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Développement et gestion d'un système d'énergies renouvelables multisources avec stockage pour les télécommunications et l'habitat( Télécharger le fichier original )par Bertrand Olivier ETOUNGOU Institut international de l'eau et de l'environnement de Ouagadougou - Master du génie électrique énergétique et énergies renouvelables 2012 |
VIII.ANNEXES
Annexe I : METHODOLOGIE DE CALCUL DES CHARGES Notre approche méthodologique consiste : - Elaborer un schéma unifilaire synoptique de l'installation qui schématise la distribution (tableaux et circuits et récepteurs) ; - Noter sur le schéma les puissances apparentes absorbées des récepteurs ; - Calculer la puissance d'utilisation des récepteurs en appliquant le coefficient Ku adéquat ; - Sommer toutes les puissances des circuits d'un même
tableau - Appliquer le coefficient Ks à la somme obtenue pour déterminer la puissance du tableau ; - Sommer les puissances des tableaux en aval qui dérivent d'un même tableau amont ; - Pour obtenir la puissance du tableau, multiplier la somme obtenue par le Ks selon le nombre de départs ; - Continuer de la même façon jusqu'à l'amont de l'installation (le tableau générale basse tension) ; La puissance finale obtenue sera multipliée par le coefficient d'extension pour obtenir la puissance du transformateur. Calcul des charges : -Equipements de bureau La puissance de certaines charges comme les ordinateurs, les imprimantes et les photocopieuses est donnée par un certain nombre de constructeurs. -Eclairage Eclairage intérieur Selon le niveau d'éclairement normal précisé dans le cahier des charges, la puissance totale à installer est calculée par la formule [11] :
E : éclairement en lux S : surface du local en mètres carrés
Tableau I.1 : coefficient (Ce tableau a été établi pour un éclairage à incandescence. Pour un éclairage fluorescent, les puissances P sont à diviser par deux). Nous avons pris un éclairage direct et une couleur de parois moyenne. Le tableau étant établi pour un éclairage à incandescence, la puissance obtenue par ce calcul est divisée par deux car ce sont les lampes à fluorescence qui sont conseillées pour des installations photovoltaïques. -Eclairage extérieur La puissance nécessaire pour l'éclairage extérieur est estimée par 700W/100m de clôture. Ce qui donne :
Avec : Ped : puissance d'éclairage extérieur en kW L : pourtour du bâtiment en mètre (m) -Climatisation Pour évaluer la puissance nécessaire pour la climatisation, nous avons pris 1 kW /50m3 comme en installation électrique si le matériel de climatisation n'est pas connu.
Avec : Pclim : puissance nécessaire pour la climatisation d'un local donné en kW V : volume du local en mètre cube (m3) Les différentes charges ne sont pas utilisées à leurs pleines puissances, ni simultanément, ni en permanence. Par conséquent additionner simplement les kW absorbables de chaque charge pour en déduire la puissance consommée par l'installation, serait trop pessimiste, et conduirait à une puissance installée trop grande. Ainsi, pour estimer la puissance d'alimentation, chaque puissance absorbable doit étre multipliée par les facteurs suivants : Le facteur d'utilisation ku qui est le rapport entre la puissance réelle utilisée et la puissance nominale.
Le tableau ci-dessous donne les facteurs d'utilisation de quelques applications.
Tableau I.2 : Facteur d'utilisation pour utilisation industrielle et domestique Le facteur de simultanéité ks qui est le rapport entre la puissance des appareils susceptibles de marcher simultanément et la puissance des appareils installés. Ce facteur est déterminé pour chaque niveau de l'installation car dépend du nombre de circuits par coffret ou par armoire. Par souci d'une maintenance facile nous avons choisi une installation modulaire en séparant les circuits de puissance, d'éclairage et de prise de courant soient 3 niveaux de modularité. Nous avons utilisé les tableaux ci-après, tirés de la norme NFC 15-100 relative aux installations électriques BT, pour l'estimation des différents facteurs :
Tableau 3 : Facteur de simultanéité de quelques types d'application
Tableau 4 : Facteur de simultanéité de tableau général et secondaire Annexe II : METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS DE STOCKAGE La batterie sert à stocker l'énergie produite par le champ de modules PV et l'aérogénérateur, elle est nécessaire pour faire face aux heures de non production. Nous tiendrons compte des paramètres de conception qui se greffent obligatoirement dans le dimensionnement et qui sont liés au calcul technico-économique. Il s'agit de l'autonomie, le courant de surcharge, la stabilisation de la tension. Paramètres de conception Autonomie : le nombre de jours d'autonomie doit permettre au système de stockage de palier au système de production ; il dépend en grande partie de la radiation solaire et du potentiel éolien, de la présence du groupe électrogène de secours sur le site. Pour le Sud, T = 5 jours, par contre, pour le Nord T = 4 jours. Cette autonomie va à plus de 8 jours pour les systèmes professionnels tels que les systèmes de télécommunication. Nous travaillerons avec une autonomie de 5 jours. Courant de surcharge. Une batterie permet de fournir un courant de surcharge pendant quelques instants, c'est-à-dire un courant plus élevé que celui que peut fournir le champ PV. Ceci est nécessaire pour faire démarrer les moteurs et les autres appareils requérant un courant de démarrage de 3 à 5 fois supérieur au courant d'utilisation. Stabilisation de la tension. Une batterie permet de fournir une tension constante, en éliminant les écarts de tension du champ PV et en permettant aux appareils un fonctionnement à une tension optimisée. Les systèmes de stockage couramment utilisés dans les SEH sont des batteries d'accumulateur au plomb ou au cadmium nickel avec des taux de décharge respectif de l'ordre de 70% et 80%. Estimation de la capacité requise La capacité de stockage requise est donnée par la relation ci-dessous :
Il existe déjà sur le marché des batteries et des modules standards. C'est donc l'association de plusieurs de ces éléments qui permettra d'obtenir les puissances souhaitées. Exemple : La batterie choisie est la batterie solaire OPZS de capacité 4600 Ah / 24 V. La capacité du parc de batterie s'obtient ainsi : · Pour le système de télécommunication
Le nombre de batteries à mettre en série est :
Le nombre de branches de batteries vaut : Le nombre total de batteries vaut alors Annexe III : METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT DES GENERATEURS Dimensionnement du générateur photovoltaïque Pour effectuer le dimensionnement, on peut simplement entrer une série de données et le logiciel donne la solution optimale parmi les données soumises. Ce n'est cependant pas nécessairement la solution optimale absolue, mais plutôt la solution optimale parmi les choix soumis. Avec une méthode itérative, celle du logiciel Homer, on pourrait arriver à la solution optimale pour un lieu donné, mais le processus peut s'avérer long si on n'a pas d'ordre de grandeur de la taille du système. De plus, on n'a aucune base de comparaison pour évaluer la justesse des résultats si on ne fait aucun calcul préalable. Je préconise donc un dimensionnement à la main, principalement basé sur la méthode décrite dans [10], de tout le système photovoltaïque ; c'est-à-dire le dimensionnement des panneaux solaires et de tout l'équipement associé (batteries, convertisseur, onduleur, etc.). J'ai donc établi une méthodologie afin d'arriver à des résultats concluants en utilisant des calculs manuels et comparant ces résultats à ceux des travaux similaires utilisant le logiciel HOMER. Démarche globale pour le photovoltaïque La démarche globale est logique et élémentaire : 1. Évaluer de la demande énergétique (consommation d'énergie); 2. Dimensionner à la main des panneaux et des équipements; - Puissance crête A partir de l'irradiation solaire moyenne journalière sur le plan des modules, des différentes pertes, et de la consommation journalière de l'installation, on détermine la puissance crête du générateur photovoltaïque par la relation suivante :
Avec : Eirra : Energie incidente sur le plan des modules (kWh/m2/j) Econs : Energie électrique produite dans la journée (Wh/j) Pc : Puissance crête du générateur photovoltaïque (Wc) Kp: Facteur de correction englobant divers rendements, les pertes, ainsi qu'un coefficient de sécurité. Dans la pratique, les études réalisées [1,2 ,3] tiennent compte de deux paramètres de conception qui interviennent dans le calcul. Il s'agit des paramètres sur l'orientation et inclinaison des modules, le chiffrage des pertes. Orientation et inclinaison des modules : la position des modules photovoltaïques par rapport au soleil influe directement sur leur production énergétique. Il est très important de bien les placer pour les utiliser au maximum de leur possibilité. Les panneaux doivent donc pouvoir récupérer l'énergie d'un soleil dont la hauteur est faible. Il en résulte qu'au Cameroun pour une utilisation annuelle, l'inclinaison idéale est environ égale à la latitude du lieu + 10° (pour une orientation nord)21(*). Cela donne à Campo plus exactement dans le site qu'on étudie, une implantation dite « 18° Nord » : orientation Nord et inclinaison à 18° par rapport à l'horizontale. Les pertes ont plusieurs origines et
affectent certains paramètres du système. Les villageois doivent
donc effectuer un entretien régulier des panneaux pour diminuer ces
pertes. On ne prendra que 5% de pertes de ce coté, et pour le rendement
de la batterie on prendra une perte de 0.8. Ce qui nous donne pour le calcul
final du courant de charge du champ photovoltaïque, un coefficient de
pertes en courant : - Nombre de panneaux en série et en parallèle Le nombre de module à associer en série est
donné par la relation ci-contre : Le nombre de module à associer en parallèle est donné par la relation ci-dessous :
- Evaluation de la puissance photovoltaïque installée La puissance photovoltaïque installée pour chaque
local est donnée par la relation: 3. Déterminer les équipements nécessaires pour le système (panneaux solaires, convertisseur, batteries...). Dimensionnement des groupes électrogènes Le groupe électrogène doit être choisi convenablement: puissance, vitesse de rotation, télécommande, sécurités moteurs, etc. et surtout une excellente régulation en tension. Ø Paramètres de dimensionnement - Trois groupes au minimum22(*) sont nécessaires, en principe de puissance différente pour permettre la meilleure adaptation aux charges et éviter un fonctionnement en dessous de 30 à 50 % de la puissance nominale. Si le réseau permet d'éviter la marche en parallèle cela est préférable. Sinon, la nécessité de coupler oblige à choisir des groupes dont les puissances ne sont pas dans un rapport supérieur à 2. - Il s'agit ici d'un cas de production d'énergie en zone isolée. La production est continue 24h/24 pendant certaines périodes (Saison sèche). - L'option d'alimentation des charges prioritaires et sensibles ne sera pas appliquée. Ø Choix du groupe Le choix du groupe se fera dans une gamme normalisée, en calculant la puissance totale en régime établi et en régime transitoire si nécessaire. Dimensionnement du système éolien Il faut d'abord connaitre au préalable la vitesse du vent du site à étudier. Cette valeur est fournie par des institutions spécialisées. Pour le dimensionnement des éoliennes, on peut calculer la puissance maximale pouvant être retirée du vent et la puissance pouvant être retirée d'une éolienne donnée. Pour calculer la puissance maximale pouvant être retirée du vent à une certaine hauteur, deux équations peuvent être utilisées : Puissance maximale pouvant être retiré du potentiel éolien
V : vitesse en m/s. (Dubois, 2009)(Mathew, 2006) Vitesse du vent en fonction de la hauteur
P : puissance à la hauteur désirée (finale) en m/s. Po : puissance à la hauteur initiale en m/s. H : hauteur désirée (finale) en m Ho : hauteur initiale en m
Si l'on veut connaître la puissance pouvant être retirée d'une éolienne, on doit utiliser sa courbe de puissance afin de déterminer quelle puissance peut être fournie pour une vitesse de vent donnée. Ces courbes sont dans les spécifications des éoliennes soit données sous forme graphique ou de tableaux. Dans certains logiciels comme HOMER et RETScreen, il y a des bases de données de produits offrant le détail des courbes de puissance des éoliennes. En général, il faudrait choisir une éolienne qui fonctionne à une bonne capacité par rapport à sa capacité maximale. Les données souvent disponibles sont les moyennes de vent mensuelles. Puissance moyenne évaluée à partir de la consommation énergétique Puissance moyenne évaluée à partir de la consommation énergétique
Puissance avec pertes
Pfinale : puissance finale en tenant compte des pertes en W P : puissance avant pertes en W Cond : efficacité de l'onduleur en décimale Cp : coefficient associé aux pertes de courant de sources variées. Annexe IV : METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT DU REGULATEUR ET DE L'ONDULEUR Dimensionnement du régulateur La totalité du courant généré par les modules photovoltaïques doit passer par un régulateur de charge et de décharge. Celui-ci est dimensionné de manière à pouvoir contrôler les batteries contre la surcharge. Le choix de la technologie du régulateur, shunt, série ou MPPT, est d'abord guidé par la puissance du système photovoltaïque et par le type de batterie à charger. Le régulateur shunt qui dissipe la puissance des panneaux en cas de surcharge de la batterie est mieux adapté aux petits systèmes, et le régulateur série aux plus gros systèmes. Avant de dimensionner un régulateur, on devra décider quel type doit être installé et les options nécessaires. Sur le tableau ci-après, on a les différents types de régulateurs avec leurs avantages et inconvénients.
Tableau IV-1 : Avantages et inconvénients des différentes technologies de régulateur [12]. Une fois la technologie identifiée, le régulateur sera dimensionné d'après les paramètres suivants (indispensables) : tension, courant d'entrée et courant de sortie. v Tension nominale (12,24 ou 48 V DC) : elle doit être celle du champ photovoltaïque. v Courant d'entrée : c'est le courant de charge maximal que les modules sont susceptibles de débiter à un instant donné. Il doit être supporté sans problèmes par le régulateur. Pour estimer ce courant, le plus sûr est de prendre 1,5 fois le courant le de court- circuit total des modules pour un régulateur série. v Courant de sortie : c'est le courant total maximal que peuvent tirer les récepteurs simultanément. Il dépend du mode d'utilisation des récepteurs, les bons régulateurs acceptent des courants transitoires élevés. Dimensionnement de l'onduleur Avant de choisir notre onduleur, il faut que l'on s'assure que : - la solution en courant continu souvent plus économe en énergie n'existe pas. - la consommation éventuelle en mode d'attente ne pénalise pas trop l'installation solaire ; - l'onduleur peut démarrer le récepteur (seul un essai est vraiment relevant) ; - son rendement est suffisant au point de fonctionnement de la charge ; - la charge tolère la distorsion de l'onduleur (forme d'onde) ; - les variations de la tension de sortie sont acceptées par la charge ; - l'onduleur est protégé contre les surcharges cotées DC et AC et contre la surchauffe ; - l'onduleur coupe les utilisations en cas de basse tension DC (protection de la batterie). L'évaluation de la puissance d'un onduleur nécessite la prise en compte des caractéristiques suivantes : Ø Le type d'onde Les ondes carrées, carrées modifiées et sinusoïdales sont les trois types d'onde produite par un onduleur. Le second type d'onde est la meilleure qualité Ø Le rendement Il doit se situer entre 85% et 90% pour un fonctionnement à demi-charge et à plus de 90% à charge nominale. Nous choisirons un pourcentage de 90% pour notre onduleur. Ø La consommation à vide Elle devrait être la plus faible possible (maximum 1 W par 1000W de puissance nominale) en fonctionnement à vide. Ø La surcharge L'onduleur devra avoir une grande capacité de surcharge
afin d'assurer la mise en service d'appareil dont la puissance de
démarrage serait largement supérieure à sa puissance
nominale. La compensation des pertes d'énergie au niveau de l'onduleur
de rendement Ø Son courant d'entrée Ieo doit être égal au courant de sortie du convertisseur précédent. Son courant de sortie Iso par contre doit être celui des
récepteurs côté alternatif : Annexe V : CALCUL DU POIDS DU MASSIF Nous optons pour des massifs rigides23(*) pour chaque groupe électrogène. Ils sont moins coûteux à réaliser et plus avantageux compte tenu du fait que les groupes reposent sur des silent blocs montés sur le châssis réservoir. Ils amortissent les vibrations des groupes électrogènes. L'épaisseur du massif est déterminée à partir de son poids et de sa surface et se calcule par les relations : - PM=1,5*poids du Groupe Electrogène ;
On ajoute 250 mm de chaque coté pour pouvoir fixer le
groupe, or Avec : Annexe VI : METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT DES CONDUCTEURS POUR EOLIENNE Densité de courant : Intensité que l'on peut faire passer dans un conducteur par millimètre carré. Avec : D : Densité de courant en A / mm² I : Intensité en A S : Section en mm² Pour du cuivre isolé, on tolère les densités suivantes : 0 - 5 mm² => 5 A/mm² 2 Résistance d'une ligne : R = rho x L / S Chute de tension : Annexe VII : Architecture du système de câblage Charges non prioritaires
Charges prioritaires Annexe VIII : MODELE DE LISTE DE CONTROLE D'EXPLOITATION ET D'ENTRETIEN POUR LE SYSTEME
Annexe IX : CARACTERISTIQUES DE LA BATTERIE OPZS Solaire 4600 Ah
Annexe X : SPECIFICATIONS TECHNIQUES DES PANNEAUX SOLAIRES Games de panneaux solaires /Siemens
Type de panneaux utilisés Annexe XI : SPECIFICATIONS TECHNIQUES DU GROUPE ELECTROGENE
Annexe XII : SPECIFICATIONS TECHNIQUES DES REGULATEURS
* 21 Source MINMEE-Cameroun ; * 22 Cour d'électrification rurale décentralisée M2 GEER 2012 Jean Jacques GRAFF page 44. * 23 Guide d'installation des groupes électrogènes UNIDIESEL |
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;
: Puissance cherchée exprimée en watts
: coefficient de puissance donnée par le tableau
ci-dessous :
en watts par mètre carrée et en lux
- : Consommation énergétique journalière en
Wh
- : Nombre de jour d'autonomie des batteries
- : Tension nominal des accumulateurs
- : Profondeur de décharge des accumulateurs
- : Rendement des accumulateurs
soit 
soit donc 
d'où 
soit donc 
d'où 
soit donc 
: puissance maximale pouvant être retirée du vent en
W.
: Coefficient 
sans unité.
: Densité de l'air en kg/m3
: Aire en m2
: Coefficient de rugosité du sol entre 0,1 et 0,4
: Puissance moyenne en W
: Consommation (demande) énergétique en Wh/jr
se fera avec une puissance de 
- .
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