Optimisations Photovoltaïques Autonomes avec Liquides OPALE

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Vue éclatée du dispositif bi-étagé de filtrage des fluides de retour

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En outre, le dispositif(OPALE) est équipé d’un double filtrage intégré(FRI,FDI) : un filtrage de retour/départ intégré(FRI/FDI) aux réservoirs(REP,RLS,REC).

Tel qu’illustré aux figures 1 à 3, et plus précisément aux figures 4 et 5, le filtrage de retour intégré(FRI) comprend une boîte bi-étagée(BBE) avec couvercle amovible(CAM).

L’étage inférieur(INF) est séparé de l’étage supérieur (SUP) par une grille(GRI) sur laquelle est déposée une surface de filtrage(SFI) recueillant les déchets amenés par l’eau du champ(CPV). Cette surface de filtrage(SFI) prend la géométrie d’un panier refermé par le couvercle amovible(CAM). L’étage inférieur de (FRI) comprend un distributeur de fluide(DIS) qui permet le retour du fluide filtré dans le réservoir approprié. L’ensemble est maintenu par des vis(VI1,VI2,VI3,VI4).

Tel qu’illustré aux figures 1 à 3, et en particulier à la figure 6, le filtrage de départ intégré(FDI) comprend un organe d’aspiration(ASP) possédant une tête filtrante(TFI) à la figure 6, ou bien une surface de filtrage(SFI) avec des vannes de départ (VDP,VDC,VDS) sur la figure 3.

Le système possède des déclencheurs de la pompe(PMP) :- un thermostat(TST) sensible à la température des panneaux
- un relais crépusculaire(PHO) sensible à la lumière
- des relais temporisés électriques (RTE) ou à horaires programmables(RHP)

Des conduites ascendantes(ASC) amènent le fluide choisi au sommet du champ photovoltaïque(CPV),

Au moins une rampe d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3) permet l’écoulement du fluide et des chéneaux collecteurs(CHN) le récupèrent et le canalisent dans des conduites de retour(RET) vers le filtrage de retour intégré(FRI).

3.b) Refroidissement (sauf hiver)

A cause de sa couleur sombre, un panneau exposé en plein soleil peut monter jusqu’à 90°C, ce qui signifie qu’il produira 30% de moins que s’il était maintenu à 20°C. En se limitant au faible refroidissement naturel du panneau, des pertes instantanées de 25% ne sont par rares.

De plus, avec l’alternance jour/nuit, des cycles de température d’amplitude élevée (jusqu’à 80°C) surviennent et contribuent au vieillissement du panneau. Le développement des panneaux photovoltaïques intégrés à la toiture (pour des raisons esthétiques) a considérablement réduit leur ventilation : lors d’ensoleillement important, leur surchauffe se fait nettement sentir, même en dehors des périodes estivales. On estime qu’en France, une installation perd 10 à 15% de sa production annuelle à cause de l’échauffement des panneaux.

Le dispositif(OPALE) refroidit l’installation par ruissellement d’eau. Le débit de la pompe(PMP) et la fréquence des pompages peuvent être prévus pour ramener la température des panneaux à environ 20°C, et dans tous les cas moins de 30°C. Ainsi, la production photovoltaïque est comparable à celle d’une installation qui serait toute l’année en atmosphère fraîche.

Dans le même temps, les amplitudes de température subies par les panneaux sont réduites à quelques dizaines de °C, ce qui supprime quasiment les stress thermiques, tant sur les cadres que sur les éléments photosensibles du panneau.

D’un point de vue énergétique, le pompage consomme de l’énergie et l’intérêt d’OPALE est de permettre la production d’une énergie photovoltaïque supérieure à celle nécessaire pour le pompage. Pour cela, le dispositif(OPALE) combine deux stratégies :

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Fig. 6 : exemple de tête filtrante pour le filtrage de départ du fluide



Fig. 7 : OPALE avec serre amovible (SAM) : vue de profil

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1. Un dimensionnement hydraulique optimum limitant les pertes de charge pour la pompe et toutes les conduites d’eau sous pression,

2. Un pilotage fin du déclenchement de la pompe qui ne démarre que s’il est possible de produire plus d’énergie électrique que la consommation de la pompe via les déclencheurs(RHP,TST,RTE).


i. Refroidissement : Dimensionnement hydraulique

Le dispositif(OPALE) comprend un circuit d’eau sous faible pression qui commence dans un réservoir de fluide(REP,RLS,REC), se poursuit dans l’organe d’aspiration(ASP) de la pompe, puis la pompe(PMP), ensuite les conduites ascendantes(ASC), et enfin la ou les rampes d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3). Le retour(RET) se fait par simple gravité ainsi que le filtrage(FRI).

Une attention toute particulière doit être apportée au choix des diamètres des tuyaux, à leur nombre, ainsi qu’aux rampes d’arrosages (RA,RA1,RA2,RA3) dont les deux paramètres essentiels sont la distance entre 2 perçages(PER) de sortie consécutifs et leur diamètre.

Pour la rampe d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3), le dispositif(OPALE) ne cherche surtout pas à expulser l’eau sous la forme d’un brouillard (brumisation) car cela se révèle inefficace :
- perte de charge dans les têtes de brumisation
- forte évaporation directement dans l’air
- perte importante d’eau par l’emport du vent,
- risque d’obstruction des fines buses par des déchets ou des dépôts (en particulier si l’eau est dure ou recyclée)

Au contraire, OPALE recherche délibérément un écoulement robuste en filet d’eau(FIL) sur chaque perçage(PER) des rampes d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3).

Selon le champ photovoltaïque(CPV), cela nécessite des perçages de diamètre entre 0.5 et 2 mm espacés par des distances entre 1 cm et 15 cm, mais une étude hydraulique précise est impérative dans chaque situation.

Les filets d’eau s’écoulent ensuite sur les panneaux, s’y étalent et forment des lames d’eau qui extraient de l’énergie thermique sur l’ensemble du champ photovoltaïque(CPV).

Le choix de la pompe (PMP) résulte de plusieurs paramètres :

1. la hauteur entre le point de soutirage et le point d’éjection du fluide,

2. les pertes de charge dans les tuyaux et filtrages,

3. le nombre et le diamètre des sorties des rampes(RA,RA1,RA2,RA3)


La hauteur entre le soutirage(ASP) et l’éjection d’eau par les rampes(RA,RA1,RA2,RA3) dépend de l’installation :
* pour un bâtiment, elle est comprise entre 5 et 10 m.
* pour une installation au sol, entre 1 et 5m, le dénivelé du terrain étant directement à prendre en compte si la gestion des fluides est centralisée.

Les pertes de charge sont de 2 types :
- régulières : le long d’un tuyau sans courbure marquée
- singulières : bifurcations ou passages spécifiques.

Il est possible de calculer ces pertes de charge hydraulique à l’aide d’équations de mécanique des fluides semi-empiriques, notamment celles de Darcy-Colebrook. Le calcul des pertes de charge dans les rampes d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3) nécessite un algorithme spécifique tenant compte de la diminution du débit après chaque perçage(PER) offrant une fuite pour le fluide.

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Fig. 8 : stratégie saisonnière d'automatisation OPALE été/hiver



Fig. 9 Schéma de principe des câblages pour l'intégration des déclencheurs et de la pompe

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Il faut alors choisir une pompe(PMP) avec une pression et un débit suffisants pour vaincre les pertes de charge, le dénivelé et alimenter les rampes(RA,RA1,RA2,RA3) sur toute leur longueur de manière homogène.

Dans chaque cas, il faut trouver un couple (pompe ; circuit hydraulique) adapté en débit et en pression. Le débit est à peu près proportionnel au nombre de sorties sur les rampes(RA,RA1,RA2,RA3), à leur section d’écoulement, et à la racine carrée de la différence de pression entre l’intérieur des rampes(RA,RA1,RA2,RA3) et la pression atmosphérique.

Cette différence de pression doit être suffisante pour alimenter toutes les sorties avec un débit de fuite quasi-constant. La différence de pression entre l’atmosphère et l’intérieur des rampes d’arrosage(RA,RA1,RA2,RA3) est un paramètre clé dans le dispositif(OPALE). A pression de sortie donnée, une pompe de fort débit consomme plus d’énergie, mais le refroidissement est intense (le fluide de retour est frais), au contraire, une pompe de faible débit consomme moins avec un refroidissement plus faible (le fluide de retour est tiède, voire chaud). Des compromis sont donc à trouver selon les critères à privilégier (production photovoltaïque ou obtention d’eau chaude). Cependant avec une pompe puissante, on peut diminuer sa consommation en jouant sur la fréquence du pompage (voir ii).

Dans les régions chaudes ou en période de sécheresse, un niveau d’eau minimal dans les réservoirs(REP,REC) peut être garanti par un flotteur(FLO) qui coupe automatiquement l’eau arrivant d’un branchement domestique du bâtiment lorsque le niveau des réservoirs monte. Dans les régions où l’eau est très rare, il faudra fonctionner en circuit d’eau totalement fermé et prévoir un passage aérien ou souterrain pour le rafraîchissement du fluide (voir aussi 3.g).

ii. Refroidissement : Pilotage du déclenchement du pompage

De préférence, le dispositif(OPALE) est autonome sans nécessiter des moyens complexes tels que des ordinateurs ou des pilotages à distance. Ainsi, tel qu’illustré aux figures 8 et 9 en été, le dispositif OPALE est automatisé à l’aide d’un relais à horaires programmables(RHP), d’un relais thermostatique(TST), et d’un relais temporisé électrique(RTE) placés en cascade.

1) Le relais(RHP) transmet la tension du secteur pendant des plages de fonctionnement de longue durée pour le système (plusieurs heures),

2) le relais thermostatique(TST) transmet le courant tant que la température du champ photovoltaïque dépasse une température de consigne,

3) le relais(RTE) transmet le courant de manière intermittente durant des délais courts et répétitifs (quelques minutes).

La condition 1 est typiquement une plage de fonctionnement diurne entre 9h et 20h. On peut préférer retarder le démarrage le matin car la nuit fraîche a refroidi en profondeur le champ photovoltaïque, ou a contrario laisser une plage d’arrosage en toute fin d’après-midi car le soleil a chauffé l’ensemble du champ(CPV) et l’atmosphère.

La condition 2 est une condition de déclenchement thermique : le relais(TST) permet de régler une température au-dessus de laquelle le courant électrique est transmis en direction de la pompe(PMP) et en-dessous de laquelle il est interrompu. Par exemple, cette température peut être comprise entre 15 et 60°C. Pour une production photovoltaïque maximum, on choisit typiquement 20°C à 30°C. Au contraire, pour avoir de l’eau chaude sanitaire(ECS), on choisira plutôt 60°C (voir aussi 3.g).

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Evolution relative des performances photovoltaïques de puissance, tension et courant avec l'augmentation de température

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Le relais thermostatique(TST) est toujours placé dans une boîte sombre bien exposée au soleil ; deux montages sont alors possibles :
- La boîte est placée au bas du champ photovoltaïque(CPV).
- La boîte est en contact thermique avec la conduite de retour(RET) ou bien le chéneau(CHN).

Le but est que la température du relais(TST) soit une image assez fidèle de celle du silicium du champ photovoltaïque(CPV) : l’eau de pluie(EP) fraîche permet en retour de refroidir le relais thermostatique(TST) avec un arrêt automatique du pompage (tout comme sa reprise).

La condition 3 module temporellement le pompage en mettant en cascade le relais temporisé électrique(RTE). Le rôle du relais(RTE) est de rendre « intelligent » le dispositif (OPALE) : en utilisant l’inertie thermique du champ photovoltaïque(CPV), on réduit la consommation d’eau et d’électricité due au pompage par un fonctionnement intermittent sans pour autant beaucoup réchauffer le champ(CPV).

Ceci est possible grâce à son inertie thermique qui lisse sa température tout au long des cycles de pompage. Ainsi, le tableau ci-dessous donne un exemple typique des plages et fonctionnement d’OPALE :

Horaire Action
Avant 9h Pas de pompage
De 9 à 19h 5 minutes ON, 5 min OFF tant que la température de CPV dépasse la consigne
Après 19h Pas de pompage

Des fonctionnalités élaborées du relais(RTE) peuvent aussi dissymétriser ou multiplier les périodes ON/OFF, par exemple :

Avant 9h, pas de pompage ; de 9h à 19h pompage 5 min ON, 5 min OFF tant que la température de CPV dépasse la tension de consigne ; après 19h, pas de pompage/

25% : pompage 1 min sur 4, ou bien 2 sur 8…
50% : pompage 1 min sur 2, ou bien 2 sur 4…
75% : pompage 3 min sur 4, ou bien 6 sur 8…
On pourra aussi se reporter à la figure 8 pour observer les conditions complètes de démarrage/arrêt du pompage en été.

Grâce à un tel pilotage, le dispositif(OPALE) récupére typiquement 5 W photovoltaïques supplémentaires pour 1 W électrique de pompage par rapport à ce que serait la production sans refroidissement par liquide.

3.c) Déneigement/dégivrage des panneaux (hiver)

En période hivernale, en particulier dans une région montagneuse, les panneaux sont très frais, voire trop froids au point de maintenir durablement une couche de givre ou de neige sur le champ photovoltaïque(CPV).

Dans ces conditions, la production est nulle. Le principal problème réside dans le fort albédo de la couche de neige qui réfléchit la lumière du soleil : ceci empêche tout réchauffement des panneaux, et donc toute fonte de la couche de neige. Ce cercle vicieux maintient uniformément la neige malgré des rayonnements importants tant que la température de l’atmosphère est négative.

En revanche, lorsqu’une partie des panneaux se découvre et que le rayonnement solaire est présent, leur silicium sombre chauffe immédiatement de quelques °C et généralement suffisamment pour entraîner l’apparition d’un film d’eau entre le verre et la neige. Il faut donc amorcer la chute, et idéalement chasser toute la couche de neige.

Le dispositif(OPALE) prévoit un déneigement par ruissellement d’un fluide spécifique(EC,LS) qui peut être de l’eau chauffée(EC) ou un fluide antigel de type eau/alcool(LS). Même si cela peut être une solution économique à court-terme, l’usage d’eau salée est déconseillé pour ses aspects corrosifs et ses dépôts minéraux. Les diagrammes binaires des mélanges eau/alcool et eau/sel sont rappelés aux figures 12 à 14.

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Exemple de quelques mélanges binaires avec propriétés antigel


eau/alcool et eau/sel

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En configuration hivernale, tel qu’illustré à la figure 8, le pompage n’a lieu que pour le déneigement.

Il est déclenché par la mise en série du relais à horaires programmables(RHP), d’un détecteur crépusculaire(PHO) et d’un relais thermostatique(TST) :

1) Le relais(RHP) transmet la tension du secteur pendant des plages de fonctionnement de très courte durée pour le système (par exemple 10 min au début de chaque heure diurne),

2) si le relais crépusculaire(PHO) est recouvert par la neige ou le givre, il interprète le faible rayonnement comme la nuit et transmet le courant,

3) le relais thermostatique transmet le courant à la pompe(PMP) dès que la température du fluide de déneigement(EC,LS) dépasse une température de consigne (ceci pour éviter qu’il gèle à son tour dans les conduites ascendantes(ASC) ou les rampes(RA,RA1,RA2,RA3), cela induit un ruissellement susceptible de découvrir le relais(PHO), ce qui provoquera l’arrêt immédiat du pompage.

La condition 3 du relais thermostatique(TST) est un seuil de sécurité, par exemple 5°C pour l’eau de pluie chauffée(EC) ou -10°C pour un antigel résistant à –15°C. Ainsi, si les 3 relais s’accordent à laisser passer le courant, la pompe amorce l’écoulement en provenance du réservoir(RLS) et le déneigement commence. Il prendra fin de 3 façons différentes :

1. Le détecteur crépusculaire(PHO) retrouve la lumière car l’écoulement du fluide spécifique(RLS) sur le champ photovoltaïque(CPV) a chassé la neige. Le relais crépusculaire(PHO) interrompt le courant.

2. Le fluide spécifique(LS) en retour refroidit trop le réservoir de liquide spécifique(RLS,REC) destiné au déneigement. Le relais thermostatique(TST) interrompt le courant. Le déneigement n’est pas complet.

3. Le déneigement n’a pas réussi dans le délai imparti et le relais à horaire programmable(PHP) interrompt le courant pour ne pas gaspiller le liquide(EC,LS).
On pourra se reporter à la figure 8 pour connaître les conditions d’arrêt/démarrage précise du pompage en hiver.

Note importante : en période hivernale, OPALE utilise une crépine(ASP) sans clapet d’anti-retour : ainsi, lorsque la pompe(PMP) s’arrête, l’eau dans les conduites ascendantes(ASC) ou dans les rampes d’arrosage (RA,RA1,RA2,RA3) redescend sous l’action des forces de gravité : cette purge automatique protège les circuits fortement exposés au froid pour les prévenir du givrage et/ou de l’éclatement par le gel : le déneigement est autonome et sécurisé tout en évitant des dépenses d’énergie inutiles.

La figure 9 montre les raccordements électriques nécessaires entre le secteur(220V), les relais (RHP,TST,RTE,PHO), la pompe(PMP) et optionnellement une résistance de chauffage(RCH).

Sur cette figure, le neutre et la phase peuvent être inversés si le secteur est en courant alternatif(usuel). En cas de secteur à courant continu (cas exceptionnel), les polarités devront être respectées en relation avec le sens de pompage attendu.

Un perfectionnement du dispositif(OPALE) est l’utilisation d’un relais thermostatique(TST) à 2 sorties de phase (ou de neutre) : l’une alimente une résistance chauffante(RCH) tant que la température de sécurité dans le réservoir n’est pas atteinte et/ou que le relais(PHO) est couvert de neige, l’autre alimente la pompe(PMP) dès que cette température est atteinte à la suite du chauffage, selon le choix de câblage des relais(PHO) et (TST).