Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des systèmes de stockage

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Configuration d’un aérogénérateur

La configuration électrique d’un aérogénérateur a une grande influence sur son fonctionnement. Cette configuration est basée sur la caractéristique de la vitesse. Par exemple, le fait qu’un éolien fonctionne à vitesse fixe ou à vitesse variable dépend de cette configuration.

Génératrices synchrones

Dans le cas des entraînements directs (sans multiplicateur mécanique), on utilise des machines synchrones (G.S) dont le schéma synoptique est montré sur la figure 3. Leur performance, notamment en terme de couple massique, est très intéressante lorsque ces machines ont un très grand nombre de pôles. Leur fréquence étant alors incompatible avec celle du réseau, le convertisseur de fréquence impose sa valeur. Ainsi, les machines à entraînement direct sont toutes à vitesse variable.
La performance des machines synchrones multipolaires, notamment en terme de couple massique, est importante. Ce type de générateur à inducteur bobiné nécessite un système de bagues et balais pour transmettre le courant continu. Le courant d’excitation constitue un paramètre de réglage qui peut être utile pour l’optimisation énergétique, en plus du courant d’induit réglé par l’onduleur.

Groupe électrogène

Dans le cas des installations à sources d’énergie renouvelables autonomes, il est nécessaire de recourir au stockage ou d’ajouter un ou plusieurs groupes électrogènes. Dans un système hybride électrique, le générateur classique est généralement le moteur directement couplé au générateur synchrone représenté par le modèle comme l’indique la figure 4. La fréquence du courant alternatif à la sortie est maintenue par un régulateur de vitesse ou gouverneur de vitesse incorporé dans le moteur. Ce régulateur fonctionne en ajustant le flux du carburant pour garder les vitesses des moteurs et générateur constantes. Comme la fréquence du réseau est directement liée à la vitesse de rotation du générateur et elle est ainsi maintenue au niveau désiré.
Les réseaux de courant alternatif avec carburant, comme ceux interconnectés fournissent pour leurs charges, deux formes d’énergie : active et réactive. Quand plusieurs groupes électrogènes fournissent de l’énergie au réseau, ceux-ci sont connectés généralement à un bus à CA. Dans ce cas, un système de commande doit être utilisé pour une distribution correcte de la puissance fournie par les groupes électrogènes.

Système de stockage

C’est un facteur clef dans un système hybride de source d’énergie en site isolé. Les systèmes de stockage sont habituellement des batteries de type plomb-acide qui sont largement disponibles dans le commerce. Les batteries nickel-cadmium sont rarement utilisées. Ces systèmes de stockage sont utilisés souvent dans le système hybride combinant l’éolienne, le photovoltaïque et le groupe électrogène.

STRUCTURE DU SYSTÈME HYBRIDE ÉLECTRIQUE

Les systèmes hybrides sont caractérisés par leur principe de fonctionnement, les différentes sources utilisées et 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 sont associés à un groupe électrogène. Ils sont souvent de type autonome car ils sont destinés à des sites isolés. Le système hybride électrique peut être structuré selon la figure 6. Dans cette structure, on peut ajouter ou enlever les sources et les charges selon la topologie du système. Par ailleurs, un réseau électrique ou une pile à combustible peuvent constituer la source auxiliaire, [4].
Parmi les systèmes hybrides les plus répandus et utilisés dans le monde, il existe plusieurs types que nous allons voir dans la suite.

Systèmes hybrides combinant les sources d’énergie renouvelables

Cette option groupe généralement les éolien et hydraulique avec ou sans éolien. Parmi ces options citées, nous pouvons dire que la première est plus intéressante par rapport à la seconde et ceci, au vu des travaux et études faits.

Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des sources d’énergie classiques

Les systèmes de génération électrique utilisant le groupe électrogène comme appoint se rencontrent souvent dans les systèmes hybrides électriques. Ainsi, les générateurs classiques sont utilisés comme générateurs de secours dans le système. Ils sont plus rentables dans des sites isolés mais plus complexes à modéliser. Leur concept est dû à la propriété d’intermittence des énergies renouvelables. Ils doivent utiliser ainsi des générateurs d’appoint.

Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des systèmes de stockage

Associé à un système de stockage, ce type de système fait disparaitre les problèmes liés aux variations climatiques. Des études faites par plusieurs auteurs indiquent que ce système nécessite la maitrise de gestion des sources d’énergie renouvelables.

CONFIGURATION D’UN SYSTEME HYBRIDE

La configuration d’un système hybride électrique varie selon son principe de fonctionnement. Sa configuration est basée sur des bus (bus CC ou CA ou CC/CA) comme le montrent les figures 6, 7 et 8.

Configuration à bus CC

La figure 7 montre une configuration d’un système hybride à bus CC combinant les générateurs éolien et photovoltaïque et le groupe électrogène. Les deux générateurs (éolien/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.

PLATEFORME INTELLIGENT POUR UNE INSTALLATION HYBRIDE ELECTRIQUE

Pour gérer un système hybride, il faut éviter de nombreux problèmes qui ont été identifiés comme les problèmes posés par les aérogénérateurs importés et inadaptés par rapport au profil du vent, les pannes des convertisseurs statiques liées aux conditions d’exploitation inadaptées, le contrôle de commande des systèmes électriques inadapté aux besoins des usagers, etc. Ainsi, des stratégies de contrôle commande adaptées aux besoins doivent être mises en œuvre. Dans notre mémoire, nous utilisons une plateforme intelligente.

MICROCONTRÔLEUR ARDUINO

Introduction

Les microcontrôleurs sont des unités de traitement d’information de type microprocesseur qui sont implantées dans la plupart des applications publiques ou professionnelles selon leur besoin.
Le microcontrôleur Arduino est une plateforme open-source d’électronique programmée basée sur une simple carte à microcontrôleur (de la famille AVR) et sur un logiciel constituant un véritable environnement de développement intégré (IDE) pour écrire, compiler et transférer le programme vers la carte à microcontrôleur, [5] .
Arduino peut être utilisé pour construire des objets interactifs indépendants (prototypage rapide) ou bien peut être connecté à un ordinateur pour communiquer avec ses logiciels.

Partie matérielle

En effet, une carte Arduino est généralement construite autour d’un microcontrôleur Atmel AVR (ATmega328 ou ATmega2560 pour les versions récentes et ATmega168 ou ATmega8 pour celles plus anciennes) et des composants complémentaires qui facilitent la programmation et l’interfaçage avec d’autres circuits. Chaque carte possède au moins un régulateur linéaire 5V et un oscillateur à quartz 16MHz (ou un résonateur céramique dans certains modèles). Le microcontrôleur est préprogrammé un « boot loader » de façon à ce qu’un programmateur dédié ne soit pas nécessaire.
Treize versions de carte de type Arduino ont été développées jusqu’à nos jours. A titre indicatif, nous citons Arduino Uno et Arduino Méga 2560 qui sont très utilisés dans les domaines de formation et de recherche. Le tableau 2 résume les principales caractéristiques de ces deux cartes.

Partie logicielle

L’environnement de programmation Arduino est en fait un EDI dédié au langage Arduino. Le logiciel Arduino permet d’écrire les programmes ou « Sketchs », de les compiler et de les transférer dans la carte Arduino à travers une liaison USB. Il intègre aussi un moniteur de port série. L’avantage du langage Arduino est basé sur les langages C/C++ qui supportent toutes les syntaxes standards du langage C et quelques-unes des outils C++. De très nombreuses librairies sont disponibles gratuitement pour communique avec le matériel connecté à la carte (afficheurs LCD, afficheurs 7 segments, capteurs, servomoteurs… etc.). Pour écrire un programme avec le langage Arduino, il faut respecter ses règles. En effet, l’exécution d’un programme Arduino s’effectue de manière séquentielle et les instructions sont ainsi exécutées les unes à la suite des autres, le compilateur vérifie l’existence de deux structures obligatoires à savoir, (voir figure 7) :
• Les parties initialisation et configuration des entrées/sorties ;
• La partie incluant la fonction setup () ou la partie principale qui s’exécute en boucle et la fonction loop ().
Par contre, la partie déclaration des variables est optionnelle. La figure 10 montre l’interface graphique de l’EDI ainsi que la structure d’un programme réalisé avec le langage Arduino.

Constitution d’une carte Arduino

Le microcontrôleur

Le cerveau d’Arduino va recevoir le programme créé pour le stocker dans sa mémoire et l’exécuter dans la suite. Grâce à ce programme, il va savoir faire des choses comme : faire clignoter une LED, afficher des caractères sur un écran, envoyer des données à un ordinateur, etc.

Alimentation

Pour fonctionner, la carte a besoin d’une alimentation. Le microcontrôleur fonctionnant sous 5V, la carte peut être alimentée en 5V par le port USB ou bien par une alimentation externe qui est comprise entre 7V et 12V. Cette tension doit être continue et peut, par exemple, être fournie par une pile 9V. Un régulateur se charge ensuite de sa réduction à 5V pour le bon fonctionnement de la carte.

Visualisation

Sur la plaquette, il y a des LEDs qui sont connectées à une broche du microcontrôleur et vont servir pour tester le matériel. Quand on branche la carte au PC, elles clignotent quelques secondes. Des deux LEDs servent à visualiser l’activité sur la voie série (une pour l’émission et l’autre pour la réception). Le téléchargement du programme dans le microcontrôleur se faisant par cette voie, on peut les voir clignoter lors du chargement.

Connectique

Arduino ne possède pas de composants qui peuvent être utilisés pour un programme, mis à part la LED connectée à la broche 13 du microcontrôleur et il est nécessaire de les rajouter.

Emplacement du programme

Le microcontrôleur reçoit le programme sous forme de signal électrique sur ses broches Tx et Rx disponibles sur les broches de la carte (voir figure 10). Une fois qu’il est reçu, il est intégralement stocké dans une mémoire de type Flash que l’on appelle “la mémoire du programme”. Ensuite, lorsque la carte démarre, “normalement” (qu’aucun programme n’est en train d’être chargé) le cerveau va alors gérer les données et les répartir dans les différentes mémoires : La mémoire programme est celle qui va servir à savoir où est le programme, à quelle instruction on est rendu. La mémoire de données, aussi appelé “RAM” (comme dans l’ordinateur), va stocker les variables telles que le numéro de la broche sur laquelle est connectée une LED, ou bien une simple valeur comme un chiffre, un nombre, des caractères,

La carte Arduino Méga 2560

Une carte à microcontrôleur basée sur un ATmega2560 dispose des :
• 54 broches d’entrées/sorties dont 14 peuvent être utilisées en sortie largeur d’impulsion modulée (PWM) ;
• 16 entrées analogiques qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques ;
• 4 ports séries matérielles (UART) ;
• 1 quartz 16MHz ;
• 1 connexion USB ;
• 1 connecteur d’alimentation jack ;
• 1 connecteur ICSP (programmation « in-circuit ») ;
• 1 bouton de réinitialisation (reset).
Cette carte contient tout ce qui est nécessaire pour le fonctionnement d’un microcontrôleur. Elle est aussi compatible avec les circuits imprimés prévus pour les cartes Arduino Uno, Duemilanove ou Diecimila.
La figure 10 montre la structure de la carte à microcontrôleur Arduino 2560.

RESULTATS

Maintenant, nous allons voir le fonctionnement du système composé d’Arduino, du circuit d’indicateur et du module ampèremètre. Rappelons que le circuit d’indicateur de niveau est utilisé pour détecter le seuil de la batterie et que le module ampèremètre sert à mesurer le courant utilisé par la charge. Les figures 24 et 25 présentent respectivement la batterie avec le convertisseur et la plateforme intelligente.
ENR : ON c’est-a-dire que l’energie renouvelable alimente les charges qui sont constituées par une lampe de 100W-220V AC et par une lampe de 12V continue. L’énsemle de ce système est montré sur la figure 27.
Maintenant la tension aux bornes de batterie est de 10,81V (selon la figure 28). L’écran LCD affiche ENR : OFF et GE : ON (figure 29), c’est-à-dire que le reseau electrique de la JIRAMA est ainsi choisi pour alimenter la charge.

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. Notre système permet alors de gerer un système hybride des sources d’energie electrique .
Cette plateforme peut coupler l’envoi sur réseau électrique. A cet effet, l’ordre de priorité est le suivant : sources d’énergie renouvelables suivies éventuellement du réseau électrique. Dans tous les cas, l’utilisation de notre plateforme permet d’économiser l’énergie électrique de la JIRAMA diminuant ainsi la facture.
Nous tenons à signaler que la pérennité du système dans une installation électrique dépend de la durée de vie de chaque composant utilisé.
Tout le monde peut utiliser cette plateforme surtout les habitants dans un site isolé et dans celle-ci, le groupe electrogene est utilisé.

CONCLUSION GENERALE

L’objectif principal de notre travail est la gestion d’un système hybride électrique avec une plateforme intelligente utilisant des dispositifs électroniques de commande et de contrôle pour économiser l’énergie d’une source classique ou d’un réseau électrique associé à une ou à des sources d’énergie renouvelables. En effet, l’utilisation des sources d’energie renouvelables peut réduire la facture pour le réseau électrique de la JIRAMA. Dans ce mémoire, en plus des études bibliographiques, des travaux d’observation ont étés mis en œuvre.
Une description générale des systèmes hybrides et du microcontrôleur Arduino a été faite à l’issue de laquelle, tous les composants du système hybride sont définis afin de permettre son fonctionnement optimal.
De par sa constitution, un microcontrôleur est ainsi un composant autonome, capable d’exécuter le programme contenu dans sa mémoire morte dès qu’il est mis sous tension. Il permet aussi de réaliser des montages sans l’ajout des composants externes.
Il existe plusieurs sortes de microcontrôleur. Les performances de ces microcontrôleurs sont différentes les unes des autres. Dans notre travail, nous étudions le microcontrôleur Arduino à cause de sa capacité de mémoire, de son nombre de ports d’entrée/sortie, de son nombre de convertisseurs analogiques /numériques et de sa fréquence d’exécution des instructions.

Table des matières

ITRONDUCTION GENERALE
CHAPITRE I : CADRE ET CONTEXTE DE L’ETUDE
I.1. LE CENTRE NATIONAL DE RECHERCHES INDUSTRIELLES ET TECHNOLOGIQUES
I.1.1. Description
I.1.2. Missions du Centre National de Recherches Industrielles et Technologiques
I.1.3. Présentation et organisation du C.N.R.I.T
I.2. GENERALITES SUR LES SYSTEMES HYBRIDES
I.3. COMPOSANTS DU SYSTEME HYBRIDE ELECTRIQUE
I.3.1. Energie éolienne ou éolienne
I.3.2. Groupe électrogène
I.3.3. Système de stockage
I.4. STRUCTURE DU SYSTEME HYBRIDE ELECTRIQUE
I.4.1. Systèmes hybrides combinant les sources d’énergie renouvelables
I.4.2. Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des sources d’énergie classique
I.4.3. Systèmes hybrides combinant des sources d’énergie renouvelables avec des systèmes de stockage
I.5. CONFIGURATION D’UN SYSTEME HYBRIDE
I.5.1. Configuration à bus CC
I.5.2. Configuration à bus CA
I.5.3. Configuration à bus CC/CA
CHAPITRE II : PLATEFORME INTELIGENTE POUR UNE INSTALLATION HYBRIDE ELECTRIQUE
II.1. MICROCONTROLEUR ARDUINO
II.1.1. Introduction
II.1.2. Partie matérielle
II.1.3. Partie logicielle
II.1.4. Constitution d’une carte Arduino
II.1.5. Carte Arduino Méga 2560
II.1.6. Relais
II.2. DISPOSITION DU MATERIEL
II.3. DESCRIPTION DES ELEMENTS DE LA PLATEFORME
II.3.1. Module ampèremètre
II.3.2. Module voltmètre
II.3.3. Écran LCD ….
II.3.4. Eolienne
II.3.5. Batterie
II.3.6. Configuration onduleur
II.3.7. Réseau électrique
CHAPITRE III : MISE EN PLACE DE LA PLATEFORME ET VALIDATION
III.1. SITE D’IMPLATATION
III.2. CARACTERISTIQUES DE LA MAISON TYPE CHOISIE
III.3. CONFIGURATION DU SYSTEME
III.4. RESULTATS
III.5. DISCUSSIONS
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
REFERENCES

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