Dimensionnement du système d'énergie électrique mixte photovoltaïque et éolien

Le soleil

Le soleil est une étoile âgée de 4 milliard d’années, tournant lentement sur elle même (2 km/s, 1 révolution en ~ 26 jours), il est Situé à ~ 150 millions de km de la terre il faudra ~ 8 mn à la lumière qui s’échappe de sa surface pour nous atteindre, son rayon est de ~ 700 000 km.[1] Les flux de photons émient en très grande quantités par le soleil appelés aussi radiations ou rayons traversent l’espace à la vitesse de 300 000 km/s ( c’est la vitesse de la lumière) pour atteindre la terre à différentes longueur d’ondes; ces longueurs d’ondes nous permettent de distingué les différents types de rayons: le spectre solaire.
 Les rayons de très courtes longueur d’onde comme les rayons X et les rayons gamma qui sont très dangereux mais qui s’arrêtes dès les couches supérieurs de l’atmosphère.
 Les rayons de très longues longueurs d’ondes comme les ondes radio sont très faible à la surface de la terre.
 Les rayons qui nous parviennent:
 Les ultra-violet (UV), de 200 nm à 400 nm ils sont invisible, ne chauffe pas les matières et provoquent des dommages sur les cellules.
 La lumière visible de 400 nm à 800 nm elle nous permet de distingué les formes et les couleurs.
 Les infrarouges (IR) de 800 nm à 1400 nm ils sont invisible et chauffent la matière solide ou gazeuse qu’ils rencontrent. Le flux solaire reçu au niveau du sol dépond de:
 L’orientation, la nature et l’inclinaison de la surface terrestre.
 La latitude du lieu de collecte, de son degré de pollution ainsi que de son altitude.
 La période de l’année.
 L’instant considéré dans la journée.
 La nature des couches nuageuse.

Le rayonnement lumineux

Le rayonnement solaire constitue la ressource énergétique la mieux partagée sur la terre et la plus abondante : La quantité d’énergie libérée par le soleil (captée par la planète terre) pendant une heure pourrait suffire à couvrir les besoins énergétiques mondiaux pendant un an. Une partie de ce rayonnement peut être exploitée pour produire directement de la chaleur (solaire thermique) ou de l’électricité : c’est l’énergie solaire photovoltaïque. Ce mode de production ne nécessite pas de réseau de distribution. En effet on peut produire de l’énergie électrique là où on la consomme :
– Villages, maisons isolées (un tiers de la population mondiale n’a pas accès à l’énergie électrique).
– Relais de communication,
– Pompage de l’eau,
– Refuges…,
La terre intercepte une toute petite partie de l’énergie solaire rayonnée dans l’espace. Une moyenne de 1367 watts atteint chaque mètre carré du bord externe de l’atmosphère terrestre . Le rayonnement reçu peut être dégradé par des relations géométriques et par les propriétés physiques de la surface terrestre.

Principe de fonctionnement d’une éolienne

Lorsque le vent souffle à une vitesse d’au moins 4m/s soit environ 15km/h les pales commencent à tourner en entrainant l’arbre primaire; sa vitesse n’étant pas suffisante pour généré de l’électricité un multiplicateur augmente cette vitesse jusqu’à 1500 tr/min et la transmet via l’arbre secondaire qui à sont tour fait tourner une génératrice ; dans celle-ci l’interaction entre les électro-aimant du rotor (partie mobile) et les bobine de fil de cuivre du stator (parie fixe) produit un courant électrique. Quand la vitesse du vent atteint 14m/s soit 50km/h l’éolienne fournit sa puissance nominale, la génératrice délivre donc un courant électrique alternatif à la tension de 690volts à 50Hz dont l’intensité varie en fonction de la vitesse du vent. en effet quand la vitesse du vent augmente la portance s’exerçant sur les pales augmente et la puissance délivrée par la génératrice s’accroit. si le vent devient plus violent l’éolienne est freinée grâce à un système de régulation électronique et au delà d’un certain seuil 25m/s soit 90km/h les pales sont mises en drapeau (parallèle à la direction du vent) et leurs portance devient quasiment nulle tant que la vitesse du vent reste ainsi l’éolienne ne produit plus d’électricité.

La machine asynchrone

La connexion direct au réseau de ce type de machines est bien plus doué grâce à la variation du glissement se produisant entre le flux du stator et la vitesse de rotation du rotor, comme pour les machines synchrones il existe différents types de machines asynchrones, qui associées à divers convertisseurs de puissances fonctionnant avec des domaines de variation de vitesse de rotation plus ou moins grandes. deux des désavantages des machines à induction sont la consommation de puissance réactive et le courant élevé au démarrage mais ces problèmes peuvent être résolus par l’utilisation d’éléments d’électronique de puissance, une variante de ce type de machines pourraient se développer dans les prochaines années; le générateur asynchrone doublement alimenté.

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Table des matières

Remerciements
Dédicace
Listes des symboles
Abréviation utilisées
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre I :Généralités sur le système d’énergie électrique mixte: photovoltaïque et éolien
I.1.Etat de l’art du système hybride
I.2.La chaine de production PV
I.2.1.Le soleil
I.2.1.1.Le rayonnement lumineux
I.2.2.L’énergie solaire photovoltaïque
I.2.2.1.L’effet photovoltaïque
I.2.3.Principe de fonctionnement d’un système photovoltaïque autonome
I.2.4.Convertisseur DC/DC à pilotage MPPT
I.2.4.1.Principe de fonctionnement d’un étage DC/DC
I.2.5.L’atlas solaire
I.2.5.1.Moyenne annuelle de la durée d’insolation et des irradiations globales, cas d’un ciel totalement clair
I.3.La chaine de production éolienne
I.3.1.Le vent
I.3.2.La notion de couple
I.3.3.Historique
I.3.4.Définition de l’énergie éolienne
I.3.5.Etude d’un aérogénérateur
I.3.5.1.Définition d’un aérogénérateur
I.3.5.1.2.Eolienne à axe verticale
I.3.5.1.2.Eolienne à axe horizontale
a. Le rotor
b. La nacelle
c. Le mat
I.3.6.Classification des turbines éoliennes
I.3.7.Principe de fonctionnement d’une éolienne
I.3.8.Régulation mécanique de la puissance d’une éolienne
I.3.8.1.Le système de régulation pitch
I.3.8.2.Le système de régulation stall
I.3.9.Machine électrique
I.3.9.1.La machine synchrone
I.3.9.2.La machine asynchrone
I.3.10.Redresseur
I.4.Système de stockage
I.4.1.Fonctionnement d’un accumulateur au plomb
I.5.Hacheur réversible en courant
I.6.Bus à courant continu
I.7.Onduleur
I.8.Atlas du vent
Chapitre II : Etude et simulation d’une cellule photovoltaïque
II.1.Historique
II.2.Fabrication des cellules photovoltaïques au silicium
II.2.1.Extractions et purification du silicium
a. Obtention des lingots de silicium
b. Obtention des wafers PV
c. Dopage du silicium
II.3.Fonctionnement physique de la cellule photovoltaïque
II.3.1.Interaction photon/semi-conducteur
II.4.Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
II.5.De la cellule photovoltaïque au panneaux photovoltaïque
II.6.Etude des caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque
II.6.1.Rendement de conversion
II.6.2.Facteur de forme
II.6.3.Influence du niveau d’éclairement sur la cellule PV
II.6.4.Influence de la température sur la cellule PV
II.7.simulation d’une cellule PV avec PC1D
II.7.1.Influence des paramètres physiques
II.7.1.2.Influence du dopage Nd
II.7.2.Influence des paramètres géométrique
II.7.2.1.Influence de l’épaisseur de l’émetteur N
Chapitre III :Modélisation des générateurs photovoltaïque et éolien
III.1.Modélisation du générateur photovoltaïque
III.1.1.Modèle de la cellule photovoltaïque
III.2.Modélisation du générateur éolien
III.2.1.Modèle de la turbine
III.2.1.1.Puissance de la turbine
III.2.1.2.Vitesse normalisé
III.2.1.3.Coefficient de puissance
III.2.1.4.Le coefficient de couple
III.2.2.Modèle du multiplicateur
III.2.3.Modèle de la génératrice synchrone à aimant permanant
Chapitre IV :Dimensionnement du système d’énergie électrique mixte photovoltaïque et éolien
IV.1. Dimensionnement de l’installation photovoltaïque par calcul manuel
IV.1.1. dimensionnement des panneaux PV
IV.1.2. Dimensionnement des batteries
IV.1.3. Dimensionnement du régulateur
IV.1.4. Dimensionnement des câbles
IV.1.5. Choix de l’éolienne
IV.1.6. Cout de l’installation
IV.1.7. Calcul de rentabilité
IV.2. Dimensionnement de l’installation PV avec le logiciel PVSOL
IV.2.1. Chargement de la consommation des appareils
IV.2.2. Vérification de la cohérence du système
IV.2.3. Bilan énergétique annuel
IV.2.4. Présentation graphique des résultats
IV.2.4.1. Présentation graphique des données météorologiques
IV.2.4.2. Présentation graphique des énergies
IV.2.5. Calcul de rentabilité
Conclusion générale
Bibliographie
ANNEXE
Annexe A
Annexe b
Annexe c