Logiciel pour systèmes photovoltaïques

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Logiciel pour systèmes photovoltaïques

MERMOUD, André, GUISAN, Olivier

Abstract

Nous développons un logiciel de simulation/dimensionnement/analyse de systèmes PV complets, équipé d'une interface-utilisateur conviviale sous Windows, destiné à l'usage des chercheurs, ingénieurs, architectes non informaticiens. Ce logiciel fait référence à un cahier des charges défini à la suite d'une consultation des utilisateurs potentiels en Suisse. Il doit intégrer et quantifier tous les effets physiques significatifs identifiés lors de la mesure et l'analyse de systèmes PV en fonctionnement, notamment les ombrages (proches et lointains), les effets d'incidence, la caractérisation des modules PV, diverses causes de pertes d'efficacité du champs PV (température, dispersion de caractéristiques, résistance de câblage, etc ... ), les caractéristiques des composants, la régulation, etc ... Il contient un catalogue des matériels commercialisés, avec possibilité de mise à jour régulière. Il fournit également divers outils annexes: paramètres/géométrie solaire, analyse du fonctionnement de champs avec cellules de caractéristiques dispersées ou ombrées, visualisation d'ombrages, etc ...

MERMOUD, André, GUISAN, Olivier. Logiciel pour systèmes photovoltaïques. In: CISBAT':

[Conférence internationale Energie solaire et bâtiment]. Lausanne : EPFL, 1993. p.

293-299

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:119375

Résumé

Logiciel pour systèmes photovoltaïques

ermoud -Olivier Guisan Groupe de Physique Appliquée et

Centre Universitaire d'Etude des Problèmes de l'Energie, Université de Genève

4, ch. de Conches, 1231 Conches (GE)

Nous développons un logiciel de simulation/dimensionnement/analyse de systèmes PV complets, équipé d'une interface-utilisateur conviviale sous Windows, destiné à l'usage des chercheurs, ingénieurs, architectes non informaticiens. Ce logiciel fait référence à un cahier des charges défini à la suite d'une consultation des utilisateurs potentiels en Suisse. Il doit intégrer et quantifier tous les effets physiques significatifs identifiés lors de la mesure et l'analyse de systèmes PV en fonctionnement, notamment les ombrages (proches et lointains), les effets d'incidence, la caractérisation des modules PV, diverses causes de pertes d'efficacité du champs PV (température, dispersion de caractéristiques, résistance de câblage, etc ... ), les caractéristiques des composants, la régulation, etc ... Il contient un catalogue des matériels commercialisés, avec possibilité de mise à jour régulière. Il fournit également divers outils annexes: paramètres/géométrie solaire, analyse du fonctionnement de champs avec cellules de caractéristiques dispersées ou ombrées, visualisation d'ombrages, etc ...

Abstràct

We are developing a simulation and analysis software package for complete PV systems, with a user-friendly interface under Windows, intended for the use of researchers, designers and architects, not very familiar with computers. This software is referenced to a set of requirements defined after consultation of the main potential users in Switzerland. It has to take into account and quantify all the physical significative effects identified when measurffig and analysing the operation of PV systems, including shading (near and far), incidence angle modifier, PV modules characterisation, other causes of losses in the PV fields ( cell temperature, dispersion of cell characteristics, connexion resistances, and so on ... ), component characteristics, regulation. It should include a catalog of commercial available components, with the possibility of periodical updates. lt proposes further tools for the engeener: solar parameters and geometry calculations, analysis of the behaviour of PV-fields with dispersed or shaded cells, viewing of shading effects, and other similar features.

1. - Introduction

Depuis quelques années, l'utilisation de l'énergie photovoltaïque se développe rapidement en Suisse, non seulement pour de petites installations isolées, mais aussi pour de moyennes et grandes installations de production d'énergie liées au réseau; ceci nécessite évidemment de développer des outils de conception, dimensionnement et analyse appropriés.

Or dans un premier temps, le calcul des performances d'un système optimisé pouvait se ré.sumer en première approximation à une évaluation de l'ensoleillement dans le plan des capteurs, affecté d'une efficacité (panneaux+ conditionnemnt de puissance) constante. Ceci était justifié par le fait que, dans des conditions optimales d'utilisation, les cellules PV fournissent une énergie pratiquement proportionnelle à l'énergie incidente. L'ensoleillement sur plans inclinés peut être déterminée grâce à de nombreux outils existants (par ex.

tables/logiciel Météonorm pour la Suisse), et on obtient ainsi immédiatement des résultats d'une précision de l'ordre de 10%, proches des fluctuations annuelles de la météo et de la détermination des paramètres des composants.

Mais avec l'augmentation de la taille des systèmes, la baisse du coût relatif des panneaux PV dans le prix de l'installation, et l'intégration dans le bâtiment, on construit des systèmes dans des conditions de plus en plus diverses, s'éloignant des conditions optimales.

C'est pourquoi il est nécessaire de pouvoir quantifier non seulement l'énergie brute délivrée (mensuelle ou annuelle), mais aussi l'effet relatif de diverses perturbations dues aux performances des composants, aux choix constructifs du système, ou aux conditions d'utilisation.

C'est pourquoi nous avons commencé par analyser les besoins, en Suisse, au moyen d'un questionnaire détaillé distribué aux principaux utilisateurs potentiels. L'analyse des réponses a permis d'établir un cahier des charges représentant un consensus [ 1]. Puis nous avons analysé et évalué les logiciels offerts sur le marché [2]. Leur validation par rapport aux données d'un système mesuré en détail par notre laboratoire a bien montré les avantages et inconvénients de chacun d'entre eux [3]. Il s'avère qu'actuellement, aucun logiciel existant n'est vraiment satisfaisant, et ne correspond - même de loin - aux besoins exprimés dans ce cahier des charges. Nous avons donc été mandatés par l'OFEN pour développer un nouveau logiciel.

2. - Description du logiciel

L'expérience acquise lors de la manipulation des divers programmes testés, les difficultés rencontrées et leurs points forts, nous ont été une aide précieuse pour la conception de ce nouveau logiciel. Pour obtenir une convivialité et une souplesse d'utilisation optimales, nous avons fait le choix d'une interface-utilisateur sous Windows, ce qui présente de multiples avantages:

- Environnement multifenêtre, avec utilisation de la souris, et manipulations standard familières à tous les utilisateurs de Windows.

- Possibilités d'éditer des graphiques à tous les stades du programme.

- La compatibilité avec les divers matériels (écrans, imprimantes, etc .. ) est gérée par Windows, ce qui garantit une portabilité maximale.

- li sera possible de traduire l'interface en différentes langues de manière simple, sans toucher au code.

Le programme est écrit en Turbo Pascal pour Windows. Il fait un large usage de la 10tion d"'orientation objets^11, permettant une simplification de la conception générale et une ràcilité accrue pour les adaptations ultérieures (nouveaux types de systèmes ou

;omposants, extensions de la présentation des résultats, etc ... ).

2.1.- Organisation et menus

A partir de la simulation détaillée (horaire) d'un système PV, le programme doit fournir à la demande: des bilans généraux mensuels et annuels, le détail du comportement de divers sous-systèmes, une estimation de l'effet de chaque perturbation, des analyses paramétriques, etc ... Le menu principal offre les possibilités suivantes:

- Fichiers: gestion du disque, choix des répertoires, charge/archivage/copie de divers objets, gestion de l'imprimante, options de personnalisation (nom de l'utilisateur, unités d'énergie, langue, etc ... ).

- Données météorologiques: conversion de multiples formats de fichiers de données, génération de données horaires synthétiques d'après des valeurs mensuelles, accès à Météonorm.

- Composants: bibliothèque de composants commercialisés: panneaux PV, onduleurs, batteries, régulateurs, etc ... L'utilisateur peut définir lui-même de nouveaux modules selon les donnnées fabricants ou ses propres mesures. Une mise à jour périodique est prévue en relation avec la banque de données du TISO. La modélisation de chaque composant peut être visualisée graphiquement.

- Projets: un projet est défini pour un lieu et une base de données météorologiques donnés. A partir de celle-ci, on peut calculer indépendemment plusieurs versions d'énergie incidente (orientation, albedo, horizon), plusieurs configurations d'ombrages proches, plusieurs variantes de champ PV et types de systèmes, plusieurs stratégies de gestion de la charge. Le calcul d'une variante résulte alors d'une combinaison de ces divers pré-calculs.

- Sous-systèmes: regroupe une variété d'utilités qui ne font habituellement pas partie d'un programme de simulation, mais peuvent répondre à diverses questions que se pose le praticien: visualisation du comportement IN ou PN de panneaux PV selon le modèle interne du programme, effets de la dispersion des caractéristiques des cellules composant un panneau, effet d'une cellule faible ou ombrée dans un champ complet et utilisation des diodes de protection ("hot-spot"), influence de la résistance de câblage du champ, effets d'incidence sur le diffus, etc ...

- Paramètres solaires: tables et graphiques de toute la géométrie solaire (hauteur et azimut du soleil, angles d'incidence, heure légale/solaire, lever/coucher du soleil), masse d'air, modèle beau jour, transposition beau jour, etc ...

L'utilisateur doit avoir accès à des visualisation graphiques et des possibilités d'impression chaque fois qu'il le désire.

2.2.- Situation actuelle et validation

Une version provisoire du logiciel, écrite en Turbo Pascal IV et munie d'une interface conviviale type texte, fonctionne actuellement en incluant une grande partie des exigences du cahier des charges: la bibliothèque de composants, la gestion de projets, l'énergie incidente (plan fixe), les ombrages proches, le champ de capteurs sont opérationnels pour la simulation de systèmes connectés au réseau. Tableaux et graphiques personnalisés de résultats peuvent être obtenus et imprimés.

Une première validation a déjà été effectuée par comparaison avec les données, mesurées par notre laboratoire, d'un système de 7.5 kW appartenant aux Services Industriels de Genève (SIG) [3]. L'analyse soigneuse de ces données nous a permis d'identifier et modéliser les principales perturbations qui affectent le fonctionnement de cette installation, et de les inclure dans le déroulement de la simulation. Ainsi, par rapport à d'autres logiciels disponibles sur le marché, nous obtenons des résultats qui présentent à la fois le biais le plus faible (+0.4%), et la plus faible dispersion statistique des erreurs mensuelles (2.1 % ).

Dans le système SIG, par rapport à la définition habituelle de la "puissance installée"

(mesure en laboratoire des panneaux à 25°C et 1000 W/m², spectre AMI.5), les pertes suivantes ont été détectées et quantifiées:

- Ombrage d'une balustrade de sécurité (à partir de 2H l'après-midi): perte annuelle d'environ 2%.

- Caractérisation des panneaux: nous avons mesuré l'ensembles des panneaux installés en conditions réelles [4]: la moyenne des puissances maximales est inférieure de 9.8%

aux spécifications (moyennes) du constructeur.

- La température des cellules en fonctionnement peut s'élever à 30°C au-dessus de la température ambiente sous insolation. La moyenne annuelle de cet effet représente une pertes de 3.4% par rapport aux spécifications données pour 25°C.

- L'efficacité d'un panneau PV diminue sous faible irradiation (perte 5.1 %).

- Le spectre peut avoir une influence légèrement positive pour le diffus, mais il est difficilement quantifiable dans les simulations sur la seule base du rapport diffus/ direct.

- Les effets d'incidence non nom1ale affectent le direct en début et fin de journée (2% ), mais également le rayonnement diffus isotrope (4%), soit globalement 3.3%.

- Les pertes ohmiques du câblage du champ et des connexions jusqu'à l'onduleur s'élèvent à 2.5%.

- Le fonctionnement de l'onduleur induit 2 types de pertes: à faible ensoleillement, ils présentent un seuil de fonctionnement, et au-dessous d'une tension limite, ils ne peuvent rechercher le point de puissance maximum du champ; cet effet a été estimé à 3% par rapport aux potentialités du champ au l\1PP.

- D'autre part, leur efficacité en fonctionnement est une courbe fonction de la puissance, avec un maximum à environ 2/3 de la puissance maximale. Nos onduleurs, qui n'atteignent pas les performances du modèle équivalent testé à !'Ecole d'ingénieurs de Burgdorf, ont eu une efficacité moyenne annuelle de 82% seulement.

Si certains logiciels tiennent compte de l'un ou l'autre de ces effets, aucun ne les

; __ Ombrages proches

L'une des principales originalités de notre logiciel est le traitement des ombrages Jroches, qui n'apparaît dans aucun logiciel PV connu. Or dans la plupart des installations éelles, même d'excellente conception, on constate à un moment ou un autre un problème

!'ombrage.

Pour la définition de sa configuration, l'utilisateur est invité à définir d'abord son

~hamp des capteurs (orientation et positions des angles dans le plan, pour un ou plusieurs mus-champs, par exemple en sheds); il peut ensuite construire des objets d'ombrage en 3 jimensions (pans de murs, bâtiments, etc ... ) par la définition de coordonnées dans l'espace, et les positionner par rapport à son champ. Durant cette construction, il est assisté par une visualisation simplifiée (en "fils de fers"), en perspective, dont il peut modifier l'angle de

VlSlOn.

Pour une position donnée du soleil, l'ombrage peut être calculé en effectuant une projection de tous les obstacles sur le champ de capteurs, le long de la trajectoire des rayons solaires. Le problème se résume alors à une suite de réunions et intersections de polygones, résolus analytiquement. A titre de vérification visuelle, le programme permet d'afficher, en perspective, les ombres portées pour une date ou une incidence donnée, et calculer la fraction ombrée du champ.

Mais l'ombre sur un champ PV présente des effets plus complexes si l'on tient compte du fait que, lorsqu'une seule cellule est ombrée, toute la chaîne de cellules en série avec elle est pratiquement inactivée. C'est pourquoi le programme offre également la possibilité de partitionner le champ en rectangles (identiques), dont chacun représente une chaîne de modules en série. On détermine ainsi une nouvelle fraction ombrée en supposant que chaque élément touché par l'ombrage devient inactif Nous disposons ainsi de deux facteur d'ombrage, constituant une fourchette du facteur réel.

Le programme établit ensuite une table des facteurs d'ombrage en fonction de la hauteur et l'azimut du soleil, ainsi qu'un graphique d'iso-ombrages. Ce graphique donne déjà une bonne idée intuitive de la sensibilité du système à l'ombrage. Pour évaluer la conséquence sur le rendement énergétique du champ PV, on doit intégrer sur le temps de fonctionnement en distinguant les trois composantes du rayonnement incident:

- Le rayonnement direct est affecté proportionnellement à l'un et/ou l'autre des facteurs d'ombrage, interpolés dans la table pour chaque instant.

- L'effet global sur le rayonnement diffus, supposé isotrope, résulte de l'intégrale du facteur d'ombrage brut pour toutes les directions visibles du champ (le dièdre champ/horizon). Il ne dépend pas de la direction du soleil, et peut donc être calculé une fois pour toutes. Pour cette estimation, nous négligeons l'albedo ou réflexions spéculaires éventuelles issus des obstacles.

- L'albédo du sol, déterminé par la procédure de transposition et représentant en général une réflexion diffuse du global pour les régions "lointaines", doit être annulé pour les directions où l'on rencontre un obstacle proche au niveau du sol. Le facteur d'ombrage sur l'albedo est également constant.

Les figures et tables suivantes montrent un exemple d'application: une installation située à Monthey, étudiée par le LESO. La fig. 1 montre l'implantation des capteurs inclinés de 15° et orientés à 60° ouest, en arrière d'une toiture en pente douce, avec un mu;

arrondi abritant une cage d'escalier ombrant le sud et sud-est. La seconde figure détaille les courbes d'iso-ombrage selon la position du soleil, et la table indique les facteurs de perte d'incidence (FIAM) pour le direct et le global, les facteurs d'ombrage bruts (FOBr), ainsi que la combinaison des deux, calculées pour des données météorologiques genevoises.

21/ 2 A 12H 0 : hauteur• 32•~ azi,...t • -1~·~ Pertes d'onbrave • 7.6 ~

Champ 16mx 2 m Incl 15°, Azimut 60°

Toiture, incl 9°

z

A .··

·-...

···~v

Fig 1.- Perspective du système et ombrage pour une date donnée.

A Genëve~ lat. 46.2°~ long. 6.2•. ait. 400"

- - F O " b r "' 0 S

--- FO"br 5 S ^Int~gr. pertes sur le dirrus

=

- - - FO"br ~ 10 S - - - FO"br • 15 S

· - · · FO"br •

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G1·oupe de Physique Appllqu~e - Unlversi té de Genève

11 13/ 7/93 A 9H27 Simulation de systèmes Photovoltaïque~

Projet 6ENEVES1. PRJ Version c:alcul : Projet Monthey/LESO

Energie incidente !transposition> et effective <JAM, ombrages>

Mois GlobEf f Glob!AM GloOmbr FTransp FlAHD!r FIAMGl FOBrDir F00rGI FIAM+OM l:Wh/ml kWh/ml l:Wh/ml

Jan\' 27. 1 28.8 28.S 1. 123 0.937 0.951 0.875 0.938 0.894 Ffvr 63.2 66.3 6~.9 !. 137 0.959 0.958 0.935 0.952 0.913 Mars 86.6 89.5 90.•) !.053 0.967 0.961 0.966 0.966 o. 93•) Avr 137.1 140. 0 141. 3 1. 044 0.979 •). 968 0.980 o. 977 0.94&

Mai 167.3 170.2 172.3 1.008 0.98•) 0.969 Q.995 o.981 0.9~

Juin 147. 1 150.1 151. 7 1. 0\)7 0.984 0.968 0.997 •). 978 0.948 Juil 174.3 177.1 179.3 1.013 0.982 0.971 0.997 C•.983 0.9S5 Aout 158.3 161. 2 163.0 1. 021 0.978 0.970 0.991 0.981 c). 952 Sept 115.0 118.1 118.9 1.1)69 (1.973 0.966 0.977 0.972 0.940 Oct 48.\) 5(1.(1 50.0 ^{J .1)58} 0.957 0.957 o. 937 0.956 l), 919 Nov 27.0 28.5 28,3 1.11)3 0.940 0.952 0.890 o. 944 0.901 Ote: 17.4 18.7 18.3 1.094 1). 922 o. 946 0.842 0.930 0.083 Total 1168.3 1198. 5 1207.6 1. 038 0.975 (1.966 o. 981 0.973 0.9~2

Facteurs sur Diffus et Albedo

IAM Ombrage IAH•Ombr.

Facteur sur le diffus 0.9:17 0.966 0.926 Facteur sur l 'albedo 0.600 0.13~. 1).1)76

Table 1 .- Facteurs optiques calculés par la simulation horaire sur une année.

4. - Conclusions

Face à la pénurie actuelle de logiciels performants pour le dimensionnement de systèmes PV, nous en développons un nouveau qui devrait répondre aux attentes des professionnels de la branche. Les calculs d'ombrages ont déjà été utilisées à plusieurs reprises pour étudier d~s configurations d'intégration dans le cadre de projets du LESO.

Ce logiciel doit être écrit de manière suffisamment souple (programmation orientée objets) pour pouvoir être adapté à de nouvelles exigences, au fur et à mesures qu'elles- seront exprimées par les utilisateurs. Déjà, un collaboration pour élaborer une version simplifiée, à inclure dans un logiciel de conception générale et intégration de systèmes PV dans les bâtiments destiné aux architectes, est envisagée avec la SOFAS sous l'égide de l'OFEN.

Nous remercions !'Office Fédéral de !'Energie qui finance ce projet.

Bibliographie

[1] A. Merrnoud, O. Guisan. Logiciels pour systèmes PV: Analyse des besoins suisses, calùer des charges et proposition de structure.

GAP, Université de Genève/ OFEN. Octobre 1992.

[2] A. Merrnoud, O. Guisan. Logiciels pour systèmes PV: Compilation et évaluation des logiciels de simulation photovoltaïque existants.

GAP, Université de Genève/ OFEN. Juillet 1993.

[3] P. Schaub, O. Guisan, A. Mermoud. Etude de l'installation Photovoltaïque de 7.5 kW des SIG.

Rapport Final. GAP/CUEPE, Université de Genève I OFEN. Juillet 1993.

[4] O. Guisan, A. Merrnoud, P. Schaub, PV Module Characteristics in Real Conditions.

1 lth European Photovoltaic Solar Energy Corûerence, Montreux, October '92.