Partie 2 - Production d'énergie renouvelable · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2024

Mise en situation

Le parc photovoltaïque flottant désigne les installations de panneaux solaires posées sur des étendues d'eau. L'intérêt majeur de cette technologie est d'éviter les conflits dans l'usage des sols.

L'étude proposée doit permettre de mettre en évidence la valorisation d'un plan d'eau d'un point de vue du développement durable par l'implantation d'une centrale photovoltaïque flottante.

Présentation du parc flottant étudié

Le parc photovoltaïque de Saint-Élix le Château est situé dans le département de la Haute Garonne. Il est constitué de deux îlots flottants installés sur un plan d'eau de 27,6 ha, le lac du « Vignoble ».

Ces deux îlots sont installés à 20 mètres du rivage du plan d'eau. Ils sont constitués de flotteurs qui soutiennent les panneaux photovoltaïques. La hauteur maximale du parc n'excède pas 44 cm pour préserver l'aspect visuel.

Quelques caractéristiques techniques du parc flottant:

puissance de l'installation: 13 MWc;

production: $15\,450\text{ MWh}\cdot\text{an}^{-1}$;

ancrage des îlots en berge et au sol au fond du lac;

34 000 panneaux photovoltaïques soit 6,8 ha de panneaux inclinés à 11°;

surface totale des deux îlots (panneaux + flotteurs): 12 ha;

puissance par panneau: 425 Wc;

dimension d'un panneau: 1 812 mm x 1 046 mm;

câblage: les câbles flottent à la surface du plan d'eau du parc vers le poste de transformation;

il existe différents câbles au sein d'un projet photovoltaïque;

les câbles DC transportent l'énergie produite par les panneaux vers les onduleurs;

les câbles AC transportent l'énergie des onduleurs aux transformateurs, puis vers le poste de livraison;

postes de transformation: 7 postes de transformation pour le parc.

En amont de chaque poste de transformation, les panneaux sont connectés entre eux en série.

Chaque série de panneaux est appelée chaîne. Les chaînes convergent jusqu'aux boîtes de jonction. Généralement une boîte de jonction comporte 16 chaînes. Celles-ci permettent de réduire le nombre de câbles allant des panneaux vers les onduleurs (DC). Les onduleurs permettent de convertir le courant continu en courant alternatif.

Afin de réduire les pertes lors du transport d'électricité, la tension du système est élevée à la tension du réseau via un transformateur. Cette tension est de 20 kV dans le cas du projet de parc photovoltaïque de Saint-Élix-le-Château.

Les postes de transformation sont des locaux spécifiques comprenant les onduleurs, les transformateurs BT (basse tension) et HTA (haute tension de domaine A), et les cellules de protection.

La surface au sol des postes de transformation est d'environ $15\text{ m}^2$.

Poste de livraison: un seul poste de livraison pour le parc.

L'électricité produite, après avoir été éventuellement rehaussée en tension, est comptée puis injectée dans le réseau électrique français au niveau du poste de livraison qui se trouve au Nord-Ouest du projet.

Structures flottantes

Les panneaux photovoltaïques, d'une inclinaison de 11°, sont assemblés par rangées sur une structure flottante formant ainsi un îlot. Le lac de Saint-Élix-le-Château sera composé de modules sur deux îlots.

La structure portante est constituée de plusieurs flotteurs préfabriqués. Ils sont livrés puis assemblés directement sur site.

Partie 2: comment optimiser la production d'énergie électrique dans l'espace disponible du plan d'eau ?

Le client annonce que la centrale a une puissance totale installée de 13 000 kWc. Le nombre de panneaux installés est inchangé (34 000 panneaux).

Question 2.1

Calculer la puissance crête installée $P_c$ [MWc] réelle sachant que la référence des panneaux est SPR-Max3-425 (DT5).

Question 2.2

Estimer la puissance crête minimale $P_{c25}$ [MWc] garantie par le constructeur des panneaux au bout de 25 ans (DT3, DT4, DT5). Vérifier la conformité au cahier des charges.

Une simulation de production avec le logiciel PVGIS est envisagée. Soit une rangée de 20 panneaux de référence SPR-Max3-425 avec une inclinaison de 11° et un azimut de 15°, l'objectif est de justifier la disposition de ces panneaux, de leur inclinaison et de la distance les séparant.

Question 2.5

Cocher dans les cases du DR5 les paramètres à configurer pour les deux premières lignes du tableau. Écrire les valeurs pour les trois dernières lignes.

Paramètre · Choix / Valeur

Technologie d'un panneau · Silicium monocristallin ? CIS (Cuivre Indium et Sélénium) ? Cdte (Tellurure de Cadmium) ?

Position de montage · À l'air libre ? Intégré au bâtiment ?

Puissance crête (kWc)

Inclinaison (°)

Azimut (°)

Les panneaux sont positionnés de la manière suivante:

Question 2.6 & 2.7

Question 2.6: À partir du résultat de la simulation du DT8 ci-dessous, relever l'énergie électrique totale produite $E_{an}$ [kWh] par une rangée de 20 panneaux sur un an. Compléter le tableau (DR6).

DT8: résultats de la simulation de production (inclinaison 11° / azimut Sud-est-Sud pour 20 panneaux) Mois · E_m (kWh) · H(i)_m (kWh/m²) · SD_m (kWh)

Janvier · 516.8 · 63.4 · 50.5

Février · 700.8 · 85.6 · 95.0

Mars · 1024.0 · 127.6 · 116.3

Avril · 1203.7 · 152.9 · 133.4

Mai · 1313.1 · 169.2 · 128.0

Juin · 1374.2 · 180.7 · 94.3

Juillet · 1410.9 · 188.2 · 103.7

Août · 1324.4 · 175.5 · 73.0

Septembre · 1138.8 · 147.7 · 54.9

Octobre · 869.5 · 109.8 · 84.5

Novembre · 586.3 · 72.2 · 97.9

Décembre · 505.0 · 62.0 · 77.6

Total · 10002,5 · 1488,5 · 1180

Question 2.7: Calculer, pour la rangée de 20 panneaux, le ratio énergétique RA [kWh·m⁻¹] de la production électrique fournie par cette rangée $E_{an}$ [kW·h] par rapport à la distance Dp [m] séparant deux rangées pour chaque situation ($RA = E_{an} / Dp$). Compléter les 3 cases de la dernière ligne du DR6.

DR6: production électrique d'une rangée de 20 panneaux Angle d'inclinaison d'un panneau $\alpha$ (°) · 11 · 22 · 35

Distance Dp (m) entre deux panneaux · 1,58 · 2,05 · 2,51

Énergie électrique produite $E_{an}$ (kWh) · (Q2.6) · 12673 · 13053

Ratio RA (kWh·m⁻¹) = Eh/Dp

Question 2.8

Conclure sur les paramètres influents permettant d'optimiser la production d'énergie électrique injectée au réseau public de distribution.