La gestion de l’énergie photovoltaïque utilisée dans une zone agricole

L’effet photoélectrique

        Lorsqu‟un matériau est exposé au rayonnement du soleil, ses atomes sont  » bombardés  » par les photons constituant la lumière. Sous l‟action de ce bombardement, les électrons de valence (électrons des couches électroniques externes) ont tendance à être  » arrachés / décrochés  » : dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons  » décrochés  » créent une tension électrique continue faible. Une partie de l‟énergie cinétique des photons est directement transformée en énergie électrique : ce phénomène physique est appelé effet photovoltaïque où photoélectrique. Le terme photovoltaïque vient du mot grec photos qui désigne la lumière et de voltaïque mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA.

Les technologies des cellules solaires en Silicium

        Il existe trois technologies principales des cellules solaires à base de silicium : cellule en silicium monocristallin, multi cristallin et cellule en silicium amorphe avec une quatrième technologie qui consiste à la mise en contact des deux matériaux, appelé cellule hétérojonction, elle est reçue par dépôt de silicium amorphe hydrogéné ultrafines sur le substrat cristallin (mono et poly), chaque type de cellules a un rendement et un coût.
La cellule monocristalline Cette cellule est composée d’un seul cristal partagé en deux couches. C‟est la cellule qui a le meilleur rendement (12- 16% ; jusqu’à 23% en laboratoire), la cellule qui s’approche le plus du modèle théorique mais aussi celle qui a le coup le plus élevé, du fait d’une fabrication compliquée, elle est identifiée par leur forme carrée avec 4 côtés coupés.
La cellule poly cristalline La conception de la cellule multi cristallines étant la plus facile, elle est composée d‟une accumulation de cristaux. Elles proviennent également du sciage de blocs de cristaux, mais ces blocs sont coulés, leur coût de fabrication est moins important, cependant leur rendement est plus faible : 11% – 14% (18% en laboratoire). Elle est identifiée par leur forme carrée.
La cellule amorphe à couche mince Cette catégorie a un faible rendement (8% – 10% ; 13% en laboratoire), mais ne nécessitent que de très faibles épaisseurs de silicium déposé sur un support généralement flexible. Elle et utilisée couramment dans de petits produits de consommation tel que des calculatrices solaires ou encore des montres.
La cellule solaire HIT La cellule photovoltaïque HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer – hétérojonction à couche mince intrinsèque) est une cellule hybride qui combine des couches de silicium amorphe ultrafin et de silicium monocristallin à haut rendement. Elle est fabriquée selon la technologie développée en interne par Panasonic (SANYO avant) et sont commercialisées depuis 1997. Les couches de silicium amorphe sont intégrées à la cellule solaire HIT, entre le wafer de silicium monocristallin et les couches de silicium amorphe de types P et N. Par rapport aux cellules solaires à silicium cristallin conventionnelles, la structure des cellules HIT permet de réduire considérablement la zone de faible rendement et donc les pertes d‟énergie.

Principe du MPPT

         Le principe MPPT est l‟utilisation d‟un circuit qui mesure la tension et le courant du panneau pour tirer l‟énergie au point de puissance maximale. Ceci permet de garantir que le maximum d‟énergie est fourni à la sortie. Le MPP varie avec les conditions changeantes telles que les niveaux d’éclairement et de la température. Pour tirer en permanence du champ photovoltaïque sa puissance maximale, il est essentiel de fonctionner toujours au MPP [37]. Une MPPT, en anglais Maximum Power Point Tracking est une loi de commande spécifique permet de suivre, comme son nom l’indique, le point de puissance maximale d’un générateur électrique non linéaire, dans notre cas un générateur photovoltaïque.

CONCLUSION GÉNÉRALE

        Le travail présenté dans ce mémoire a été consacré à présenter notre contribution dans la modélisation d‟un système photovoltaïque optimisé pour les zones agricoles. Plusieurs méthodes MPPT existantes en littérature sont utilisées pour optimiser l’énergie d‟un panneau solaire sous l‟effet des paramètres météorologique, l‟avantage de notre méthode par rapport aux autres, réside dans sa capacité de suivi de MPP sous les changements rapides d’ensoleillement et sous l’impact d’ombrage partiel, les différents travaux effectués antérieurs ont bien montré l’efficacité du notre travail suivant les résultats obtenus. Notre travail a été basé sur l‟utilisation de l’algorithme d‟incrémentation de la conductibilité INC CON amélioré avec la commande directe pour faire le suivi du MPP. La précision et l’efficacité des résultats obtenus par cet algorithme ont vérifié en utilisant la simulation sous l’environnement Matlab/Simulink ; en effet, en plus on a développé un simulateur basé sur une méthode GMPPT capable de suivre le MPP sous l’ombrage partiel. Dans le premier chapitre, une étude bibliographique a permet de faire connaitre l‟énergie photovoltaïque, qui occupe ces dernières années, un pourcentage de production d‟énergie mondiale, un état de l’art sur l’actualité et un constat sur la situation d‟énergie photovoltaïque était effectué.Par suite dans le chapitre II on a présenté un état des lieux de la modélisation et dudimensionnement d’un système photovoltaïque autonome, afin de mieux comprendre le comportement du modèle, ainsi que la méthode optimale de dimensionnement. Les techniques de poursuite du point maximum de la puissance des panneaux solaires sont exposées dans le chapitre III, ces techniques se diffère entre eux par leurs domaines d‟applications, le coût, le type d‟implémentation et la vitesse de convergence. Dans notre étude, on a analysé les différentes techniques tel que : la technique de fraction de la tension du circuit ouvert, la technique de la perturbation puis observation (P&O), la technique del‟incrémentation de la conductibilité, la logique floue, le réseau neurologique, la PSO et la commande non linéaire de type Takagi Seguno. Pour adapter le panneau avec la charge, il est nécessaire d‟introduire un convertisseur DCDC d‟adaptation, ceci pour déplacer le point de fonctionnement aux points optimaux. Une étude théorique sur les principaux types de ces convertisseurs DC-DC (le Boost,Buck, Buck-Boost et Cuk) a été présentée, cette étude nécessite une simulation du comportement de chaque modèle de convertisseur DC-DC. Dans beaucoup de régions éloignées, les systèmes de pompage décentralisés que ce soit pour l‟eau potable ou la petite irrigation restent la solution unique. En effet, la majorité de ces localités se situent dans des zones agricoles rurales enclavées dispersées et lointaines du réseau d‟électricité conventionnelle (rural profond) et auxquels le problème d‟alimentation en énergie électrique est posé. Le choix technico économique d’un type de pompage photovoltaïque dans le quatrième chapitre est tributaire de plusieurs facteurs dont notamment, la puissance électrique requise pour l‟installation, le coût d‟investissement et les conditions météorologiques. De ce point de vue, les systèmes de pompage de l‟eau par énergie solaire sont relativement compétitifs si les éléments sont sélectionnés correctement d‟une part, et d‟autre part si le site d‟installation convient parfaitement.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 01 :L’énergie Photovoltaïque Description Et Problématique
I.1 Introduction
I.2. Les cellules photovoltaïques
I.2.1. L‟effet photoélectrique
I.2.2. Description d‟une cellule photovoltaïque
I.2.3. Les technologies des cellules solaires en Silicium
I.2.3.1 La cellule monocristalline
I.2.3.2 La cellule poly cristalline
I.2.3.3 La cellule amorphe à couche mince
I.2.3.4 La cellule solaire HIT
I.2.4. Circuits équivalents et modèles mathématiques
I.2.4.1. Modèles primitifs
I.2.4.2. Modèle simplifié
I.2.4.3. Modèle à une diode
I.2.4.4. Modèle à deux diodes
I.2.4.5. Modèles mathématiques d‟un générateur photovoltaïque
I.2.4.6. Paramètres électriques de la cellule photovoltaïque
I.3. Module photovoltaïque
I.3.1. Description
I.3.2. Processus de fabrication d‟un module photovoltaïque
I.3.2. 1. La fabrication des cellules photovoltaïques
I.3.2. 2. Assemblage des cellules photovoltaïques
I.3.2. 3. Cadrage et boite de jonction des modules photovoltaïques
I.3.3. Effet de l‟ensoleillement sur les caractéristiques électriques du module PV
I.3.4. Effet de la température sur les caractéristiques électriques du module PV
I.3.5. Modules en parallèle
I.3.6. Modules en série
I.3.7. Groupement mixte
I.3.8. Effet d‟ombrage sur les modules
I.3.9. Effet d’ombrage sur l’énergie totale d’un champ PV
I.5. Stockage d’énergie
I.5.1. Description
I.5.2. Définition des accumulateurs électrochimiques
I.5.3. Caractéristiques des accumulateurs
I.5.3.1 Capacité en Ampère heure
I.5.3.2 La tension en volt
I.5.3.3 Tension d‟utilisation
I.5.3.4 L‟énergie en Watts-heure
I.5.3.5 Rapports de chargement et déchargement
I.5.3.6 Durée de vie
I.5.3.7 Rendement
I.5.3.8 Taux d‟autodécharge
I.5.3.9 La densité volumique
I.5.4 Différentes technologies
I.5.4.1 Accumulateur Plomb-Acide
I.5.3.2 Accumulateur Plomb-Acide Etanche
I.5.5 Constitution d’accumulateur Plomb-Acide
I.6 Systèmes photovoltaïques avec stockage électrochimique
I.6.1 Description
I.6.2 Système de stockage
I.6.3 Système de régulation
I.6.4 Convertisseurs
I.6.4.1 Convertisseur CC/CC (Hacheurs)
I.6.4.2 Convertisseur CC/AC (Onduleurs)
I.6.5 Principe de fonctionnement
I.6.5.1 Caractéristique de fonctionnement
I.6.5.2 Mode de fonctionnement
I.6.6 Régulation électronique
Conclusion
CHAPITRE 02 : Modélisation et Dimensionnement d’un Système Photovoltaïque Autonome
II.1 Introduction
II. 2. Modélisation du système SPA
II.2.1. Modélisation du générateur photovoltaïque
II.2.1.1 Description
II.2.1.2 Modèles Matlab/Simulink proposés
II.1.1.3 Caractéristique courant tension
II.2.2. Modélisation du stockage
II.2.2.1 Description
II.2.2.2 Modèles mathématiques
II.2.2.3 Comportement du modèle
II.2.3.Modélisation de régulation
II.2.3.1 Description
II.2.3.2 Comportement du modèle
II.3. Simulation du système SPA complet sous Matlab-Simulink
II.3. 1 Description
II.3. 2. Données météorologique
II.3. 3. Résultats et interprétation
II.4. Dimensionnement du système SPA
II.4. 1.Le besoin énergétique
II.4. 1.1 Description
II.4.1.2 Calculs
II.4. 2.Influence de localisation
II.4. 2.1 Angle d’inclinaison optimale
II.4. 3.Dimensionnement d’un système PVA
II.4. 3.1 Dimensionnement du champ photovoltaïque
II.4. 3.2 Dimensionnement du parc de batteries
II.3. 3.3 Dimensionnement du régulateur
II.3. 3.4 Dimensionnement de l’onduleur
II.3. 3.5 Dimensionnement des câbles
II.5. Protection du système SPA
II.5.1 Protection de la partie continue
II.5.1.1 Protection du générateur PV
II.5.1.2 Le coffret de protection DC
II.5.1.3 Parafoudre DC
II.5.2 Protection de la partie alternative
II.5.2.1 L’interrupteur-sectionneur AC
II.5.2.2 Parafoudre AC
Conclusion
CHAPITRE 03 : Techniques de poursuite du point de puissance maximale & Convertisseurs DC-DC
III.1 Introduction
III.2 Synthèse des différentes MPPT rencontrées dans la littérature
III. 2.1.Principe du MPPT
III.2.2.Les premiers types de commande MPPT
III. 2.3.Critères d‟évaluation d‟une commande MPPT
III. 2.4.Technique de la perturbation puis observation (P&O)
III. 2.5.Technique de Hill-Climbing HC
III. 2.6.Technique de l‟incrémentation de la conductibilité
III. 2.7.Technique de logique floue
1-La fuzzification
2-L’inférence
3-Défuzzification
III. 2.8.Technique de Réseaux neuronaux
III. 2.9.Technique de neuronaux floue
III. 2.10.Technique d’optimisation par essaim de particules (PSO)
III.3. Convertisseur DC-DC
III.3.1. Description
III.3.2. Hacheurs de type abaisseur (Buck ou step-down converter)
III.3.2.1.Courant iS dans l‟inductance
III.3.2.2.La valeur moyenne de Vs
III.3.2.3.Conditions d‟adaptation pour un hacheur de type Buck
III.3.2.4.Simulation du comportement du convertisseur Buck
III.3.3. Hacheurs de type élévateur (Boost ou step-up converter)
III.3.3. 1.Valeur moyenne de la tension de sortie Vs
III.3.3. 2.Le courant en sortie
III.3.3.3.Condition d‟adaptation du hacheur Boost
III.3.3.4.Modèle mathématique équivalent du hacheur élévateur
III.3.4.Convertisseur Buck-Boost
III.3.4.1.Valeur moyenne de ta tension de sortie du hacheur
III.3.4.2.Condition d‟adaptation pour un hacheur de type Buck-Boost
III.3.4.3.Modèle mathématique équivalent du hacheur Buck-Boost
III.3.5.Convertisseur DC/DC de type Cuk
III.3.5.1. Les modes de fonctionnement
III.3.5.2. Gain idéal d‟un convertisseur de Cuk
III.3.5.3. Comparaisons entre les déférentes topologies des convertisseurs DC-DC
Conclusion
CHAPITRE 04 : Dimensionnement du Système de Pompage Photovoltaïque
VI.1 Introduction
IV.2 Composants d‟une pompe photovoltaïque
IV.2.1.Généralités
IV.2.2.Technologie de pompes
IV.2.2.1.la pompe volumétrique [90-92]
IV.2.2.2. La pompe centrifuge
IV.2.2.3. Comparaisons entre les pompes centrifuges et les pompes volumétriques
IV.2.3. Modélisation de la pompe centrifuge
IV.2.3.1 caractéristiques générales de la pompe centrifuge
IV.2.3.2 La caractéristique hauteur – débit
IV.2.3.3 La caractéristique couple Ŕ vitesse
IV.2.3.4 Caractéristique de la puissance
IV.2.4. Les types de moteurs
IV.2.4.1. Moteur à courant continu
IV.3. Rendement du groupe motopompe Ŕ générateur PV
IV.4. Dimensionnement d‟une pompe photovoltaïque
IV.3.1. Analyse des besoins en eau
IV.3.2. Dimensionnement de l‟énergie hydraulique
IV.3.3. Dimensionnement de l‟énergie électrique
IV.3.4. Dimensionnement de la motopompe
IV.3.5. Dimensionnement des Tuyauteries
IV.3.6. Dimensionnement du réservoir
IV.4.Critères technico-économiques du choix d‟un système de pompage PV
Conclusion
CHAPITRE 05 : Simulations Et Evaluation Des Résultats
V.1 Introduction
V.2.Optimisation d’un générateur photovoltaïque sous conditions environnementales
V.2.1. Optimisation d’un système Photovoltaïque sous conditions uniformes
V.2.1.1. Choix et Modélisation du générateur PV
V.2.1.2. Influence de l‟ensoleillement
V.2.1.3. Influence de la température
V.2.2. Choix et Modélisation du convertisseur DC/DC
V.2.3. Technique de l‟incrémentation de la conductibilité proposée
V.2.4. Le comportement du convertisseur Cuk avec la méthode proposée
V.2.5. La Modélisation floue de Type Takagi Sugeno TS d’un système photovoltaïque (Panneau PV + Convertisseur Abaisseur (Dc/Dc Buck Converter))
V.2.5.1. Concepts de base et formulations de la méthode Takagi Sugeno Floue
V.2.5.2. Stabilité Des Modèles Takagi-Sugeno (T-S)
V.2.5.3. Observateurs Pour Les Systèmes De Takagi-Sugeno
V.2.5.4. Variables De Décision Mesurables (VDM)
V.2.5.5. Variables De Décision Non Mesurables (VDNM)
V.2.5.6. Observateur a variables de décision mesurables (VDM)
V.2.5 Résultats de simulation
V.3. Optimisation D’un Système Photovoltaïque sous conditions d’ombrage partiel
V.3.1 Influence d’ombrage partiel sur l’MPP des modules PV
V.3.2. Méthode proposé
V.4.Optimisation du système de pompage photovoltaïque PVP
V.4.1.Méthode proposé
V.4.1.1 Modélisation des différents éléments de la PVP
V.5.Réalisation de 155 kits photovoltaïques individuels pour les familles nomades (foyers ou kheima) des wilayas de Tiaret et Tlemcen
V.5.1.Fiche technique du projet
V.5.1.1 Intitulé
V.5.1.2 Type
V.5.1.3 Résumé
V.5.1.4 Notre Objectifs
V.5.1.5 Fonctions
V.5.1.6 Descriptif
V.5.2. Etude technico-économique
V.5.2.1.Cout de l‟installation
Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
Bibliographie
ANNEXE I
Les ALGORITHMES MPPT
L‟Algorithme P&O
L‟Algorithme INC CON
ANNEXE II
Les matrices d‟états du système TS
Produit scientifique
Study of Partial shading Effects on Photovoltaic Arrays with Comprehensive Simulator for Global MPPT control
Improved incremental conductance method for maximum power point tracking using cuk converter
ANNEXE III
Communications Internationales
Publications Internationales

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