Cellules solaires et systèmes autonomes pour la ......Alim directe « au fil du soleil » = sans stockage (ou capa tampon) Ex. Pompage, ventilation, calculette, utilisation sous lampe

SOLEMS L’énergie lumière

SOLEMS S.A. www.solems.com 3 rue Léon Blum F - 91120 PALAISEAU – France - Tél : 33 (0) 1 69 19 43 40 – Fax 33 (0) 1 60 13 37 43 - [email protected]

Cellules solaires et systèmes autonomes

pour la communication sans fil

par Anne LABOURET



Configurations possibles (alim autonome)

Stockage

Panneau solaire

Contrôleur de charge

Utilisation

Stockage

Panneau solaire


Utilisation

Panneau solaire

Utilisation

Alim directe « au fil du soleil »

= sans stockage (ou capa tampon)

Ex. Pompage, ventilation, calculette, utilisation sous lampe torche

Alim 24h/24 avec stockage et gestion charge & décharge

= stockage pour usage dans l’obscurité et par mauvais temps + surveillance rapprochée de l’accu

Cas le plus général pour un fonctionnement sûr, pour batteries onéreuses et/ou avec risque de déséquilibre énergétique

Alim 24h/24 avec stockage et gestion surcharge seule

= stockage pour usage nocturne et mauvais temps avec protection surcharge

Cas suffisant quand tout est prévisible et/ou sur des fonctions de motorisations (courants de pointe)



Configurations possibles (alim autonome)

Pile

ou

Panneau solaire

Electronique de sélection

Utilisation

Alim hybride photovoltaïque + pile ou photovoltaïque + accu rechargeable

= double source d’énergie

Ex. Objet portable pas toujours exposé à la lumière

Accu rechargeable secteur



Choix technologiques

Panneau solaire

Contrôleur de charge Stockage

Utilisation

Durée de vie batterie de stockage

Batterie : 4 – 10 ans à 25°C

Panneau : 20 ans

Conditions d’emploi

Niveaux d’éclairement panneau

Intérieur : 100 – 1000 lux

Extérieur : 3000 – 100 000 lux

Températures panneau et batterie

Basses températures : réduction de la capacité batterie

Hautes températures :

- Réduction de la production de certaines technologies de panneaux

- réduction de la durée de vie de la batterie

Type de stockage Contrôle de charge



Technologies des panneaux solaires

Silicium cristallin

• Panneaux de 5 à 300 Wc de 20 x 30 cm à 1.5m²

• Tension standard 12 ou 24V (ou plus pour la connexion réseau)

• Rendement de conversion au soleil de 12 à 20 % (compact)

• Inopérant en éclairements intérieurs et faibles

• Besoin d’une exposition vers le soleil

• Sensibilité assez forte à la température -0.4% / °C (-16% entre 25 et 65 °C)

Applications de moyenne et forte puissance en extérieur

• avec des ensoleillements moyens ou élevés

• peu de place

• avec une maîtrise l’orientation

• et une ventilation suffisante




Silicium amorphe

• Panneaux de 0 à 80 Wc de 0 à 1m²

• Tensions multiples / petits composants sur-mesure

• Rendement de conversion au soleil de 6 à 12 % (plus grands)

• Opérationnels en éclairements intérieurs et faibles

• Collecte bien les rayonnements diffus Moins besoin d’une exposition vers le soleil

• Sensibilité à la température -0.2% / °C (-8% entre 25 et 65 °C)

• Compatible avec des substrats souples

Applications de faible et moyenne puissance en extérieur et en intérieur

• pour les tous petits composants

• très adaptables en terme de courant / tension

• peu sensible à l’orientation




Autres couches minces : CIS et CdTe

• Panneaux de 10 à 150 Wc de 0 à 1m²

• Usines très automatisées orientées bâtiment = produits très standard

• Rendement de conversion au soleil de 8 à 15 % (moyens)

• Opérationnels en éclairements forts et moyens

• Sensibilité à la température -0.2 à -0.3% / °C (-8 à -12% entre 25 et 65 °C)

• Compatible avec des substrats souples (solaroof)

• Nettement plus économique en gros volumes

Applications moyenne et forte puissance en extérieur

• Avec de la place (centrales au sol)

• Contraintes esthétiques fortes



Technologies des batteries /accus

Batteries Plomb

• Batteries ouvertes : léger entretien mais robuste et durable

• Batteries fermées

- Electrolyte gel : meilleures durées de vie 10 ans à 25°C, bon comportement en temp. ; chères

- AGM (électrolyte imprégnée) : durées de vie légèrement inférieures , 5-7 ans, meilleur rapport qualité/prix

- CYCLON spiralées – AGM Plomb pur - : durées de vie équivalentes au gel, très bon comportement en temp.

• Tensions 2, 4, 6, 12V

• Capacités de 1 à 6000 Ah

• Bon rendement de charge à C/100, voire C/1000

• Influence de la température :

• Basses températures : décroissance de la capacité. Typ. 60% de capacité utile à -20°C

• Hautes températures : décroissance de la durée de vie : typ. Durée de vie / 2 tous les 10°C : Gel 5 ans à 35°

Idéales pour les solutions de moyenne puissance / économique

• Quand place suffisante

• Avec ventilation / si possible isolation thermique




Batteries Ni (NiMH ou NiCd)

• Tension 1.2V nominale 2.4, 3.6, 4.8, 7.2 …

• 2 gammes

Bâtons et boutons NiMH : Capacités de 20 à 2000mAh

Batteries de puissance NiCd (SNCF) : qq 10 ou 100Ah

• Influence de la température :

• Basses températures : problème de charge aux températures négatives

• Hautes températures : décroissance de la durée de vie

• Rendement de charge décroissant avec le courant de charge : typiquement 60% à C/100 (selon technologie)

Gamme de capacité intéressante pour les petits systèmes

• Compromis difficile entre courant de charge et température d’utilisation

• Extérieur : fort courant, bon rendement mais temp. négatives

• Intérieur : faible courants -> faibles rendements de charge




Batteries Li rechargeables

• Tension 3.6V nominale

• Capacités 0.8 à 3Ah (gamme téléphones et autre appareils portables)

• Très compact / onéreux

• Charge difficile à partir d’un panneau solaire :

• Courants très variables

• Problème des surtensions

Intéressantes pour les solutions très compactes peu sensibles au prix

• Moyennant une excellente protection surcharge compensée en température

Supercapacités

• Tension 2.7 ou 5.5 V

• Capacité jusqu’à 100F

• Modèles récents à très faible courant de fuite

Intéressantes pour les solutions de faible capacité ayant une large plage de tension des fonctions alimentées (I Δt = A.s = C ΔV)



Conception d’un système PV autonome

Cahier des charges électrique de l’utilisation : MAITIRSE DE L’ENERGIE

• Tension de fonctionnement : compatibilité gamme de tension accumulateur (sinon régulation de tension)

• Identification des scénarios de consommation fonction par fonction

• Fonction veille à réduire au maximum

Exemple :

Capteur de débit d’eau avec transmission de données

Besoin client : mesure temps réel, envoi des informations par GSM

Consommation débitmètre et acquisition : 250mA

Consommation GSM en transmission : 150mA

1er scénario : - Débitmètre et acquisition permanente : 0.25A x 24h = 6Ah par jour )

- Transmission GSM 150mA 1minute/10 min : 0.15A x 2.4h = 0.36Ah ) TOTAL 6.4Ah/jour



2e scénario : Optimisation du temps par 1 mesure et transmission toutes les 4 heures Conso totale : 81mAh/jour !

4 heures



Conception d’un système PV autonome

Calcul du panneau solaire ou de la cellule nécessaire

EN INTERIEUR

• Tension à déterminer selon : tension de charge de l’accu + diode antiretour, (ou entrée du régulateur de tension)

• Technologie : silicium amorphe

• Courants disponibles en µA sous des éclairements de 50 à 3000 lux voir (fiche pdf SOLEMS)

50 lux = pénombre, limite de lisibilité

200 lux = intérieur normal

1000 lux = intérieur fort

3000 lux = sous une lampe ou momentanément près d’une fenêtre ensoleillée

Exemple :

Besoin de 10µA permanent soit 240µAh/jour

Cellule éclairée 6h par jour sous 1000 lux : besoin de 240/6 = 40µA

Tension selon besoin de l’accu choisi : 2 NiMH x 1.4V en charge + 0.2V diode Schottky en série = 3V

Photopile 07/048/016



EN EXTERIEUR

• Tension à déterminer selon : tension de charge de l’accu + diode antiretour

• Technologie ?

- Gamme de puissance 10 à 200Wc – système fixe orientation maîtrisée = silicium cristallin

- Gamme de puissance 5-20Wc – système fixe : silicium amorphe en ensoleillement défavorable, cristallin en ensoleillement favorable

- Système très mobile et/ou très petit : silicium amorphe -> implantation conseillée = horizontale (pas de contraintes d’orientation, panneau invisible)

• Courant ? Ou puissance du panneau ?

Données d’éclairements statistiques (bases de données) : Valeurs les plus pessimistes pour une sécurité max.

Exemple :

Besoin de 350mAh/jour sous 12V

Rayonnement solaire global reçu à Nantes en décembre à l’horizontale = 868 Wh/jour (1)

Pc panneau = (0.35 x 12V) / (0.868 x 0.7 (2) ) = 6.9Wc => panneau 10Wc (voir fiche pdf)

Tension nominale 12V : Vm du panneau à 17,5V sous 1000W/m² (charge à 13.5 – 14V + réserve en tension pour le temps couvert et/ou la forte température)

(1) Equivalent à 0.868h x 1000W/m², rayonnement solaire instantané servant de ref. pour la mesure des panneaux solaires en Watts-crete (Wc)

(2) Coefficient de pertes comportant la salissure, les légers ombrages, les pertes du matin et du soir …



Calcul du stockage

• « Autonomie sans apport solaire » selon l’usage

- 1 mois pour une montre qui sera rangée dans le tiroir pendant les vacances

- Pour une application extérieure fixe : 10 jours sous climat tempéré, 4 à 6 sous climat ensoleillé

- Etc.…

- Si inconnue = solution hybride 2 énergies

• Pertes à considérer

- Basses températures

- Profondeur de décharge (selon technologie)

- Rendement de charge dans le cas des accu Ni (fonction du courant de charge)

Exemple :

Besoin 10 jours à 350mAh/jour

Capacité nominale = (0.35 x 10 jours) / 0.6 = 5.8Ah



Contrôle de charge

FONCTIONS

Protection surcharge (indispensable) : arrêt de la charge batterie selon tension de coupure max selon technologie :

- Batterie Plomb : AGM, Gel, batterie ouverte

- Lithium rechargeable : sécurité indispensable

Protection décharge (sécurité) : coupure de l’utilisation pour éviter la décharge profonde de la batterie *

-> GRAPHE p. suivante

Fonction anti-retour nocturne

* Ne doit pas arriver si la conception est bonne, seulement en cas d’incident (panneau endommagé, consommation imprévue)

OPTIONNELLES

Régulation des tensions d’alimentation des circuits

Suivi du point de puissance max MPPT du panneau

Mesure (voltage) et suivi des énergies consommée et produites, comptage pour électrification rurale

Télétransmission (pilotage à distance)

DIMENSIONNEMENT

Tension, courants d’entrée/sortie, fonctions nécessaires, consommation interne …

Stockage

Panneau solaire


Utilisation

= gestion de l’énergie pour augmenter le durée de vie de la batterie





Intégration des sous-ensembles

Autres paramètres à considérer

Vol & vandalisme : privilégier les panneaux intégrés au coffret (un panneau invisible ne se vole pas)

Étanchéité climatique de l’ensemble

- Attention à la condensation

- Interdiction de mettre du Plomb dans des coffrets étanches à l’air (risque d’émanation d’hydrogène)

- Parfois plus économique de tout mettre en coffret (y compris le panneau, qui peut être semi-étanche)

Inertie en température

- Isoler thermiquement la batterie permet d’éviter les très hautes et très basses températures (souvent un Pb de place)

Design

LADYBIRD Balise de mesure de son

Société Azimut Monitoring

Ex-COUNT II Moniteur de parasurtenseur

Société ABB- SUède



S.A. française indépendante située à Palaiseau (91)

CA : 1.3 Meuros

Création : 1981

Compétences /activités

Fabrication de cellules et modules au silicium amorphe (faible puissance)

Ingénierie des solutions autonomes de faible puissance

Négoce de composants solaires

Conception et fabrication de détecteurs de rayonnement

Présentation de SOLEMS



REFERENCES clients

Cellules et petits modules SCHNEIDER Electric, 3M - HÖRNELL (Suède), BALDER (Slovénie), ABB – Skeab (Suède) CIMEL, PIERRON …

Alimentations autonomes complètes Services techniques GDF, ALCATEL, CS Systèmes d’information, Autoroutes du Sud de la France, D.E.L. …

Détecteurs de lumière Honeywell,

INRA, METEO-FRANCE, ARIA,

Sincro (Italie)…



ENERGIE

Cellules solaires (photopiles SOLEMS)

Sensibles aux éclairements intérieurs (µA) et extérieurs (mA)

0.5 à 200cm² (15 x 15 cm) – Epaisseur 0.5 à 1.8mm - Tension 0 à 24V – finition légère

Panneaux solaires TD basse puissance (photogénérateurs SOLEMS)

Emploi en extérieur sous tous les climats 0 à 5Wc

100 à 900 cm² (30 x 30 cm) – Epaisseur 3.1mm

Tension 4 à 24V - Finition étanche

Modules photovoltaïques, régulateurs, batteries

Puissance des panneaux de 5 à 130 Wc, régulateurs de charge

jusqu’à 30A, batteries Plomb stationnaires ou étanches

Alimentations complètes

Solutions clés en main

PRODUITS – un aperçu du « catalogue »



EXEMPLES d’applications « énergie »

CASQUES DE SOUDURE à LCD

3M - HORNELL (Suède)

BALDER (Slovénie)

BORNES D’APPEL D’URGENCE

Licence France Telecom

ALCATEL, CSSI, ASF

COUVERTURES DE PISCINES

Mesures

METEO

CIMEL Electronique,

PULSONIC

Moniteur de parasurtenseurs

ABB – Skeab (Suède) «Rollsun » société D.E.L.



EXEMPLES d’applications « détection »

Mesure du rayonnement solaire

Contrôle du flux utile à la photosynthèse (agronomie & agriculture)

Contrôle technique automobile (réglage phares)

Détection crépusculaire



Photopile au silicium en couche mince

Structure d’une photopile avec 3 cellules en série

Lumière

Verre

Silicium

Electrode métallique n i p

Résine de protection

3 rayures de connexion série

Pôle (-)

Pôle (+)

Electrode transparente 0.08 ou 0.8µm

0.2µm

0.2µm

40µm

0.55 – 3.1 mm



Flux de fabrication

Plaques 300 x 300 mm

Contrôles électriques

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

Contrôles électriques

Stabilisation sous lumière

Pose de fils

Encapsulation (étanchéité)

Finitions spéciales….

xxx

Verre conducteur Rayage laser Dépôt silicium Rayage silicium Dépôt lift Métallisation

Marquage / découpe Sérigraphie Révélation

Contrôles finaux



Dépôt de la jonction p-i-n au silicium en couche mince par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)



Chauffage

Substrat

Couhe Si

Plasma

Enceinte sous vide

Pompe

Débitmètres

Générateur RF

SiH4

H2

CH4

PH3

B2H6

13.56 MHz

Réacteur PECVD pour le dépôt du silicium en couche mince



Couches métalliques par pulvérisation cathodique magnetron



Rayage des couches par laser

Rayure « lift-off »

Dépôt d’une pâte de masquage pour la rayure métallique



Découpe / tri

Sur cet exemple : Photopiles intérieures



Encapsulation et câblage des panneaux

Sur cet exemple : Pose d’un câble et de 4 vis de fixation en face arrière



L’équation d’une bonne solution solaire autonome :

Travail amont sur les consommations

+ Dimensionnement sérieux

+ Composants adaptés et bien montés

=

Durabilité

+ Economie

+ Liberté

Merci de votre attention

[email protected]

Documents

Cellules solaires et systèmes autonomes pour la ......Alim directe « au fil du soleil » = sans stockage (ou capa tampon) Ex. Pompage, ventilation, calculette, utilisation sous lampe