|
n de vous,
Que chacu
EPIGRAPHIE
rien par esprit de rivalité ou par
désir d~une gloire sans
considérez les autres comme supérieurs
a
au lieu de regarder a ses propres intérits,
regarde
aussi a ceuc des autres.
vous
ale faites
humilité
mais avec
valeur,
mime.
Philippiens ') :3- 4
II
DEDICACE
Ce travail, je le d~die a ma tres chere mere
Georgette gtIALANGA, a mes oncles
et tantes, a mon frere, a mes deui
csceurs, a tous mes cousins et cousines, a mes
amis et
coll&~ues.
A vous tous, je didie ce travail.
Christian gtIATVLV
III
AVANT-PROPOS
Ce travail de fin de cycle que nous présentons, fruit
d'énormes efforts et sacrifices, vise a faire une étude sur les
cellules photovoltaïques pour l'alimentation d'une agglomération en
énergie électrique par transformation directe de l'énergie
solaire.
Si aujourd'hui, ce travail fait l'objet d'un apport important
dans le monde scientifique, c'est grâce à l'Eternel. Ainsi donc
nous tenons tout d'abord à remercier le Dieu tout puissant pour sa
bonté et ce souffle de vie.
Notre couronnement au grade de gradué en sciences
appliquées doit être en toute légitimité, l'objet de
fierté et d'orgueil pour tous mes éducateurs, professeurs et
encadreurs qui ont apporté d'une manière ou d'une autre, une
pierre pour la réalisation de ce travail.
Ainsi, nous témoignons de notre profonde gratitude
à l'endroit de tout le corps enseignant de la faculté
Polytechnique et nous adressons de manière plus particulière, nos
remerciements à l'endroit de la personne du Professeur Emmanuel LUKUMU
MULAMBA, pour avoir accepter de coordonner l'avancement de ce travail et qui,
malgré ses multiples occupations a bien voulu faire le suivi de ce
présent travail.
Que dire de ma mère, Elle qui n'a jamais cessé
de se battre pour notre avenir meilleur. Merci pour tout.
A tous ceux qui n'ont cessé de me soutenir
matériellement, financièrement, moralement et même
spirituellement tout au long de mes études jusqu'à ce jour, A mes
oncles et tantes, Célestin MULONDO, Paulin MATENDA, Chantal MWALUKIE,
Louise MUSUMBA. Que la main de l'Eternel soit toujours sur vous et sur toutes
vos familles.
Pour leurs encouragements, nos remerciements s'adressent
également d'une manière générale,
A tous mes frères et soeurs, Cédric KIMA, Nicole
MWIPATA, Falone BAMBI, Yannick LUBAMBA, Fabien MASOSWA, Huguette YONGWA, Arno
NSAKA, Arcel LUBAMBA, John LUBAYA, Patrick KAZADI, Carmel YONGWA.
IV
A mes amis et collègues, Trésor KAMAZANI, Msm
MUSA, Sheila, Alby TSHIBANGU, Franc NZUKU, Hugues AMISI, Djo KIBARI,
Séraphin CIBAND, Junior LUTUMBA, Ken BANZA, Polydore ILUNGA, Steve
LOKALI, Chris MUKOKI, Ursule NTUMBA.
A vous tous, retrouvez ici l'expression de notre reconnaissance
et tous nos remerciements.
Christian MATULU
INTRODUCTION
Depuis des siècles, l'humanité a vécu
selon le rythme du soleil et de la nuit. Avec l'évolution de la
technologie, l'homme a amélioré son mode de vie en transformant
des structures principalement naturelles, gratuites et surtout
inépuisables pour la production de l'énergie électrique
notamment l'eau, le vent, le soleil, etc.
De nos jours, l'énergie électrique
s'avère indispensable dans notre environnement car faisant partie des
conditions primordiales du développement d'une contrée ou d'un
pays.
La production de l'énergie électrique devient un
investissement important et son efficacité ne sera assurée que si
le consommateur se voit être approvisionné en puissance
répondant aux exigences de son installation et sachons qu'actuellement
nous visons à améliorer nos conditions de vie tout en
réduisant le cout, ainsi le choix d'un des modes de production de
l'énergie électrique se base sur le cout d'investissement et sur
celui de fonctionnement. Ainsi donc ceci nous amène à faire appel
aux énergies renouvelables pour la production de l'énergie
électrique.
En se basant sur ces principes, dans notre travail nous
cherchons à produire de l'énergie électrique par
transformation directe de l'énergie solaire grâce aux cellules
photovoltaïques.
La conversion directe de l'énergie solaire en celle
électrique, appelée «Effet photovoltaïque» a
été découverte en 1939 par Antoine BECQUEL et fut
approfondie plus tard par les scientifiques. Cette conversion se fait par le
biais de la production et du transport des charges électriques sous
l'effet de la lumière dans un matériau semi conducteur dont le
plus utilisé est le silicium à partir duquel les cellules
photovoltaïques sont fabriquées.
Le problème étant celui d'augmenter le rendement
de conversion des cellules photovoltaïques et de développer des
processus de fabrication moins onéreux, la filière du silicium
couvre actuellement 90 % du marché car elle offre le meilleur compromis
entre cout de production, rendement et frais d'installation.
L'installation d'un système photovoltaïque
nécessite tout d'abord son dimensionnement pour lequel il faut calculer
à combien s'élève les besoins énergétiques
que nous comptons satisfaire et calculer par la suite la puissance du champ
photovoltaïque satisfaisant bien sure ces besoins
énergétiques. Lors du
dimensionnement, on tiendra compte des conditions
atmosphériques les plus défavorables pour l'obtention d'un
résultat bien précis.
L'énergie fournie par les cellules photovoltaïques
étant en courant continu, il est prudent de la stabiliser avant toute
utilisation car elle est proportionnelle aux variations des conditions
atmosphériques. Pour les récepteurs fonctionnant en courant
alternatif, l'utilisation d'un onduleur est indispensable.
Pendant les périodes les plus
défavorables(à l'absence du rayonnement) ou pendant la nuit ,
l'utilisation des batteries est nécessaire pour une fourniture à
temps plein. Les technologies de stockage dont les batteries au plomb sont en
tète, progressent également en direction des énergies
renouvelables et améliorent la fiabilité des solutions.
Ce travail visant à dimensionner les cellules
photovoltaïques pour une fourniture à suffisance en énergie
électrique, nous ferons notre étude sur une portion des
cités universitaires de l'université de Lubumbashi ayant en son
sein quarante maisons qui devront être approvisionnées en
énergie électrique dont la puissance devra satisfaire à la
consommation électrique des différents équipements. Il
s'agit du camp blanc, camp rouge et six maisons.
Il faut noter que dans ce travail, nous ne traiterons que le
cas d'un système photovoltaïque autonome car toute l'énergie
produite sera directement consommée par le site. D'où un
système de stockage est indispensable.
Après une brève introduction situant le sujet de
cette étude et les objectifs du travail, quatre chapitres y sont
consacrés dont le premier mettra en évidence les
généralités sur l'énergie et système
photovoltaïque, le deuxième parlera de la procédure de
dimensionnement d'un système photovoltaïque autonome, le
troisième lui, décrira le site étudiée et donnera
ses caractéristiques et enfin le quatrième et dernier sera
consacré au dimensionnement proprement dit, à l'installation et
à la maintenance du système photovoltaïque autonome.
CHAPITRE I : GENERALITE SUR L'ENERGIE ET SYSTEME
PHOTOVOLTAIQUE
I.1. ENERGIE SOLAIRE
I.1.1. Définition
Situé à une distance moyenne de 149 598 Km de la
terre, le soleil est une étoile de forme pseudo sphérique dont le
diamètre atteint 1391000 Km.(1)
C'est une gigantesque source énergétique
disponible en permanence qui brule de l'hydrogène depuis 4.6 milliards
d'années. Quand les atomes d'hydrogène fusionnent, des atomes
plus lourds se forment en libérant beaucoup d'énergie sous forme
de chaleur de rayonnement. C'est la fusion nucléaire.(6)
I.1.2. Filières d'exploitation de l'énergie
solaire(6)
Actuellement, il existe deux voies d'utilisation directe de
l'énergie solaire.
· La transformation du rayonnement en chaleur : cette
énergie, dite solaire thermique, produit de la chaleur à partir
du rayonnement solaire infrarouge afin de chauffer de l'eau ou de l'air. Dans
ce cas ; on utilise des capteurs thermiques.
· La transformation du rayonnement en
électricité : l'énergie produite dans ce cas se
présente sous deux formes.
1' L'énergie thermique solaire permettant de produire
de l'énergie électrique par voie thermodynamique. Dans ce cas, la
conversion de l'énergie solaire en électricité n'est pas
directe, mais passe par l'intermédiaire des centrales thermiques
solaires. Le principe de base utilisé, est l'obtention de la
température élevée par la concentration du rayonnement
solaire en un seul foyer. Cela rend possible le réchauffement de fluides
caloporteurs à des températures allant de 250 à 1000°
C. ces fluides transportent la chaleur vers un réservoir d'eau ; il y a
alors production de vapeur d'eau qui entrainera un alternateur pour produire de
l'électricité é comme dans les centrales thermiques
conventionnelles.
1' L'énergie solaire photovoltaïque où la
conversion de la lumière du rayonnement en électricité est
directe par le biais des cellules ou photopiles.
C'est donc cette forme d'énergie qui sera traitée
dans notre travail.
I.1.3. Rayonnement solaire
En traversant l'atmosphère, le rayonnement solaire est
absorbé et diffusé. On distingue donc :
> Le rayonnement direct qui est reçu du solaire,
directement sans diffusion par l'atmosphère. Ces rayons sont
parallèles entre eux. Ce rayonnement forme donc des ombres et peut
être concentré par les miroirs.
> Le rayonnement diffus qui est constitué de la
lumière diffusée par l'atmosphère, ce rayonnement est
isotope c'est-à-dire qu'on reçoit un rayonnement identique de
toutes les directions de la voute céleste.
> L'albédo est la partie réfléchie par
le sol dépendant de l'environnement du site.
soleil
direct
atmosphère
albédo
Limite de l'atmosphère
diffus
sol
Figure I.1.- Rayonnement solaire au sol
Le rayonnement global est la somme de ces différentes
formes de rayonnement.
La conception du système photovoltaïque
nécessite la connaissance du rayonnement solaire utile sur le site
à étudier. Plus on reçoit une grande énergie
solaire, moins on a des panneaux solaires et inversement.
I.2. L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE
I.2.1. Origine et définition
Le mot photovoltaïque vient du
grec photos qui veut dire
lumière et de volta
du nom du physicien italien qui, en 1800 découvrit la pile
électrique.(7)
L'énergie photovoltaïque est une conversion
directe du rayonnement solaire en électricité à partir de
la cellule photovoltaïque.
Cette conversion appelée Effet photovoltaïque, a
été découverte en 1839 par Antoine BECQUEL et, est
utilisée dans les cellules photovoltaïques que l'on ensemble en
modules puis en panneaux photovoltaïques permettant de convertir
directement l'énergie solaire en électricité par le biais
de la production et du transport des charges électriques sous l'effet de
la lumière dans un matériau semi-conducteur .(7)
I.2.2. Cellule photovoltaïque
La cellule ou photopile photovoltaïque est un composant
opto-électrique, composé d'un matériau semi-conducteur qui
absorbe l'énergie lumineuse et la transforme directement en
énergie électrique.
Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux
propriétés du rayonnement solaire et à celles des
semi-conducteurs.
I.2.3. Matériau semi-conducteur(4)
Un semi-conducteur est une structure cristalline
intermédiaire entre la structure du conducteur et celle de l'isolant du
moins pour ce qui concerne ses propriétés électriques. Le
semi-conducteur le plus utilisé est le silicium.
Sous forme très pure, le silicium présente une
conduction dite intrinsèque c'est-àdire une conduction par
l'intermédiaire d'électrons libres fournis par les atomes
même de la structure.
En arrivant sur la cellule solaire, le rayonnement se reparti
en trois, dont une partie sera réfléchie, une autre
absorbée et la dernière passera au travers de la cellule. Lors du
rayonnement, il y a distribution des photons (gains de lumière) et les
photons absorbés vont libérer les électrons fournis par
l'atome.
Pour que les électrons libérés sous
illumination soient générateurs d'énergie, il faut les
attirer hors du matériau semi-conducteur dans un circuit
électrique. Sinon ils se recombinent. Lorsqu'un électron se
libère, il laisse un trou chargé positivement qui sera
neutralisé par l'électron chargé négativement d'un
autre atome. Autrement dit, les électrons retrouveraient leurs
états initiaux à la périphérie de leurs atomes.
De ce fait, on réalise l'extraction des charges au
sein d'une jonction créée volontairement dans le semi-conducteur
et le but est celui d'engendrer un champ électrique à
l'intérieur du matériau qui va entrainer les électrons
(charges négatives)
d'un coté et les trous (charges positives) de l'autre
coté. C'est donc le dopage du silicium.
Dopage du silicium
Le dopage est l'apport des impuretés en vue de
détruire la parfaite symétrie électron- trou suivant le
cas et de là le cristal sera caractérisé par un
excès d'électrons libres ou par un excès de trous selon
que le dopage se fait au phosphore(P) ou au bore(B).
En dopant le cristal avec des atomes étrangers de
phosphore ayant cinq électrons à leurs couches externes, un
électron par atome de phosphore ne pourra pas se lier à ses
correspondants du silicium, il y aura alors un excédent
d'électrons (charges négatives) dans le cristal. Le
matériau sera donc potentiellement «donneur»
d'électrons disponibles pour la conduction électrique et le
silicium ainsi dopé est dit de type «n».
Par symétrie, on peut également doper le
silicium avec du bore n'ayant que trois électrons dans sa bande de
valence. Il y aura donc, apparition d'un excédent de trous (charges
positives) et dans ce cas, il y a manque d'électron à chaque
atome de bore pour compléter les quatre électrons du silicium. Le
matériau est dit «accepteur» d'électrons et il est de
type «P».
La mise ensemble de deux zones de dopage opposées,
constitue la diode (jonction p-n).
La jonction d'une cellule au silicium est donc
constituée d'une partie dopée au phosphore accolée
à celle dopée au bore et c'est à la frontière de
ces deux parties que se crée un champ électrique pour
séparer les charges positives des négatives.
I.2.4. Conversion photovoltaïque
La conversion de la lumière en électricité
rassemble trois phénomènes physiques intimement liés et
simultanés :
· L'absorption de la lumière dans le
matériau
· Le transfert d'énergie des photons aux charges
électriques
· La collecte des charges
Absorption de la lumière
La lumière se compose des photons (gains de
lumière) et chacun porteur d'une énergie dépendante de sa
longueur d'onde.
Le rayon lumineux qui arrive sur un solide peut donc subir trois
événements optiques :
o La réflexion : la lumière est renvoyée par
la surface de l'objet ;
o La transmission : la lumière traverse l'objet ;
o L'absorption : la lumière pénètre dans
l'objet et n'en sort plus, l'énergie est restituée sous une autre
forme.
absorption
Flux incident
I(flux incident) =
R(réfléchi)+A(absorbé)+T(transmis)
transmission
réflexion
Figure I.2.- Répartition du rayonnement solaire sur un
corps
Dans un matériau photovoltaïque, une partie du
flux lumineux absorbé sera restitué sous forme d'énergie
électrique. Donc au départ, il faut que le matériau ait la
capacité d'absorber la lumière visible. Ce qui fait qu'on prendra
soin de minimiser les pertes purement optiques par la réflexion ou par
transmission.
Transfert d'énergie des photons aux charges
électriques(1)
Dans ce paragraphe on va s'intéresser à la
lumière absorbée dans le matériau photovoltaïque et
expliquer comment l'énergie contenue dans le photon est convertie en
électricité.
Les charges élémentaires qui vont produire le
courant électrique sous illumination sont des électrons, charges
négatives élémentaires, contenues dans la matière
semiconductrice. Tout solide est en effet constitué d'atomes qui
comprennent chacun un noyau(constitué de protons et neutrons) et un
ensemble d'électrons gravitant tout autour.
Les photons absorbés vont transférer leur
énergie aux électrons périphériques(les plus
éloignés du noyau),leur permettant ainsi de se libérer de
l'attraction du noyau. Ces électrons libérés sont
susceptibles de produire un courant électrique si on les attire ensuite
vers l'extérieur.
(a)
Eg Gap optique
Bande de valence(électrons liés)
Bande de conduction(électron libre)
Photon 1,E=Eg
(b)
Désexcitation spontanée
Photon 2,E>Eg
Charge positive
Charge négative
En régime permanent, l'électron
libéré laisse un trou qui se traduit par une charge positive. Si
cet électron est attiré au dehors, c'est l'électron d'un
atome voisin qui viendra combler ce trou, laissant à nouveau un trou,
lui même comblé par un électron voisin et ainsi de suite.
On génère ainsi une circulation de charges
élémentaires d'électrons dans un sens et de trous dans
l'autre sens, ce qui donne un courant électrique.
Il existe dépendant du matériau, un seuil
d'énergie minimum nécessaire à cette libération des
électrons par les photons.
On appelle ce seuil, le gap optique du matériau ou la
largeur de bande interdite. En effet si le photon a une énergie
inférieure, il ne pourra pas créer la paire électron- trou
et ne sera pas absorbé. Les propriétés optiques et
électroniques sont intimement liées.
Si un photon a une énergie supérieure ou
égale au gap optique, ce qu'il a une longueur d'onde inférieure
à une certaine valeur puisque ces deux grandeurs sont inversement
proportionnelles :
E= ftc2. (I.1)
Avec : E : énergie du photon
h : la constante de Planck c : la vitesse de la lumière
A : la longueur d'onde
Tous les photons d'énergie supérieure à
ce seuil et donc de longueur d'onde inférieure, sont
opérationnels pour le conversion photovoltaïque.
La figure I.3. présente les différents états
d'énergie dans le matériau semi conducteur.
Dans le domaine d'énergie situé sous le gap
optique se trouvent les électrons de valence du matériau,
c'est-à-dire ceux qui sont liés aux atomes. Dans la bande de
conduction se trouvent ceux qui en ont été extraits et sont
libres de circuler dans le matériau. Elle est donc vide quand le
semi-conducteur n'est pas illuminé. Lorsqu'un photon a une
énergie suffisante, il est absorbé et fait passer un
électron de la bande de valence à la bande de conduction.
Lorsqu'il a une énergie supérieure à Eg, le photon2
de la figure I.3.b génère une paire électron-trou
à un niveau, mais l'excédent est perdu par un processus de
désexcitation spontané qui produit de la chaleur et ramène
son énergie à Eg. Donc quelque soit son énergie, pourvu
qu'elle soit supérieure à Eg, chaque photon absorbé ne
crée qu'une paire électron-trou d'énergie Eg.
Collecte des charges
Pour que les charges libérées par la
lumière soient génératrices d'énergie, il faut
qu'elles circulent et donc il faut les attirer hors du semi-conducteur dans un
circuit électrique pour que les électrons ne retrouvent pas leurs
états initiaux à la périphérie de leurs atomes.
Sinon cela libérera de l'énergie thermique au lieu de celle
électrique. On doit donc engendrer un champ électrique à
l'intérieur du semi-conducteur grâce au dopage de ce dernier.
I.2.5.Technologie et paramètres des cellules
photovoltaïques
A. Technologie des cellules photovoltaïques
Les matériaux qui constituent les cellules
photovoltaïques sont classés en deux grandes familles à
savoir :
> Les matériaux solides cristallisés ; > Les
couches minces.
Les couches minces sont également solides, mais
d'épaisseur nettement plus faible et sont déposées sur un
support, alors que les cellules cristallines sont massives et épaisses
de 0.15 à 0.2 mm.
Comme dit précédemment, le semi-conducteur le plus
utilisé est le silicium tétravalent d'où l'étude
des cellules au silicium.
Elaboration du silicium
métallurgique(1)
Pour fabriquer le silicium pur, on va donc employer du sable
sous forme de quartz
cristallisé. la
réduction se fait suite au procédé de raffinage dans un
four à arc électrique par du carbone.
La réaction suit l'équation : SiO2 + 2C Si + 2CO
La pureté de ce silicium est de l'ordre de 98 à
99%.
Pour obtenir un matériau suffisamment pur pour
fabriquer des composants électroniques, on utilise le
procédé siemens qui transforme en trichlorosilane à l'aide
d'acide chlorhydrique :
Si + 3HCl SiHCl3 + H2
Cette relation étant réversible, elle servira
également à récupérer le silicium après la
purification, qui est réalisée par distillation
fractionnée du trichlorosilane.
Le silicium obtenu par réduction à
l'hydrogène se déposera finalement sur une baguette de silicium
chauffée sous forme des petits grains poly cristallins. Ce silicium poly
cristallin pur à environ 99,99%, est onéreux car cette
étape a un mauvais rendement de matière et nécessite
beaucoup d'énergie.
A.1. Cellules au silicium cristallin
Les cellules les plus répandues sont celles au silicium
cristallin et se présentent sous forme des plaquettes rondes,
carrées ou pseudo carrées.
Le silicium qui constitue le matériau étant un
cristal, d'où l'appellation du matériau «cristallin«
avec un arrangement parfait des atomes selon une structure atomique
ordonnée de type tétravalent.
Si la cellule est constituée d'un seul cristal, on
parle de silicium monocristallin et elle a un aspect uniforme et gris
bleuté, parfois noir. Si par contre la cellule est composée de
plusieurs cristaux assemblés, on dit qu'elle est faite de silicium multi
cristallin et présente l'aspect d'une mosaïque compacte de
fragments cristallins bleutés de quelques millimètres à
quelques centimètres appelés gains.
Cellules au silicium monocristallin
La première consiste à étirer des barreaux
cylindriques à partir du silicium fondu dans un creuser et de scier
ensuit ces barreaux en wafers(tranches de silicium).
Il s'en suit alors une fabrication de la cellule solaire
après avoir constitué les wafers de silicium.
Figure I.4.- Passage du silicium pur à la cellule
photovoltaïque mono cristalline.
Les différentes étapes de fabrication de la cellule
au silicium monocristallin sont les suivantes :
> Le décapage de la surface pour éliminer les
défauts de sciage et ensuite une gravure sélective pour obtenir
une surface texturée en petites pyramides, ce qui améliore la
collecte de la lumière dans toutes les directions ;
> Une diffusion de phosphore pour réaliser la jonction
;
> Un dopage de l'arrière avec l'aluminium pour bonne
collecte de charge ; > Le dépôt d'une couche antireflet sur
l'avant ;
> Le dépôt d'une grille de métallisation
sur l'avant ;
> Le dépôt d'un métal soudable sur
l'arrière;
> Le test et le tri de toutes les cellules
fabriquées.
3
n
4
p
p+
5
lumière
2
1
6 Al
7
1.Grille de métallisation avant
2. couche antireflet
3. surface avant dopée n et texturée 3- 4.
Jonction et champ électrique
4. substrat p
4-5 champ ?arrière
5. dopage p+
6.Métallisation d'aluminium
7. métallisation soudable
Figure I.5.- Composition d'une cellule au silicium
monocristallin
Cellules poly cristallines
C'est dans le soucis d'améliorer le rendement des
cellules solaires et d'avoir le moyen de fabriquer un cristal de silicium bon
marché de qualité solaire qu'est né le silicium poly
cristallin ou multi cristallin. Ce semi-conducteur apparait comme la
juxtaposition des petits cristaux mono cristaux d'orientations
différentes et de dimensions du millième au centième.
Pour fabriquer ce matériau, on refond tous les
déchets provenant du tirage des monocristaux dans une cuve carrée
à température et atmosphère contrôlées.
Divers procédés thermiques et chimiques sont employés
à ce stade pour repousser les principales impuretés à la
périphérie du creuset formant une croûte que l'on
élimine après durcissement. le bloc ainsi obtenu sera ensuite
taillé en barreaux de section carrée (10 x 10 ou 15 x 15) qui
seront sciés en wafers.(1)
Importance du procédé
L'économie de la surface puisque les wafers sont
carrés, le rendement en matière est bon. La recristallisation a
également un effet bénéfique sur la pureté locale
de matériau.
De nos jours, cette technologie est la plus répandue
car bien maitrisée sur le plan industriel et offre un bon rapport
qualité- prix.
A.2. Cellules au silicium amorphe
Le silicium utilisé en couche mince est dit
«amorphe» où l'organisation des atomes n'est plus
régulière comme dans un cristal.
Le silicium amorphe pur est donc un mauvais conducteur car
contenant plein de défauts et difficile à doper.
Cependant, lorsque le silicium amorphe est fabriqué
à partir du gaz silane (SiH4), il contient une proportion importante
d'hydrogène qui va se lier à ses liaisons pendantes puisque le
matériau comporte des déformations et les atomes ne sont
liés qu'à trois autres atomes au lieu de quatre, ceci permet donc
la collecte des charges et le dopage du matériau.
B. Paramètres des cellules
photovoltaïques
Une cellule finie est mesurée à l'aide d'un
appareil simulant la distribution des photons en fonction de leur
énergie (spectre solaire).
Les cellules mesurées sont classées suivant leur
courant de court circuit Icc et leur rendement. Les cellules
de même classe seront assemblées en série ou en
parallèle, entre elles pour former le module photovoltaïque.
Les paramètres caractérisant le module sont
pareils à ceux de la cellule, seulement que le simulateur utilisé
diffère par le fait que son rayonnement est uniforme sur une large
surface.
Les paramètres caractérisant la cellule sont :
1. Puissance crête (P.c.)
C'est la puissance exprimée en Watt- Crête (WC)
et est définie comme la puissance électrique maximum que peut
fournir un module dans les conditions standards à 25°C sous un
éclairement de 1000 W/m2 (en plein soleil).
2. Caractéristique courant-
tension(1)
L a jonction servant de base à la photopile(cellule),
est une diode. Lorsqu'elle est illuminée, apparait dans cette diode un
photo courant dépendant de la quantité de la lumière
incidente. D'où le terme photodiode.
On représente à la figure I.6, la
caractéristique courant- tension de cette photodiode :dans
l'obscurité en pointillés et sous illumination en trait plein.
Tension
UCO
Courant
Dans l'obscurité
Sous lumière
ICC
Figure I.6. - Caractéristique courant- tension d'une diode
au silicium dans l'obscurité et sous lumière.
Sous illumination, la courbe est simplement
décalée par rapport à la première d'une valeur
ICC, traduisant la génération constante du courant par
la lumière. Cette valeur est appelée courant de court circuit,
puisque c'est le courant que génère la photodiode sous
illumination à tension nulle. La valeur uCO, est la tension
de circuit de circuit ouvert, tension de la photodiode sous illumination
à courant nul.
Pour déterminer la courbe caractéristique d'une
cellule solaire, on part de la caractéristique connue d'une diode au
silicium dans l'obscurité qui s'écrit :
I= IS( eU/Ut-1) (I.2)
|
Avec :
|
U = tension imposée à la diode
Ut =kT/q = 26 mV à 300 °K
k = 1,38 x 10-23 constante de Boltzmann q = 1,602 x 10 -19 charge
de l'électron
T= température absolue en kelvin IS= courant de saturation
de la diode
|
Sous illumination, avec un changement de signe purement
conventionnel pour le courant, cette relation devient :
I=Ip - IS( eU/Ut-1) (I.3)
Avec Ip = photo courant
Grace à cette équation, on peut quantifier les
paramètres suivants :
Le courant de court circuit ICC, valeur du courant
lorsque la tension U= 0, il vaut : ICC= Ip (I.4)
et la tension de
circuit ouvert UCO, lorsque le courant est nul.
UCO= (kT/q)[ln(IP/IS)] pour ICC >>>> IS (I.5)
On voit bien que cette tension augmente avec le logarithme de
IP, donc avec le logarithme de l'illumination. En revanche elle décroit
avec la température malgré le terme kT/q. en effet, le courant de
saturation IS, dépend de la surface de la diode (donc de la cellule) et
des caractéristiques de la jonction : il varie exponentiellement avec la
température et cette dépendance en température compense
largement le terme kT/q. donc la tension de circuit ouvert UCO
baisse
avec la température, ce qui est important dans le
dimensionnement des systèmes photovoltaïques.
Il faut donc noter que :
1' Le courant d'une cellule solaire est proportionnel à
l'éclairement et à la surface de la cellule. Il augmente avec la
température.
1' La tension de circuit ouvert d'une cellule solaire varie de
manière logarithmique avec l'éclairement et baisse avec la
température.
3. Puissance(point de fonctionnement) et
Rendement
La partie intéressante de la caractéristique
courant- tension, pour un utilisateur est celle qui génère
l'énergie. Donc ce ne sera ni au point de tension de circuit ouvert
(UCO) ni à celui du courant de court circuit
(ICC) qui ne génère aucune énergie car la
puissance est le produit du courant par la tension.
Um
U2
Point de Puissance maximale
Pm :
Courbes de puissance croissante
Courbe caractéristique de la cellule
UCO Tension
Courant
ICC
Im
P2
Figure I.7.- Puissance maximale sur une caractéristique
courant- tension
Au point Pm situé au coude de la
caractéristique, la puissance de la cellule est
maximale pour un
éclairement considéré. Ce point dit de puissance maximale,
est
associé à une tension dite tension maximale
Um et à un courant dit courant maximal Im.
En se référant à la figure, on voit bien
que plus la courbe est carrée, plus la puissance maximale est
élevée. On mesure donc cette propriété par le
facteur de forme défini comme suit :
Pm
FF= Uco Icc (I.6)
Le Rendement énergétique (?) est défini
quant à lui, comme le rapport de la puissance maximale produite(Pm) et
de la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur le module.
Soient S, la surface du module et E, l'éclairement en
W/m2, le rendement énergétique s'écrit :
?= PmES (I.7)
I.3. SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE
L'ensemble de cellules photovoltaïques reliées
entre elles, constitue le module photovoltaïque. Plusieurs modules sont
groupés pour former un système photovoltaïque qui comprend
d'autres composants comme le régulateur, la batterie et l'onduleur pour
un site isolé (autonome).
Dans le cas où le système photovoltaïque
alimente un réseau de distribution électrique, on ne fait plus
intervenir la batterie car c'est le réseau qui restitue de
l'énergie en cas de déficit.
I.3.1. Type de système photovoltaïque
Nous distinguons deux types de systèmes
photovoltaïques à savoir :
" Autonome, pour un site isolé ;
" Connecté au réseau de distribution
électrique.
Système photovoltaïque autonome
C'est un système dont l'énergie produite est
utilisée dans un site isolé et ayant un système de
stockage d'énergie. L'énergie produite par les modules est en
courant continu et comme on touche à l'habitat où la plus part
d'appareils fonctionnent en courant alternatif, il y a nécessité
de la convertir.
La batterie servant de stockage, se charge le jour.
L'alimentation des applications par la batterie se fait par
l'intermédiaire d'un régulateur de charge pour éviter
qu'elle souffre de surcharge et d'un onduleur (convertisseur du courant continu
à celui alternatif).
Ce système est illustré à la figure I.8 et
présente quelques conséquences :
· Augmentation du coût et l'encombrement de
l'installation ;
· Réduction du rendement
énergétique;
· Risque de panne complète en cas de problème
sur l'onduleur.
Champ de modules
Utilisation en courant continu
Utilisation en courant alternatif
Régulateur
Batterie
Onduleur
DC
AC
Figure I.8.- Schéma d'un système
photovoltaïque autonome
Système photovoltaïque connecté au
réseau de distribution électrique
Il est possible d'utiliser un générateur
photovoltaïque de façon non autonome, en le connectant au
réseau public de distribution électrique. Dans ce cas
l'énergie produite est soit consommée sur place par le site ou
soit revendue sur le réseau en cas de production excédentaire.
Lorsqu'il y a déficit ou pendant les moments défavorables, le
réseau alimente le site. Il n'y a donc pas de batterie.
de
Réseau de
tion
distribution
ue
électrique
Figure I.9.- Schéma d'un système
photovoltaïque connecté au réseau de distribution
électrique
I.3.2. Composants du système photovoltaïque
autonome
1. Modules et Panneau
Les modules sont obtenus en assemblant les cellules pour
générer une puissance exploitable lors de l'exposition à
la lumière puisqu'une cellule élémentaire ne
génère qu'une tension allant de 0.5 à 1.5 Volt.
Il faut donc plusieurs cellules pour générer une
tension utilisable. Montage des cellules
Pour obtenir une tension utilisable, il est indispensable de
faire la mise en série des cellules (photopiles).
Lorsque les cellules sont en série, les tensions de
toutes les cellules s'ajoutent alors que le courant lui, reste le même
que celui d'une seule cellule. Il faut donc des cellules de même courant
pour les mettre en série.
On réalise donc des modules de diverse puissance selon
la surface mise en oeuvre, capable de générer du courant continu
en basse tension lorsqu'ils sont exposés à la lumière. En
conclusion le montage des cellules en série constitue le module.
Figure I.10.- Montage des cellules
Montage des modules
L'assemblage des modules forme un dispositif appelé
«Panneau solaire »
Pour le montage des modules, la mise en série augmente
la tension alors que le courant reste le même et la mise en
parallèle, augmente le courant, mais la tension reste la même.
Pour faire la mise en série, il faut que les modules
aient le même courant, mais pas nécessairement la même
tension et pour la mise en parallèle, il faut que les blocs de modules
aient la même tension, mais pas nécessairement le même
courant.
Assemblage des panneaux
Pour disposer de plusieurs centaines de Watts, Kilo Watts et
même méga Watts, il est nécessaire d'assembler les panneaux
photovoltaïques pour l'obtention d'une grande tension. Le montage se fait
en série pour un même courant et inversement pour l'obtention d'un
grand courant.
On ne monte en série que les panneaux ayant un
même courant et en parallèle, ceux ayant une même
tension.
Mais en réalité, on n'a toujours pas des
panneaux identiques, ce qui fait qu'il faut les appairer en tension ou en
courant selon le cas.
Lorsqu'il y a une partie de la surface du panneau ou
même un panneau qui n'est pas éclairé suite à une
ombre ou un corps étranger porté sur une partie du champ
photovoltaïque, le panneau peu exposé au rayonnement ne produira
pas la même énergie que les autres et deviendra dans ce cas
récepteurs des autres panneaux et recevra de la puissance en inverse
d'où il y a risque de court-circuit et de destruction du
système.
De ce fait, il faut placer une diode anti retour de
puissance adéquate en sortie de chaque série de
panneaux.
Photo I.1.- Champ des modules
2. Batterie de stockage
Le stockage d'énergie dans les systèmes
photovoltaïques autonomes est assuré par des batteries.
Les batteries les plus utilisées pour des
générateurs autonomes sont en générale de
type au plomb- acide (Pb). Celles de type au
nickel-
cadmium (NiCd) sont parfois
préférées pour les petites
applications.
Batterie au plomb
Ce composant a une électrode de plomb et celle
d'oxyde de plomb, toutes plongées dans un électrolyse
composé d'acide sulfurique dilué en reliant les deux
électrodes à un récepteur externe consommant du courant .
Une électrode se transforme en sulfate de plomb et l'acide se dilue,
phénomène qui permet d'évaluer l'état de charge de
la batterie en mesurant la densité d'acide. En fournissant un courant
opposé au système, l'acide se concentre et les deux
électrodes retrouvent leurs états initiaux, la tension nominale
est la somme des équilibres aux deux électrodes soit 2.08
volts.
Cependant cette batterie a une duré de vie variant
entre 10 à 15 ans si elle est entretenue
régulièrement.
Photo I.2.-Batterie au plomb
Principe de fonctionnement d'une Batterie au
plomb
A la décharge, les deux polarités se sulfatent,
l'électrolyte est consommé ( les ions SO42- vont sur
les électrodes). L'oxygène libéré par
l'électrode positive s'unit aux ions H+ en solution pour former de
l'eau. Si la décharge est totale, l'électrolyte ne sera plus
composé que d'eau distillée.
A la recharge, les deux polarités se dé-sulfatent,
l'électrolyte est régénéré (mise en solution
d'ions SO42- ). La plaque positive est peroxydée (formation
de PbO2) et des ions sont libérés (augmentation de la
concentration H+ de l'électrolyte).
Montage
Le montage en série de plusieurs batteries est
fréquent pour augmenter la tension, mais le couplage de des batteries en
parallèle augmente la capacité de stockage, ce qui est
délicat.
3. Régulateur
La batterie est l'élément le plus délicat
du système et la qualité de son contrôle et son entretien
influent grandement sa durée de vie d'où le rôle 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.
ie par
Dans les systèmes plus élaborés, il
commande la recharge de la batter d'autres sources d'énergie et
accessoirement il affichera les indications concernant
l'état de la charge des batteries et les paramètres de
fonctionnement du système.
Pour les systèmes photovoltaïques, on
distingue :
1' Les régulateurs série : qui
inco
rporent un interrupteur entre le générateur
et ;
l'accumulateur pour arrêter la charge
1' Les régulateurs shunt, dont
l'interrupteur court-
circuite le générateur solaire
en fin de charge ;
1' Les régulateurs à recherche de point
de puissance maximale qui utilise un circuit
électronique spécial permettant de soutirer en permanence du
champ des capteurs.
Photo I.3.-Régulateur
4. Onduleur
Les onduleurs sont des appareils servant à
convertir la tension continue fournie par les panneaux ou
batteries pour l'adapter à des récepteurs
fonctionnant avec une tension alternative.
Il existe des onduleurs dits à :
+ Onde sinusoïdale- chargeur ; + Onde
carrée ;
+ Onde pseudo- sinusoïdale.
Critère de choix d'un onduleur
Avant de faire le choix d'un onduleur, Il faut
s'assurer que
o ;
L'onduleur peut démarrer le récepteur (seul
un essai est vraiment relevant) o Son rendement est suffisant
au point de fonctionnement de la charge ;
o La charge tolère la distorsion de l'onduleur
(forme de l'onde) ;
o Les variations de la tension de sortie sont acceptées
par la charge (récepteur) ; o L'onduleur protège contre la
surcharge ;
o L'onduleur coupe l'utilisateur en cas de basse tension
(protection de la batterie).
I.4. PRODUCTION DE L'ENERGIE
La production de l'énergie électrique d'un panneau
dépend de :
> ses dimensions ;
> sa technologie ;
> du rayonnement ;
> de la durée d'exploitation.
1. ses dimensions : une cellule élémentaire ne
génère qu'une tension de 0,5 à 1,5 V. il faut donc
toujours plusieurs cellules en série pour générer une
tension utilisable. Plus la surface mise en oeuvre est grande, plus on a une
puissance importante.
2. sa technologie : la tension d'une cellule
élémentaire dépend de sa technologie selon qu'on a une
cellule cristalline ou amorphe.
3. du rayonnement : la conception d'un système
photovoltaïque nécessite la connaissance du rayonnement utile sur
le site d'installation.
Pour un besoin électrique donné, plus
l'énergie solaire reçue est importante, plus la puissance est
grande.
4. de la durée d'exploitation : la production de
l'énergie électrique d'un panneau dépend aussi bien de sa
durée d'exposition au rayonnement.
Pour un système autonome dont l'alimentation doit
être permanente et que certaines applications fonctionnent la nuit et
d'autres 24h/24, il faut l'intervention des composants d'accumulation. La
capacité d'une batterie exprimée en Ampères heures (Ah),
correspond à la quantité d'électricité que l'on
peut stocker sous une tension nominale exprimée en volt.
L'ensoleillement variant en permanence lors d'une journée,
le calcul se fait globalement sur une journée.
Le panneau débite à un ensoleillement de 1000
W/m2 pendant l'équivalent de N heures, une puissance
appelée puissance crête. Donc il fournira pendant cette
journée, une énergie (en Wh) égale au produit de sa
puissance crête (Wc) par ces N heures (h).
Et donc l'énergie produite (Wh) = Puissance crête
(Wc) x Heures équivalentes (h)
I.5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU
PHOTOVOLTAÏQUE
Le recourt au photovoltaïque se pose souvent en terme de
choix par rapport à une autre source d'électricité telle
que : la source éolienne, le groupe électrogène.etc.
Avantages
1' Le caractère modulaire des panneaux
photovoltaïques permet un montage simple et adapté à des
besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent
être dimensionnés par des applications de puissance allant du
milliwatt au mégawatt ;
1' Les couts de fonctionnement sont très faibles vu les
entretiens réduits et ils ne
nécessitent, ni combustible, ni transport, ni personnel
hautement qualifié ;
1' La haute fiabilité, ne comportant pas des
pièces mobiles qui la rendent
particulièrement appropriée aux régions
isolées ;
1' Enfin, 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.
Inconvénients
1' La fabrication des modules photovoltaïques relève
de la haute technologie et requiert des investissements d'un coût
élevé ;
i' Le rendement réel de conversion d'un module est faible
(la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28
%) ;
1' L'onduleur ne donne pas l'énergie produite à 100
% ;
1' Enfin lorsque le stockage d'énergie
électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le
coût de générateur photovoltaïque est accru. La
fiabilité et les performances du système restent cependant
équivalentes pour autant que la batterie et les composants
associés soient judicieusement choisis.
CHAPITRE II : PROCEDURE DE DIMENSIONNEMENT DU
SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME
II.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. Chiffrage de l'énergie solaire
récupérable selon l'emplacement et la situation
géographique ;
3. Définition des modules photovoltaïques : tension
de fonctionnement, technologie, puissance totale à installer(puissance
crête) ;
4. Définition de la capacité des batteries et
choix de la technologie,
5. Dimensionnement et choix du régulateur ;
6. Dimensionnement de l'onduleur.
II.2. consommation énergétique
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
différance existant entre la puissance et l'énergie.
Ces deux grandeurs sont donc reliées par le temps.
E = P x t (II.1)
Avec : E : énergie
P : puissance
t : temps d'utilisation
L'énergie est le produit de la puissance par le temps.
La relation II.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 d'une installation, on
calcule d'abord l'énergie électrique consommée en 24
heures par chaque équipement ou chaque fonction électrique et
ensuite on les additionne.
Et = P1 t1 + P2 t2 +P3 t3 + + Pn tn
(II.2)
ou
Et = ?~ ~~~ (II.3)
Pi ti
Avec : Pi : puissance électrique d'un
appareil exprimée en Watt (W) t i : durée
d'utilisation de cet appareil en heure par jour (h/j)
Lorsque tous les appareils fonctionnent à la même
tension, la consommation journalière peut également se chiffrer
en Ampère- heure par jour(Ah/j), unité pratique pour tous les
systèmes liés à une batterie.
Comme les équipements fonctionnent en alternatif et que
la consommation énergétique passe par un onduleur, la puissance
de l'équipement en tenant compte du rendement de l'onduleur se calcule
de la façon suivante :
Puissance corrigée = puissance de l'équipement
rendement de l'onduleur
II.3. Energie solaire récupérable
II.3.1. Etude de l'inclinaison et orientation des
panneaux
La position des modules photovoltaïques par rapport au
rayonnement solaire influence directement sur leur production
énergétique. Il est important de bien placer les panneaux pour
les utiliser au maximum de leurs possibilités. L'orientation est le
point cardinal vers lequel est tournée la face active du panneau (sud,
nord, sudouest,...).
Quant à l'inclinaison, elle indique l'angle que fait le
panneau avec le plan horizontal et se compte en degrés.
L'orientation idéale d'un panneau photovoltaïque
obéit à une règle qui consiste à l'orienter vers
l'équateur.
Ce qui donne l'orientation vers :
· le sud dans l'hémisphère nord ;
· le nord dans l'hémisphère sud.
En ce qui concerne l'inclinaison, on tiendra compte de la
période de l'année la moins ensoleillée pour optimiser la
production de l'énergie. Les panneaux doivent donc
récupérer l'énergie d'un soleil dont la hauteur est
faible.
Cette inclinaison va être fixée par la latitude(
distance angulaire d'un point quelconque du globe par rapport à
l'équateur) et la périodicité de l'inclinaison, comme
illustré par le tableau II.1(5)
Tableau II.1.-Inclinaison en fonction de la latitude
Pour une utilisation de l'année
|
Latitude ñ
|
Inclinaison á
|
ñ < 10°
|
á = 10°
|
10° < ñ < 30°
|
á = ñ
|
30° < ñ < 40°
|
á = ñ + 10°
|
ñ > 40°
|
á = ñ + 15°
|
|
L'utilisation peut être permanente en saison sèche
ou en saison pluvieuse.
Cette inclinaison sera sensiblement égale à la
latitude ou légèrement supérieure pour les sites les plus
éloignés de l'équateur.
II.3.2. Ombrage ou repérage des masques(1)
Il arrive que les modules soient placés face à un
type d'obstacle comme le bâtiments, montagnes, arbres.etc. lui masquant
le soleil.
Ces effets d'ombrage sur le rayonnement reçu sont
très difficiles à estimer intuitivement, cependant, il faut faire
attention aux ombrages partiels et même ponctuels puisqu'ils influent sur
la production d'énergie et provoque un déficit de production
important dont il faut tenir compte.
Il faut noter que lorsqu'une cellule est ombrée, c'est
le courant de toute la chaine des cellules en série qui est
limité et cela peut avoir des graves conséquences si les panneaux
ne sont pas équipés de diodes anti-retour.
II.3.3. Données
météorologiques(1)
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.
Pour un besoin électrique donné, plus
l'énergie solaire reçue est grande, mois on a des panneaux
solaires à installer et inversement.
En traversant l'atmosphère, le rayonnement solaire est
absorbé et diffusé au sol. L'influence de l'atmosphère
provoque la diffusion et l'absorption d'une partie du rayonnement incident.
La modification par l'atmosphère du rayonnement solaire
obéit à des phénomènes assez complexes et surtout
en grande partie aléatoires.
Le flux lumineux reçu au niveau du sol à un
instant donné dépend d'un grand nombre de paramètres :
" Gaz présents dans l'atmosphère ;
1' Nuages ;
" Albédo (réflectivité du sol) ; "
Température ambiante ;
1' Vent ;
1' Humidité relative, etc.
Or tous ces paramètres dépendent :
1' du lieu géographique,
1' de la saison ;
1' de l'heure de la journée ;
1' des conditions météorologiques du moment.
Il est donc important de disposer des données fiables
en recourant à des statistiques accumulées sur les années
antérieures grâce à un instrument de mesure appelé
«héliographe».
Grace à cet instrument de mesure, les stations
météorologiques élaborent des statistiques de rayonnement
solaire intégré en KWh/m2.j à partir de toutes
les données récoltées. Ce sont ces données,
globales sur une journée, qui servent la plupart de temps au
dimensionnement d'un système photovoltaïque.
Pour un dimensionnement plus rapide, on se servira de la valeur
la plus faible de la période de fonctionnement d'une application.
II.4. Définition des modules
photovoltaïques
II.4.1. Calcul de la puissance crête du
système
Un module photovoltaïque se caractérise avant tout
par sa puissance crête PC, puissance dans les conditions standard,
c'est-à-dire 1000 W/m2 à 25°C.
Si le module est exposé dans ces conditions standard, il
va produire à un instant donné une puissance crête et si
cela dure N heures, il aura produit pendant ce laps de
temps une énergie électrique Eprod
égale au produit de la puissance crête par le temps
écoulé.
Eprod = N x PC (II.4)
Avec : Eprod : énergie électrique produite en
Wh
N : nombre d'heures d'exposition dans les conditions standard PC
: puissance crête
Un module photovoltaïque produit pendant une
journée d'ensoleillement, une énergie solaire
intégrée en Wh/ m2, ce qui fait a ce qu'on assimile
cette énergie solaire au produit du rayonnement instantané de
1000 W/m2 par un certain nombre
d'heures que l'on appelle nombre d'heures
équivalentes(Ne).
Grâce à la valeur de 1000 de ce rayonnement de
référence, le nombre d'heures équivalentes se trouve
numériquement égal à l'énergie solaire
intégrée si on l'exprime en KWh/m2 j
Esol = Ne x 1000
(II.5)
Avec : Esol : énergie solaire journalière par
unité de surface en Wh/m2.j
Ne : nombre d'heures équivalentes en h/j
1000 : rayonnement instantané en w/m2
La puissance du panneau étant directement
proportionnelle au rayonnement instantané, on peut alors multiplier la
puissance crête du panneau par le nombre d'heures équivalentes
pour obtenir la production du module photovoltaïque pendant une
journée.
Eprod = Ne x PC
(II.6)
Avec : Eprod : énergie électrique produite dans la
journée en Wh/j
Ne : nombre d'heures équivalentes en h/j
PC : puissance crête
Partant de la relation (II.5), on trouve que :
Esol
Ne = (II.7)
1000
En portant la relation (II.7) dans celle (II.6), cette
dernière devient :
Eprod = x PC = Q
x PC (II.8)
Esol
1000
Avec : Q , l'énergie solaire journalière en
KWh/m2.j
Pour calculer le champ photovoltaïque, on tiendra compte
des éventuelles pertes(module, régulateur, batterie,
onduleur).
Ces pertes sont introduites dans les calculs
énergétiques en Wh sous forme d'un facteur qu'on appelle facteur
de conversion K, déterminé expérimentalement et a une
valeur en générale de 0,6(sans unité).(8)
Pour le calcul de la puissance du champ des modules, on se
sert de la relation (III.8) dans laquelle on introduit le facteur de conversion
et on remplace l'énergie produite par celle consommée par le
site.
Econs = Q x PC x K
(II.9)
Avec : Econs, l'énergie consommée par le site en
Wh/j
de la relation (II.9), on déduit la relation de la
puissance crête comme suit :
PC =
Q x K
Econs
(II.10)
N.B : pour disposer d'assez de puissance en toute saison,
on fera le calcul dans les conditions d'ensoleillement les plus
défavorables de la période de l'année.
II.4.2. 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 se détermine en faisant le rapport
de la puissance crête du champ et celle d'un module.
soit : Nm = (II.11)
Puissance du champ Puissance d'un module II.5.
Dimensionnement du stockage
Dimensionner une batterie, c'est choisir un stockage tampon
permettant de s'affranchir des variations climatiques temporaires de la
journée et des quelques jours de mauvais temps. Il assure aussi le
fonctionnement nocturne.
II.5.1. 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.
II.5.2. Calcul de la capacité batterie
La capacité nominale d'une batterie est donnée
généralement pour une décharge en 20 heures notée
C20 à la température standard de 25°C.
La capacité utile pour un fonctionnement de Nja jours et
un besoin électrique journalier Econs est de :
CU = Nja x Econs (II.12)
Avec : CU : capacité utile de la batterie en Ah
Nja : nombre des jours d'autonomie sans apport solaire Econs :
consommation journalière du site en Ah/j
Cette capacité utile CU est la capacité
réellement disponible sur le terrain à tout moment, mais est
différente de la capacité nominale C20.
Pour calculer la capacité nominale en fonction de cette
capacité souhaitée, on doit donc tenir compte de la
température et/ou de la profondeur de décharge
autorisée.
· 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 0,7.
· Effet de la température : la température
ambiante influence la capacité de la batterie. Pour des basses
températures, la capacité diminue rapidement. En fonction de la
température minimale que la batterie va rencontrer sur le site et de la
tension minimale que le système peut accepter, on détermine un
coefficient réducteur de capacité par la température
Rt.
Pour une batterie plomb, la capacité disponible est de
68% à -20°C. donc le coefficient réducteur Rt sera pris
égal à 0,68(1).
En tenant compte de ces deux coefficients de réduction
c'est-à-dire des phénomènes de température et de
profondeur de décharge maximale, on calcule la capacité nominale
de la façon suivante :
Nja x Econs
C20 = = (II.13)
CU
Pd x Rt Pd x Rt
Avec :
|
C20 : capacité nominale en Ah
Nja : nombre des jours d'autonomie sans apport solaire Econs :
consommation journalière du site en Ah/j
Pd : profondeur de décharge
Rt : coefficient réducteur de capacité par la
température
|
|
II.6. Dimensionnement du régulateur
Le régulateur est l'élément central d'un
système photovoltaique autonome car controlant 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 arreter la charge.
Le régulateur sera dimensionné d'après la
tension et le courant d'entrée.
· La tension est celle du champ photovoltaique.
· Le courant est elui de charge maximale que les modules
sont susceptibles de débiter à instant donné.
Pour estimer le courant, on prendra 1,5 fois le courant
Im tatal au point de puissance maximale.
II.7. Dimensionnement de l'onduleur
L'onduleur est un dispositif électronique permettant
la convertion du courant continu en courant alternatif avec un choix bien
précis de la fréquence. le signal généré est
une onde carrée,sinusoidale( parfaite),...
Le dimensionement d'un onduleur se base sur la somme des
puissances maximales de chaque équipement à alimenter dite
puissance active.
La puissance de l'onduleur dite«apparente»
sera légèment supérieure à la puissance active pour
tenir compte des éventuels courants de pointe élevés et
du
facteur de puissance cos ó.
II.7.1. Quelques définitions(3)
· La puissance active P correspond à la puissance
électrique transportée entre le générateur et les
recepteurs. 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
(V-A)
· La puissance réactive Q, signifie que les
recepteurs mettent en jeu des phénomènes d'accumulation
d'énergie électrostatique et électromagnétique.
Ceci à lieu sans dépense d'énergie électrique, mais
provoque des modifications aux valeurs instantantées des
intensités essentiellement par le déphasage sur la tension
appliquée. L'unité de cette puissance est le
Volt-Ampère-réactif (V-A-R).
· Le facteur de puissance cos ó, est le
déphasage de l'intensité par rapport à la
tension. il est toujours compris entre 0
et 1. Soit 0 < cos ó < 1.
Un bon facteur de puissance est celui qui s'approche beaucoup
plus de l'unité.
Pour notre dimensionnement, on prendra un cos ó = 0,8
II.7.2. Calcul de la puissance apparente S(2)
Le facteur de puissance est lié à la puissance
active P et apparente S, par la relation :
cos ó = pS (II.14)
La puissance réactive est le produit de la puissance
apparente par le sinus de l'angle ó Q = S.sin ó
(II.15)
En tirant la valeur de S dans (II.14) et en la
remplaçant dans (II.15), on a :
Q = p sina
cos a
|
= P tan ó (II.16)
|
|
La puissance apparente sous forme complexe est : S = P + jQ = S
ej ó et en module
S = P2 + Q2 (II.17)
CHAPITRE III : DESCRIPTION ET CARACTERISTIQUE DU
SITE ETUDIE
III.1. Présentation
Le site que nous étudions, est une entité de
l'université de Lubumbashi ayant quarante maisons reparties en bloc de
six, quatorze et vingt maisons, communément appelé : six maisons,
camp blanc et camp rouge.
III.2. Description
Le site étudié est une portion des cités
universitaires situé sur la route kasapa. Ce site est compris entre la
faculté des lettres, le camp militaire et la faculté des sciences
économiques.
III.3. Situation Géographique
Le site étudié ou à alimenter est
caractérisé par les éléments suivants :
· Altitude : 1230 m
· Latitude : 11°36' Sud
· Longitude : entre 27°27' et 27°30' Est
Selon la latitude, l'irradiation journalière sera
différente d'un point à l'autre étant donné que
l'énergie disponible au niveau du sol dépendra de l'angle
d'incidence des rayons solaires.
Les sites d'altitude sont généralement plus
favorisés par l'ensoleillement que ceux de plaine.
· Climat : tropical à deux saisons.
· Sèche : allant du mois d'avril au mois
d'octobre.
· Pluvieuse : allant du mois de novembre au mois de mars
avec une pluviométrie moyenne de 1228 mm d'eau.
· Températures.
· En moyenne de 20° C
· Les plus basses : 15,8° C en moyenne, mais pouvant
descendre jusqu'à 10° C.
· Les plus hautes : 22,5° C en moyenne et pouvant
monter jusqu'à 38° C en octobre.
Image III.1. Cités universitaires en pointillés,
site étudié en trais continu
Six maisons
Camp blanc
Camp rouge
Bloc de 6 maisons
Route kasa pa
Vers le centre ville de Lubumbashi
Bloc de 14 maisons : camp blanc
Générateur
photovoltaïque
Bloc de 20 maisons : camp rouge
CHAPITRE IV : DIMENSIONNEMENT, INSTALLATION ET
MAINTENANCE DU SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE
AUTONOME
IV.1. CALCUL DE DIMENSIONNEMENT
IV.1.1. Evaluation du besoin énergétique du
site
Hypothèse
Notre site a quarante maisons reparties en bloc de six, quatorze
et vingt maisons.
Comme hypothèse, nous prendrons la situation d'une
maison par bloc pour le calcul de la charge qu'on multipliera par la suite par
le nombre des maisons du bloc respectif pour l'obtention de la charge totale du
bloc.
La charge totale du site sera obtenue en faisant la somme des
charges de ces trois blocs.
· Situation d'une maison pour le bloc de
six
Tableau IV.1. Consommation énergétique
journalière. Cas d'une maison du bloc de six
Equipement
|
Nombre
|
Puissance
en régime
permanent
(W)
|
Puissance en régime permanent totale(W)
|
Rendement
de
conversion
(%)
|
Puissance
corrigée du
rendement
|
Durée
d'utilisation
par jour
(h/j)
|
Consommation
énergétique
journalière
(Wh/j)
|
Téléviseur
|
2
|
200
|
400
|
85
|
471
|
12
|
5 652
|
Radio
|
2
|
58
|
116
|
85
|
136
|
6
|
816
|
Lecteur dvd
|
2
|
10
|
20
|
85
|
24
|
8
|
192
|
Fer à repasser
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
3
|
3 528
|
Ventilation
|
2
|
80
|
160
|
85
|
188
|
5
|
940
|
Réfrigération
|
1
|
250
|
250
|
85
|
294
|
24
|
7 056
|
Chauffe eau
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
5
|
5 880
|
Plaque chauffante
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
6
|
7 056
|
Lampes
|
7
|
100
|
700
|
85
|
824
|
15
|
12 360
43 480
|
Totale
|
|
|
4 646
|
|
|
|
|
· Situation d'une maison pour le bloc de quatorze
Tableau IV.2. Consommation énergétique
journalière. Cas d'une maison du bloc de quatorze
Equipement
|
Nombre
|
Puissance
en régime
permanent
(W)
|
Puissance en régime permanent totale(W)
|
Rendement
de
conversion
(%)
|
Puissance
corrigée du
rendement
|
Durée
d'utilisation
par jour
(h/j)
|
Consommation
énergétique
journalière
(Wh/j)
|
Téléviseur
|
2
|
200
|
400
|
85
|
471
|
12
|
5 652
|
Radio
|
3
|
80
|
240
|
85
|
282
|
6
|
1 692
|
Lecteur dvd
|
2
|
10
|
20
|
85
|
24
|
8
|
192
|
Ordinateur
|
1
|
250
|
250
|
85
|
294
|
6
|
1 764
|
Fer à
repasser
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
4
|
4 704
|
Ventilation
|
3
|
80
|
240
|
85
|
282
|
5
|
1 410
|
Réfrigération
|
1
|
250
|
250
|
85
|
294
|
24
|
7 056
|
Chauffe eau
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
6
|
7 056
|
Plaque chauffante
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
6
|
7 056
|
Lampes
|
10
|
100
|
1 000
|
85
|
1 176
|
15
|
17 640
54 222
|
Totale
|
|
|
5 400
|
|
|
|
|
· Situation d'une maison pour le bloc de vingt
Tableau IV.3. Consommation énergétique
journalière. Cas d'une maison du bloc de vingt
Equipement
|
Nombre
|
Puissance
en régime
permanent
(W)
|
Puissance en régime permanent totale(W)
|
Rendement
de
conversion
(%)
|
Puissance
corrigée du
rendement
|
Durée
d'utilisation
par jour
(h/j)
|
Consommation
énergétique
journalière
(Wh/j)
|
Téléviseur
|
1
|
200
|
200
|
85
|
235
|
12
|
2 820
|
Radio
|
2
|
80
|
160
|
85
|
188
|
6
|
1 128
|
Lecteur dvd
|
1
|
10
|
10
|
85
|
12
|
8
|
96
|
Fer à
repasser
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
4
|
4 704
|
Ventilation
|
2
|
80
|
160
|
85
|
188
|
5
|
940
|
Réfrigération
|
1
|
264
|
264
|
85
|
311
|
24
|
7 464
|
Chauffe eau
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1176
|
5
|
5 880
|
Plaque chauffante
|
1
|
1 000
|
1 000
|
85
|
1 176
|
6
|
7 056
|
Lampes
|
8
|
100
|
800
|
85
|
941
|
15
|
1 4115
44 203
|
Totale
|
|
|
4 594
|
|
|
|
|
Le tableau IV.4 donne la consommation
énergétique journalière des blocs ainsi que celle du site
obtenue en additionnant les consommations énergétiques
journalières de tous les trois blocs.
Tableau IV.4. Consommation énergétique
journalière du site
Bloc
|
Consommation
énergétique
journalière d'une
maison
(Wh/j)
|
Nombre des
maisons
|
Consommation
énergétique
journalière
du bloc
(Wh/j)
|
de six
|
43 480
|
6
|
260 880
|
de quatorze
|
54 222
|
14
|
759 108
|
de vingt
|
44 203
|
20
|
884 060
|
|
La consommation énergétique journalière du
site 1 904 048
La consommation énergétique du site est de
1 904 048 Wh/j
IV.1.2. Situation d'ensoleillement du site
En ce qui concerne la situation d'ensoleillement de notre
site, nous allons recourir aux données récoltées au
service METELSAT/Katanga où nous approchons nos calculs à la
situation d'ensoleillement de la période allant de 1954 à 1966
reprise dans le tableau IV.5
Tableau IV.5. variation d'insolation. Source METELSAT/Katanga
Rayonnement
solaire
|
Janvier 31 jours
|
Fevrier 28 jours
|
Mars 31 jours
|
Avril 30 jours
|
Mai 31 jours
|
Juin 31 jours
|
Juillet 30 jours
|
Aout 31 jours
|
Septembre 30 jours
|
Octobre 31 jours
|
Novembre 30 jours
|
Decembre 31 jours
|
Moyenne mensuel de
l'insolation (h/mois)
|
1487
|
1182
|
1645
|
2357
|
2936
|
2858
|
3111
|
3114
|
2909
|
2767
|
1797
|
1393
|
Valeur maximale
|
1860
|
1465
|
2136
|
2949
|
3232
|
3105
|
3267
|
3290
|
3028
|
3160
|
2832
|
1819
|
Valeur minimale
|
901
|
936
|
1247
|
1447
|
2550
|
2632
|
2875
|
2894
|
2709
|
2260
|
1189
|
1092
|
Ensoleillement en KWh/m2.j
|
4,79
|
4,22
|
5,30
|
7,85
|
9,42
|
9,5
|
10
|
10
|
9,69
|
8,92
|
5,99
|
4,49
|
|
IV.1.3. Définition des modules
photovoltaïques
Calcul de la puissance crête du système
photovoltaïque
· Consommation journalière du site : Econs = 1 904
048 Wh/j
· Energie solaire journalière du site, la plus
défavorable de la période de l'année : Q = 4,22
KWh/m2.j (cf. tableau IV.5)
· Facteur de conversion : K = 0,6
Econs
En appliquant la relation de la puissance crête (II.10),
PC = , on trouve :
Q x K
1 904 048
PC = 751 993,6 751 994 WC
4,22 x 0,6
La puissance crête du système est :
|
|
PC = 751,994 KWC
|
|
Détermination du nombre des modules
Nm
On détermine le nombre des module, en faisant le rapport
de la puissance crête du système et celle d'un module.
Pour notre dimensionnement nous adoptons un module des
caractéristiques suivantes :
· Puissance : 504 Wc
· Tension : 96 V
· Intensité : 5,25 A
Puissance du cham
p 751 994
En appliquant la relation (II.11), on a :
Nm = = = 1 492
Puissance du module 504
En arrondissant à une valeur entière
supérieure, on trouve Nm = 1 500 modules de 504 Wc.
Le champ photovoltaïque sera donc constitué de 1 500
modules de 504 Wc disposés de la manière suivante :
· 30 modules en série par chaine
· 50 chaines en parallèle
IV.1.4. Dimensionnement du stockage
Autonomie sans apport solaire
La durée d'autonomie nécessaire est liée
à la probabilité de trouver une série de mauvais jours
d'affilée, avec un ensoleillement très défavorable.
Dans nos calculs on prendra Nja = 4 jours.
Calcul de la capacité nominal
~ Consommation journalière du site,
Econs (Ah/j) =
|
1 904 048 Wh
|
|
|
Où 24 V, est la tension de la batterie Econs = 79 335
Ah
· Nombre des jours d'autonomie sans apport solaire, Nja =
4
· Profondeur de décharge, Pd = 0,7
· Coefficient réducteur de capacité par la
température, Rt = 0,68
La capacité nominale est :
4 x 79 335 317 340
C20 = = = = 666 681 Ah
0,7 x 0,68 0,476
Pour une batterie de 1400 Ah ayant une décharge en 20
heures sous 24 V, on a le nombre des batterie égal à :
Nb = 666 681
1400
|
= 476 480 batteries
|
|
Le nombre des batteries à mettre en oeuvre est de 480
batteries de 1400 Ah - 24 V. IV.1.5. Dimensionnement du
régulateur
Pour notre dimensionnement, nous adopterons un
régulateur de charge série incorporant un interrupteur entre le
générateur et l'accumulateur pour arreter la charge.
Le régulateur sera dimensionné d'après la
tension et le courant d'entrée.
· La tension d'entrée est 96 V
· Pour estimer le courant, on prendra 1,5 fois le courant
Im tatal au point de puissance maximale.
Nous avons 751 994 Wc de puissance crete pour laquelle on dispose
de 1500 modules de 504 Wc( 50 chaines de 30 modules chacune).
Le régulateur choisi est un modèle série
. L'ampérage d'entrée sera calculé en prenant 50 fois le
courant de puissance maximale du module et en le multipliant par 1,5. Ce qui
donne : 1,5 x 50 x (504/136) = 278 A
En admettant que le module a une tension maximale Um
de 136 V.
Comme le courant d'entrée est élevé, on
prendra 5 régulateurs série de 60 Ampères montés en
paralléle( pour éviter des sections assez grandes des cables) et
relié chacun des régulateurs à un sous ensemble des
branches des modules.
Pour les cinq régulateurs on aura cinq sous ensembles de
10 chaines chacun. IV.1.6. Dimensionnement de l'onduleur
Détermination de la puissance totale des
équipements à alimenter sur le site
a. Bloc de six, P1 = (4646 x 6) = 27 876 W
b. Bloc de quatorze, P2 = (5400 x 14) = 75 600 W
c. Bloc de vingt, P3 = (4594 x 20) = 91 880 W
La puissance totale est donc : P = (27 876 + 75 600 + 91 880) =
195 356 W Calcul de la puissance apparente S
on prendra un cos ó = 0,8 pour le dimensionnement.
Sachant que cos ó = 0,8 ; sin ó = 1 -
cos2 ó = 0,6
La puissance réactive est donc égale à Q = P
x (0,6/0,8) = 0,75 P = 0,75 x 195 356 (cf relation II.16)
Q = 146 517 V-A-R
En connaissant les valeurs de la puissance active et
réactive, on calcule par la suite la puissance apparente S.
En portant P = 195 356 W et Q = 146 517 V-A-R dans la relation
(II.17), on trouve
S = (195 356)2 + (146 517)2 = 244 195
V-A
En tenant compte des éventuels courants de pointe
élevés, on prendra une valeur normalisée supérieure
à celle-ci.
Soit : S = 250 KVA
Resultat
Pour notre système, on aura un onduleur rempliçant
les conditions suivantes :
· Tension d'entrée (la même que celle des
modules) : 96 V
· Tension de sortie : 230 V
· Fréquence : 50 Hz
· Rendement : 85%
· Puissance : 250 KVA
IV.2. INSTALLATION ET MAINTENANCE
Le montage d'une installation photovoltaïque ne
diffère pas beaucoup de celui électrique traditionnel. Cependant
les particularités du courant continu et de la basse tension
liées aux grands courants imposent certaines précautions
particulières.
Les panneaux solaires devant être montés à
l'extérieur, une série de problèmes liés à
l'environnement peuvent apparaitre : corrosion ou vieillissement en fonction de
la salinité, des matériaux et des choix de montage.
IV.2.1. Installation mécanique et
électrique
Pour le montage des modules, on adoptera un montage sur
châssis au sol puisque la surface à mettre en oeuvre est
importante.
En ce qui concerne l'orientation et l'inclinaison des modules,
on aura la situation suivante en fonction de la latitude du site
étudié :
Géographiquement notre site a une latitude ñ de
11°36'sud. Cette latitude étant comprise entre 10 et 30
degrés (cf. tableau II.1), on trouve que l'angle d'inclinaison á
est égal à la latitude ñ.
L'inclinaison est donc : á = 11°36' sud.
L'implantation sera dite « 11°36' sud » qui veut dire :
· une orientation vers le nord (le site se trouve dans
l'hémisphère sud)
· une inclinaison de 11°36' par rapport au plan
l'horizontal.
On choisira des structures et visseries en acier inoxydable,
pour les supports des modules.
L'installation des autres composants se fera dans un local
bien aéré pour éviter surtout les pertes au niveau des
batteries dues à la variation de la température réduisant
la capacité de stockage.
En ce qui concerne la connexion électrique du
système, il faudra connecter ;
· D'abord la batterie aux bornes du régulateur en
respectant scrupuleusement la polarité (bornes positives entre elles et
celles négatives aussi) ;
· Ensuite l'onduleur à la batterie et en fin le
régulateur aux panneaux solaires.
L'onduleur sera mis à la terre ou à la masse selon
les normes, pour éviter a ce que la foudre ne se propage dans le
câblage et ne détruise les équipements.
IV.2.2. Maintenance
Les composants photovoltaïques nécessiteront des
opérations de maintenance et surtout des contrôles pour s'assurer
du bon fonctionnement du système.
Modules
L'entretien des modules se fera chaque fois pour s'assurer
que rien ne gène l'arrivée du rayonnement et que l'énergie
produite est transmise au régulateur. On fera donc :
· Le nettoyage de la face avant des modules à
l'eau claire tous les 3 à 6 mois environ pour enlever les salissures, le
sable, les éventuels nids ou autres insectes parasites.
· L'élagage de la végétation tout
autour si elle a poussé.
· Une vérification des supports : surveillance des
corrosions éventuelles, serrage des fixations mécaniques.
· La vérification de l'aspect des modules : pas des
cellules brunes, pas d'infiltrations éventuelles, ni de
dégradation volontaires.
· La vérification des connexions : grattage des
corrosions éventuelles, serrage des borniers.
Batteries
Les opérations de maintenance et les contrôles
sur les batteries doivent être effectués avec de l'outillage
isolé et en observant les règles de sécurité pour
éviter tout court-circuit.
On fera donc des opérations de maintenance et les
contrôles suivants :
· La mesure de la tension de chaque élément
et report des valeurs dans un tableau.
· Le contrôle de l'aspect : bac normale, non
déformé, bornes propres( sinon les nettoyer).
· L'entretient des connexions et nettoyage des contacts.
· Le contrôle visuel des niveaux d'électrolyte
: ajouter de l'eau distillée si nécessaire( il y a deux
indicateurs de niveau MAX et MIN)
· La mesure de la densité de l'électrolyte
de chaque élément de 2 V : reporter les valeurs dans le
même tableau que celui des tensions et comparer les mesures entre elles ;
si une ou plusieurs mesure(s) (est) sont différente(s), refaire ces
mesures après une charge d'égalisation et encore une nouvelle
fois après quelques jours dans un état de charge
intermédiaire. Si les densités restent très
différentes, il faudra songer au remplacement des batteries si la
capacité n'est plus suffisante.
Régulateurs
Les régulateurs nécessitent en principe
très peu d' entretien.
Les éléments à contrôler sont la
fixation du régulateur, le serrage des borniers et la tenue des
câbles. Les paramètres de fonctionnement ne devant pas changer
dans le temps, sauf après une surcharge occasionnée par exemple
par un impact de foudre proche du système ; dans un tel cas, on
surveillera que le fonctionnement de fin de charge est correct et que la charge
s'arrête.
Onduleur
Faire les contrôles sur l'onduleur, c'est s'assurer que
: les récepteurs tolèrent la distorsion de l'onduleur et
acceptent les variations de la tension de sortie, l'onduleur protège
contre la surcharge et coupe l'utilisateur en cas de basse tension pour la
protection de la batterie.
CONCLUSION
Le recours au photovoltaïque se pose en terme de choix
par rapport à une autre source d'électricité telle que la
source éolienne, le groupe électrogène, etc.
Le photovoltaïque présente au jour d'aujourd'hui
d'énormes avantages par l'effet que l'installation principalement celle
des modules est simple et adaptée à des besoins
énergétique divers et les couts de fonctionnement sont
très faibles vu les entretiens 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 n'est que
l'occupation de l'espace pour l'installation de grande dimension.
Décider de faire appel aux énergies
renouvelables, 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 rentabilité
économique de la décision et rappelons qu'un bon dimensionnement
photovoltaïque est une nécessité pour assurer une
alimentation efficace du logement, 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 1 904 048 Watts
heure par jour, on aura à installer :
· Un champ photovoltaïque de puissance égale
à 751 994 Watts Crète constitué de 1500 modules de 504
Watt Crète chacun, dont 30 modules en série pour 50 chaines en
parallèle.
· Un parc de 480 batteries au plomb de 1400 Ampères
heure ayant une décharge en 20 heures sous 24 Volt chacune.
· Un ensemble constitué de 5 régulateurs
série de 60 Ampères comme courant d'entrée et
montés en parallèle.
· Un onduleur remplissant les caractéristiques
suivantes : la tension d'entrée de 96 V, celle de sortie de 230 V, la
fréquence de 50 Hz et une puissance de 250 KVA
En présentant ce travail, nous osons croire avoir fait
un grand apport dans le monde scientifique et Comme tout oeuvre humaine, ce
travail peut être attaché d'erreurs et peut nécessiter une
quelconque correction et même être complété. Ainsi
donc toute critique constructive pour le développement sans cesse
croissant de la technique et de la technologie est saluée.
BIBLIOGRAPHIE
(1) Anne LABOURET et Michel VILLOZ, Energie solaire
photovoltaïque, édition Paris 2006.
(2) Idriss KYONI , Cours d'Analyse des circuits et mesures
électriques/deuxième graduat électromécanique.
Université de Lubumbashi, Faculté Polytechnique (notes
inédites 2009).
(3) KABEYA NZOLO, Etude d'une installation
photovoltaïque raccordée au réseau/TFC.
Université de Lubumbashi, Faculté Polytechnique, année
académique 2006-2007.
(4) LIANGO M. Cours d'Electronique
générale/troisième graduat électromécanique.
Université de Lubumbashi, Faculté Polytechnique (notes
inédites 2010).
(5) YAMUME KITENGE, Avant projet d'installation d'une
centrale photovoltaïque pour l'alimentation permanente de la tour de
contrôle de la Luano/TFC. Université de Lubumbashi,
Faculté Polytechnique, année académique 2003- 2004.
webographie
(6) www.énergétique/
ARCEA.com (mai 2010).
(7)
www.énergétique.com
(mai 2010).
(8) www.google/dimensionnement d'un système
photovoltaique.com (aout
2010)
TABLE DE MATIERE
EPIGRAPHIE I
DEDICACE II
AVANT-PROPOS III
INTRODUCTION 1
CHAPITRE I : GENERALITE SUR L'ENERGIE ET SYSTEME
PHOTOVOLTAIQUE 3
I.1. ENERGIE SOLAIRE 3
I.1.1. Définition 3
I.1.2. Filières d'exploitation de l'énergie
solaire 3
I.1.3. Rayonnement solaire 4
I.2. L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE 4
I.2.1. Origine et définition 4
I.2.2. Cellule photovoltaïque 5
I.2.3. Matériau semi-conducteur 5
I.2.4. Conversion photovoltaïque 6
I.2.5.Technologie et paramètres des cellules
photovoltaïques 9
A. Technologie des cellules photovoltaïques
9
B. Paramètres des cellules photovoltaïques
13
I.3. SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE 16
I.3.1. Type de système photovoltaïque
16
I.3.2. Composants du système photovoltaïque
autonome 18
1. Module 18
2. Batterie de stockage 20
3. Régulateur 21
4. Onduleur 22
I.4. PRODUCTION DE L'ENERGIE 23
I.5. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU PHOTOVOLTAÏQUE
24
CHAPITRE II : PROCEDURE DE DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME
PHOTOVOLTAÏQUE
AUTONOME 25
II.1. Marche à suivre 25
II.2. consommation énergétique
25
II.3. Energie solaire récupérable
27
II.3.1. Etude de l'inclinaison et orientation des
panneaux 27
II.3.2. Ombrage ou repérage des masques
28
II.3.3. Données météorologiques
28
II.4. Définition des modules photovoltaïques
29
II.4.1. Calcul de la puissance crête du
système 29
II.4.2. Détermination du nombre des modules Nm
31
II.5. Dimensionnement du stockage 31
II.5.1. Autonomie sans apport solaire 31
II.5.2. Calcul de la capacité batterie
32
II.6. Dimensionnement du régulateur
33
II.7. Dimensionnement de l'onduleur 33
II.7.1. Quelques définitions 34
II.7.2. Calcul de la puissance apparente S 34
CHAPITRE III : DESCRIPTION ET CARACTERISTIQUE DU SITE
ETUDIE 35
III.1. Présentation 35
III.2. Description 35
III.3. Situation Géographique 35
CHAPITRE IV : DIMENSIONNEMENT, INSTALLATION ET
MAINTENANCE DU SYSTEME
PHOTOVOLTAIQUE AUTONOME 39
IV.1. CALCUL DE DIMENSIONNEMENT 39
IV.1.1. Evaluation du besoin énergétique
du site 39
IV.1.2. Situation d'ensoleillement du site
41
IV.1.3. Définition des modules
photovoltaïques 42
IV.1.4. Dimensionnement du stockage 43
IV.1.5. Dimensionnement du régulateur
43
IV.1.6. Dimensionnement de l'onduleur 44
IV.2. INSTALLATION ET MAINTENANCE 45
IV.2.1. Installation mécanique et
électrique 45
IV.2.2. Maintenance 46
CONCLUSION 48
BIBLIOGRAPHIE 50
TABLE DE MATIERE 51
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