PLATEFORME POUR INSTALLATION DES SOURCES HYBRIDES ELECTRIQUES

Générateur photovoltaïque

a. Définition Le terme photovoltaïque désigne, selon le contexte, le phénomène physique « effet photovoltaïque » ou la technologie associée. L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire. La cellule photovoltaïque, montrée sur la figure 1, est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l’effet photoélectrique. Un module solaire photovoltaïque est constitué de plusieurs cellules. Des nombreux modules sont groupés pour former une installation solaire (voir figure 1). Cette installation produit de l’électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution selon le cas.
b. Technologie Il existe plusieurs technologies de module solaire photovoltaïque :
 Les modules solaires monocristallins : ils possèdent un meilleur rendement au mètre carré (m²). Le coût, plus élevé que celui d’une autre installation de même puissance, contrarie le développement de cette technologie.
 Les modules solaires polycristallins : actuellement, à cause de leur meilleur rapport qualité/prix, ils sont les plus utilisés. Ils ont un bon rendement et une bonne durée de vie (plus de 35 ans). En plus, ils peuvent être fabriqués à partir de déchets de l’électronique.
 Les modules solaires amorphes : ces modules ont un bon avenir car ils peuvent être souples et ont une meilleure production en lumière faible. Ils possèdent un rendement divisé par deux par rapport à celui du cristallin et nécessitent ainsi une grande surface pour une même puissance installée. Toutefois, le prix au m² installé est plus faible par rapport à ceux des panneaux précédents.
 Les modules solaires en couche mince à base d’absorbeur CdTe.
 Les modules solaires en couche mince à base d’absorbeur CiGs.
c. Influence de l’ensoleillement Même si la constante solaire est de 1,367 kW/m², les pertes de lumière lors de la traversée de l’atmosphère réduisent l’énergie reçue au sol à environ 1 kW/m² à midi vrai. Cette valeur est retenue pour déterminer le rendement d’une cellule ou d’un panneau solaire dans les conditions de « test standard » (STC). Mais l’énergie qui arrive au sol dépend aussi de la nébulosité, de l’inclinaison du soleil (ou de l’épaisseur de l’atmosphère traversée), de l’heure de la journée, etc.
d. Influence Puissance –tension Le courant électrique I produit par un générateur photovoltaïque est proportionnel à l’irradiation solaire. Il varie avec une relation de la forme I=f(tension V, énergie solaire, température T). Ainsi l’énergie délivrée par un module photovoltaïque pour différentes valeurs de l’irradiation solaire Q à la température T=75°C est décrite par les courbes présentées sur la figure 2.
e. Influence courant-tension-température Pour une température de jonction de 25°C, une masse d’air de 1,5 et suivant une variation de l’irradiation, le photocourant augmente proportionnellement au flux lumineux tandis que la tension est presque constante quelque soit l’ensoleillement.
f. Caractéristiques d’un module Les paramètres d’un module sont les suivants :
 Puissance crête Pc : est la puissance maximale produite par un module photovoltaïque dans les conditions standards STC : ensoleillement de 1000 W/m² à l’horizontale, température ambiante de 25°C, masse d’air optique égale à AM1,5.
 Tension à vide Vco : est la tension aux bornes du module en l’absence de tout courant, pour un éclairement donné.
 Courant de court-circuit Icc : est le courant débité par un module en court-circuit pour un éclairement donné.
 Point de fonctionnement optimum (Um, Im) : la puissance est maximale au point de fonctionnement optimum.
 Rendement maximal : est le rapport de la puissance électrique optimale à la puissance de radiation incidente.

Problématique générale de l’automatique

                 D’une manière générale, les principaux problèmes posés par la mise en œuvre des systèmes physiques ou industriels concernent leur commande, à savoir la détermination optimale des signaux d’entrée qu’il faut leur appliquer pour qu’ils se comportent de la manière souhaitée. L’automatique fait intervenir la notion des systèmes bouclés et l’on peut avoir ainsi :
 Commande en boucle ouverte : la commande en boucle ouverte d’un système consiste à introduire, à l’entrée d’un système, le signal e(t) permettant d’obtenir à sa sortie la réponse voulue s(t).
 Commande en boucle fermée : le principe de cette commande résulte d’une simple question de logique et de bon sens : pour mieux maîtriser le fonctionnement d’un système, son comportement est mesuré en permanence et vérifié jusqu’à l’atteinte de la sortie voulue.

RELAIS

                Il s’agit d’un appareil composé d’une bobine ou électroaimant qui agit comme un ou plusieurs contacts lors du passage d’un courant électrique. Un phénomène électrique (courant ou tension) contrôle la commutation On/Off de cet élément électrique (relais statique). La commande peut être réalisée sous faible puissance (faible tension, faible courant) et la partie coupure commute des puissances importantes. Dans le cas des relais électromécaniques, la bobine peut générer de fortes surtensions au moment où le courant cesse de la traverser. Cette surtension, qui peut atteindre plusieurs dizaines de volts ou plus de 100V, à partir d’une alimentation de 12V, peut détruire le transistor ou la porte logique de la commande. Ainsi, pour éviter tout risque de destruction de la commande électronique qui précède le relais, il est d’usage de placer une diode dite « de roue libre », en parallèle sur la bobine du relais. Cette diode doit être câblée en inverse. Cependant les relais électromécaniques présentent les avantages suivants :
 Fonctionnement avec une dynamique considérable du signal commuté,
 Aucun ajout de bruit ou de distorsion,
 Résistance de contact fermé très faible,
 Résistance de contact ouvert très élevée.

Spécification du HYE 1000W

                Ce type d’éolien produit une énergie électrique même par vent faible ou tourbillonnant (à partir de 7 km/h), [52]. Les pales du rotor sont en fibre de verre. Disposant d’un alternateur puissant à aimants permanents, la production ne baisse pas dans le temps. L’éolien HY-1000 est équipée d’un système de freinage en cas de vent violents. Il possède également une protection contre la décharge via une résistance de décharge fournie avec l’éolien. Enfin, le freinage aérodynamique des pâles limite la vitesse de rotation des pales à sa valeur nominale (13m/s), ce qui évite d’avoir des bruits ou vibrations engendrés par des vents violents. Il peut être fixé sur un mât au pignon de l’habitation ou au sol. Pour cela, aucun permis de construire n’est requis lorsque l’installation ne dépasse pas 12 mètres de hauteur, [52]. Il est également possible de le coupler avec des panneaux solaires pour une production optimale toute l’année.

DISCUSSIONS

                    Comme nous avons vu à travers les résultats précédents que le microcontrôleur choisit les sources d’énergie en fonction de la puissance de charge et de l’état des batteries. La puissance de charge est augmentée avec le nombre de lampes utilisées. Cependant, la plateforme intelligente priorise la source d’énergie renouvelable. Notre système est destiné à gérer automatiquement une installation électrique avec des technologies multiples dans un site isolé. Un démarrage automatique est habituellement utilisé avec un groupe électrogène si le courant d’un réseau électrique est coupé. Cependant, un tel système n’est pas identique à notre plateforme intelligente que nous avons conçue et qui couple les générateurs éolien et photovoltaïque avec le groupe électrogène. Par ailleurs, cette plateforme peut coupler l’envoi sur réseau électrique constituant une quatrième éventualité dans le fonctionnement de notre plateforme. Pour tel cas, l’ordre de priorité est le suivant : sources d’énergie renouvelables suivies éventuellement du réseau électrique et du groupe électrogène. Dans tous les cas, l’utilisation de notre plateforme permet d’économiser l’énergie électrique venant du groupe électrogène diminuant ainsi la quantité du carburant et ses effets nocifs. Nous tenons à signaler que la pérennité du système dans une installation électrique dépend de la durée de vie de chaque composant utilisé. Les groupes cibles pouvant utiliser cette plateforme sont, en premier lieu, les habitants dans un site isolé.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LE SYSTÈME HYBRIDE ET L’AUTOMATISME 
I-1. INTRODUCTION 
I-2. DÉFINITION DES SYSTÈMES HYBRIDES 
I-2. COMPOSANTS DU SYSTÈME HYBRIDE ÉLECTRIQUE 
I-2-1. Générateur photovoltaïque
a. Définition
b. Technologie
c. Influence de l’ensoleillement
d. Influence puissance –tension
e. Influence courant-tension-température
f. Caractéristiques d’un module
I-2-2. Énergie éolienne ou éolienne
a. Définition
b. Technologie
c. Caractéristiques
d. Configuration d’un aérogénérateur
e. Génératrices synchrones
I-2-3. Groupe électrogène
I-2-4.Système de stockage
I-3. STRUCTURE DU SYSTÈME HYBRIDE ÉLECTRIQUE 
I-3-1.Systèmes hybrides combinant les sources d’énergie renouvelables
I-3-2. Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des sources d’énergie classiques
I-3-3. Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des systèmes de stockage
I-4. CONFIGURATION D’UN SYSTEME HYBRIDE 
I-4-1.Configuration à bus CC
I-4-2.Configuration à bus CA
I-4-3. Configuration à bus CC/CA
I-5. COMMANDE OPTIMALE D’UN SYSTEME HYBRIDE ELECTRIQUE 
I-6.AUTOMATISME 
I-6-1. Définition
I-6-2. Système automatique
a. Systèmes non linéaires
b. Systèmes échantillonnages
I-6-3.Problématique générale de l’automatique
I-6-4. Représentation d’état des systèmes
I-7. MICROCONTROLEUR 
I-7-1. Introduction
I-7-2. Description et architecture interne
I-7-3. Avantages et inconvénients d’un microcontrôleur
I-7-4. Choix du microcontrôleur
I-8. MICROCONTRÔLEUR ARDUINO 
I-8-1. Introduction
I-8-2. Partie hardware
I-8-3. Partie software
I-8-4. Carte ArduinoMéga 2560
I-9. RELAIS 
I-10. CONCLUSION 
CHAPITRE II : PRESENTATION DU SITE ET DIMENTIONNEMENT 
II-1. SITE D’IMPLANTATION 
II-1-1. Données climatiques de la région
II-1-2. Caractéristiques de la maison choisie
a. Bilan énergétique
b. Profil de charge journalière
II-2. CHOIX DES ELEMENTS DU SYSTEME 
II-2-1. Choix du système photovoltaïque
II-2-2. Batterie
a. Vérification de la capacité restante d’une batterie AGM
b. Temps de charge des batteries
c. Circuit d’indicateur de niveau d’une batterie
II-2-3. Choix du générateur éolien
a. Spécification du HYE 1000W
b. Caractéristiques techniques
II-2-4. Choix du groupe électrogène
II-2-5. Convertisseur –Onduleur
II-2-6. Contrôleur
II-2-7.Configuration du système
II-3. ETUDE DE FAISABILITE 
II-3-1. Vérification du dimensionnement du système avec RETScreen
a. RETScreen
b.Analyse de projet sur RETScreen
c.Dimensionnement du générateur photovoltaïque avec le système hybride avec le logicielRETScreen
d. Choix de la Turbine éolienne
e. Comparaison derésultat de notre calcul et RETScreen pour le dimensionnement du composant
f. Analyse de cout du système hybride sur RETScreen
g. Analyse financière
h. Système hybride électrique exporté au réseau
II-3-2.Étude de préfaisabilité avec HOMER
a.Configuration du système sur HOMER
b.Exploitation du profile de charge
c. Résultat d’étude de faisabilité sur HOMER-cas d’Amparafaravola
d. Énergie produite par le système
e. Analyse des émissions de gaz à effet de serre
f.Analyse de coût
g.Répartition de l’analyse de cout
II-3-3. Comparaison par rapport au système classique avec HOMER
II-3-4. Comparaison entre HOMER et RETScreen
CHAPITRE III : MODELISATION
III-1. INTRODUCTION 
III-2. REPRÉSENTATION DU SYSTÈME HYBRIDE AVEC L’AUTOMATE 
III-2-1.Commutation
III-2-2. Modélisation du système sous forme représentation d’état
a.Représentation d’état d’un système
b. Schéma-bloc d’une représentation d’état [57]
c.Analyse sur la commandabilité du système
III-3. MODELISATION AVEC SIMULINK 
III-3.1. Modélisation de photovoltaïque
a. Modélisation du gisement solaire
b.Modélisation d’une cellule photovoltaïque
c. Modules photovoltaïques
d. Générateur photovoltaïque
e. Influence de température
f.Influence du l’éclairement
III-3.2. Modélisation du système éolien
a. Modélisation mathématique gisement éolien
b. Modélisation d’une turbine éolienne
c.Etude de Cp en fonction de
d. Modélisation en Matlab/Simulink de la turbine éolienne
e. Conclusion
III-3-3. Modèle de la batterie
III-3-4. Modélisation du groupe électrogène
III-3-5. Modélisation du microcontrôleur Arduino sous Matlab/Simulink
III-3-6. Modélisation du système hybride électrique
III-4. RESULTATS DE LA SIMULATION DU SYSTEME HYBRIDE 
III-4-1. Résultats selon la charge
III-4-2. Résultats selon le profil de charge journalière
III-5. DISCUSSIONS 
III-6. CONCLUSION
CHAPITRE IV : CONCEPTION D’UN PROTOTYPE DE SYSTÈME DE COMMANDE D’UN SYSTÈME HYBRIDE ELECTRIQUE 
IV-1. INTRODUCTION 
IV-2. SCHEMA DE PRINCIPE DU MONTAGE 
IV-3. SIMULATION DU SYSTEME AVEC PROTEUS 
IV-3-1. Présentation du logiciel Proteus
IV-3-2. Arduino1.6.5
IV-3-3. Simulation
a. Circuit d’indicateur de niveau
b. Arduino-module ampèremètre
c. Arduino, module ampèremètre, circuit d’indicateur de niveau
IV-4. REALISATION DU CIRCUIT 
IV-5. DISCUSSIONS 
CONCLUSION GENERALE

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