C AHIER DES C HARGES 69 

En début de projet, (janvier 2007), une analyse fonctionnelle menée par l’ensemble des partenaires sous la direction de SAFT a permis de lister l’ensemble des fonctions souhaitées pour créer un produit préindustriel alliant à la fois une production d’énergie photovoltaïque optimisée, des éléments de stockage innovants, une électronique de gestion de l’énergie stockée innovante et un packaging compatible avec de l’intégration au bâti. Ainsi, est ressorti un intérêt fort de la part des industriels du bâtiment de disposer d’un grand nombre de fonctionnalités nouvelles et flexibles pouvant délivrer de l’énergie et assurer des besoins en autonomie d’énergie sur certaines fonctions ou bien alors le renforcement de production d’énergie allant jusqu’à l’échelle d’un quartier. Dans ce dernier cas, le module LiPV associé en grand nombre doit jouer un rôle sur la délivrance énergétique pendant les périodes de pointes de consommation. Le besoin de créer un produit fortement intégré et facile d’utilisation est également ressorti pour assurer

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sa diffusion à grande échelle et au grand public. L’ensemble des fonctionnalités nécessaires pour rendre ce produit compatible avec une application dans l’habitat a été listé et ensuite validé par le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB). Par exemple, pour les applications raccordées au réseau, fonctionnant en courant alternatif, le module LiPV devrait trouver des applications dans les bâtiments résidentiels (individuels ou collectifs), de par ses propriétés d’association, rendant l’ensemble très flexible sur la puissance potentielle pouvant être délivrée. Dans le domaine du tertiaire (bâtiments commerciaux, locaux scolaires ou universitaires...) ou à vocation industrielle (usines...), la fiabilité du module seul ou associé a un intérêt car cela implique une maintenance aisée. Dans l’ensemble de ces applications, le module LiPV sera connecté au réseau électrique conventionnel ou à un réseau local (mini ou micro-réseau) via une interface nommée « onduleur ». La facilité d’intégration et d’installation du module LiPV, grâce à sa compacité, son poids et sa modularité, rend le système évolutif en fonction des besoins de l’utilisateur.

Pour les applications autonomes, fonctionnant en courant alternatif, le module LiPV, dont l'une des fonctions principales est la fourniture de courant alternatif, devrait permettre d’alimenter jusqu'à des associations de bâtiments en site isolé. Ainsi, la modularité de l’installation avec une évolution de la puissance installée en fonction de l’évolution des besoins en énergie du site est un avantage pour ce type de produit. Seule, la fonctionnalité « onduleur » diffère des applications précédentes. Pour les applications autonomes fonctionnant en courant continu et alternatif, le module LiPV peut être amené à délivrer de l'énergie à des systèmes autonomes autant pour l’habitat, le mobilier urbain, les fonctions isolées nécessitant une sécurité de délivrance de l’énergie (postes de secours d’autoroute, relais télécoms) que pour des systèmes embarqués (véhicules terrestres, bateaux...etc.).

Pour disposer d’un module facilement intégrable et qui s’installe facilement, le système offre des dimensions les plus proches possibles d’un module photovoltaïque standard avec un surpoids limité pour ne pas pénaliser la pose, la maintenance ou bien même le transport. Le tableau 3.1 rappelle les différentes spécifications mécaniques et dimensionnelles du module LiPV ainsi que les conditions thermiques de fonctionnement du module multifonctionnel fixées suite à l’analyse fonctionnelle.

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Critères Exigences

Longueur N’excédant pas celle du générateur PV lui-même Largeur N’excédant pas celle du générateur PV lui-même

Epaisseur  60 mm

Masse  15 kg

Durée de vie 15 ans minimum

Résistance mécanique

(Norme NF EN 61646) Robustesse des interfaces, vrillage, charge mécanique

Environnement climatique (Norme NF EN 61215)

Humidité-gel : - 40 °C à + 85 °C et à 85 %HR pendant 240 heures.

Chaleur humide : 1000 heures à +85°C et 85% HR

Cycle thermique : - 40 °C à + 85 °C pendant 1200 heures maximum. Générateur PV T max = + 85°C ; T moyenne < 40°C ; T min = - 40°C

Batterie T max = + 60°C ; T moyenne < 30°C ; T min = - 20°C Electronique T max = + 85°C ; T moyenne <40°C ; T min = - 40°C

Tableau 3.1 : Extrait du cahier des charges du module multifonctionnel LiPV.

Le module LiPV constitue un nouveau concept de générateur photovoltaïque intégrant pour la première fois le stockage et la conversion de l’énergie au plus près de la production. Diverses études ont dû être menées en parallèle afin de bien cerner la problématique et les divers compromis à effectuer. L’objectif du projet a été de démontrer la faisabilité d’un tel système intégré d'énergie autonome malgré parfois des non compatibilités fonctionnelles de chacun des éléments une fois associés. Ainsi toutes les contraintes d’intégration de l’ensemble des composants du système allant du GPV, de la batterie, l’ensemble des convertisseurs statiques, l’électronique de gestion, le câblage, les liaisons d’interfaces ont été minutieusement étudiées. En figure 3.1, est présenté un exemple d’assemblage pertinent de l’ensemble des fonctions assurant à toutes un bon fonctionnement.

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Générateur PV Cadre panneau PV en

profils aluminium

Lame d‘air entre générateur PV et batterie Eléments prismatiques Li-ion

Structure de maintien inférieure avec réseau de raidisseurs transversaux Structure de maintien supérieure avec réseau de raidisseurs

Gestionnaire de batterie (BMS) et convertisseur C1

Unité de protection et d’équilibrage

Figure 3.1 : Exemple d’assemblage du Module LiPV tenant compte de l’ensemble des contraintes.

Une des problématiques de recherche abordées dans ce projet est d’augmenter la durée de vie des batteries pour tendre vers celle d’un GPV de première génération (soit 25 ans garanties constructeur). Cela passe à la fois par le choix de la meilleure adéquation de la technologie choisie par rapport à l’application envisagée mais aussi par l’optimisation des stratégies de gestion de l’énergie. Ce domaine n’en est qu’à ses débuts et bien que beaucoup de progrès aient été effectués ces dernières années, il reste encore beaucoup à faire en termes de R&D pour augmenter les durées de vie actuelles de 10 à 20 ans sans trop augmenter leur coût [16].

Globalement, l’architecture « système » développée pour le concept LiPV comprend le système de production (le GPV), le système de conversion (C1), le

système de stockage (l’ensemble des batteries élémentaires) et de restitution de l’énergie pour la connexion à une charge et diverses fonctions annexes comme le BMS, l’équilibrage et des fonctions de sécurité qui peuvent être envisagées selon l’assemblage de divers modules LIPV comme :

 Une source d’énergie continue et isolée de faible puissance (délimitation de l’architecture à un module élémentaire noté MLIPV),

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 Une source continue et isolée de puissance moyenne (plusieurs modules

MLIPV_i associés en parallèle selon les besoins en puissance),

 Une source alternative et isolée ou connectée à un réseau local (l’association de la source précédente avec un onduleur autonome).

 Une source alternative et connectée à un réseau électrique conventionnel (l’onduleur diffère de la solution précédente et doit respecter les normes du réseau sur lequel il va se connecter).

Un exemple d’architecture « système » LiPV comprenant les différentes fonctionnalités est présenté en figure 3.2, sachant que le convertisseur de puissance noté C2 et l’onduleur devront s’adapter à divers besoins en puissance nominale ainsi

qu’aux normes en vigueur selon les pays et selon les applications.

-

DC

DC

DC

AC

x n MLiPV,n : GPV / Convertisseur C1 / Batterie

Convertisseur C2 Onduleur GPV DC DC Batterie Li Ion Convertisseur C1 Convertisseur C1 GPV DC DC Batterie Li-ion PPV1 PPVn Module MLiPV,1 + G1 Gn-1 Gn Réseau 220V - 50Hz VOUT Module MLiPV,n-1 Module MLiPV,n

Figure 3.2 : Exemple d’architecture distribuée de puissance avec n MLiPV en parallèle.

Nous décrivons dans ce chapitre les divers travaux qui ont permis la conception, la réalisation et les premières validations, fonction par fonction.

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