Photovoltaic Systems in Manitoba

Photovoltaic systems convert solar power directly into electricity.

Solar PowerSolar power is simply energy from the sun. Thesun generates an enormous amount of energyeach second, by converting hydrogen to helium.This energy, called solar radiation, is radiated intospace and reaches the earth as sunlight (47%),ultraviolet rays (7%) and infrared radiation or heat(46%). Sunlight and infrared radiation are thecomponents of solar radiation that provide solarenergy we can use.

Solar radiation can be “captured” and convertedto useful energy. The simplest systems convertsolar energy into low-grade heat (temperaturesbelow boiling point) for space and water heating.

A more recent type of technology uses photo-voltaic (PV) cells to produce electricity directlyfrom sunlight. PV cells are also called solar cells,photovoltaic cells, photocells, or photoelectriccells.

Manitoba SolarResourcesManitoba receives abundant solar energy. Thedirect solar radiation received in Manitoba isequal to almost 2 billion terajoules of energy peryear. If only 1 percent of this energy was con-verted into electricity, it would be equal to almost200 times the annual output of all the hydroelec-tric dams in Manitoba.

Converting Solar Energyto ElectricityWhen light strikes the junction between certainmaterials, a small voltage is produced. This iscalled the photovoltaic effect.

A typical PV cell contains two very thin layers ofsilicon with a wire attached to each layer. EachPV cell measures from 8 to 15 centimetres (3 to 6inches) in diameter and is as thick as a human hair.

Direct Solar Radiation in Manitoba

When photons, very small bundles of light energyfrom the sun, strike the cell, they cause electronsto flow from the bottom layer of the cell to the toplayer. These freed electrons are forced to flowthrough the wire, and any electrical load con-nected to it, towards the bottom layer producingan electric current. The current will continue aslong as sunlight falls on the PV cell.

Churchill

Thomp-

Flin Flon

ThePas

WinnipegBrandon

Yearly Average(MJ/m≈/day)

less than 8.0

8.0 - 8.5

greater than 10.0

9.5 - 10.0

9.0 - 9.5

8.5 - 9.0

Basic Components of a PV system

magnifying lenses concentrate and increase theamount of sunlight each cell receives. This designincreases the efficiency of each cell to 18%. Thecost of a PV cell manufactured with this processis slightly higher than other PV cells.

Components of a PVSystemA PV system consists of a number of componentsconnected together. It can be as simple as asingle PV module connected to a small batteryand a single lamp or as complex as many PVmodules interconnected with a controller, charger,safety disconnects, batteries, generator and acombination of AC and DC appliances.

Cross Section of a PV Cell

Solar Technology TodayThe conventional type of PV cell is the singlecrystal or monocrystalline silicon cell. This PV cellconsists of thin wafers of single crystal silicon.This type of technology is efficient, but costly tomanufacture. Typical efficiencies for this type oftechnology range from 10-17%. In theory, a singlecrystal silicon PV cell should be able to convertabout 30% of sunlight into electricity. In practice,however, 24% is the highest conversion that hasbeen achieved in laboratories, while 19% is thehighest conversion that has been achieved inproduction.

Another type of PV cell uses multicrystalline orpolycrystalline silicon. This type of cell is slicedfrom silicon that is melted and cast into ingots.The PV cells made using this technology arecheaper to produce than pure crystals, but are notas efficient. Typical efficiencies are in the range of 10-13%.

Non-crystalline or amorphous silicon, also knownas thin film technology, is the latest technology toshow promise in reducing the cost of PV technol-ogy. Amorphous silicon is deposited or sprayedonto long strips of stainless steel. This technologyis the least expensive way to make PV cells, andis also the least efficient. The efficiency of single-cell amorphous is typically in the range of 3-5%.

By combining or stacking several amorphoussilicon PV cells, one company is developing atriple cell or multi-junction PV cell that will have anefficiency of 10%. This new mass produced amor-phous PV cell will allow the development of newproducts such as PV roof tiles or wall tiles forcommercial and residential buildings.

In a recent development, a manufacturer reducedthe size of amorphous silicon PV cells to 2.5 cen-timetres (one inch) in diameter and installed aseries of magnifying lenses above each cell. The

Modules

Each PV cell generates about 0.5 volts directcurrent (VDC). The PV cells are connected in par-allel to increase the current capabilities and thenconnected in series to form 12 VDC or 24 VDCmodules or panels. The modules can be con-nected to form a PV array. The bigger the arraythe more powerful the system, and the more appliances that can be operated.

Modules are rated in peak watts but theactual output can vary depending on operat-ing conditions. It is better to use themodule’s current and voltage ratings whencomparing modules. The module should beable to maintain recommended batteryvoltages.

Power Cables

The power cables deliver the energy from themodules to the batteries and other parts of thesystem. The wire must be sized large enoughto carry all the anticipated current loads andreduce any power losses in the system.

Blocking Diodes

A diode, which works like a one-way valve forelectricity, is used to prevent power flowing fromthe batteries back into the modules at night orwhen there is no sunshine. Blocking diodes aresometimes installed in PV modules or controllers.

Charge Controllers

Charge controllers, also known as power condi-tioners or regulators, are required to preventbattery overcharging. The controller will helpkeep the batteries fully charged and functionalover their expected operating life. It is importantthat the power rating and voltage of the con-troller matches the requirements of theselected battery bank. An oversized chargercan be installed to allow the use of larger batteries in the future.

Self regulated modules are available but requirecareful application. For most applications acharge controller or regulator must be used.

Batteries

Batteries are the heart of a PV energy system.They are the storage device for the energy gen-erated, saving it for a rainy day or after dark.They require careful selection and maintenance.The normal life expectancy of a battery bank is 3to 5 years. Proper operation and good mainte-nance can extend the life of the batteriessignificantly.

Deep cycle batteries are most suitable for PVsystems. They provide long life, reliable serviceand can be used on larger systems. Batteriesare rated in amp-hours of energy storage orcapacity. The amp-hour (AH) rating indicates thedischarge rate of the battery and is dependenton the actual discharge current. For example a100 AH battery can provide 5 amps for 20 hoursor 40 amps for only 2.5 hours. Installing equip-

Mounting Hardware

The purpose of the PV mounting hardware is tosecure the modules at a particular location and atthe correct angle. Ideally the modules should facesouth, be free of any shade and be angled so thatthe maximum amount of sunlight falls on thesurface of the module.

The ideal tilt angle can be calculated by using thelatitude of the site, minus the latitude of the sun.The angle is not too critical. It can vary 10degrees without adversely affecting the output ofthe system.

In Manitoba, a tilt angle of approximately 65-70 degrees from the horizontal for winteroperation and an angle of approximately 35-40 degrees from the horizontal for summeroperation would provide reasonable, but notoptimum, performance.

Improved performance can be achieved bymounting the modules on a sun tracker. A suntracker is an electro-mechanical device that auto-matically changes the tilt angle of the PV array soit follows or tracks the sun. Sun trackers are moreexpensive than other mounting systems but canhelp increase the output of the PV array by asmuch as 40%.

Although a PV array can be mounted directly ontoa sloped roof, it is preferable to install it on amounting frame. The mounting frame or roofmount protects the modules from accidents, van-dalism and theft. The roof mount raises the PVarray above most objects that would causeshading and keeps the PV modules above snowthat may build up on the roof. The mounting frameallows adjustment of the tilt angle and also allowsair to circulate around the modules keeping themodules cooler in summer.

PV modules lose efficiency as they heat up.Allowing air to circulate around and behindthe modules helps maintain efficiency andprevents the modules from overheating.

Pole mounts are also available for smallersystems that cannot be mounted on a roof.Ground mounts are usually the best option whenthe system is large or the angle of the array isadjusted seasonally. Ground mounts also alloweasy access for cleaning snow or dirt build-upfrom the panels.

PV Module at Fort Whyte Centre

ment called a low voltage disconnect (LVD) canprotect batteries from very deep discharges thatcan shorten battery life.

Monitoring Systems

A monitoring system is important to show batterycondition and charging current. Some monitoringsystems provide meters or digital displays thatcan show battery condition in volts, accumulatedamp-hours consumed, hours of operating timeleft, charging current and other interesting infor-mation. Some charge controllers also providemeters that show the basics of battery voltageand charging current. Check to see what type ofmonitoring system best suits your PV system.

Inverters

The purpose of the inverter is to convert batteryvoltage (12 VDC or 24 VDC) to 120 volts alternat-ing current (120 VAC). This would allow mostelectrical appliances and lamps to operatewithout any special wiring. Small systems thatuse only DC lamps and appliances do notneed an inverter. Some systems are wired touse DC lamps and a small inverter for just a fewappliances. The inverter is a basic component ofmost medium to large systems and should beCSA or ULC approved.

A synchronous inverter is required if the PVsystem is going to be connected to a utility’spower lines. The synchronous inverter connectsthe home or building to the PV array when solarelectricity is being produced and to the powerlines when solar power is not available. The syn-chronous inverter ensures the power from the PVarray is matched to the utility’s power require-ments. It also protects service personnel by pre-venting power being fed into the power lineswhen the utility system is being serviced orrepaired.

If the PV system generates more electricity thancan be used by the house or building, the syn-chronous inverter will allow the excess electricityto be sent to the utility’s power lines.

Utilities have different standards and require-ments for safety and interconnection equip-ment. Contact your local utility to ensure thesynchronous inverter you are considering isapproved for use on their system.

Load Centres

A load centre distributes the electricity from themain power source to the individual circuits orelectrical appliances. Load centres are alsocalled distribution centres, fuse boxes or breakerpanels. Load centres are often neglected butare critical for safe operation. A proper AC orDC power distribution centre with circuit breakerswill protect both the user and batteries, if anythinggoes wrong.

Hybrid Systems

PV systems can also work in conjunction withwind turbines, or gasoline and diesel generators,to provide power when there is no sunshine.These types of systems are called hybridsystems.

The Fort Whyte Centre in Winnipeg has installeda small PV system as part of their power traildemonstration.

EconomicsThe cost of a PV system varies with size andcomplexity. The cost of a PV system for a smallcottage could start around $900. The cost of asystem capable of providing the electrical require-ments of an energy efficient, off-grid, non-electri-cally heated home could start around $20,000.Except for the batteries, PV system componentsrequire little or no maintenance and have a lifeexpectancy of approximately 20-30 years.

The average cost of the electricity generated by aPV system (calculated over it’s expected life time)could start around 35-40 cents per kilowatt hour

Les systèmes photovoltaïquesau Manitoba

Les systèmes photovoltaïques convertissent directement l’énergie solaire en électricité.

L’énergie solaireL’énergie solaire est tout simplement l’énergie pro-duite par le soleil. Chaque seconde, le soleil produitune énorme quantité d’énergie en convertissant l’hy-drogène en hélium. Appelée rayonnement solaire,une telle énergie est diffusée dans l’espace et elleatteint la Terre sous forme de lumière solaire (47 %),de rayons ultraviolets (7 %) et de rayonnement oude chaleur infrarouge (46 %). La lumière solaire et lerayonnement infrarouge sont les éléments du rayon-nement solaire qui fournissent l’énergie que nouspouvons utiliser.

Le rayonnement solaire peut être «capté» et convertien énergie utile. Les systèmes les plus simples con-vertissent l’énergie solaire en chaleur faible (tem-pératures inférieures au point d’ébullition) pour lechauffage des locaux et de l’eau.

Une technique plus récente utilise des cellules pho-tovoltaïques (PV) pour produire de l’électricitédirectement à partir de la lumière solaire. Les cel-lules PV sont aussi connues sous les noms suivants : cellules solaires, cellules photovoltaïques,photocellules et cellules photoélectriques.

Les ressources solaires au ManitobaLe Manitoba reçoit de l’énergie solaire en abon-dance. Le rayonnement solaire direct reçu au Mani-toba équivaut à presque deux milliards de térajoulesd’énergie par année. Si on convertissait seulement 1% de cette énergie en électricité, la quantité obtenueserait presque 200 fois supérieure à la productionannuelle de toutes les centrales hydro-électriques duManitoba.

La conversion de l’énergiesolaire en électricitéLorsque la lumière frappe le point de jonction dediverses matières, elle produit une petite tensionélectrique. C’est ce qu’on appelle l’effet photo-voltaïque.

Rayonnement solaire direct au Manitoba

Une cellule PV type contient deux couches trèsminces de silicium reliées au moyen d’un filmétallique. Chaque cellule PV a un diamètre de 8 à15 centimètres (3 à 6 pouces) et l’épaisseur d’uncheveu humain. Quand les photons, des petitpaquets d’énergie lumineuse du soleil, frappent lacellule, les électrons circulent de la couche inférieureà la couche supérieure de la cellule. Les électronslibérés sont forcés de circuler dans le fil métalliqueet dans le dispositif à charge électrique avant derejoindre la couche au silicium et au bore produisantun courant électrique. Le courant continue de circuler tant que la lumière du soleil frappe la cellule PV.

Churchill

Thompson

Flin Flon

LePas

BrandonWinnipeg

Moins de 8,0

8,0 à 8,5

8,5 à 9,0

9,0 à 9,5

9,5 à 10,0

Plus de 10,0

Moyenne annuelleMJ/m≈/jour

La technologie solaireactuelleLa cellule PV conventionnelle est une cellule au sili-cium monocristallin ou à cristal unique. Elle secompose de minces strates de siliciummonocristallin. Une telle cellule est efficace, maiscoûteuse à fabriquer. Son rendement énergétiquetype varie de 10 % à 17 %. En théorie, une cellulePV au silicium monocristallin devrait convertir prèsde 30 % de la lumière solaire en électricité. En pra-tique toutefois, on n’a pu atteindre qu’un taux deconversion maximum de 24 % en laboratoire et de19 % pour les cellules produites en série.

Un autre genre de cellule PV utilise du silicium multi-cristallin ou polycristallin. La cellule est découpéedans du silicium fondu et coulé en lingots. De tellescellules PV sont moins coûteuses à produire quecelles à cristal pur, mais elles ne sont pas aussi effi-caces. Leur rendement énergétique type varie de 10 % à 13 %.

La technique de la couche mince, qui utilise du sili-cium non cristallin ou amorphe, représente l’ap-proche la plus prometteuse au plan de la réductiondes coûts de production. Le silicium amorphe estdéposé ou pulvérisé sur de longues bandes d’acierinoxydable. La technique de la couche mince est lamoins coûteuse en termes de fabrication, mais aussila moins efficace en termes de rendement. Le ren-dement énergétique type d’une cellule au siliciumamorphe varie en effet de 3 % à 5 %.

En combinant ou en empilant plusieurs cellules PVau silicium amorphe, une entreprise a commencé àélaborer une cellule triple ou à points de jonctionmultiples qui affichera un rendement énergétique de10 %. Lorsqu’elle pourra être produite en série, unetelle cellule permettra l’élaboration de nouveaux pro-duits tels que les tuiles PV pour le toit ou les mursdes immeubles commerciaux et résidentiels.

Un fabricant a récemment réduit la taille des cellulesPV au silicium amorphe à 2,5 centimètres (unpouce) de diamètre et il a installé une série de

lentilles grossissantes au-dessus de chacune. Leslentilles grossissantes concentrent les rayonssolaires et accroissent la quantité de lumière captéepar chaque cellule. Cela permet d’augmenter le ren-dement énergétique à 18 %. Le coût de productiond’une telle cellule est légèrement supérieur à celuides autres cellules PV.

Les composants d’unsystème photovoltaïque(PV)Un système PV comprend un certain nombre d’élé-ments connectés les uns aux autres. Il peut être trèssimple, se composant d’un seul module PV con-necté à un petit accumulateur et à une seule lampe,ou très complexe, se composant de nombreuxmodules PV connectés à un contrôleur, d’unchargeur, d’interrupteurs-sectionneurs de sûreté,d’accumulateurs, d’une génératrice et d’un ensembled’appareils à courant continu ou alternatif.

Coupe transversale d’une cellule PV

Composants de base d’un système PV

Les modules

Chaque cellule PV produit environ 0,5 volt à courantcontinu (V.c.c.). Les cellules sont connectées en par-allèle afin d’accroître leur productivité, puis elles sontconnectées en série afin de créer des modules oudes panneaux produisant 12 ou 24 V.c.c. On peutensuite connecter les modules pour former ungénérateur photovoltaïque. Plus la taille du généra-teur est importante, plus le système est puissant etplus le nombre d’appareils asservis peut augmenter.

La puissance nominale des modules correspondà leur puissance de crête mais la puissanceréelle peut varier selon les conditions de fonc-

tionnement. Il est donc préférable d’utiliser l’in-tensité et la tension nominales lorsqu’oncompare divers modèles de modules. Le moduledevrait être en mesure de maintenir les tensionsrecommandées pour les accumulateurs.

La quincaillerie de montage

La quincaillerie de montage PV sert à installer lesmodules à un endroit particulier et selon un angleapproprié. Les modules devraient idéalement êtreorientés au sud, ne pas être à l’ombre et êtreinclinés de telle sorte qu’ils puissent capter unequantité maximale de lumière solaire.

On calcule l’angle d’inclinaison idéal en soustrayantla latitude du soleil de la latitude du site. La questionde l’angle n’est pas trop importante. L’angle d’incli-naison peut en effet varier de dix degrés sansréduire la production d’électricité du système.

Au Manitoba, un angle d’inclinaison d’environ 65ou 70 degrés par rapport à l’horizontale en hiveret d’environ 35 ou 40 degrés par rapport à l’hori-zontale en été offre un rendement raisonnablemais non optimal.

On peut améliorer le rendement en installant lesmodules sur un pointeur solaire. Le pointeur est undispositif électromécanique qui modifie automatique-ment l’angle d’inclinaison du générateur PV afin quece dernier suive le soleil. Les pointeurs sont pluscoûteux que les autres systèmes de fixation mais ilspeuvent accroître de 40 % la production d’un générateur PV.

Même si un générateur PV peut être installé directe-ment sur un toit en pente, il est préférable de le fixerà un bâti de montage. Ce dernier, aussi appelésupport de toit, protège les modules contre les acci-dents, le vandalisme et le vol. Le support soulève legénérateur PV au-dessus de la plupart des objetsqui pourraient projeter de l’ombre et au-dessus de laneige qui pourrait s’accumuler sur le toit. Le bâti demontage permet de régler l’angle d’inclinaison touten laissant l’air circuler autour des modules afin deles rafraîchir en été.

Plus les modules PV se réchauffent, plus leurrendement énergétique diminue. En permettantà l’air de circuler autour des modules, on main-tient leur rendement énergétique et on lesempêche de surchauffer.

Des supports de poteau sont également offerts pourles petits systèmes qui ne peuvent être installés sur

le toit. Les supports au sol constituent habituelle-ment la meilleure solution si le système est degrande taille ou si l’angle d’inclinaison doit être régléselon les saisons. Les supports au sol permettentaussi un accès facile pour enlever la neige ou lasaleté qui peut s’accumuler sur les modules.

Les câbles électriques

Les câbles électriques transportent l’énergie desmodules vers les accumulateurs ou vers les autrescomposants du système. Le calibre des câblesdoit être assez important pour pouvoir trans-porter toutes les charges électriques prévues etpour réduire les pertes de pouvoir dans lesystème.

Les diodes de blocage

Fonctionnant comme des soupapes unidirection-nelles pour l’électricité, les diodes empêchent l’én-ergie de s’échapper des accumulateurs pourretourner aux modules pendant la nuit ou unejournée sans soleil. On installe parfois des diodesde blocage sur les modules PV ou sur les contrôleurs.

Les contrôleurs de charge

Aussi connus sous le nom de conditionneurs ou derégulateurs électriques, les contrôleurs de chargeservent à prévenir la surcharge des accumulateurs.Le contrôleur aide les accumulateurs à demeurerchargés à bloc et à bien fonctionner pendant leurdurée de vie prévue. Il est important que la puis-sance nominale et la tension du contrôleur corre-spondent aux exigences du groupe d’accumulateurschoisi. On peut installer un chargeur surdimensionnéafin de prévoir l’utilisation future d’accumulateursplus importants.

Il existe des modules autocontrôlés mais ceux-cidoivent être utilisés avec prudence. Dans la plupartdes cas, il faut installer un contrôleur ou un régula-teur de charge.

Les accumulateurs

Les accumulateurs sont le coeur d’un système PV.Ils servent à emmagasiner l’énergie produite afin dela conserver pour une journée pluvieuse ou pour lanuit. Ils doivent être choisis et entretenus avec soin.

L’espérance de vie normale d’un groupe d’accumu-lateurs varie de 3 à 5 ans. Un fonctionnementadéquat et un bon entretien peuvent prolonger defaçon importante la vie des accumulateurs.

Les accumulateurs à cycle prolongé sont lesmieux adaptés aux systèmes PV. Ils offrent unedurée de vie prolongée et un service fiable. Ilspeuvent aussi être utilisés avec des systèmes degrande taille. Les accumulateurs sont classés selonleur capacité nominale en quantité d’électricité(ampèreheures), c’est-à-dire leur capacité de stock-age. La cote Ah (ampèreheure) indique le régime dedécharge de l’accumulateur et elle varie selon lecourant de décharge réel. Un accumulateur ayantune cote Ah de 100, par exemple, peut fournir uncourant de 5 ampères pendant 20 heures ou de 40ampères pendant seulement 2,5 heures. L’installa-tion d’un interrupteur-sectionneur basse tension peutprotéger les accumulateurs contre les très fortesdécharges qui risquent de raccourcir leur durée de vie.

Les systèmes de surveillance

Le système de surveillance permet à l’utilisateur deconnaître l’état des accumulateurs et le courant decharge. Certains systèmes de surveillance sontmunis de compteurs ou d’écrans d’affichagenumérique qui indiquent l’état des accumulateurs,soit la tension, la quantité d’ampèreheures consom-mée, le nombre d’heures de fonctionnementrestantes, le courant de charge et d’autres ren-seignements intéressants. Certains contrôleurs decharge sont munis de compteurs qui indiquent lesdonnées fondamentales des accumulateurs entermes de tension et de courant de charge. Vousdevez choisir le système de surveillance le mieuxadapté à votre système photovoltaïque.

Les onduleurs

La fonction de l’onduleur consiste à convertir lecourant continu (12 V ou 24 V) des accumulateursen courant alternatif (120 V). Il permet donc de fairefonctionner sans câblage particulier la plupart desappareils électriques et des lampes. Les petits sys-tèmes qui sont branchés uniquement à deslampes et à des appareils à courant continun’ont pas besoin d’un onduleur. Certains sys-tèmes sont câblés pour l’utilisation de lampes àcourant continu et d’un petit onduleur connecté àquelques appareils. L’onduleur est un composant debase de la plupart des systèmes de taille moyenne

et de grande taille et il doit être homologué par laCSA ou l’ULC.

Si le système PV doit être connecté aux lignesélectriques d’un service public, il doit être munid’un onduleur synchrone. Ce dernier connecte lamaison ou le bâtiment au générateur PV lorsquecelui-ci produit de l’électricité à partir de l’énergiesolaire et aux lignes électriques lorsque l’énergiesolaire n’est pas disponible. L’onduleur synchroneveille à ce que l’électricité provenant du générateurPV réponde aux critères énergétiques de la sociétéd’électricité. Il protège aussi le personnel d’entretienen empêchant que l’électricité du générateur PVn’alimente les lignes électriques pendant les travauxd’entretien ou de réparation du réseau de la société.

Si le système PV produit plus d’électricité que ce quiest nécessaire pour la maison ou le bâtiment, l’ond-uleur synchrone permet d’acheminer le surplus versles lignes électriques de la société d’électricité.

Les sociétés d’électricité ont adopté des normeset des exigences variées en matière de sécuritéet de matériel d’interconnexion. Vous devriezcommuniquer avec votre service public afin deveiller à ce que l’onduleur synchrone que voussongez à utiliser soit approuvé pour une con-nexion à son réseau.

Les centres de charge

Un centre de charge distribue l’électricité provenantd’une source principale à des circuits ou à desappareils électriques individuels. Le centre decharge est aussi appelé centre de distribution, boîteà fusibles ou tableau de disjoncteurs. On négligesouvent les centres de charge bien qu’ils jouentun rôle important dans le fonctionnement sûr dusystème PV. Un centre de distribution d’électricité àcourant continu ou alternatif muni de disjoncteursprotège l’utilisateur et les accumulateurs du systèmePV en cas de problème.

Les systèmes hybrides

Les systèmes PV peuvent aussi fonctionner en com-binaison avec des turbines éoliennes ainsi qu’avecdes génératrices à essence ou diesel afin de pro-duire de l’électricité lorsque le soleil ne brille pas. Detels systèmes sont appelés hybrides.

Le Centre environnemental de Fort Whyte est munid’un petit système PV qui fait partie d’un élémentd’exposition sur l’énergie.