Système d’énergie hybride (SEH)

Système d’énergie hybride (SEH) 

Dans la plupart des zones rurales loin du réseau électrique, le générateur diesel est la source principale d’énergie électrique. D’une part, dans ces zones rurales, la demande énergétique et le prix de l’énergie produite à partir des groupes électrogènes sont toujours en augmentation. D’autre part, la baisse continue des prix des générateurs basés sur l’énergie renouvelable et la fiabilité croissante de ces systèmes ont été la source à une plus grande utilisation pour la production d’énergie électrique dans les régions isolées. Ces constats pouvaient contribuer à l’insertion rapide des énergies renouvelables. Mais, une des propriétés qui limite l’utilisation de l’énergie renouvelable est liée à la variabilité des ressources. Les fluctuations de la charge selon les périodes annuelles ou journalières ne sont pas forcément corrélées avec les ressources pour les régions isolées.

En effet, pour remédier à ce problème, la solution à retenir est certainement le couplage entre plusieurs sources, par exemple des éoliennes, des panneaux photovoltaïque et des générateurs diesel. C’est pourquoi, après avoir rappelé la définition et la mission d’un SEH, nous focalisons notre attention dans ce chapitre à l’état de l’art, en particulier relatif aux différentes solutions technologiques permettant d’exploiter les ressources solaires et éoliennes, ainsi que les moyens de dimensionnement du SEH.

Définition et mission des SEH

Avant de donner une définition des SEH, il faut noter que dans le contexte d’une utilisation rationnelle de l’énergie et d’amélioration de l’efficacité énergétique pour un développement durable, il est important dans cette perspective de développer la possibilité de produire de l’énergie électrique à partir des systèmes hybrides. Dans les systèmes hybrides nous rencontrons des technologies multi sources : une ou plusieurs sources d’énergie classique, généralement des générateurs diesels et au moins une source d’énergie renouvelable.

Le système hybride est capable d’un fonctionnement autonome qui est parfois associé à un système de stockage. Ils sont souvent utilisés dans les régions isolées. Ainsi, les cas possibles :
• une seule source d’énergie renouvelable avec ou sans groupe électrogène. Dans ce cas, la présence d’un dispositif de stockage est indispensable afin de pouvoir satisfaire, à tout instant, la demande du consommateur ;
• deux sources d’énergies renouvelables avec ou sans groupe électrogène fonctionnant avec un système de stockage ;
• plus de deux sources d’énergies renouvelables avec ou sans groupe électrogène accompagné d’une possibilité de stockage.

Ces variantes peuvent être connectées aux réseaux de distribution.

Le but d’un système hybride de production d’électricité est d’assurer la demande d’énergie par la charge et si possible d’en produire le maximum à partir des sources d’énergie renouvelable, tout en maintenant la qualité de l’énergie fournie. En plus, l’économie de carburant et la baisse de prix obtenus par la génération hybride doivent au moins couvrir l’investissement fait pour les générateurs d’énergie renouvelable et les autres composantes auxiliaires du système.

Du point de vue technologique, il est important d’avoir une vision d’optimisation économique et énergétique d’un système hybride (groupe électrogène, générateur photovoltaïque, éolien, accumulateurs…) à partir de différentes configurations possibles en mode autonome, couplé au réseau sans sources renouvelables et avec stockage, etc.…). Cette vision permet aux ingénieurs de chercher les performances des SEH à travers le rendement et leur durée de vie depuis leur conception.

Etat de l’art 

Cet état de l’art a pour objectif de décrire les diverses technologies et les principales caractéristiques d’un SEH en précisant bien les tendances (variation électronique de vitesse, entraînements directs).

L’exploitation bibliographique [VEC 05] a permis de faire ressortir la présentation d’un système hybride comme ayant un ou plusieurs générateurs diesels avec au moins une source d’énergie renouvelable. Qu’ils soient solaires ou éolien, les SEH de production d’électricité décentralisée sont, en général, couplés au réseau sans système de stockage ou bien isolés du réseau et donc associés à un dispositif de stockage de l’énergie.

Le principal avantage des systèmes couplés au réseau est qu’ils permettent de revendre l’énergie produite et non consommée sur place au fournisseur du réseau. Par contre, ces systèmes ne peuvent fonctionner qu’en présence du réseau. Dans le cas d’une coupure de ce dernier, bien qu’ayant son propre système de production d’électricité, le producteur indépendant se trouve privé d’électricité.

Le producteur consommateur isolé du réseau est tributaire des conditions météorologiques. Ainsi, si l’on a plusieurs jours successifs défavorables à la production d’électricité, le producteur consommateur risque également d’être privé d’électricité lorsque son dispositif de stockage sera complètement déchargé. Au contraire, si les conditions sont favorables à la production et que toute la capacité de stockage est totalement utilisée, il doit arrêter de produire et donc délester sa production. Afin d’atténuer le caractère aléatoire d’un gisement d’énergie renouvelable donné, on peut multiplier les sources de natures différentes. On obtient alors un système dit multi sources.

Les configurations du SEH que nous rencontrons dans la littérature [VEC 05] peuvent incorporer une distribution :
• à courant alternatif ;
• à courant continu CC ;
• avec un système de stockage, des convertisseurs, des charges, des charges de délestage et une option de gestion des charges.

De même, le SEH peut prendre différente architecture avec un dispositif de stockage de l’énergie qui est directement relié à un bus continu. Le bus continu peut être relié à son tour au réseau alternatif via un onduleur réversible capable de continuer à alimenter des charges prioritaires en cas de disparition du réseau et donc d’assurer un fonctionnement autonome.

Les systèmes rencontrés dans la littérature [MUL 02] sont largement instrumentés, avec des capteurs qui permettent d’obtenir les conditions météo :
• vitesse du vent ;
• direction du vent ;
• ensoleillement dans le plan horizontal ;
• températures ambiantes ;
• ensoleillement dans le plan des panneaux ;
• températures des panneaux.

Des capteurs nous permettent de mesurer les courants, tensions et puissances des :
• chaîne de production éolienne ;
• chaîne de production photovoltaïque ;
• batterie ;
• bus continu ;
• réseaux ;
• charges : Les charges sont constituées par les éléments de consommation de chaque ménage (lampes, charge de batteries, ordinateurs, télévision et autres) et de ceux qui sont mises en communs (exemple l’éclairage publique, la production d’eau et autres).

Ces données sont envoyées vers un système de gestion et de pilotage qui permet de commander le niveau de tension de la batterie. Avec une telle structure, nous pouvons contrôler les transferts d’énergie en intervenant sur le niveau de la tension batterie.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : Sources d’énergies renouvelables et systèmes d’énergie hybride
Introduction
1.1 Énergies renouvelables
1.1.1 Solaire photovoltaïque
1.1.2 Solaire thermique
1.1.3 Eolien
1.1.4 Biomasse
1.1.5 Petites centrales hydrauliques
1.2 Système d’énergie hybride (SEH)
1.2.1 Définition et mission des SEH
1.2.2 Etat de l’art
1.2.3 Principaux composants des SEH
1.2.3.1 Energie solaire
1.2.3.2 Eolienne
1.2.3.3 Diesel
1.2.3.4 Système de stockage
1.2.3.5 Système de supervision
1.2.3.6 Convertisseur
1.2.3.7 Charges
1.2.4 Classification des SEH
1.2.5 Fonctionnement des SEH
1.3 Système de production expérimental du CRAER
1.3.1 Objectif du site
1.3.2 Dispositif expérimental
1.3.3 Problématique et conclusion
Chapitre 2 : Modélisation d’une chaîne de conversion photovoltaïque
Introduction
2.1 Modélisation d’un générateur photovoltaïque
2.1.1 Modèle idéal
2.1.1.1 Cas d’un panneau
2.1.1.2 Cas d’un générateur photovoltaïque
2.1.2. Modèle réel
2.1.2.1 Cas d’un panneau
2.1.2.2 Pour le générateur
2.2 Modélisation d’un système de stockage
2.2.1 Modèle de la capacité
2.2.2 Modèle de l’état des batteries
2.2.3 Equation de tension en décharge
2.2.4 Equation de tension en charge
2.2.5 Rendement de charge
2.3 Modélisation d’un convertisseur statique
2.4 Modélisation des charges
Conclusion
Chapitre 3 : Résultats de simulation sur le logiciel MATLAB
Introduction
3.1 Simulation d’un générateur photovoltaïque
3.1.1Modèle idéal
3.1.1.1 Cas d’un panneau
3.1.1.2 Cas d’un générateur
3.1.2 Modèle réel
3.1.2.1 Cas d’un panneau
3.1.2.2 Influence des paramètres sur les caractéristiques
3.1.2.3 Cas d’un générateur
3.2 Simulation d’un système de stockage
3.2.1 Influence de la température
3.2.1.1 Capacité
3.2.1.2 Etat des batteries
3.2.1.3 Tension des batteries
3.2.2 Influence du temps
3.2.2.1 Etat des batteries
3.2.2.2 Tension des batteries
3.2.3 Résistance de la batterie
3.2.3.1 Résistance en décharge
3.2.3.2 Résistance en charge
3.3 Simulation d’un convertisseur
Chapitre 4 : Fonctionnement de l’installation du CRAER
4.Fonctionnement de l’installation du CRAER
4.1.1 Méthodologie
4.1.2 Interprétations et discussion des résultats
4.2 Présentation des données climatiques du site
4.2.1 Saison sèche
4.2.2 Saison humide (période de fraîcheur et des vents)
4.3 Comportement du système de stockage
4.3.1 Analyse mensuelle
4.3.1.1 Exemple de la saison sèche (Mai 2002)
4.3.1.2 Exemple de la saison humide (Novembre 2002)
4.3.2 Analyse journalière du fonctionnement de l’installation
4.3.2.1 Image1 : exemple d’une journée normale
4.3.2.2 Image2 : exemple d’une journée avec nuage (modérée)
4.3.2.3 Image3 : exemple d’une journée nuageuse
Conclusion
Chapitre 5:Validation et identification du système
5.1 Validation d’un générateur photovoltaïque
5.2 Validation du système de stockage
5.2.1 Phénomènes de décharge
5.2.2 Phénomènes des charges
5.3 Validation du convertisseur
5.3.1 Rendement élevé
5.3.2 Rendement moyen
5.3.3 Rendement bas
CONCLUSION

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