Logiciels pour systèmes photovoltaïques: analyse des besoins suisses, cahier des charges et proposition de structure

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Logiciels pour systèmes photovoltaïques: analyse des besoins suisses, cahier des charges et proposition de structure

MERMOUD, André, GUISAN, Olivier & Office fédéral de l'énergie

MERMOUD, André, GUISAN, Olivier & Office fédéral de l'énergie. Logiciels pour systèmes photovoltaïques: analyse des besoins suisses, cahier des charges et proposition de structure. Conches : Office fédéral de l'énergie, 1992, 17 p.

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http://archive-ouverte.unige.ch/unige:119373

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1 / 1

Gc,tt#n Â3

OFEN

EF - REN (91) _0s0

Logiciels pour systèmes photovoltaïques

*

Analyse des besoins suisses

Cahier des charges et proposition _de structure

Octobre 1992

Prof. Olivier GTIISAN

Groupe de Physique Appliquée et

Centre

Universitaire d'Etude

de Problèmes de

I'Encrgie Université

de Genève

4, ch.

de

Conches, CH

1231 Conches

-

Genève

Table des matières

1.

- Introduction

2. -

Analyse des réponses au questionnaire

2.1. -

Distribution

2.2. -

Types d'utilisation

2.3. -

Caractéristiques attendues

d'un

logiciel

2.4.

- Matériel disponible.

3. -

Cahier des charges

3. 1. -

Utilisabilité

et convivialité de l'interface

3.2. -

Caractéristiques physiques de

la

simulation

' 3.3. -

Logiciels existants

4. - Structure du

prograrnme proposé

4.I. -

Gestion de fichiers, options

4.2. -

Conversion

/

génération de données météorologiques

4.3.

- Bibliothèque de composants

4.4. -

Projets

4.5.

- Etudes particulières de sous-systèmes

4.6. -

Calculs de paramètres solaires.

5. -

Conclusions Bibliographie

ttÈq

d

yt

L. Introduction

Dans le

cadre

d'un

mandat

de I'Office Fédéral de I'Energie, le

Groupe de Physique Appliquee de

I'Université

de Genève

a

entrepris

l'étude

des besoins

et

de la

disponibilité de logiciels pour la simulation et le

dimensionnement

de

systèmes photovoltarques.

Ce logiciel devrait être un outil

indispensable

pour les

concepteurs

d'installations, ainsi que les

organismes

qui _en

mesurent

les

performances

et

en analysent

le

fonctionnement

en

conditions réelles (bureaux

d'ingénieurs, instituts

de recherche). Ce projet se déroule en trois phases:

-

Analyse des besoins

en

Suisse,

pil

une consultation des utilisateurs potentiels au moyen

d'un

questionnaire; élaboration

d'un

cahier des charges repondant au mieux aux divers besoins exprimés.

-

^Essai et évaluation des logiciels PV existants sur

le

marché; validation sur quelques installaticns bien mesurées en Suisse, analyse compara.we de leur utilisabilité.

-

^Dans une phase ultérieure, si aucun

logiciel

existant n'est satisfaisant, nous devrons en élaborer un selon ce cahier des charges,

le

mettre au

point

et

le

valider.

Il

^sera

ensuite distribué à ^quelques

utilisateurs-test

pour un essai en situation,

et corrigé/complété en conséquence.

Le présent document tente de faire le tour de.la première phase: un questionnaire

a

été

distribué aux

personnes intéressées

en

Suisse

durant le printemps

1992; nous commencerons par en analyser les réponses, puis nous en tirerons une esquisse de cahier des charges. Nous ajouterons une description

de

I'organisation

du logiciel qûe

nous pouvons proposer.

Ce

document sera

à

nouveau soumis

aux

personnes intéressées en Suisse pour une nouvelle appreciation.

Par ailleurs, l'évaluation des logiciels existants a également été entreprise et fera

l'objet d'un

document séparé.

2. - Analyse des réponses au questionnaire

2.1. - Distribution

Le questionnaire a été envoyé à une vingtaine de personnes concernées dans toute

la

Suisse.

Iæs

13 réponses

qui

nous sont ^parvenues

à

ce

jour

serviront de base

à

cette analyse. Elles émanent des personnes et institutions/entreprises suivantes:

P. Affolter - C.

Roecker P. Bremer

D.

Chianese

-

S. Rezzonico

J.-M.

Cottier

R. Haldi - V.

Crastan

B.

Hofer

H.

Kastien S. Kunz J.-R. Iæidner

A.

Mermoud

- O.

Guisan

R.

Moser

Y.

Roulet

P.

Toggweiler

LESO SEDE

TISO, ETS Lugano Atlantis Energie ETS Bienne PSI

Softwareentwicklung, Zurich Meteotest

EV/I

GAP, Genève Alpha Real, AG Energie Solaire

SA

PMS Energie, Mônchaltorf

2.2. - Type d'utilisation

A

la première question:

Utilisez-vous déjà un

logiciel

concernant l'énergie solaire, ou photovoltaique ?

10

personnes ont répondu par

l'affirmative.

5 d'entre elles utilisent METEONORM,

mais personne

n'utilise d'autre logiciel

PV disponible sur le marché.

4

^personnes

utilisent leurs propres

programmes:

par

exemple

PHOTOSIM à EWI,

PVENDOR et

PVKENN

au

PSI, G3

(thermique) au

GAP,

d'autres encore chez Alpha Real ou chez

M.

Kastien.

A

la seconde question:

Veuillez situer vos besoins éventuels

d'un

logiciel PV, et

l'emploi

envisagé les 3 premières réponses proposées semblent être des objectifs prioritaires:

-

^Etude préliminaire de configuration, conception de systèmes(lO voix)

-

Dimensionnement de

systèmes

⁽¹⁰ voix)

-

Analyse du fonctionnement

d'un

système

cxistant

( 9 voix)

-

Optimisation

d'un

élément

particulier

( 7 voix)

-

Conseil pour vente de

matériel ( I

voix)

-

Systèmes mobiles (bateaux,

voitures...)

( 0 voix) D' autres propositions individuelles sont apparues :

-

Etudes économiques

-

Etudes sur le potentiel solaire

-

Comparaison mesures-simulation (cornplément au point 3?)

- Outil

pour la refonte de METEONORM.

Bien entendu, chacun de ces objectifs implique des contraintes particulières sur la structure

du

programme:

l'étude préiiminaire ou

conception

de

systèmes necessite la formalisation

de

règles empiriques,

etlou un calcul

grossier

mais

rapide

de

diverses versions; le dimensionnement ou l'optimisation demandent une simulation détaillée, avec les outils pour des études paramétriques plus _fines.

Par rapport aux simulations

prospectives

(en général sur une

année-type), I'analyse

du

fonctionnement

de

systèmes existants

et la

confrontation aux mesures est beaucoup

plus

_complexe

à

mettre

en

oeuvre:

elle exige I'intégration de

banques de

donnês

expérimentales (météo, performances système), sur des périodes non standard et en tenant compte d'éventuelles imperfections (parrnes,

etc...);

le type de sorties de telles études est également très spécifique (graphiques de comparaisons, estimation d'erreurs,

etc...). L'intégration

de telle possibilités dans un

logiciel

serait un progrès par rapport à la plupart des logiciels existants.

23. - Caractéristiques attendues drun tel logiciel

I-e

questionnaire

donnait

ensuite une

liste de divers

paramètres

ou

options à prendre en compte dans

la

simulation du système photovoltarque. I-es réponses devaient s'échelonner selon la notation suivante:

0 = inutile 1= éventuel 2 =souhaitable ³ =

indispensable

Nous

donnerons dans

la

suite

la note

moyenne obtenue

pour

chaque

rubrique.

Bien entendu, chaque

groupe de

paramètres

laissait la possibilité de proposer

d'autres caractéristiques personnelles.

I-e premier groupe concernait le type de système

PV

(configuration) à envisager:

Connecté au réseau

alternatif,

avec ond,uleur

Isolé avec battertes

$.c.

^onduleur accessoire

pour applicaions

alternatives) Isolé _avec utilisation directe, sans baueries: odaptaion d'une caractéristique

de charge donnée (ohmique, pompe, etc...).

Connecté à un réseau continu (par ex. transports publics) Mixte batterie

-

réseau

Mixte batterie

-

back-up diesel Mixte batterie

-

éoliennc

Demande supplémentaire: Mixte Réseau - éolienne

2.8 2.8 2.2 1.8 1.4 1.2 1.1

On

^peut constater que

I'utilisation

principale _envisagee

en

Suisse concerne les systèmes les plus classiques, connectés au réseau

ou

isolés avec stockage par batteries.

Notons

que la

présence

de

batteries nécessite

de

développer

ou

adapter

un

modèle

représentant

leur

fonctionnement

et leur

comportement; ces modèle de batterie sont en

général complexes et relatvement peu fiables, ils

necessitent

un ^gros

^travail

expérimental de validation

et

constitueront certainement une

difficulté

majeure

pour

la réalisation _{de ce} logiciel.

On demandait ensuite

la forme

souhaitee pour les données météorologiques. Le processus

de simulation

sera vraisemblablement basé

sur

des valeurs

horaires de

4 paramètres: rayonnements

global et diffus horizontaux, température extérieure

et vitesse

du vent. L'un

des problèmes courants

lors

de

I'emploi d'un tel

^programme est d'adapter

les

donnees disponibles

de I'utilisateur, de

diverses provenances, _formats, complètes

ou partielles,

horaires,

journalières ou

même mensuelles.

I-e

programme devrait accepter

un large

éventail

de

types

de

données méteorologiques

et pouvoir

se recréer une base de données interne complète. Iæs options suivantes étaient prôposees:

Fichiers de référence

.DRY

^(Design Reference Year, nnuveauformat international dc données météo, 16 stations dîsponibles

en

Suisse) Données mesurées directemcnt dans le

plan

capteurs (pour _{tests de systèmes}

rëellemert mesurés)

Géncruion de données horatres

àpanîr'dc

valeurs météo mcnsuerles (entrées manuellement, ou selon Meteonorm)

Fichiers horairesfournis

par l'utilisaeur,

non annuels (pértodes

de

tests) Fichiers horaires

format arnéricain .TMY

Autres

formas proposés: ISM

^(Anctz)

Venait _ensuite le type de champ PV à prendre _{en compte:}

Charnpfixe Façades

champ

fixe

en sheds (sheds de gran"de longueur

par

_{rapport à}

la

rargeur) Chnnry s

faes

hétéro gèræs (ofi ent

atiors

dive rs es

)

Tracking 2 axes

Tracking

I

^axe (journalier)

Mobiles (bateaux,

voitures)

(irréalisable _?7?) Autre

proposition:

inclirwtsonmanuelle saisonnière

2.7

2.4 2.3 2.2 1.3

3.4

2.8

2.6

2.1 1.4 1.3 0.8

La caractéristique électrique

des panneaux.ou

du

champ est

un point

délicat.

Iæs performances des panneaux, annoncées par les fabricants

à +/- 5 ou l0%,

peuvent

être

très dispersees

d'une livraison à I'autre, et

sont

le plus

souvent inférieures aux

valeurs nominales. D'autre pd, le calcul de la

caractéristique

d'un

^panneau,

I'assemblage

et les

interconnexions des panneaux dans

le champ, font intervenir

des

modèles complexes et pas encore bien établis dans la littérature ou par

nos expérimentations. Nous prévoyons de mettre à disposition de I'utilisateur la visualisation graphique de

la

caractéristique

I/V d'un

panneau selon ses paramètres,

ou d'un

champ complet (avec effets d'ombrage partiels, diodes, dispersion des caractéristiques, etc...).

Pour définir la

caractéristique

des

panneaux,

nous

proposons

les

facilités suivantes:

Catalogue de panneaux existants sur Ia base des données

dufabricant,

sous forme paramétrique

(Icc,

Vco,

Impp,

Vmpp, coe,ff.

tempér. ltlcc et ltVco) ^2.9

Caractéristique calculée à

panir

de données expérimewales _de

I'utilisateur

(mesures

I/V

à différentes

tempéraures) 2.6

Effet de Ia

température 2.9

Concernant I'assemblage

de

panneaux dans

un

champ,

la prise

en compte des effets suivants a été proposee:

Effex d'ombrages

partiels:

tracé des caractéristiques résultawes Diodes de protection, effets

de

"hot-spot'

Effits

des types/diwnètres de.s connexions Branchement série/parallèle du chatnp

Effet de la dispersion _des caracÉrtsûques des cellules/panneaux Facteur de vieillissement

Facteur d'encrassement / pértodicité dc neaoyage Corrections sur l'énergie solaire incidente:

Correctiow d'ombrages proches (sur une

panie

du charnp)

correctiow

d'ombrages

lointairu

(globaux sur tout le chatnp, hortzon) Correction d' incidence

Effets spectraux (rappon dtffus/direct, altitude, masse

d'air...)

Autre

demand,e:

correction

ncige

^(sur quclle base ???)

Fonctionnement au

point

de puissance macimurn

(Mppf)

Fonctionnemen.t à. tension donnée (oufixée

par

modèle de batterie)

2.6 2.6

2.5 2.5 2.3

t.8

1.6

2.8

2.7

2.5 2.1

Notons que les effets d'ombrage proche, "hot spot" et diodes de protection _seront très

difficiles à

modéliser:

la

réalisation

de

ces options devra vraisemblablement _être reportée à une version ultérieure du programme. D'autre

part, il

a été souligné dans les réponses

que

beaucoup

de

ces

objectifs

sont inéalisables

faute de

bases

de

données fiables (notamment

pour

les facteurs de vieillissement

et

d'encrassement,

la

dispersion des caractéristiques

de cellules, etc...). De plus,

certaines perturbations

du

système comme

la neige, les

grosses salissures

(feuilles),

les pannes (celles d'onduleurs sont encore

très

fre4uentes),

les erreurs de

montage,

Ia foudre, etc... sont

totalement imprévisibles et peuvent avoir une grande influence sur les bilans.

Conditions de fonctionnement du système:

2.9

2.4

Définition

de composants: comme pour les panneaux

PV, il

faudra élaborer une bibliothèque des

principaux

composants disponibles

sur le

marché.

Nous

proposions dans le questionnaire:

I

Onduleurs (renrlentent, seuil, lirnites

defonctionnement)

2.9

Batertes

_2.4

Autre

deman^d.e:

^chargeur de banerie

Ilfaudra

encore

prévoir

de

définir :

régulateurs de charge/décharge _batteries convertisseurs

MPPT

I^a définition de la charge et des conditions

utilisateur

dépend dans une certaine mesure du type de système: nous proposions:

Profil

hebdomadaire, (avec week-ends, ...

)

Profil

journalier

_(év. cornbiné avec

profil

hebdontadaire et mensuel) Char ^g e moy enne me rc ^ue I I e

Profil

de probabilités de puissances instantanées absorbables Autre

proposition:

Demande de pointe

2.5 2.5 2.4

1.6

Pour terminer, il faut définir la forme des résuttats

attendus:

pour

être réellement utilisable dans

la

^pratique,

un tel

programme

doit

contenir en lui-même un minimum de facilités de mise en forme des résultats:

listing

de toutes les conditions et

hlpothèses pour un calcul donné, sortie/impression de bilans et

graphiques, diàgnostiques d'erreurs,

etc...

I-e questionnaire proposait les sortie standard suivantes:

Bilarc

mcruucls

/ annuels _3.0

Graphiqucs d.e valeurs

journalières

(input/output), mensuclles

ftistograwnes)

^2.8 Fichiers de données ASCII

pour

utilisation

exÉrteure 2.4

(formats demandés:

D(CEL,

LOTUS, .CSV,

... )

Graphiques

irutantanés

(componement du système sur unc

journée)

2.2 Analyses paratnétriques (élasticités,

optimtsations) 2.0

Annlyse

économique _I.g

Autres

proposittoru:

puissances classées

enfonctionde

l'ensoleillement facteurs ^d' utilisation, de perforrnonces,

...

2.4. - Matériel disponible

11 personnes

(sur

13) ayant répondu possèdent

un

ordinateur de

tlpe PC, et

9 disposent

d'un

coprocesseur mathématique. Pour

7

personnes une version

Mac

Intosh serait souhaitable

(voire

indispensable!).

D'autre part, 9

personnes sont déjà familiers avec Windows.

Concernant

les

imprimantes, presque

tous les

intervenants semblent équipes

d'une imprimante laser, et 9

demandent également

la possibilité d'utiliser

une imprimante

matricielle.

Evidemrnent, une application

écrite

sous Windows éliminerait toutes les difficultés liees à la gestion d'une multiplicité de types d'imprimantes, puisque c'est I'interface Windows elle-même qui s'en charge.

3. - Cahier des charges

3.1. - Utilisabilité et convivialité de I'interface

De

manière générale,

il

^nous semble que les caractéristiques suivantes devraient constituer le noyau minimal d'un cahier des charges concernant I'interface-utilisateur:

- ^pour

être utilisable

par

les praticiens,

un tei logiciel doit

être

convivial,

d'emploi simple, et robuste.

- Il

ne doit pas nécessiter un apprentissage trop important.

- L'utilisateur

dispose à tout moment d'une aide contextuelle.

- Iæ

dialogue se

fait ^par

^menus,

et la

saisie des données

par

masques (utilisation éventuelle de la souris), dans un environnement multifenêtres.

-

I-es paramètres présentent toujours des valeurs

par

défaut,

ainsi

que des valeurs limites assurant un fonctionnement sans failles du programme.

- Les

erreurs d'ex,foution doivent être clairement référencées

et ne

pas provoquer

I'arrêt

du programme.

- L'utilisateur ne doit

pas

gérer

des

fichiers,

mais des projets

et

des objets réels (données météorologiques, bibliothèque de composants).

-

L'exécution

doit

être rapide

pour pouvoir

comparer diverses variantes. On pourra au besoin

choisir

.un niveau

de

rapidité

en relation

avec

un

niveau

de

précision attendu.

- I-es

résultats

doivent pouvoir être

stockés

ou imprimés de

manière

claire,

en

incluant toutes les hypothèses de calcul (paramètres), de façon à pouvoir comparer diverses configurations sans équivoque.

-

^{Iæ programme gère lui-même}

l'édition

de tableaux et graphiques de résultats.

- Il

doit pouvoir être traduit facilement en plusieurs langues.

Dans

ce

contexte, une application

ecrite

sous V/indows est souhaitable; d'une

part, cela permettrait de

répondre

à la majorité

des

critères

énumérés ci-dessus, et d'autre

part,

cela aboutirait à un environnement (souris, menus, fenêtres,

..")

auquet de nombreux utilisateurs sont déjà habitués.

De plus, I'emploi

d'aides

au

développement modernes, disponibles en particulier dans

la

version Windows de

Turbo

Pascal, permet de dissocier complétement

le

dialogue-écran

du

fonctionnement interne du programme;

ce qui permet de traduire facilement

f

interfaçage dans différentes langues sans toucher au programme.

Nous

étudierons dans

quelle

mesure cette application

peut être

intégree dans

l'interface plus générale 'POLYSUN" [réf l],

développee

pour

rassembler

en

une même unité tous les logiciels concernant l'énergie solaire.

(

3.2, - Caractéristiques ^physiques de Ia simulation

Concernant les propriétés physiques de

la

simulation,

il

semble que

la liste

des phénomènes à prendre en compte exprimee dans

le

questionnaire puisse être considéree

comme relativement exhaustive, puisque les

demandes complémentaires

sont

peu nombreuses

et marginales. Nous

estimerons

donc qu'un logiciel minimal

devrait répondre

au

moins

à

toutes

les

rubriques

du

questionnaire correspondant

à

une note supérieure

à2.0,

et nous incluerons les demandes individuelles les plus pertinentes.

Neanmoins, certaines options présenteront des

difficultés de

modélisation. Iæ programme devra donc être construit et fonctionner d'abord autour

d'un

noyau minimal, mais être conçu de maniète suffisamment modulaire pour que _toutes les options puissent être incluses progressivement au

fur

et à mesure de I'avancement des recherches (et de la demande des utilisateurs). Ceci concerne principalement:

- Lt

génération de données horaires synthétiques à

partir

de données mensuelles. Ce problèrne a été étudié en détait dans

la

littérature,

et

ne devrait pas poser

trop

de problèmes à programmer, mais nécessitera un

travail

minutieux de validation. Nous étudierons

la possibilité d'utiliser la

procédure développee

au LESO [2],

^valable

pour une trentaine de stations du réseau

ANETZ.

'- Iâ

modélisation

des batteries. C'est un

^passage

obligé pour les

installations autonomes; malheureusement,

il ^{n'existe pas} de modèle fiable

régissant les

propriétés des batteries,

car

celles-ci dépendent

d'une multitude de

paramètres, (couple chimique, géométrie des électrodes, temtrÉrature, état de charge, vitesse de charge/décharge,

histoire des

charges)

et surtout elles sont

hautement non- reproductibles

d'un

modèle, ou même d'un échantillon à I'autre.

-

^Iæ calcul de

la

caractéristique

d'un

champ

PV,

avec occultation d'une ou plusieurs

cellules ("hot spots"). On peut prévoir une option à part pour

I'analyse

et

la visualisation directe de

I'effet

d'occultation sur la caractéristique

I/V

du champ.

- I-es calculs d'ombrage proche, affectant une partie de champ

seulement. Ce problème _semble

I'un

des plus urgents posés par les praticiens. _{Outre quelques cas} simples mais

significatifs:

tels que I'ombrage

d'un

shed

sur I'autre, d'un

mât ou

d'un

pan de

mur,

nous devrons traiter l'ombrage d'obstacles geométriques tels que des bâtiments;

la difficulté

sera alors de trouver une formalisation de I'entrée des donnees geométriques _dans I'espace

qui

ne

soit

pas

trop

fastidieuse. Pour estimer

l'effet

sur la réponse du champ,

il

^faudra également

pouvoir

morceler

le

champ en

"chaînes" de panneaux connectés en série.

3.3. - Logiciels existants

Nous avons commencé

à

tester divers logiciels disponibles sur

le

marché. Iæur évaluation détaillee fera

I'objet d'un

autre document, mais nous pouvons d'ores et déjà en donner quelques caractéristiques générales:

Nous avons pu ( ou envisageons de

)

tester les quelques logiciels suivants:

- WATSUN-PV est un

programme

de l'Université de Waterloo

(Canada), _bien documenté

et

doté

d'un

service après-vente

et

mise

à jour

régulière.

D'un prix

modique (400

$US +

^100$US

pour I'option

mise à

jour), il

^possède une bonne

interrace'""t-:ï1,',:"ï

iî?:i* ^;'#:5J,'

^{tvpes de sv s tèmes PV :}

:;#i,ïJ:T"*1'Jilii,l'i:ffi:i3:::isba,,eries

On peut

également

lui

adjoindre

une option de

génération

de

données horaires synthétiques à

partir

de donnees mensuelles (75

$US).

Son modèle de batteries est relativement sophistiqué, mais très

empirique; il

^est

difficilement

transposable à d'autres types de batteries que celles mesurées par les auteurs.

- ^PVFORM

est un programme des Sandia National Iaboratories (Albuquerque, New Mexique,

USA),

écrit en Fortran. On peut

l'obtenir

sans frais auprès des auteurs.

Il

est bien documenté (manuel

d'utilisation

détaillé). On peut

y définir

des champs de capteurs nxes'

ï Ë:ËiiH*:,'.ffiii:

^:t

;'xm."*'

^{d e sv stèmes :}

-

Systèmes isolés avec batteries et back-up

Ses modèles

de calcul

sont moins sophistiqués que

les

précedants:

le

champ est donné

à

^puissance

nominale, avec un simple correction de

température

sur

la puissance, _sans modélisation de

la

caractéristique

I/V.

Cela signifie que

la

charge des batteries ne peut être simulée qu'avec un fonctionnement au point de puissance maximale. D'autre part,

le

modèle de batteries est extrêmement

simplifié,

ne tenant pas compte de la température.

PHOTO (M.N. Manninen, P.V. Lund, A. ^Virkkula, Helsinki Univ. of

Technology) traite les sytèmes connectés au réseau

ou

autonomes, éventuellement couplés avec

back-up diesel ou éolienne. Il

^possede également

un

modèle de batteries correct, un générateur rnétéo et une

utilité

pour déterminer les paramètres

d'un

panneau

PV selon des valeurs

mesurées

à

diverses températures. Bien documenté, son

utilisation n'est

cependant pas toujours très conviviale

et on

bute

facilement sur des erreurs d'exécution lors de l'entrée des

paramètres, c'est pourquoi

je n'ai

pas encore réussi à le faire

"tourner".

Je pense néanmoins que c'est peut-être le meilleur candidat actuellement disponible.

- PVISRAEL (J. M.

Gordon, Ben Gurion

Univ. of

Neguev, Israël) est une version amélioree et didactique

d'un

programme américain classique nomnré

PVGRID. Il

est

cher

⁽⁴⁰⁰⁰

FS) et ne

simule

que

des systèmes connectés

sur le

réseau. Sa

particularité _est le calcul de champs d'héliostats de grandes dimensions, orientables selon

I

ou

2

axes;

il

peut prendre en compte les ombrages mutuels des héliostats,

ainsi que leurs limitations de course, et est donc indiqué plutôt pour I'optimisation de grandes centrales PV en site désertique.

- PVSIM

est un programme développé par

EWI,

traitant les installations connectées sur

le

réseau, ainsi que la production d'hydrogène. Ses auteurs ne comptent pas le

mettre sur le

marché. _/

-

METEONORM recense le potentiel de rayonnement solaire (et température) en tout point de

la

Suisse, mais ne traite pas de systèmes.

Il

exécute des calculs en valeurs mensuelles.

Il

est actuellement en cours de révision pour inclure les effets d'horizon et améliorer encore les calculs

d'insolation

sur plans inclinés.

A

^{terme (environ} 2 ans),

il devrait

mettre

à

disposition des données horaires,

soit

synthétiquess, soit provenant de mesures de

I'EMPA

(fichiers

.DRY,

15 stations).

4. - Proposition de structure du programme

Sur la base du cahier des charges proposé ci-dessus, nous pouvons déjà esquisser

les' giandes lignes de la ^structure du programme à élaborer.

T-e,

menu

générat comporærait les rubriques suivantes:

-

Gestion de fichiers, options

-

Conversion

/

génération de données météorologiques

-

Bibliothèque de composants

-

Projet

-

Etudes particulières de sous-systèmes

-

^Calculs de paramètres solaires

4.!. - Gestion de flrchiers, options

Toutes

les

définitions concernant

le calcul d'un

système photovoltaïque _seront réunies dans

un projet,

dont la structure sera détaillée plus

loin.

La présente option doit permettre _de:

-

Gérer le disque (choix de répertoires)

-

Charger

/

archiver

I

effacer des objets (projets, données météo, composants, etc...)

-

Gérer I'imprimante

-

Choisir des options générales (unités d'énergie, langue,

etc...).

4.2. - Conversion / génération de données météorologiques

Le calcul d'un

système

PV

nécessite,

en valeurs horaires, les 4

paramètres suivants:

-

Ensoleillements global et

diffus

dans le plan horizontal (ou éventuellement dans le plan des capteurs)

-

Température de

l'air

extérieur

-

Vitesse du vent.

Pour

une

utilisabilité

optimale du programme, ces valeurs doivent

pouvoir

être fournies sous diverses formes, et converties en fichiers de données méteo dans un format interne propre _au programme. On disposera des options suivantes:

-

Conversion de fichiers horaires de divers formats _standards (cf liste sous

2.3).

Cette

option

comportera

la possibilité de définir

manuellement

(à I'ecran) le

format source, donc d'exploiter pratiquement n'importe quel

fichier ASCII

écrit en valeurs horaires.

-

Génération

de

données

horaires

synthétiques

.à partir de

bases

de

^donneæs

journalières ou mensuelles.

-

Adjonction de paramètrqs non disponibles dans les données, sur une base mensuelle

'

_{(par ex. vitesse du vent),}

ou par modèle (estimation du diffus à

partir

du global).

-

Visualisation

/

modification manuelle _{de ces} fichiers internes.

4.3. - Bibliothèque de composants

L'utilisateur

disposera d'une bibliothèque des composants les plus courants sur le

marché

_@anneaux, batteries, onduleurs, régulateurs,

etc...).

Chaque composant sera

identifié par un nom de fichier unique, et une description

succinte (commentaire) apparaissant dans toutes les listes de choix.

Une bibliothèque initiale sera fournie par les auteurs du programme. L'utilisateur pouûa:

-

^{créer ses} propres composants, selon ses propres mesures

ou

des hches techniques de constructeurs. Nous étudierons

la

possibilité

de

se connecter

sur

des bases de données plus large (par exernple celle de JRC/ISPRA, mise en forme au TISO).

-

modifier des composants existants.

-

supprimer/archiver les composants qui

lui

paraissent périmés ou inutiles.

I-es principaux types de composants à

définir

sont:

- I-es panneaux PV (on poura

aussi

définir

des

cellules PV

individuelles pour

certains

usages

ou calculs particuliers comme les hot-spots,

dispersions de caractéristiques, etc.. .)

-

^ræs

onduleurs: de deux types,

connectés

au

réseau (avec

ou

sans

Mppr)

ou destinés aux installations autonomes.

-

^Læs systèmes de conditionnement de puissance

(MPPT).

It

-

^Iæs batteries.

-

I-es systèmes de

régulation.

-

Iæs générateurs annexes (diesels, éoliennes,

etc...

_).

L'entrée des

donnees numériques

devra être facilitee au maximum, par

des valeurs pré-déterminees. On devra pouvoir

définir

les caractéristiques de ces composants soit à partir des données du fabricant, soit selon des valeurs mesurées. Dans tous les cas,

I'opérateur disposera

d'un contrôle visuel de

sa préparation des données,

si

possible grâce à un graphique affichant le comportement du modèle qu'en _a tiré le programme.

4.4. - Projets

I.e, calcul d'une installation photovoltaïque est basé sur:

-

Des données météorokrgiques horaires (en général sur plan horizontal)

-

Iæ calcul de l'énergie incidente dans le plan des capteurs (modèle de transposition).

-

Des corrections optiques

pour l'énergie

réellement

utilisable (effets

d'incidence, ombrages)

- Ia définition d'une

configuration de système photovottarque (connecté au réseau, isolé avec batteries,

etc...); y

cpmpris

la

structure

et

les connexions du champ de capteurs, les régulations,

etc...

^,

- U; profil

de ctrarge défini par les besoins de l'utilisateur.

Contrairement à

la

plupart des logiciels de simulation disponibles, dans lesquels on déf,rnit I'ensemble _des paramètres nécessaires

,

^puis

^on

^lance

^le

^calcul complet pour une variante donnée, nous structurerons

ici

le travail en projets.

Un projet est défini pour un lieu et une base de données météorologiques donnés.

A partir de celle-ci, on pourra

calculer indépendemment plusieurs versions d'énergie

incidente, plusieurs

confîgurations d'ombrages,

plusieurs

systèmes

ou

variantes de champs de capteurs, divers prof,rls

d'utilisation.

I-e calcul d'une variante résultera alors

d'une

combinaison

de

ces

divers

pré-calculs,

et devrait être

réalisé

très

rapidement.

Cette organisation

vise à favoriser les

études paramétriques

ainsi que la

gestion et I'archivage _des travaux effectués pour un projet donné.

4.5. - Etudes particulières de sous-systèmes

Dans cette rubrique, nous envisageons de rassembler une variété

d'utilités qui

ne font habituellement pas partie

d'un

programme de simulation, mais répondent à diverses questions que se pose le praticien. Ce seront par exemple:

- Ia

visualisation (comportement

I/V)

de panneaux

PV

selon

le

modèle interne du programme, ou

d'un

panneau avec une cellule partiellement déficiente (ou ombree).

-

L'étude des effets d'une cellule ombree dans un champ complet (panneaux groupés en série/parallèle), quantification du phénomène de

hot

spot,

utilité

des diodes de protection, etc...

- L'effet

de

la

dispersion des caractéristiques de cellules dans

un

^panneau,

ou

des

panneaux dans un champ.

- Effet

des résistances des

fils

de connexions sur la caractéristiques

d'un

champ.

- Etc...

4.6. - Paramètres solaires

Il

^sera également

utile

de

fournir,

pour des dates et un pas de temps choisis, des tableaux de paramètres solaires toujours fastidieux à calculer, tels que:

-

Hauteur, azimut et angle de

profil

du soleil.

-

Angles et effets d'incidence sur un plan _donné

-

^{Effets d'ombrage} selon

l'angle

d'incidence sur un champ de chMes

"infinis".

-

Déclinaison, heure solaire et légale, lever et coucher du soleil, longueur du

jour.

-

Ensoleillement

(global, direct et diffus) sur un plan

quelconque selon

le

modèle beau

jour.

Certains de ces paramètres

pourront

également

être

tracés

sur

des diagrammes journaliers _{ou annuels}

5. - Conclusions

On peut donc constater que malgré le ^grand nonrbre

d'installations photovoltarques

qui

fleurissent actuellement en Suisse, très peu de concepteurs disposent des programmes informatiques nécessaires

pour en prévoir les

performances

ou

les optimiser. Cette situation est restée tolérable

jusqu'à

maintenant

car,

contrairement _aux installations solaires thermiques

ou

passives,

les

performances

d'une

installation PV peuvent être, dans la plupart des cas simples, grossièrement estimées

à

10-20% près _sur

la

base des seules données météorologiques (rayonnement dans

le plan

des capteurs) disponibles par Méteonorm, et quelques coefhcients "standards" d'efficacité moyenne de composants.

'

Cependant, avec

la multiplication

des instailations

et leur

implémentation dans des sites ou configurations

qui

s'écartent des conditions optimales,

le

besoin de plus de rigueur dans

la

conception se

fait

sentir.

Or,

pour les _systèmes photovoltarques, l'étape suivante dans

la

précision de l'évaluation exige

la

prise en compte de phénomènes très

divers et

complexes,

tels que les

ombrages (avec

leurs effets non

linéaires

sur

le comportement

du

champ),

la

structure

du

champ

et

ses imperfections (dispersions _de caractéristiques

ou

orientations, câblage, température/ventilation),

le

dimensionnement e.t

les

diverses

inefficacités de

composants annexes (conditionnement, _{stockage de} 1'dnergie).

Une enquête lancée auprès des principaux professionnels de notre pays a montré

qu'il

existe un besoin pressant

d'un outil

de développement performant, et a permis d'en

' définir les

caractéristiques essentielles.

On

s'aperçoit

à I'analyse des

réponses

qu'il

existe un consensus important sur les principales options à proposer; celles-ci recouvrent

un

vaste domaine de phénomènes perturbateurs,

qui ont

tous une importance relative équivalente.

L'implémentation de

ces phénomènes nécessitera certainement

un

travail approfondi de modélisation et analyse de systèmes.

Nous

avons également

exploré le

marché des

logiciels

existants;

on peut

en conclure

qu'il n'en

existe que

trois

ou quatre de vraiment opérationnels, dont aucun ne recouvre

la totalité

des besoins exprimés. Chacun

a

ses avantages

et

ses lacunes, et aucun

d'eux ne traite

des ombrages

ou

des phénomènes

de

"hot-spots",

poufiant

au coeur des préoccupations.

Durant

ces derniers

mois,

nous avons

été sollicités à

^plusieurs reprises pour donner un avis sur divers aspects concernant des installations precises, soit concernant le dimensionnement

d'onduleurs, les

positionnements

optimaux de

diodes

de

^protection contre

les

"hot-spots, ou encore pour estimer les effets d'ombrages sur une installation de marquise de gare. Nous pouvons donc souligner I'urgence de développer un logiciel repondant à ces questions.

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