Soutenance mémoire
La maîtrise de l’énergie est l’un des problèmes qui préoccupe le monde de nos jours. La production de l’électricité sans dépendre des énergies primaires est le souhait de tous les opérateurs. Cependant, à Madagascar la majorité des sources d’énergie électrique proviennent des centrales thermiques ; ceux qui rendent difficile l’accès à l’électrification pour la plupart de la population malgache et entraîne l’inégalité du développement économique des régions. Les lignes hautes tension de JIRAMA traversent beaucoup de villages isolés sans que ceux-ci puissent en bénéficier par faute de moyens financiers des communes et l’Etat n’est pas encore en mesure de faire l’investissement pour une distribution jusqu’aux petites communes. Ainsi, plus de 80 % de la population n’ont pas accès à l’électricité. Ainsi d’autres sources d’énergie comme le pétrole lampant pour l’éclairage, les piles jetables ou les batteries rechargeables pour les radios sont communément utilisés. Face à ces problèmes, le choix d’un système de production autonome utilisant comme source primaire inépuisable le soleil, l’éolien et l’hydraulique est à étudier. Leurs exploitations contribuent de surcroît à une meilleure indépendance énergétique et à une protection de l’environnement.
TECHNOLOGIE DE FABRICATION DES CELLULES SOLAIRES
La cellule solaire est fabriquée à partir de semi-conducteur de silicium. Son fonctionnement suit les propriétés électroniques acquises par le silicium après les deux modes de dopage. Ces dopages permettent de favoriser la création des électrons.
Matériaux utilisés pour la réalisation de photopiles
Parmi les matériaux semi-conducteurs les plus utilisés on trouve :
– le Silicium Si,
– le Germanium Ge
– et l’Arsénium de Galium GaAs.
Par ailleurs, pour la réalisation de photopiles, les matériaux couramment utilisés sont :
– le Silicium monocristallin,
– le Silicium polycristallin
– et le Silicium amorphe.
Silicium monocristallin
Il est obtenu par la transformation chimique ou métallurgique de la silice de quartz ou du sable. La cellule monocristalline se présente sous forme de plaquettes rondes de 57 à 100mm de diamètre.
Protection des cellules et des modules
Pour obtenir un module, il est nécessaire d’associer plusieurs cellules en séries et/ou en parallèles. Ces modules eux-mêmes doivent être connectés en série et en parallèle afin d’avoir la puissance et la tension voulue. Sur les connexions de ces cellules, de précautions particulières doivent être prises pour éviter toutes circonstances qui pourraient être survenues, comme :
• court-circuit accidentel,
• éclairement inégal,
• cellules défectueuses,
• batterie trop déchargée.
En ce qui concerne la protection, une diode anti-retour est incorporée à chaque module pour protéger la décharge des batteries à travers des modules pendant la période sans soleil, contre la circulation de courant trop élevé ou l’apparition de tension inverse importante dans la branche de module de faible puissance en cas de déséquilibre entre le groupe de cellule.
Protection contre les tensions inverses importantes
Pour n photopiles mises en série sans protection, si une de ces cellules est défectueuse ou non éclairée, la tension inverse à ses bornes pourrait atteindre n fois la tension d’une cellule. Cependant, mettre en parallèle avec chaque cellule une diode pour assurer une sécurité excellente s’avère déraisonnable du fait du coût de diode et de branchement élevé. Dans ce cas, la protection se fait en général par groupement en série de dix à dix huit cellules.
DIMENSIONNEMENT DES GENERATEURS PHOTOVOLTAIQUES
Principe général
Dimensionner une installation solaire consiste à déterminer les caractéristiques de chaque composant de l’installation. Cela passe par :
– une identification des besoins en électricité,
– une connaissance des ressources solaires locales,
– un calcul du nombre et de la taille de modules photovoltaïques en fonction de ressources solaires et répondant aux besoins
– et une recherche des caractéristiques des autres composants de l’installation qui sont :
❖ la capacité des batteries,
❖ la section des câbles,
❖ la puissance de l’onduleur
❖ et la capacité du régulateur.
Calcul de l’énergie électrique consommée
Le calcul est basé sur la détermination de l’énergie consommée par chaque équipement, ceci est effectué à partir des puissances instantanées des équipements alimentés et des durées journalières d’utilisation . En général, c’est la puissance nominale de l’appareil.
W = P⋅ T
P [W] : puissance nominale de l’appareil
T [h] : durée d’utilisation de l’appareil .
DIMENSIONNEMENT DU GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE HYBRIDE
Les systèmes hybrides sont composés d’un générateur PV et un générateur thermique, qui constituent une combinaison idéale pour des applications hors-réseau. Les systèmes sont complémentaires: l’utilisation du générateur thermique permet d’éviter le surdimensionnement du système PV (modules PV et batteries) si à lui seul, il doit répondre à la demande en tout temps, inversement le système PV permet de réduire la consommation en carburant et les coûts de maintenance du générateur thermique. Un générateur thermique permet en général d’augmenter la fiabilité d’approvisionnement électrique en évitant de coûteux surdimensionnement des capteurs solaires ou de la capacité du parc batteries. Si la batterie se décharge trop profondément, par exemple après une période prolongée de mauvais temps, le générateur permet de la recharger avant que l’approvisionnement électrique ne soit interrompu. Dans ce système, le principe de dimensionnement peut s’effectuer comme suit : pour une demande donnée,
– fixer le pourcentage de puissance que doit couvrir le générateur photovoltaïque,
– dimensionner le générateur thermique de façon à couvrir toutes les demandes.
Principe de fonctionnement
• Le champ photovoltaïque au fil du soleil assure :
– la charge du parc batterie et
– l’approvisionnement.
• Le parc batterie assure :
– la demande en électricité en dehors des heures de pointe via onduleur et
– le stockage de l’énergie.
• Le régulateur de charge :
– assure l’interruption du courant de charge lorsque la tension de la batterie atteint une valeur fixée appelée fin de charge (souvent 2,4 V par élément de 2V). Cette valeur est définie par le constructeur de la batterie,
– il évite la décharge profonde de la batterie à l’ aide de la fonction limitation de décharge, ceci est réalisée par un disjoncteur automatique. Ce disjoncteur automatique coupe l’ alimentation des utilisations lorsque la tension de la batterie arrive à un seuil minimal « fin de décharge ». Et, dans le cas de l’électrification hybride, un système de commande du démarrage automatique du générateur thermique fonctionne ( intégré dans le boîtier de l’onduleur). Un temps de retard peut être programmé afin que le générateur thermique puisse démarrer convenablement. Le circuit des utilisations est rebranché automatiquement à la batterie lorsqu’elle atteint un niveau de charge suffisant.
– Le rendement moyen du régulateur contrôlant la recharge de la batterie d’accumulateurs se situe autour de 95%.[8] Souvent, de tels contrôleurs consomment une quantité fixe de courant, quelle que soit leur capacité. Aussi, leur rendement sera plus élevé dans de plus grandes installations et plus faible dans des installations de petite puissance.
• Le démarrage du générateur s’enclenche automatique en cas de :
– dépassement de la puissance prévue que doit fournir le parc de batterie,
– présence d’une instruction indiquant l’état basse de la tension de la batterie,
– signal d’horloge.
• Il s’arrête automatique :
– en fin des heures de pointe,
– lorsque la tension de la batterie atteint le niveau suffisant,
– en fin de cycle de temporisation de l’horloge.
• L’onduleur est le système qui permet d’obtenir du courant alternatif à partir du courant continu produit par les modules PV ou la batterie d’accumulateurs. Dans le cas d’un système hybride, la conversion de l’énergie fournie par les deux sources différentes peut s’effectuer de deux façons différentes :
– onduleur et chargeur séparés,
– onduleur réversible.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 TECHNOLOGIE DE FABRICATION DES CELLULES SOLAIRES
1.1 Matériaux utilisés pour la réalisation des photopiles
1.1.1 Silicium monocristallin
1.1.2 Silicium polycristallin
1.2 Modèle de cellule
1.3 Caractéristiques de fonctionnement de la cellule
1.3.1 Courant de court-circuit
1.3.2 Tension en circuit-ouvert
1.3.3 Rendement énergétique
1.3.4 Rendement d’une photopile
1.4 Influence des autres paramètres sur le fonctionnement de la cellule
1.4.1 Influence de l’éclairement
1.4.2 Influence de la température
Chapitre 2 SYSTEME DE PRODUCTION
2.1 Généralités sur les générateurs photovoltaïques
2.2 Module photovoltaïque
2.2.1 Tension nominale du module
2.2.2 Tension maximale du module
2.2.3 Protection des cellules et des modules
2.3 Stockage de l’énergie électrique
2.3.1 Tension nominale
2.3.2 Capacité nominale
2.4 Régulateur
2.5 Convertisseur – onduleur
2.6 Les accessoires de câblage
2.6.1 Kits de câblage
2.6.2 Boîtes de jonction
Chapitre 3 DIMENSIONNEMENT D’UN GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE
3.1 Principe général
3.2 Calcul de l’énergie électrique consommée
3.2.1 Consommation journalière à une tension nominale
3.2.2 Caractéristiques des charges
3.2.3 Organigramme de calcul consommation journalière
3.3 Calcul de l’irradiation reçue par les modules
3.3.1 Variation de la distance terre-soleil
3.3.2 Flux et irradiation solaire en dehors de l’atmosphère
3.3.3 Relation entre le rayonnement diffus et le rayonnement global
3.4 Relation entre le rayonnement extraterrestre journalier en moyenne mensuel frappant un plan horizontal et celui frappant un plan incliné
3.4.1 Relation entre le rayonnement global journalier en moyenne mensuel reçu sur un plan incliné et celui reçu sur un plan horizontal
3.4.2 Algorithme de calcul de l’irradiation reçue sur un plan incliné
3.4.3 Organigramme de calcul de l’irradiation reçue sur un plan incliné
3.5 Détermination du nombre d’éléments de modules nécessaires
3.6 Dimensionnement du parc de stockage
3.7 Dimensionnement du régulateur
3.8 Dimensionnement du convertisseur
Chapitre 4 DIMENSIONNEMENT DU GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE HYBRIDE
4.1 Généralités
4.2 Principe de fonctionnement
4.2.1. Onduleur et chargeur séparés
4.2.2. Onduleur réversible
4.3 Fonctionnement du couple générateur thermique – onduleur
4.4 Conditions de couplage
4.5 Dimensionnement du générateur thermique
4.5.1. Puissance disponible au niveau du générateur thermique
4.5.2. Puissance à l’entrée du chargeur
4.5.3. Consommation spécifique en carburant
4.5.4 Puissance à la sortie de la batterie
4.5.5 Energie nécessaire de générateur thermique
4.6 Puissance nominale du champ photovoltaïque conseillée
Chapitre 5 PRESENTATION DU LOGICIEL DE CALCUL
5.1 Feuille principale nommée Accueil
5.2 Entrée des coordonnées de clients
5.3 Entrée des données de charges
5.4 Coefficient de puissance
5.5 Tension d’utilisation
5.6 Choix de type de régulateur à utiliser
5.7 Choix de type de convertisseur à utiliser
5.8 Choix de site d’installation
5.9 Choix de type de modules Choix de type de batterie
5.10 Choix de type de batterie
5.11 Choix de type de générateur thermique à utiliser
5.12 Modification des données de l’onduleur
5.13 Modification des données du régulateur
5.14 Modification des données du module
5.15 Modification des données du site
5.16 Modification des données du générateur thermique
5.17 Modification des données de la batterie
5.18 Avantage de l’utilisation de logiciel
Chapitre 6 RESULTATS DONNES PAR LE LOGICIEL DE CALCUL
CONCLUSION
