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 107°K 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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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)
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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Methodologie
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