de 20 ans
kWh
6.39
8
Heures de charge complètes équivalentes
h/kWh
0,42 (20 ans)
9
Coût moyen de l'électricité par kWh
¥/kWh
0,25 (5 ans)
10
Investissement initial par unité de capacité
¥/kWh
0,567
11
Marge de profit moyenne annuelle
%
3.58
12
Taux de rendement interne
%
6.37
Note: Pour la petite production d'électricité distribuée résidentielle, l'État exempte la taxe sur la valeur ajoutée (TVA).
Ce projet a une capacité installée totale de 3,12 KWp, avec une production d'énergie cumulée de 63 690 kWh sur 20 ans. Il fonctionne en mode « autoconsommation avec alimentation excédentaire au réseau », avec un taux d'autoconsommation de 70%. Le taux de rendement interne des capitaux propres est de 6,37 %, et la période de récupération est de 7,76 ans.
Une fois achevée, la centrale photovoltaïque de 3,12 KW générera en moyenne 3 123 kWh par an (calculée sur 25 ans). Sur la base d'une consommation théorique de charbon de 350 g de charbon standard par kWh pour la production d'énergie thermique, les économies d'énergie et la réduction des émissions sont les suivantes:
Tableau : Indicateurs d'évaluation de l'impact environnemental
Indicateur
Unité
Valeur
** Conversion des unités**
Valeur
Équivalent type du charbon (tce)
** Facteur d'émission (25 t/année)**
** Émissions de dioxyde de soufre (2007)**
kgce/kWh
0,35
tce
1.09
27.33
** Système photovoltaïque distribué**
kg/kWh
1
t
3.12
78.08
** Système photovoltaïque distribué**
g/kWh
3.35
t
0,01
0,26
** Réduction du CO2**
g/kWh
859,845
t
2.69
67.13
Réduction des émissions de SO2
g/kWh
8.03
t
0,03
0,63
Remarques:
"kgce/kWh" est traduit par "kgce par kWh" (kg d'équivalent-charbon standard par kilowatt-heure).
"tce" signifie "tonne d'équivalent charbon".
Les valeurs sont traduites comme indiqué, avec "t" représentant des tonnes métriques et "g/kWh" en grammes par kilowatt-heure.
La structure et les unités du tableau sont conservées pour plus de clarté et de cohérence.
L'investissement total pour le projet de réduction de la pauvreté sur le toit distribué de 3,12 kW est de 28 100 yens, avec une production d'énergie annuelle d'environ 3 184 kWh et un revenu annuel d'environ 3 200 yens.
Par conséquent, les systèmes de télévision par satellite distribués aux ménages offrent non seulement des rendements d ' investissement stables et d ' excellents effets sur les économies d ' énergie et la réduction des émissions, mais aussi des solutions efficaces aux problèmes de revenu des populations à faible revenu, ce qui permet de réduire la pauvreté de manière ciblée.
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