Energie solaire et système photovoltaïque 

Energie solaire et système photovoltaïque 

Introduction générale

Actuellement, la production d’énergie électrique est un défi de la plus grande importance pour les années à venir, aussi bien du point de vue écologique, qu’économique. Les besoins énergétiques des sociétés industrialisées, mais aussi des pays en voie de développement ne cessent de croitre. On entend par énergie renouvelable, des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, de l’eau ou encore de la biomasse. A la différence des énergies fossiles, les Energies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Aujourd’hui, l’essentiel de la production mondiale d’énergie provient de sources fossiles non renouvelables. Ce type d’énergie donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. De plus, la consommation excessive de stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures. L’épuisement des ressources fossiles, à plus ou moins long terme, la flambée du cours du pétrole, la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre rendent urgentes la maîtrise des consommations et la diversification des sources d’énergie ainsi que l’utilisation et le développement des énergies renouvelables. Les énergies renouvelables telles que l’énergie éolienne, l’énergie solaire, la biomasse et l’énergie hydroélectrique, sont des alternatives prometteuses pour concurrencer les sources d’énergies de nature fossile et nucléaire. Cette transformation s’effectue sans bruit, sans émission de gaz, elle est donc une énergie totalement propre. Par ailleurs, l’absence et le manque en mouvement des pièces mécaniques lui confèrent un niveau de fiabilité inégalable (la durée de vie d’un module photovoltaïque est estimé généralement par les experts à 30 ans). Le rayonnement solaire est reparti sur toute la surface de la terre et ne cause aucun conflit entre les pays contrairement au pétrole. Une partie de ce rayonne-

Introduction générale 

ment peut être exploitée pour produire directement de la chaleur (Technique du solaire thermique) ou de l’électricité (Technique du solaire photovoltaïque). Les systèmes photovoltaïques semblent bien s’imposer comme moyen de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique. Ces systèmes se composent des champs de modules et d’un ensemble de composants qui adaptent l’électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. L’électricité photovoltaïque présente une option économique intéressante pour des sites non raccordés au réseau de distribution centralisée. Lorsque les besoins à couvrir sont faibles, où l’absence d’une maintenance lourde constitue un avantage évident. Les systèmes photovoltaïques trouvent alors leur pleine justification dans les régions rurales isolées et les pays en voie de développement. Elle permet de couvrir les besoins en électricité d’une habitation, tels que l’éclairage, le pompage de l’eau et la production du froid, …

Energie solaire et système photovoltaïque

La lumière émise par le soleil pressente une alternative énergétique durable pour la production d’électricité car le soleil est une source d’énergie illimitée, elle pourrait couvrir environ de 15 000 fois notre consommation globale d’énergie [55]-[28] ce qui donne un potentiel très important à l’échelle du besoin de l’activité humaine [14] telle que la quantité d’énergie arrivée au sol se compte sur 10 000 Watts crête par mètre carré dans les zônes tempérées et jusqu’à 14 000 Watts crête par mètre carré lorsque l’atmosphère est faiblement polluée [55]. La transformation de l’énergie solaire en électricité est faite par des éléments dits cellule photovoltaïque qui forment d’autres éléments appelés modules ou panneaux photovoltaïques par leur association en série/parallèle. Le flux solaire reçu au niveau du sol dépend de plusieurs paramètres :
– l’orientation, la nature et l’inclinaison de la surface terrestre,
– la latitude du lieu de collecte,
– son degré de pollution et son altitude,
– la période de l’année,
– l’instant considéré dans la journée,
– la nature des couches nuageuses.
Les zones les plus favorables sont répertoriées sous forme d’atlas et mettent en évidence des « gisements solaires » à la surface de la terre [28]. Pour mieux comprendre le mode de fonctionnement de cette énergie, nous allons parler dans ce chapitre d’une manière générale du gisement solaire, de la conversion photovoltaïque et des principaux éléments constitutifs d’un système photovoltaïque.

Gisement solaire

L’évolution du rayonnement solaire disponible au cours d’une période donnée est décrite par un ensemble de données appelé le gisement solaire. Son rôle détermine l’énergie reçue par un site donné. Pour les systèmes énergétiques solaires, il est nécessaire de connaître le gisement solaire pour le dimensionnement le plus exact possible en tenant en compte des besoins à satisfaire. La connaissance du gisement solaire d’une région est plus ou moins précise selon [8] :
– la densité des stations pour lesquelles on a des données,
– le nombre d’années de mesures disponibles,
– le pas de temps des données (mois, jour, heure),
– la durée d’ensoleillement,
– l’albédo du sol …

Gisement solaire 

Le spectre solaire

Le rayonnement solaire est dû à la manifestation des interactions nucléaires qui s’effectuent au niveau du soleil [6], il est constitué des radiations électromagnétiques émises par le soleil.

Repérage du soleil

La terre gravite autour du soleil sur une trajectoire sous forme d’ellipse dont le soleil est l’un de ses foyers dans une période de 365 jours 5h 48 mn 40s (365.25 jours) [28]. La distance terre-soleil est variable durant l’année tel qu’elle est maximale au début de mois de juillet et minimale au début de janvier comme le montre la figure I.6. La position du soleil par rapport à la terre n’est pas fixe, elle correspond de l’heure de la journée et la saison. Ce changement est la conséquence de la rotation de la terre sur elle-même et de son mouvement autour du soleil.

Principe de fonctionnement

Une cellule photovoltaïque est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P et l’autre dopée N créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent et créent des paires électron-trous. Ils créent alors des électrons (chargés N) et des trous (chargés P). Ceux-ci crée alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positive et négative de la cellule.

Générateur photovoltaïque

De la part de ses dimensions les cellule PV délivrent une puissance de quelque watt sous une tension de faible. Pour produire plus de puissance, il doit assembler plusieurs cellules afin de créer un module ou un panneau photovoltaïque. En effet, les modules PV sont composés d’un ensemble de cellules mises en série et/ou en parallèle, réalisant la conversion de la lumière du soleil en électricité. Les module eux-mêmes associés en série et parallèle pour former un champ photovoltaïque d’une puissance crête définie selon des conditions spécifiques d’éclairement, de température et de spectre solaire. Le générateur photovoltaïque (GPV) est une combinaison de plusieurs modules PV ou panneau. Il représente pour un système PV la source de l’énergie à fournir.

Association en parallèle

Le principe d’un circuit électrique dont les charges sont en parallèle est applicable au groupement en parallèle des cellules. Dans un groupement de cellules connectées en parallèle, la tension aux bornes des cellules est la même et la caractéristique résultante du groupement est obtenue par addition des courants de chacune à une tension donnée. Si le nombre des cellules en parallèle NP augmente il suffit de dilater la caractéristique I(V) d’un facteur NP vers le haut. La figure I.17 montre la caractéristique résultante obtenue en associant en parallèles NP cellules identiques.

Système autonome

Ce type des systèmes est généralement utilisé dans les sites isolés oú il n’y a pas de réseau. Il est constitué d’un générateur photovoltaïque qui permet de fournir l’énergie électrique nécessaire, un ensemble de batteries oú accumulateurs a pour rôle le stockage d’énergie car la consommation ne dépend pas des heures d’ensoleillement, un régulateur qui a le rôle de protéger les batteries contre les surcharges et les décharges profondes. De plus, ces installations comportent également selon le cas des interfaces de conversion continu-continu (charges fonctionnant en courant continu) et/ou continu-alternatif (charges fonctionnant en courant alternatif)

– A travers des réseaux résidentiels : Lorsque la production dépasse la consommation dans les réseaux domestiques la puissance injectée au réseau sera le surplus de la puissance produite. Le tarif d’achat du kWh produit par une installation photovoltaïque est supérieur au prix pratiqué par les compagnies électriques pour la vente d’électricité à leurs clients. Il est donc nécessaire de compter séparément les kWh injectés et ceux prélevés sur le réseau, ce qui oblige à installer deux compteurs unidirectionnels (électroniques) un compteur qui comptabilise l’énergie achetée au fournisseur d’énergie et un autre compteur mesure l’énergie renvoyée sur le réseau électrique lorsque la production dépasse la consommation.

Eclairement

L’éclairement lumineux est la grandeur définie par la photométrie correspondant à la sensation humaine de l’éclairement. Plus un objet qui n’est pas totalement noir et qui ne produit pas de lumière par lui-même est éclairé, plus il est visible distinctement. La photométrie définit cette grandeur rigoureusement, afin de pouvoir la calculer, connaissant l’intensité lumineuse des sources de la lumière, leur distance et leur direction [3]. L’éclairement lumineux se différencie de l’éclairement énergétique par l’application d’une pondération par longueurs d’onde qui correspond à la sensibilité de la vision humaine. La Commission internationale de l’éclairage a défini les tables d’efficacité lumineuse spectrale qui représentent la sensibilité de l’« observateur de référence ». Les appareils de mesure doivent avoir une sensibilité spectrale similaire [3].

Le progrès technique dans l’éclairage a fait évoluer les caractéristiques techniques des sources lumineuses sur trois axes principaux :
– accroissement régulier des performances énergétiques ;
– amélioration de la qualité de la lumière émise ;
– extension des possibilités d’utilisation :
* miniaturisation,
* élargissement des gammes de puissance,
* variation de la puissance d’une même source entre autre.
Cette dynamique caractérise l’évolution du secteur de l’éclairage depuis un siècle et continuera certainement à orienter le changement technique dans les années à venir, notamment en ce qui concerne l’amélioration des performances énergétiques.

Lampes à incandescence

Ces lampes très courantes reposent sur un principe de fonctionnement inventé par Thomas Edison au XIXe siècle. Un filament de tungstène s’échauffe lorsqu’un courant électrique le traverse. Placé dans une ampoule vide ou remplie d’un gaz inerte, le filament chaud émet des photons lumineux et donc de la lumière. Il perd aussi des particules de métal qui se déposent sur la paroi de l’ampoule diminuant ainsi son rendement lumineux. Au cours du temps le filament s’amincit et finit par se rompre. Lampes à incandescence standard La lampe à incandescence standard se compose d’un filament de tungstène en fermé dans une capsule de verre translucide vide ou remplie d’une combinaison de gaz neutres. Lorsqu’il est traversé par un courant électrique, le filament est porté à incandescence et émet un rayonnement visible à dominante rouge (température de couleur : 2700 K) [10]. Ces lampes assurent aujourd’hui la quasi-totalité des besoins d’éclairage dans le résidentiel, et une partie importante des besoins dans le tertiaire. Elles sont disponibles dans une gamme de puissance très étendue (de quelques watts jusqu’à plusieurs centaines de watts), avec des culots standards à vis ou baïonnette, et dans de multiples formes et apparences (claire, dépolie, opale, carrée, globe, flamme, etc…) [45].

Lampes fluorescentes

Tubes fluorescents

Le principe de l’éclairage fluorescent est ce lui de la décharge dans une vapeur de mercure traversée par un courant électrique [10], décharge produisant un rayonnement peu visible principalement situé dans l’ultraviolet. Une poudre luminescente située sur l’enveloppe transforme ce rayonnement UV en lumière visible [30]. Pour fonctionner, les tubes fluorescents nécessitent un appareillage complémentaire (starter, ballast) contenu dans le luminaire qui permet d’amorcer et d’entretenir la décharge. Les tubes fluorescents sont une efficacité lumineuse très supérieure à celles des lampes à incandescence (50 – 90 lm/W) et une durée de vie de l’ordre de 10 000 heures [45]. La qualité de la lumière produite dépend essentiellement des poudres fluorescentes déposées sur l’enveloppe. Les premières poudres permettaient d’atteindre une bonne efficacité énergétique mais au détriment de la qualité de la lumière produite, ce qui a orienté l’éclairage fluorescent vers les usages ou seule l’intensité lumineuse importait (industrie notamment)[45]. Des progrès sensibles ont été enregistrés dans ce domaine depuis la fin des années 70, avec la mise au point de poudres à trois bandes et la diminution du diamètre des tubes, qui permettent d’atteindre aujourd’hui 100 lm/W, sans que ces progrès se fassent au détriment de la qualité de la lumière. Les tubes fluorescents sont disponibles dans plusieurs qualités, principalement, les tubes “de luxe” à rendu de couleur élevé (IRC supérieur à 85) dont l’efficacité lumineuse est proche de 60 lm/W et les tubes “économiques” dont le rendement dépasse 80 lm/W mais pour un IRC situé entre 50 et 85.

Lampes aux halogénures métalliques

Les lampes aux halogénures métalliques utilisent la technologie des lampes à décharge au mercure mais avec des performances améliorées provenant de l’addition de composés halogènes (iodures). Ceux-ci entraînent un cycle de régénération qui permet d’obtenir des quantités et qualités de lumière supérieures à ce que produirait le mercure seul. L’efficacité lumineuse des lampes aux halogénures métalliques est de l’ordre de 80 à 100 lm/W, pour des gammes de puissance courantes situées entre 250  et 1000 W. De nouvelles lampes de faible puissance sont apparues récemment (moins de 100 W et jusqu’à 35 W) principalement destinées à l’éclairage d’accentuation (vitrines, magasins salles d’exposition),qui peuvent laisser supposer une diffusion ultérieure en direction du tertiaire et résidentiel en complément des sources incandescentes ou halogènes [45] Lampes au sodium haute-pression Les lampes à vapeur de sodium présentent une efficacité lumineuse extrêmement élevée, le maximum étant atteint avec le sodium basse pression (près de 200 lm/W) pour un rayonnement monochromatique jaune. En accroissant la pression de vapeur, on obtient une très nette amélioration du rendu de couleur, mais au détriment de l’efficacité lumineuse. A haute pression, le maximum d’efficacité (100- 120 lm/W) est obtenu pour un IRC de l’ordre de 20, les lampes à décharge couramment utilisées en éclairage extérieur ont une efficacité de 90 lm/W pour un IRC de 60, et les nouvelles lampes “blanches”, un IRC supérieur à 70 mais au prix d’une efficacité lumineuse qui devient inférieure à 60 lm/W. Elles sont en revanche disponibles dans de faibles puissances (moins de 100 W) et peuvent constituer une source de substitution pour l’incandescence ou l’halogène mais uniquement pour l’instant en usage professionnel [45].

Conclusion

Dans le présent chapitre, les différentes techniques de l’éclairage sont présentées, ainsi que ses principaux éléments constituants (lampe, tubes, luminaires…). Les différentes étapes du dimensionnement appliquée au cas pratique de la ferme étudiée sont exposées et détaillées. Suivant la même logique, le chapitre suivant concerne les besoins énergétiques de l’installation, puis le dimensionnement et le nombre de panneaux nécessaires.
Les techniques de stockage de l’énergie par des batteries d’accumulateurs et de pompage de l’eau sont également abordées.

Stockage de l’énergie et pompage

Introduction

Ce chapitre débute par une étude concernant les batteries d’accumulateurs, leurs différents types, leur principe de fonctionnement et caractéristiques techniques. Puis un exposé des technologies de pompage solaire est présenté. Enfin, les choix et dimensionnement relatifs à ces deux techniques, sont appliqués à la ferme considérée.

Batteries

Les batteries, dites aussi accumulateurs, sont des systèmes électrochimiques destinés à stocker une énergie chimique et à la restituer ultérieurement sous forme d’énergie électrique.

Principe de fonctionnement

Un accumulateur est un dispositif électrochimique qui permet la conversion réversible d’énergie chimique en énergie électrique.
En charge, l’énergie électrique est convertie et stockée sous forme d’énergie chimique à travers des réactions d’oxydoréduction. En décharge, l’élément fonctionne en mode générateur. Dans ce cas, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique, et les réactions inverses se produisent aux électrodes [9]. Un accumulateur est constitué principalement, de deux électrodes qui permettent de stocker les électrons à l’issue des réactions électrochimiques d’oxydoréduction. Ces électrodes sont immergées dans l’électrolyte qui permet le transport des espèces ioniques d’une électrode à l’autre. Le séparateur permet l’isolation électrique pour assurer le passage des électrons via le circuit électrique extérieur.
Enfin, pour assurer le contact avec ce circuit extérieur, des collecteurs de courant, bons conducteurs électroniques, sont présents à chaque électrode [9].

Types d’accumulateurs

Accumulateur au plomb P b

Le premier accumulateur, appelé aussi secondaire inventé en 1859 par le physicien français Gustave Planté. Il est souvent utilisée pour les systèmes automobiles pour le démarrage des moteurs à combustion et pour les applications stationnaires notamment le stockage d’énergie photovoltaïque et il n’est pas sensible à l’effet mémoire. Néanmoins, cette technologie est assez polluante, le nombre de cycle est assez bas, leur durée de vie est insuffisante et son énergie est limitée [17] [4]. Face à son faible coût, sa large disponibilité, sa fabrication aisée et sa bonne recyclabilité, la batterie au plomb acide est la forme de stockage de l’énergie électrique la plus courante. Ce système se compose de deux électrodes et d’un électrolyte. L’électrode positive est en dioxyde de plomb P bO2 et la négative en plomb P b, l’électrolyte est une solution d’acide sulfurique H2SO4 qui permet le flux d’ions entre les deux électrodes et crée un courant. La différence de potentiel entre les deux électrodes est de 2V [13].

Ces avantages technologiques par rapport aux batteries de plomb se répercutent fatalement sur le coût du produit, qui est 3 fois supérieur à ce dernier, pour cette raison ils sont utilisées pour les applications de puissance relativement faible. Aussi le caractère polluant du Cadmium est un inconvénient de taille pour ce modèle. Il possède également une faible densité énergétique et se décharge assez rapidement, et est sensible à l’effet mémoire [17]-[57]. Les accumulateurs Cadmium-Nickel sont réalisés à partir de 2 électrodes immergés dans une solution (électrolyte). L’électrode positive est l’hydroxyde de Nickel, et le négative est du Cadmium. L’électrolyte est à base de Potasse, d’où le nom d’accumulateur alcalin. Leurs tension varie de 1.15 à 1.45 V par élément avec une valeur nominale à 1.2 V [44].

aucun effet mémoire et ne nécessite pas de maintenance, de plus son avantage primordial est sa haute densité d’énergie (grand potentiel électrochimique). Le Lithium étant un métal très léger, son poids est également un avantage. Par contre sa durée de vie est faible et elle possède un nombre correct de cycle de vie ce qui signifie que ce type s’use même s’il n’est pas utilisé [17]. Ces accumulateurs utilisent un électrolyte liquide organique et la réaction réversible mise en jeu fait intervenir l’insertion d’Ions Lithium. Leur tension présente une grande amplitude de variation 2,5 V à 3,7 V. Ils coutent 10 plus que les accumulateurs au plomb [44]. Il est rarement ou les installations photovoltaïques donnent la puissance voulu que le consommateur avait besoin, donc le système peut être surdimensionné ou sous dimensionné, pour cette raison le choix des panneaux se détermine suivant la déférence entre la puissance donnée par le GPV et la puissance souhaitée tel qu’elle soit la plus petite possible. Si cette déférence est élevée et positive donc le système sera surdimensionné et par conséquent sa coute chère, par contre si elle est grande par valeur négative on tombe sur le risque de mal fonctionnement du système.

Technologie du pompage

Principes généraux du pompage solaire

Les panneaux solaires photovoltaïques (1) produisent l’énergie électrique sous forme d’un courant continu qui est converti à travers un convertisseur statique (3) pour alimenter un groupe moto pompe immergé ou flottant (4). Le groupe moto-pompe est composé d’un moteur à courant alternatif mono, bi ou triphasé ou à courant continu à commutation électronique qui est couplé à une pompe centrifuge à étages multiples ou à une pompe volumétrique ou autre suivant le débit recherché. La pompe centrifuge transmet l’énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement de rotation des roues à aubes alors que la pompe volumétrique transmet l’énergie du moteur par un mouvement hélicoïdale qui permet littéralement de propulser l’eau à la surface. Les systèmes proposés sont composés de modules photovoltaïques montés sur un châssis de support (2) incliné suivant la latitude du site afin d’optimiser

la production photovoltaïque, ou rotatif suivant la course du soleil. Le dispositif est complété par le convertisseur statique (3) monté en surface et qui permet la conversion du courant continu produit par le champ solaire en courant alternatif ou continu pour alimenter le moteur couplé à la pompe (Figure III.5) [29].

Les convertisseurs de puissance

Introduction

Le but de ce chapitre est l’étude des quelques types convertisseurs DCDC, utilisés dans les systèmes photovoltaïques, tels le hacheur dévolteur (Buck), le hacheur survolteur (Boost) et le hacheur mixte (Buck/Boost), ainsi que les convertisseurs DC-AC (onduleurs). Le dimensionnement de ces convertisseurs est également envisagé, puis deux algorithmes de recherche de la puissance maximale (MPPT) fournie par le générateur photovoltaïque sont détaillés. Enfin, un démonstrateur numérique a été conçu, ce dernier ayant pour rôle l’étude, l’analyse et le dimensionnement des systèmes photovoltaïques identiques au cas de la ferme étudiée.

Hacheur Buck/Boost

Le hacheur buck-boost est un convertisseur indirect DC-DC à stockage inductif. La source d’entrée est de type tension (filtrage capacitif en parallèle avec une source de tension) et la charge de sortie de type tension (condensateur en parallèle avec la charge résistive). Dans ce dispositif, la tension peut être augmentée ou diminuée selon le mode de commutation. Cette structure de convertisseur permet de produire une tension de sortie négative à partir de tension d’entrée positive [36][58]. Le schéma de principe est présenté dans la figure IV.9. Tandis que, l’interrupteur K est fermé pendant la durée [0, αT], le courant dans l’inductance croît linéairement, l’énergie est stockée. La tension est égale à Vi comme le montre la figure IV.10.

Recherche du point de puissance maximum

Principe de la recherche du point de puissance maximal

Nous savons que les caractéristiques I(V)etP(V) d’un GPV dépendent des conditions d’éclairement, de température et de vieillissement des modules. Ces caractéristiques possèdent un point de fonctionnement où la puissance débitée est maximale dit PPM (Point de Puissance Maximale) ou en anglais MPP (Maximum Power Point) ; Afin d’extraire cette puissance optimale à tout instant, un étage d’adaptation doit être introduit, jouant un rôle d’interface entre le générateur et la charge à l’aide d’un convertisseur DC-DC contrôlé par une commande de recherche de ce MPP, cette commande est nommée MPPT (Maximum Power Point Tracking ) [37]. L’optimisation consiste à se fixer sur ce point en permanence en agissant de façon automatique sur la charge vue par le générateur [53], c a d de laisser ce dernier fonctionne dans sa zone optimale. La figure IV.22 représente une chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque élémentaire associée à une commande MPPT [41].

Méthode de perturbation et observation (PO)

Cette méthode est aujourd’hui largement utilisée, car elle donne un bon résultat et il est facile à implémenter. Comme son nom l’indique elle consiste à perturber la tension du générateur PV Vpv autour de sa valeur initiale par augmentation ou diminution de cette tension, puis l’observation du comportement de la variation de puissance Ppv qui en résulte. mais il présente des oscillations autour du MPP et il peut diverger à l’évolution rapide des conditions atmosphériques, aussi le temps de calcul dépend aux conditions initiales [51] [49].

Conclusion

Dans ce dernier chapitre, les topologies de base des convertisseurs continu-continu (DCDC) et continu-alternatif (DC-AC) sont décrites. De même, deux commandes MPPT et leurs algorithmes destinés à la recherche de la puissance optimale (maximale) du générateur photovoltaïque sont présentées (Méthodes de perturbation et observation et de la conductance incrémentale). Un démonstrateur numérique a été conçu, sous environnement MATLAB SIMULINK, ce dernier ayant pour objectif l’étude, l’analyse et le dimensionnement des systèmes photovoltaïques identiques au cas de la ferme étudiée. Des résultats de simulation sont données pour différentes conditions de fonctionnement (Variation de l’irradiation et de la température).

Conclusion générale

Les exigences du protocole de Kyoto imposent une mutation énergétique basé sur des énergies non polluantes. L’énergie solaire de nature photovoltaïque est, aussi bien du point de vue technique qu’économique, une alternative intéressante pour les sites non raccordés au réseau de distribution centralisée. Elle devrait devenir l’énergie du futur, parce que l’électricité qu’elle produit respecte globalement l’environnement grâce l’absence d’émission de CO2. D’autre part, lorsque les besoins á couvrir sont faibles les systèmes photovoltaïques trouvent leur pleine justification. Ce type d’énergie décentralisée peut être utilisée hors réseau dans le secteur des habitations secondaires, des refuges de montagnes, et dans les régions déshéritées telle que le sud algérien où l’isolement est très accentué (un tiers de la population mondiale n’a pas accès á l’énergie électrique). L’énergie photovoltaïque permet de couvrir les besoins d’une habitation en électricité tels que l’éclairage, le pompage de l’eau ou la production du froid. Le coût lié á l’éclairage des locaux représentant environ 10% de la facture électrique, convaincre les consommateurs de réaliser un bon éclairage autonome, est un excellent argument, car une installation d’éclairage bien pensée peut contribuer á la rentabilité d’une activité par des gains financiers, par une réflexion sur les coûts d’exploitation et de maintenance et des gains de productivité. De même, le pompage photovoltaïque est l’une des applications les plus prometteuses de l’utilisation de l’énergie solaire et trouve naturellement sa place dans les sites ruraux agricoles.
Le type de stockage généralement utilisé dans ce système est la batterie au plomb. La maturité dont cette technologie fait preuve et son faible coût en sont les raisons principales. Pour contribuer á la solution des problèmes d’énergie dans les sites ruraux isolés, il est intéressant de développer des sources décentralisées reposant sur l’énergie photovoltaïque. Dans la recherche de telles solutions, le dimensionnement est une étape primordiale dans les buts de rationalisation et d’amortissement des investissements réalisés.

Ce travail consiste donc en étude de l’électrification d’une ferme agricole avec un système solaire photovoltaïque autonome munis de batteries d’accumulateur. Le dimensionnement est défini comme étant la solution basée sur le compromis entre le coût et la fiabilité ou en d’autres termes, la meilleure combinaison dimension du générateur-dimension de l’accumulateur pour obtenir une fiabilité déterminée.

Table des matières

Introduction générale 
I Energie solaire et système photovoltaïque 
I.1 Introduction 
I.2 Gisement solaire 
I.2.1 Le spectre solaire
I.2.2 La masse d’air
I.2.3 Energie solaire hors atmosphère
I.2.3-a Constante solaire
I.2.4 Gisement solaire disponible au niveau du sol
I.2.4-a Le rayonnement direct
I.2.4-b Le rayonnement diffus
I.2.4-c Le rayonnement réfléchi
I.2.4-d Le rayonnement global
I.2.5 Paramètres de position
I.2.5-a Repérage d’un site à la surface de la terre
I.2.5-b Repérage du soleil
I.3 Le gisement solaire en Algérie 
I.4 Technologie solaire et système photovoltaïque 
I.4.1 L’effet photovoltaïque
I.4.2 Principe de fonctionnement
I.4.3 Les différents types de cellules solaires
I.4.4 Paramètre des cellules photovoltaïques
I.4.4-a Courant de court-circuit Icc
I.4.4-b Tension à circuit ouvert Vco
I.4.4-c Rendement énergétique
I.4.4-d Facteur de forme ff
I.4.5 Effet des variations climatiques sur la cellule PV
I.4.5-a Variation du rayonnement
I.4.5-b Variation de la température
I.4.6 Générateur photovoltaïque
I.4.7 Association des cellules PV
I.4.7-a Association en série
I.4.7-b Association en parallèle
I.4.7-c Association hybride (série/parallèle)
I.4.8 Différents types de système PV
I.4.8-a Système autonome
I.4.8-b Système PV raccordées au réseau
I.4.8-c Système hybride
I.5 Conclusion 
II Projet d’éclairage de la ferme 
II.1 Introduction 
II.2 Eclairement 
II.3 Eclairage 
II.3.1 Terminologie et notions de photométrie
II.3.2 Flux lumineux
II.3.3 Différent types d’éclairages
II.3.4 Luminaire
II.3.4-a Distribution lumineuse du luminaire
II.3.4-b Classification photométrique des luminaires
II.3.4-c Recherche de la classe photométrique
II.3.5 Sources lumineuses
II.3.5-a Lampes à incandescence
II.3.5-b Lampes fluorescentes
II.3.5-c Lampes à LED
II.3.5-d Lampes à décharge .
II.4 Etapes à suivre pour l’étude de l’éclairage de la ferme
II.5 Application à la ferme 
II.5.1 Cahier des charges
II.5.1-a Locaux à éclairer
II.5.1-b Choix des lampes
II.5.1-c Choix des luminaires
II.6 Conclusion 
III Stockage de l’énergie et pompage
III.1 Introduction  
III.2 Batteries
III.2.1 Principe de fonctionnement
III.2.2 Caractéristique de la batterie
III.2.2-a Résistance interne de l’accumulateur
III.2.2-b Tension à vide
III.2.2-c Tension nominale
III.2.2-d Rendement
III.2.2-f Tension de fin décharge
III.2.2-g Profondeur de décharge
III.2.2-h Taux d’auto-décharge
III.2.2-i Température
III.2.2-j Durée de vie et nombre de jour d’autonomie
III.3 Types d’accumulateurs
III.3.1 Accumulateur au plomb P b
III.3.1-a Accumulateur Nickel-Cadmium N i − Cd
III.3.2 Accumulateur Nickel-Metal-Hydride N i − MH
III.3.3 Accumulateur Li-Ion
III.3.4 Autres batteries
III.3.4-a Nickel-Zinc
III.3.4-b Nickel-Fer
III.3.4-c Zinc-halogènes
III.4 Système de régulation
III.5 Stockage appliqué a la ferme
III.5.1 Présentation architecturale de la ferme étudiée
III.5.2 Dimensionnement de l’installation PV
III.5.2-a Estimation de la consommation journalière
III.5.2-b Estimation de l’ensoleillement
III.5.2-c Calculer la puissance de l’installation
III.5.2-d Dimensionnement du convertisseur
III.5.2-e Dimensionnement du stockage
III.5.2-f Dimensionnement de régulateur
III.6 Technologie du pompage 
III.6.1 Principes généraux du pompage solaire
III.7 Dimensionnement du système de pompage 
III.7.1 Débit
III.7.2 Hauteur manométrique totale
III.7.3 Les étapes de dimensionnement
III.7.3-a Estimation des besoins en eau
III.7.3-b Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire
III.7.3-c Calcul de l’énergie électrique
III.7.3-d Détermination de l’énergie solaire disponible
III.7.3-e Mois de dimensionnement
III.7.3-f Dimensionnement du générateur photovoltaïque
III.7.3-g Dimensionnement de la pompe
III.8 Application à la ferme
III.9 Conclusion 
IV Les convertisseurs de puissance
Conclusion générale 

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