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Production d'électricité - Photovoltaïque - 3,2 kW - Réseau isolé / Canada
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes concepteur de systèmes photovoltaïques (PV) et avez reçu un mandat d'une compagnie d'électricité exploitant un réseau isolé. Ce réseau est présentement alimenté par des groupes électrogènes diesel et cette compagnie considère que dans l'avenir, l'utilisation du PV pourrait se justifier puisque les normes environnementales deviennent de plus en plus contraignantes et que le prix du diesel augmente, alors que le coût des composants PV diminue. En préparation à cette éventualité, la compagnie d'électricité voudrait installer un système PV de 3,2 kW, intégré à un bâtiment raccordé à leur réseau isolé. Votre client veut une analyse de la viabilité du système. Plus particulièrement, il veut savoir à quel coût revient l'électricité produite par le système photovoltaïque pour que le projet donne un taux de rendement interne (TRI) de 10 %.
Données techniques
Le site se trouve sur l'île de Baffin, dans la capitale du territoire du Nunavut, Iqaluit, au Canada. À cause de la faible élévation du soleil même en été, et pour des raisons pratiques et économiques, le système sera installé verticalement sur le mur d'un bâtiment qui offre une façade sans aucune obstruction au soleil. Cette façade est tournée de 30° vers l'ouest par rapport au sud. Le champ PV n'aura besoin que de quelques dizaines de mètres de câblage pour être raccordé au réseau. La charge de base du réseau est largement suffisante pour absorber la totalité de la production d'énergie produite par le système photovoltaïque. En cas de panne du réseau électrique, il est très important que le champ PV soit automatiquement débranché. De plus, il faut pouvoir isoler manuellement le champ PV pour entretien.
Les niveaux d'ensoleillement sont très faibles en hiver; en été, le soleil se trouvera souvent complètement sur le côté ou même en arrière du champ PV, réduisant l'intensité du rayonnement frappant les modules PV. Les faibles niveaux de puissance produite qui en résultent sur de longues périodes contribueront à réduire le rendement moyen de l'onduleur qui sera de 5 à 10 % moins efficace que dans un projet plus au sud. Ces faibles niveaux d'ensoleillement incident réduiront aussi le rendement apparent des modules PV, même s'il s'agit de cellules de haute qualité en silicium mono-cristallin.
Données financières
Les données financières nécessaires à l'analyse sont fournies par la compagnie d'électricité : taux d'inflation de 2,5 %, taux d'indexation du coût en combustible de 5 %, ratio d'endettement de 60 %, taux d'intérêts sur la dette de 8,5 %, taux d'actualisation de 9 % et durée de l'emprunt de 10 ans. Les modules PV peuvent être achetés à un coût de 10 % inférieur au prix régulier car le fabricant est intéressé par le volume acheté et par le potentiel du projet en tant qu'activité de marketing. Le prix de vente actuel de l'électricité dans la communauté est approximativement de 0,40 $/kWh. La compagnie d'électricité est une société gouvernementale n'ayant pas d'impôts à payer. Le projet devrait avoir une durée de vie d'au moins 25 ans.
Comme le projet est situé dans le Nord, les frais de voyage et d'hébergement sont élevés et font en sorte que les coûts pour erreurs ou oublis sont dispendieux. Des maîtres électriciens pourront être embauchés sur place, mais il faudra leur assurer une certaine assistance technique spécifique à l'installation.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Résultats
Un système photovoltaïque (PV) de 3,2 kW a été installé en juillet 1995 sur la façade sud du Nunavut Arctic College, à Iqaluit, Nunavut, Canada. Iqaluit est située hors du réseau électrique nord-américain et son réseau isolé est alimenté par des groupes électrogènes diesel. Le système PV alimente ce réseau en électricité et réduit la consommation globale de diesel du fournisseur d'électricité. Le projet a aussi deux autres objectifs : l'un de démontrer que le PV est une source d'énergie fiable pour les habitants de la région de l'Arctique de l'Est, l'autre d'accroître les connaissances sur les performances et le comportement d'un système PV raccordé au réseau en conditions nordiques extrêmes.
Les performances du système PV d'Iqaluit sont suivies depuis qu'il a été mis en marche et des rapports ont été produits à périodiquement. L'installation s'avère très fiable et ne demande en pratique aucun entretien. Le rendement de l'onduleur est faible en hiver. Cependant, si on fait une moyenne du rendement de l'onduleur en fonction de la quantité d'énergie produite par tranche de niveau de puissance, on constate que cette valeur est tout à fait comparable à celle que l'on observe pour des systèmes dans le Sud.
Description du système
Le système PV est installé verticalement sur une façade sud tournée à 30° vers l'ouest. Soixante modules PV de 50 W chacun ont été connectés en 5 rangées parallèles de 12 modules en série. Trois rangées sont constituées de modules Siemens, les 2 autres de modules Solec S-53. La tension nominale d'une série de 12 modules est de 207 Vcc sous les conditions standard de test. Un onduleur de 3 kW en 208 Vca, de type Statpower Prosine à onde sinusoïdale est raccordé au réseau. Le système ne comprend pas de batterie d'accumulateurs pour stocker l'électricité produite, les charges raccordées au réseau sont suffisamment importantes pour toujours pouvoir absorber la puissance produite par le système solaire.
Le rendement global de ce système est relativement faible en comparaison de systèmes similaires installés plus au sud. Le branchement en parallèle de rangées de modules de deux fabricants différents fait en sorte qu'aucun des deux types de modules ne fonctionne à une tension qui leur est optimale. Les faibles niveaux d'ensoleillement incident sur les modules verticaux, aussi bien en hiver qu'en été lorsque le soleil tourne à l'arrière des modules, réduit également le rendement global et ce pour deux raisons; d'une part l'onduleur est moins efficace à faible niveau de puissance, d'autre part, les modules ont un moins bon rendement à faible intensité de lumière.
Leçons à tirer
Aperçu général
Dans le cas des réseaux électrique isolés, tant au Nord qu'au Sud, le prix de revient élevé de la production d'électricité par groupe électrogène est favorable aux systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, qui ont donc plus de chance d'y devenir rentables qu'en les raccordant au réseau électrique des régions plus peuplées. La viabilité financière des systèmes PV raccordés au réseau dépend de la réduction des coûts des composants PV, de l'augmentation des coûts des combustibles fossiles et des possibles nouvelles réglementations environnementales. La fiabilité des systèmes PV, leurs très faibles exigences d'entretien, de même que leur longévité, sont des avantages importants à considérer dans le cas de réseaux éloignés, lorsque les coûts d'entretien sont élevés et que la fiabilité est un critère très important.
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Collège - Photovoltaïque - Réseau isolé, Nunavut, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes concepteur de systèmes photovoltaïques (PV) et avez reçu un mandat d'une compagnie d'électricité exploitant un réseau isolé. Ce réseau est présentement alimenté par des groupes électrogènes diesel et cette compagnie considère que dans l'avenir, l'utilisation du PV pourrait se justifier puisque les normes environnementales deviennent de plus en plus contraignantes et que le prix du diesel augmente, alors que le coût des composants PV diminue. En préparation à cette éventualité, la compagnie d'électricité voudrait installer un système PV de 3,2 kW, intégré à un bâtiment raccordé à leur réseau isolé. Votre client veut une analyse de la viabilité du système. Plus particulièrement, il veut savoir à quel coût revient l'électricité produite par le système photovoltaïque pour que le projet donne un taux de rendement interne (TRI) de 10 %.
Données techniques
Le site se trouve sur l'île de Baffin, dans la capitale du territoire du Nunavut, Iqaluit, au Canada. À cause de la faible élévation du soleil même en été, et pour des raisons pratiques et économiques, le système sera installé verticalement sur le mur d'un bâtiment qui offre une façade sans aucune obstruction au soleil. Cette façade est tournée de 30° vers l'ouest par rapport au sud. Le champ PV n'aura besoin que de quelques dizaines de mètres de câblage pour être raccordé au réseau. La charge de base du réseau est largement suffisante pour absorber la totalité de la production d'énergie produite par le système photovoltaïque. En cas de panne du réseau électrique, il est très important que le champ PV soit automatiquement débranché. De plus, il faut pouvoir isoler manuellement le champ PV pour entretien.
Les niveaux d'ensoleillement sont très faibles en hiver; en été, le soleil se trouvera souvent complètement sur le côté ou même en arrière du champ PV, réduisant l'intensité du rayonnement frappant les modules PV. Les faibles niveaux de puissance produite qui en résultent sur de longues périodes contribueront à réduire le rendement moyen de l'onduleur qui sera de 5 à 10 % moins efficace que dans un projet plus au sud. Ces faibles niveaux d'ensoleillement incident réduiront aussi le rendement apparent des modules PV, même s'il s'agit de cellules de haute qualité en silicium mono-cristallin.
Données financières
Les données financières nécessaires à l'analyse sont fournies par la compagnie d'électricité : taux d'inflation de 2,5 %, taux d'indexation du coût en combustible de 5 %, ratio d'endettement de 60 %, taux d'intérêts sur la dette de 8,5 %, taux d'actualisation de 9 % et durée de l'emprunt de 10 ans. Les modules PV peuvent être achetés à un coût de 10 % inférieur au prix régulier car le fabricant est intéressé par le volume acheté et par le potentiel du projet en tant qu'activité de marketing. Le prix de vente actuel de l'électricité dans la communauté est approximativement de 0,40 $/kWh. La compagnie d'électricité est une société gouvernementale n'ayant pas d'impôts à payer. Le projet devrait avoir une durée de vie d'au moins 25 ans.
Comme le projet est situé dans le Nord, les frais de voyage et d'hébergement sont élevés et font en sorte que les coûts pour erreurs ou oublis sont dispendieux. Des maîtres électriciens pourront être embauchés sur place, mais il faudra leur assurer une certaine assistance technique spécifique à l'installation.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- Les pertes diverses de 10 % allouées au champ PV tiennent compte du rendement plus faible des modules PV aux faibles niveaux d'ensoleillement.
- Le rendement moyen de l'onduleur est plus faible que les valeurs typiquement observées; puisque l'on tient compte du plus faible rendement de l'onduleur aux plus faibles puissances d'opération lors des longues périodes de faible niveau d'ensoleillement.
- Des imprévus de 20 % font partie du budget d'investissement; pour tenir compte des conséquences coûteuses d'un oubli ou d'une erreur et des délais de livraison dans une ville si éloignée dans le Nord.
- Avec un prix de l'électricité exportée de 1,54 $/kWh, on obtient un taux de rendement interne du projet d'environ 10 %. Cependant, le taux de recouvrement de la dette est inférieur à 1 : au cours de la première moitié des 10 années de remboursement de l'emprunt, les frais annuels excèdent les économies annuelles d'énergie.
Résultats
Un système photovoltaïque (PV) de 3,2 kW a été installé en juillet 1995 sur la façade sud du Nunavut Arctic College, à Iqaluit, Nunavut, Canada. Iqaluit est située hors du réseau électrique nord-américain et son réseau isolé est alimenté par des groupes électrogènes diesel. Le système PV alimente ce réseau en électricité et réduit la consommation globale de diesel du fournisseur d'électricité. Le projet a aussi deux autres objectifs : l'un de démontrer que le PV est une source d'énergie fiable pour les habitants de la région de l'Arctique de l'Est, l'autre d'accroître les connaissances sur les performances et le comportement d'un système PV raccordé au réseau en conditions nordiques extrêmes.
Les performances du système PV d'Iqaluit sont suivies depuis qu'il a été mis en marche et des rapports ont été produits à périodiquement. L'installation s'avère très fiable et ne demande en pratique aucun entretien. Le rendement de l'onduleur est faible en hiver. Cependant, si on fait une moyenne du rendement de l'onduleur en fonction de la quantité d'énergie produite par tranche de niveau de puissance, on constate que cette valeur est tout à fait comparable à celle que l'on observe pour des systèmes dans le Sud.
Description du système
Le système PV est installé verticalement sur une façade sud tournée à 30° vers l'ouest. Soixante modules PV de 50 W chacun ont été connectés en 5 rangées parallèles de 12 modules en série. Trois rangées sont constituées de modules Siemens, les 2 autres de modules Solec S-53. La tension nominale d'une série de 12 modules est de 207 Vcc sous les conditions standard de test. Un onduleur de 3 kW en 208 Vca, de type Statpower Prosine à onde sinusoïdale est raccordé au réseau. Le système ne comprend pas de batterie d'accumulateurs pour stocker l'électricité produite, les charges raccordées au réseau sont suffisamment importantes pour toujours pouvoir absorber la puissance produite par le système solaire.
Le rendement global de ce système est relativement faible en comparaison de systèmes similaires installés plus au sud. Le branchement en parallèle de rangées de modules de deux fabricants différents fait en sorte qu'aucun des deux types de modules ne fonctionne à une tension qui leur est optimale. Les faibles niveaux d'ensoleillement incident sur les modules verticaux, aussi bien en hiver qu'en été lorsque le soleil tourne à l'arrière des modules, réduit également le rendement global et ce pour deux raisons; d'une part l'onduleur est moins efficace à faible niveau de puissance, d'autre part, les modules ont un moins bon rendement à faible intensité de lumière.
Leçons à tirer
- Les conditions de froids extrêmes ne restreignent pas en elles-mêmes l'utilisation du PV dans le Nord.
- Le rendement des modules PV est plus faible à bas niveau de rayonnement incident, condition fréquente pour une grande partie de l'année dans les applications nordiques.
- Il est important d'utiliser, dans les régions du Nord, un onduleur qui offre un rendement élevé même aux faibles niveaux de puissance pour obtenir un meilleur rendement global des systèmes PV, pouvant faire face à de longues périodes de faible niveau d'ensoleillement dans ces régions.
- Les onduleurs utilisés dans des régions à très faible niveau d'ensoleillement, doivent consommer très peu d'énergie en attente, pour éviter de nuire à la production nette d'électricité.
- Pour prévoir plus précisément la production annuelle d'énergie d'un système PV installé dans le Nord, il est nécessaire de prendre en compte la baisse de rendement des onduleurs à plus faible niveau de puissance et aussi des modules à plus bas niveau d'ensoleillement incident.
Aperçu général
Dans le cas des réseaux électrique isolés, tant au Nord qu'au Sud, le prix de revient élevé de la production d'électricité par groupe électrogène est favorable aux systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, qui ont donc plus de chance d'y devenir rentables qu'en les raccordant au réseau électrique des régions plus peuplées. La viabilité financière des systèmes PV raccordés au réseau dépend de la réduction des coûts des composants PV, de l'augmentation des coûts des combustibles fossiles et des possibles nouvelles réglementations environnementales. La fiabilité des systèmes PV, leurs très faibles exigences d'entretien, de même que leur longévité, sont des avantages importants à considérer dans le cas de réseaux éloignés, lorsque les coûts d'entretien sont élevés et que la fiabilité est un critère très important.
Photo
Collège - Photovoltaïque - Réseau isolé, Nunavut, Canada
Références
- Lapp, Steve, « Communications personnelles », SGA Energy, 2000.
- Martel, S., « Communications personnelles », Laboratoire de recherche en diversification énergétique de CANMET, 2000.
- Thévenard, D, Dignard, L., Martel, S., Ross, M., Turcotte, D. et Troke, S., « Evaluation of the Monitored Data from a Grid-Connected Photovoltaic System at Nunavut Arctic College, Iqaluit, NWT (Canada) », Proceedings of Renewable Energies in Cold Climates-SESCI 98, Montréal, Canada, 1998.
