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Outil d'aide au dimensionnement des systemes photovoltaiques domestiques

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par Max Jimmy TCHANA NKOUIMI
Ecole nationale supérieure polytechnique de Yaoundé - Ingénieur génie électrique 2009
  

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Chapitre 1 : Generalites sur l'energie so laire

Chapitre 2 : Generalites sur les systemes

photovoltaiques

Chapitre 3 : Contexte et Prob lematique

Memoire de fin d'etude pour l'obtention du diplOme d'ingenieur de conception
Option Genie electrique a l'Ecole Nationale Superieure Polytechnique de Yaounde
Par TCHANA NKOUIMI Max Jimmy

chaPitre

1

1, Generalites sur

lienergie solaire

Description :

D

es connaissances de base sur l'énergie so laire sont nécessaires afin de mieux appréhender le sujet. Dans ce chapitre, nous nous proposons de mettre en exergue des notions sur le gisement so laire et de presenter brievement les technologies de transformation de l'energie so laire.

Aperçu :

1.1 Introduction

1.2 Le gisement solaire

1.3 Technologie de transformation de l'énergie solaire 1.4 conclusion

i.i. Introduction ~ii

Pu de la terre, le so leil de masse 2.1030Kg apparait comme une sphere de rayon

700.000 Km (environ 109 fois le rayon terrestre). La distance moyenne terre-so leil est evaluee a environ 150.000.000 Km.

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Les etudes astrophysiques du so leil montrent que ce lui-ci se constitue d'un noyau de plasma (hydrogene70,5%, helium 27,2%) porte a une temperature d'environ 10K favorisant la production d'energie de rayonnement so laire par reaction thermonuc leaire. Chaque seconde, le so lei l degage 4.1020J d'energie. L'energie so laire qui atteint chaque annee la surface de la terre equivaut a 1,56.108Kwh, soit 1500 fois la consommation mondiale actue lle d'energie fossi le =2]. ;'energie so laire

est produite par le rayonnement du so leil direct ou diffus a travers l'atmosphere. Le so leil produit ainsi une energie inepuisab le et nature llement disponible en quantite.

Cette energie provient de la fusion nuc leaire de noyaux d'atomes d'hydrogene qui se produit au cceur du Soleil. Elle se propage dans le systeme so laire et dans l'Univers sous la forme d'un rayonnement e lectromagnetique de photons se lon la theorie corpuscu laire 12].

la Terre est illuminee par le Soleil en permanence. L'une des deux faces du globe

terrestre se trouve prive d'energie so laire pendant la nuit en raison de la rotation de la Terre. La puissance so laire revue en un point du globe varie en fonction de l'heure de la journee, de la saison et de la latitude du lieu considere.

1.2. Le gisement solaire 131

le gisement so laire est un gisement reparti sur l'ensemb le de la planete. La

puissance de reference du gisement so laire est de 1000 W/m2. °an grand nombre de technologies dites « nouvelles » fait appe l a la transformation energetique du rayonnement so laire. Il est donc interessant d'en connaitre les caracteristiques et d'evaluer le niveau de disponibi lite de cette energie so laire, en fonction de divers parametres (lieu, saison, heure, etc.).

1.2.1. Nature du rayonnement solaire

la radiation so laire est un rayonnement e lectromagnetique. Il est concentre dans le diapason 0 .3-3pm . Le spectre so laire est constitue essentie llement des ondes ultra vio lettes (2%), ondes visib les (49%), ondes infra rouge (49%). Les autres parties du spectre jouent un role peu important dans la balance thermique de la terre.

Figure 1: Spectre solaire [15]

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Zn passant par l'atmosphere une grande partie de l'energie so laire se perd a cause de l'absorption du rayonnement infra rouge et ultraviolet par l'ozone, les particules de poussieres et les aerozones. Le parametre qui determine l'influence de l'atmosphere sur la puissance moyenne du rayonnement so laire est la masse aerienne. Ce lle-ci represente en fait l'epaisseur relative de la couche d'atmosphere traversee par le rayonnement so laire.

1.2.2. L'ensoleillement

;'irradiation ou enso lei llement, exprimee en Kwh/m2.j (kilowatt heure par

metre carre et par jour) correspond a l'energie totale qui est revue sur un plan perpendicu laire aux rayons du so leil et par jour. C'est une moyenne du rayonnement so laire revue au cours d'une journee.

Jitue en p lein cceur de la region tropicale, l'enso lei llement au Cameroun, tout au

long de l'annee, est assez e leve pour alimenter des generateurs photovoltaiques en permanence. Quelques mesures de rayonnement so laire de Yaounde effectuees par le laboratoire de recherches energetiques de Yaounde sont donnees dans le tableau qui suit [7]:

Moyenne annuelle

Septembre

Novembre

Décembre 6310

Octobre 7040

Janvier

Février 6590

Juillet

MOIS Ensoleillement moyen (Wh/ m2/Jour)

Avril 7120

Mars

Aout 5970

Juin 6480

Mai

6610

6720

6860

6020

6440

5760

5820

Tableau 1: irradiations moyennes a Yaounde 1.2.3. Disponibiliti pratique de l'inergie solaire

~'intensite du rayonnement so laire au so l est extremement variable suivant :

La localisation geographique

L'heure

La saison

Les conditions meteoro logiques

L'altitude

Pour ne citer que ceux la.

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Pratiquement, la puissance disponible au so l depasse rarement 1000 W/m2 dans les mei lleures conditions de reception. En effet, l'atmosphere terrestre affaib lit tres sensib lement le rayonnement direct du so leil qui atteint 1335 a 1435 W/m2 sur la couche exterieure horizontale de l'atmosphere. Parallelement a cet affaib lissement, elle g diffuse » une partie du rayonnement so laire ; cette energie diffuse pouvant etre recuperee au so l (capteurs plans) meme en l'absence de rayonnement direct.

Figure 2 : Les rayonnements dans l'atmosphere [3] 1.2. 4. Grandeurs mesuries du rayonnement solaire

1.2.4.1. L'insolation

~'est la duree effective pendant laque lle le so lei l a bri lle (ombres portees sur le so l). Elle est exprimee en heures et dixieme d'heure. Comparee a la duree maximale theorique d'inso lation, elle permet, en uti lisant la fraction d'inso lation, de calcu ler la valeur du rayonnement global, a partir de la valeur de la constante so laire.

Exprimee en donnees quotidiennes (matin, apres-midi), elle est mesuree par he liographe Campbell, et plus recemment par he liographe automatique (donnees integrees heure par heure).

1.2.4.2. Le rayonnement global (K ou G)

C'est l'eclairement energetique d'une surface horizontale (rayonnement direct + rayonnement diffus). Exprime en Wh/m2, i l est mesure par pyranometre (a thermopiles ou a photopi les).

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Le rayonnement global sur surface inc linee (Ga) est mesure par pyranometre, incline d'un angle a (15°, 30°, 45°, 60°, 90°) sur l'horizontale, et oriente diversement (E., W., S.-E., S.-W...).

1.2.4.3. Le rayonnement direct (I)

~'est l'eclairement energetique d'une surface perpendicu laire aux rayons so laires par le seul rayonnement provenant directement du so lei l (nu l si le so leil est occu lte par les nuages). Exprime en Wh/m2, toutes les heures, i l est mesure par Pyrheliometre (constamment dirige vers le so leil).

1.2.4.4. Le rayonnement diffus (D)

~'est l'eclairement energetique so laire provenant de toute la voate celeste, sauf du disque so laire lui-meme. Exprime en Wh/m2, i l est mesure par pyranometre avec ecran masquant le so leil (bande ou disque), ou difussometre.

Ce rayonnement est du a l'absorption et a la diffusion d'une partie du rayonnement so laire par l'atmosphere et a sa reflexion par les nuages. La distinction entre ces differents rayonnements a son importance. Car elle conditionne, en partie, le choix des capteurs so laires (capteurs plans ou a concentration).

Figure 3: de la gauche vers la droite: héliographe-pyranomètre-pyrhéliomètre

1.2.5. Variation du rayonnement solaire suivant la localisation geographique

Le rayonnement so laire varie assez largement suivant la localisation geographique. L'enso lei llement est nettement plus important au niveau des regions tropicales seches qui recoivent environ deux fois plus d'energie que la France.

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1.2.6. Variation du rayonnement solaire en fonction des saisons et des jours

Le rayonnement so laire varie sensib lement suivant les mois. I l convient donc d'en tenir compte dans la conception des installations so laires. Nous donnons ici quelques exemp les de repartitions annue lles.

Mois J F M A M J J A S 0 N D Moyenne

annue lle

Dakar (Senegal)

Niamey (Niger)

Nagpur (Inde)

5,20

 

5,93

6,99

7,02

6,95

6,51

5,78

5,10

5,42

5,50

5,00

4,87

5,86

5,42

6,05

6,36

5,85

6,32

5,68

_

_

_

5,91

5,56

5,50

_

5,37

5,92

6,64

7,09

7,34

5,59

4,64

4,42

5,59

5,81

5,59

4,89

5,74

Tableau 2: Evolution du rayonnement solaire globale au cours de liann~e (en
Kwh/m2/jour)

(Source: Television sco laire, Niamey; World distribution of solar, University of Wisconsin) _: Non defini

Ainsi, d'une journee a l'autre, au cours du meme mois, on peut constater de larges irregu larites, qui souvent tendent a se compenser sur une periode de quelques jours.

1.2.7. Part des rayonnements directs et diffus dans le rayonnement global

Le rayonnement diffus represente une part tres importante du rayonnement so laire global. Des equipements so laires fonctionnant avec des capteurs a concentration ne captant que le rayonnement so laire direct sont fortement penalises au cours de certains mois, contrairement aux capteurs plans qui captent a la fois le rayonnement direct et diffus.

1.2.8. Variation du rayonnement solaire en fonction de l'heure

Les courbes presentees sur la page suivante montrent des exemp les d'evo lution du rayonnement so laire en fonction de l'heure de la journee et de la nebu losite.

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1.2.9. Consequences pratiques issues de l'irregularite du rayonnement solaire

L'analyse ci-dessus nous montre que la disponibilite du rayonnement so laire est re lativement aleatoire en fonction des saisons, de l'etat de l'atmosphere du jour, de l'heure, etc. On peut en tirer quelques consequences :

on ne peut pas g garantir » le fonctionnement journalier d'un equipement de conversion de l'energie so laire (pompe so laire) comme on le ferait pour un equipement classique (moteur e lectrique par exemp le) ;

les performances d'un equipement de conversion de l'energie so laire varient tres largement en fonction de la qualite de l'atmosphere, du jour et plus generalement de la saison ;

pour avoir des performances suffisantes en saison de faib le

enso leillement, il est necessaire de surdimensionner sensib lement les equipements, ce qui est couteux ;

les equipements de conversion de l'energie so laire, a moins d'un systeme de stockage adapte, ne peuvent travai ller que quelques heures par jour. I l s'agit la d'un handicap important qui pese sur les coats d'amortissement ;

le stockage, facile dans certains cas (pompage de l'eau), diminue beaucoup les inconvenients propres a l'irregu larite du rayonnement so laire ;

le rayonnement so laire etant tres variable suivant la localisation, la saison, etc., i l est essentie l de le mesurer correctement, au moins sur une base annue lle avant de lancer d'importantes realisations, inevitab lement coateuses.

Figure4: illustration de variation du rayonnement solaire en fonction de l'heure
et du type de nuage [3]

Cas cie l nuageux : nuage de type Cumulus ou cumulus nimbus (iso le).

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Cas cie l bas : nuage de type altostratus ou stratus (en nappes).

1.2.10. Evaluation du gisement solaire d'un sitels1

le gisement so laire d'un site correspond a l'energie disponible par le rayonnement so laire, a un instant ou une periode de temps donne. Ce lui-ci s'evalue de deux fa;ons se lon que le site est a:

C limat connu ou a

C limat mal connu

> Cas des sites au climat connu : Lorsque des stations meteoro logiques existent dans les environs et peuvent etre considerees comme comprises dans la meme zone climatique du site envisage, les mesures sont aisement acquises. Les parametres meteoro logiques les plus utiles sont : la duree de l'enso lei llement, le rayonnement diffus et direct, le trouble atmospherique, l'albedo, la temperature.

Generalement, quelques series de mesure de rayonnement, sur le site, au moins pendant un an sont necessaires afin de verifier que les estimations sont coherentes avec les mesures. Un autre moyen d'estimation du rayonnement so laire est l'usage des donnees sate llitaires. Le satellite devient alors un moyen d'observation ideal, une source irremplagable d'information du plus grand inter4t sur le climat et son homogeneite.

> Cas des sites au climat mal connu : i l arrive souvent que l'on ne dispose d'aucune mesure des parametres meteoro logiques necessaires aussi bien sur site a caracteriser que dans les environs. Cette situation est tres courante dans les pays en deve loppement. Dans une te lle situation, il est alors conseille d'effectuer des mesures sur site au moins pendant une duree recouvrant l'ensemb le des saisons et d'utiliser des formu les empiriques indiquees a cet effet.

Zn pratique la puissance disponible au so l depasse rarement 1000 W/m2.

1.2.11. Les ressources energetiques solaires du Cameroun ~1al

Z'analyse des mesures sur le rayonnement so laire effectuee par le laboratoire de recherches energetiques de Yaounde, dans ses stations meteoro logiques disseminees sur le territoire national, a permis de diviser le Cameroun en trois grandes zones d'irradiation globale moyenne. Ainsi, l'irradiation globale moyenne journaliere est de 4 Kwh/ m2/J au Sud, de 5 Kwh/m2/J dans le Nord et de 6 Kwh/m2/J dans l'Extreme Nord. (Voir Annexe 1).

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1.3. Technologies de transformation de l'inergie solaire

les techniques pour capter directement une partie de l'energie so laire sont diverses et sont constamment ame liorees. On peut distinguer le so laire thermique et le so laire photovoltalque

1.3.1. Energie solaire thermique 111

le so laire thermique consiste a utiliser la chaleur du rayonnement so laire. I l se decline de differentes fa;ons :

en usage direct de la chaleur : chauffe-eau et chauffages so laires, cuisinieres et secheuses so laires ;

en usage indirect, la chaleur servant pour un autre usage : rafraichissement so laire, centrales so laires thermodynamiques.

insi, les installations thermiques sont de deux categories : Les installations passives et les installations actives.

1.3.1.1. Le solaire passif

la plus ancienne utilisation de l'energie so laire consiste a beneficier de l'apport

direct du rayonnement so laire, c'est-a-dire l'energie so laire passive. Pour qu'un batiment beneficie au mieux des rayons du Soleil, on doit tenir compte de l'energie so laire lors de la conception architecturale. L'inso lation thermique joue un role important pour optimiser la proportion de l'apport so laire passif dans le chauffage et l'eclairage d'un batiment.

Dans une maison so laire passive, l'apport so laire passif permet de faire des economies d'energie importantes.

Dans les batiments dont la conception est dite bioclimatique, l'energie so laire passive permet aussi de chauffer tout ou partie d'un batiment pour un coat proportionne l quasi nu l.

Figure 5: Utilisation du solaire passif pour l'eclairage et le
chauffage (lumitubes) [15]

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1.3.1.2. Les installations actives

bans les installations actives, La chaleur produite par le so lei l est captee puis stockee afin d'être reuti lisee a l'interieur des logements pour le chauffage ou l'eau chaude sanitaire.

Ttne installation so laire thermique permet de couvrir les besoins d'un foyer en

eau chaude sanitaire et les besoins en chauffage. C'est une solution performante qui permet de gagner en autonomie face aux energies fossi les tout en agissant concrêtement pour preserver l'environnement.

1.3.1.2.1. Chauffe- eau solaire

~our produire de l'eau chaude so laire, i l faut compter entre 3 et 7m2 de panneaux so laires poses sur le toit ou en facade et completer l'installation par un chauffe-eau. Les capteurs des panneaux so laires absorbent le rayonnement du so leil et le transforment en chaleur. Cette chaleur transmise a un liquide caloporteur passe ensuite dans un ballon de stockage et rechauffe l'eau sanitaire stockee qui peut alors etre uti lisee.

n chauffe-eau so laire permet de couvrir les besoins en eau chaude sanitaire. La production evo lue en fonction de l'enso lei llement ; ainsi 100% des besoins en eau chaude pourront etre produits par l'energie so laire en saison seche, et en saison p luvieuse lorsque l'enso lei llement diminue, une resistance e lectrique ou une chaudiere prennent le re lais.

le dimensionnement d'un chauffe-eau so laire depend des besoins et des habitudes de consommation.

Figure 6: Principe du chauffe-eau solaire [15]

1.3.1.2.2. Chauffage solaire

~our le chauffage, Un systeme so laire combine (SSC) permet de produire a la fois le chauffage et l'eau chaude d'un logement et d'economiser ainsi de l'energie.

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L'installation so laire alimente dans ce cas des radiateurs ou un p lancher chauffant. I l faut prevoir une surface de panneaux plus importante que pour un chauffe-eau so laire (20 m2 en moyenne). En periode peu enso leillee, lorsqu'il y a moins de so lei l, une chaudiere peu assurer le complement necessaire.

Z'energie so laire peut egalement etre utilisee pour le chauffage des piscines et

des douches so laires. Deja utilises dans les batiments tertiaires, les capteurs thermiques peuvent egalement etre utilises pour la climatisation de nos logements offrant ainsi une alternative economique et eco logique aux systemes de c limatisation conventionne ls.

1.3.1.2.3. L'energie solaire thermodynamique

la so laire thermodynamique est une technique so laire qui utilise le so laire thermique pour produire de l'e lectricite, ou eventue llement directement du travail mecanique (le terme solaire mécanique est alors employe), sur le même principe qu'une centrale e lectrique classique (production de vapeur a haute pression qui est ensuite turbinee).

1.3.2. Le solaire photovoltaique

le so laire photovoltaique consiste a transformer l'energie contenue dans la

lumiere du so leil en energie e lectrique en uti lisant un effet physique de certains materiaux : l'effet photovoltaique. Cette techno logie de transformation de l'energie so laire est ce lle qui nous importe le plus, dans notre contexte genie e lectrique. Dans le chapitre 2, nous presentons une etude detai llee relative a l'e lectricite photovoltaique.

1. 4. Conclusion

bans cette section, nous avons fixe les connaissances de base propres a l'energie so laire, de maniere a faire une bonne entree en matiere. La techno logie photovoltaique fait l'objet du chapitre suivant.

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Chapitre

2

2. Generalit~s sur les

systemes

~ hotovoltaïques [41

Description :

N

otre intér4t majeur quant aux technologies de transformation de l'énergie so laire est porté au photovoltaïque, car il représente le socle de notre travail . Nous nous proposons dans ce chapitre de présenter les généralités sur l'électricité photovoltalque. Partant pour cela, de la photopile jusqu'au systeme photovoltaique.

APercu ~

2.1 Historique du solaire photovoltaIque

2.2 Les enjeux du photovoltaIque

2.3 Production de l'énergie

2.4 Con tr6le de l'énergie

2.5 Utilisation de l'énergie

2.6 Types de systèmes photovoltaIques

2.7 Avantages-inconvénients du photovoltaIque 2.8 Maintenance des générateurs photovoltaIques 2.9 Conclusion

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2.1. Historique du solaire photovoltaique

gl y a maintenant plus de quarante ans que l'energie so laire photovoltaique est ree llement nee comme energie techniquement exploitable. A l'epoque, le so laire peut apparaitre pour certains comme la source d'energie de l'avenir. Quelques annees auront toutefois suffit, au debut des annees 80, pour se rende compte que si le so laire avait une place a prendre, i l n'etait pas de tai lle a concurrencer sur les reseaux le petro le ou le nuc leaire. Les causes de ce « mauvais depart » furent diverses. I l est certain que le photovoltaique souffrit de produits mal fiabilises, d'une diffusion restreinte et de coats de revient e leves. Fut-ce le fait des faib les quantites manufacturees, d'un manque de fonds ou d'energie injectes pour la recherche ? En tout etat de cause, beaucoup de petits fabricants ou distributeurs fermerent boutique laissant la place a quelques entreprises travai llant sur des marches tres cib les. Malgre le pessimisme de certains, le marche du photovoltaique existe et continue d'annee en annee a se deve lopper. Pour couvrir ce marche, on denombre aujourd'hui plus d'une vingtaine de gros fabricants de modules dans le monde. Le marche du photovoltaique repose actue llement principalement sur trois types d'app lications : l'eclairage, le pompage et les telecommunications. Un certain nombre de pays comme les USA, l'Allemagne, la Suisse ou le Japon favorisent l'emergence d'un nouveau marche prometteur de coup lage des generateurs so laires au reseau d'e lectricite. En dehors de ces pays avant-gardistes oa s'exerce une ree lle vo lonte po litique et economique de deve loppement de l'energie so laire, les principales zones propices a l'imp lantation des equipements photovoltaiques se situent dans les pays en voie de deve loppement (PVD) de la zone intertropicale, parmi lesque ls le Cameroun.

2.2. Les enjeux du photovoltaique

~'energie so laire continue a rencontrer certaines difficu ltes pour être diffusee. Prenant en compte l'environnement et la maitrise des ressources energetiques par les populations, les enjeux qu'e lle represente en ce siecle sont pourtant loin d'être negligeab les en termes de deve loppement socioeconomique durable. L'energie so laire photovoltaique constitue parmi les energies nouvelles et renouve lab les (biomasse, eo lienne, so laire, geothermie), ce lle qui possede le plus large potentie l de deve loppement. Elle est respectueuse de l'ecosysteme, appropriable par des communautes restreintes et surtout fort adaptee a la satisfaction de la demande d'energie des populations vivant dans les zones e loignees des reseaux de transport et d'e lectricite. Elle constitue une bonne solution pour la lutte contre l'effet de serre. Lutte qui fait l'objet du protoco le de Kyoto que le Cameroun a ratifie. Compte tenu des demandes croissantes en energie des populations, des difficu ltes a etendre les reseaux e lectriques dans les campagnes ou en peripherie de certaines vi lles, le potentie l de deve loppement engendre par l'energie so laire photovoltaique meriterait d'être mieux pris en compte dans les po litiques de deve loppement.

Tout systeme photovoltaique peut se decomposer en trois parties : une partie production d'energie, une partie controle de cette energie et une partie utilisation de

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l'énergie produite. L'analyse précise de chacune de ces fonctions mérite d'être approfondie pour construire un systeme viable techniquement.

Figure 7: Elements d'un système photovoltaique avec batteries

On appe lle générateur photovoltaique l'ensemb le des deux premieres parties, c'est-à-dire les modules photovoltaTques coup lés aux é léments de controle. On appe lle systeme photovoltaique l'assemb lage d'un générateur photovoltaique a un ou p lusieurs récepteurs. Ce découpage en trois parties permet de bien identifier les différents composants des systemes photovoltaTques et de bien comprendre la logique production-consommation tres particuliere a l'uti lisation du photovoltaique.

2.3. Production de l'inervie

tette partie est essentie llement composée d'un ou p lusieurs modules photovoltaTques. Ces modules sont formés d'un assemblage de ce llu les photovoltaTques qui réalisent la conversion de l'énergie so laire en é lectricité. Un module photovoltaique se comporte comme un générateur de courant continu (DC). Lorsqu'i l est branché sur une batterie, ce lle-ci lui imposant sa tension, i l a une

tension constante.

2.3.1. La conversion de la lumiere en electricite

la ce llule photovoltaique (ou photopile) est un composant é lectronique a base de

matériaux semi-conducteur. Lorsque les particu les de lumiére, appe lées photons, frappent ce matériau, il se crée un champ é lectrique qui produit deux types de charges : positives et négatives. Elles sont séparées et co llectées sur les faces avant et arriére de la ce llu le photovoltaique qui se comporte alors comme un générateur de courant continu.

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Figure 8: Principe de fonctionnement d'une photopile [15]

le materiau semi-conducteur actue llement le plus utilise pour les usages g

terrestres » (par opposition au spatial) est le silicium. I l existe trois grands types de si licium : amorphe, monocristallin et poly cristallin. Les si liciums mono ou poly cristallin ont un rendement e lectrique et une duree de vie de l'ordre de deux fois ceux du si licium amorphe, mais sont nettement plus chers. Dans la pratique, l'amorphe est choisi pour les applications de tres faib le puissance comme par exemp le les calcu latrices ou les montres, alors que les autres applications d'envergure superieure privi legient le silicium cristallin. Pratiquement, la ce llu le PV est composee de p lusieurs couches minces a savoir :

- Une couche "anti-reflet" sur la face avant dont le but est de faciliter au maximum la penetration d'un maximum de photons a travers la surface et de reduire les pertes par reflexion

- Une grille conductrice avant " co llectrice des electrons " qui doit egalement etre liee au si licium et ne pas etre sensible a la corrosion

- Une couche dopee N avec porteurs de charge libres negatifs (electrons) - Une couche dopee P avec porteurs de charge positifs (trous)

- Une surface de contact conducteur en metal " co llectrice des electrons ", ayant une bonne conductivite ainsi qu'un bon accrochage sur le si licium.

Type de materiau Rendement

Silicium monocristallin

16%

Silicium Poly cristallin 14%

Silicium amorphe

6%

Tableau 3: types de matériau et rendement [1]

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a b

Courant(A)

 
 

ce(W)

Tension (V)

C

d

Tension (V)

Courant(A)

Rendement(%)

Temperature (CC) Tension(V)

Figure 9 : Caracteristiques des
cellules photovoltaiques 181

e f

a.. Caractéristiques courant-tension d'un module PV a température constante en fonction de l'éclairement

b.. Caractéristiques puissance- tension d'un module PV a température constante en fonction de l'éclairement

c.. Caractéristiques rendement-température d'une cellule PV en fonction de l'éclairement Caractéristiques

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d..

caracteristique courant tension d'un module PV a eclairement constante en fonction de la temperature

e.. caracteristique tension Vco en fonction de la temperature, f.. Intensite Icc en fonction de la temperature

2.3.2. De la cellule au module photovolta1que

Z la base, une ce llule photovoltaique fournit un courant sous une faib le tension

(de l'ordre de 0,6V en circuit ouvert). Pour obtenir une tension plus importante, il est necessaire de raccorder p lusieurs ce llu les en serie. Cet ensemble de ce llu les est encapsu le de facon etanche afin de les proteger de l'humidite et des chocs. L'assemb lage constitue un module photovoltaique. Le module devient alors l'e lement de base de tout systeme d'energie photovoltaique.

Pour obtenir une puissance e lectrique exploitable, p lusieurs modules peuvent etre raccordes ensemble pour former un panneau photovoltaique. La valeur du courant recuei llie aux bornes d'une ce llu le photovoltaique pour une tension donnee est determinee par la nature et la qualite du materiau semi-conducteur. La capacite a fournir plus ou moins d'energie pour un module PV dependra donc :

de l'enso lei llement ;

de l'orientation du module par rapport au so leil (un panneau perpendicu laire aux rayons du so lei l recoit le plus grand flux de photons) ;

du nombre de circuits de ce llu les montes en parallele.

la tension aux bornes d'un module PV, ainsi que la puissance e lectrique qu'il fournit, sont donc determinees fortement par les choix du constructeur (nombre de ce llules en serie et dimension des panneaux). Les tensions standard sont le 12V (mise en serie de 36 ce llu les, en 4 rangees de 9 ce llu les ; On prevoit 2 a 3 volts de plus pour compenser les pertes dans les cables et l'influence de la temperature). D'autres tensions, adaptees a des besoins tres specifiques, sont imaginab les. Les panneaux risquent alors de coater plus cher s'i ls ne sont pas produits en serie.

Figure 10: Processus de fabrication d'un module a base de silicium ~12]

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0n appe lle puissance crete d'un module, exprimee en watt crete, la puissance qu'i l de livre sous un rayonnement so laire de 1000 w/m2 dans les conditions standards (temperature de 25°C et module presente perpendicu lairement aux rayons du so lei l).

2.3.3. Du module au panneau photovoltaique

~fin d'augmenter la puissance et/ou la tension d'un generateur, on peut associer

p lusieurs modules, qui constituent alors un panneau photovoltaique. Pour les gros generateurs, le panneau est egalement appe le « champ photovoltaique ». Le type de montage (serie ou parallele) depend ici des parametres d'utilisation du generateur de Courant (puissance requise, tension aux bornes des appareils). Lorsque des modules semb lab les sont montes en serie, le courant resultant ne change pas mais la tension resu ltante est la somme des tensions de chaque module. Lorsque des modules semb lab les sont montes en parallele, la tension resu ltante ne change pas mais l'intensite resu ltante est la somme des intensites de chaque module. Le principe est le meme pour les batteries. La combinaison de montage serie et parallele est egalement possible, ce qui permet d'augmenter tension et puissance en meme temps.

iemarque : La mise en parallele ou en serie doit se faire avec des elements

identiques. Ceci est particulierement important pour les montages en serie : les caracteristiques d'une branche de module seront ce lles du plus mauvais module.

2. 4. Contrale de l'Inergie

I'intensite e lectrique que fournissent les modules PV depend, entre autres, de l'enso lei llement et de leur position par rapport au so leil. D'od une irregu larite dans la fourniture d'energie qui peut ne pas etre compatible avec les besoins en energie, generalement plus constants. I l est donc souvent necessaire de controler l'approvisionnement en e lectricite a l'aide d'un systeme de stockage de l'energie, avec ou sans regulation de ce stock. I l est aussi parfois necessaire de modifier la nature du courant pour certaines applications (conversion du courant continu en courant alternatif au moyen d'un ondu leur).

2. 4.1. Stockage de l'inergie

le so leil fournit de l'energie uniquement le jour et ceci de facon variable se lon l'intensite lumineuse. Par contre, les uti lisateurs consomment generalement de l'energie jour et nuit et de facon variable, que ce soit pour s'ec lairer, pour produire du froid, pour communiquer par radio ou telephone ou pour regarder la television. C'est pourquoi i l est souvent necessaire de stocker l'energie produite le jour afin qu'e lle soit disponible a la consommation en permanence. Dans la p lupart des cas, le stockage de l'energie produite se fera dans des batteries. I l existe de nombreux types de batteries, chacune d'entre e lles ayant ete concue pour un usage

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particulier. Elles sont definies par un ensemble de caracteristiques: tension nominale, capacite de stockage, aptitude au cyclage, tenue en decharge profonde, taux d'autodecharge, variations avec la temperature, maintenance, prix, etc. Ces caracteristiques sont fournies par le fabricant. Pour l'usage specifique du photovoltaïque, une batterie doit remp lir les conditions suivantes : un nombre de cycles de charge et de decharge e leve sans alteration, une faib le autodecharge, un rendement e lectrique e leve et une maintenance legére.

Figure 11: Batteries solaires de stockage 2.4.1.1. Caractéristiques d'une batterie

2.4.1.1.1. Tension nominale et capacite de stoc kage

la tension nominale d'une batterie de stockage depend du nombre d'accumu lateurs places en serie. Un accumu lateur du type de ceux qui sont utilises en photovoltaique possede une tension nominale de 2V. Une tension de 12V, par exemp le, s'obtiendra en plagant 6 elements de 2V en series (borne + d'un element connecte a la borne - du suivant). Pour les systemes so laires, les tensions d'uti lisation les plus courantes sont 12V, 24V, 48V.

La capacite de stockage correspond a la quantite d'energie qui peut etre stockee dans une batterie et restituee par ce lle-ci. Elle s'exprime en ampere heure (Ah). Une batterie de 100 Ah permet theoriquement de fournir 1 ampere durant 100 heures (ou 2A pendant 50 Heures). On a ici le choix entre adopter une batterie de la capacite de stockage vou lue, ou monter p lusieurs circuits de batteries plus petites en parallele. I l faudra alors s'assurer que chaque circuit de batteries a bien la meme tension d'entree-sortie que les autres.

la mise en paralléle ou en serie doit se faire avec des e lements identiques. Sinon, le systéme prendra les caracteristiques de la plus mauvaise batterie. La capacite de stockage de la batterie est par ailleurs variable suivant la maniére dont elle a ete chargee, c'est-à-dire se lon l'intensite du courant de charge ou de

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décharge. Plus une batterie est chargée (ou déchargée) avec un faib le courant, plus sa capacité est importante. On parle de C10 ou de C100 suivant que le courant de charge ou de décharge est égal au dixiême ou au centiême de la capacité (I=C/10 ou I=C/100).

Dans la pratique, l'état rée l de charge d'une batterie ne s'évalue, rigoureusement, que d'une seu le maniére : en mesurant la densité de l'é lectro lyte et la tension de chaque é lément de la batterie a vide, c'est-à-dire déconnectée. Toutefois par nécessité de terrain, on se limite a mesurer la tension pour avoir une indication sur l'état de charge. C'est la valeur analogique qu'i l est possible de co llecter simp lement. Cette information est cependant imparfaite (et parfois fausse), car tout dépend de g l'histoire » de la batterie et du moment de la mesure.

Figure 12: evolution theorique de l'etat de charge d'une batterie

2.4.1.1.2. Duree de vie d'une batterie

one batterie photovoltaique est déchargée et rechargée chaque jour. C'est ce que

l'on appe lle un cyc lage. La durée de vie d'une batterie correspond au nombre de cycles de charge/décharge qu'e lle a eu a supporter dans sa vie. Elle dépend aussi de la profondeur de décharge de chaque cyclage. Une batterie déchargée de 10% chaque jour (avant d'être rechargée), aura une durée de vie beaucoup plus grande qu'une batterie déchargée quotidiennement de 30%. Cette aptitude au cyclage dépend également du type de batterie. Les batteries g so laires » sont concues pour supporter un nombre de cycle important. Elles sont généralement utilisées en usage K flottant », c'est-a dire avec une faib le décharge (20 a 30% maximum) ; leur durée de vie en est d'autant plus grande.

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Figure 13: Duree de vie d'une batterie en fonction de la profondeur de
decharge

2.4.1.1.3. La dcharge profonde

la decharge profonde est la valeur qu'une batterie ne doit jamais atteindre, sans

quoi il se produit une deterioration irremediable qui entraine une degradation importante de ses performances. Cette valeur s'exprime en pourcentage de la capacite de la batterie et varie entre 50% et 100% suivant le type de batterie. Les batteries de type g so laire » peuvent exceptionne llement être dechargees jusqu'a 80% de leur capacite. Par exemp le, une batterie de 200 Ah pourra fournir 160 Ah au maximum, mais avec des risques de degradation. Les systemes de regulation ont pour role d'eviter d'atteindre le seui l de la decharge profonde. Ces systemes evaluent le taux de decharge par mesure de tension. Lorsque ce lui-ci est trop grand, c'est-à-dire que la tension est trop faib le, ils interrompent la fourniture d'e lectricite afin de sauvegarder la batterie.

2.4.1.1.4. Taux d'autodecharge

Ttne batterie inuti lisee se decharge d'e lle-même. Ceci est du a des phenoménes

e lectrochimiques. Les valeurs courantes d'autodecharge sont de l'ordre de 1% a 10% de la capacite par mois, suivant le type de batterie.

2.4.1.1.5. Variation avec la temperature

les caracteristiques precedentes sont influencees par toute variation de

temperature et double tous les 10°C. La capacite des batteries au p lomb diminue sensib lement lorsque la temperature est inferieure a 25°C. C'est l'inverse pour les batteries au nickel cadmium.

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2.4.1.1.6. Maintenance

le controle du niveau d'e lectro lyte represente souvent la maintenance la plus contraignante dans les systemes photovoltaiques, uniquement dans le cas oti les batteries ne sont pas etanches.

2.4.1.2. Les différents types de batteries

2.4.1.2.1. Batteries au plomb etanches

Faciles a transporter grace a leur etancheite (surtout en avion oti les problemes lies a la securite sont contraignants) :

- Cyclage a 50 % de decharge : =--, 500 cycles.

- Prix de revient re lativement faib le (1,5 fois les batteries de voiture). - Assez sensib les a la temperature.

Tres sensib les a la surcharge car toute evaporation d'hydrogene par la soupape de securite ne peut etre compensee par ajout d'e lectro lyte (electrolyte ge lifie) :

- Ce sont les batteries classiques de voiture.

- Ne peuvent pas accepter de decharge profonde (50 % maximum) du fait de la minceur des plaques.

- Autodecharge importante.

- Les moins cheres (fabriquees en grandes series).

- Plus adaptees a la decharge rapide qu'a la decharge lente (batterie de demarrage), donc techniquement peu adaptees au so laire.

Destinees aux voitures, e lles sont parfois uti lisees en so laire dans les pays en deve loppement, du fait de leur grande diffusion (pour les stations communautaires de recharge de batterie par exemp le).

2.4.1.2.2. Batteries au plomb a plaques planes epaisses

- Resistent beaucoup mieux que les precedentes a la decharge profonde du fait de leur conception (jusqu'a 80 %), ceci toutefois de facon accidente lle.

- Cyclage a 50 % de decharge : 1000 cycles.

- Plus cheres que les precedentes (3 fois environ).

- Assez bien adaptees a la decharge lente.

E lles sont toutefois utilisees en so laire dans le cas oti les batteries a plaques tubu laires qui equipent habitue llement les systemes photovoltaiques sont economiquement inabordab les.

2.4.1.2.3. Batteries a plaques tubulaires

- Cyclage a 50 % de decharge : =--,2 000 cycles. - Cyclage a 20 % de decharge : =--, 4 000 cycles.

- Decharge accidente lle admise a 80 % de la capacite. - Faib le taux d'autodecharge.

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- Disponibilite moindre et prix e leve : environ 5 fois superieur a ce lui des batteries de voiture.

- Grande reserve d'e lectro lyte qui permet un entretien moins frequent.

- Espace important au fond de la batterie sous les plaques pour que la

decomposition du p lomb ne produise pas de court-circuit interieur.

Ces batteries appartiennent a la categorie des batteries dites stationnaires. Elles sont concues pour subir une faib le decharge (decharge quotidienne de --, 20 % de leur capacite) et fonctionner a faib le courant de charge et de decharge (C20 a C100). Ce sont les batteries typiques des grosses installations photovoltaiques car e lles sont particu lierement adaptees aux contraintes de la demande so laire : nombre de cycle important, decharge faib le et lente en raison des faib les courants utilises, decharge profonde accidente lle, surcharge exceptionne lle.

2.4.1.2.4. Batteries ~tanches au cadmium-nickel

- Acceptent sans prob leme des decharges profondes (100 %) que l'on recommande même de realiser periodiquement.

- Prix de revient tres e leve (environ 10 fois superieur a ce lui des batteries de voiture).

- Tres sensib les a la temperature ( la capacite diminue quand la temperature augmente).

Elles sont plus rarement uti lisees sur les systemes photovoltaiques. car e lles sont cheres, sauf pour les stations communautaires de recharge de petits accumu lateurs (usage domestique pour la radio en remp lacement des piles jetab les).

2.4.1.3. La perte de gaz

C'est un phenomene important pour la batterie. Car elle correspond a l'echappement d'hydrogene et d'oxygene (donc a une perte d'eau). Cette perte est exp liquee par les variations du rapport entre l'oxygene et l'hydrogene au sein de la batterie durant la charge. La premiere evacuation correspond au degagement du gaz produit sous forme de bu lle par une forte densite de courant avec un certain etat de charge de l'e lement (dont la tension augmente et tend vers la tension limite de fin de charge). La deuxieme evacuation correspond a la fin de charge et au degagement d'hydrogene a la cathode.

2.4.1.4. La stratification de lelectrolyte

Au fur et a mesure des cycles, la distribution de l'e lectro lyte devient de moins en moins uniforme. Les ions etant plus lourds que l'eau, i ls tendent a s'accumu ler dans le fond du bac creant ainsi une stratification de la densite d'acide. Les consequences sont une mauvaise consommation de l'e lectrode dans les zones a faib le densite d'acide et une tres forte acceleration du phenomene de corrosion des grilles pour les zones fonctionnant avec une densite d'acide superieure a 1,38. Ce phenomene de stratification est limite et n'apparait qu'a plus long terme sur les

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batteries a electrolyte ge lifie. Un moyen pour lutter contre la stratification de l'e lectro lyte est l'utilisation du phenomene de degagement gazeux pour homogeneiser la densite d'acide. Ce phenomene est obtenu par l'app lication d'une legere surtension sur l'e lement en fin de charge.

2.4.1.5. L'utilisation en tampon (floating)

L'utilisation en tampon est l'utilisation de la batterie en parallele avec l'alimentation principale. Elle est soumise continue llement a une tension de charge appe lee tension de maintien. En service normal, la tension de charge est maintenue, les gaz generes a l'interieur de la batterie sont continue llement recombines a travers les plaques negatives pour reformer l'eau de l'e lectro lyte. I l y a peu de perte de capacite due a l'assechement de l'e lectro lyte mais due a la tres lente et gradue lle corrosion des electrodes. La batterie perdra finalement de la capacite et arrivera a la fin de sa duree de vie. Ce phenomene de corrosion est acce lere par les temperatures e levees ou les tensions de charge trop importantes. En effet, une augmentation de la temperature et de la tension provoque des degagements gazeux et de la chaleur propices a la su lfatation de l'e lectrode negative. I l est tres important de calcu ler la tension en charge tampon de maniere a minimiser egalement cet effet.

2.4.1.6. La securite et le bon fonctionnement des batteries

la securite des personnes est primordiale dans l'usage des batteries. En particulier e lles degagent de l'hydrogene. Au contact de l'oxygene de l'air, et en presence d'une flamme, ce gaz provoque des explosions vio lentes. I l est donc imperatif de ventiler le local contenant les batteries pour eviter l'accumu lation d'hydrogene. I l est, pour la meme raison, tres dangereux et interdit de fumer, de faire du feu a proximite de ce local ou d'y placer un apparei l e lectrique susceptible de produire des etince lles (te ls les regu lateurs ou les disjoncteurs)

2. 4.2. Regulation et traitement du courant electrique photovoltaique

2.4.2.1. Principe de fonctionnement du regulateur

le regu lateur a essentie llement un role de protection contre la surcharge ou la decharge profonde de la batterie. I l evite qu'en fin de charge d'une batterie ne se produise un phenomene de surcharge qui amenerait une ebullition provoquant une perte d'eau et que la decharge ne depasse un seui l limite (generalement 80% de la capacite de la batterie), ce qui l'endommagerait. La mesure de la tension de la batterie permet d'evaluer son etat de decharge. Les regu lateurs sont donc regles a des tensions de coupure (seuil haut et seui l bas) qui correspondent aux limites de la charge et de la decharge a ne pas depasser. Ce reglage est principalement fonction du type de batterie. I l varie aussi en fonction du courant de charge (tai lle du generateur), du courant de decharge (nombre et tai lle des recepteurs) ainsi que des conditions locales (temperature).

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Figure 14: principe de fonctionnement d'un régulateur

2.4.2.2. Caractéristiques d'un régulateur

la tension de 12V, 24V ou 48V est choisie en fonction de la tension de sortie du generateur photovo ltaTque pour respecter l'adequation des tensions. Pour determiner la puissance acceptable, il faut distinguer les deux parties du regu lateur

:

partie regulation de charge (entree du regu lateur) : le regu lateur est defini par son courant d'entree, on le choisira superieur au courant maximal de livre par le generateur photovo ltaTque ;

partie regulation de decharge (sortie du regu lateur) : le courant de sortie du regu lateur est choisi en fonction du courant maximal demande par les recepteurs. Le courant de sortie admissible devra etre superieur ou egal au courant maximal recepteur en veillant bien a tenir compte des courants de pointe (au demarrage d'un moteur par exemp le, i l y a un fort g appe l * de courant).

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Figure 15: diagramme des trois etats de fonctionnement d'un regulateur de
charge/decharge

2.4.2.3. Quelques remarques sur les regulateurs

la régu lation de charge et de décharge des régu lateurs agit essentie llement par ouverture du circuit de décharge (régu lation par coupure). I l s'ensuit une impossibilité d'alimenter ces récepteurs jusqu'à ce que la batterie soit de nouveau chargée. A ce moment là le régu lateur réenclenche automatiquement le circuit des récepteurs.

tertains régu lateurs possédent un circuit d'alarme qui signale en cas de décharge

excessive pour faire savoir à l'utilisateur qu'une coupure de courant est nécessaire.

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2. 4.3. Les diodes anti-retour et les diodes by-pass 2.4.3.1. Diode anti-retour

T.tne ce llu le photovo ltaTque se comporte comme un recepteur lorsqu'e lle ne recoit

plus de rayonnement so laire (nuit, ce llu le couverte). Elle consomme alors du courant comme une vu lgaire lampe. Pour eviter dans ce cas de decharger la batterie, on utilise un composant e lectronique qui laisse passer le courant dans un sens et pas dans l'autre : la diode. Cette diode est installee en serie entre les modules et la batterie, c'est la diode anti-retour, egalement appe lee diode serie. La diode est caracterisee par sa tension (en general 0,6V) et par l'intensite maximale du courant qui la traversera. I l est important de prevoir une diode de courant nettement plus e leve que le courant du generateur pour eviter une chute de tension anormale. Zn general, la diode anti-retour est initialement installee :

soit dans le boitier de connexion du module

soit a l'interieur du regu lateur.

Quand le generateur est constitue de modules en paralleles, i l y a une diode antiretour sur chaque branche. En effet i l se peut qu'une branche debiterait dans la seconde.

2.4.3.2. Diode by-pass

Zorsqu'une partie d'un champ de modules est accidente llement couverte, le courant produit par le reste du champ continue a circu ler et traverse les ce llu les cachees. Dans ce cas, ces derniCres ce llu les se comportent en recepteur et risquent l'echauffement et la destruction. Pour eviter ce phenomene, on installe sur les modules des diodes qui derivent le courant en cas d'obstruction de ce llu les. Ce sont les diodes by-pass encore appe lees diodes paralleles, de protection ou de derivation. L'installation de ces diodes de protection ne se justifie que lorsque la tension de sortie du generateur est superieure ou egale a 48 V.

2. 4. 4. Les onduleurs

tertaines uti lisations de l'energie so laire se font en courant alternatif. Au Cameroun, l'uti lisation de l'energie produite se fait en courant alternatif dans pratiquement 100% des cas. I l est donc necessaire de convertir le courant continu en courant alternatif, au moyen d'un ondu leur. On privilegie en general l'usage en courant continu d'apparei ls deve loppes specifiquement pour le so laire et donc tres economes. Les cas oil l'usage du courant alternatif est preferable concernent le pompage ou l'usage de la television par exemp le. Les equipements en courant alternatif sont, dans ce cas, plus fiables et largement disponib les.

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2.5. Utilisation de l'inervie

tette partie se compose essentie llement d'un ou p lusieurs recepteurs : ce sont les differents materiels qui uti lisent l'energie so laire produite et contro lee (eclairage, te lecommunication,...).

2.6. Tyes de systimes vhotovoltaraues

Nous distinguons trois types de systemes PV : Autonomes

Hybrides

Raccordés au réseau

2.6.1. Les systemes autonomes

Les systemes autonomes sont completement independants de d'autres sources d'energie. I ls servent habitue llement a alimenter les maisons, les camps dans les regions e loignees ainsi qu'a des applications comme la surveillance a distance et le pompage de l'eau. I ls peuvent etre avec ou sans batteries de stockage. Dans la majorite des cas, un systeme autonome exigera des batteries d'accumu lateurs pour stocker l'energie.

2.6.2. Les systemes Hybrides

Les systemes hybrides recoivent une partie de leur energie d'une ou de p lusieurs sources supp lementaires. En pratique, les modules de systemes PV sont souvent allies a une eo lienne ou a une generatrice a combustible. De te ls systemes ont habitue llement des accumu lateurs de stockage d'energie. I ls conviennent mieux lorsque la demande d'energie est e levee (en saison de p luie ou tout au long de l'annee).

2.6.3. Les systemes raccordes au reseau

Les systemes raccordes au reseau permettent de reduire la consommation d'e lectricite provenant du service public et de lui renvoyer l'energie excedentaire. Ainsi, le service public pourrait crediter l'uti lisateur de l'energie retournee au reseau. Etant donne que l'energie est normalement emmagasinee dans le reseau, les accumu lateurs ne sont pas necessaires a moins de vou loir une forme autonome d'energie pendant les pannes d'e lectricite. Ces systemes sont utilises dans les immeub les, les domiciles dejà relies au reseau e lectrique.

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2.7. Avantages-inconvinients des sustemes PV 2.7.1. Avantages

Les systemes so laires photovoltaiques offrent de nombreux avantages, dont les suivants :

i ls sont non po lluants,

i ls sont tres fiables,

i ls n'exigent presque aucun entretien.

Leurs coats de fonctionnement sont tres faib les vu les entretiens reduits et i ls ne necessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement specialise :

i ls fonctionnent de facon rentable dans les regions e loignees et dans de nombreuses applications residentie lles et commerciales,

i ls sont flexib les et peuvent etre e largis a n'importe que l moment pour repondre aux besoins de l'uti lisateur en matiere d'e lectricite,

i ls procurent a l'uti lisateur une autonomie accrue -- fonctionnement independant du reseau ou systeme de secours pendant les pannes d'e lectricite,

ensuite, le caractere modu laire des panneaux photovoltaiques permet un montage simple et adaptable a des besoins energetiques divers.

2.7.2. Inconvenients

Les systemes PV presentent neanmoins quelques limites:

la fabrication du module photovoltaique releve de la haute techno logique et requiert des investissements d'un coat e leve ;

i ls ne conviennent pas aux uti lisations a forte consommation d'energie

(chauffage) ;

le rendement reel de conversion d'un module est faib le ( la limite theorique pour une ce llu le au si licium cristallin est de 28%) ;

i l est imperatif d'utiliser des apparei ls e lectromenagers economes en energie ( lampe fluorescente compacte, refrigerateur et conservateur performants,

etc.) ;

i l existe un decalage entre la periode de production (enso leillement) et les besoins de consommation. En cas de mauvais temps pro longe, i l faut un chargeur pour recharger la batterie d'accumu lateurs a partir d'un groupe electrogene ;

enfin, lorsque le stockage de l'energie e lectrique sous forme chimique (batterie) est necessaire, le coat du generateur photovoltaTque est accru. La fiabilite et les performances du systeme restent cependant equivalentes pour autant que la batterie et les composants de regulations associes soient judicieusement choisis.

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2.8. Maintenance des sustemes PV

Les modules PV ne requiérent aucune maintenance. Dans la p lupart des cas, i ls sont autonettoyants s'i ls sont montés se lon un angle d'au moins 15° par rapport a l'horizontale. Les batteries ne nécessitent un apport d'eau que tous les 6-12 mois, sauf s'i l s'agit d'une batterie étanche. Pour ce qui est des régu lateurs, i l n'y a pas besoin de maintenance. Cependant, si le systéme est vérifié tous les 6-12 mois, on pourrait également vérifier les fonctions du régu lateur. Les régu lateurs les plus sophistiqués indiqueront s'i ls décélent une anomalie, mais continueront a fonctionner en mode urgence.

2.9. Conclusion

Ce chapitre nous a instruit de maniére assez détai llée, sur les systémes photovo ltaïques, en mettant en relief les fonctions production, controle, et utilisation qui leurs sont propres. A présent nous pouvons attaquer la prob lématique proprement dite de notre sujet, aprés avoir fixé le contexte du travail effectué.

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Cbapitre

3

3. Contexte et

Problématique

Description :

C

e chapitre met en exergue les preoccupations principales abordees dans nos travaux ainsi que le contexte de notre travail.

Aperçu :

3.1 Contexte

3.2 Problematique

3.1. Contexte

3.1.1. Presentation de l'ACL

3.1.1.1. Historique

Automation and control Laboratory (ACL) de l'Eco le Nationale Superieure Po lytechnique, a ete cree en 1984 dans le cadre du projet g Information Transmission or Power Lines using waveform Modification », propose par un groupe de chercheurs camerounais conduit par le Professeur NGUNDAM et le Professeur KWANKAM de l'institut g the United States Agency for International Development » (USAID). Grace a l'appe l d'offre international g the Program for Science and

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Technology Cooperation (PSTC - project no. 5.204) » d'USAID, ce laboratoire a pu prendre son envo l.

3.1.1.2. Les princi paux axes de recherches

Chaque annee, l'ACL accuei lle des etudiants pour des memoires de fin d'etude d'ingenieur de conception, de DEA et des etudiants en these, dans les domaines suivant :

 

Power Line Communication

Hybrid Control Systems

Mathematical Systems Theory and Control Systems Theory Electronics (including Medical Electronics)

Maintenance and Reliability of Systems

Power systems and Energy

La vo lonte des autorites de notre pays de promouvoir les energies propres, interpe lle l'ACL a penser aux solutions, notamment dans l'ame lioration du bien etre commun en ce qui concerne la lutte contre le changement climatique. C'est dans le but de poursuivre cette oeuvre que nous avons ete accuei lli au sein de cette equipe pour specu ler sur le probleme d'automatisation du dimensionnement des systemes photovoltaïques.

3.. Problbnatique

fiu sein de l'ACL, des themes relatifs a la conception de systemes PV autonomes

lies a l'habitat ont ete effectues. Ceux-ci exigeaient chaque fois un long calcu l manue l (demandant beaucoup de temps), exposant ainsi le dimensionnement du Generateur PV a des risques d'erreurs non negligeab les. Erreurs qui pourraient etre evitees par la mise sur pied d'un outi l qui ferait le calcu l a la place de l'ingenieur en un laps de temps, exigeant de ce dernier juste les caracteristiques du systeme calcule.

Des outi ls informatiques relatifs au dimensionnement des systemes photovoltaTques existent et sont p leinement utilises en Europe. Nous pouvons citer : PVSYST, PVSOL et ARCHELIOS utilises majoritairement par l'INES (institut national de l'energie so laire) en France ; RetScreen international du Centre d'aide a la decision sur les energies renouve lab les au Canada, et Sol-utions-Solar evolution deve loppe par Benoit Spies a Bruxelles [16]. Ces logicie ls constituent pour la p lupart des outi ls d'aide a la decision dans des projets sur des systemes photovoltaTques. Lorsque ceux-ci effectuent un calcu l de generateur photovoltaTque, ils se limitent juste a un predimensionnement du systeme etudie. De plus, I ls sont completement adaptes au contexte Europeen et n'integrent pas de donnees qui rendraient leur utilisation profitable aux Camerounais. Les Camerounais ne disposent pas d'un outi l d'aide au dimensionnement des systemes photovoltaTques propre a leur contexte et integrant les donnees so laires du pays. Un outil qui en plus de rendre la tache facile aux ingenieurs dans des projets relatifs au photovoltaTque, constituerait un excellent moyen de vulgarisation du photovoltaTque au Cameroun et en Afrique.

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L'objectif vise dans ce travail est ce lui de mettre sur pied une p lateforme qui apportera aux ingenieurs et techniciens camerounais, beaucoup d'aisance et de legerete dans le dimensionnement des systemes photovoltaiques domestiques (c'est-à-dire systemes avec batterie, regu lateur de charge et ondu leur). Cette application devra apres avoir recu des donnees fournies par l'uti lisateur :

faire le calcul du generateur PV adequat par rapport a la puissance installee en fonction des donnees de la station Solari metrique la plus proche du site, ou tout simp lement par entree de l'irradiation dans le cas oil l'uti lisateur n'est a proximite d'aucune station ;

faire des propositions sur le choix des equipements. En effet l'app lication devra disposer d'une base de donnees contenant tout une gamme d'equipements (modules PV, regu lateurs, batteries de stockage, ondu leurs) repartis par fabricants avec toutes leurs caracteristiques techniques et leur prix. L'uti lisateur devra egalement avoir la possibi lite d'effectuer des choix personnalises ;

faire un bilan energetique annuel re latif a la production du generateur PV, en presentant a l'utilisateur entre autres : la production annue lle, les mois de deficit energetique, les mois de surproduction, une evolution statistique de l'irradiation au voisinage du site sur l'annee, l'economie en energie fossile realisee sur l'annee par rapport a une alternative groupe electrogene, l'emission de CO2 evitee sur l'annee. ce qui permettra a l'uti lisateur d'avoir une mei lleure maitrise de sa production d'energie e lectrique, mais aussi d'avoir une idee sur sa contribution a la lutte contre le rechauffement de la planete ;

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

d'evaluation de la consommation journaliere relative au site calcu le, de calcu l du generateur PV,

de choix des equipements avec toutes les caracteristiques techniques et les prix,

de bi lan energetique annue l.

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