WOW !! MUCH LOVE ! SO WORLD PEACE !
Fond bitcoin pour l'amélioration du site: 1memzGeKS7CB3ECNkzSn2qHwxU6NZoJ8o
  Dogecoin (tips/pourboires): DCLoo9Dd4qECqpMLurdgGnaoqbftj16Nvp


Home | Publier un mémoire | Une page au hasard

 > 

Etude et dimensionnement d'une centrale photovoltaique pour l'alimentation d'un quartier residentiel


par Glodi MBWAMA BINAMEN
 -  2019
  

Disponible en mode multipage

Bitcoin is a swarm of cyber hornets serving the goddess of wisdom, feeding on the fire of truth, exponentially growing ever smarter, faster, and stronger behind a wall of encrypted energy

EPIGRAPHE

«LA SIMPLICITE EST LE SECRET DE LA REUSSITE»

André Rochette

IN MEMORIAM

La mort est certaine mais l'heure de la mort est incertaine. C'est en sachant que nous sommes poussière et nous retournerons à la poussière que notre coeur roule des larmes.

A notre regretté grand-père Robert HEMBAL YAM, que vous soyez immortalisé par ce travail. Vos empreintes restent à jamais marquées dans le souvenir de nos pensées. C'est aujourd'hui plus que jamais que nous apprécions la valeur de vos efforts, la justesse de votre éducation et le caractère précieux de vos conseils.

A vous mes amis ingénieurs, Jean-Claude MULONGO NSHIMBA appelé affectueusement JSPACK, Gustave TSHIBEMBA KAZUMBA appelé affectueusement couso, morts au combat, vous resterez gravé dans nos coeurs.

Glodi MBWAMA BINAMEN

DEDICACE

Nous dédions ce digne travail :

A nos parents qui sont nos dieux sur terre,

Damas MBWAMA BINAMEN qui est mon père,Patience HEMBAL MVULA qui est ma mère,

Henry NKATA HAWANG et Eugénie HEMBAL ANGUIL que je considère comme étant mes deuxièmes parents,

A nos frères et soeurs ; Donald NKATA HEMBAL IBRA, Christelle NKATA ABIM, Danielle NKATA MVULA, Gradi NKATA MVULA, Henock et Exaucé MBWAMA, Keren MBWAMA qui ont été d'une aide très importante dans mon parcours académique.

A nos proches amis : Véronique KIKUMBI MUSESE, Isaac MUKEKWA MUZAZA, Eben ezer TSHINGULI KAPENDA, Lazard NYEMBO SELEMANI, Justine ILUNGA WA ILUNGA NKULU, pour leurs conseils, leurs présences et leurs amour.

Glodi MBWAMA BINAMEN

REMERCIEMENTS

Mes remerciements s'adressent en premier lieu au Dieu tout puissant de m'avoir donné le souffle de vie, la forcer d'achever mon premier cycle, de nous avoir soutenu durant notre parcourt et aussi la force d'achever ce travail de fin de cycle.

Nous témoignons de notre profonde gratitude à l'Ir. Ass Kelly NGWEJ, pour avoir accepté de coordonner l'avancement de ce travail et qui, malgré ses multiples occupations a bien voulu faire le suivi de ce présent travail.

Nous remercions le corps académique et professoral de l'Institut supérieur des techniques appliquées (ISTA/KOLWEZI) pour l'amour, effort fournis, pour l'encadrement dont nous bénéficions et cela même dans les moments les plus difficiles.

Notre gratitude s'adresse également aux familles HEMBALE, ALOMBONG, mes cousins Elie KILUI, Jonas KINGILI, Reagan MAYAMBA.

Nous n'oublions pas nos très chers condisciples avec qui nous avions passé des très belles années académiques riches en émotion, plus particulièrement, Moise MUCINENU KANGABU, parfait MBANGU NGWEJ, Berger TSHIHWISA KESHIJINA, Gabrielie WIMBU CATHERINE, Jeef BINYANGA MUPANDISHI, Patient TSHENDA TAWA, Don KAYAL RUPAS, Christian MWISANGE BENATARD, Daniel KAYUMBA SAMBO, Marc TSHILANDA ULOMBO, Asser KAMWASH KATAMB, Gédéon MUTOMBO KAZADI, Judo ILUNGA MBAYO, Chadrack BANZE KINAMASHINDA, Joël MWEPU WA KAFUKU, Jeanpie LAYLAY KABENGU, Paul NGOY KANKOMBA, Sage KIBWE MUDIKETE, Didier MONGA MUKANDJILA, Alain MWAMBA MATEYA, Trésor NAWEJ NGWEJpour tous les moments vécus ensemble au sein de la promotion.

Au terme de ce travail, nous exprimons notre gratitude et notre reconnaissance à toutes les personnes qui de près ou de loin, ont contribué à sa réalisation, par leurs encouragements, leurs prières, leurs aides si précieuses et par leur soutien matériel et moral.

Glodi MBWAMA BINAMEN

TABLE DES MATIERES

EPIGRAPHE Erreur ! Signet non défini.

IN MEMORIAM ii

DEDICACE iii

REMERCIEMENTS iv

TABLE DES MATIERES vi

LISTE DES FIGURES viii

LISTE DES TABLEAUX ix

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE I : GENERALITES SUR L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE 4

I.1 INTRODUCTION 4

I.2. HISTORIQUE DE L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE 4

I.3 CELLULE PHOTOVOLTAIQUE 5

I.3.1.Définition d'une cellule solaire 5

I.3.2. Le principe de fonctionnement d'une cellule solaire 5

I.3.3 Caractéristique d'une cellule photovoltaïque 6

I.3.4. Facteur forme d'une cellule photovoltaïque 7

I.3.5. Rendement d'une cellule photovoltaïque 7

I.4. STRUCTURE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES 8

I.5. GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE 9

I.6.DIFFERENTES CONFIGURATIONS DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES. 11

I.6.1. Systèmes à couplage direct 11

I.6.2. Systèmes autonome avec batterie 12

I.6.3. Systèmes fonctionnant au fil du soleil 12

I.6.3. Systèmes avec appoint électrique 12

I.7 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L'ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE 12

I.8.CONCLUSION 14

CHAPITRE II : PRESENTATION DE LA STRUCTURE POUR LA CONCEPTION DE LA CENTALE PHOTOVOLTAIQUE 15

II.1 INTRODUCTION 15

II.2 LES ELEMENTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE 16

II.2.1 Les modules photovoltaïques 16

II.2.2 Le régulateur de charge et de décharge 17

II.2.3 Les batteries d'accumulation 19

II.2.4 L'onduleur 20

II.2.5 Les câbles électriques 21

II.3 Conclusion 22

CHAPITRE III : PRESENTATION DE LA ZONE DU PROJET ET DIMENSIONNEMENT DE LA CENTRALE PHOTOVOLTAÏQUE 23

III.1 Introduction 23

III.2 Présentation de la zone du projet 23

III.3 Situation géographique du quartier Joli site/Aeroport 25

III.4 PROCEDURE DE DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME 26

III.3.1 Marche à suivre 26

III.4 Calcul de dimensionnement 34

III.4.1 Evaluation du besoin énergétique du site 34

III.4.2 Définition des modules photovoltaïques 36

III.4.3 Dimensionnement et choix des batteries de stockage 37

III.4.3 Dimensionnement et choix du régulateur 39

III.4.4 Dimensionnement et choix de l'onduleur 39

III.5 Représentation schématique de la centrale photovoltaïque 40

III.5.1 Schéma de puissance 40

III.6 Conclusion 41

CONCLUSION GENERALE 42

ANNEXES 43

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 45

LISTE DES FIGURES

Figure 1 Caractéristique i-v d'une cellule photovoltaïque 3

Figure 2 Caractéristique puissance-tension d'une cellule photovoltaïque 7

Figure 3 Structure d'une cellule photovoltaïque 9

Figure 4 Schéma synoptique d'une installation photovoltaïque 11

Figure 5 Figure 5 : Représentation synoptique de la structure d'un système photovoltaïque avec stockage 15

Figure 6 Représentation synoptique de la structure d'un système photovoltaïque sans stockage 15

Figure 7 Exemple d'une connexion en série-parallèle 16

Figure 8 Géolocalisation sur la carte de la ville de Kolwezi 24

Figure 9 Diagramme 1 taux d'ensoleillement de la ville de Kolwezi 26

Figure 10 Représentation schématique de la centrale photovoltaïque 40

Figure 11 fiche technique du panneau photovoltaïque 43

Figure 12 fiche technique de la batterie 43

Figure 13 onduleur 44

Figure 14 cellule monocristalline 44

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 taux d'ensoleillement de la ville de Kolwezi 3

Tableau 2 Consommation énergétique journalière d'un ménage 35

Tableau 3 Consommation énergétique journalière du quartier 36

Tableau 4 Calcul de la puissance crête du champ photovoltaïque 36

Tableau 5 Détermination du nombre des modules 37

Tableau 6 la puissance crête à installer 37

Tableau 7 Détermination de la capacité totale des batteries 38

Tableau 8 Détermination du nombre des batteries 38

Tableau 9 Détermination du courant maximal 39

Tableau 10 Détermination de la puissance de l'onduleur 39

INTRODUCTION GENERALE

Pour assurer le développement durable, faire reculer la pauvreté tout en laissant en héritage aux générations futures un environnement viable, il est indispensable de faire la promotion des énergies renouvelables.

La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir, en effet l'énergie est un facteur essentiel au développement économique, dans tous les pays du monde. Son importance relative s'accroit avec les progrès techniques, l'industrialisation et le besoin de confort moderne. L'augmentation de sa production est synonyme d'amélioration de la qualité de vie et de création de richesse.

De nos jours, une grande partie de la production mondiale d'énergie est assurée à partir des énergies fossiles, la consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. Le danger supplémentaire est qu'une consommation excessive du stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type d'énergie de façon dangereuse pour les générations futures, et aussi face aux multiples crises économiques et pétrolières la science s'est intéressée aux ressources dites renouvelables qui constituent un secteur stratégique et occupent une place qui privilégiera les domaines de recherche et développement.

Le taux national d'électrification de la République Démocratique du Congo (RDC) est actuellement de 9%, et d'un % seulement si l'on tient uniquement compte du monde rural (76,8% de la population congolaise). Or comme il a souvent été dit, la R.D.C dispose d'immenses réserves énergétiques. En effet, en plus d'avoir le sous-sol riche en minerais, ce pays possède en outre suffisamment de potentiel énergétique pour alimenter en électricité les trois quarts du continent africain.

En pratique, d'autres coins de la ville de Kolwezi souffrent de délestage, nuisant au fonctionnement des services de base telle que la santé et l'éducation ces délestages pénalisent également l'économie en paralysant le secteur privé. Ils plongent aussi de grandes régions dans l'obscurité totale, laissant les populations se débrouiller à la bougie ou aux lampes torches pour l'éclairage.

Bien que le potentiel électrique de la R.D.C soit très élevée, il serait onéreux d'interconnecter le pays entier car les distances sont trop importantes et les infrastructures de base telles les routes, à peine existantes. Face à ces défis de connectivité, les énergies renouvelables ont un avantage comparatif avéré.

Le principal atout des énergies renouvelables réside dans le fait qu'elles peuvent être localisées sur un point précis sur ou hors réseau et engendrer un impact tangible et immédiat. Dans la plupart des cas, elles évitent aussi ainsi la santé humaine et favorisent la protection de l'environnement.

Une centrale photovoltaïque bien dimensionnée comme sera expliqué dans les pages qui suivent, sera capable de donner à un quartier résidentiel l'énergie nécessaire en basse tension pour l'éclairage des ménages, le branchement des appareils de faible puissance comme (un poste téléviseur, un lecteur DVD, un congélateur, une plaque chauffante, un chauffe-eau, les lampes économiques,...)

La centrale photovoltaïque est très importante pour les cités, quartiers et les villages qui sont situés à une grande distance des villes, surtout en Afrique pour la simple raison que la demande des grandes puissances est faible, et les activités industrielles presque inexistantes.

Notre objectif est de mettre au point l'alimentation permanente en énergie électrique dans un quartier résidentiel qui est le quartier joli site/Aéroport, qui n'a jamais vu dans son sein le courant électrique, s'inspirant de notre position géographique, nous avons été poussé de faire le choix du sujet, et surtout avec l'utilisation des énergies qui battent leur plein présentement et qui annoncent beaucoup d'espoir pour les années à venir, et pour être à la page avec les exigences de la mondialisation, notre pays de la RDC étant au centre de l'Afrique, donc nous disposons de l'un des meilleurs ensoleillements du monde.

Selon la commission internationale d'Energie, notre pays a comme ensoleillement qui varie entre 4,2kW/H/Jour/m² à 6,5kW/H/Jour/m², d'où nous avons une des bonnes lumières du soleil au monde qui est loin supérieur à la moyenne de 2kW/H/Jour/m² à 4kW/H/Jour/m² reçue en Europe, au canada et dans tout le nord des Etats-Unis.

L'énergie solaire photovoltaïque est une possibilité de développement efficace et durable. C'est pour cela que les recherches scientifique se développent dans le sens de généraliser, améliorer et optimiser l'exploitation des systèmes solaires. L'optimisation des systèmes solaires est basée sur des dimensionnement et de maximisation de la puissance générée pour avoir un bon rendement.

C'est ainsi que nous proposons une solution pour aider la population du quartier joli site/Aéroport en mettant en place une centrale photovoltaïque pour les alimenter en énergieélectrique. D'où notre sujet s'intitule : Etude et dimensionnement d'une centrale photovoltaïque pour l'alimentation d'un quartier résidentiel. « Cas du quartier Joli site/Aéroport à Kolwezi »

Hormis l'introduction et la conclusion notre travail notre travail sera subdivisé en trois chapitre à savoir :

Chapitre I. Générâtes sur l'énergie photovoltaïque

Chapitre II. Présentation de la structure pour la conception de la centrale photovoltaïque

Chapitre III. Présentation de la zone du projet et dimensionnement de la centrale photovoltaïque.

CHAPITRE I : GENERALITES SUR L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE

I.1 INTRODUCTION

L'énergiephotovoltaïquerésulte de la transformation directe de la lumière du soleil en énergieélectrique aux moyens des cellules généralement à base de silicium cristallin qui reste le filière la plus avancé sur le plan technologique et industriel, en effet le silicium est l'un des éléments les plus abondants sur terre sous forme de silice non toxique par définition le mot ·photovoltaïque· vient du grec ·photo· qui signifie lumière et de ·voltaïque· qui tire son origine du nom d'un physicien italien Alessandro Volta (1754-1827) qui a beaucoup contribué à la découverte de l'électricité, alors le photovoltaïque signifie littéralement la lumière électricité.

I.2. HISTORIQUE DE L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE

Historiquement, lorsque le développement de l'énergie solaire a atteint un niveau de maturité permettant son utilisation à grande échelle, c'est vers les mini-réseaux d'alimentation de villages et zones entiers que les solutions techniques d'électrification collective ont été orientées. Il est certain que solution du mini-réseau alimenté par énergie solaire présente un ensemble d'avantages qui motive le choix de ce travail. Le photovoltaïque apparait comme une source d'électricité adaptée aux besoins énergétiques limites.

Quelques dates importantes dans l'énergie photovoltaïque :

1839 : Le physicien français Edmond Beckereldécouvre l'effet photovoltaïque.

1875 : Werner Von Siemens expose devant l'académie des sciences de Berlin un article sur l'effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs.

1954 : Trois chercheurs américainsChapin, Peason et Prince fabriquent une cellule photovoltaïque.

1958 : Une cellule avec un rendement de 9% ; les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l'espace.

1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïque est construite à l'université de Delaware.

1983 : La première voiture alimentée en énergiephotovoltaïque parcourt une distance de 4000km en Australie.

I.3 CELLULE PHOTOVOLTAIQUE

La cellule photovoltaïque constitue l'élément de base du générateurphotovoltaïque, c'est un dispositif optoélectronique de conversion de l'énergiesolaire en énergie électrique. Elle est réalisée à base de matériaux semi-conducteurs généralement le silicium.

I.3.1.Définition d'une cellule solaire

La cellule PV ou encore photopile est le plus petit élément d'une installation photovoltaïque. Elle est composée de matériau semi-conducteur et transforme directement l'énergie lumineuse en énergie électrique. Les cellules photovoltaïques sont constituées :

Ø D'une fine couche semi-conductrice (matériau possède une bande interdite, qui joue le rôle de la barrière d'énergie que les électrons ne peuvent franchir sans une excitation extérieure, et dont il est possible de faire varier les propriétés électroniques) tel que le silicium, qui est un matériau présentant une conductivité électrique relativement bonne.

Ø D'une couche antireflet permettant une pénétration maximale des rayons solaires.

Ø D'une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d'un métal conducteur sur le dessous ou anode.

Ø Les plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissants justes en dessous du semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps dans celui-ci pour améliorer le rendement.

I.3.2. Le principe de fonctionnement d'une cellule solaire

Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l'énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants :

Ø Absorption des photons (dont l'énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;

Ø Conversion de l'énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création du pair électron/trou dans le matériau semi -conducteur ;

Ø Collecte des particules générées dans le dispositif ;

Le matériau constituant la cellule photovoltaïque doit donc posséder deux niveaux d'énergie et être assez conducteur pour permettre l'écoulement du courant d'où l'intérêt des semi-conducteurs pour l'industrie photovoltaïque. Afin de collecter les particules générées, un champ électrique permettant de dissocier les paires électron/trou créés est nécessaire. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction P-N. d'autres structures, comme les hétérojonctions et les Schottky sont également utilisées.

I.3.3 Caractéristique d'une cellule photovoltaïque

I.3.3.1 Caractéristique i-v d'une cellule photovoltaïque

Eclairée par le rayonnement solaire, une cellule photovoltaïque est décrite par sa courbe caractéristique qui retrace le courant quel débite en fonction de la tension à ses bornes.

Figure 1 Caractéristique i-v d'une cellule photovoltaïque

Si on branche aux bornes de la cellule photovoltaïque une charge résistive, alors le point de fonctionnement sera déterminé par l'intersection de la caractéristique I-V et la droite de charge I=V/R sur cette courbe, on distingue les zones suivantes :

A : est le point de fonctionnement nominal, il correspond au de puissance maximale.

MB : cette zone correspond aux charges de faibles impédances, dans ce cas, la cellule se comporte comme un générateur de courant.

CN : cette zone, par contre, correspond aux charges à impédances élevées, la cellule se comporte comme un générateur de tension.

I.3.3.2 Caractéristique puissance-tension d'une cellule photovoltaïque

La caractéristique puissance-tension (P-V) d'une cellule photovoltaïque est obtenue à partir de sa caractéristique courant-tension (I-V) comme la montre la figure ci-dessous

Figure 2 Caractéristique puissance-tension d'une cellule photovoltaïque

La puissance générée par une cellule photovoltaïque est donnée par :

I.3.4. Facteur forme d'une cellule photovoltaïque

C'est le rapport entre la puissance maximale débitée et la puissance optimisée d'une cellule photovoltaïque, il est donné par l'expression suivante :

I.3.5. Rendement d'une cellule photovoltaïque

Le rendement d'une cellule est le rapport entre puissance maximale disponible et la puissance du rayonnement incident, il est donné par :

Avec :

Ø Pm : Puissance maximale débitée par cellule photovoltaïque (W)

Ø Im : courant au point de puissance maximale de la cellule photovoltaïque (A)

Ø Vmp : Tension au point de puissance maximale de la cellule photovoltaïque (V)

Ø Pi : Puissance incidente sur la surface de la cellule photovoltaïque (W)

Ø G : Eclairement global incident sur la cellule photovoltaïque (W/m²)

Ø S : Surface totale de la cellule photovoltaïque (m²)

Les principaux facteurs qui limitent le rendement d'une cellule photovoltaïque sont :

Ø Absorption incomplète des photons : seuls les photons d'énergie supérieure à Eg sont absorption. Eg représente l'énergie.

Ø Excès d'énergie : l'Energie en excès ( des photons qui sont absorbés ne sert pas à générer les paires électrons trous. Elle est perdue sous forme de chaleur.

Ø Réflexion à la surface : une partie seulement du flux incident est absorbée dans le matériau. L'autre partie, réfléchie par la surface, est généralement perdue, cette perte qui dépend du semi-conducteur peut êtreréduite par des traitements de surface pour forcer le rayonnement dans le semi-conducteur.

I.4. STRUCTURE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES

Une cellule photovoltaïque en présence de lumière, ou plus exactement de photons, est capable d'orienter les électrons de façon à créer une différence de potentiel et ainsi de générer une tension électrique (Energie photovoltaïque). La couche supérieure de la cellule photovoltaïque est composée de silicium (figure). Elle contient une quantité particulièrement importante d'électrons libres, donnant une charge négative.

La couche inferieure, elle aussi composée de silicium, contient une quantité d'électrons libres inferieure à la normale, donnant ainsi une charge positive. C'est lorsque les deux couches entrent en contact qu'une zone de charge se crée et génère un champ électrique.Les cellules photovoltaïques sont composées d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs et permettent la conversion directe de l'énergie solaire en énergieélectrique.

Figure 3 Structure d'une cellule photovoltaïque

1) Electrode négative.

2) Electrode positive.

3) silicium dopé N.

4) Silicium dopé P.

5) Couche limite.

Pour provoquer cet effet photoélectrique, le matériau semi -conducteur doit être«dopé». Du fait de l'apport d'éléments chimiques, deux couches se forment, une couche conductrice P avec un excédent de porteurs de charge positifs et une couche conductrice Navec un excédent de porteurs de charge négatifs. Du fait de ce déséquilibre, un champ électrique interne se forme et provoque une séparation de charge en cas d'incidence de lalumière. Les porteurs de charge ainsi libérés peuvent être évacués par des contacts métalliques et utilisés directement comme courant continu (DC) par un appareil électrique ou être alimentés dans le réseau comme courant alternatif (AC) via un convertisseur intercalé.

Pour les capacités plus élevées, les cellules photovoltaïques sont la plupart du temps interconnectées au module. Pour la fabrication de cellules photovoltaïques, on utilise actuellement avant tout du silicium, car c'est le second élément le plus courant sur terre et donc bon marché à valoriser. En plus du silicium, d'autres éléments, comme le cuivre, le gallium ou le cadmium, trouvent leur utilisation dans le photovoltaïque.

I.5. GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE

La tension générée par une cellule photovoltaïqueétanttrès faible (environ 0,6), pour avoir des tensions compatibles avec les charges à alimenter, il doit associer en série plusieurs cellules. Celles-ci sont encapsulées dans une même structure pour former un module photovoltaïque.

L'encapsulation ainsi réalisée va avoir deux rôles principaux :

Ø Protections des cellules contre les agressions extérieures (chocs, humidité, corrosion, poussière, etc.).

Ø Contrôle de température des cellules qui va permettre une bonne dissipation vers l'extérieur de la partie de l'énergie incidente qui n'est pas transformée en énergie électrique.

Actuellement la puissance d'un module photovoltaïqueest de quelques Watt crêtes à quelques dizaines de watt crêtes. Pour obtenir des puissances supérieures, il est nécessaire d'associer en série et/ ou en parallèle des modules formant ainsi un générateur photovoltaïque.

En général ces modules ne sont pas identiques, on considère que tous les modules d'un mêmegénérateur, sont identifiés et travaillent dans les mêmes conditions de température et d'éclairement.

Les chutes de tension dans les conducteurs qui assurent l'interconnexion des modules sont négligeables.

En général ces modules ne sont pas identiques, on considère que tous les modules d'un même générateur, sont identiques et travaillent dans les mêmes conditions de température et d'éclairement.

Les chutes de tension dans les conducteurs qui assurent l'interconnexion des modules sont négligeables.

En se basant sur ces suppositions, la caractéristique I-V d'un générateur est obtenue directement de celle du module en considérant :

Avec :

Ø Ipv : le courant du générateur

Ø Vpv : la tension du générateur

Ø Np : le nombre de modules associés en parallèle

Ø Ns  : le nombre de module en série

I.6.DIFFERENTES CONFIGURATIONS DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES.

Généralement une installation photovoltaïque comprend les éléments suivants (figure 4) :

Ø Un générateurphotovoltaïque ;

Ø Un convertisseur continu/continu (DC/DC) ;

Ø Un convertisseur continu/alternatif (DC/AC) ;

Ø Un système de régulation et stockage ;

Ø Une source auxiliaire d'appoint.

Figure 4 Schéma synoptique d'une installation photovoltaïque

I.6.1. Systèmes à couplage direct

Les systèmes photovoltaïques à couplage direct sont représentés par les blocs (1-4) de la figure précédente. La charge de type continu est alimentée directement par le GPV, car la production d'énergie est suffisante pour le fonctionnement de la charge. La tension de travail est fixée par le nombre de modules placés en série et par la valeur de l'impédance de charge.

I.6.2. Systèmes autonome avec batterie

Ces systèmes sont représentés par les blocs (1-4-3) dans le cas où la charge est de type continu et les blocs (1-3-5-6) si la charge et de type alternatif. La batterie sert à stocker de l'énergie produite par le GPV, alors l'énergie peut être utilisée de tout temps, même en l'absence de rayonnement solaire.

I.6.3. Systèmes fonctionnant au fil du soleil

Ce type de systèmes fait intervenir des convertisseurs de type continu/continu ou continu/alternatif. Ils sont représentés respectivement par les blocs (1-2-4) ou (1-5-6). Le convertisseur continu/continu permet de faire une adaptation d'impédance entre le générateur photovoltaïque (GPV) et la charge de type continu. Si la charge est de type alternatif, le convertisseur continu/alternatif est introduit.

I.6.3. Systèmes avec appoint électrique

Dans ces systèmes, on introduit des générateurs auxiliaires qui n'interviennent qu'en cas d'insuffisances d'énergiesélectriques (manque de rayonnement solaire ou batteries déchargées), ces générateurs auxiliaires peuvent être de type continu et ; ou de type alternatif.

Les sources auxiliaires peuvent être alimentées soit par le réseau soit par une autre source d'énergie (exemple : le groupe électrogène).

I.7 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L'ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE

Les systèmes photovoltaïques présentent un grand nombre d'avantages et d'inconvénients qui sont :

Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs avantages:

Ø Ils sont non polluants sans émissions ou odeurs discernables.

Ø Ils peuvent être des systèmes autonomes qui fonctionnent sûrement, sans surveillance pendant de longues périodes.

Ø Ils n'ont besoin d'aucun raccordement à une autre source d'énergie où à un approvisionnement en carburant.

Ø Ils peuvent être combinés avec d'autres sources d'énergie pour augmenter la fiabilité de système.

Ø Ils peuvent résister à des conditions atmosphériques pénibles comme la neige et la glace.

Ø Ils ne consomment aucun combustible fossile et leur carburant est abondant et libre.

Ø Une haute fiabilité car l'installation ne comporte pas de pièces mobiles, ce qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées, d'où son utilisation sur les engins spatiaux.

Ø Le système modulaire de panneaux photovoltaïques permet un montage adaptable à des besoins énergétiques variés ; les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications allant du milliwatt au mégawatt.

Ø La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologiques car le produit et non polluant, silencieux, et n'entraîne aucune perturbation du milieu.

Ø Ils ont une longue durée de vie.

Ø Les frais et les risques de transport des énergies fossiles sont éliminés.

Pour les inconvénients nous citons :

Ø La fabrication des modules photovoltaïques relève de la haute technologie, ce qui rend le coût très élevé.

Ø Le rendement réel d'un module photovoltaïque et de l'ordre de 10 à 15 %.

Ø Ils sont tributaires des conditions météorologiques.

I.8.CONCLUSION

Dans ce chapitre nous avons présenté le principe de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique par cellule photovoltaïque, ainsi que les différentes configurations des systèmes photovoltaïques; à savoir les panneaux photovoltaïques.

CHAPITRE II : PRESENTATION DE LA STRUCTURE POUR LA CONCEPTION DE LA CENTALE PHOTOVOLTAIQUE

II.1 INTRODUCTION

On distingue généralement deux types de système photovoltaïque : les systèmes photovoltaïques avec stockage électrique et les systèmes photovoltaïques sans stockage électrique ou système au fil du soleil. La différence entre ces deux systèmes est que le second ne contient pas des batteries accumulateurs. Nous présenterons donc sur les figures ci-dessous un système avec stockage d'énergie et un système sans stockage d'énergie souvent utilisé pour les pompages d'eau.

Figure 5 Figure 5 : Représentation synoptique de la structure d'un système photovoltaïque avec stockage

Figure 6 Représentation synoptique de la structure d'un système photovoltaïque sans stockage

II.2 LES ELEMENTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE

II.2.1 Les modules photovoltaïques

Les modules sont un assemblage de photopile (ou cellule) montée en série, afin d'obtenir la tension désirée (12V, 24V ...).La cellule photovoltaïque est l'élément de base dans la conversion du rayonnement. Plusieurs cellules sont associées dans un module qui est la plus petite surface de captation transformable, montable et démontable sur un site. Les modules sont regroupés en panneaux, qui sont à leur tour associés pour obtenir des champs photovoltaïques selon les besoins. Les cellules photovoltaïques sont réalisées principalement par le silicium cristallin, qui est utilisé sous forme monocristalline ou multi-cristalline en plaquette ou en ruban ou encore en couches semi-minces sur substrat selon les technologies récentes.

Les modules sont associés en série et en parallèle pour obtenir des puissances importantes et la tension voulue.

II.2.1.1 Interconnexion des panneaux photovoltaïques

Tous les panneaux à interconnecter doivent être égaux, c'est-à-dire, ils doivent être de la même marque et avoir les mêmes caractéristiques.

L'interconnexion des panneaux se fait, premièrement, à travers l'association de panneaux en série pour obtenir le niveau de tension souhaité ; et plus tard, à travers l'association en parallèle de plusieurs associations en série pour obtenir le niveau de courant souhaité

Figure 7 Exemple d'une connexion en série-parallèle

II.2.2 Le régulateur de charge et de décharge

Le régulateur électronique dans un système photovoltaïque gère la charge et la décharge de la batterie. Il limite la tension de la batterie afin d'éviter une surcharge, en déconnectant la batterie trop chargée des modules PV. Quand la batterie est trop déchargée, il ralentit la décharge par délestage de l'utilisation, par un disjoncteur automatique pour la protéger contre la décharge profonde.

Dans un système PV, en l'absence d'un régulateur, les accumulateurs seront exposés à une perte d'eau donc un vieillissement prématuré et à la sulfatation des plaques.

Le régulateur dans un système photovoltaïque peut assurer aussi le rôle de la compensation thermique. Il est situé entre le champ de modules et les batteries accumulateurs.

Les fonctionnalités classiques des régulateurs solaires sont :

Ø Affichage du niveau de charge

Ø Affichage des incidents (surcharge, décharge profonde, court-circuit)

Ø Protection contre la surcharge

Ø Protection contre la décharge profonde

Ø Protection contre les court-circuits

Ø Protection des panneaux solaires photovoltaïques (contre les retours de charges électriques)

Ø Protection thermique (sonde des batteries)

II.2.2.1 Différents types de régulateur

Ø Régulateur parallèle : Il régularise la surcharge. Il est indiqué pour des petites installations solaires photovoltaïques.

Ø Régulateur série : Il régularise la surcharge et la décharge. Son interrupteur peut être électromécanique ou statique. Il peut incorporer des autres fonctions (alarme, interruption nocturne, etc.)

Les régulateurs utilisés sont de type série : ils déconnectent l'ensemble de panneaux de la batterie pour éviter la surcharge ; et les équipements de consommation pour éviter la surdécharge. Cette déconnexion se fait à travers interrupteurs qui peuvent être des dispositifs électromécaniques (des relais, des contacteurs, etc.) ou des dispositifs d'état solide (un transistor bipolaire, etc.).

Afin de protéger la batterie de la surcharge, l'interrupteur s'ouvre quand la tension de la batterie atteint sa tension d'arrêt de la charge, et se ferme de nouveau quand la batterie retourne à la tension de réinitialisation de charge. La tension d'arrêt de la charge est environ 2,45V par chaque élément de la batterie à 25°C.

En ce qui concerne la surdécharge, l'interrupteur s'ouvre quand la tension de la batterie est inférieure à la tension d'arrêt de la décharge, et se ferme quand la batterie retourne à la tension de réinitialisation de décharge. La tension d'arrêt de la décharge est environ 1,95V par chaque élément.

II.2.2.2 Paramètres qui définissent un régulateur

Ø Tension de travail : 12, 24 ou 48 V etc.

Ø Intensité maximale : Elle doit être supérieure au courant maximal du générateur photovoltaïque

Le fabricant fournit aussi des autres données d'intérêt :

Ø Les valeurs de la tension d'arrêt de la charge (surcharge) et de la tension d'arrêt de la décharge (surdécharge).

Ø L'existence de compensation avec la température. Les tensions qui indiquent l'état de charge de la batterie changent avec la température, et c'est pour cette raison que quelques régulateurs mesurent la température et utilisent cette information pour corriger les tensions de surcharge.

Ø L'instrumentation de mesure et ses indicateurs : les régulateurs ont souvent un voltmètre qui mesure la tension de la batterie et un ampèremètre qui mesure le courant. La plupart d'eux ont des indicateurs qui notifient certaines situations comme : le bas état de charge de la batterie, déconnexion des panneaux avec la batterie, etc.

II.2.3 Les batteries d'accumulation

La batterie a pour fonction le stockage d'une partie de l'énergie produite par les panneaux (c'est-à-dire, la portion d'énergie qui n'est pas immédiatement consommée) afin qu'elle soit disponible dans des périodes où le rayonnement solaire est faible ou inexistant. Le stockage se fait sous la forme d'énergie électrique à travers l'usage de batteries, normalement de plomb-acide.

Une batterie est composée par l'association en série de plusieurs « éléments » ou « cellules », chacun d'eux comprenant deux électrodes de plomb dans une dissolution électrolytique. Entre les deux électrodes, une différence de potentiel de près de deux volts est établie, et la valeur instantanée dépend de l'état de charge de la batterie. Les batteries les plus utilisées pour les applications photovoltaïques sont de 2, 12 ou encore 24 volts de tension nominale.

La batterie a aussi ces deux importantes fonctions :

Ø Fournir une puissance instantanée supérieure à celle fournie par l'ensemble des panneaux et nécessaire pour la mise en place de quelques éléments.

Ø Déterminer la marge des tensions de travail de l'installation.

II.2.3.1 Fonctionnement de la batterie

La batterie répète de façon cyclique un processus d'accumulation d'énergie (charge) et fourniture d'énergie (décharge) en fonction de la présence ou de l'absence du soleil. Dans ce fonctionnement normal de la batterie on peut trouver deux pôles :

Ø Surcharge : La batterie atteint sa pleine capacité de charge. Si elle continue à recevoir de l'énergie, l'eau de la dissolution commence à se décomposer, en produisant de l'oxygène et de l'hydrogène (processus de gazéification).

Ø Décharge profonde : Il existe aussi une limite pour le processus de décharge, après lequel la batterie se détériore notamment.

C'est le régulateur qui doit prévenir l'entrée d'énergie au-dessus de la surcharge permise et aussi la consommation de plus d'énergie que cette prévue par la décharge profonde.

II.2.3.2 Paramètres de la batterie

Ø Capacité nominale : Elle est la quantité maximale d'énergie qui peut être retirée de la batterie. Elle s'indique en ampères heure (Ah) ou en wattheures (Wh). Puisque la quantité d'énergie qui peut être retirée dépend aussi du temps nécessaire pour le processus d'extraction (plus le processus est long, plus d'énergie on pourra obtenir), la capacité est souvent indiquée en fonction du temps de décharge. Dans le cas des applications photovoltaïques, ce temps doit être égal ou supérieur à 100 heures.

Ø Profondeur maximale de décharge : Elle est la valeur (indiquée en pourcentage) extraite d'une batterie totalement chargée dans une décharge. La profondeur est limitée par les régulateurs, qui sont habituellement calibrés pour qu'ils puissent permettre des profondeurs de décharge de la batterie d'environ 80 %. En fonction de la profondeur maximale de décharge permise, la batterie peut avoir plus ou moins de cycles de charge et décharge pendant toute sa durée d'utilisation. Le fabricant doit fournir des graphs où la relation entre la quantité de cycles et la durée de la batterie puisse être vue.

Ø Capacité utile ou disponible : Elle est la capacité qui peut être véritablement utilisée. Elle est égale au produit de la capacité nominale et de la profondeur maximale de décharge celle-ci divisée par un.

Les batteries sont connectées au régulateur électronique car elles sont chargées à travers le régulateur et elles alimentent les charges par le biais du même régulateur.

On associe plusieurs batteries en série pour obtenir une tension adaptée à l'utilisation et on les associe en parallèle pour avoir la capacité et la puissance nécessaire à l'autonomie désirée.

Le nombre de batterie sera déterminé à partir de l'autonomie désirée.

II.2.4 L'onduleur

La tension produite par les modules photovoltaïques est continue et celle fournie par les batteries pour l'alimentation des charges est aussi de nature continue. Dans ces conditions, il faudra intégrer obligatoirement un onduleur au système PV destiné à alimenter des charges alternatives.

L'onduleur est un convertisseur DC/AC, c'est-à-dire convertir la sortie continue (DC) du champ de module ou des batteries en électricité alternative (AC) standard comme celle fournie par la SNEL.

Il existe deux types de convertisseurs : quasi-sinus ou pur sinus. Le signal électrique émis par un onduleur quasi sinus est moins régulier que celui d'un pur sinus. Cela implique que l'utilisation d'un onduleur quasi sinus est recommandé avec les appareils électriques qui ne sont ni inductifs ni électroniques : éclairage à incandescence, fer à repasser, cafetière, plaques, four, convecteur, frigo, radio, TV cathodique,... Pour les autres appareils (écrans plasma ou LCD, ordinateurs, matériel de mesure,...) il est fortement recommandé d'utiliser de convertisseurs pur sinus.

II.2.4.1 Caractéristiques de fonctionnement les plus importants

Ø Tension et courant d'entrée/sortie

Ø Limites de la tension d'entrée

Ø Basse de consommation et haut rendement

Ø Puissance de sortie

Ø Capacité de surcharge (important quand il a accès au moteur)

Ø Facilité de réparation et la maintenance

Ø Fonctionnement dans les points de puissance maximale

Ø Conditions ambiantes (température de fonctionnement)

La puissance nominale doit être environ 2 et 3 fois la puissance des appareils à alimenter.

Un onduleur est fourni avec les câbles d'entrée CC de grosse section pour réduire les chutes de tension (il faut les connecter au régulateur ou à la batterie selon le cas, sans les rallonger).

II.2.5 Les câbles électriques

Les câbles relient électriquement tous les composants du système PV. Le câblage est un point critique de toute installation PV. Il est très important de bien dimensionner les conducteurs afin d'éviter la circulation d'un courant très fort dans les câbles même pour de petites puissances dans le cas d'utilisation de faibles tensions. Le choix des câbles dont l'enveloppe est adaptée aux conditions d'utilisation est nécessaire.

II.3 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté la différence entre les systèmes photovoltaïques avec stockage électrique et les systèmes photovoltaïques sans stockage électrique ou système au fil du soleil, les différents éléments constituant le système d'installation photovoltaïque et les différents paramètres des éléments

CHAPITRE III : PRESENTATION DE LA ZONE DU PROJET ET DIMENSIONNEMENT DE LA CENTRALE PHOTOVOLTAÏQUE

III.1 Introduction

La conception des systèmes photovoltaïques nécessite la connaissance du rayonnement solaire utile sur le site d'installation. Cette connaissance est un des paramètres essentiels de l'étude préalable dans le plan des panneaux solaires. Un système bien adapté nécessite l'évaluation du besoin énergétique des applications à alimenter qui se traduit par la puissance à mettre en oeuvre.

Le dimensionnement d'un système photovoltaïque autonome précis est un processus relativement complexe car il y a des nombreux paramètres à prendre en considération.

III.2 Présentation de la zone du projet

Située à 300 kilomètres à l'ouest de Lubumbashi dans l'un des plus riches bassins miniers des hauts plateaux du Katanga ( cuivre, cobalt, uranium, radium), Kolwezi fut créée en 1937 pour abriter le siège du Groupe Ouest de l'Union Minière du Haut-Katanga qui deviendra la Gécamines en 1967 suite à sa nationalisation.

Site que celle-ci exploite toujours aujourd'hui tant bien que mal, même si la donne et le marché ont entre-temps changé et vu arriver d'autres sociétés privées étrangères avec lesquelles elle est contrainte de collaborer ou sous-traiter. Et ce, suite à son lent déclin causé notamment par l'effondrement de la mine de Kamoto en 1990. Mais plus encore qu'à Likasi ou Lubumbashi, l'empreinte de l'ex toute puissante Gécamines est omniprésente à Kolwezi, dont elle a façonné non seulement les paysages industriels et urbains mais aussi l'histoire et les mentalités.

Tout le monde ici ou presque a en effet un lien avec l'ex « mère nourricière », et en vit (vivait) d'une manière ou d'une autre. Elle pourvoyait, et pourvoit toujours, à toute une série de besoins annexes pour ses cadres et employés et leurs familles: de l'école des enfants aux hôpitaux en passant par les centres de loisirs et de formation.

La Gécamines est partout à Kolwezi, ce qui lui a valu d'être considérée comme un « Etat dans l'Etat » à la grande époque.

Mais outre pour ses activités minières, Kolwezi est aussi tristement célèbre pour l'invasion des rebelles sécessionnistes katangais soutenus par l'Angola en 1978 et le fameux débarquement des parachutistes français et belges («  la légion saute sur Kolwezi »). Ceux-ci vont mater la rébellion qui se soldera tout de même par un millier de victimes, dont 170 Européens massacrés par les rebelles (d'où l'intervention des puissances étrangères à la demande de Mobutu).

Figure 8 Géolocalisation sur la carte de la ville de Kolwezi

La ville connaît par ailleurs un développement assez poussé, avec l'apparition de nouveaux quartiers comme « Joli Site » ou « Quartier latin »... De fait, la périphérie de Kolwezi est de plus en plus prisée par les sociétés minières étrangères qui y construisent des « compounds » en préfabriqué pour l'accueil et le confort de leurs agents. Au détriment de la « vieille ville » qui est délaissée au vu des importants investissements que cela nécessiterait. Et ce mouvement n'est pas près de s'arrêter et va résolument changer la face de la ville dans les années à venir avec des nouveaux axes routiers contournant la ville avec accès direct aux mines, et vraisemblablement l'implantation de commerçants dansces nouvelles zones.

La présence des nombreux étrangers en ville se marque aussi par l'augmentation significative en quelques années du nombre d'hôtels (GuestHouses souvent gérées par des sociétés minières d'ailleurs) et de restaurants qui proposent de la cuisine internationale (chinoise, libanaise, italienne, française...). Elle est en cela bien mieux lotie que Likasi.

III.3 Situation géographique du quartier Joli site/Aeroport

Ø Le quartier joli site est limité :

· A nord : par le chemin de fer et la route nationale 39

· sud : par le quartier golf plateau (confère : ISTM)

· L'Est : par un petit ruisseau, le quartier kamaniola et le quartier Diur

· l'Ouest : par la route RVA (la route qui mène vers l'Aeroport) et par le village musompo

Ø Les nombres de ménages :

· Le nombre de ménage du quartier joli site/Aeroport est de 1075 ménages

Système fixe : inclinaison= 14°, orientation =0 ° (optimal à l'orientation donnée)

Mois

G (kWh/m2)

Temps (heures)

Janvier

4.72

4.72

Février

4.92

4.92

Mars

5.81

5.81

Avril

6.35

6.35

Mai

6.74

6.74

Juin

6.78

6.78

Juillet

6.95

6.95

Aout

7.16

7.16

Septembre

6.98

6.98

Octobre

6.42

6.42

Novembre

4.97

4.97

Décembre

4.70

4.70

Moyenne annuelle

6.05

6.05

Tableau 1 taux d'ensoleillement de la ville de Kolwezi

Pour la ville de Kolwezi le mois de décembre constitue le mois le plus défavorable en termes d'irradiation globale et par conséquent c'est le mois qui nous donne un faible temps d'ensoleillement confer tableau ci-dessus

Figure 9Diagramme 1 taux d'ensoleillement de la ville de Kolwezi

III.4 PROCEDURE DE DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME

III.3.1 Marche à suivre

Le dimensionnement d'un système photovoltaïque autonome précis est un processus relativement complexe car il y a des nombreux paramètres à prendre en considération. Par exemple la consommation du régulateur de charge doit être ajoutée à celle des récepteurs pour définir la consommation totale du système. Or le choix du régulateur dépend de la taille du champ photovoltaïque, lui-même déterminé par la consommation des récepteurs.

Donc la conception d'un système photovoltaïque est le résultat d'une optimisation réalisée par itération.

Le dimensionnement se fait en passant par les étapes suivantes :

1. Détermination des besoins de l'utilisateur : puissance des équipements et durée d'utilisation ;

2. Définition de modules photovoltaïques : tension de fonctionnement, technologie, puissance totale à installer (puissance crête) ;

3. Définition de la capacité des batteries et choix de la technologie,

4. Dimensionnement et choix du régulateur ;

5. Choix de l'onduleur.

III.3.1.1 Détermination des besoins de l'utilisateur

1. Besoin énergétique des applications

Un système bien adapté nécessite l'évaluation du besoin énergétique des applications à alimenter qui se traduit par la puissance à mettre en oeuvre.

Le calcul de l'énergie nécessaire à l'application nécessite une nette compréhension de la différence existant entre la puissance et l'énergie.

Ces deux grandeurs sont donc reliées par le temps.

Avec :

Ø E : énergie

Ø P : puissance

Ø t : temps d'utilisation

L'énergie est le produit de la puissance par le temps.

La relation III.1 permet de calculer le besoin journalier en énergie d'une application qui est le produit de la puissance consommée par le temps d'utilisation par jour.

En effet, comme un système photovoltaïque fournit son énergie le jour, il est naturel de prendre la période de 24 heures comme unité de temps.

L'énergie E, est donc l'énergie électrique consommée en 24 heures par l'application et s'exprime en Watt- heure par jour (Wh/j). On l'appelle aussi consommation journalière.

Pour calculer la consommation totale du quartier, on calcule d'abord l'énergie électrique consommée en 24 heure d'un ménage puis on la multiple par le nombre de ménages

Ø L'énergie journalière à moyen terme

Avec :

Ø Et : Energie totaleconsommée par le quartier en Wh/j

Ø E1: Energie consommée par un ménage en Wh/j

Ø Nm : nombre des ménages

L'énergie journalière à long terme

Dans les années avenir le nombre des ménages pourrait augmenter de 40 à 50% sur ce nous allons prévoir une extension éventuelle en calculant avec le taux d'accroissement. Ce qui donne :

Avec :

Ø Nombre des ménages par extension

Ø M existant : ménages existants

Ø M extension de 50% : ménages par extension avec le taux d'accroissement de 50%

Ø Econs : Energie journalière consommée par le quartier en Wh/j

Ø E1 : Energie journalière consommée par un ménage en Wh/j

Ø Nmext : nombre des ménages par extension

III.3.1.2 Définition des modules photovoltaïques

1. Calcul de la puissance crête du photovoltaïque

Par définition, la puissance crête représente la puissance maximum fournie par une cellule lorsque :

Ø L'éclairement

Ø La température = 25 °

L'unité de cette puissance est le Watt crête, noté Wc.les constructeurs spécifient toujours la puissance crête d'un panneau photovoltaïque.

Cependant, cette puissance est rarement atteinte car l'éclairement est souvent inférieur à 1000 W/m2 et la température des panneaux en plein soleil dépasse largement les 25 °C.

La puissance crêtedépend de la quantitéénergétique produit par jour, du rayonnement solaire reçu dans le plan des modules et du coefficient de conversion.

La puissance crête du champ photovoltaïque est calculée par la formule suivante :

Avec :

Ø P: la puissance crête du champphotovoltaïque en Wc

Ø Et : Energie totale consommée par le quartier en Wh/j

Ø K : coefficient de conversion (k=O.65)

Ø Ej : l'ensoleillement du site en kWh/m2

Pour la ville de Kolwezi Ej= 4.7 kWh/m2 c'est l'ensoleillement du mois le plus défavorable.

2. Détermination du nombre des modules Nm

Pour déterminer le nombre des modules Nm, on se référera à la puissance crête du champ et aux caractéristiques d'un module.

Le nombre des modules du système est calculé par la formule suivante :

Avec :

Ø Nm : nombre des modules du système du champ photovoltaïque

Ø Pc : la puissance crête du champphotovoltaïque en Wc

Ø Pmod : la puissance crête d'un module photovoltaïque

Nombre des modules en série est calculé par la formule suivante :

Avec :

Ø Ns : le nombre des modules en série

Ø Usyst : la tension du système photovoltaïque en V

Ø Vmp : la tension à puissance maximale en V

Nombre des modules en parallèle est calculé par la formule suivante :

Avec :

Ø Np : le nombre des modules en parallèle

Ø Nm : le nombre des modules du champ photovoltaïque

Ø Ns : le nombre des modules en série

III.3.1.3Dimensionnement et choix des batteries de stockage

Pour une totale assurance des besoins en électricité par l'énergiephotovoltaïque, il est nécessaire de la stocker pour les périodes non ensoleillées. Le meilleur moyen et le plus pratique de ce stockage est généralement l'usage des batteries d'accumulateurs qui accumulent l'excédent de l'énergieélectrique puis la restitue en cas de besoin.

1. Autonomie sans apport solaire

On appelle nombre des jours d'autonomie sans apport solaire Nja, la durée de quelques jours pendant laquelle la batterie peut alimenter seule l'installation à toute période de l'année (les panneaux étant considérés comme absents). C'est sur cette base qu'on calculera la batterie.

La durée d'autonomie varie de 2 à 4 jours sans apport solaire pour les zones équatoriales. On réduira plus le risque en travaillant avec une autonomie de 4 jours sans apport solaire.

2. Calcul de la capacité batterie

La capacité nominale d'une batterie est donnée généralement pour une décharge en 10 heures notée 0 à la température standard de 25°C.

Pour calculer la capacité nominale en fonction de cette capacité souhaitée, on doit donc tenir compte de la profondeur de décharge autorisée.

Ø Profondeur de décharge : une batterie ne doit pas être déchargée en dessous d'un certain seuil, sinon on risque de l'endommager.

En pratique, en l'absence des problèmes de basses températures et pour un usage nominal de 4 jours d'autonomie, on appliquera une profondeur de décharge Pd de 0.8.

En tenant compte de ces deux coefficients de réduction c'est-à-dire des phénomènes de profondeur de décharge maximale, on calcule la capacité nominale de la façon suivante :

Avec :

Ø C : la capacité totale des batteries en Ah

Ø Nja : le nombre de jour d'autonomie

Ø Usyst : la tension du système photovoltaïque en V

Ø Et : l'énergie totale consommée par le quartier en Wh/j

Ø Pd : la profondeur de décharge 

Le nombre de batteries en série est calculé par la formule suivante :

Avec :

Ø Nbs : le nombre des batteries en série

Ø Usyst : la tension du système photovoltaïque en V

Ø Ubat : la tension d'une batterie en V

Le nombre de batteries en parallèle est calculé par la formule suivante :

Nbp = (III.11)

Avec :

Ø Nbp : le nombre des batteries en parallèle

Ø C : la capacité nominale

Ø Cbat : La capacité d'une batterie

III.3.1.4 Dimensionnement et choix du régulateur

Le régulateur est l'élément central d'un système photovoltaïque autonome car contrôlant les flux d'énergie et protège la batterie contre les surcharges et décharges profondes dues à l'utilisation.

Pour notre dimensionnement, nous adopterons un régulateur de charge série incorporant un interrupteur entre le générateur et l'accumulateur pour arrêter la charge.

Le régulateur sera dimensionné d'après la tension et le courant d'entré.

Ø La tension est celle du système photovoltaïque.

Ø Le courant est celui de charge maximale que les modules sont susceptibles de débiter à instant donné.

Le courant maximal que peut débiter notre système photovoltaïque est calculé par la formule suivante :

Imax = (III.12)

Avec :

Ø Pc : la puissance crête du système photovoltaïque en Wc

Ø Usyst : la tension du système photovoltaïque en V

III.3.1.5 Dimensionnement et choix de l'onduleur

L'onduleur est un dispositif électronique permettant la conversion du courant continu en courant alternatif avec un choix bien précis de la fréquence. Le signal généré est une onde carrée, sinusoïdale (parfaite),...

Le dimensionnement d'un onduleur se base sur la somme des puissances maximales de chaque équipement à alimenter dite puissanceactive.

La puissance de l'onduleur dite puissanceapparente sera légèrement supérieure à la puissance active pour tenir compte des éventuels courants de pointe élevés et du facteur de puissance cos ?

1. Quelques définitions

La puissance active P, correspond à la puissance électrique transportée entre le générateur et les récepteurs. Elle s'exprime en Watt (W)

La puissance apparente S, est la puissance de dimensionnement que l'onduleur fournira. Elle s'exprime en Volt - Ampère (VA)

La puissance réactive Q, signifie que les récepteurs mettent en jeu des phénomènes d'accumulation d'énergie électrostatique et électromagnétique. Ceci a lieu sans dépense d'énergie électrique, mais provoque des modifications aux valeurs instantanées des intensités essentiellement par le déphasage sur la tension appliquée. L'unité de cette puissance est le Volt-Ampère-réactif (VAR).

Le facteur de puissance cos ?, est le déphasage de l'intensité par rapport à la tension. Il est toujours compris entre 0 et 1. Soit 0 < cos ?< 1.

Un bon facteur de puissance est celui qui s'approche beaucoup plus de l'unité.

Pour notre dimensionnement, on prendra le cos ? de la SNEL qui est de 0,85

2. Calcul de la puissance apparente S

Le facteur de puissance est lié à la puissance active P et apparente S, par la relation :

La puissance réactive est le produit de la puissance apparente par le sinus de l'angle ?

La puissance apparente est :

III.4 Calcul de dimensionnement

III.4.1 Evaluation du besoin énergétique du site

Notre site a 1075 ménages comme dans les années avenir le nombre des ménages pourrait augmenter nous avons prévu une extension éventuelle en calculant avec le taux d'accroissement. Ce qui donne :

Comme hypothèse, nous prendrons la situation d'un ménagepour le calcul de la charge qu'on multipliera par la suite par le nombre des ménages du quartier pour l'obtention de la charge totale du quartier.

III.4.1.1 Consommation énergétique journalière d'un ménage

Pour nos calculs nous allons considérer le besoin énergétique d'un ménage de type moyen.

Appareil

Nombre

Puissance [W]

Durée d'utilisation [h]

Energie journalière [Wh/j]

Congélateur

1

240

24

5760

Fontaine

1

550

24

13200

Poste tv

1

114

10

1140

Poste radio

1

121

1

121

Ventilateur

1

75

2

150

Lecteur dvd

1

10

3

30

Total

 

1110

 

20401

Tableau 2 Consommation énergétique journalière d'un ménage

III.4.1.2 Consommation énergétique journalière du quartier

Pour trouver la consommation énergétiquejournalière du quartierEcons on va multiplier Energie journalière consommée par un ménageE1 par le nombre des ménages par extension

Energie journalière consommée par un ménage E1 [Wh/j]

Nombre des ménages par extension Nmext

Energie journalière consommée par le quartier Econs [Wh/j]

20401

1613

Econs = E1 Nmext

32906813

32906,813 kWh/j

Tableau 3 Consommation énergétique journalière du quartier

III.4.2 Définition des modules photovoltaïques

1. Calcul de la puissance crête du champ photovoltaïque

La puissance crête dépend de L'énergie journalière consommée par le quartier Econs, de l'ensoleillement du site et du coefficient de conversion k.

Energie journalière consommée par le quartier Econs [Wh/j]

Coefficient de conversion k.

Ensoleillement du site [kWh/m2]

puissance crête du système photovoltaïque [Wc]

32906813

0,65

4,7

Pc =

10771460,883

10771461

Tableau 4 Calcul de la puissance crête du champ photovoltaïque

2. Détermination du nombre de modules

Pour déterminer le nombre des modules Nm, on se référera à la puissance crête du champ et aux caractéristiques d'un module.

Pour notre dimensionnement nous optons un module des caractéristiques suivantes :

Ø Puissance crête du module : 405 W

Ø Tension Voc : 99 V

Ø Tension Vmp : 81 V

Ø Intensité Imp : 5 A

Ø Intensité Isc : 5,5 A

puissance crête du champ photovoltaïque

tension du système photovoltaïque [V]

nombre des modules du champ photovoltaïque Nm

nombre des modules en série Ns

nombre des modules en parallèle Np

10771461

240

Nm =

Ns =

Np =

26598

3

8866

Tableau 5 Détermination du nombre des modules

3. La puissance crête à installer

nombre des modules du champ photovoltaïque Nm

Puissance crête du module  

puissance crête à installer

26598

405

Pc = Nm

10772190

Tableau 6 la puissance crête à installer

III.4.3 Dimensionnement et choix des batteries de stockage

1. Calcul de la capacité des batteries

La capacité dépend de L'énergie journalière consommée par le quartier Econs, dunombre de jour d'autonomie profondeur de décharge  et tension du système photovoltaïque .

Pour notre dimensionnement nous optons une batterie des caractéristiques suivantes :

Ø Tension de la batterie : 2 V

Ø Profondeur de décharge : 0,8

Ø Capacité d'une batterie : 3000 Ah

Concernant le nombre des jours d'autonomie nous avons pris 4 jours

Nombre de jour d'autonomie

Energie journalière consommée par le quartier Econs [Wh/j]

Profondeur de décharge 

Tension du système photovoltaïque [V]

Capacité totale des batteries C [Ah]

4

32906813

0,8

240

C =

685558,604

? 687000

Tableau 7 Détermination de la capacité totale des batteries

2. Détermination du nombre des batteries

Capacité totale des batteries C [Ah]

Capacité d'une batterie Cbat[Ah]

tension du système photovoltaïque [V]

Tension de la batterie [V]

Nombre des batteries en sérieNbs

Nombre des batteries en parallèleNbp

687000

3000

240

2

Nbs =

Nbp =

120

229

Tableau 8 Détermination du nombre des batteries

On a donc 27480 batteries, 120 batteries sont mises en série pour avoir une tension compatible à la tension de notre système photovoltaïque (240 V) et 229 batteries en parallèle pour obtenir une capacité totale de 687000 Ah.

III.4.3Dimensionnement et choix du régulateur

1. Détermination du courant maximal

Le courant maximal que peut débiter notre système photovoltaïque dépend de la puissance crête du champ photovoltaïque et la tension du système .

Puissance crête du champ photovoltaïque [Wc]

la tension du système

courant maximal [A]

10772190

240

Imax =

44884,125

Tableau 9 Détermination du courant maximal

2. Choix du régulateur

Notre régulateur a des caractéristiques suivantes :

Ø Courant max : 45 kA

Ø Tension d'entrée : 240 V

Ø Tension de sortie : 240 V

III.4.4 Dimensionnement et choix de l'onduleur

1. Calcul de la puissance de l'onduleur

La puissance de l'onduleur dépend de la puissance totale des équipements du quartier.

cos ?

Puissance par ménage P

Nombre des ménages par extension Nmext

Puissance active du Quartier P

Puissance apparenteS

0,85

111O

1613

P = P Nmext

S =

2,7

3,2

Tableau 10 Détermination de la puissance de l'onduleur

2. Choix de l'onduleur

Nous aurons quatre onduleurs qui seront branchés en parallèle afin d'avoir la puissance dont on a besoin.

Nos onduleurs ont des caractéristiques suivantes :

Ø Tension d'entrée : 240 V

Ø Tension de sortie : 380 V

Ø La puissance : 800 k

Ø Fréquence : 50 Hz

III.5 Représentation schématique de la centrale photovoltaïque

III.5.1 Schéma de puissance

Figure 10 Représentation schématique de la centrale photovoltaïque

III.6 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons fait la présentation du site de notre projet, nous avons donné la marche à suivre pour le dimensionnement de la centrale photovoltaïque et ensuite nous avons dimensionné chaque élément de la chaine photovoltaïque.

CONCLUSION GENERALE

L'objectif général de ce travail est de produire de l'énergie électrique de manière autonome au quartier joli site/Aéroport à partir de l'énergie solaire en utilisant des systèmes photovoltaïques.

Le photovoltaïqueprésente actuellement d'énormes avantages par l'effet que l'installation des modules est simple et adaptée aux besoins énergétiques divers et les coûts de fonctionnement sont très faible vu queles entretienssont réduits.

Cette technologie présente les qualités sur le plan écologique car le système photovoltaïque est non polluant, silencieux et n'entraine aucune perturbation du milieu si ce n'est que l'occupation de l'espace pour l'installation de grande dimension.

Décider de faire appel aux énergiesrenouvelables, c'est aussi procéder à un investissement. Une telle démarche demande dans tous les cas, une estimation la plus précise et la plus rigoureuse possible de la décision de la rentabilité économique et rappelons qu'un bon dimensionnementphotovoltaïque est une nécessité pour assurer une alimentation efficace du site, etc.

Ainsi pour ce qui concerne notre site pour lequel l'alimentation devra être permanente, les résultats suivants ont été trouvés après dimensionnement.

Pour un besoin énergétique de 32906,813 kWh/j, on a installé :

Ø Un champ photovoltaïque de puissance crête égale à 10772190 Wc constitué de 26598 modules de 405 Wc chacun, dont 3 modules en série pour 8866 chaines en parallèle.

Ø Un parc de 27480 batteriesde 3000 Ah sous 2 V chacune.

Ø Un régulateursérie de 45 kA.

Ø un ensemble constitué de 4 onduleurs remplissant les caractéristiques suivantes : la tension d'entrée 240 V, celle de sortie 380 V, la fréquence50 Hz, et une puissance de 800 kVA chacun et ontété montés en parallèle pour avoir une puissance de 3,2 MVA.

En présentant ce travail, nous osons croire avoir donné un apport dans le monde scientifique et comme toute oeuvre humaine, ce travail peut être entaché d'erreurs et peut nécessiter une correction et mêmeêtre complété.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Ø Ouvrage :

[1]. Anne Labouret, Michel villoz. (s.d). Energie solaire photovoltaïque. Paris : 2e Edition DUNOD.

[2]. Inconnue (Réalisateur). (s.d). Manuel de formation pour l'Installation et la Maintenance de petits systèmes photovoltaïques. Belmont, Etats-Unis.

[3]. Pierre, T. (Novembre 2003). Petit guide pour étudier un projet d'installation photovoltaïque - dimensionner un parc photovoltaïque. Haïti.

[4]. Inconnue (Réalisateur). (Janvier 2001). Dimensionnement d'une installation solaire autonome en site isolé. Burkina-Faso.

[5]. Pierre?-Franck, C. (s.d). Installations photovoltaïques au sol. Paris, France.

[6]. Henri, E. (Novembre 2011). Les énergies renouvelables en République Démocratique du Congo. Kinshasa, République Démocratique du Congo.

Ø Revue et catalogue :

[7]. Chikh, B. (s.d). «Méthode de dimensionnement optimal d'une installation photovoltaïque».

[8]. Vctron energy. (s.d). «fiche technique des batteries».

[9]. SUN LAND 21. (s.d). «fiche technique des panneaux photovoltaïques monocristallin».

Ø Cours :

[10]. KASONGO, D. (2017-2018). COURS(schémas électriques deuxième graduat ISTA). Kolwezi. Inédit.

Ø Tfc et Mémoire :

[11]. Yotto, H. (Octobre 2011). Mémoire(Etude et conception d'une mini centrale PV). Bénin.

[12]. Amara, K. (2015). Mémoire(contribution à l'étude de conception d'une centrale PV) université de Tizi ouzou.

[13]. Boukhlifa, H. (Juin 2017). Mémoire(Dimensionnement technique d'une installation photovoltaïque De 300kw).

[14]. Quentin, A.M. (juillet 2019). Tfc(Modification d'une station de pompage à motricité humaine par un système dote d'une alimentation photovoltaïque).

[15]. Christian, M. (2010). Tfc(Etude et dimensionnement d'un système photovoltaïque autonome pour une alimentation permanente). Université de Lubumbashi.

Ø Site internet :

[16]. Solaris-store. Récupéré sur Solaris store: http://www.solarisstore.com

ANNEXES

Figure 11 fiche technique du panneau photovoltaïque

Figure 12 fiche technique de la batterie

Figure 13 onduleur

Figure 14 cellule monocristalline






Bitcoin is a swarm of cyber hornets serving the goddess of wisdom, feeding on the fire of truth, exponentially growing ever smarter, faster, and stronger behind a wall of encrypted energy








"Piètre disciple, qui ne surpasse pas son maitre !"   Léonard de Vinci