EPIGRAPHE
«LA SIMPLICITE EST LE SECRET DE LA
REUSSITE»
André Rochette
IN MEMORIAM
La mort est certaine mais l'heure de la mort est incertaine.
C'est en sachant que nous sommes poussière et nous retournerons à
la poussière que notre coeur roule des larmes.
A notre regretté grand-père Robert HEMBAL YAM,
que vous soyez immortalisé par ce travail. Vos empreintes restent
à jamais marquées dans le souvenir de nos pensées. C'est
aujourd'hui plus que jamais que nous apprécions la valeur de vos
efforts, la justesse de votre éducation et le caractère
précieux de vos conseils.
A vous mes amis ingénieurs, Jean-Claude MULONGO NSHIMBA
appelé affectueusement JSPACK, Gustave TSHIBEMBA KAZUMBA appelé
affectueusement couso, morts au combat, vous resterez gravé dans nos
coeurs.
Glodi MBWAMA BINAMEN
DEDICACE
Nous dédions ce digne travail :
A nos parents qui sont nos dieux sur terre,
Damas MBWAMA BINAMEN qui est mon père,Patience HEMBAL
MVULA qui est ma mère,
Henry NKATA HAWANG et Eugénie HEMBAL ANGUIL que je
considère comme étant mes deuxièmes parents,
A nos frères et soeurs ; Donald NKATA HEMBAL
IBRA, Christelle NKATA ABIM, Danielle NKATA MVULA, Gradi NKATA MVULA, Henock et
Exaucé MBWAMA, Keren MBWAMA qui ont été d'une aide
très importante dans mon parcours académique.
A nos proches amis : Véronique KIKUMBI MUSESE,
Isaac MUKEKWA MUZAZA, Eben ezer TSHINGULI KAPENDA, Lazard NYEMBO SELEMANI,
Justine ILUNGA WA ILUNGA NKULU, pour leurs conseils, leurs présences et
leurs amour.
Glodi MBWAMA BINAMEN
REMERCIEMENTS
Mes remerciements s'adressent en premier lieu au Dieu tout
puissant de m'avoir donné le souffle de vie, la forcer d'achever mon
premier cycle, de nous avoir soutenu durant notre parcourt et aussi la force
d'achever ce travail de fin de cycle.
Nous témoignons de notre profonde gratitude
à l'Ir. Ass Kelly NGWEJ, pour avoir accepté de coordonner
l'avancement de ce travail et qui, malgré ses multiples occupations a
bien voulu faire le suivi de ce présent travail.
Nous remercions le corps académique et professoral
de l'Institut supérieur des techniques appliquées (ISTA/KOLWEZI)
pour l'amour, effort fournis, pour l'encadrement dont nous
bénéficions et cela même dans les moments les plus
difficiles.
Notre gratitude s'adresse également aux familles
HEMBALE, ALOMBONG, mes cousins Elie KILUI, Jonas KINGILI, Reagan
MAYAMBA.
Nous n'oublions pas nos très chers condisciples
avec qui nous avions passé des très belles années
académiques riches en émotion, plus particulièrement,
Moise MUCINENU KANGABU, parfait MBANGU NGWEJ, Berger TSHIHWISA KESHIJINA,
Gabrielie WIMBU CATHERINE, Jeef BINYANGA MUPANDISHI, Patient TSHENDA TAWA, Don
KAYAL RUPAS, Christian MWISANGE BENATARD, Daniel KAYUMBA SAMBO, Marc TSHILANDA
ULOMBO, Asser KAMWASH KATAMB, Gédéon MUTOMBO KAZADI, Judo ILUNGA
MBAYO, Chadrack BANZE KINAMASHINDA, Joël MWEPU WA KAFUKU, Jeanpie LAYLAY
KABENGU, Paul NGOY KANKOMBA, Sage KIBWE MUDIKETE, Didier MONGA MUKANDJILA,
Alain MWAMBA MATEYA, Trésor NAWEJ NGWEJpour tous les moments
vécus ensemble au sein de la promotion.
Au terme de ce travail, nous exprimons notre gratitude et
notre reconnaissance à toutes les personnes qui de près ou de
loin, ont contribué à sa réalisation, par leurs
encouragements, leurs prières, leurs aides si précieuses et par
leur soutien matériel et moral.
Glodi MBWAMA BINAMEN
TABLE DES MATIERES
EPIGRAPHE
Erreur ! Signet non
défini.
IN MEMORIAM
ii
DEDICACE
iii
REMERCIEMENTS
iv
TABLE DES MATIERES
vi
LISTE DES FIGURES
viii
LISTE DES TABLEAUX
ix
INTRODUCTION GENERALE
1
CHAPITRE I : GENERALITES SUR L'ENERGIE
PHOTOVOLTAIQUE
4
I.1 INTRODUCTION
4
I.2. HISTORIQUE DE L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE
4
I.3 CELLULE PHOTOVOLTAIQUE
5
I.3.1.Définition d'une cellule solaire
5
I.3.2. Le principe de fonctionnement d'une cellule
solaire
5
I.3.3 Caractéristique d'une cellule
photovoltaïque
6
I.3.4. Facteur forme d'une cellule
photovoltaïque
7
I.3.5. Rendement d'une cellule
photovoltaïque
7
I.4. STRUCTURE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES
8
I.5. GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE
9
I.6.DIFFERENTES CONFIGURATIONS DES SYSTEMES
PHOTOVOLTAÏQUES.
11
I.6.1. Systèmes à couplage direct
11
I.6.2. Systèmes autonome avec batterie
12
I.6.3. Systèmes fonctionnant au fil du
soleil
12
I.6.3. Systèmes avec appoint
électrique
12
I.7 AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L'ENERGIE
PHOTOVOLTAÏQUE
12
I.8.CONCLUSION
14
CHAPITRE II : PRESENTATION DE LA STRUCTURE
POUR LA CONCEPTION DE LA CENTALE PHOTOVOLTAIQUE
15
II.1 INTRODUCTION
15
II.2 LES ELEMENTS D'UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE
16
II.2.1 Les modules photovoltaïques
16
II.2.2 Le régulateur de charge et de
décharge
17
II.2.3 Les batteries d'accumulation
19
II.2.4 L'onduleur
20
II.2.5 Les câbles électriques
21
II.3 Conclusion
22
CHAPITRE III : PRESENTATION DE LA ZONE DU
PROJET ET DIMENSIONNEMENT DE LA CENTRALE PHOTOVOLTAÏQUE
23
III.1 Introduction
23
III.2 Présentation de la zone du projet
23
III.3 Situation géographique du quartier Joli
site/Aeroport
25
III.4 PROCEDURE DE DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME
PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME
26
III.3.1 Marche à suivre
26
III.4 Calcul de dimensionnement
34
III.4.1 Evaluation du besoin
énergétique du site
34
III.4.2 Définition des modules
photovoltaïques
36
III.4.3 Dimensionnement et choix des batteries de
stockage
37
III.4.3 Dimensionnement et choix du
régulateur
39
III.4.4 Dimensionnement et choix de l'onduleur
39
III.5 Représentation schématique de la
centrale photovoltaïque
40
III.5.1 Schéma de puissance
40
III.6 Conclusion
41
CONCLUSION GENERALE
42
ANNEXES
43
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
45
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Caractéristique i-v d'une cellule
photovoltaïque
3
Figure 2 Caractéristique puissance-tension
d'une cellule photovoltaïque
7
Figure 3 Structure d'une cellule
photovoltaïque
9
Figure 4 Schéma synoptique d'une installation
photovoltaïque
11
Figure 5 Figure 5 : Représentation synoptique
de la structure d'un système photovoltaïque avec stockage
15
Figure 6 Représentation synoptique de la
structure d'un système photovoltaïque sans stockage
15
Figure 7 Exemple d'une connexion en
série-parallèle
16
Figure 8 Géolocalisation sur la carte de la
ville de Kolwezi
24
Figure 9 Diagramme 1 taux d'ensoleillement de la
ville de Kolwezi
26
Figure 10 Représentation schématique
de la centrale photovoltaïque
40
Figure 11 fiche technique du panneau
photovoltaïque
43
Figure 12 fiche technique de la batterie
43
Figure 13 onduleur
44
Figure 14 cellule monocristalline
44
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 taux d'ensoleillement de la ville de
Kolwezi
3
Tableau 2 Consommation énergétique
journalière d'un ménage
35
Tableau 3 Consommation énergétique
journalière du quartier
36
Tableau 4 Calcul de la puissance crête du
champ photovoltaïque
36
Tableau 5 Détermination du nombre des
modules
37
Tableau 6 la puissance crête à
installer
37
Tableau 7 Détermination de la capacité
totale des batteries
38
Tableau 8 Détermination du nombre des
batteries
38
Tableau 9 Détermination du courant
maximal
39
Tableau 10 Détermination de la puissance de
l'onduleur
39
INTRODUCTION GENERALE
Pour assurer le développement durable, faire reculer la
pauvreté tout en laissant en héritage aux
générations futures un environnement viable, il est indispensable
de faire la promotion des énergies renouvelables.
La production d'énergie est un défi de grande
importance pour les années à venir, en effet l'énergie est
un facteur essentiel au développement économique, dans tous les
pays du monde. Son importance relative s'accroit avec les progrès
techniques, l'industrialisation et le besoin de confort moderne. L'augmentation
de sa production est synonyme d'amélioration de la qualité de vie
et de création de richesse.
De nos jours, une grande partie de la production mondiale
d'énergie est assurée à partir des énergies
fossiles, la consommation de ces sources donne lieu à des
émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la
pollution. Le danger supplémentaire est qu'une consommation excessive du
stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type
d'énergie de façon dangereuse pour les générations
futures, et aussi face aux multiples crises économiques et
pétrolières la science s'est intéressée aux
ressources dites renouvelables qui constituent un secteur stratégique et
occupent une place qui privilégiera les domaines de recherche et
développement.
Le taux national d'électrification de la
République Démocratique du Congo (RDC) est actuellement de 9%, et
d'un % seulement si l'on tient uniquement compte du monde rural (76,8% de la
population congolaise). Or comme il a souvent été dit, la R.D.C
dispose d'immenses réserves énergétiques. En effet, en
plus d'avoir le sous-sol riche en minerais, ce pays possède en outre
suffisamment de potentiel énergétique pour alimenter en
électricité les trois quarts du continent africain.
En pratique, d'autres coins de la ville de Kolwezi souffrent
de délestage, nuisant au fonctionnement des services de base telle que
la santé et l'éducation ces délestages pénalisent
également l'économie en paralysant le secteur privé. Ils
plongent aussi de grandes régions dans l'obscurité totale,
laissant les populations se débrouiller à la bougie ou aux lampes
torches pour l'éclairage.
Bien que le potentiel électrique de la R.D.C soit
très élevée, il serait onéreux d'interconnecter le
pays entier car les distances sont trop importantes et les infrastructures de
base telles les routes, à peine existantes. Face à ces
défis de connectivité, les énergies renouvelables ont un
avantage comparatif avéré.
Le principal atout des énergies renouvelables
réside dans le fait qu'elles peuvent être localisées sur un
point précis sur ou hors réseau et engendrer un impact tangible
et immédiat. Dans la plupart des cas, elles évitent aussi ainsi
la santé humaine et favorisent la protection de l'environnement.
Une centrale photovoltaïque bien dimensionnée
comme sera expliqué dans les pages qui suivent, sera capable de donner
à un quartier résidentiel l'énergie nécessaire en
basse tension pour l'éclairage des ménages, le branchement des
appareils de faible puissance comme (un poste téléviseur, un
lecteur DVD, un congélateur, une plaque chauffante, un chauffe-eau, les
lampes économiques,...)
La centrale photovoltaïque est très importante
pour les cités, quartiers et les villages qui sont situés
à une grande distance des villes, surtout en Afrique pour la simple
raison que la demande des grandes puissances est faible, et les
activités industrielles presque inexistantes.
Notre objectif est de mettre au point l'alimentation
permanente en énergie électrique dans un quartier
résidentiel qui est le quartier joli site/Aéroport, qui n'a
jamais vu dans son sein le courant électrique, s'inspirant de notre
position géographique, nous avons été poussé de
faire le choix du sujet, et surtout avec l'utilisation des énergies qui
battent leur plein présentement et qui annoncent beaucoup d'espoir pour
les années à venir, et pour être à la page avec les
exigences de la mondialisation, notre pays de la RDC étant au centre de
l'Afrique, donc nous disposons de l'un des meilleurs ensoleillements du
monde.
Selon la commission internationale d'Energie, notre pays a
comme ensoleillement qui varie entre 4,2kW/H/Jour/m² à
6,5kW/H/Jour/m², d'où nous avons une des bonnes lumières du
soleil au monde qui est loin supérieur à la moyenne de
2kW/H/Jour/m² à 4kW/H/Jour/m² reçue en Europe, au
canada et dans tout le nord des Etats-Unis.
L'énergie solaire photovoltaïque est une
possibilité de développement efficace et durable. C'est pour cela
que les recherches scientifique se développent dans le sens de
généraliser, améliorer et optimiser l'exploitation des
systèmes solaires. L'optimisation des systèmes solaires est
basée sur des dimensionnement et de maximisation de la puissance
générée pour avoir un bon rendement.
C'est ainsi que nous proposons une solution pour aider la
population du quartier joli site/Aéroport en mettant en place une
centrale photovoltaïque pour les alimenter en
énergieélectrique. D'où notre sujet s'intitule :
Etude et dimensionnement d'une centrale photovoltaïque pour
l'alimentation d'un quartier résidentiel. « Cas du quartier
Joli site/Aéroport à Kolwezi »
Hormis l'introduction et la conclusion notre travail notre
travail sera subdivisé en trois chapitre à savoir :
Chapitre I. Générâtes sur
l'énergie photovoltaïque
Chapitre II. Présentation de la structure pour la
conception de la centrale photovoltaïque
Chapitre III. Présentation de la zone du projet et
dimensionnement de la centrale photovoltaïque.
CHAPITRE I : GENERALITES
SUR L'ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE
I.1 INTRODUCTION
L'énergiephotovoltaïquerésulte de la
transformation directe de la lumière du soleil en
énergieélectrique aux moyens des cellules
généralement à base de silicium cristallin qui reste le
filière la plus avancé sur le plan technologique et industriel,
en effet le silicium est l'un des éléments les plus abondants sur
terre sous forme de silice non toxique par définition le mot
·photovoltaïque· vient du grec ·photo· qui
signifie lumière et de ·voltaïque· qui tire son
origine du nom d'un physicien italien Alessandro Volta (1754-1827) qui a
beaucoup contribué à la découverte de
l'électricité, alors le photovoltaïque signifie
littéralement la lumière électricité.
I.2. HISTORIQUE DE L'ENERGIE
PHOTOVOLTAIQUE
Historiquement, lorsque le développement de
l'énergie solaire a atteint un niveau de maturité permettant son
utilisation à grande échelle, c'est vers les mini-réseaux
d'alimentation de villages et zones entiers que les solutions techniques
d'électrification collective ont été orientées. Il
est certain que solution du mini-réseau alimenté par
énergie solaire présente un ensemble d'avantages qui motive le
choix de ce travail. Le photovoltaïque apparait comme une source
d'électricité adaptée aux besoins
énergétiques limites.
Quelques dates importantes dans l'énergie
photovoltaïque :
1839 : Le physicien français Edmond
Beckereldécouvre l'effet photovoltaïque.
1875 : Werner Von Siemens expose devant l'académie
des sciences de Berlin un article sur l'effet photovoltaïque dans les
semi-conducteurs.
1954 : Trois chercheurs américainsChapin, Peason
et Prince fabriquent une cellule photovoltaïque.
1958 : Une cellule avec un rendement de 9% ; les
premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont
envoyés dans l'espace.
1973 : La première maison alimentée par des
cellules photovoltaïque est construite à l'université de
Delaware.
1983 : La première voiture alimentée en
énergiephotovoltaïque parcourt une distance de 4000km en
Australie.
I.3 CELLULE PHOTOVOLTAIQUE
La cellule photovoltaïque constitue
l'élément de base du générateurphotovoltaïque,
c'est un dispositif optoélectronique de conversion de
l'énergiesolaire en énergie électrique. Elle est
réalisée à base de matériaux semi-conducteurs
généralement le silicium.
I.3.1.Définition d'une
cellule solaire
La cellule PV ou encore photopile est le plus petit
élément d'une installation photovoltaïque. Elle est
composée de matériau semi-conducteur et transforme directement
l'énergie lumineuse en énergie électrique. Les cellules
photovoltaïques sont constituées :
Ø D'une fine couche semi-conductrice (matériau
possède une bande interdite, qui joue le rôle de la
barrière d'énergie que les électrons ne peuvent franchir
sans une excitation extérieure, et dont il est possible de faire varier
les propriétés électroniques) tel que le silicium, qui est
un matériau présentant une conductivité électrique
relativement bonne.
Ø D'une couche antireflet permettant une
pénétration maximale des rayons solaires.
Ø D'une grille conductrice sur le dessus ou cathode et
d'un métal conducteur sur le dessous ou anode.
Ø Les plus récentes possèdent même
une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissants justes en
dessous du semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir
plus longtemps dans celui-ci pour améliorer le rendement.
I.3.2. Le principe de
fonctionnement d'une cellule solaire
Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet
de transformer l'énergie solaire en énergie électrique.
Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants
:
Ø Absorption des photons (dont l'énergie est
supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ;
Ø Conversion de l'énergie du photon en
énergie électrique, ce qui correspond à la création
du pair électron/trou dans le matériau semi -conducteur ;
Ø Collecte des particules générées
dans le dispositif ;
Le matériau constituant la cellule photovoltaïque
doit donc posséder deux niveaux d'énergie et être assez
conducteur pour permettre l'écoulement du courant d'où
l'intérêt des semi-conducteurs pour l'industrie
photovoltaïque. Afin de collecter les particules
générées, un champ électrique permettant de
dissocier les paires électron/trou créés est
nécessaire. Pour cela on utilise le plus souvent une jonction P-N.
d'autres structures, comme les hétérojonctions et les Schottky
sont également utilisées.
I.3.3 Caractéristique
d'une cellule photovoltaïque
I.3.3.1 Caractéristique i-v d'une cellule
photovoltaïque
Eclairée par le rayonnement solaire, une cellule
photovoltaïque est décrite par sa courbe caractéristique qui
retrace le courant quel débite en fonction de la tension à ses
bornes.
Figure 1 Caractéristique
i-v d'une cellule photovoltaïque
Si on branche aux bornes de la cellule photovoltaïque une
charge résistive, alors le point de fonctionnement sera
déterminé par l'intersection de la caractéristique I-V et
la droite de charge I=V/R sur cette courbe, on distingue les zones
suivantes :
A : est le point de fonctionnement nominal, il correspond
au de puissance maximale.
MB : cette zone correspond aux charges de faibles
impédances, dans ce cas, la cellule se comporte comme un
générateur de courant.
CN : cette zone, par contre, correspond aux charges
à impédances élevées, la cellule se comporte comme
un générateur de tension.
I.3.3.2 Caractéristique puissance-tension d'une
cellule photovoltaïque
La caractéristique puissance-tension (P-V) d'une
cellule photovoltaïque est obtenue à partir de sa
caractéristique courant-tension (I-V) comme la montre la figure
ci-dessous
Figure 2 Caractéristique
puissance-tension d'une cellule photovoltaïque
La puissance générée par une cellule
photovoltaïque est donnée par :
I.3.4. Facteur forme d'une
cellule photovoltaïque
C'est le rapport entre la puissance maximale
débitée et la puissance optimisée d'une cellule
photovoltaïque, il est donné par l'expression suivante :
I.3.5. Rendement d'une cellule
photovoltaïque
Le rendement d'une cellule est le rapport entre puissance
maximale disponible et la puissance du rayonnement incident, il est
donné par :
Avec :
Ø Pm : Puissance maximale débitée
par cellule photovoltaïque (W)
Ø Im : courant au point de puissance maximale de
la cellule photovoltaïque (A)
Ø Vmp : Tension au point de puissance maximale de
la cellule photovoltaïque (V)
Ø Pi : Puissance incidente sur la surface de la
cellule photovoltaïque (W)
Ø G : Eclairement global incident sur la cellule
photovoltaïque (W/m²)
Ø S : Surface totale de la cellule
photovoltaïque (m²)
Les principaux facteurs qui limitent le rendement d'une
cellule photovoltaïque sont :
Ø Absorption incomplète des photons : seuls
les photons d'énergie supérieure à Eg sont absorption. Eg représente
l'énergie.
Ø Excès d'énergie : l'Energie en
excès ( des photons qui sont absorbés ne sert pas à
générer les paires électrons trous. Elle est perdue sous
forme de chaleur.
Ø Réflexion à la surface : une
partie seulement du flux incident est absorbée dans le matériau.
L'autre partie, réfléchie par la surface, est
généralement perdue, cette perte qui dépend du
semi-conducteur peut êtreréduite par des traitements de surface
pour forcer le rayonnement dans le semi-conducteur.
I.4. STRUCTURE DES CELLULES
PHOTOVOLTAÏQUES
Une cellule photovoltaïque en présence de
lumière, ou plus exactement de photons, est capable d'orienter les
électrons de façon à créer une différence de
potentiel et ainsi de générer une tension électrique
(Energie photovoltaïque). La couche supérieure de la cellule
photovoltaïque est composée de silicium (figure). Elle contient une
quantité particulièrement importante d'électrons libres,
donnant une charge négative.
La couche inferieure, elle aussi composée de silicium,
contient une quantité d'électrons libres inferieure à la
normale, donnant ainsi une charge positive. C'est lorsque les deux couches
entrent en contact qu'une zone de charge se crée et génère
un champ électrique.Les cellules photovoltaïques sont
composées d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs et
permettent la conversion directe de l'énergie solaire en
énergieélectrique.
Figure 3 Structure d'une cellule
photovoltaïque
1) Electrode négative.
2) Electrode positive.
3) silicium dopé N.
4) Silicium dopé P.
5) Couche limite.
Pour provoquer cet effet photoélectrique, le
matériau semi -conducteur doit
être«dopé». Du fait de l'apport
d'éléments chimiques, deux couches se forment, une couche
conductrice P avec un excédent de porteurs de charge positifs et une
couche conductrice Navec un excédent de porteurs de charge
négatifs. Du fait de ce déséquilibre, un champ
électrique interne se forme et provoque une séparation de charge
en cas d'incidence de lalumière. Les porteurs de charge ainsi
libérés peuvent être évacués par des contacts
métalliques et utilisés directement comme courant continu (DC)
par un appareil électrique ou être alimentés dans le
réseau comme courant alternatif (AC) via un convertisseur
intercalé.
Pour les capacités plus élevées, les
cellules photovoltaïques sont la plupart du temps interconnectées
au module. Pour la fabrication de cellules photovoltaïques, on utilise
actuellement avant tout du silicium, car c'est le second élément
le plus courant sur terre et donc bon marché à valoriser. En plus
du silicium, d'autres éléments, comme le cuivre, le gallium ou le
cadmium, trouvent leur utilisation dans le photovoltaïque.
I.5. GENERATEUR
PHOTOVOLTAÏQUE
La tension générée par une cellule
photovoltaïqueétanttrès faible (environ 0,6), pour avoir des
tensions compatibles avec les charges à alimenter, il doit associer en
série plusieurs cellules. Celles-ci sont encapsulées dans une
même structure pour former un module photovoltaïque.
L'encapsulation ainsi réalisée va avoir deux
rôles principaux :
Ø Protections des cellules contre les agressions
extérieures (chocs, humidité, corrosion, poussière,
etc.).
Ø Contrôle de température des cellules qui
va permettre une bonne dissipation vers l'extérieur de la partie de
l'énergie incidente qui n'est pas transformée en énergie
électrique.
Actuellement la puissance d'un module photovoltaïqueest
de quelques Watt crêtes à quelques dizaines de watt crêtes.
Pour obtenir des puissances supérieures, il est nécessaire
d'associer en série et/ ou en parallèle des modules formant ainsi
un générateur photovoltaïque.
En général ces modules ne sont pas identiques,
on considère que tous les modules d'un
mêmegénérateur, sont identifiés et travaillent dans
les mêmes conditions de température et d'éclairement.
Les chutes de tension dans les conducteurs qui assurent
l'interconnexion des modules sont négligeables.
En général ces modules ne sont pas identiques,
on considère que tous les modules d'un même
générateur, sont identiques et travaillent dans les mêmes
conditions de température et d'éclairement.
Les chutes de tension dans les conducteurs qui assurent
l'interconnexion des modules sont négligeables.
En se basant sur ces suppositions, la caractéristique
I-V d'un générateur est obtenue directement de celle du module en
considérant :
Avec :
Ø Ipv : le courant du générateur
Ø Vpv : la tension du générateur
Ø Np : le nombre de modules associés en
parallèle
Ø Ns : le nombre de module en série
I.6.DIFFERENTES CONFIGURATIONS
DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES.
Généralement une installation
photovoltaïque comprend les éléments suivants (figure
4) :
Ø Un
générateurphotovoltaïque ;
Ø Un convertisseur
continu/continu (DC/DC) ;
Ø Un convertisseur continu/alternatif (DC/AC) ;
Ø Un système de régulation et
stockage ;
Ø Une source auxiliaire d'appoint.
Figure 4 Schéma
synoptique d'une installation photovoltaïque
I.6.1. Systèmes à
couplage direct
Les systèmes photovoltaïques à couplage
direct sont représentés par les blocs (1-4) de la figure
précédente. La charge de type continu est alimentée
directement par le GPV, car la production d'énergie est suffisante pour
le fonctionnement de la charge. La tension de travail est fixée par le
nombre de modules placés en série et par la valeur de
l'impédance de charge.
I.6.2. Systèmes autonome
avec batterie
Ces systèmes sont représentés par les
blocs (1-4-3) dans le cas où la charge est de type continu et les blocs
(1-3-5-6) si la charge et de type alternatif. La batterie sert à stocker
de l'énergie produite par le GPV, alors l'énergie peut être
utilisée de tout temps, même en l'absence de rayonnement
solaire.
I.6.3. Systèmes
fonctionnant au fil du soleil
Ce type de systèmes fait intervenir des convertisseurs
de type continu/continu ou continu/alternatif. Ils sont
représentés respectivement par les blocs (1-2-4) ou (1-5-6). Le
convertisseur continu/continu permet de faire une adaptation d'impédance
entre le générateur photovoltaïque (GPV) et la charge de
type continu. Si la charge est de type alternatif, le convertisseur
continu/alternatif est introduit.
I.6.3. Systèmes avec
appoint électrique
Dans ces systèmes, on introduit des
générateurs auxiliaires qui n'interviennent qu'en cas
d'insuffisances d'énergiesélectriques (manque de rayonnement
solaire ou batteries déchargées), ces générateurs
auxiliaires peuvent être de type continu et ; ou de type
alternatif.
Les sources auxiliaires peuvent être alimentées
soit par le réseau soit par une autre source d'énergie
(exemple : le groupe électrogène).
I.7 AVANTAGES ET INCONVENIENTS
DE L'ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE
Les systèmes photovoltaïques présentent un
grand nombre d'avantages et d'inconvénients qui sont :
Les systèmes photovoltaïques ont plusieurs
avantages:
Ø Ils sont non polluants sans émissions ou
odeurs discernables.
Ø Ils peuvent être des systèmes autonomes
qui fonctionnent sûrement, sans surveillance pendant de longues
périodes.
Ø Ils n'ont besoin d'aucun raccordement à une
autre source d'énergie où à un approvisionnement en
carburant.
Ø Ils peuvent être combinés avec d'autres
sources d'énergie pour augmenter la fiabilité de
système.
Ø Ils peuvent résister à des conditions
atmosphériques pénibles comme la neige et la glace.
Ø Ils ne consomment aucun combustible fossile et leur
carburant est abondant et libre.
Ø Une haute fiabilité car l'installation ne
comporte pas de pièces mobiles, ce qui la rend particulièrement
appropriée aux régions isolées, d'où son
utilisation sur les engins spatiaux.
Ø Le système modulaire de panneaux
photovoltaïques permet un montage adaptable à des besoins
énergétiques variés ; les systèmes peuvent
être dimensionnés pour des applications allant du milliwatt au
mégawatt.
Ø La technologie photovoltaïque présente
des qualités sur le plan écologiques car le produit et non
polluant, silencieux, et n'entraîne aucune perturbation du milieu.
Ø Ils ont une longue durée de vie.
Ø Les frais et les risques de transport des
énergies fossiles sont éliminés.
Pour les inconvénients nous citons :
Ø La fabrication des modules photovoltaïques
relève de la haute technologie, ce qui rend le coût très
élevé.
Ø Le rendement réel d'un module
photovoltaïque et de l'ordre de 10 à 15 %.
Ø Ils sont tributaires des conditions
météorologiques.
I.8.CONCLUSION
Dans ce chapitre nous avons présenté le principe
de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique
par cellule photovoltaïque, ainsi que les différentes
configurations des systèmes photovoltaïques; à savoir les
panneaux photovoltaïques.
CHAPITRE II :
PRESENTATION DE LA STRUCTURE POUR LA CONCEPTION DE LA CENTALE
PHOTOVOLTAIQUE
II.1 INTRODUCTION
On distingue généralement deux types de
système photovoltaïque : les systèmes photovoltaïques
avec stockage électrique et les systèmes photovoltaïques
sans stockage électrique ou système au fil du soleil. La
différence entre ces deux systèmes est que le second ne contient
pas des batteries accumulateurs. Nous présenterons donc sur les figures
ci-dessous un système avec stockage d'énergie et un
système sans stockage d'énergie souvent utilisé pour les
pompages d'eau.
Figure 5 Figure 5 :
Représentation synoptique de la structure d'un système
photovoltaïque avec stockage
Figure 6 Représentation
synoptique de la structure d'un système photovoltaïque sans
stockage
II.2 LES ELEMENTS D'UN SYSTEME
PHOTOVOLTAIQUE
II.2.1 Les modules
photovoltaïques
Les modules sont un assemblage de photopile (ou cellule)
montée en série, afin d'obtenir la tension désirée
(12V, 24V ...).La cellule photovoltaïque est l'élément de
base dans la conversion du rayonnement. Plusieurs cellules sont
associées dans un module qui est la plus petite surface de captation
transformable, montable et démontable sur un site. Les modules sont
regroupés en panneaux, qui sont à leur tour associés pour
obtenir des champs photovoltaïques selon les besoins. Les cellules
photovoltaïques sont réalisées principalement par le
silicium cristallin, qui est utilisé sous forme monocristalline ou
multi-cristalline en plaquette ou en ruban ou encore en couches semi-minces sur
substrat selon les technologies récentes.
Les modules sont associés en série et en
parallèle pour obtenir des puissances importantes et la tension
voulue.
II.2.1.1 Interconnexion des panneaux
photovoltaïques
Tous les panneaux à interconnecter doivent être
égaux, c'est-à-dire, ils doivent être de la même
marque et avoir les mêmes caractéristiques.
L'interconnexion des panneaux se fait, premièrement,
à travers l'association de panneaux en série pour obtenir le
niveau de tension souhaité ; et plus tard, à travers
l'association en parallèle de plusieurs associations en série
pour obtenir le niveau de courant souhaité
Figure 7 Exemple d'une connexion
en série-parallèle
II.2.2 Le régulateur de
charge et de décharge
Le régulateur électronique dans un
système photovoltaïque gère la charge et la décharge
de la batterie. Il limite la tension de la batterie afin d'éviter une
surcharge, en déconnectant la batterie trop chargée des modules
PV. Quand la batterie est trop déchargée, il ralentit la
décharge par délestage de l'utilisation, par un disjoncteur
automatique pour la protéger contre la décharge profonde.
Dans un système PV, en l'absence d'un
régulateur, les accumulateurs seront exposés à une perte
d'eau donc un vieillissement prématuré et à la sulfatation
des plaques.
Le régulateur dans un système
photovoltaïque peut assurer aussi le rôle de la compensation
thermique. Il est situé entre le champ de modules et les batteries
accumulateurs.
Les fonctionnalités classiques des régulateurs
solaires sont :
Ø Affichage du niveau de charge
Ø Affichage des incidents (surcharge, décharge
profonde, court-circuit)
Ø Protection contre la surcharge
Ø Protection contre la décharge profonde
Ø Protection contre les court-circuits
Ø Protection des panneaux solaires photovoltaïques
(contre les retours de charges électriques)
Ø Protection thermique (sonde des batteries)
II.2.2.1 Différents types de
régulateur
Ø Régulateur parallèle : Il
régularise la surcharge. Il est indiqué pour des petites
installations solaires photovoltaïques.
Ø Régulateur série : Il régularise
la surcharge et la décharge. Son interrupteur peut être
électromécanique ou statique. Il peut incorporer des autres
fonctions (alarme, interruption nocturne, etc.)
Les régulateurs utilisés sont de type
série : ils déconnectent l'ensemble de panneaux de la batterie
pour éviter la surcharge ; et les équipements de consommation
pour éviter la surdécharge. Cette déconnexion se fait
à travers interrupteurs qui peuvent être des dispositifs
électromécaniques (des relais, des contacteurs, etc.) ou des
dispositifs d'état solide (un transistor bipolaire, etc.).
Afin de protéger la batterie de la surcharge,
l'interrupteur s'ouvre quand la tension de la batterie atteint sa tension
d'arrêt de la charge, et se ferme de nouveau quand la batterie retourne
à la tension de réinitialisation de charge. La tension
d'arrêt de la charge est environ 2,45V par chaque élément
de la batterie à 25°C.
En ce qui concerne la surdécharge, l'interrupteur
s'ouvre quand la tension de la batterie est inférieure à la
tension d'arrêt de la décharge, et se ferme quand la batterie
retourne à la tension de réinitialisation de décharge. La
tension d'arrêt de la décharge est environ 1,95V par chaque
élément.
II.2.2.2 Paramètres qui définissent un
régulateur
Ø Tension de travail : 12, 24 ou 48 V etc.
Ø Intensité maximale : Elle doit être
supérieure au courant maximal du générateur
photovoltaïque
Le fabricant fournit aussi des autres données
d'intérêt :
Ø Les valeurs de la tension d'arrêt de la charge
(surcharge) et de la tension d'arrêt de la décharge
(surdécharge).
Ø L'existence de compensation avec la
température. Les tensions qui indiquent l'état de charge de la
batterie changent avec la température, et c'est pour cette raison que
quelques régulateurs mesurent la température et utilisent cette
information pour corriger les tensions de surcharge.
Ø L'instrumentation de mesure et ses indicateurs : les
régulateurs ont souvent un voltmètre qui mesure la tension de la
batterie et un ampèremètre qui mesure le courant. La plupart
d'eux ont des indicateurs qui notifient certaines situations comme : le bas
état de charge de la batterie, déconnexion des panneaux avec la
batterie, etc.
II.2.3 Les batteries
d'accumulation
La batterie a pour fonction le stockage d'une partie de
l'énergie produite par les panneaux (c'est-à-dire, la portion
d'énergie qui n'est pas immédiatement consommée) afin
qu'elle soit disponible dans des périodes où le rayonnement
solaire est faible ou inexistant. Le stockage se fait sous la forme
d'énergie électrique à travers l'usage de batteries,
normalement de plomb-acide.
Une batterie est composée par l'association en
série de plusieurs « éléments » ou «
cellules », chacun d'eux comprenant deux électrodes de plomb dans
une dissolution électrolytique. Entre les deux électrodes, une
différence de potentiel de près de deux volts est établie,
et la valeur instantanée dépend de l'état de charge de la
batterie. Les batteries les plus utilisées pour les applications
photovoltaïques sont de 2, 12 ou encore 24 volts de tension nominale.
La batterie a aussi ces deux importantes fonctions :
Ø Fournir une puissance instantanée
supérieure à celle fournie par l'ensemble des panneaux et
nécessaire pour la mise en place de quelques éléments.
Ø Déterminer la marge des tensions de travail de
l'installation.
II.2.3.1 Fonctionnement de la batterie
La batterie répète de façon cyclique un
processus d'accumulation d'énergie (charge) et fourniture
d'énergie (décharge) en fonction de la présence ou de
l'absence du soleil. Dans ce fonctionnement normal de la batterie on peut
trouver deux pôles :
Ø Surcharge : La batterie atteint sa pleine
capacité de charge. Si elle continue à recevoir de
l'énergie, l'eau de la dissolution commence à se
décomposer, en produisant de l'oxygène et de l'hydrogène
(processus de gazéification).
Ø Décharge profonde : Il existe aussi une limite
pour le processus de décharge, après lequel la batterie se
détériore notamment.
C'est le régulateur qui doit prévenir
l'entrée d'énergie au-dessus de la surcharge permise et aussi la
consommation de plus d'énergie que cette prévue par la
décharge profonde.
II.2.3.2 Paramètres de la batterie
Ø Capacité nominale : Elle est la
quantité maximale d'énergie qui peut être retirée de
la batterie. Elle s'indique en ampères heure (Ah) ou en wattheures (Wh).
Puisque la quantité d'énergie qui peut être retirée
dépend aussi du temps nécessaire pour le processus d'extraction
(plus le processus est long, plus d'énergie on pourra obtenir), la
capacité est souvent indiquée en fonction du temps de
décharge. Dans le cas des applications photovoltaïques, ce temps
doit être égal ou supérieur à 100 heures.
Ø Profondeur maximale de décharge : Elle est la
valeur (indiquée en pourcentage) extraite d'une batterie totalement
chargée dans une décharge. La profondeur est limitée par
les régulateurs, qui sont habituellement calibrés pour qu'ils
puissent permettre des profondeurs de décharge de la batterie d'environ
80 %. En fonction de la profondeur maximale de décharge permise, la
batterie peut avoir plus ou moins de cycles de charge et décharge
pendant toute sa durée d'utilisation. Le fabricant doit fournir des
graphs où la relation entre la quantité de cycles et la
durée de la batterie puisse être vue.
Ø Capacité utile ou disponible : Elle est la
capacité qui peut être véritablement utilisée. Elle
est égale au produit de la capacité nominale et de la profondeur
maximale de décharge celle-ci divisée par un.
Les batteries sont connectées au régulateur
électronique car elles sont chargées à travers le
régulateur et elles alimentent les charges par le biais du même
régulateur.
On associe plusieurs batteries en série pour obtenir
une tension adaptée à l'utilisation et on les associe en
parallèle pour avoir la capacité et la puissance
nécessaire à l'autonomie désirée.
Le nombre de batterie sera déterminé à
partir de l'autonomie désirée.
II.2.4 L'onduleur
La tension produite par les modules photovoltaïques est
continue et celle fournie par les batteries pour l'alimentation des charges est
aussi de nature continue. Dans ces conditions, il faudra intégrer
obligatoirement un onduleur au système PV destiné à
alimenter des charges alternatives.
L'onduleur est un convertisseur DC/AC, c'est-à-dire
convertir la sortie continue (DC) du champ de module ou des batteries en
électricité alternative (AC) standard comme celle fournie par la
SNEL.
Il existe deux types de convertisseurs : quasi-sinus
ou pur sinus. Le signal électrique émis par un onduleur
quasi sinus est moins régulier que celui d'un pur sinus. Cela implique
que l'utilisation d'un onduleur quasi sinus est recommandé avec les
appareils électriques qui ne sont ni inductifs ni électroniques :
éclairage à incandescence, fer à repasser,
cafetière, plaques, four, convecteur, frigo, radio, TV cathodique,...
Pour les autres appareils (écrans plasma ou LCD, ordinateurs,
matériel de mesure,...) il est fortement recommandé d'utiliser de
convertisseurs pur sinus.
II.2.4.1 Caractéristiques de fonctionnement les
plus importants
Ø Tension et courant d'entrée/sortie
Ø Limites de la tension d'entrée
Ø Basse de consommation et haut rendement
Ø Puissance de sortie
Ø Capacité de surcharge (important quand il a
accès au moteur)
Ø Facilité de réparation et la
maintenance
Ø Fonctionnement dans les points de puissance maximale
Ø Conditions ambiantes (température de
fonctionnement)
La puissance nominale doit être environ 2 et 3 fois la
puissance des appareils à alimenter.
Un onduleur est fourni avec les câbles d'entrée
CC de grosse section pour réduire les chutes de tension (il faut les
connecter au régulateur ou à la batterie selon le cas, sans les
rallonger).
II.2.5 Les câbles
électriques
Les câbles relient électriquement tous les
composants du système PV. Le câblage est un point critique de
toute installation PV. Il est très important de bien dimensionner les
conducteurs afin d'éviter la circulation d'un courant très fort
dans les câbles même pour de petites puissances dans le cas
d'utilisation de faibles tensions. Le choix des câbles dont l'enveloppe
est adaptée aux conditions d'utilisation est nécessaire.
II.3 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté la
différence entre les systèmes photovoltaïques avec stockage
électrique et les systèmes photovoltaïques sans stockage
électrique ou système au fil du soleil, les différents
éléments constituant le système d'installation
photovoltaïque et les différents paramètres des
éléments
CHAPITRE III :
PRESENTATION DE LA ZONE DU PROJET ET DIMENSIONNEMENT DE LA CENTRALE
PHOTOVOLTAÏQUE
III.1 Introduction
La conception des systèmes photovoltaïques
nécessite la connaissance du rayonnement solaire utile sur le site
d'installation. Cette connaissance est un des paramètres essentiels de
l'étude préalable dans le plan des panneaux solaires. Un
système bien adapté nécessite l'évaluation du
besoin énergétique des applications à alimenter qui se
traduit par la puissance à mettre en oeuvre.
Le dimensionnement d'un système photovoltaïque
autonome précis est un processus relativement complexe car il y a des
nombreux paramètres à prendre en considération.
III.2 Présentation de la
zone du projet
Située à 300 kilomètres à l'ouest de
Lubumbashi
dans l'un des plus riches bassins miniers des hauts plateaux du Katanga (
cuivre,
cobalt,
uranium, radium), Kolwezi fut créée en 1937 pour
abriter le siège du Groupe Ouest de
l'Union
Minière du Haut-Katanga qui deviendra la
Gécamines en 1967 suite à
sa nationalisation.
Site que celle-ci exploite toujours aujourd'hui tant bien que
mal, même si la donne et le marché ont entre-temps changé
et vu arriver d'autres sociétés privées
étrangères avec lesquelles elle est contrainte de collaborer ou
sous-traiter. Et ce, suite à son lent déclin causé
notamment par l'effondrement de la mine de
Kamoto
en 1990. Mais plus encore qu'à
Likasi ou
Lubumbashi, l'empreinte de l'ex toute puissante Gécamines est
omniprésente à Kolwezi, dont elle a façonné non
seulement les paysages industriels et urbains mais aussi l'histoire et les
mentalités.
Tout le monde ici ou presque a en effet un lien avec l'ex
« mère nourricière », et en
vit (vivait) d'une manière ou d'une autre. Elle pourvoyait, et pourvoit
toujours, à toute une série de besoins annexes pour ses cadres et
employés et leurs familles: de l'école des enfants aux
hôpitaux en passant par les centres de loisirs et de formation.
La Gécamines est partout à Kolwezi, ce qui lui a
valu d'être considérée comme un « Etat
dans l'Etat » à la grande époque.
Mais outre pour ses activités
minières, Kolwezi est aussi tristement célèbre pour
l'invasion des rebelles sécessionnistes katangais soutenus par l'Angola
en 1978 et le fameux débarquement des parachutistes français et
belges («
la légion
saute sur Kolwezi »). Ceux-ci vont mater la rébellion qui
se soldera tout de même par un millier de victimes, dont 170
Européens massacrés par les rebelles (d'où l'intervention
des puissances étrangères à la demande de Mobutu).
Figure 8 Géolocalisation
sur la carte de la ville de Kolwezi
La ville connaît par ailleurs un développement
assez poussé, avec l'apparition de nouveaux quartiers comme
« Joli Site » ou
« Quartier latin »... De fait, la
périphérie de Kolwezi est de plus en plus prisée par les
sociétés minières étrangères qui y
construisent des « compounds » en préfabriqué
pour l'accueil et le confort de leurs agents. Au détriment de la
« vieille ville » qui est
délaissée au vu des importants investissements que cela
nécessiterait. Et ce mouvement n'est pas près de s'arrêter
et va résolument changer la face de la ville dans les années
à venir avec des nouveaux axes routiers contournant la ville avec
accès direct aux mines, et vraisemblablement l'implantation de
commerçants dansces nouvelles zones.
La présence des nombreux étrangers en ville se
marque aussi par l'augmentation significative en quelques années du
nombre d'hôtels (GuestHouses souvent gérées par des
sociétés minières d'ailleurs) et de restaurants qui
proposent de la cuisine internationale (chinoise, libanaise, italienne,
française...). Elle est en cela bien mieux lotie que Likasi.
III.3 Situation
géographique du quartier Joli site/Aeroport
Ø Le quartier joli site est limité :
· A nord : par le chemin de fer et la route nationale
39
· sud : par le quartier golf plateau
(confère : ISTM)
· L'Est : par un petit ruisseau, le quartier kamaniola
et le quartier Diur
· l'Ouest : par la route RVA (la route qui mène
vers l'Aeroport) et par le village musompo
Ø Les nombres de ménages :
· Le nombre de ménage du quartier joli site/Aeroport
est de 1075 ménages
Système fixe : inclinaison= 14°, orientation
=0 ° (optimal à l'orientation donnée)
|
Mois
|
G (kWh/m2)
|
Temps (heures)
|
Janvier
|
4.72
|
4.72
|
Février
|
4.92
|
4.92
|
Mars
|
5.81
|
5.81
|
Avril
|
6.35
|
6.35
|
Mai
|
6.74
|
6.74
|
Juin
|
6.78
|
6.78
|
Juillet
|
6.95
|
6.95
|
Aout
|
7.16
|
7.16
|
Septembre
|
6.98
|
6.98
|
Octobre
|
6.42
|
6.42
|
Novembre
|
4.97
|
4.97
|
Décembre
|
4.70
|
4.70
|
Moyenne annuelle
|
6.05
|
6.05
|
Tableau 1 taux d'ensoleillement
de la ville de Kolwezi
Pour la ville de Kolwezi le mois de décembre constitue
le mois le plus défavorable en termes d'irradiation globale et par
conséquent c'est le mois qui nous donne un faible temps d'ensoleillement
confer tableau ci-dessus
Figure
9Diagramme 1 taux d'ensoleillement de la ville de Kolwezi
III.4 PROCEDURE DE
DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME
III.3.1 Marche à
suivre
Le dimensionnement d'un système photovoltaïque
autonome précis est un processus relativement complexe car il y a des
nombreux paramètres à prendre en considération. Par
exemple la consommation du régulateur de charge doit être
ajoutée à celle des récepteurs pour définir la
consommation totale du système. Or le choix du régulateur
dépend de la taille du champ photovoltaïque, lui-même
déterminé par la consommation des récepteurs.
Donc la conception d'un système photovoltaïque est
le résultat d'une optimisation réalisée par
itération.
Le dimensionnement se fait en passant par les étapes
suivantes :
1. Détermination des besoins de l'utilisateur :
puissance des équipements et durée d'utilisation ;
2. Définition de modules photovoltaïques : tension
de fonctionnement, technologie, puissance totale à installer (puissance
crête) ;
3. Définition de la capacité des batteries et
choix de la technologie,
4. Dimensionnement et choix du régulateur ;
5. Choix de l'onduleur.
III.3.1.1 Détermination des besoins de
l'utilisateur
1. Besoin
énergétique des applications
Un système bien adapté nécessite
l'évaluation du besoin énergétique des applications
à alimenter qui se traduit par la puissance à mettre en
oeuvre.
Le calcul de l'énergie nécessaire à
l'application nécessite une nette compréhension de la
différence existant entre la puissance et l'énergie.
Ces deux grandeurs sont donc reliées par le temps.
Avec :
Ø E : énergie
Ø P : puissance
Ø t : temps d'utilisation
L'énergie est le produit de la puissance par le
temps.
La relation III.1 permet de calculer le besoin journalier en
énergie d'une application qui est le produit de la puissance
consommée par le temps d'utilisation par jour.
En effet, comme un système photovoltaïque fournit
son énergie le jour, il est naturel de prendre la période de 24
heures comme unité de temps.
L'énergie E, est donc l'énergie
électrique consommée en 24 heures par l'application et s'exprime
en Watt- heure par jour (Wh/j). On l'appelle aussi consommation
journalière.
Pour calculer la consommation totale du quartier, on calcule
d'abord l'énergie électrique consommée en 24 heure d'un
ménage puis on la multiple par le nombre de ménages
Ø L'énergie journalière à moyen
terme
Avec :
Ø Et : Energie totaleconsommée par le
quartier en Wh/j
Ø E1: Energie consommée par un
ménage en Wh/j
Ø Nm : nombre des ménages
L'énergie journalière à long terme
Dans les années avenir le nombre des ménages
pourrait augmenter de 40 à 50% sur ce nous allons prévoir une
extension éventuelle en calculant avec le taux d'accroissement. Ce qui
donne :
Avec :
Ø Nombre des ménages par extension
Ø M existant : ménages existants
Ø M extension de 50% :
ménages par extension avec le taux d'accroissement de 50%
Ø Econs : Energie journalière
consommée par le quartier en Wh/j
Ø E1 : Energie journalière
consommée par un ménage en Wh/j
Ø Nmext : nombre des ménages par
extension
III.3.1.2 Définition des modules
photovoltaïques
1. Calcul de la puissance
crête du photovoltaïque
Par définition, la puissance crête
représente la puissance maximum fournie par une cellule lorsque :
Ø L'éclairement
Ø La température = 25 °
L'unité de cette puissance est le Watt crête,
noté Wc.les constructeurs spécifient toujours la puissance
crête d'un panneau photovoltaïque.
Cependant, cette puissance est rarement atteinte car
l'éclairement est souvent inférieur à 1000 W/m2 et la
température des panneaux en plein soleil dépasse largement les
25 °C.
La puissance crêtedépend de la
quantitéénergétique produit par jour, du rayonnement
solaire reçu dans le plan des modules et du coefficient de
conversion.
La puissance crête du champ photovoltaïque est
calculée par la formule suivante :
Avec :
Ø PC : la puissance crête du
champphotovoltaïque en Wc
Ø Et : Energie totale consommée par le
quartier en Wh/j
Ø K : coefficient de conversion (k=O.65)
Ø Ej : l'ensoleillement du site en
kWh/m2
Pour la ville de Kolwezi Ej= 4.7 kWh/m2 c'est
l'ensoleillement du mois le plus défavorable.
2. Détermination du nombre des modules
Nm
Pour déterminer le nombre des modules Nm, on se
référera à la puissance crête du champ et aux
caractéristiques d'un module.
Le nombre des modules du système est calculé par
la formule suivante :
Avec :
Ø Nm : nombre des modules du système du
champ photovoltaïque
Ø Pc : la puissance crête du
champphotovoltaïque en Wc
Ø Pmod : la puissance crête d'un
module photovoltaïque
Nombre des modules en série est calculé par la
formule suivante :
Avec :
Ø Ns : le nombre des modules en série
Ø Usyst : la tension du système
photovoltaïque en V
Ø Vmp : la tension à puissance maximale en
V
Nombre des modules en parallèle est calculé par
la formule suivante :
Avec :
Ø Np : le nombre des modules en
parallèle
Ø Nm : le nombre des modules du champ
photovoltaïque
Ø Ns : le nombre des modules en série
III.3.1.3Dimensionnement et choix des batteries de stockage
Pour une totale assurance des besoins en
électricité par l'énergiephotovoltaïque, il est
nécessaire de la stocker pour les périodes non
ensoleillées. Le meilleur moyen et le plus pratique de ce stockage est
généralement l'usage des batteries d'accumulateurs qui
accumulent l'excédent de l'énergieélectrique puis la
restitue en cas de besoin.
1. Autonomie sans apport solaire
On appelle nombre des jours d'autonomie sans apport solaire
Nja, la durée de quelques jours pendant laquelle la batterie peut
alimenter seule l'installation à toute période de l'année
(les panneaux étant considérés comme absents). C'est sur
cette base qu'on calculera la batterie.
La durée d'autonomie varie de 2 à 4 jours sans
apport solaire pour les zones équatoriales. On réduira plus le
risque en travaillant avec une autonomie de 4 jours sans apport solaire.
2. Calcul de la capacité
batterie
La capacité nominale d'une batterie est donnée
généralement pour une décharge en 10 heures notée
0 à la température standard de 25°C.
Pour calculer la capacité nominale en fonction de cette
capacité souhaitée, on doit donc tenir compte de la profondeur de
décharge autorisée.
Ø Profondeur de décharge : une batterie ne doit
pas être déchargée en dessous d'un certain seuil, sinon on
risque de l'endommager.
En pratique, en l'absence des problèmes de basses
températures et pour un usage nominal de 4 jours d'autonomie, on
appliquera une profondeur de décharge Pd de 0.8.
En tenant compte de ces deux coefficients de réduction
c'est-à-dire des phénomènes de profondeur de
décharge maximale, on calcule la capacité nominale de la
façon suivante :
Avec :
Ø C : la capacité totale des batteries en
Ah
Ø Nja : le nombre de jour d'autonomie
Ø Usyst : la tension du système
photovoltaïque en V
Ø Et : l'énergie totale consommée
par le quartier en Wh/j
Ø Pd : la profondeur de décharge
Le nombre de batteries en série est calculé par
la formule suivante :
Avec :
Ø Nbs : le nombre des batteries en série
Ø Usyst : la tension du système
photovoltaïque en V
Ø Ubat : la tension d'une batterie en V
Le nombre de batteries en parallèle est calculé
par la formule suivante :
Nbp = (III.11)
Avec :
Ø Nbp : le nombre des batteries en
parallèle
Ø C : la capacité nominale
Ø Cbat : La capacité d'une batterie
III.3.1.4 Dimensionnement et choix du régulateur
Le régulateur est l'élément central d'un
système photovoltaïque autonome car contrôlant les flux
d'énergie et protège la batterie contre les surcharges et
décharges profondes dues à l'utilisation.
Pour notre dimensionnement, nous adopterons un
régulateur de charge série incorporant un interrupteur entre le
générateur et l'accumulateur pour arrêter la charge.
Le régulateur sera dimensionné d'après la
tension et le courant d'entré.
Ø La tension est celle du système
photovoltaïque.
Ø Le courant est celui de charge maximale que les
modules sont susceptibles de débiter à instant donné.
Le courant maximal que peut débiter notre
système photovoltaïque est calculé par la formule
suivante :
Imax = (III.12)
Avec :
Ø Pc : la puissance crête du système
photovoltaïque en Wc
Ø Usyst : la tension du système
photovoltaïque en V
III.3.1.5 Dimensionnement et choix de l'onduleur
L'onduleur est un dispositif électronique permettant la
conversion du courant continu en courant alternatif avec un choix bien
précis de la fréquence. Le signal généré est
une onde carrée, sinusoïdale (parfaite),...
Le dimensionnement d'un onduleur se base sur la somme des
puissances maximales de chaque équipement à alimenter dite
puissanceactive.
La puissance de l'onduleur dite
puissanceapparente sera légèrement
supérieure à la puissance active pour tenir compte des
éventuels courants de pointe élevés et du facteur de
puissance cos ?
1. Quelques définitions
La puissance active P, correspond à la
puissance électrique transportée entre le
générateur et les récepteurs. Elle s'exprime en Watt
(W)
La puissance apparente S, est la puissance de
dimensionnement que l'onduleur fournira. Elle s'exprime en Volt - Ampère
(VA)
La puissance réactive Q, signifie que
les récepteurs mettent en jeu des phénomènes
d'accumulation d'énergie électrostatique et
électromagnétique. Ceci a lieu sans dépense
d'énergie électrique, mais provoque des modifications aux valeurs
instantanées des intensités essentiellement par le
déphasage sur la tension appliquée. L'unité de cette
puissance est le Volt-Ampère-réactif (VAR).
Le facteur de puissance cos ?, est le
déphasage de l'intensité par rapport à la
tension. Il est toujours compris entre 0 et 1.
Soit 0 < cos ?< 1.
Un bon facteur de puissance est celui qui s'approche beaucoup
plus de l'unité.
Pour notre dimensionnement, on prendra le cos ? de la SNEL qui
est de 0,85
2. Calcul de la puissance apparente S
Le facteur de puissance est lié à la puissance
active P et apparente S, par la relation :
La puissance réactive est le produit de la puissance
apparente par le sinus de l'angle ?
La puissance apparente est :
III.4 Calcul de
dimensionnement
III.4.1 Evaluation du besoin
énergétique du site
Notre site a 1075 ménages comme dans les années
avenir le nombre des ménages pourrait augmenter nous avons prévu
une extension éventuelle en calculant avec le taux d'accroissement. Ce
qui donne :
Comme hypothèse, nous prendrons la situation d'un
ménagepour le calcul de la charge qu'on multipliera par la suite par le
nombre des ménages du quartier pour l'obtention de la charge totale du
quartier.
III.4.1.1 Consommation énergétique
journalière d'un ménage
Pour nos calculs nous allons considérer le besoin
énergétique d'un ménage de type moyen.
Appareil
|
Nombre
|
Puissance [W]
|
Durée d'utilisation [h]
|
Energie journalière [Wh/j]
|
Congélateur
|
1
|
240
|
24
|
5760
|
Fontaine
|
1
|
550
|
24
|
13200
|
Poste tv
|
1
|
114
|
10
|
1140
|
Poste radio
|
1
|
121
|
1
|
121
|
Ventilateur
|
1
|
75
|
2
|
150
|
Lecteur dvd
|
1
|
10
|
3
|
30
|
Total
|
|
1110
|
|
20401
|
Tableau 2 Consommation
énergétique journalière d'un ménage
III.4.1.2 Consommation énergétique
journalière du quartier
Pour trouver la consommation
énergétiquejournalière du
quartierEcons on va multiplier Energie
journalière consommée par un
ménageE1 par le nombre des
ménages par extension
Energie journalière consommée par un
ménage E1 [Wh/j]
|
Nombre des ménages par extension
Nmext
|
Energie journalière consommée par le quartier
Econs [Wh/j]
|
20401
|
1613
|
Econs = E1 Nmext
|
32906813
32906,813 kWh/j
|
Tableau 3 Consommation
énergétique journalière du quartier
III.4.2 Définition des
modules photovoltaïques
1. Calcul de la puissance crête du champ
photovoltaïque
La puissance crête dépend de L'énergie
journalière consommée par le quartier
Econs, de l'ensoleillement du site et du coefficient de conversion k.
Energie journalière consommée par le quartier
Econs [Wh/j]
|
Coefficient de conversion k.
|
Ensoleillement du site [kWh/m2]
|
puissance crête du système photovoltaïque
[Wc]
|
32906813
|
0,65
|
4,7
|
Pc =
|
10771460,883
10771461
|
Tableau 4 Calcul de la puissance
crête du champ photovoltaïque
2. Détermination du nombre de
modules
Pour déterminer le nombre des modules Nm, on se
référera à la puissance crête du champ et aux
caractéristiques d'un module.
Pour notre dimensionnement nous optons un module des
caractéristiques suivantes :
Ø Puissance crête du module : 405 W
Ø Tension Voc : 99 V
Ø Tension Vmp : 81 V
Ø Intensité Imp : 5 A
Ø Intensité Isc : 5,5 A
puissance crête du champ photovoltaïque
|
tension du système photovoltaïque [V]
|
nombre des modules du champ photovoltaïque
Nm
|
nombre des modules en série
Ns
|
nombre des modules en parallèle
Np
|
10771461
|
240
|
Nm =
|
Ns =
|
Np =
|
26598
|
3
|
8866
|
Tableau 5 Détermination
du nombre des modules
3. La puissance crête à
installer
nombre des modules du champ photovoltaïque
Nm
|
Puissance crête du module
|
puissance crête à installer
|
26598
|
405
|
Pc = Nm
|
10772190
|
Tableau 6 la puissance
crête à installer
III.4.3 Dimensionnement et choix
des batteries de stockage
1. Calcul de la capacité des
batteries
La capacité dépend de L'énergie
journalière consommée par le quartier
Econs, dunombre de jour d'autonomie profondeur de décharge et tension du système photovoltaïque .
Pour notre dimensionnement nous optons une batterie des
caractéristiques suivantes :
Ø Tension de la batterie : 2 V
Ø Profondeur de décharge : 0,8
Ø Capacité d'une batterie : 3000 Ah
Concernant le nombre des jours d'autonomie nous avons pris 4 jours
Nombre de jour d'autonomie
|
Energie journalière consommée par le quartier
Econs [Wh/j]
|
Profondeur de décharge
|
Tension du système photovoltaïque [V]
|
Capacité totale des batteries C [Ah]
|
4
|
32906813
|
0,8
|
240
|
C =
|
685558,604
? 687000
|
Tableau 7 Détermination
de la capacité totale des batteries
2. Détermination du nombre des
batteries
Capacité totale des batteries C
[Ah]
|
Capacité d'une batterie
Cbat[Ah]
|
tension du système photovoltaïque [V]
|
Tension de la batterie [V]
|
Nombre des batteries en
sérieNbs
|
Nombre des batteries en
parallèleNbp
|
687000
|
3000
|
240
|
2
|
Nbs =
|
Nbp =
|
120
|
229
|
Tableau 8 Détermination
du nombre des batteries
On a donc 27480 batteries,
120 batteries sont mises en série pour avoir une
tension compatible à la tension de notre système
photovoltaïque (240 V) et 229 batteries
en parallèle pour obtenir une capacité totale de 687000
Ah.
III.4.3Dimensionnement et choix
du régulateur
1. Détermination du courant maximal
Le courant maximal que peut débiter notre
système photovoltaïque dépend de la puissance crête du
champ photovoltaïque et la tension du système .
Puissance crête du champ photovoltaïque [Wc]
|
la tension du système
|
courant maximal [A]
|
10772190
|
240
|
Imax =
|
44884,125
|
Tableau 9 Détermination
du courant maximal
2. Choix du régulateur
Notre régulateur a des caractéristiques
suivantes :
Ø Courant max : 45 kA
Ø Tension d'entrée : 240 V
Ø Tension de sortie : 240 V
III.4.4 Dimensionnement et choix
de l'onduleur
1. Calcul de la puissance de l'onduleur
La puissance de l'onduleur dépend de la puissance totale
des équipements du quartier.
cos ?
|
Puissance par ménage P
|
Nombre des ménages par extension
Nmext
|
Puissance active du Quartier P
|
Puissance apparenteS
|
0,85
|
111O
|
1613
|
P = P Nmext
|
S =
|
2,7
|
3,2
|
Tableau 10 Détermination
de la puissance de l'onduleur
2. Choix de l'onduleur
Nous aurons quatre onduleurs qui seront branchés en
parallèle afin d'avoir la puissance dont on a besoin.
Nos onduleurs ont des caractéristiques suivantes :
Ø Tension d'entrée : 240 V
Ø Tension de sortie : 380 V
Ø La puissance : 800 k
Ø Fréquence : 50 Hz
III.5 Représentation
schématique de la centrale photovoltaïque
III.5.1 Schéma de
puissance
Figure 10 Représentation
schématique de la centrale photovoltaïque
III.6 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons fait la présentation du
site de notre projet, nous avons donné la marche à suivre pour le
dimensionnement de la centrale photovoltaïque et ensuite nous avons
dimensionné chaque élément de la chaine
photovoltaïque.
CONCLUSION GENERALE
L'objectif général de ce travail est de produire
de l'énergie électrique de manière autonome au quartier
joli site/Aéroport à partir de l'énergie solaire en
utilisant des systèmes photovoltaïques.
Le photovoltaïqueprésente actuellement
d'énormes avantages par l'effet que l'installation des modules est
simple et adaptée aux besoins énergétiques divers et les
coûts de fonctionnement sont très faible vu queles entretienssont
réduits.
Cette technologie présente les qualités sur le
plan écologique car le système photovoltaïque est non
polluant, silencieux et n'entraine aucune perturbation du milieu si ce n'est
que l'occupation de l'espace pour l'installation de grande dimension.
Décider de faire appel aux
énergiesrenouvelables, c'est aussi procéder à un
investissement. Une telle démarche demande dans tous les cas, une
estimation la plus précise et la plus rigoureuse possible de la
décision de la rentabilité économique et rappelons qu'un
bon dimensionnementphotovoltaïque est une nécessité pour
assurer une alimentation efficace du site, etc.
Ainsi pour ce qui concerne notre site pour lequel
l'alimentation devra être permanente, les résultats suivants ont
été trouvés après dimensionnement.
Pour un besoin énergétique de 32906,813
kWh/j, on a installé :
Ø Un champ photovoltaïque de puissance crête
égale à 10772190 Wc constitué de
26598 modules de 405 Wc chacun, dont
3 modules en série pour 8866 chaines
en parallèle.
Ø Un parc de 27480 batteriesde
3000 Ah sous 2 V chacune.
Ø Un régulateursérie de 45
kA.
Ø un ensemble constitué de 4 onduleurs
remplissant les caractéristiques suivantes : la tension
d'entrée 240 V, celle de sortie 380 V,
la fréquence50 Hz, et une puissance de
800 kVA chacun et ontété montés en
parallèle pour avoir une puissance de 3,2 MVA.
En présentant ce travail, nous osons croire avoir
donné un apport dans le monde scientifique et comme toute oeuvre
humaine, ce travail peut être entaché d'erreurs et peut
nécessiter une correction et mêmeêtre
complété.
REFERENCES
BIBLIOGRAPHIQUES
Ø Ouvrage :
[1]. Anne Labouret, Michel villoz. (s.d). Energie solaire
photovoltaïque. Paris : 2e Edition DUNOD.
[2]. Inconnue (Réalisateur). (s.d). Manuel de formation
pour l'Installation et la Maintenance de petits systèmes
photovoltaïques. Belmont, Etats-Unis.
[3]. Pierre, T. (Novembre 2003). Petit guide pour
étudier un projet d'installation photovoltaïque - dimensionner un
parc photovoltaïque. Haïti.
[4]. Inconnue (Réalisateur). (Janvier 2001).
Dimensionnement d'une installation solaire autonome en site isolé.
Burkina-Faso.
[5]. Pierre?-Franck, C. (s.d). Installations
photovoltaïques au sol. Paris, France.
[6]. Henri, E. (Novembre 2011). Les énergies
renouvelables en République Démocratique du Congo. Kinshasa,
République Démocratique du Congo.
Ø Revue et catalogue :
[7]. Chikh, B. (s.d). «Méthode de dimensionnement
optimal d'une installation photovoltaïque».
[8]. Vctron energy. (s.d). «fiche technique des
batteries».
[9]. SUN LAND 21. (s.d). «fiche technique des panneaux
photovoltaïques monocristallin».
Ø Cours :
[10]. KASONGO, D. (2017-2018). COURS(schémas
électriques deuxième graduat ISTA). Kolwezi. Inédit.
Ø Tfc et Mémoire :
[11]. Yotto, H. (Octobre 2011). Mémoire(Etude et
conception d'une mini centrale PV). Bénin.
[12]. Amara, K. (2015). Mémoire(contribution à
l'étude de conception d'une centrale PV) université de Tizi
ouzou.
[13]. Boukhlifa, H. (Juin 2017).
Mémoire(Dimensionnement technique d'une installation photovoltaïque
De 300kw).
[14]. Quentin, A.M. (juillet 2019). Tfc(Modification d'une
station de pompage à motricité humaine par un système dote
d'une alimentation photovoltaïque).
[15]. Christian, M. (2010). Tfc(Etude et dimensionnement d'un
système photovoltaïque autonome pour une alimentation permanente).
Université de Lubumbashi.
Ø Site internet :
[16]. Solaris-store. Récupéré sur Solaris
store: http://www.solarisstore.com
ANNEXES
Figure 11 fiche technique du
panneau photovoltaïque
Figure 12 fiche technique de la
batterie
Figure 13 onduleur
Figure 14 cellule
monocristalline
|