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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
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