Outil d'aide au dimensionnement des systèmes photovoltaà¯ques domestiques

1/11jemoire de min dttudes di~ngenieur genie Electrique

OUTIL D'AIDE AU DIMENSIONNEMENT

DES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES

DOMESTIQUES

Introduction Generale

Contexte

Problématique

Méthodologie

Resultats

Conclusion et Perspectives

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERAtE

'tlujourd'hui, les énergies renouvelables deviennent progressivement des énergies

à part entière, rivalisant avec des énergies fossiles du point de vue coût et

performance de production. De ces énergies nouvelles (biomasse, éolienne,

solaire, géothermie), le solaire photovoltaïque présente une convenance

particulière pour notre continent, puisqu'il dispose d'un gisement solaire

fortement propice au développement de cette forme d'énergie.

Ia lutte contre le réchauffement de la planète (effet de serre), fait la une de

l'actualité écologique. Un séminaire atelier sur cette problématique a eu lieu en

Mars 2009 à l'Ecole nationale supérieure polytechnique de Yaoundé. La

cérémonie d'ouverture présidée par le Ministre de l'énergie et de l'eau a permis

de prendre la mesure des projets et de la nécessité qu'il y a à investir sur le

photovoltaïque afin de minorer les effets des changements climatiques.

a'autre part la qualité de l'énergie électrique fournie par notre distributeur

d'électricité pourrait amener des particuliers à investir dans le photovoltaïque, vu

que des sondages effectués par le RACE (réseau associatif des consommateurs

d'électricité) montrent que les populations camerounaises sont loin d'être

satisfaites par AES sonel Apply Electricity Supply-Société nationale d'électricité du

Cameroun.

Investir dans le photovoltaïque demande généralement d'importants moyens

financiers, raison pour laquelle le dimensionnement de systèmes

photovoltaïques doit être fait avec beaucoup de soin.

Z'automatisation du processus de dimensionnement de systèmes

photovoltaïques constitue une solution intéressante au problème de perte de

temps, et de surcoût excessif du système mis en place; problèmes auxquels sont

confrontés les ingénieurs et techniciens dans l'exercice de projets relatifs au

photovoltaïque.

C'est dans ce contexte que l'ACL nous a confié cette étude sous le thème : « Outil

d'aide au dimensionnement des systèmes photovoltaïques domestiques ».

Introduction Generale

Contexte

Problématique

Méthodologie

Resultats

Conclusion et Perspectives

SOMMAIRE

CONTEXTE

Generalites sur l~energie solaire

Généralité sur les systèmes photovoltaïques

Contexte

GENERALITES SUR

L'ENERGIE SOLAIRE

~' énergie solaire est une énergie produite par le rayonnement du soleil, direct

ou diffus à travers l'atmosphère. Le soleil produit ainsi une énergie inépuisable et

naturellement disponible en quantité.

le gisement solaire est un gisement réparti sur l'ensemble de la planète. Le

gisement solaire d'un site correspond à l'énergie disponible par le

rayonnement solaire, à une période de temps donné.

Les grandeurs caractéristiques de ce gisement sont:

L'insolation: Exprimée en heure et mesurée par

héliographe.

Le rayonnement global: Exprimé

en Wh/m², il est mesuré par

pyranomètre.

Le rayonnement direct: Exprimé

en Wh/m², il est mesuré par

Pyrhéliomètre.

Le rayonnement diffus:

Exprimé en Wh/m², il est

mesuré par pyranomètre.

Le gisement solaire d'un site s'évalue de deux façons selon que le site

est à:

Climat connu: Lorsque des stations météorologiques existent dans les

environs et peuvent être considérées comme comprises dans la même zone

climatique du site envisagé, les mesures sont aisément acquises.

Climat mal connu: il arrive souvent que l'on ne dispose d'aucune mesure des

paramètres météorologiques nécessaires aussi bien sur site à caractériser

que dans les environs. Dans une telle situation, il est alors conseillé

d'effectuer des mesures sur site au moins pendant une durée recouvrant

l'ensemble des saisons et d'utiliser des formules empiriques indiquées à cet

effet.

Généralité sur l'énergie solaire 3/4

TECHNOLOGIE DE TRANSFORMATION DE L'ENERGIE SOLAIRE

£es techniques pour capter directement une partie de l'énergie solaire sont

diverses et sont constamment améliorées. On peut distinguer le solaire

thermique et le solaire photovoltaïque.

J[otre intérêt majeur quant aux technologies de transformation de l'énergie solaire est

porté au photovoltaïque, car il représente le socle de notre travail .

Généralité sur l'énergie solaire 4/4

GENERALITES SUR LES

SYSTEMES

PHOTOVOLTAiQUES

On appelle système photovoltaïque l'assemblage d'un

générateur photovoltaïque à un ou plusieurs

récepteurs.

On appel générateur photovoltaïque l'assemblage des

modules photovoltaïques couplés aux éléments de

contrôle et de régulation.

Nous distinguons trois types de systèmes PV :

Autonomes

Hybrides

Raccordés au réseau

Systèmes raccordés au réeau

Sytèmes autonomes

Les systèmes Hybrides

Les sytèmes raccordés au éseau permetnt de

hybrides reçoivent une parti de

Les systèmes autonomes sont complètement

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excestit" etiluriegs.11EtsmripiagunesabBtkieliliskisndlaWAReI TAT

immeubles, les domiciles déjà reiés au réseau

ainsi qu'à des application comme la

une génératrice à combustible. électrique.

surveillance à distance et le pompage de l'eau.

Ils peuvent être avec ou sans batteries de

stockage. Dans la majorité des cas, un système

autonome exigera des batteries

d'accumulateurs pour stocker l'énergie.

QLe fonctionnement dune installation photovoltaIque

Q PREFEMiCES

Seeking (la 00110 (0.0%:1

A

Introduction Generale

Contexte

Problématique

Méthodologie

Resultats

Conclusion et Perspectives

SOMMAIRE

PROBLEMATIQUE

Le dimensionnement des générateurs photovoltaïques varie en fonction de la

puissance installée, de la consommation moyenne journalière et des

paramètres météorologiques. Il demande bon nombres de calculs qui sont

généralement faits manuellement (pertes de temps considérables), l'exposant

ainsi à des risques d'erreur non négligeables, entrainant par corollaire des

problèmes tels que le surdimensionnement excessif ou le sous

dimensionnement du système mis en place.

Ces problèmes pourraient être évités par la mise sur pied d'un outil qui ferait le

calcul à la place de l'ingénieur en très peu de temps, exigeant de ce dernier

juste les caractéristiques du système calculé.

Des outils informatiques relatifs au dimensionnement des systèmes

photovoltaïques existent et sont pleinement utilisés en Europe. Nous pouvons

citer : PVSYST, PVSOL et ARCHELIOS utilisés majoritairement par l'INES en

France; RetScreen Canada, et Sol-utions-Solar évolution.

Ces logiciels constituent pour la plupart des outils d'aide à la décision dans des

projets sur des systèmes photovoltaïques. Lorsque ceux-ci effectuent un calcul

de générateur photovoltaïque, ils se limitent juste à un prédimensionnement

du système étudié. De plus, Ils sont complètement adaptés au contexte

Européen et n'intègrent pas de données qui rendraient leur utilisation profitable

aux Camerounais.

Les Camerounais ne disposent pas d'un outil d'aide au dimensionnement des

systèmes photovoltaïques propre à leur contexte et intégrant les données

solaires du pays. Un outil qui en plus de rendre la tache facile aux ingénieurs dans

des projets relatifs au photovoltaïque, constituerait un excellent moyen de

vulgarisation du photovoltaïque au Cameroun et en Afrique.

C'est dans le but de concevoir et de réaliser un tel outil, que L' ACL nous a

accueilli en son sein.

OBJECTIF

Plus explicitement, l'objectif visé dans ce travail est celui de mettre sur pied une

plateforme qui apportera aux ingénieurs et techniciens camerounais, beaucoup

d'aisance et de facilité dans le dimensionnement des systèmes photovoltaïques

domestiques. Cet utilitaire devra après avoir reçu des données fournies par

l'utilisateur :

faire le calcul du générateur PV adéquat par rapport à la puissance installée

en fonction des données de la station Solari métrique la plus proche du site

calculé, ou tout simplement par entrée de l'irradiation dans le cas où l'utilisateur

n'est à proximité d'aucune station solarimétrique.

faire des propositions sur le choix des équipements. En effet l'application

devra disposer d'une base de données contenant tout une gamme

d'équipements (modules PV, régulateurs, batteries de stockage, onduleurs)

répartis par fabricants avec toutes leurs caractéristiques techniques et leur prix.

L'utilisateur devra également avoir la possibilité d'effectuer des choix

personnalisés.

faire un bilan énergétique et environnemental annuel relatif à la production

du générateur PV, en présentant à l'utilisateur entre autres : la production

annuelle, les mois de déficit énergétiques, les mois de surproduction, une

évolution statistique de l'irradiation au voisinage du site sur l'année, l'économie en

énergie fossile réalisée sur l'année par rapport à une alternative groupe

électrogène, l'émission de CO₂ évitée sur l'année.

a la demande de l'utilisateur, générer des rapports imprimables :

d'évaluation de la consommation journalière relative au site calculé

de calcul du générateur PV

de choix des équipements avec toutes les caractéristiques techniques et les

prix

de bilan énergétique et environnemental annuel.

Introduction Generale

Contexte

Problématique

Méthodologie

Resultats

Conclusion et Perspectives

SOMMAIRE

METHODOLOGIE

Méthodologie de dimensionnement des syst èmes PV

Architecture de la plate forme

Conception de la plate forme

METHODOLOGIE DE

DIMENSIONNEMENT

DES SYSTEMES PV

Avant d'automatiser un processus, il est indubitablement nécessaire de savoir

et de comprendre les principes, et les diverses étapes qui lui sont associés.

La méthodologie que nous suivons pour effectuer le dimensionnement de

système photovoltaïque autonome avec batteries, régulateur et onduleur est

méticuleusement celle donnée par les ingénieurs Luc Chancelier et Eric Laurent

dans leur Ouvrage « L 'électricité photovoltaïque » en partenariat avec

l' ADEME département des énergies renouvelables Agence de l'environnement

et de la maîtrise de l'énergie .

Dimensionnement des modules PV : 3 étapes

Évaluation de la consommation journalière,

Évaluation de l'énergie à produire en tenant compte du rendement du

générateur PV, de l'incertitude météorologique, des pertes dans les câbles.

Calcul de la puissance crête

Dimensionnement des Batteries : 4 étapes

Évaluation de la consommation journalière

Nombre de jour d'autonomie souhaité

Décharge profonde admissible

Calcul de la capacité de la batterie

Dimensionnement du régulateur: 2 étapes

Calcul de la caractéristique d'entrée

Calcul de la caractéristique de sortie

Dimensionnement des câbles:

Il se fait en utilisant des abaques. il existe des abaques pour choisir la

section des conducteurs. Ce choix est fait en fonction du courant, de la

tension nominale du système et de la longueur des câbles.

compte du cosô des récepteurs, et des courants de démarra

appareils comme les réfrigérateurs.

Dimensionnement de l'onduleur :

Il se fait en appliquant un coefficient sur la puissance installée pour tenir

ge des

ARCHITECTURE DE

LA PLATE FORME

Mode prédéfini

Evaluation de la consommation

journalière

Mode libre

Appareils

domestiques

diverses

Choix de la station météorologique et

contraintes d'utilisation

Rapport de

Récapitulatif des

Besoins Journaliers

Calcul du générateur photovoltaïque

CONCEPTION DE LA

PLATE FORME

OUTILS

INFORMATIQUES

MICROSOFT

EXCEL

MICROSOFT

DOT NET

FRAMEWORK

2

ACROBAT

READER

CUSTOMUI

EDITOR

VISUAL BASIC

FOR

APPLICATION

ICON

SUSHI

INNO

SETUP

XML

CONCEPTION DES

BASES DE DONNEES

relatve aux équipement constituan le générateur PV:

Base de données spécifique à des modèles prédéfinis type habitat:

Base de données relative aux récepteurs pour usage domestique contient 5

Bas de donées solaires du Cameroun :

8 Tables: - 1 pour modules PV

Elle contient 11 Tables. Chacune liée à un modèle prédéfini type habitat.

Tables à raison d'une table par type d'usage domestique :

2 Tables: - Données solaires en fonction des statons solarimétriqs

L'utilisateur peut alors choisir un modèle prédéfini au lieu d'effectuer des choix

- 3 pour les régulateurs

-Eclairage

ponctuels ou des saisi e données.

- Coordonnées géographiques des stations dans le système WGS 84

- 3 pour les onduleurs

- Réfrigération

- 1 pour les batteries de stockage.

- Electroménager

A Chaque équpement est associé son prix et toutes ces caractéristiques

- Audio visueⁱ

techniques.

- Informatique

MODÈLES PRÉDÉFINIS TYPES HABITATS

Equipements

BD l i

Ces bases de données ont été mise sur pied avec le

Concours du Laboratoire de Recherche énergétique de

Yaoundé rattaché L'IRGM artère du MI NRESI

LRE

Et celui de la KISC Kvazar International Solar Compagny

de Yaoundé.

'USC

Introduction Generale

Contexte

Problématique

Méthodologie

Resultats

Conclusion et Perspectives

SOMMAIRE

RESULTATS

Outil d aide au climensionnement des 3ystrn.es PV - Easy_PV

LA'

demarrer :36 Dictionnares et ... 6 Explorateur
· 2 mEmoIREyAx_Tc... mernare_NDOLIMB... - Outil da... FR 2:3:51

Introduction Generale

Contexte

Problématique

Méthodologie

Resultats

Conclusion et Perspectives

SOMMAIRE

CONCLUSION

Au terme de ce travail, nous avons développé un outil d'aide au

dimensionnement des systèmes photovoltaïques domestiques. Cet

utilitaire permet à l'utilisateur de dimensionner des systèmes

photovoltaïques fiables et viables techniquement.

Conclusion 1/2

Cet outil vient dans un contexte de vulgarisation des énergies propres (énergies

renouvelables), apporter une contribution considérable dans la diffusion

d'informations relatives au photovoltaïque au Cameroun et en Afrique. Ce travail

démontre une fois de plus l'engagement de l'école nationale supérieure

polytechnique dans la lutte contre le changement climatique qui est

effectivement entamée depuis plus d'une dizaine d'années ( Protocole de Kyoto).

V'Les systèmes photovoltaïques connectés au réseau ne sont pas encore

fortement développés chez nous en Afrique. Mais en guise de perspective,

d'extension et de prévision il serait intéressant de cogiter sur l'intégration d'un

module de calcul des systèmes photovoltaïques connectés au réseau électrique, à

la plateforme E@ sy_PV qui n'en est qu'à ça première version.

Conclusion 2/2

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Le coefficient k tient compte :

de l'incertitude météorologique ;

de l'inclinaison non corrigée des modules

suivant la saison ;

du point de fonctionnement des modules

qui est rarement optimal et qui peut être

aggravé par : la baisse des caractéristiques

des modules, la perte de rendement des

modules dans le temps (vieillissement et

poussières) ;

du rendement de charge et de décharge

de la batterie (90%) ;

du rendement du régulateur (95%) ;

du rendement de l'onduleur, s'il y en un ;

des pertes dans les câbles et connexions.

il est nécessaire d'avoir :

la distance D qui sépare le panneau de l'obstacle ;

la hauteur H de l'obstacle ;

l'angle á qui situe la position de l'obstacle par rapport à l'axe nord-sud.

LATITUDE	INCLINAISON
L < 10°	I = 10°
10° < L < 30°	I = L
30° < L < 40°	I = L + 10°
L > 40°	I = L + 15°

sabro

Si fr

-i 41tIct^-tronlque -1 Si mcilaire

IntirconntclIon

C1121)414

	CHRONOGRAMMES

Signal de base

·

·

Reprise

Ts)

tON

in n

Le signal de base triangulaire permet la generation des sigraux de coin mantle MLI grace a des comparateurs.

Les deux &cites en charge et decharge presente la variation de la tension au niveau de Ia batterie.

Vsl C'est le signal de comniande MLI Ton augmente en fonction du temp et Ia tension de Ia beetle ) de

Ia phase decharge.

Vs 2 C'est le signal de cammande JIL ( Ton d!minue en fonction dv temps et Ia tension de Ia batterie ) de

Ia phase charge batterie.

la norme

NFEN 62305-2 (VDE 0185-305-2)

NF EN 62305-3 (VDE 0185-305-3)

M

,¹7

1

V

1

V

z-

=jt'z'

I I I I I I I

I

I
I

	C de terre

·

DNO.

TaLdenu exell6ral B4 3e. Tensi.ou

Le Parafoudre

sans parafoudre,

la surtension

apparaît

aux bornes des

matériels

sans

parafoudre, le

matériel

«claque»

· Son rôle

Le

parafoudre

écoule

«l'énergie

foudre» à la

terre

Le Parafoudre

le parafoudre

limite la

surtension

aux bornes du

matériel

varistance

à oxyde de

zinc

tension aux bornes

d'une varistance en

fonction

de l'intensité

«écoulée»

· Sa technologie

Différentes technologies existent

éclateurs, diode d'écrêtage ...

La technologie varistance est aujourd'hui la solution la plus utilisée pour la

protection des installations électriques basse tension.

En fonctionnement normal: le parafoudre se comporte en circuit ouvert

pendant

l'écoulement de la

surtension,

: le parafoudre se

comporte

en circuit fermé

· Ses caractéristiques

· la tension maximale de régime permanent : Uc

· le courant de fonctionnement permanent : Ic

· le courant nominal de décharge : In

· le niveau de protection : Up

·

caractéristiques aux

bornes d'une

branche du

parafoudre pendant

l'écoulement

de la surtension

caractéristiques

aux bornes d'une

branche du

parafoudre en

fonctionnement

normal (50Hz,

230/400V

le courant maximal de décharge : Imax