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REPUBLIQUE DU BURUNDI
MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ET DE LA
RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
ECOLE NORMALE SUPERIEURE
DEPARTEMENT DES SCIENCES
APPLIQUEES
Mémoire
Pour l'obtention du Diplôme de Master en Génie
Electrique
Option : Energie
Thème :
CALCUL ET DIMENSIONNEMENT D'UN SYSTEME SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE POUR L'ALIMENTATION EN ELECTRICITE DES HABITANTS DE LA COMMUNE
NTEGA : Cas de la Colline MAKOMBE
Présenté par :
SIBOMANA Adrien
Sous la Direction de :
Dr col. NIYONGABO Prime: Directeur
Msc Ir. NINGARUKIYE Dieudonné:
Codirecteur
Bujumbura, avril 2023
i
RESUME
L'accès à l'énergie électrique est
le lien de tout développement économique. Cependant, les pays
d'Afrique Subsaharienne présentent un faible taux d'accès
à l'électricité ; la situation est encore plus
exacerbée dans les zones rurales de ces pays. Compte tenu du potentiel
énergétique solaire dont dispose le continent, les
Systèmes d'Energie solaires photovoltaïque/autonome pourraient
constituer une solution technologique adaptée pour
l'électrification rurale. Ce travail porte sur le calcul et le
dimensionnement du système photovoltaïque pour alimentation en
électricité des habitants de la colline Makombe. Nous avons donc
effectué des calculs de mise à l'échelle pour ses
différents appareils composants et d'autre part une simulation avec le
logiciel Pvsyst a été réalisée pour
déterminer le nombre de composants différents.
Après avoir inventoriés tous les
équipements consommateurs d'énergies électriques pourront
être utilisés dans la colline Makombe, les résultats
obtenus des modules PV produisent une quantité d'énergie
suffisante pour satisfaire les besoins énergétiques sur toute la
colline pilote.
En effet, nous avons trouvé 1740 modules
délivrant une puissance de 574 Kwh par jour sous une tension de 96 V sur
une surface de 3376m2 et produisent une énergie
électrique de 2MWh/j. Le site choisi à l'implantion est la sous
colline Kubutare. Malgré tout, le soleil est intermittent : l'ombrage
peut être créé par les nuages dans un temps
imprévu.
Mots clés : Énergie solaire, dimensionnement,
Système solaire, simulation, PV Syst
ii
ABSTRACT
Access to electrical energy is the link of all economic
development. However, the countries of Sub-Saharan Africa have a low rate of
access to electricity; the situation is even more exacerbated in the rural
areas of these countries. Given the energy potential available to the
continent, photovoltaic/autonomous solar energy systems could constitute an
appropriate technological solution for rural electrification. This work
concerns the calculation and sizing of the photovoltaic system for the
electricity supply of the inhabitants of the Makombe hill. We therefore carried
out scaling calculations for its different component devices and on the other
hand a simulation with the Pvsyst software was carried out to determine the
number of different components.
After having inventoried all the electrical energy consuming
equipment that can be used in the Makombe hill, the results obtained from the
PV modules produce a sufficient quantity of energy to meet the energy needs on
the entire pilot hill.
Indeed, we found 1740 modules delivering a power of 574 Kwh
per day under a tension of 96 V on a surface of 3376m2 and produce an
electrical energy of 2MWh/d. The site chosen for the implantation is the
Kubutare sub-hill. Despite everything, the sun is intermittent: shading can be
created by clouds in unforeseen weather.
Keywords: Solar energy, dimensioning, Solar system, simulation,
PV Syst
iii
DEDICACE
Au nom de Dieu le Tout Puissant et de Son Fils Unique
Jésus-Christ;
A mes chers parents et toute famille du Pr. NDUWAYO Jean
Marie;
A toute famille de Monsieur HITIMANA Marin ;
A ma chérie DUKUNDANE Chanelle;
A mes chers frères et soeurs;
A toute famille de mon parrain de baptême Monsieur
MFASHEVYOSE Révérien ;
A tous mes amis sincères spécialement : NDUWAYO
Pierre, NDIZEYIMANA Ezéchiel, MUSHIMANTWARI Jean Paul (Pitié Pro)
et NDAYISHIMIYE Serges ;
Chers amis et Connaissances;
Je dédie ce mémoire.
SIBOMANA Adrien
iv
REMERCIEMENTS
A titre de ce travail, je remercie tout d'abord Dieu le tout
puissant, d'avoir me donner le courage, la volonté et la patience
dès le début de ce cursus jusqu'à présent.
Je tiens également à remercier mes encadreurs de
mémoire, Directeur Dr Col. NIYONGABO Prime et Codirecteur Msc Ir.
NINGARUKIYE Dieudonné qui, malgré leur temps limité, se
sont donné corps et âme pour leur soutien, leurs collaborations,
leurs conseils et leur disponibilité de près ou de loin à
la réussite de ce travail.
À cette occasion, je voudrais aussi adresser mes
remerciements à mes parents qui ont osé de me mettre sur le banc
de l'école.
Je remercie ensuite avec une profonde gratitude tous les
enseignants qui m'ont enseigné depuis l'Ecole Primaire jusqu'à
l'Université.
Mes vifs remerciements s'adressent enfin aux étudiants
généralement de l'Ecole Normale Supérieure,
considérablement à ceux de DSA et plus spécifiquement
à ceux de la filière de Génie Electrique pour leur
collaboration dans la vie estudiantine.
v
LISTES DES TABLEAUX
Tableau 1: Effectif de la population de la
colline Makombe cellule par cellule 26
Tableau 2: Etude technique par ménage
28
Tableau 3: Consommation
énergétique journalière, cas de la cellule Rusoko 31
Tableau 4: Consommation
énergétique journalière, cas de la cellule Karehe I 31
Tableau 5: Consommation
énergétique journalière, cas d'alimentation domestique
32
Tableau 6: Consommation
énergétique journalière, cas de l'ECOFO Makombe 32
Tableau 7: Consommation
énergétique journalière, cas de la cellule Rugobagoba
33
Tableau 8: Consommation
énergétique journalière, cas d'alimentation domestique
33
Tableau 9: Consommation
énergétique journalière, cas du CDS Kinyovu 34
Tableau 10: Consommation
énergétique journalière, cas de la cellule Gisagara 35
Tableau 11: Consommation
énergétique journalière, cas de la cellule Karehe II 35
Tableau 12: Consommation globale
journalière de la colline Makombe 36
Tableau 13: Energie solaire
journalière la plus faible de l'année 37
Tableau 14: Grandeurs électriques
caractéristiques des panneaux de type monocristallin [38] 38
Tableau 15: Tension du champ en fonction de
sa puissance crête 39
Tableau 16: Caractéristiques du
régulateur de charge MPPT 42
Tableau 17: Caractéristiques
techniques de l'onduleur SUN2000-100KTL-M1 43
Tableau 18: Caractéristiques
techniques du disjoncteur de base de la série Compact NS de
Schneider Electric à 4 pôles
46
Tableau 19: Bilans et résultants
principaux du site de production (Kubutare) 54
Tableau 20: Coût estimatif des
équipements électriques 58
vi
LISTES DES FIGURES
Figure 1: Coordonnées
géographiques 3
Figure 2: Coordonnées horizontales
4
Figure 3: Plan incliné
caractérisé par son inclinaison (â) et de son orientation
ou azimut (??) 6
Figure 4: Inclinaison des rayons du soleil
7
Figure 5: Nombre-dAir-Mass-AM 8
Figure 6: Radiomètre 9
Figure 7: Pyromètre 9
Figure 8: Pyrhéliomètre 10
Figure 9: Constituants d'un système
photovoltaïque raccordé réseau 11
Figure 10: Constituants d'un système
photovoltaïque hybride 12
Figure 11: Constituants d'un système
photovoltaïque autonome avec stockage 13
Figure 12: Constituants d'un système
photovoltaïque autonome sans stockage 13
Figure 13: Cellule au silicium monocristallin
14
Figure 14: Cellule au silicium polycristallin
14
Figure 15: Cellule au silicium amorphe en
couche mince 15
Figure 16: Cellule sans silicium en couche
mince CIS / CIGS 15
Figure 17: Schéma équivalent
électrique de la cellule PV 17
Figure 18: Association des modules en
série 19
Figure 19: Association parallèle de
modules PV 20
Figure 20: Groupement mixte des panneaux PV
20
Figure 21: Orientation: point cardinal face
au module PV 21
Figure 22: Carte géographique de la
cellule Rusoko 23
Figure 23: Diagramme de la puissance et de
l'énergie nécessaires par jour par cellule 36
Figure 24: Onduleur solaire hybride
triphasé de type SUN2000-100KTL-M1 43
Figure 25: Disjoncteur Schneider Electric
Compact 4 pôles, 2kA, montage fixe 47
Figure 26: Désignation du projet dans
PVSYST 48
Figure 27: Estimation de consommation 49
Figure 28: Conditions de dimensionnement
champ/ onduleur dans PVSYST 50
Figure 29: Positionnement de systèmes
de panneaux 51
Figure 30: Résumé du projet
fourni par pvsyst 52
Figure 31: Paramètres de simulation
d'un système PV 53
Figure 32: Énergie utile produite par
le Système PV 54
Figure 33: Diagramme des pertesS 56
Figure 34: Diagramme journalier
d'Entrée/Sortie du système PV 57
vii
TABLE DES MATIERES
RESUME . i
ABSTRACT ii
DEDICACE . iii
REMERCIEMENTS iv
LISTES DES TABLEAUX v
LISTES DES FIGURES vi
TABLE DES MATIERES vii
SIGLES, ABREVIATIONS ET SYMBOLES x
INTRODUCTION GENERALE 1
Objectif principal 1
Méthodologie utilisée 1
Résultats attendus 2
CHAPITRE I. GENERALITES SUR L'ENEGIE SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE 3
I.0. Introduction 3
I.1. Energie solaire 3
I.1.1. Soleil 3
I.1.1.1. Position du soleil par rapport à la Terre
3
I.1.1.1.1. Coordonnées géographiques 3
I.1.1.1.2. Coordonnées horizontales 4
I.1.1.2. Production de lumière par le soleil 5
I.1.1.3. Chaleur du Soleil 5
I.1.1.4. Rayonnement solaire 5
I.1.1.5. Angle d'incidence des rayons solaires 7
I.1.1.6. Masse d'air 8
I.1.1.7. Spectre solaire 8
I.1.1.8. Mesure d'ensoleillement 9
I.1.2. Avantages de l'énergie solaire 10
I.1.3. Inconvénients de l'énergie solaire 10
I.2. Système PV 11
I.2.1. Système PV connecté au réseau de
distribution électrique 11
I.2.2. Système photovoltaïque autonome 12
I.2.2.1. Système autonome avec batterie 13
I.2.2.2. Système autonome sans batterie 13
I.2.3. Technologie des générateurs PV 14
viii
I.2.3.1. Types de cellules PV 14
I.2.3.2. Principe de fonctionnement des différentes
cellules PV 16
I.2.3.3. Effet photovoltaïque 16
I.2.3.4. Modèle à une diode d'un module PV 17
I.2.3.5. Système de caractérisation des panneaux
18
I.2.3.6. Association des modules photovoltaïques 19
I.2.3.7. Orientation des modules PV 21
I.2.4. Contrôleur de charge MPPT 21
I.2.5. Batteries d'accumulateurs 21
I.2.6. Convertisseur DC-AC 22
Conclusion 22
CHAPITRE II. DESCRIPTION DU SITE DE TRAVAIL
23
II.0. Introduction 23
II.1.Choix et localisation du site de production 23
II.2. Descriptif de l'état initial de la cellule KUBUTARE
23
II.2.1. Relief 24
II.2.2. Géologie et géomorphologie 24
II.2.3. Climat et moyennes météorologiques 24
II.2.4. Ressources en eaux 25
II.2.4.1. Eaux de surface 25
II.2.4.2. Eaux souterraines 25
II.3. Descriptif de l'état biologique de la cellule
Kubutare 25
II. 3.1. Flore 25
II.3.3. Faune 25
II.3.4. Aires protégées 26
II.4. Services écologiques 26
II.5. Structure démographique de la colline Makombe 26
II.6. Activités socio-économiques 27
II.7. Infrastructures éducatives et sanitaires 27
II.8. Electrification 27
II.9. Etude technique des ménages des 7 cellules 27
Conclusion . 29
CHAPITRE III. CALCUL ET
DIMENSIONNEMENT D'UNE INSTALLATION PV DE
LA COLLINE MAKOMBE 30
III.0. Introduction 30
ix
III.1. Méthodologie à suivre 30
III.1.1. Evaluation en énergie 30
III.1.2. Dimensionnement et choix des modules solaire PV 37
III.1.2.1. Calcul de la puissance crête du site 37
III.1.3. Dimensionnement du système de stockage 40
III.1.4. Choix du régulateur 41
III.1.5. Choix de l'onduleur 42
III.1.6. Choix des câbles 44
III.1.7. Surface du champ photovoltaïque 45
III.1.8. Choix de l'angle d'inclinaison et orientation des
modules solaires 46
III.1.9. Raccordement convertisseur disjoncteur 46
Conclusion 47
CHAPITRE IV. SIMULATION ET PRESENTATION DES RESULTATS
48
IV.0. Introduction 48
IV.1. Logiciel PVsyst 48
IV.2. Fonctionnalités générales,
système isolé avec batteries 48
IV.2.1. Projet d'un système isolé PV avec
batteries à Makombe 48
IV.2.2. Dimensionnement de système PV isolé
49
IV.3. Coût estimatif 57
Conclusion 58
CONCLUSION GENERALE ET SUGGESTIONS 59
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 60
Wc : Watt crête
x
SIGLES, ABREVIATIONS ET SYMBOLES
€ : Euro
% : Pourcentage
A : Ampère
AC : Alternative Current
Ac : Avec corridors
|
AN
|
: Application Numérique
|
CDS : Centré De Santé
Ch : Chambre
CHUCK : Centre Hôspito-universitaire de
KAMENGE
Col. : Colonel
CPN : Consultation Prénatale
DC : Direct Current
DNI : Irradiance Direct Normal
Dr : Docteur
DSA : Département des Sciences
Appliquées
ECOFO : Ecole fondamentale
ENS : Ecole Normale Supérieure
FBu : Franc Burundais
GES : Gaz à Effet de Serre
Ir. : Ingénieur
: Kilowatt
m : mètre
m2 : mètre carré
MPPT : Maximum Power Point Tracking
MSc : Master de Sciences
°C : Degrés Celsius
PF : Planification Familiale
Pr. : Professeur
PV : Photovoltaïque
REGIDESO : Régie de Production et de
Distribution d'eau et d'électricité
Kw
Sc : Sans corridors
V : Volt
W : Watt
1
INTRODUCTION GENERALE
Les énergies renouvelables désignent un ensemble
de moyens de produire de l'énergie électrique à partir de
sources ou des ressources théoriquement illimitées [1]. La grande
partie de l'énergie consommée par l'homme provient des
combustibles fossiles dont l'utilisation massive conduit à
l'épuisement de ses réserves et suppose une menace réelle
à l'environnement. La prise de conscience des dangers de pollution, et
le rapprochement de l'échéance d'épuisement de ces
ressources ont largement stimulées la recherche d'autres types
d'énergies de caractère renouvelable (énergie solaire,
énergie éolienne...) plus propres qui préserveraient le
patrimoine naturel de la planète pour les générations
futures [2]. Bien que l'évolution de l'énergie solaire se
poursuive depuis des décennies, l'accent a été mis au fil
des ans sur la nécessité de rendre la technologie de
l'énergie solaire plus rentable et applicable au monde d'aujourd'hui. Ce
phénomène fut découvert au 19ème
siècle par le physicien Alexandre Edmond Becquerel en 1839 [3].
Au Burundi, plus particulièrement dans les grands
centres urbains comme Bujumbura, Ngozi et Gitega, les coupures
d'électricité planifiées et non planifiées restent
monnaie courante. La grande majorité des ménages ruraux et
souvent urbains utilisent principalement du bois de chauffage et des foyers
traditionnels à trois pierres. Ils disposent d'un accès
limité à des sources d'énergie alternatives ou à
des foyers améliorés, alors que ces derniers pourraient
être plus efficaces énergétiquement et réduiraient
les impacts environnementaux et sanitaires de la cuisson au bois [4] [5].
Simultanément, les collines rurales de la commune Ntega
sont aussi affectées de cette situation. En effet, la conduite du
réseau électrique fournie par la REGIDESO est d'autant moins
rentable sur les milieux ruraux car les utilisateurs sont dispersés dans
les campagnes. Pour cela, il faut concevoir et réaliser un
système solaire photovoltaïque pour alimenter les charges
domestiques. C'est dans cette optique que la commune NTEGA de la province
Kirundo a été choisie comme commune pilotée pour
satisfaire les besoins énergétiques. La colline Makombe est
identifiée comme l'objet d'étude intitulée «
calcul et dimensionnement d'un système photovoltaïque pour
l'alimentation en électricité ».
? Objectif principal
Alimentation en énergie solaire de la colline Makombe sous
une puissance de 574 Kwc.
? Méthodologie utilisée
Pour atteindre l'objectif principal de ce travail, dans un
premier temps, nous avons effectué une descente à la colline
Makombe pour recueillir les données nécessaires qui nous ont
aidés à identifier les charges électriques que la
population est capable à acheter et à développer leurs
2
besoins énergétiques ; ensuite, nous avons fait
des documentations sur les différents articles et/ou livres
trouvés sur l'internet et à la bibliothèque, les pages
webs et enfin, nous avons dimensionné notre système par calcul et
par le logiciel PV Syst.
? Résultats attendus
Dans notre travail, nous attendons : production
d'énergie électrique en quantité suffisante pour
satisfaire la population de toute la colline ; créer un avantage
compétitif énergétique sur le long terme ; contribuer
à la réduction des émissions de gaz à effet de
serre et initier un programme solaire portant la création des emplois
d'avenir (salons de coiffures, etc).
Ce mémoire de Master se commence par une introduction
générale. Il s'articulera sur quatre chapitres : le premier
chapitre parle les généralités sur l'énergie
solaire photovoltaïque tel que le rayonnement solaire, les
procédés de conversion d'énergie solaire et
définissant les éléments constituants le système
solaire photovoltaïque.; le deuxième chapitre décrit le site
de travail tel que l'état initial de la colline Makombe et ses
sensibilités environnementales et sociales; le troisième chapitre
présente le calcul et le dimensionnement d'une installation PV en
colline Makombe tel que la détermination de la taille et le calcul des
générateurs PV ; le système de stockage et de
régulation ; le choix de l'onduleur et de l'angle d'inclinaison pour les
panneaux, qui est de 13o ; le dernier chapitre donne la
présentation des résultats d'un système PV sur lequel les
discussions ont été faites et on se termine par une conclusion
générale et suggestions.
3
CHAPITRE I. GENERALITES SUR L'ENEGIE SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE
I.0. Introduction
Dans ce chapitre, nous allons parler d'une manière
brève sur l'énergie solaire photovoltaïque. Nous ferons une
étude approfondie sur cette énergie, qui se transforme en
électricité par le processus photovoltaïque et nous
terminerons le chapitre sur la technologie utilisée dans les panneaux
solaires.
I.1. Energie solaire
L'énergie qui provient du soleil, est la lumière
rayonnante et la chaleur du soleil qui sont exploitées à l'aide
d'une gamme de technologies telles que l'énergie solaire pour produire
de l'électricité, l'énergie solaire thermique et
l'architecture solaire [6].
I.1.1. Soleil
Le Soleil est un astre dont le rayonnement produit la
lumière du jour et réchauffe la Terre. Il est une boule de gaz.
Il se compose en grande partie d'hydrogène (environ 80 %) et
d'hélium (19 %) et le 1% restant auxquels s'ajoutent des
éléments plus lourds. Il est structuré en plusieurs
couches. Des réactions de fusions nucléaires chauffent son
centre, le noyau, à des températures qui peuvent atteindre 14
millions de degrés.
Il est tellement gros qu'il faudrait 109 planètes de la
taille de la Terre pour remplir son diamètre, et plus de 1,3 millions
pour en combler l'intérieur. Il ne pèse pas moins de 2000
trillions de trillions de tonnes [7].
I.1.1.1. Position du soleil par rapport à la
Terre
Dans la voute céleste, la position du soleil peut
déterminée en fonction de la position de l'observateur sur Terre
et au temps local [7].
I.1.1.1.1. Coordonnées
géographiques
Les coordonnées géographiques sont des
coordonnées angulaires qui permettent de repérage d'un point sur
Terre [8].
Figure 1: Coordonnées géographiques
[9]
4
a) Latitude
La latitude ?? d'un lieu donné est l'angle
formé par la vertical de ce lieu et le plan de l'équateur [2],
elle est exprimée en degré, elle est comptée de 0 à
90° à partir de l'équateur vers les pôles positivement vers
le Nord et négativement vers le Sud [10].
b) Longitude
La longitude L d'un lieu donné est l'angle
formé par le méridien de ce lieu avec le méridien
d'origine. Ce dernier passe par l'observatoire de Greenwich et a pour longitude
0°. Les longitudes situées à l'Est de ce méridien
sont positives et celles situées à l'Ouest négatives
[11].
c) Altitude
L'altitude d'un point correspond à la distance
verticale entre ce point et une surface de référence
théorique (au niveau de la mer=0), et est exprimée en
mètre [1] [12].
I.1.1.1.2. Coordonnées horizontales
Le système de coordonnées horizontales,
également appelé système local ou système de
coordonnées alt-azimutales, est un système de coordonnées
célestes utilisé en astronomie par un observateur au sol. Le
système sépare le ciel en deux hémisphères : l'un
situé au-dessus de l'observateur et l'autre situé au-dessous,
caché par le sol. Le grand cercle séparant les deux
hémisphères situe le plan horizontal, à partir duquel sont
établis une altitude et un azimut, qui constituent les deux principales
coordonnées de ce système [13].
Les coordonnées horizontales sont la hauteur (h) et
l'azimut (A). La hauteur varie de 0° (horizon) jusqu'à 90°
(zénith) et l'azimut est un cercle divisé en 360°
établi sur le plan horizontal à partir du Nord (N), ou du Sud
(S), suivant les utilisateurs [1].
Figure 2: Coordonnées horizontales
[9]
a) Azimut du soleil
L'azimut (a) du soleil est l'angle que fait sur le plan
horizontal la projection de la direction du soleil avec la direction du sud.
Cet angle (a) est noté avec les mêmes conventions que l'azimut du
plan?? [1].
5
b) Déclinaison
La déclinaison w solaire est l'angle que fait le
soleil au maximum de sa course (midi solaire) par rapport au plan
équatorial. Cet angle varie entre 23°45' et -23°45'[14].
c) Angle horaire du soleil
L'angle horaire ô du soleil est déterminé
par la rotation régulière de la Terre autour de son axe. Il est
compté positivement dans le sens rétrograde de 0° à
360° [15], dans sa course d'Est en Ouest, par rapport au méridien
local, la position apparent du soleil est déterminée par ses
coordonnées angulaires par rapport à au plan horizontal, l'azimut
et la hauteur angulaire [16].
I.1.1.2. Production de lumière par le
soleil
Le Soleil produit la lumière et la chaleur qui permettent
la vie sur Terre. Cette énergie provient du coeur de l'étoile,
où règne une température supérieure à 10
millions de degrés Kelvin. Il s'y produit des réactions de fusion
nucléaire qui consomment de l'hydrogène et produisent de
l'hélium, et des photons gammas [17].
I.1.1.3. Chaleur du Soleil
La température est de 15 millions de degrés au
centre, elle diminue quand on s'éloigne du centre. Lorsqu'elle atteint 7
millions de degrés, la chaleur devient insuffisante pour entretenir les
réactions de fusion [17].
I.1.1.4. Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire ou irradiation solaire désigne
l'ensemble des ondes électromagnétiques émises par le
Soleil. Elle est produite par les réactions de fusion
thermonucléaires (la fusion est la réunion de plusieurs noyaux
atomiques légers en un seul (4 noyaux d'hydrogène) en un noyau
d'hélium). Le soleil émet principalement dans le rayonnement
visible, entre 0,4 et 0,8 micromètre. Ainsi, en entrant en contact avec
un corps, le rayonnement solaire augmente la température de ce corps
[18]. Lorsque le rayonnement solaire pénètre dans
l'atmosphère terrestre, il est atténué par des processus
de diffusion et d'absorption qui, dans de nombreux cas, changent brusquement
avec la longueur d'onde et modifient donc le spectre solaire incident en
quantité et en qualité. Au Burundi, le rayonnement solaire moyen
est de 2000kwh/m2 [19].
Au sol, on distingue plusieurs composantes:
V' rayonnement direct ;
V' rayonnement diffus ;
V' albédo réfléchie ;
V' rayonnement global [20].
6
a) Rayonnement direct
On appelle direct normal, le rayonnement direct mesuré
perpendiculairement aux rayons du soleil. Mesuré selon un plan non
perpendiculaire, le même rayonnement irradie une plus grande surface, et
est donc moins intense (effet «cosinus»): Ip = In.cos á,
où á est l'angle d'incidence. Par temps clair, on obtient au sol
un rayonnement normal de l'ordre de 1000 W/m2 [15].
La conversion du rayonnement direct ED est une question
trigonométrique. Le rayonnement direct, sur le plan horizontal, est la
différence entre le rayonnement global et le rayonnement diffus. Le
rayonnement direct arrive du Soleil en ligne droite et n'est, à aucun
moment, diffusé. Il forme les ombres [21].
Le rayonnement direct est converti pour un plan avec un angle
d'azimut á et d'inclinaison â selon l'équation suivante
:
EDCOSèi
EDáâ = (I-1 [3]
Sinã
On note que le paramètre EDáâ peut
être mesuré par un instrument nommé « Pyroheliometer
», qui doit être monté sur la monture du
générateur PV[3].
Figure 3: Plan incliné caractérisé
par son inclinaison (fi) et de son orientation ou azimut
(y) [22]
Un plan incliné est caractérisé par son
inclinaison (â) et de son orientation ou azimut (y) par rapport au sud
(négatif vers l'est, sens anti trigonométrique) [22].
b) Rayonnement diffus
C'est dû à l'absorption et à la diffusion
d'une partie du rayonnement solaire global par l'atmosphère et à
sa réflexion par les nuages et les aérosols [23].
Par temps couvert ou par temps très clair, celle-ci est
considérée comme isotrope. Par temps légèrement
voilé, il se peut qu'une couronne (appelée circumsolar) plus
brillante autour du soleil se forme et accentue la puissance lumineuse en
provenance du soleil. Dans ce cas, la lumière n'est pas isotrope. Il
faut préciser que suivant la nature des nuages, leur épaisseur,
leur position dans le ciel, leur influence sur le rayonnement ne sera pas la
même [21].
7
c) Rayonnement réfléchi
C'est le rayonnement qui est réfléchi par le
sol ou par des objets se trouvant à sa surface et dépend donc
directement du site d'observation [24]. Il se caractérise par un
coefficient propre de la nature de lien appelé Albédo. Cet
albédo peut être important lorsque le sol est
particulièrement réfléchissant (eau, neige, etc....)
[1].
d) Rayonnement global
Le rayonnement global est la somme de tous les rayonnements
reçus (direct, diffus, réfléchie), y compris le
rayonnement réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent
à sa surface.
On a la relation suivante :
JG (/3) = Jb (/3) + Jd (/3) + Jr (/3) (I-2)[22]
Avec :
IG(â) : Rayonnement global sur plan incliné
(W/m2) Ib(â) : Rayonnement direct sur plan incliné
(W/m2) Id(â) : Rayonnement diffus sur plan incliné
(W/m2) Ir(â) : Rayonnement réfléchi sur plan
incliné (W/m2)
I.1.1.5. Angle d'incidence des rayons
solaires
Angle d'incidence des rayons solaires est appelé aussi
déclinaison est une simulation formée par le rayon incident avec
la normale à une surface rencontrée et varie en fonction de la
latitude entre -23°27' et +23°27'. 23°27' qui correspond
à l'angle entre le plan de l'équateur et le plan de l'orbite que
décrit la Terre autour du soleil. Cet angle influence la diminution
bénéfique du rayonnement incident provenant d'une direction
inclinée par rapport à la normale au module [14].
La diminution de la puissance absorbée est encore
accentuée par des raisons optiques : les réflexions sur la paroi
extérieure, ainsi que sur la surface des cellules, augmente avec l'angle
d'incidence [13].
Figure 4: Inclinaison des rayons du soleil
[25]
8
I.1.1.6. Masse d'air
On appelle masse d'air AM, la perte de l'énergie solaire
par l'absorption atmosphérique. Elle est donnée en fonction de
l'angle O du soleil par rapport au zénith :
1
AM = (??-3) [26]
?????? ??
Avec O : représente l'angle entre la position du soleil et
le zénith exprimée en (Deg).
Figure 5: Nombre-dAir-Mass-AM [27]
Hors de l'atmosphère (référence spectrale
dite AM0 - Air Mass Zéro), le spectre solaire AM0 correspond à
une masse d'air nulle pour un rayonnement arrivant au-dessus de la couche
atmosphérique à incidence normale, AM1 pour un soleil vertical
à la terre (le soleil est au zénith, le flux de puissance du
rayonnement solaire direct est de 1 353W/m2. Au niveau de la mer
(AM1.5) il n'est plus que de 1 000 W/m2. Une partie du rayonnement
solaire est par ailleurs réfléchie par la surface de la terre et
dépend de l'albedo local (rapport de l'énergie
réfléchie à l'énergie incidente) : celui-ci varie
de 80% pour la neige, à 5-30 % pour l'herbe [23]. Si le soleil est au
zénith du lieu d'observation, O =0°, AM=1 [28].
I.1.1.7. Spectre solaire
Le spectre du Soleil est appelé spectre de Fraunhofer
en hommage à Joseph Von Fraunhofer (1787-1826). Le spectre solaire est
en effet composé de toutes sortes de rayonnements d'énergies et
de couleurs différentes, caractérisées par leur gamme de
longueur d'onde. Les photons, grains de lumière qui composent ce
rayonnement électromagnétique, sont considérés
comme des porteurs d'énergie qui est reliée à leur
longueur d'onde par la relation suivante:
h??
E = h?? = (I-4)[29]
??
Où :
E : l'énergie lumière (en eV)
h est la constante de Planck où h = 6.624x10-34
joule-sec,
v la fréquence,
C = la vitesse de la lumière, près de 300
000 000 mètres par seconde ;
9
?? : est la longueur d'onde (en ìm)
I.1.1.8. Mesure d'ensoleillement
Le rayonnement solaire disponible au niveau du sol est
quantifié, pour divers lieux, principalement par des mesures
météorologiques. Historiquement, ces mesures ont
été enregistrées grâce à des
héliographes de Campbell-Stokes. Ces mesures fournissaient un nombre
d'heures d'ensoleillement [15]. Cette information est évidemment peu
précise, mais on en dispose de nombreuses mesures depuis très
longtemps en météorologie. L'évaluation d'installations
solaires nécessite des données d'irradiante, c'est-à-dire
du flux d'énergie incidente sur une surface donnée par
unité de temps et de surface, exprimée en W/m2 (ou
kWh/m2 ou MJ/m2) [26].
a) Radiomètre
Le radiomètre est un appareil permettant de mettre en
évidence l'énergie transportée par les radiations, il est
constitué d'une ampoule de verre contenant de l'air à faible
pression et un petit moulin à quatre pales ayant chacune une face noire
et une face blanche. Il en résulte une dissymétrie dans
l'absorption du rayonnement incident, qui provoque la mise en rotation du
moulin [22].
Figure 6: Radiomètre [22]
b) Pyromètre
Le pyromètre est un radiomètre pour la mesure du
rayonnement dans un plan. Le rayonnement incident étant issu de
l'ensemble de l'hémisphère situé au-dessus de l'instrument
[15].
Figure 7: Pyromètre [26]
10
c) Pyrhéliomètre
Le pyrhéliomètre est un radiomètre muni
d'un collimateur, pour la mesure du rayonnement solaire direct sous incidence
normale [21].
Figure 8: Pyrhéliomètre [30]
I.1.2. Avantages de l'énergie solaire
L'énergie solaire conserve plusieurs avantages, on pourra
citer quelques-uns :
I énergie solaire est une source
propre, fiable et renouvelable ;
I ressource disponible partout au monde
;
I pas d'émissions des GES, des
rejets polluants et à la préservation des ressources naturelles
;
I elle donne une prévision
sûre à long terme de l'investissement et du rendement ;
I autoconsommation
énergétique en fort développement ;
I énergie inépuisable
à l'échelle du temps humain;
I pas de particules en suspension ;
I production locale et
décentralisée (à proximité du lieu de consommation,
elle évite les
pertes en ligne).
I entretien quasiment nul sauf les
onduleurs et les batteries ;
I génère de
l'activité économique ;
I Peu chère à exploiter
après l'installation des équipements ;
I Permet de devenir autonome en
énergie de manière plus simple ;
I Peu de nuisances visuelles, et aucune
nuisance sonore des panneaux solaires;
I facile à mettre en place chez
les particuliers ;
I etc [11].
I.1.3. Inconvénients de l'énergie
solaire
Malgré tous ses avantages ci-haut citées,
l'énergie solaire est comme toutes les autres énergies
présentent quelques inconvénients. Les principaux sont les
suivants:
I énergie solaire reste
dépendant du soleil ; à son absence n'est produit
d'électricité ni de la
chaleur ;
I installations photovoltaïques de
cycle de vie limité et un rendement décroissant avec le
temps ;
11
I difficile à stocker
l'électricité produite par l'énergie photovoltaïque
;
I courte durée de vie des PV
d'installation : 20 à 25 ans en moyenne ;
I production plus faible dans le climat
froid, alors que la consommation reste plus
considérable ;
I capital d'investissement
élevé [23] [31].
I.2. Système PV
Le système PV est constitué d'un ensemble de
cellules photovoltaïques reliées entre elles, constitue le module
photovoltaïque. Plusieurs modules sont groupés pour former un
système photovoltaïque qui comprend d'autres composants comme le
régulateur, la batterie et l'onduleur pour un site isolé
(autonome) [32]. Le système PV permet de produire une
électricité naturelle, propre et non polluante. Il
représente une composante essentielle des énergies renouvelables
qui peut aider le monde à répondre à ses besoins
énergétiques toujours croissants, tout en limitant l'augmentation
des émissions de gaz à effet de serre et en diminuant la
pollution de l'environnement, risque de panne limité car pas de
pièces mécaniques ; durée de vie très longue avec
peu d'altérations du rendement ; source d'énergie gratuite et
utilisable même dans les endroits peu ensoleillés. On distingue un
système PV Autonome, pour un site isolé et celui connecté
au réseau de distribution électrique et un système
hybride.
I.2.1. Système PV connecté au
réseau de distribution électrique
Ce système implique de connecter les panneaux solaires
au réseau. L'électricité excédentaire produite va
verser au réseau qui permettant de réserver les crues de
l'électricité déposées pendant la journée
pour l'utiliser dans la nuit. Le courant continu provenant des panneaux
transformé en courant alternatif qui sera ensuite élevée
en 220KV ou 400KV par un poste de transformation pourrait être
transportée plus facilement dans les lignes de très haute tension
du réseau, régulièrement les opérations de
contrôle et de maintenance qui se réalisent pour s'assurer du bon
fonctionnement de l'installation [33].
Figure 9: Constituants d'un système
photovoltaïque raccordé réseau [34]
12
I.2.2. Système photovoltaïque
hybride
Un système photovoltaïque peut être
combiné à une autre source de production
d'électricité - biomasse, turbine éolienne ou
générateur diesel - afin de garantir un approvisionnement
constant en électricité. Un système hybride peut
être relié au réseau, fonctionner en autonomie ou
être soutenu par le réseau [28]. De tels systèmes ont
habituellement des accumulateurs de stockage d'énergie et donc ils
permettent en outre de recharger la batterie lorsque elle est faible. Un tel
système photovoltaïque hybride fournit une grande fiabilité
du système et peut représenter la solution adéquate pour
les sites isolés; il convient aussi lorsque la demande en énergie
est élevée (pendant l'hiver ou tout au long de l'année)
[2].
Figure 10: Constituants d'un système
photovoltaïque hybride [35] I.2.2. Système photovoltaïque
autonome
Le système PV autonome est composé de panneaux
pour la modularité qui permet de concevoir les installations à de
longs vastes plans photovoltaïques installées sur les toits
d'habitation individuel. Chaque panneau est composé de plusieurs
cellules de moins d'un millimètre d'épaisseur [9]. Ces cellules
contiennent un matériau semi-conducteur dans la propriété
et de libérer des électrons qui se produisent encore en
énergie électrique après avoir interconnectée par
les composants de la lumière. Les électrons sont
connectées par des fils métalliques très fins qui les
acheminent jusqu'à la borne négative de la cellule. Ils ont
formé un circuit extérieur pour retourner à la cellule par
sa borne positive [12]. Ce déplacement des électrons, crée
un courant électrique continu. Ce courant ainsi produit passe de cellule
en cellule, de panneau en panneau et s'additionne jusqu'un onduleur.
L'énergie produite sert à stocker l'énergie dans les
batteries installées avec les systèmes PV. De cette façon,
les panneaux solaires rechargent les batteries pendant la journée pour
l'être utilisée lorsque les cellules PV cessent de fonctionner
[13].
13
I.2.2.1. Système autonome avec
batterie
Ces systèmes sont représentés par la
figure suivante où la charge et de type continu et si la charge et de
type alternatif. La batterie sert à stocker de l'énergie produite
par le générateur photovoltaïque, alors l'énergie
peut être utilisée de tout temps, même en l'absence de
rayonnement solaire [36].
Figure 11: Constituants d'un système
photovoltaïque autonome avec stockage [9] I.2.2.2. Système autonome
sans batterie
Dans les systèmes photovoltaïques autonomes sans
batterie, la charge de type continu est alimente directement par le
générateur photovoltaïque, car la production
d'énergie est suffisante pour le fonctionnement de la charge [36].
Figure 12: Constituants d'un système
photovoltaïque autonome sans stockage [37]
14
I.2.3. Technologie des générateurs PV
I.2.3.1. Types de cellules PV
Les cellules PV sont Composées de semi-conducteurs. Une
cellule photovoltaïque absorbe l'énergie lumineuse et la transforme
directement en courant électrique.
Une cellule individuelle, unité de base d'un
système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible
puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de
moins d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont
assemblées pour former un module (ou panneau) [17].
a) Cellule au silicium monocristallin
Figure 13: Cellule au silicium monocristallin
[38]
La cellule au silicium monocristallin est à base de
cristaux de silicium formé d'un seul cristal ordonné. Ce
matériau est obtenu directement d'un germe ou recristallisé
à haute température sous forme d'un lingot [3].
b) Cellule au silicium polycristallin
Figure 14: Cellule au silicium polycristallin
[39]
15
La cellule au silicium multicristallin (ou polycristallin) est
constituée de cristaux de 1mm à environ 2cm assemblés,
appelé "grains". Les cellules au silicium multicristallin sont
obtenues
par fusion du silicium dans la lingotière. Elles
présentent un avantage d'un faible coût à fabriquer que le
silicium monocristallin, mais de rendement aussi faible [21].
c) Cellule au silicium amorphe en couche
mince
Figure 15: Cellule au silicium amorphe en couche mince
[40]
La cellule au silicium amorphe est constituée d'un
silicium ayant une structure non-cristallisé. Ce matériau absorbe
beaucoup plus la lumière qu'un silicium cristallin et
présentés en bandes souples permettant une parfaite
intégration architecturale (rendement de 7%) [18].
d) Cellule sans silicium en couche mince CIS /
CIGS
Les cellules CIS représentent une nouvelle
génération de cellules solaires sous forme de films minces, de
type CIS (cuivre, indium, sélénium) ou CIGS (cuivre, indium,
gallium et sélénium). Les matières premières
nécessaires à la fabrication de ces cellules sont plus faciles
à se procurer que le silicium utilisé dans les cellules
photovoltaïques classiques (bien que ce dernier soit déjà
très abondant sur terre). De plus, leur efficacité de conversion
énergétique est la plus élevée à ce jour
pour des cellules photovoltaïques en couche mince [14] [19].
Figure 16: Cellule sans silicium en couche mince CIS /
CIGS [41]
16
I.2.3.2. Principe de fonctionnement des
différentes cellules PV
La cellule photovoltaïque fonctionne grâce au
rayonnement solaire. Pour générer de l'électricité,
elle fait appel à l'effet photovoltaïque qui est obtenu à la
suite du choc des photons issus de la lumière solaire sur un
matériau semi-conducteur. Ce dernier transmet l'énergie des
photons aux électrons qui vont alors créer la tension
électrique. Voici le principe de fonctionnement d'une cellule
photovoltaïque [7].
Le fonctionnement des cellules photovoltaïques est
fondé sur les propriétés de semi-conducteurs qui,
percutés par les photons qui transportent l'énergie solaire
à 300 000 km par seconde, mettant en mouvement un flux
d'électrons. La structure de base d'une cellule PV est
réalisée à partir de deux couches de silicium : une zone
dopée P qui est l'élément en bore est ajouté
à la couche inférieure et lui confère la
propriété d'absorption d'électrons et l'autre dopée
N c'est-à-dire dopée au phosphore, la couche supérieure
opposée au soleil ; créant une jonction PN qui est le dispositif
utilisé dans les cellules photovoltaïques avec une barrière
de potentiel [21] [42].
Ainsi, la zone N est couverte d'une grille métallique
servant de cathode tandis que la zone P est couverte de plaque
métallique jouant le rôle d'anode. Quand les photons
absorbés par le semiconducteur dans la zone de charge d'espace, les
paires électron-trou formées sont séparées par le
champ électrique de la jonction qui fait transmettre leur énergie
vers la jonction PN afin de créer une différence de potentiel
entre eux [11].
I.2.3.3. Effet photovoltaïque
Le terme « photovoltaïque » est composé
du mot de grec ancien « photos » (öùôoò :
lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien
(Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son
nom à l'unité de mesure de la tension électrique, le volt
[43].
Ce terme désigne la conversion de l'énergie
lumineuse en énergie électrique par le transfert d'énergie
des photons aux électrons d'un matériau. Lorsque les photons,
contenus dans la lumière solaire, atteignent un matériau
semi-conducteur, ils mettent en mouvement les électrons du
matériau. C'est ce mouvement qui constitue le courant électrique
continu produit par les PV. Ce n'est donc pas la chaleur du soleil mais sa
lumière qui produit de l'énergie. Il n'y a pas non plus de
pièce mécanique dans un panneau solaire photovoltaïque, mais
uniquement des modules photovoltaïques en matériau semi-conducteur
[20] [21].
Lorsqu'un photon d'énergie suffisante frappe la zone de
transition d'une cellule photovoltaïque composée de semi-conducteur
de silicium, il arrache un électron à l'atome de silicium en y
laissant un trou. Cet électron, sous l'effet du champ électrique,
se déplace du côté N tandis que le trou migre du
côté P. Ainsi, grâce aux photons qui transmettent leur
énergie aux
17
électrons, un mouvement de charges électriques
se produit et un courant se manifeste à l'intérieur
de la matière cristalline [21].
I.2.3.4. Modèle à une diode d'un module
PV
Figure 17: Schéma équivalent
électrique de la cellule PV [39]
En appliquant le théorème de Kirchhoff, le courant
Ipv se calcule par la relation suivante :
Ipv = Iph - ID - IRsh (I-5)
Où :
Ipv: Courant de saturation du module ;
Iph : Courant photonique ; ID :
Courant de la diode ;
IRsh : Courant de fuite par la résistance
parallèle. Avec :
e(Vpy+IpyRsh)
ID = Is (exp avT )-1) (I-6)
Où :
Is : courant de saturation de la diode ;
e : la charge de l'électron (e =1.61010-19 C)
a : Facteur d'idéalité de la jonction PN
;
VT : Tension thermique de la diode et qui est
donnée par la relation :
K??
???? = (I-7)
4
Où :
q : charge électronique ;
K : constante de Boltzmann (K=1.3854 10-23 J.K-1). T : la
température de la jonction
18
Et
-??????+??????????
??????h = (J-8)
????h
Où :
Vpv : tension générée par le module ; ????h
: Résistance shunt ;
Rs : Résistance série.
D'après les équations de ???? et??????h, la
relation du courant du module ?????? devient :
??(??????+??????????h) ??????????+??????
?????? = [????h - ????(?????? ?????? ) - 1) - ????h ( ??-9)
[44]
I.2.3.5. Système de caractérisation des
panneaux
Les principaux paramètres qui caractérisent les
panneaux dans le système PV sont :
· Puissance de
crête, Pc
Elle est une puissance électrique maximum que peut fournir
le module dans les conditions standards (25°C et un éclairement de
1000 W/m2)[28]. Elle est exprimée en Watt- Crête (WC)
[20].
· La caractéristique courant/tension
(I/V)
Courbe représentant le courant J débité par
le module en fonction de la tension aux bornes de celui-ci [45].
· Tension à vide, Vc0
Tension aux bornes du module en l'absence de tout courant, pour
un éclairement " plein soleil "[16].
· Courant de court-circuit, Icc
Courant débité par un module en court-circuit pour
un éclairement " plein soleil ". C'est la plus grande valeur de courant
générée par le module sous les conditions de court-circuit
où VPV = 0 [46].
· Point de fonctionnement optimum, (Umax,
Imax)
Lorsque la puissance de crête est maximum en plein soleil,
Pmax = Umax.Jmax[20]
· Caractéristique
puissance-tension (P-V)
La puissance crête d'une cellule PV, notée Wc (Watt
crête) ou Wp (Watt peak) représente la puissance électrique
maximum délivrée dans les conditions suivantes dites conditions
standard d'éclairement solaire de 1 kW/m2 et la
température de la cellule PV égale à + 25 °C [18].
19
? Facteur de forme
Le facteur forme (FF) est le rapport entre la puissance
maximale que peut délivrer la cellule notée Pmax et la puissance
formée par le rectangle (Icc*Voc) plus la valeur de ce facteur sera
grande, plus la puissance exploitable le sera également. Les meilleures
cellules auront donc fait l'objet de compromis technologiques pour atteindre le
plus possible les caractéristiques idéales [47]. Il est de
l'ordre de 0.7 pour les cellules performantes ; il diminue avec la
température [48] et il exprime la relation suivante:
Pmax
FF = Icc*Voc (I-10)[48]
I.2.3.6. Association des modules
photovoltaïques
Le panneau comporte plusieurs modules PV interconnectés
en série ou en parallèle ou série-parallèle, afin
d'augmenter la force. Pour la même température avec un
éclairage homogène, l'enchaînement de cellules
photovoltaïques en série est une augmentation de la tension, ainsi
que la tension de sortie est la somme de la tension de chaque cellule [16]. Au
contraire, le courant électrique augmente, avec mise en
parallèle.
a) Association en série
La plupart des modules commercialisés sont
composés de 36 cellules en silicium cristallin, connectées en
série pour des applications en 12 V [21].
La cellule individuelle, unité de base d'un
système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible
puissance électrique, typiquement de 0.5 W avec une tension de moins
d'un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées
pour former un module (ou panneau).
L'association en série des cellules délivre une
tension égale à la somme des tensions individuelles et un courant
égal à celui d'une seule cellule [49] : U = U1 + U2 + ... + Un et
I = I1 = I2 = In [21].
Figure 18: Association des modules en série
[21]
20
b) Association en parallèle
En additionnant des modules identiques en parallèle, la
tension de la branche est égale à la tension de chaque module et
l'intensité augmente proportionnellement au nombre de modules en
parallèle dans la branche [20].
U = U1 = U2 = U3 = Un
I = I1 + I2 + I3 + ... + In
Figure 19: Association parallèle de modules PV
[21]
c) Association mixte
Pour avoir une satisfaction en courant et en tension, on est
obligé d'utiliser un groupement mixte, c'est à dire
Série-Parallèle.
Figure 20: Groupement mixte des panneaux PV
[26]
21
I.2.3.7. Orientation des modules PV
On appelle l'orientation, le point cardinal vers lequel est
tournée la face active du panneau (Sud, Nord, Sud-Ouest,....). Les
panneaux sont toujours orientés vers l'équateur :
Orientation vers le Sud dans l'hémisphère Nord ;
Orientation vers le Nord dans l'hémisphère Sud.
L'angle d'inclinaison des modules PV correspond à l'angle
formé par le plan du module solaire par rapport à l'horizontal
[20].
Figure 21: Orientation: point cardinal face au module PV
[18] I.2.4. Contrôleur de charge MPPT
Le contrôleur de charge est un système
automatique dont la fonction principale est d'assurer le contrôle de
l'état de charge de la batterie. Quand la batterie est chargée
à 100%, il faut arrêter le courant de charge [19]. La technologie
MPPT est l'une des technologies qui suivent le point maximum de la
capacité, et c'est une partie essentielle des systèmes
photovoltaïques. Ces technologies se distinguent les unes des autres par
leur efficacité, leur domaine d'application et l'amélioration des
résultats [26].
I.2.5. Batteries d'accumulateurs
C'est en 1859 que Gaston Planté réalisa
l'accumulateur au plomb par formation de feuilles de plomb pur, dans de l'acide
sulfurique et sous l'influence d'un courant électrique. Il fallut
cependant attendre l'apparition en 1880 de la dynamo Gramme et la
réalisation de l'accumulateur Faure à grilles et à oxyde
rapporté pour que l'industrie de l'accumulateur commence à se
développer.
22
Pour les éléments rechargeables, on utilise les
termes de batteries ou d'accumulateurs, contrairement aux « piles »
qui ne sont pas rechargeables. La batterie désignera un groupe
d'accumulateurs assemblés ou une batterie d'accumulateurs [33] qui
permet de stocker l'énergie électrique (charge) sous forme
chimique et donc de la restituer (décharge) sous forme de courant
continu de manière contrôlée [2].
Les batteries utilisées dans les systèmes
solaires autonomes sont en général de type plomb-acide. Les
batteries au cadmium-nickel sont rarement utilisées car leur prix est
beaucoup plus élevé; cependant on en donnera quelques
paramètres typiques, leur emploi étant plus fréquent dans
les applications professionnelles [44].
I.2.6. Convertisseur DC-AC
Nous parlons ici l'onduleur qui, est un convertisseur statique
permettant la conversion de l'énergie électrique sous sa forme
continue (DC) vers la forme alternative (AC). Grace à des composants
semi-conducteurs commandés, il permet d'obtenir aux bornes du
récepteur une tension alternative réglable en fréquence et
en valeur efficace [50].
Conclusion
Dans ce premier chapitre qui concerne les
généralités sur l'énergie solaire
photovoltaïque, nous avons donné une brève description sur
la conversion du rayonnement solaire en énergie électrique, les
différentes technologies de cellules les plus utilisées et leurs
caractéristiques, le système de conversion électronique de
l'énergie, le système de régulation et de contrôle
ainsi que le système de stockage.
23
CHAPITRE II. DESCRIPTION DU SITE DE TRAVAIL
II.0. Introduction
Dans ce chapitre, nous allons décrire l'état
actuel de la colline Makombe qui se trouve dans la commune Ntega et de
l'environnement du projet. Il s'agit donc d'identifier les facteurs sensibles
(démographie, mode de vie de la population, etc) afin d'améliorer
le projet pour assurer son intégration optimale dans son
environnement.
II.1.Choix et localisation du site de production
Makombe est l'une colline des colline de la zone Mugendo,
commune Ntega de la province Kirundo située à 2,5536°de
latitude Sud, 29,9525°de longitude Est et de 1460 m d'altitude ; au
Sud-Ouest du chef-lieu de la zone Mugendo sur les rives de la rivière
Kanyaru à la province du Sud de la République du Rwanda qui
correspond à la partie Nord du pays entre la colline Kinyovu au Nord ;
la colline Buringanire à l'Est ; la colline Mugendo au Nord-Est ; la
colline Carubambo à l'Ouest et enfin la colline Mariza au Sud [51].
Cette colline appartient à l'ensemble écogéographique des
depressions de la région Bugesera et, est subdivisée en sept sous
collines ou cellules : Gasebeyi, Gisagara, Karehe I, Karehe II, Kubutare,
Rugobagoba et parmi lesquelles celle de Kubutare qui abrite cette colline, est
identifiée comme site de production pour la conception du
système.
Figure 22: Carte géographique de la cellule Rusoko
II.2. Descriptif de l'état initial de la cellule KUBUTARE
Un critère fondamental pour la construction d'un
système PV en un site donné est basé sur la
disponibilité suffisante du rayonnement solaire. Il est
particulièrement important que la fraction
24
directe du rayonnement solaire soit élevée.
Contrairement à d'autres types d'utilisation de l'énergie solaire
(en particulier photovoltaïque) [12].
Les systèmes PV utilisent uniquement la composante
directe du rayonnement solaire, c'est la seule qui peut être
concentrée. Le paramètre le plus pertinent à
considérer est DNI (Irradiance Direct Normal) qui est défini
comme la densité du flux de rayonnement dans le spectre solaire (0.3um
à 3um) incident à la surface de la Terre perpendiculaire à
la direction du soleil intégré sur un petit cône
farçant du soleil [2]. Les autres paramètres prises en compte
pour le choix du site de production sont scientifiques, environnementales,
biologiques, écologiques etc. disponibilité d'un climat local
favorable, d'une bonne ressource solaire (ensoleillement), un terrain
répondant aux besoins du projet en termes de superficie et est
éloigné de la population, un grand gisement solaire important par
rapport aux autres c'est-à-dire l'irradiation globale horizontale s'y
situe entre 2100 et 2250 kWh/m2 avec des facteurs naturels
très favorables et il n'y a aucun déplacement de la population
[52].
II.2.1. Relief
Le relief de la sous colline (cellule) KUBUTARE est assez plat
aux altitudes d'environ 1455 mètres [53]. Cette tendance se dessine
aussi dans toutes les autres cellules de la colline et ses environs.
II.2.2. Géologie et
géomorphologie
En ce qui concerne avec la géologie et
géomorphologie de la cellule KUBUTARE, la terre est couverte de
nombreuses pierres, de petits cailloux, une certaine quantité de sables
et quelques petites roches.
II.2.3. Climat et moyennes
météorologiques
D'après le ministre de l'Environnement, de
l'Agriculture et de l'Elevage, Dr Déo Guide RUREMA, la province de
Kirundo connaît actuellement des problèmes liés au
changement climatique. Cela se traduit par une faible pluviométrie et le
dérèglement climat.
À Kirundo, les étés sont courts, chaud et
partiellement nuageux et les hivers sont court, confortable,
précipitation et couvert. Au cours de l'année, la
température varie généralement de 16 à 29°C et
est rarement inférieure à 14°C ou supérieure à
31°C. La saison chaude dure 1,9 mois, du 7 août au 4 octobre, avec
une température quotidienne moyenne maximale supérieure à
28 °C. La saison fraîche dure 2,2 mois, du 20 mars au 27 mai, avec
une température quotidienne moyenne maximale inférieure à
27 °C [54].
Quant à la commune de Ntega, le régime
climatique est caractéristique de celui de la colline Makombe qui, un
climat de savane avec hiver sec selon la classification de Köppen-Geiger.
Les précipitations à Makombe sont beaucoup plus importantes en
saison humide qu'elles ne le sont
25
pas en saison sèche. Ce type de climat existe aussi
à la cellule Kubutare. Sur l'année, la température moyenne
est de 21.3°C et les précipitations sont en moyenne de 828.6 mm.
Sur le plan pluviométrique, elle est
caractérisée par une faible pluviosité et une forte
évaporation. A l'instar du reste du territoire du pays, la
localité connaît l'alternance de deux saisons : saison pluvieuse
qui dure au maximum cinq mois (Février à Mai) avec Avril le mois
le plus pluvieux et Novembre et Décembre et saison sèche de sept
mois (Juin à Octobre) et le mois de Janvier. Pendant cette
période les températures sont en moyenne plus
élevées, l'air est sec et l'éclairement important.
II.2.4. Ressources en eaux
II.2.4.1. Eaux de surface
La province Kirundo est une partie d'excellence de la
région du Bugesera au Nord du Burundi. En effet, la province de Kirundo
regorge de lacs suffisants comme le lac Rwihinda (lac aux oiseaux), Cohoha,
Kanzigiri, Rweru, Narungazi et les diverses eaux des marais et des cours d'eau
comme la rivière Kanyaru. Mais l'hydrologie de surface est inexistante
sur le site du projet sauf les mares qui se forment en saison pluvieuse et qui
sont caractérisées par leur temporalité. II.2.4.2.
Eaux souterraines
Dans la colline Makombe, il n'y a de ressources connues en
eaux. La population de cette colline s'approvisionne à partir de sous
marais dans la localité de la rivière Kanyaru où elle est
caractérisée par une teneur en eaux souterraines aptes aux
cultures maraichères.
II.3. Descriptif de l'état biologique de la
cellule Kubutare
Le processus d'identification des risques et impacts
environnementaux et sociaux tient compte des impacts directs et indirects du
projet sur les différentes variétés et les services
écologiques et mettre en évidence tout impact résiduel.
Nous avons fait l'analyse en fonction du type écologique en
présence. A cet effet, nous avons distingué les aires pouvant
abriter une proportion d'espèces animales et/ou végétales
et/ou dont l'activité humaine, c'est-à- dire les aires
aménagées pour l'agriculture, les plantations forestières
et aux marécages.
II. 3.1. Flore
Dans la cellule Kubutare, les formations
végétales naturelles sont relativement moins abondantes et
caractérisées par une faible densité des espèces
ligneuses. Cette situation s'explique essentiellement par une forte occupation
agricole de l'espace rural. Elles se présentent essentiellement sous
forme de petits arbres isolés et des petites herbes.
II.3.3. Faune
KUBUTARE est marquée par une inexistence d'habitat et
de refuge pour la faune notamment pour les grands mammifères, du fait
des manques des forêts et de facteurs climatiques. Seuls les
26
petits mammifères comme rats, certains lièvres,
etc. ainsi que certaines familles d'oiseaux (pigeons, éperviers, etc.) y
sont présents aujourd'hui.
II.3.4. Aires protégées
Dans le site d'implantation du projet à la cellule
Kabutare, il n'a pas été rencontré d'aire à
protéger. En effet, on n'y rencontre que des terrains majoritairement de
cultures vivrières. Par conséquent, à Kubutare, un site
choisi pour le système solaire photovoltaïque sur
l'environnement.
II.4. Services écologiques
La composition floristique de la colline Makombe est
caractérisée essentiellement par les terres agricoles et la
végétation qui fournit les services d'approvisionnement, de
régulation et de soutien, indicateurs de l'importance de ces ressources
dans la vie des populations limitrophes du site d'emprise du système
photovoltaïque et 350 m tout autour.
II.5. Structure démographique de la colline
Makombe
A l'instar de la commune Ntega, la colline de Makombe a connu
une croissance rapide de la population. D'après les projections
démographiques faites par le chef de colline Kanyabigo Leonidas, la
population de la colline Makombe est estimée à 3832 habitants
dont 706 hommes et 824 femmes réparties dans 896 ménages. Cette
population laisse apparaître dans son ensemble la prédominance du
groupe d'âge des jeunes de 18-30 ans qui comptent 1794 et des enfants de
moins de 18ans qui s'élèvent à 508. Cette structure de la
population est synonyme d'une fécondité élevée et
d'une faible mortalité.
Tableau 1: Effectif de la population de la colline
Makombe cellule par cellule [55]
|
Cellules
|
Adultes
|
Jeunes
|
Total
Globale
de cellule
|
|
Plus de 30 ans
|
Moins de 18 ans
|
De 18-30ans
|
|
M
|
F
|
Tot.
|
M
|
F
|
Tot.
|
M
|
F
|
Tot.
|
|
RUSOKO
|
76
|
97
|
173
|
150
|
136
|
286
|
32
|
17
|
49
|
508
|
|
KAREHE I
|
132
|
142
|
274
|
9
|
23
|
32
|
124
|
138
|
262
|
568
|
|
KUBUTARE
|
66
|
75
|
141
|
30
|
18
|
48
|
110
|
116
|
226
|
415
|
|
RUGOBAGOBA
|
98
|
121
|
219
|
19
|
16
|
35
|
144
|
152
|
296
|
550
|
|
GASEBEYI
|
225
|
236
|
461
|
24
|
17
|
41
|
233
|
325
|
558
|
1060
|
|
GISAGARA
|
64
|
91
|
155
|
19
|
27
|
46
|
108
|
137
|
245
|
446
|
|
KAREHE II
|
45
|
62
|
107
|
8
|
12
|
20
|
56
|
102
|
158
|
285
|
|
Total
|
706
|
824
|
1530
|
259
|
249
|
508
|
807
|
987
|
1794
|
3832
|
27
II.6. Activités
socio-économiques
Les principales activités économiques de la
colline Makombe tournent autour de l'agriculture, l'élevage et le petit
commerce. D'autres activités comme l'artisanat présentent peu
d'intérêt pour la population. L'agriculture demeure l'une des
principales activités économiques. La quasi-totalité des
ménages sont des agriculteurs. L'agriculture repose à la fois sur
des cultures de rente (arachide, manioc...) et sur des cultures
vivrières de subsistance (sorgho, maïs et riz).
L'élevage des petits ruminants dominé par le
système extensif traditionnel occupe une place importante dans
l'économie de la colline. La plupart des agriculteurs le pratiquent
comme activité secondaire.
Le commerce est moins important dans le développement
économique de la colline, aucun marché n'est disponible.
II.7. Infrastructures éducatives et
sanitaires
La colline Makombe dispose une seule infrastructure
éducative, qui est l'ECOFO Makombe.
En ce qui concerne les infrastructures sanitaires de la
région sont estimées à aucun hôpital, sauf un seul
centre santé commun avec la colline Kinyovu.
II.8. Electrification
Dans toute la commune, la conduite du réseau
électrique fournie par la REGIDESO se limite uniquement tout autour du
chef-lieu de la commune. Elle est d'autant absente sur les milieux ruraux que
les utilisateurs sont dispersés dans les campagnes alors que les besoins
en énergie continue à accroitre dans le cadre mondial, sous
l'effet de la croissance économique d'une part, et de l'accroissement de
la consommation d'électricité par ménage d'autre part.
Dans la colline rurale de Makombe, les habitants utilisent
les lampes à pile ou torches, le bois, le mazout pour leurs
consommations énergétiques. La partie la plus affectée
reste celle des femmes rurales dont leur rôle est souvent de s'occuper
des enfants et de cuisines.
II.9. Etude technique des ménages des 7
cellules
La colline est composée de 896 ménages dont 100
de la cellule Rusoko, 153 de la cellule Karehe I, 107 de la cellule Kubutare,
136 de la cellule Rugobagoba, 239 de la cellule Gasebeyi, 97 de la cellule
Gisagara et 64 de la cellule Karehe II. Cette colline connait 31 étables
du bétail, 35 boutiques, 24 cabarets et 6 salons de coiffure. Elle
comporte également 1326 téléphones mobiles.
28
Tableau 2: Etude technique par ménage
[55]
|
Cellules
|
Effectifs des ménages ayant les
chambres
<= à 4 + salons avec
cuisines et toilettes externes
|
Effectifs des ménages ayant les chambres >
à 4 + salons avec cuisines et toilettes
externes
|
Nombr e total
de
ménag
es
|
Nombre d'habita
tion de
bétail
|
Nombr
e de
boutiq
ues
|
Nombr
e de
cabare
ts
|
Nombr
e
de
salons
de
coiffur
e
|
Nomb re de téléph ones mobil
e
|
|
2ch
|
3ch
|
4ch
|
5ch
|
6ch
|
7ch
|
8ch
|
|
Ac
|
Sc
|
Ac
|
Sc
|
Ac
|
Sc
|
Ac
|
Sc
|
Ac
|
Sc
|
Ac
|
Sc
|
Ac
|
Sc
|
|
|
|
|
|
|
Rusoko
|
0
|
2
|
4
|
16
|
27
|
11
|
7
|
16
|
13
|
1
|
3
|
0
|
0
|
0
|
100
|
2
|
6
|
6
|
1
|
138
|
|
Karehe I
|
0
|
31
|
0
|
2
|
15
|
46
|
12
|
3
|
15
|
0
|
23
|
0
|
6
|
0
|
153
|
10
|
3
|
2
|
1
|
211
|
|
Kubutare
|
0
|
7
|
4
|
11
|
28
|
39
|
12
|
3
|
15
|
0
|
23
|
0
|
6
|
0
|
107
|
2
|
3
|
5
|
0
|
207
|
|
Rugobagoba
|
0
|
1
|
2
|
17
|
1
|
13
|
26
|
0
|
14
|
0
|
41
|
0
|
20
|
0
|
136
|
1
|
7
|
5
|
2
|
248
|
|
Gasebeyi
|
0
|
24
|
0
|
23
|
6
|
17
|
71
|
1
|
30
|
0
|
48
|
0
|
19
|
0
|
239
|
14
|
10
|
6
|
2
|
308
|
|
Gisagara
|
0
|
4
|
17
|
10
|
9
|
13
|
18
|
2
|
17
|
0
|
3
|
0
|
4
|
0
|
97
|
1
|
3
|
0
|
0
|
96
|
|
Karehe II
|
0
|
13
|
0
|
9
|
0
|
6
|
20
|
6
|
6
|
0
|
3
|
0
|
1
|
0
|
64
|
1
|
3
|
0
|
0
|
118
|
|
Total
|
0
|
82
|
27
|
88
|
86
|
145
|
166
|
31
|
110
|
1
|
144
|
0
|
53
|
0
|
896
|
31
|
35
|
24
|
6
|
1326
|
29
Conclusion
Dans ce chapitre, après avoir collecté les
données sur terrain, nous avons pu connaître suffisamment la
colline, le mode de vie et les difficultés rencontrées de la
population, la technologie utilisée pour les maisons de la population
ainsi que leurs principales activités pratiquées. Dans le
chapitre suivant, nous allons faire la conception d'une installation PV.
30
CHAPITRE III. CALCUL ET DIMENSIONNEMENT D'UNE
INSTALLATION PV DE LA COLLINE MAKOMBE
III.0. Introduction
Dans ce chapitre, nous allons dimensionner un système
photovoltaïque ayant pour but de déterminer la taille du
générateur, la capacité de stockage, le cas
échéant la puissance d'un convertisseur, voir l'inclinaison des
modules et la tension d'utilisation. Ce dimensionnement ayant aussi pour but de
déterminer l'optimum technico-économique entre la puissance
crête du champ de panneaux solaires et la capacité de batteries
associées à partir des besoins électriques de
l'utilisateur d'une part, des données d'ensoleillement du site d'autre
part [21].
III.1. Méthodologie à suivre
Le dimensionnement d'un système PV pouvant se faire en
suivant les principales étapes :
1. Détermination des besoins en énergie de
l'utilisateur c'est-à-dire la puissance des équipements et
durée d'utilisation ;
2. Dimensionnement et choix des modules solaire PV : tension
de fonctionnement, technologie, puissance totale à installer (puissance
crête) ;
3. Dimensionnement et le choix des batteries :
définition de leurs capacité et choix de leur technologie ;
4. Dimensionnement et le choix des régulateurs ;
5. Dimensionnement et le choix d'un onduleur ;
6. Dimensionnement et le choix des câbles ;
7. Choix de l'angle d'inclinaison et orientation des modules
solaires ;
8. Dimensionnement et choix de la protection à mettre
en place ;
9. Coût estimatif.
III.1.1. Evaluation en énergie
Il s'agit d'estimer la consommation des équipements
qu'il convient de connaître. Le but essentiel est d'obtenir la
consommation totale moyenne par jour et par période. L'énergie
totale moyenne E (Wh/j) requise par jour est la consommation
énergétique des différents récepteurs composant le
système à étudier, c'est-à-dire les lampes LED ou
Fluo, les chargeurs de téléphones, fers à repasser,
etc.
La détermination des besoins en énergie pour la
consommation d'une population de la colline MAKOMBE dépend
essentiellement de son mode de vie. Ces besoins nécessaires par cellule,
par ménage et par jour, sont estimés à partir des tableaux
suivants :
31
1. Cellule RUSOKO
Tableau 3: Consommation énergétique
journalière, cas de la cellule Rusoko
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale
en Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
436
|
8720
|
6
|
52320
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
436
|
8720
|
6
|
52320
|
|
chargeurs de
téléphone mobile
|
2,5
|
138
|
345
|
7
|
2415
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
254
|
5080
|
6
|
30480
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
100
|
2000
|
6
|
12000
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
100
|
2000
|
6
|
12000
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
400
|
8000
|
6
|
48000
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
2
|
40
|
6
|
240
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
6
|
120
|
6
|
720
|
|
Cabarets
|
lampes LED
|
20
|
42
|
840
|
6
|
5040
|
|
Salon de
coiffures
|
lampes LED
|
20
|
1
|
20
|
6
|
120
|
|
tondeuses cheveux
|
15
|
2
|
30
|
6
|
180
|
|
Total
|
|
217,5
|
1917
|
35915
|
73
|
215835
|
Dans cette cellule, la puissance nécessaire est de
35915 W et une énergie de 215835
Wh.
2. Cellule KAREHE I
Tableau 4: Consommation énergétique
journalière, cas de la cellule Karehe I
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale en
Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
701
|
14020
|
6
|
84120
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
419
|
8380
|
6
|
50280
|
|
chargeurs de
téléphone mobile
|
2,5
|
211
|
527,5
|
7
|
3692,5
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
153
|
3060
|
6
|
18360
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
153
|
3060
|
6
|
18360
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
612
|
12240
|
6
|
73440
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
8
|
160
|
6
|
960
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
10
|
200
|
6
|
1200
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
3
|
60
|
6
|
360
|
|
Cabarets
|
lampes LED
|
20
|
4
|
80
|
6
|
480
|
|
Salon de
coiffures
|
lampes LED
|
20
|
1
|
20
|
6
|
120
|
|
Tondeuses
cheveux
|
15
|
2
|
30
|
6
|
180
|
|
Total
|
|
217,5
|
2277
|
41837,5
|
73
|
251552,5
|
Dans cette cellule, la puissance nécessaire sera de
41837,5 W et une énergie de 251552,5
Wh.
32
3. Cellule KUBUTARE
Tableau 5: Consommation énergétique
journalière, cas d'alimentation domestique
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale en
Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
536
|
10720
|
6
|
64320
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
536
|
10720
|
6
|
64320
|
|
chargeurs de téléphone mobile
|
2,5
|
207
|
517,5
|
7
|
3622,5
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
483
|
9660
|
6
|
57960
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
147
|
2940
|
6
|
17640
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
107
|
2140
|
6
|
12840
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
435
|
8700
|
6
|
52200
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
2
|
40
|
6
|
240
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
3
|
60
|
6
|
360
|
|
Cabarets
|
lampes LED
|
20
|
34
|
680
|
6
|
4080
|
|
Total
|
|
182,5
|
2490
|
46177,5
|
61
|
277582,5
|
Tableau 6: Consommation énergétique
journalière, cas de l'ECOFO Makombe
|
Blocs
|
Désignation
|
Appareils
|
Puissance
nominale
en Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée
de
fonctio
nneme
nt
en
h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
1
|
Salles de classe
(1ère, 2eet 3e
|
lampes LED
|
20
|
6
|
120
|
6
|
720
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
3
|
7,5
|
7
|
52,5
|
|
2
|
Salles de classe
(4eme, 5eme et 6eme
|
lampes LED
|
20
|
12
|
240
|
6
|
1440
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
3
|
7,5
|
7
|
52,5
|
|
3
|
Salles de classe
(7eme, 8eme et
9eme)
|
lampes LED
|
20
|
6
|
120
|
6
|
720
|
|
4
|
Blocs sanitaires
|
lampes LED
|
20
|
4
|
80
|
6
|
480
|
|
5
|
Bureau
administratif
|
lampes LED
|
20
|
2
|
40
|
6
|
240
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
1
|
2,5
|
7
|
17,5
|
|
6
|
Cuisine
|
lampes LED
|
20
|
6
|
120
|
6
|
720
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
12
|
240
|
6
|
1440
|
|
Total
|
|
147,5
|
55
|
977,5
|
63
|
5882,5
|
La puissance totale pour cette cellule s'élève
à 46177,5W+977,5W=47175W. L'énergie nécessaire est de
277582,5 Wh+5882,5Wh=283465Wh.
33
4. Cellule RUGOBAGOBA
Tableau 7: Consommation énergétique
journalière, cas de la cellule Rugobagoba
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale
en Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
776
|
15520
|
6
|
93120
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
776
|
15520
|
6
|
93120
|
|
chargeurs de
téléphone mobile
|
2,5
|
240
|
600
|
7
|
4200
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
671
|
13420
|
6
|
80520
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
136
|
2720
|
6
|
16320
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
136
|
2720
|
6
|
16320
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
544
|
10880
|
6
|
65280
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
1
|
20
|
6
|
120
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
7
|
140
|
6
|
840
|
|
Cabarets
|
lampes LED
|
20
|
35
|
700
|
6
|
4200
|
|
Salon de
coiffures
|
lampes LED
|
20
|
2
|
40
|
6
|
240
|
|
tondeuses
cheveux
|
15
|
4
|
60
|
6
|
360
|
|
Total
|
|
217,5
|
3328
|
62340
|
73
|
374640
|
Dans cette cellule, la puissance nécessaire sera de
62340 W et une énergie de 374640
Wh.
5. Cellule GASEBEYI
Tableau 8: Consommation énergétique
journalière, cas d'alimentation domestique
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale
en Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
1237
|
24740
|
6
|
148440
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
1237
|
24740
|
6
|
148440
|
|
chargeurs de
téléphone
mobile
|
2,5
|
308
|
770
|
7
|
5390
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
1047
|
20940
|
6
|
125640
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
239
|
4780
|
6
|
28680
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
239
|
4780
|
6
|
28680
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
956
|
19120
|
6
|
114720
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
14
|
280
|
6
|
1680
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
10
|
200
|
6
|
1200
|
|
Cabarets
|
lampes LED
|
20
|
42
|
840
|
6
|
5040
|
|
Salon de
coiffures
|
lampes LED
|
20
|
2
|
40
|
6
|
240
|
|
tondeuses
cheveux
|
15
|
4
|
60
|
6
|
360
|
|
Total
|
|
217,5
|
5335
|
101290
|
73
|
608510
|
34
Tableau 9: Consommation énergétique
journalière, cas du CDS Kinyovu
|
Blocs
|
Appareils
|
Puissance
nominale
en Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Maternité
|
lampes fluo
|
26
|
18
|
468
|
12
|
5616
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
2
|
5
|
7
|
35
|
|
Home
|
lampes LED
|
20
|
24
|
480
|
6
|
2880
|
|
chargeur de
téléphone
|
2,5
|
2
|
5
|
7
|
35
|
|
Fers à repasser
|
2400
|
2
|
4800
|
6
|
28800
|
|
Consultation, CPN, accueil, dispensation et stock
|
lampes fluo
|
26
|
40
|
1040
|
12
|
12480
|
|
Frigo
|
200
|
1
|
200
|
24
|
4800
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
3
|
7,5
|
7
|
52,5
|
|
Hébergement
|
lampes fluo
|
26
|
34
|
884
|
12
|
10608
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
2
|
5
|
7
|
35
|
|
Administration,
PF
|
lampes fluo
|
26
|
14
|
364
|
12
|
4368
|
|
ordinateur de
bureau Intel
|
65
|
1
|
65
|
9
|
585
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
1
|
2,5
|
7
|
17,5
|
|
Laboratoire
|
lampes fluo
|
26
|
12
|
312
|
12
|
3744
|
|
chargeurs de
téléphone
|
2,5
|
2
|
5
|
7
|
35
|
|
Morgue
|
lampes fluo
|
26
|
6
|
156
|
12
|
1872
|
|
Frigos
|
200
|
2
|
400
|
24
|
9600
|
|
Bloc sanitaires
|
lampes fluo
|
26
|
8
|
208
|
12
|
2496
|
|
Externe
|
lampes fluo
|
26
|
16
|
416
|
12
|
4992
|
|
Total
|
|
3108
|
190
|
9823
|
207
|
93051
|
A Gasebeyi :
La puissance nécessaire sur toute la cellule est de=101290
W+9823W=111113W L'énergie : 608510Wh+93051Wh=701561Wh
35
6. Cellule GISAGARA
Tableau 10: Consommation énergétique
journalière, cas de la cellule Gisagara
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale
en Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
432
|
8640
|
6
|
51840
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
432
|
8640
|
6
|
51840
|
|
chargeurs de
téléphone
mobile
|
2,5
|
86
|
215
|
7
|
1505
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
332
|
6640
|
6
|
39840
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
97
|
1940
|
6
|
11640
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
97
|
1940
|
6
|
11640
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
241
|
4820
|
6
|
28920
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
1
|
20
|
6
|
120
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
3
|
60
|
6
|
360
|
|
Total
|
|
162,5
|
1721
|
32915
|
55
|
197705
|
Dans cette cellule, la puissance nécessaire est de
32915 W et une énergie de 197705 Wh.
Tableau 11: Consommation énergétique journalière,
cas de la cellule Karehe II
|
Eléments
|
Appareils
|
Puissance
nominale en
Watt
|
Quantité
|
Puissance
totale en
Watt
|
Durée de
fonctionnement
en h/j
|
Energie
consommée
en Wh/j
|
|
Salons
|
lampes LED
|
20
|
272
|
5440
|
6
|
32640
|
|
Chambres
|
lampes LED
|
20
|
272
|
5440
|
6
|
32640
|
|
chargeurs
de
téléphone
mobile
|
2,5
|
117
|
292,5
|
7
|
2047,5
|
|
Corridors
|
lampes LED
|
20
|
165
|
3300
|
6
|
19800
|
|
Toilettes
|
lampes LED
|
20
|
64
|
1280
|
6
|
7680
|
|
Cuisines
|
lampes LED
|
20
|
64
|
1280
|
6
|
7680
|
|
Externe
|
lampes LED
|
20
|
256
|
5120
|
6
|
30720
|
|
Etables
|
lampes LED
|
20
|
1
|
20
|
12
|
240
|
|
Boutiques
|
lampes LED
|
20
|
3
|
60
|
6
|
360
|
|
Total
|
|
162,5
|
1214
|
22232,5
|
61
|
133807,5
|
Dans cette cellule, la puissance nécessaire est de
22232,5W et une énergie de 133807,5
Wh.
Figure 23: Diagramme de la puissance et de
l'énergie nécessaires par jour par cellule
36
Tableau 12: Consommation globale journalière de la
colline Makombe
|
Désignation
|
Puissance totale en
Watt
|
Energie consommée en Wh/j
|
|
RUSOKO
|
35915
|
215835
|
|
KAREHE I
|
41837,5
|
251552,5
|
|
KUBUTARE
|
47175
|
283465
|
|
RUGOBAGOBA
|
62340
|
374640
|
|
GASEBEYI
|
111113
|
691691
|
|
GISAGARA
|
32915
|
197705
|
|
KAREHE II
|
22232,5
|
133807,5
|
|
Total
|
353528
|
2158566
|
D'après les tableaux 3, 4, 5, 6,7, 8, 9, 10 et 11 la
puissance totale du site est :
353528 W =353, 528KW et la
consommation énergétique moyenne journalière du site est
de 2158566Wh /j=2158, 566KWh/j.
La figure ci-dessous représente le diagramme
donné par le logiciel Excel 2013 pour analyser l'allure de la puissance
et de l'énergie journalières pour chaque cellule de la colline
Makombe. Nous constatons que la cellule Gasebeyi nécessite plus
d'énergie et de puissance pour satisfaire ses besoins
énergétiques.
|
800000
700000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600000
500000
400000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Puissance nécessaire par cellule en W
|
|
300000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Energie nécessaire par
jour par cellule en
Wh
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
37
III.1.2. Dimensionnement et choix des modules solaire PV
III.1.2.1. Calcul de la puissance crête du site
La puissance crête correspond à la puissance
maximale qu'un panneau solaire peut délivrer en
électricité quand il reçoit du soleil une puissance de
1Kwh/m2. Nous définissons la puissance crête du panneau
par la formule suivante:
Et
???? = ( III-11) [56]
K×Ir
Où :
Pc: Puissance crête de champs photovoltaïque en Watt
(W).
Et: Energie consommée par jour (kWh/jour)
Ir: Temps moyen d'ensoleillement journalier
(Kwh/m2/j)
K: Coefficient correcteur, ce coefficient tient compte:
V' de l'incertitude météorologique ;
V' de l'inclinaison non corrigée des modules suivant la
saison ;
V' du point de fonctionnement des modules ;
V' du rendement moyen charge/décharge de la batterie (90%)
;
V' du rendement de régulateur (95%).
Des pertes dans les câbles et connexions pour les
systèmes avec batterie.
K est en générale compris entre 0.55 et 0.75. La
valeur souvent utilisée dans les calculs du
système avec batterie est k=0.65 [56]. A Kubutare,
l'énergie solaire journalière moyenne est de
5,79 Kwh/m2/j comme le montre le tableau suivant
donné par le logiciel Pvsyst:
Tableau 13: Energie solaire journalière la plus
faible de l'année
|
??????????????
AN: Pc=
5,79 *0,65
|
= 573552,8
|
38
|
Pc=573552,85Wc=573,5528Kwc
a. Calcul du nombre de panneaux
Dans le domaine de l'énergie renouvelable et notamment
la fourniture de panneaux solaires, il existe les différents types de
produits sur le marché. Il est intéressant de se renseigner sur
chacun pour pouvoir faire le bon choix. Tout d'abord, sachez que quatre sortes
de panneaux sont proposées à la vente : le panneau solaire
thermique, le panneau solaire aérovoltaïque, le panneau solaire
hybride et le panneau solaire photovoltaïque. Dans notre travail, nous
choisissons les panneaux solaires photovoltaïques de type monocristallin
RS6K-330M car ils ont actuellement le meilleur rendement du marché
existant. Un rendement qui est donc un peu plus élevé que celui
des panneaux polycristallins, d'environ 1 à 3%. La puissance des
panneaux monocristallins est également plus importante [38].
Le dimensionnement des PV solaires dépend de la
fréquence d'occupation de l'habitat et le dimensionnement du
système photovoltaïque dont leurs caractéristiques
électriques sont consignées dans le tableau ci-dessous :
Tableau 14: Grandeurs électriques
caractéristiques des panneaux de type monocristallin [38]
Voici les grandeurs électriques que possèdent les
panneaux RS6K-330M, modèle PVX-2580L :
? Puissance crête=330Wc
? Tension nominale : 24V
? Courant de court-circuit : 9,95A
? Tension en circuit ouvert : 42,9V
? Courant au point de puissance maximale : 9,35A
39
? Tension au point de puissance maximale : 35,3V ? Rendement
cellule : 21,8%
? Rendement module : 19,8%
Np=Pch/Pc unitaire ( III-12) [32]
Avec : Np : Nombre de panneaux du système
Np=573552,8/330= 1738,03 soit 1739
Np=1739 panneaux
Le système PV sera constitué d'un seul champ de
1739 panneaux montés comme suit :
? Détermination du nombre de panneaux
associés en série
Pour déterminer le nombre de panneaux montés en
série, nous faisons choisir la tension de fonctionnement en fonction de
la puissance crête du champ photovoltaïque en watt suivant le
tableau ci-dessous:
Tableau 15: Tension du champ en fonction de sa puissance
crête [16] [56]
|
Puissance crête
(Wc)
|
Moins de
500Wc
|
De 501 à
2000Wc
|
De 2001Wc
à10000Wc
|
Plus de
10000Wc
|
|
Tension de
champ (V)
|
12
|
24
|
48
|
96
|
Comme notre système nécessite une puissance
crête 573552,8Wc > 10000Wc, nous choisissons
la tension du système (U)=96V Nombre des panneaux en
séries :
Nps=U/Upn ( III-13)
Où : Nps : nombre des panneaux branchés en
série
U : tension du système
Upn : tension nominale du panneau
AN : Nps=96/24=4 panneaux en série
? Détermination du nombre de panneaux
associés en parallèle
Nombre des panneaux branchés parallèles
Npp=Np /Nps ( III-14)
Avec: Npp : nombre des panneaux
branchés parallèles
U : tension du système
40
Upn : tension nominale du panneau
AN : Npp=1739/4=434,75 soit 435
Le système aura 435 rangées de 4 panneaux en
série.
La puissance totale du système sera de 1739x
330Wc=573870Wc soit 573,870KWc
III.1.3. Dimensionnement du système de
stockage
La détermination du parc batterie est
réalisée à partir de la prise en compte d'un certain
nombre de jours d'autonomie à assurer à production nulle. Ce
nombre de jours varie suivant les applications et la situation
géographique. Il est de plus possible d'apporter les corrections
suivantes : correction due à la profondeur de décharge
limitée entre 50 % et 75 % selon le constructeur et correction due au
rendement énergétique de la batterie (~ 80 % ) [57]. Le choix
batteries dépend de leur capacité de la quantité
d'énergie capable à stocker. Cette capacité est
exprimée en ampères-heures (Ah). Dans notre système, nous
choisissons les batteries au plomb acide de 250 Ah-24V, une profondeur de
décharge de 80 % avec 5 jours d'autonomie sans apport solaire. Elles ont
l'avantage d'être sans entretien, facilement manipulable avec une
stabilité parfaitement contrôlée par le fabricant [58].
V' Détermination de la capacité de
stockage
Pour effectuer déterminer la capacité de stockage,
nous procédons par l'expression suivante :
C=Et.N/PD.Ub ( III-15) [2] [59]
Avec:
C : Capacité de la batterie, ampère-heure (Ah)
EM: Énergie consommée par jour (Wh/j)
N : jours d'autonomie
PD: la profondeur de décharge maximale autorisée
(0,8 pour les batteries au plomb) qui
est le pourcentage d'énergie maximum que l'on peut
retirer d'une batterie. Elle ne doit pas être déchargée
au-delà de cette valeur, afin de prolonger sa durée de vie
[2].
Ub: tension batterie (V)
AN : C=2158566 .5 0,8.96
/ = 140531,64??h
V' Détermination du nombre d'élément
batterie en série
Us
Nbs=( III-16)[60] U??
Où Nbs : Nombre de batteries montées en
série
41
Us : Tension du système Ub : tension de la
batterie
|
AN: Nbs=
|
96
24
|
=4batteries
|
V' Détermination du nombre de branche
d'élément en parallèle
?? ( III-17)[59]
????
Nbp=
Nbp: Nombre de batteries montées en parallèle Cb :
Capacité d'une batterie
140531,64
AN : Nbp== 562,126 ? ?????? ??atteries
250
Comme ce système fonctionne sous 96V, nous sommes
obligés de réaliser un groupement mixte de batteries au plomb de
24V chacune. On sait que la capacité des batteries identiques
montées en série ne change pas mais que la tension augmente
tandis que celle des batteries identiques montées en parallèle
change alors que la tension reste constante autant de fois que de batteries
couplées, il faut faire un couplage série de 4 batteries pour
produire 96V et 563 en dérivation de 24V-250Ah.
V' Détermination du nombre totale
d'élément batterie
Nb=Nbp X Nbs ( III-18) [59]
Avec :
Nb : nombre total de batterie
AN : Nb= 563 X 4 = ???????? ??atteries III.1.4. Choix du
régulateur
Le choix du régulateur dépend principalement de
la gestion de charge et de décharge des batteries. Il est important que
le courant du système et la tension de fonctionnement du
régulateur joue un grand rôle.
Comme la tension de notre système est de 96V continue
alors que les panneaux PV choisis sont de 24V, le courant du système
Imax se calcule suivant la relation ci-dessous :
On sait:
Pc=Us*Imax ( III-19) [56]
Avec :
Us : tension du système Imax : courant du
système
42
Imax devient Pc /Us ( III-20)
AN: Imax =573870/96=5977,8125
Imax =5977,8125A
Pour déterminer le type de régulateur, on va
ajouter 10% à Imax, donc on a : Imax = 5977,8125+ 5977,8125*0.1
Imax=5977,8125+ 597,78125=6575,59A
Le champ solaire est connecté à l'entrée
du régulateur et la batterie à sa sortie. Lorsque la tension
batterie est inférieure à la tension de régulation, le
régulateur fait fonctionner le générateur
photovoltaïque à puissance maximale Pmpp et transfère cette
puissance à la sortie [21].
Nous allons choisir le régulateur de type MPPT 1000 W
96V 6580A 3633 A UNIVERSAL CONTROLLER CONVERTER. Ce régulateur est
actuellement la meilleure solution car il contient un microprocesseur et un
convertisseur statique qui permet de tirer toute l'énergie du module
photovoltaïque malgré les variations de production de ces
générateurs électriques différentes [22] comme le
montre le tableau (17). Le régulateur MPPT prélève la
puissance à cette
tension Vmp et la renvoie vers les batteries sous une tension
plus basse, ce qui a pour effet d'augmenter le courant de charge. La puissance
est égale au produit de la tension et du courant, ainsi, si la tension
est réduite, le courant augmente nécessairement pour maintenir le
ratio entrée/sortie égal [22].
Tableau 16: Caractéristiques du régulateur
de charge MPPT
III.1.5. Choix de l'onduleur
Le choix de l'onduleur pour les installations PV,
dépend des caractéristiques des panneaux, des batteries et des
récepteurs en tenant compte de la tension d'entrée (tension
continue fournie par le panneau ou les batteries) ; tension de sortie (380 V
AC, 50 Hz); puissance nominale ; puissance maximale (50% de la puissance
nominale) et puissance de l'onduleur exprimée en VA .
43
Dans notre système, la puissance installée
s'évalue à 573870Wc (1739 modules *330Wc) sous une tension Voc de
171,6V et Vmpp de 141,2V disponible aux bornes des modules PV après les
différentes groupements faites, nous calculons la puissance de
l'onduleur comme suit :
Po = Pr / 0,66 ( III-21) [61]
Avec Po : puissance de l'onduleur
Pr : puissance totale des récepteurs
D'où la puissance de l'onduleur = 353528/ 0.66= 535648,648
W=535, 648648 Kw On a puissance d'onduleur=535, 648648 Kw
Nous choisirons un onduleur solaire hybride triphasé de
100 Kw, type SUN2000-100KTL-M1 de caractéristiques électriques
suivantes :
Tableau 17: Caractéristiques techniques de
l'onduleur SUN2000-100KTL-M1 [62]
Figure 24: Onduleur solaire hybride triphasé de
type SUN2000-100KTL-M1 [62]
44
Calcul du nombre d'onduleur
Le nombre d'onduleur est calculé par la relation :
No=Po/Pom ( III-22)
Avec No : nombre d'onduleur
Po : puissance de l'onduleur
Pom : puissance unitaire de l'onduleur
AN: No=535, 648648 /100= 5,35soit 6
No= 6onduleurs
III.1.6. Choix des câbles
Le fil conducteur a une certaine résistance au courant
qui le traverse, il se produit une chute de tension Ä???????? entre le
module photovoltaïque proportionnelle au courant maximal
délivré à la batterie sous forme :
A????????=??×????????. ( III-23) La résistance est la fonction des
paramètres constitutif du câble sous la formule de Pouillet
suivante : ??=p???? ( III-24)
Avec R : résistance du conducteur
p : la résistivité du câble qui dépend
de la nature du matériau en Ùm
S : Section du fils conducteur en m2
L : longueur du fil conducteur en m
? Détermination du courant de sortie d'un
panneau
Le courant de sortie d'un panneau se calcule à partir
de sa puissance nominale et est donné par la relation ci-dessous :
I=P/U ( III-25)
Avec P : Puissance nominale d'un panneau
U : tension aux bornes du panneau
I : courant débité d'un panneau PV AN :
I=330/24=13,75 A
? Détermination des sections des conducteurs
entre les panneaux et le boitier de raccordement :
Nous avons : AU = 24x0, 02 = 0,48
Donc Rmax de la ligne R=AU/I (III-26)
AN:
R=0,48/13,75=0,034?
45
S=????/R ( III-27)
S= (1,6 10-8. 10)/ 0,034= 4,7mm2 ce qui
correspond à une section normalisée de S=6 mm2
? Détermination de la section des conducteurs
entre le boitier de raccordement et
l'onduleur
Le courant circule entre le boitier et l'onduleur sera :
I= Pc/ Ub ( III-28)
Ub : la tension de la batterie
AN : I = 573870/96=5977,8125A Section des conducteurs
R=DU/I ( III-29)
Puisque nous avons 11 onduleurs dans notre système, nous
cherchons le courant circulant dans
5977,8125A
un seul onduleur : I==996,19A
6
AN: R=0, 48/996,19=0,00048?
S= (1, 6 10-8. 10)/ 0,00048=0,0003m2
Alors on choisit le câble de section S = 300
mm2.
? Détermination du courant circulant entre les
batteries et l'onduleur
Puissance de l'onduleur=100KW=100000W
I=Pmax/U batterie= 100000/96=1041,67A
R=0, 48/1041,67=0,00046 ?
S=????/R
S= (1,6 10-8. 10)/ 0,00046=350 mm2 ce qui
correspond à une section normalisée de S=400mm2.
III.1.7. Surface du champ photovoltaïque
Les panneaux choisis disposent les dimensions du panneau solaire
: longueur x largeur x épaisseur (mm) 1956 x 992 x 40 mm [63]. La
surface est : 1,956*0,992=1,94m2
La surface totale occupée par le champ sur le sol est :
St=Np*Sm ( III-31)
Sm : C'est la surface d'un module en m2
Np : nombre de panneaux du système
St : surface totale en m2
AN : St=1739 ×1,94m2=3373,66m2=33,7366ares
46
La surface totale occupée par tous les panneaux solaires
est de :
St=3373,66m2=33,7366ares
III.1.8. Choix de l'angle d'inclinaison et orientation
des modules solaires
L'énergie solaire captée par un panneau
photovoltaïque sera maximale s'il est orienté perpendiculairement
au rayonnement direct du soleil. L'orientation idéale d'un module
photovoltaïque obéit à une règle vers
l'équateur : orientation vers le sud dans l'hémisphère
Nord et orientation vers le nord dans l'hémisphère Sud.
L'inclinaison idéale est environ égale à la latitude du
lieu + 10° [15]. Comme notre site est situé à 2,5536° de
latitude Sud dans l'hémisphère sud et à cette latitude, le
soleil reste plus long temps au Nord, nous orienterons les modules vers le nord
à une inclinaison de 12, 5536°, soit 13° afin de maximiser la
puissance de sortie.
III.1.9. Raccordement convertisseur
disjoncteur
Pour ceci, nous nous situons déjà dans le
domaine de courant alternatif 230V. Alors, la limite admissible de chute de
tension dans les câbles est 5%Umax. Nous proposons une distance de 10m
entre le convertisseur et le disjoncteur. Sachant que la puissance de charge
maximale est de
P 573870
603900W, on aura alors Imax= =
=1440,53A
??v3 230v3
Dans notre système nous choisissons le disjoncteur de
base de la série Compact NS de Schneider Electric à 4 pôles
dont ses caractéristiques techniques sont mentionnées dans le
tableau suivant :
Tableau 18: Caractéristiques techniques du
disjoncteur de base de la série Compact NS de Schneider Electric
à 4 pôles [64]
47
Le disjoncteur de base de la série Compact NS de
Schneider Electric à 4 pôles est contrôlé par un
commutateur à bascule actionné manuellement. Il a un courant
opérationnel de 2 000 A, indice de protection IP40, température
de l'air ambiant pour le fonctionnement de -25 à 70 °C,
durabilité mécanique de 5 000 cycles conformément à
CEI 60947-2 et support de montage de la plaque arrière ayant les
caractéristiques suivantes :
Figure 25: Disjoncteur Schneider Electric Compact 4
pôles, 2kA, montage fixe [64] Conclusion
Ce chapitre a été consacré à la
description d'une méthode de dimensionnement du système
isolé avec batteries pour l'alimentation en électricité
des habitants de la colline Makombe. Par calcul, nous avons utilisé les
valeurs journaliers pour les jours types du site d'implantation avec un profil
de charge identique pour tous les jours au cours de toute l'année, nous
avons besoin théoriquement de 1739 panneaux PV de 330Wc sur une surface
de 3373,66m2 avec 2249 batteries de capacité de 250 Ah
chacune dans le système de puissance crête de 573 Kwc.
48
CHAPITRE IV. SIMULATION ET PRESENTATION DES RESULTATS
IV.0. Introduction
Dans ce chapitre, nous allons présenter les
résultats obtenus par calcul dans le logiciel Pvsyst afin de
vérifier que les résultats trouvés au chapitre III sont
correctes.
IV.1. Logiciel PVsyst
PV System est un logiciel délié à
photovoltaïque qui propose des fonctionnalités très
poussées telle que son application à 3D qui permet de simuler la
course du soleil et les ombres portées afin d'optimiser l'implantation
des modules PV. Ce logiciel est conçu pour être utilisé en
ingénierie, en recherche scientifique et technique notamment pour
importer des données météo d'une dizaine de sources
différentes ainsi que des données personnelles.
IV.2. Fonctionnalités générales,
système isolé avec batteries
Pour un projet donné (définissant site et
météo), nous pouvons construire plusieurs variations de notre
système.
IV.2.1. Projet d'un système isolé PV avec
batteries à Makombe
La figure suivante designe la fenêtre de création
du projet et ses paramètres principaux tels que l'orientation, besoins
d'utilisateur, le système et aussi les pertes detaillés ;
optionel (horizon, ombrages proches, evaluation économique) et la
simulation.
Figure 26: Désignation du projet dans
PVSYST
49
La figure 25 sert à définir des usages domestiques
journaliers pour l'année tels que la consommation et la distribution
horaire.
Figure 27: Estimation de consommation
IV. 2.2. Dimensionnement de système PV
isolé
Un outil spécifique rassemble toutes les contraintes
pour le dimensionnement du système : le nombre de modules en
série, le dimensionnement de l'onduleur, dimensionnement optimal de
l'onduleur est basé sur la perte de surcharge acceptable sur une
année. Nous avons choisi le type de panneau qui convient à une
puissance de 330WC mono puis un convertisseur MPPT de 24 V ; nous avons obtenu
comme résultats 1648 panneaux pour une surface de 3 198 m2.
50
Cette figure nous indique les besoins journaliers moyens, le
système de stockage et le champ PV/ onduleur.
Figure 28: Conditions de dimensionnement champ/ onduleur
dans PVSYST IV.2.3. Site d'implantation
Pour la simulation du projet d'installation du système,
nous avons choisi le site de Makombe précisément dans la cellule
Kubutare où les données géographiques et
météorologiques sont incluses dans le Logiciel PVSYST :
2,5536°de latitude Sud, 29,9525° et de 1455m d'altitude.
51
a. Orientation des panneaux
Nous choisirons ici l'orientation (inclinaison et azimut du
panneau). Néanmoins ici nous pourrons choisir entre différent
types d'ajustement: un panneau fixe, un panneau possédant deux
inclinaisons : une pour l'hiver et une pour l'été, un panneau
suivant le soleil sur les deux axes, il faudra alors déterminer les
butées, un panneau qui change seulement son azimut sur un axe
incliné, on règlera aussi les butées, un panneau qui
change seulement son inclinaison, nous choisirons l'azimut et les
buttées, deux panneaux avec des positions et des tailles
différentes, ou plusieurs panneaux posés sur le sol ou contre un
mur.
Pour la simulation en technologie de silicium monocristallin,
nous avons préféré un plan incliné d'une
inclinaison 13° (par rapport à l'horizontale) comme l'illustre la
figure. Cette inclinaison optimale est donnée par le logiciel PVSYST
pour une puissance maximale de sortie. En dehors de cette inclinaison, le
rendement diminue.
Figure 29: Positionnement de systèmes de
panneaux
b. Répartition d'un champ PV
Les paramètres de dimensionnement du champ PV pour une
puissance limité de574Kwc. Ces paramètres sont fournis par le
logiciel PV Syst: orientation plan capteurs, information système et
52
le site géographique de Kubutare comme la figure suivante
nous indique l'énergie disponible de l'utilisateur est de 772117 kWh par
l'an.
Figure 30: Résumé du projet fourni par
pvsyst Comme illustré sur la figure ci-dessous :
? angle d'inclinaison est de 13°C ;
? champ photovoltaïque est composé de 1740
unités PV ;
53
? champ PV sera constitué de 1740 modules PV
répartis sur une Unité de surface de 3376m2 ;
? 4 panneaux connectés en série ;
? 435 panneaux connectés en parallèle.
? puissance globale est 574Kwc.
Figure 31: Paramètres de simulation d'un
système PV
La figure suivante est résumé les pertes
influençant la production du système PV à savoir : ?
pertes ohmiques du câblage ;
54
V' effets d'incidence ;
V' pertes dues à la température du champ ; V'
pertes de collection ;
V' pertes dû à la qualité des modules,...
etc.
Parmi celles-ci, nous remarquons que la contribution la plus
importante est celle de l'onduleur, d'où l'importance de prendre en
considération l'efficacité de l'onduleur. Cette figure suivante
représente l'indice de performance qui est défini par le rapport
de la production du système par l'énergie incidente de
référence.
Figure 32: Énergie utile produite par le
Système PV
Tableau 19: Bilans et résultants principaux du
site de production (Kubutare)
Nous présentons le bilan énergétique mis
en jeu par le système étudié comme le montre dans le
tableau suivant :
? E_load : la quantité d'énergie nécessaire
au besoin de l'utilisateur pour chaque mois de l'année. Le besoin annuel
total est de 7878790kWh ;
55
- E_Avail : énergie produite par le système PV
pour chaque mois de l'année. L'énergie
annuelle disponible totale est de 982855kWh ;
- E_User : énergie utilisée par le consommateur
pour chaque mois de l'année. L'énergie
utilisée annuelle totale est de 782926 kWh ;
- E_Miss : énergie annuelle manquée est de 4984
Kwh ;
- EUnused : énergie inutilisable annuelle est 152024kWh
;
- GlobHor : irradiation globale horizontale qui, est une
capacité d'ensoleillement annuelle
moyenne d'une fraction de 2113 kWh/m2 ;
- GlobEff : effectif global de correction annuel de 2043,7
kWh/m2.
Le diagramme suivant effectué dans le logiciel PVsyst
nous indique la nature de l'énergie perdue à chaque niveau de
notre système.
De ce fait, avec l'irradiation globale horizontale (2113
kWh/m2), nous avons l'irradiation effective des capteurs de 2043,7
kWh/m2 sur une surface de 3376 m2. Au niveau de la
conversion du champ PV d'énergie nominale de 1173709 kWh, suites aux
différentes pertes à ce niveau, l'énergie effective de
sortie du champ est diminuée jusqu'à 867896 kWh. Cette
énergie ne sera
56
pas diminuée encore à 830831 kWh suite aux
pertes nulles au niveau convertisseur. L'énergie disponible à
stocker est de 830831 kWh mais à cause des pertes survenues au niveau
des batteries, l'energie pouvant disponible à utilisateur sera
782926kWh.
Figure 33: Diagramme des pertes
La figure ci-dessous nous donne les variations d'energie
effective à l'entrée et à la sortie du champ du 01/01 au
31/12. Si l'irradiation global incident plan des capteurs augmente,
l'énergie effective de sortie du champ augmente. Cela veut que
d'après les resultats du tableau 15, les mois où l'énergie
effective de sortie du champ est importante sont Juillet, Octobre à
Décembre, le mois
57
de Janvier et Mars tandis que l'énergie effective de
sortie du champ moins importante s'enregistre au mois de Février, Avril
à juin et le mois de Septembre.
Figure 34: Diagramme journalier d'Entrée/Sortie du
système PV IV.3. Coût estimatif
La méthode d'établissement du coût de revient
des équipements électriques est fondée sur des estimations
qui sont par la suite mises à jour périodiquement pour tenir
compte des écarts entre les coûts estimatifs et les coûts
réels.
Le coût total d'installation du système PV pour
l'alimentation en électricité la colline Makombe est
estimé à 2063019,40€, soit 2063019,40
×2286,98 Fbu=4718084107,412Fbu ; Le coût
58
d'exploitation est de 78590,08€, soit
78590,08 × 2286,98 Fbu= 179733941,1584Fbu et la
prévision pour l'amortissement 1395667,40
×2286,98=3191864756,9004 Fbu.
Or :
1€=2286,98 Fbu [65]
Tableau 20: Coût estimatif des équipements
électriques
Conclusion
Ce chapitre de simulation dans notre système
isolé avec batteries issus de la simulation élaborée par
le logiciel Pvsyst dont le nombre de batteries obtenu en fonction du nombre des
modules photovoltaïques pour le site choisi a été bien
déterminé: 1740 panneaux PV de 330Wc avec 2248 batteries de
capacité de 250 Ah chacune dans le système de 574Kwc. Le profil
de la charge demandée, plus un rendement de batteries de 80% avec
profondeur de décharge minimale de 20% et un rendement d'un
système isolé photovoltaïque ont une grande importance pour
la gestion des flux énergétiques de l'installation. Comparant les
résultats trouvés au troisième chapitre du
quatrième, nous pouvons conclure que notre système est bien
conçu.
59
CONCLUSION GENERALE ET SUGGESTIONS
Notre travail est porté sur le calcul et le
dimensionnement d'un système photovoltaïque pour l'alimentation en
électricité de la commune NTEGA : cas de la colline Makombe,
s'est articulé sur quatre chapitres : le premier chapitre nous
a permis de connaître les généralités sur les
énergies solaires PV à l'étude théorique qui nous a
guidé à entamer ce travail ; le deuxième chapitre a
généralement parlé sur la description du site de travail
qui a aidé à évaluer la performance
énergétique de toute la colline et dans le troisième
chapitre, nous avons fait dimensionner par calcul afin de déterminer la
puissance crête du champ photovoltaïque pour permettre une
alimentation permanente des récepteurs de charge avec les batteries
solaires ( dans ce cas, nous avons choisi les batteries au plomb acide) et
enfin le dernier chapitre de simulation par le logiciel Pvsyst nous a permis
d'appliquer une étude par simulation numérique de l'installation
PV de puissance 573Kwc par jour, soit 209 Mwc par l'an et de l'énergie
2Mwh par jour, soit 730 Mwh par l'an. Le logiciel Pvsyst répond
correctement aux choix des composants constituants notre installation,
plusieurs résultats sont obtenus avec meilleurs perspectives.
Le système choisi a fait rappel aux énergies
renouvelables. Pour alimenter cette colline, nous avons proposé le
système de type isolé avec batteries, lequel présente un
grand nombre d'avantages par le fait que l'installation principalement celle
des modules est adaptée à de divers besoins
énergétiques aux coûts de fonctionnement très
faibles du point de vu entretien. Cette technologie présentera un atout
pour la consommation électrique des foyers ruraux, ensuite contribuera
une part pour le développement durable de la colline Makombe et de la
commune en général (conceptions des activités
industrielles etc.) sans toutefois oublier tout le territoire burundais. Une
telle démarche dans tous les cas, une estimation la plus précise
possible de la rentabilité économique, un bon dimensionnement
photovoltaïque est nécessaire pour assurer une alimentation
efficace de la colline d'étude et autres collines voisines, etc.
En fin de ce travail, nous souhaitons vivement que ce projet
puisse prendre en considération pour d'autres études plus
approfondies pour élargir son utilisation. Avant de quitter la plage,
nous laissons la ligne de recherche aux autres scientifiques pour continuer la
recherche sur les systèmes de commande, le dimensionnement des lignes de
distributions vers les cellules, etc de la colline et ses environs sans oublier
la transmission.
60
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photovoltaique et systeme photovoltaique autonome, Université Badji
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