Soutenance mémoire
La disponibilité des ressources énergétiques suffisantes et fiables favorise le développement durable d’un pays. Or l’électricité est la forme d’énergie couramment utilisée, mais aussi la plus chère. C’est pourquoi, de très nombreuses personnes n’ont pas accès à cette forme d’énergie qui est pourtant nécessaire à leur subsistance et à leur confort.
Surtout pour Madagascar possédant des régions isolées et parfois éloignées des réseaux de distribution électrique, leur extension par la JIRAMA est difficile et coûteuse, voire impossible. En effet, à Madagascar, la production électrique est encore loin d’être stable. Par ailleurs, la production d’électricité des centrales thermiques et hydroélectriques ne satisfait pas les besoins électriques du peuple malgache. C’est pour cette raison que le problème de délestage n’est pas encore résolu et il est toujours remis en cause la discordance entre la production et la consommation. Ainsi, se pose la question de trouver d’autres sources d’énergies alternatives et aussi un procédé de stockage de l’énergie. Dans ce sens, l’exploitation des énergies renouvelables combinant plusieurs sources s’avère intéressante.
Par ailleurs, les techniques d’extraction de ces sources demandent des procédures de modélisation efficaces afin d’optimiser leur fonctionnement et la supervision des équipements installés qui visent, à la fois, à fiabiliser, à abaisser les coûts (de fabrication, d’usage et de recyclage) et à augmenter l’efficacité énergétique, [7]. Notre présente étude consiste à étudier la performance des systèmes hybrides et à évaluer les potentialités d’une installation de conversion d’énergie utilisant deux sources d’énergie renouvelables, à savoir solaire et éolienne, et une source d’appoint qui est un groupe électrogène. Leur hybridation avec des batteries et d’autres composants est aussi envisagée et étudiée. Cette étude peut se faire en deux étapes, d’abord la simulation numérique grâce à des logiciels adéquats, puis la réalisation sur site du modèle simulé. D’où la raison du présent mémoire qui est destiné à la simulation d’un système hybride en utilisant les produits de Mathworks Inc. Il s’agit de Matlab/Simulink qui est un environnement de conception basé sur des modèles.
SYSTEMES HYBRIDES
Définition
En termes de système énergétique, les systèmes hybrides regroupent simultanément plusieurs sources d’énergies capables d’approvisionner, à court et long termes, les consommateurs par rapport au système monosource. Ils font partie des solutions innovantes de production électrique pour les pays en voie de développement comme Madagascar et en cours d’exploitation dans des pays développées.
Structure des systèmes hybrides
Les systèmes hybrides sont caractérisés par leur principe de fonctionnement, par leurs différentes sources utilisées et par la présence ou non des éléments de stockage. Généralement, les systèmes hybrides les plus fréquemment utilisés font appel à une source d’énergie renouvelable pouvant être éolienne ou solaire ou hydraulique et associée à un groupe électrogène. Ils sont souvent de type autonome car ils sont destinés à des sites isolés. Parmi les systèmes hybrides les plus répandus dans le monde, on peut distinguer les suivants :
• Les systèmes hybrides combinant des sources d’énergies renouvelables,
• Les systèmes hybrides combinant des sources d’énergies renouvelables et des sources d’énergies classiques,
• Les systèmes hybrides constitués des sources d’énergies renouvelables et des systèmes de stockage.
Systèmes hybrides combinant les sources d’énergies renouvelables
Cette option groupe généralement l’éolienne avec le solaire ou l’hydraulique avec l’éolienne. On remarque que l’exploitation de l’énergie éolienne est toujours présente du fait que le vent est disponible tout le temps, que ce soit le jour ou la nuit, par rapport au soleil qui n’est en disposition que de quelques heures par jour.
Parmi ces deux options citées, on peut dire que la première est plus intéressante par rapport à la seconde puisque de nombreux auteurs ont mené des travaux et études sur la modélisation de ce système.
Systèmes hybrides combinant les sources d’énergies renouvelables avec les sources d’énergies classiques
Les générateurs classiques pouvant être des piles à combustible ou réseau électrique sont utilisés comme des générateurs de secours dans des systèmes hybrides. Le système de génération électrique utilisant le groupe électrogène comme appoint se rencontre souvent, la seule différence étant l’association avec des éléments de stockage. Il est plus rentable dans des sites isolés mais plus complexe à modéliser. Le concept de ce système est dû à la propriété d’intermittence des énergies renouvelables. Il doit utiliser ainsi des générateurs d’appoint.
Systèmes hybrides combinant des sources d’énergies renouvelables avec des systèmes de stockage
Associé à un système de stockage, ce type de système fait disparaître les problèmes liés aux variations climatiques. Des études faites par plusieurs auteurs indiquent que ce système nécessite la maîtrise de gestion de ces sources, [9].
Principe de fonctionnement
Selon la configuration choisie, le principe de fonctionnement du système hybride varie. Sa configuration est basée sur des bus (bus CC ou CA ou CC/CA). Ainsi, une même configuration peut avoir des fonctionnements différents. Nous pouvons citer les exemples de configuration suivants :
• Configuration à bus CC : système hybride éolien/solaire/groupe. Les deux générateurs (éolien et photovoltaïque) consistent à charger la batterie de stockage. Cependant, le système éolien comporte un circuit redresseur à sa sortie et l’énergie ainsi produite est stockée. Un convertisseur CC/CA ou onduleur assure l’assemblage final à un groupe électrogène. Il y a deux principes de fonctionnement pour cette configuration, selon le cas, lors de la charge des batteries :
o Les sources d’énergies renouvelables sont utilisées séparément,
o Elles sont utilisées simultanément pour charger les batteries.
L’énergie ainsi stockée est utilisée directement par la charge et dans le cas où la charge de la batterie est épuisée, le groupe électrogène intervient.
Principaux composants des systèmes hybrides
Modules photovoltaïques
Par définition, une cellule photovoltaïque dite aussi jonction PN transforme l’énergie rayonnante du soleil en énergie électrique. Elle est fabriquée à partir d’un matériau appartenant au groupe 4 de la classification périodique de Mendeleïev comme le silicium ou le germanium. Ainsi, une cellule photovoltaïque est une tranche de matériau semi-conducteur entre deux électrodes métalliques.
Une cellule ne satisfait pas les besoins électriques car ses tension et courant sont très faibles. Ainsi, il faut les assembler en série ou/et en parallèle pour avoir un module délivrant un courant et une tension assez élevés. La disposition des cellules en série pose un certain problème car lorsqu’une d’entre elles se trouve à l’ombre ou en défaillance, il y a risque de détérioration de la branche formée par cette mise en série. Effectivement, la cellule de faible courant impose le fonctionnement de l’ensemble, d’où le montage d’une diode dite by-pass en parallèle aux bornes de toutes les cellules mises en série. En plus, une diode nommée diode anti-retour est placée entre le module et la batterie, afin d’empêcher le retour du courant vers le module pendant l’obscurité.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : SYSTEMES HYBRIDES
1.1 Définition
1.2 Structure des systèmes hybrides
1.2.1 Systèmes hybrides combinant les sources d’énergies renouvelables
1.2.2 Systèmes hybrides combinant les sources d’énergies renouvelables avec les sources d’énergies classiques
1.2.3 Systèmes hybrides combinant des sources d’énergies renouvelables avec des systèmes de stockage
1.3 Principe de fonctionnement
1.4 Principaux composants des systèmes hybrides
1.4.1 Modules photovoltaïques
1.4.2 Éoliennes
1.4.3 Systèmes de commande
1.4.4 Générateurs de secours
1.4.5 Systèmes de stockage
CHAPITRE 2 : MATERIELS ET METHODES
2.1 Matériels
2.1.1 Matlab et Simulink
2.1.2 Processus de modélisation sous Simulink
2.2 Méthodologie
2.2 .1 Hypothèses du travail
2.2.2 Modélisation physique d’une cellule photovoltaïque
2.2.3 Générateur éolien
2.3 Groupe électrogène
2.4 Microcontrôleur
2.5 Batterie d’accumulateurs
2.6 Système hybride électrique
2.6.1 Structure générale du système
2.6.2 Structure du système
2.6.3 Principe de fonctionnement
2.6.4 Modélisation en Matlab/Simulink d’un système hybride
2.7 Etude du rayonnement solaire
2.7.1 Paramètre caractéristique du rayonnement solaire
2.7.2 Rayonnement incident sur le plan incliné
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET INTERPRETATION
3.1 Puissance produite par le générateur éolien et le générateur photovoltaïque
3.2 Résultats visualisés sur l’oscilloscope
CONCLUSION
REFERENCES
