Etat de l’art de l’énergie photovoltaïque

Onduleurs solaires

L’onduleur solaire est un appareil qui fait partie intégrante d’une installation solaire. Il est au coeur de chaque installation d’énergie solaire, il convertit le courant continu provenant des modules solaires en courant alternatif usuel pour les réseaux. Les onduleurs CAP SOL disposent d’un dispositif de coupure de l’installation en cas de défaut sur le réseau. La surtension et la présence de tension résiduelle dans des sections du réseau hors circuit sont ainsi évitées. Un convertisseur direct de courant continu est généralement monté à l’entrée avec un dispositif de suivi du point maximal (MPPT) commandé par un microprocesseur et alimentant le circuit intermédiaire. Un onduleur mono ou triphasé est posé sur la sortie, il se synchronise automatiquement avec le réseau électrique. Les tous derniers modèles de semiconducteurs en carbure de silicium atteignent des rendements pouvant aller jusqu’à 98 pour cent environ. Il existe, plusieurs variantes d’onduleurs pour des installations photovoltaïques couplées au réseau :

Description du projet Aujourd’hui, les systèmes photovoltaïques sont fixes et leur rendement dépend de l’inclinaison des supports sur lesquels ils sont posés. Une alternative serait d’asservir ces panneaux de manière à obtenir un angle d’éclairement optimale tout au long de la journée et ce quel que soit la géolocalisation des panneaux. Dans la perspective d’augmenter le rendement des panneaux photovoltaïques domestiques, le suiveur de soleil proposé offre un suivi de la trajectoire du soleil suivant un axe motorisé et un axe saisonnier manuel. Ils engendrent ainsi une augmentation de la production moyenne d’électricité d’une manière considérable, à cet effet le système étudié comporte un panneau photovoltaïque, un support et un système d’asservissement. Pour étudier la faisabilité du projet, un bilan énergétique devra être développé afin de savoir si le coût énergétique d’asservissement des panneaux est inférieur ou supérieur au gain engendré par celui-ci. Aussi, l’étude du mode d’asservissement s’avère nécessaire, plusieurs solutions pourront être alors proposées.

Energie photovoltaïque

Un système Photovoltaïque (PV) est destiné à satisfaire un besoin d’énergie électrique selon des conditions spécifiques d’exploitation. Il est généralement constitué d’un générateur photovoltaïque, d’un système de stockage, de source auxiliaire d’appoint (groupe diesel, aérogénérateur, réseau, etc.….), des systèmes d’interface (convertisseurs, réseau, etc..) d’un système de control et de commande (système de surveillance, armoires électriques, cartes électroniques..) et d’une utilisation courant un usage déterminé. Cet usage (éclairage, réfrigération, pompage, communication,…) est exploité dans divers secteurs (santé, éducation, agriculture, énergie…). La topologie d’un système PV est déterminée selon d’une part la nature de l’utilisation (nombre de récepteurs, contrainte d’exploitation, sécurité énergétique,..) et d’autre part des considérations technico-économiques prenant en compte aussi bien le rendement énergétique que la taille de l’investissement. La partie principale dans ces installations est le générateur photovoltaïque. Il est composé de divers modules formés par une association série-parallèles de cellules élémentaires convertissant l’énergie solaire (sous formes de rayonnement) en une énergie électrique. Une cellule peut produire 1.5w pour un ensoleillement de 100W/m2 avec une tension de 0.6V. Un module de 36 cellules produit une puissance moyenne de 40 à 50W et occupe une surface de 0.5m² environ. Le rendement énergétique moyen est de l’ordre de 12 à 15% est a atteint pour une phase de recherche 30%.

Module et groupement de cellules en série

La tension générée par une cellule étant très faible, il faudra dans la majorité des cas associer en série un certain nombre de cellules pour obtenir des tensions compatibles avec les charges à alimenter. C’est ce qui est réalisé dans un module photovoltaïque, où les cellules sont positionnées sous forme d’une guirlande dont les deux extrémités sont ramenées vers une boite de connexion. Les électrodes supérieures d’une cellule sont connectées à la face arrière de la cellule suivante. La figure 7 donne le schéma d’un module fermé sur sa résistance optimale R’. On constate immédiatement sur cette figure, correspondant à la mise en série de Ns générateurs de courant, que le courant généré par les cellules est le même dans toute la branche ainsi que dans la charge. Une première règle est donc qu’il ne faudra connecter en série que des cellules identiques. La figure 8 présente la courbe de courant-tension du groupement ainsi réalisé. La courbe est la caractéristique de l’une des Ns cellules du groupement série. La caractéristique du groupement (G) est obtenue en multipliant point par point et pour un même courant, la tension par Ns. Fermé sur l’impédance R’, le groupement série délivrera le courant I sous la tension Ns Vi. Chacune des Ns cellules générant ce courant I et la tension Vi. La construction graphique de la figure 8 suppose que la connexion en série des cellules n’introduit pas de résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L’impédance optimale pour le groupement série est Ns fois plus grande que l’impédance optimale pour une cellule de base.

Groupement de cellules ou modules en parallèle Il est possible d’augmenter le courant fourni à une charge en plaçant en parallèle plusieurs cellules ou modules photovoltaïques comme indiqué sur la figure 9. Sur cette figure, les générateurs de courant représentent soit des cellules individuelles, soit des cellules en série (modules), soit des modules en série (branches). On constate dans ce cas que c’est la tension générée qui est la même pour toutes les cellules (ou tous les modules ou toutes les branches). La deuxième règle est donc qu’il ne faudra connecter en parallèle que des cellules des modules, ou des branches identiques. La figure 10 présente la courbe de puissance résultante (G) pour le groupement parallèle considéré. Cette courbe est obtenue en multipliant point par point par Np (nombre d’éléments en parallèle) et pour chaque valeur de la tension, le courant de la courbe correspondant à une cellule élémentaire fermé sur une résistance R », le groupement parallèle délivrera le courant NpIi sous la tension V, chacune des Np branches en parallèle générant le courant Ii. La construction graphique de la figure 10 suppose que la connexion en parallèle n’introduit pas des résistances parasites (série ou shunt) supplémentaires. L’impédance optimale pour le groupement parallèle est Np fois plus faible que l’impédance optimale pour une branche.

Circuit de commande par Le microcontrôleur

Les microcontrôleurs sont aujourd’hui implantés dans la plupart des applications grand public ou professionnelles, il en existe plusieurs familles. La société Américaine Micro chip Technologie a mis au point dans les années 90 un microcontrôleur : le PIC (Peripheral Interface Contrôler). Ce composant encore très utilisé à l’heure actuelle, est un compromis entre simplicité d’emploi, rapidité et prix de revient. Dans notre cas on a utilisé le microcontrôleur PIC 16F876, dont le numéro 16 signifie qu’il fait partie de la famille « MID-RANGE », est la famille de PIC qui travaille sur des mots de 14 bits. La lettre F indique que la mémoire programme de ce PIC est de type « Flash». Les trois derniers chiffres permettent d’identifier précisément le PIC, ici c’est un PIC de type 876.La référence 16F876 peut avoir un suffixe du type « -XX » dans lequel XX représente la fréquence d’horloge maximale que le PIC peut recevoir.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Contexte général du projet
I.Présentation de l’organisme d’accueil
I.1 Présentation
I.2 Processus de fabrication
I.3 Produits
II.Description du projet
III. Planification du projet
I.4 Tableau des taches prévisionnelles
I.5 Tableau des taches réelles
Chapitre 2. Etat de l’art de l’énergie photovoltaïque
Introduction
I.Energie photovoltaïque
I.1 La cellule solaire
I.1.1 Principe de fonctionnement
I.1.2 Caractéristique I= f (V) d’une cellule photovoltaïque
II.Modules photovoltaïques et champs des modules
II.1 Module et groupement de cellules en série
II.2 Groupement de cellules ou modules en parallèle
II.3 L’unité Kilowatt crête (kWc) = Puissance dans des conditions standards
III. Panneaux solaires photovoltaïque
III.1 Intérêt des panneaux solaires photovoltaïques mobiles par rapport aux panneaux fixes
III.1.1 Calcul d’énergie produite par des panneaux photovoltaïques fixes « 1 kwc » à l’inclinaison optimale
(a) Position du soleil
(b) Calcul d’énergie :
III.1.2 Calcul d’énergie produite par des panneaux photovoltaïques mobiles :
III.2 Présentations comparées pour un système de 1 kWc fixe et avec suiveur
Chapitre 3. Analyse fonctionnelle et étude mécanique
I.Introduction
II.Analyse fonctionnelle
II.1 Analyse externe
II.1.1 Bête à cornes
II.1.2 Diagramme des interactions
II.1.3 Descriptions de fonctions
II.1.4 Flexibilité des fonctions
II.2- Analyse interne
III. Etude cinématique
III.1 Présentation
III.2 Schéma cinématique
III.3 Calcul des efforts
III.3.1 Vitesse de rotation du panneau
III.3.2 Calcul de la puissance mécanique
III.3.3 Calcul de la puissance du moteur
(a) Rappel sur l’engrenage
(b) Calcul de la puissance du moteur P2
III.4 Choix du matériau
III.5 Assemblage
Chapitre 4. Description des composants électroniques et modélisation du moteur
I.Introduction
II.Moteur pas à pas
II.1 Moteur à aimant permanant
II.1.1 Principe de fonctionnement
(a) Mode monophasé
(b) Mode biphasé
(c) Mode demi pas
II.1.2 Caractéristiques principales du moteur à aimant Permanent
III. Relais thermique et capteurs LDR et photorésistant
III.1 Relais thermique (pont en H)
III.2 Capteur LDR (Light Dependent Resistor
III.2.1 Définition
III.2.2 Principe de fonctionnement
IV.Circuit de commande par Le microcontrôleur
IV.1 Le choix d’un PIC
IV.2 Caractéristiques du PIC 16F876
IV.3 Brochage du PIC 16F876
IV.4 Architecture interne
Chapitre 5. Programmation du microcontrôleur
I.Introduction
II.Etapes de développement du programme
III. Ecriture du programme
IV.Simulation et routage
IV.1 Présentation de l’ISIS
IV.2 Fonctionnement de la carte de simulation
Références Bibliographie
Annexe 1 Fonction suntracker.m
Annexe 2 Programme de simulation