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
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
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|
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|
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|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600000
500000
400000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Puissance nécessaire par cellule en W
|
|
300000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
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|
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|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
Energie nécessaire par
jour par cellule en
Wh
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100000
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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
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