Dimensionnement du système PV isolé et hybride

Table des matières

Introduction...........................................................................................................................................1
I. Présentation du système autonome et hybride.............................................................................2
a) Définition du système isolé :......................................................................................................2
b) Définition des systèmes hybrides :.............................................................................................2
II. Notions de bases sur les cellules, les panneaux et Le système photovoltaïque.............................3
a. Les cellules photovoltaïque, les panneaux.................................................................................3
III. Principe de fonctionnement.......................................................................................................4
1. Le système photovoltaïque........................................................................................................4
2. Différents types de système Photovoltaïque...........................................................................4
3. Batteries de stockage.................................................................................................................6
IV. Dimensionnement......................................................................................................................9
i. V.1 Cas d’un système isolé........................................................................................................10
V. Cas pratique..................................................................................................................................11
ii. Évaluation des besoins en énergie............................................................................................11
iii. Dimensionnement des modules photovoltaïques....................................................................12
Puissance crête totale du champ photovoltaïque........................................................................12
iv. Choix de la tension de fonctionnement....................................................................................12
v. Détermination du nombre de modules à installer....................................................................13
vi. Dimensionnement des batteries de stockages.........................................................................14
vii. Choix du régulateur..............................................................................................................14
viii. Choix de l’onduleur...............................................................................................................15
Conclusion............................................................................................................................................15
Bibliographie........................................................................................................................................16

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 Dimensionnement du système PV isolé et hybride

Introduction
La production de l’énergie a toujours constituée un défi de taille pour les sociétés
humaine, en effet, leurs besoins en énergie ne cessent de progresser, par ailleurs la plus
grande partie de cette énergie est produite actuellement à partir de gisements fossiles (pétrole,
gaz, charbon …) et qui de fait ne sont pas infinis, étant des sources très polluantes, leurs
extraction ainsi que leurs utilisation pose le nouveau problème de la préservation de la
planète. Pour continuer et améliorer le développement de nos sociétés, il est impératif et de
plus en plus urgent de trouver de nouvelles sources d’énergie qui se régénèrent suffisamment
vite pour être considérer comme étant inépuisables et dont l’utilisation se doit d’être propre.

On distingue les énergies non renouvelables (énergies fossiles), et les énergies

renouvelables. Les énergies renouvelables sont disponibles partout sur notre planète. Elles
sont fiables, durables, inépuisables et gratuites. Les pollutions que génèrent leur
transformation sont limitées, voire nulles. Ces énergies sont des ressources intermittentes ce
qui induit de grandes variations de puissance. L’utilisation des systèmes d’une seule source
d’énergie peut ne pas subvenir à elle seule aux besoins énergétiques souhaités. Elle engendre
souvent un surdimensionnement des composants et ceci occasionne souvent des surcoûts
inutiles.

La combinaison de plusieurs sources d’énergies renouvelables, connue sous le nom

‘hybridation’, permet d’optimiser au maximum les systèmes de production d’électricité, aussi
bien du point de vue technique qu’économique. Actuellement les systèmes hybrides associent
au moins deux technologies complémentaires: une ou plusieurs sources d’énergie classiques,
généralement des générateurs diesel, et au moins une source d’énergie renouvelable.

Le travail de recherche présenté dans ce document porte sur le dimensionnement du

système PV isolé et hybride.

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I. Présentation du système autonome et hybride

a) Définition du système isolé :
Un système photovoltaïque isolé (autonome), également appelé système solaire hors réseau,
est un système de production d’énergie autonome qui fonctionne indépendamment du réseau
électrique. Il utilise des panneaux solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité, qui
est ensuite stockée dans des batteries pour être utilisée lorsque le soleil ne brille pas. Ce type
de système est couramment utilisé dans les zones reculées où il n’y a pas d’accès au réseau,
ou dans les situations où l’alimentation électrique du réseau est peu fiable ou coûteuse.

b) Définition des systèmes hybrides :

Un Système Energétique Hybride, est tout système énergétique exploitant simultanément
plusieurs sources d’énergies présentant des propriétés différentes. Généralement des sources
d’énergies renouvelables qui doivent être avantageusement associées à des groupes
électrogènes afin d’atteindre, un objectif d’électrification des sites autonomes dans un
contexte de « développement durable et de réchauffement climatique »

Figure 1 : Structure d’un système d’électrification hybride

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II. Notions de bases sur les cellules, les panneaux et Le système

photovoltaïque
Notre étude sera basée sur le dimensionnement du système PV, le système comprend
généralement :

 Les panneaux.
 Les batteries.
 Les onduleurs.
 Les régulateurs de charge.
 Les autres accessoires.

a. Les cellules photovoltaïque, les panneaux

Cellule photovoltaïque : est l’unité de base qui permet de convertir l’énergie lumineuse en
énergie électrique.

Figure 2 : cellule PV

Le Panneau photovoltaïque est formé d’un assemblage de cellules photovoltaïques.

Il existe différents types de panneaux solaires. Chaque type est caractérisé par son rendement
et son coût. Les principaux types de cellules qui existent actuellement sont :

 Monocristallines cristal à deux couches (souvent en silicium) Rendement de 15 à 22%

mais chères à fabriquer.
 Polycristallines Plusieurs cristaux. Rendement de 10 à 13% et un peu moins chères.

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 Amorphes 5 à 10% de rendement et prix très bas [4]

Figure 3: Les différents types de cellule solaire.

III. Principe de fonctionnement

Un panneau solaire convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique (DC), il est
composé de cellules photovoltaïques elles même constituées de matériaux semi-conducteurs
qui conduisent moyennement l'électricité. Et Ces matériaux peuvent libérer leurs électrons
sous l'effet de l'énergie lumineuse (photons).

1. Le système photovoltaïque
Un système photovoltaïque est constitué d’un générateur photovoltaïque et d’un ensemble de
composants électriques (convertisseur, batterie de stockage avec son régulateur de charge,
câblage et protection) qui permettent d’adapter la puissance électrique produite aux
spécifications des récepteurs (voir figure 1).

2. Différents types de système Photovoltaïque

Selon les besoins de la charge, Les systèmes PV sont classés en fonction de trois types :

 autonomes,
 hybrides
 et reliés au réseau.

Les deux premiers types seront étudiés dans ce document.

2.1 Systèmes autonomes (off grid)

Ils sont complètement indépendants d’autres sources d’énergie. Ils servent habituellement à
alimenter les maisons, les ecoles ou les camps dans les régions éloignées ainsi qu’à des

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applications comme la surveillance à distance et le pompage de l’eau. Dans la majorité des

cas, un système autonome exigera des batteries d’accumulateurs pour stocker l’énergie. De
tels systèmes sont particulièrement utiles et rentables dans les applications estivales, lorsque
l’accès à un endroit est difficile ou coûteux ou lorsque les besoins en entretien doivent être
réduits au minimum.

On peut classifier ce type en deux modes :

 Autonome avec batteries pour les systèmes autonomes qui nécessitent une continuité
de service durant toute la nuit ou quelques heurs de la nuit.
 Autonome sans batteries (au file de soleil) destiné pour le pompage photovoltaïque.

Figure 4 : système autonome sans batterie

Figure 5 : système autonome avec batterie

2.2 Systèmes hybrides (hybrid)

Ils reçoivent une partie de leur énergie d’une ou de plusieurs sources supplémentaires, En
pratique, les modules de systèmes PV sont souvent alliés à une éolienne ou à une génératrice à

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combustible. De tels systèmes ont habituellement des accumulateurs de stockage d’énergie.

Ils conviennent mieux lorsque la demande d’énergie est élevée (pendant l’hiver ou tout au
long de l’année), lorsque l’énergie doit être fournie sur demande ou si votre budget est limité.

Figure 6 : système hybride

3. Batteries de stockage
Les batteries solaires stockent l'énergie produite par les panneaux photovoltaïques afin
d’assurer l'alimentation électrique en toutes circonstances (jour ou nuit, ciel dégagé ou
couvert). Une batterie utilisée avec des panneaux solaires ou une éolienne est une batterie à
décharge lente (appelée aussi batterie solaire). Ces batteries sont spécifiquement conçues pour
les applications solaires ou éoliennes. Elles n'ont pas les mêmes caractéristiques qu'une
batterie de voiture par exemple, elles se déchargent plus progressivement et supportent mieux
les décharges fréquentes peu profondes.

Vous pouvez brancher une batterie solaire directement sur un panneau solaire, mais vous
risquez d'endommager la batterie si son niveau de charge dépasse les 90%. C'est pour cela
qu'il est vivement recommandé d'installer un régulateur solaire entre le panneau solaire
photovoltaïque et les batteries solaires

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Figure 7 : type de batteries solaires.

4. L’onduleur

Figure 8 : Type d’onduleur

Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de fournir des tensions

alternatif avec une fréquence fixe ou ajustable à partir d'une source d'énergie électrique de
tension contenu. Avec même puissance presque, L'onduleur est un convertisseur statique de
type continu/alternatif.

On peut trouver trois types d'onduleurs utilisés dans les énergies renouvelables, onduleurs
autonomes et les onduleurs connectés au réseau, Il existe aussi les onduleurs hybrides ou
intelligents.

Onduleurs autonomes

à partir d’une source contenu (Batterie) l’onduleur doit fournir une tension alternative 220V
avec une fréquence de 50Hz ou 60Hz afin d’alimenter une telle charge alternative

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Onduleur / Chargeur ( Onduleur hybride)

Il s'agit d'un onduleur / chargeur multi-fonction, combinant les fonctions de l'onduleur,

chargeur solaire MPPT et chargeur de batterie pour offrir un soutien d'alimentation sans
coupure avec la taille de portable. Son écran LCD complet permet grâce aux boutons de
configurer facilement ses paramètres, tels que courant de charge, priorité de source chargeur,
tension d'entrée acceptable.

Caractéristiques

 Onduleur à onde sinusoïdale pure ;

 Contrôleur de charge solaire MPPT intégré ;
 Plage de tension d'entrée configurable pour les appareils électroménagers et les
ordinateurs
 Courant de charge de la batterie configurable en fonction des demandes via réglage ;
 Priorité configurable de la source d’énergie : AC / chargeur solaire via les réglages ;
 Compatible à la tension du secteur ou à un générateur ;
 Redémarrage automatique ;
 Protection de court-circuit / surcharge / température ;
 Conception de chargeur de batterie intelligent pour une performance optimale de la
batterie ;
 Fonction de démarrage à froid

L’illustration Figure 9 montre l'application de base pour cet onduleur / chargeur.

L’onduleur/chargeur peut être raccordé aux dispositifs suivants :

 Générateur ou réseau électrique ;

 Modules PV (option). [3]

5. Régulateur de charge

Figure 10 : types des régulateurs

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Un régulateur photovoltaïque sert à contrôler l’état de la batterie solaire. Il autorise la charge

complète de celle-ci tout en évitant les risques de décharge profonde et de surcharge. De cette
façon, le régulateur prolonge la durée de vie de la batterie. C’est un appareil autonome qui
fonctionne de façon automatique pour ajuster la charge de la batterie. Le rôle du régulateur
solaire est d'assurer et réguler la charge des batteries. Il optimise la puissance des panneaux et
empêche les décharges/surcharges profondes nuisibles à la bonne durée de vie des batteries.

 Les régulateurs solaires PWM (Pulse Wide Management) possèdent un bon rendement
et permettent d'optimiser la charge de la batterie. C'est à l'heure actuelle les régulateurs
présentant le meilleur rapport prix/performance.

 Les régulateurs solaires MPPT (Maximum Power point Tracking) quant à eux
exploitent au maximum l'énergie fournie par les panneaux en faisant varier leurs
tensions en fonction de la luminosité. Selon les conditions, ils peuvent être jusqu'à
35% plus performants que les régulateurs PWM

IV. Dimensionnement
« Dimensionner », c’est fixer la « taille », les caractéristiques optimales de chaque
élément d’un système dont on connait la configuration. En effet, le dimensionnement peut
amener finalement à changer le système, par exemple s’il s’avère que des éléments «
optimaux » sur le plan technique sont très chers, ou indisponible, etc... La méthode de
dimensionnement consiste à déterminer d’abord la puissance crête qui fournit l’énergie
électrique nécessaire pendant le mois le moins ensoleillé (généralement MARS, AVRIL Voir
MAI).

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Figure 11 : Procédure de dimensionnement photovoltaïque

i. V.1 Cas d’un système isolé

Les composants d’un système PV autonome sont :

1- Panneaux solaires.
2- Batteries.
3- Onduleur.
4- Régulateur de charge et les Accessoires (câble, protection)

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Figure 12 : structure générale d’un système PV autonome avec batterie.

V. Cas pratique
L’objectif principal de ce travail est d’effectuer un dimensionnement d’une petite
installation photovoltaïque sur la ville de N’Djamena (12.1° N, 15.04° E) au Tchad. Pour cela,
nous allons utiliser les données du potentiel d’énergie solaire pour un meilleur
dimensionnement.

L’intensité du rayonnement global varie en moyenne de 4,5 à 6,5 kWh/m2/j [1], Selon
les récentes données Ndjamena a un potentiel solaire de 4,71 kWh/m²/jour. A partir de ce
potentiel mesuré nous allons effectuer un dimensionnement.

ii. Évaluation des besoins en énergie.

La méthode la plus utilisée pour l’estimation des besoins de puissance et d’énergie, consiste à
recenser les différents appareils électriques et leur durée d’utilisation. C’est ainsi que, nous
avons effectué ce tableau pour un client.

Récepteurs alimenté par onduleur

Appareils Nombre Puissance Fréquences Puissances Energies

unitaire d’utilisation (W) (Wh)
(W) (h/JOUR)
Lampes 12 20 08 240 1920
Ventilateurs 6 50 12 300 3600
télévisions 2 120 8 240 1920
congélateur 01 110 08 110 880
ordinateurs 4 45 02 180 360
Mixeur solaire 01 200 0.25 200 50

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autres 10 20 2 200 400

total 1470 W 9130 Wh

A partir de ce tableau, on note que la puissance totale de tous les récepteurs du client est de
1470 W et le besoin énergétique journalier du village est estimé à 9130Wh/j. Il convient alors
de produire d’avantage d’énergie pour avoir une consommation suffisante (nous allons
considérer ce besoin à 9250 Wh dans nos calculs). Cette énergie produite notée est fonction
du besoin énergétique et d’un coefficient k prenant en compte l’incertitude météorologique,
l’inclinaison non corrigée des modules et le non optimalité du point de fonctionnement des
modules

iii. Dimensionnement des modules photovoltaïques

Le calcul du nombre de module (panneaux) NP dépend de la puissance crête (PC) du champ et
des caractéristiques de fabrication du type de module utilisé.

Puissance crête totale du champ photovoltaïque

La puissance crête totale du champ photovoltaïque dépend de l’ensoleillement (Ens)
quotidienne du lieu d’utilisation.

L’énergie à produire Ep
Besoin journalier
Désigné par la formule suivante : Ep=
K

9130 Wh
Ep= = 15216 .66 W Soit 15217 W
0.6

K : facteur de conversion appliqué pour tenir compte de différentes pertes (modules, batteries,
convertisseur). Ce facteur de conversion a en général pour valeur K=0,6

Pour notre étude, le potentiel solaire annuel étant de 4,71 kWh/m²/jour pour la ville de
N’Djamena. La formule de base pour la détermination de la puissance crête (PC) nécessaire
Energie produite
pour un système photovoltaïque est donnée comme suit Pc=
Ensoleillement

15217
Pc= = 3230.78 Wc soit 3231 Wc.
4 , 71

iv. Choix de la tension de fonctionnement

La tension du champ photovoltaïque dépend du type d’application, de la puissance
photovoltaïque du système de la disponibilité des matériels (modules et récepteur). Elle est

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 Dimensionnement du système PV isolé et hybride

choisie généralement en fonction de la puissance crête du système. Le tableau 2 indique les

valeurs de tension recommandées en fonction de la puissance crête de chaque installation. Le
tableau 2 indique les valeurs de tension recommandées en fonction de la puissance crête de
chaque installation.

Tableau 2 : Les tensions recommandées pour les systèmes photovoltaïques à chaque

intervalle de puissance crête

Les résultats obtenus sur le tableau 2 montrent que la puissance crête de notre client est
supérieure à 2 KWC. En tenant compte des seuils recommandés, nous choisissons une tension
fixée à 48 V (DC) pour notre installation solaire.

v. Détermination du nombre de modules à installer

Le nombre de panneaux photovoltaïques est calculé en fonction des caractéristiques du
module choisi et de la puissance crête (Pc) du générateur. Ainsi, pour calculer le nombre de
panneaux (Np) nécessaire, il suffit de faire le rapport entre la puissance du champ requis
(puissance crête) et la puissance unitaire (Pu) indiquée sur la fiche technique du module.

Puissance crête
Np=
puissance unitaire

3231
Np= =9.231 soit 10 Panneaux photovoltaïques
350

Pour notre installation, nous choisissons des panneaux solaires de type poly-cristallin avec
une puissance nominale 350 WC et une tension 24 V

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 Dimensionnement du système PV isolé et hybride

vi. Dimensionnement des batteries de stockages.

Les batteries servent à stocker le surplus d’énergie produite en journée par l’installation PV
pour le réutiliser lorsque le soleil est voilé. Le système de charge mis en place permet de
recharger les batteries à partir de l’énergie produite par les PV si celle-ci est suffisante ou à
partir de l’énergie provenant du réseau public. Une batterie est caractérisée par deux
grandeurs que sont sa tension (en Volt) et sa capacité (en Ampère heure). Le
dimensionnement se déroule généralement en quatre étapes.

D’abord, il faut déterminer le nombre de jour (Nj) d’autonomie. Le chiffre retenu dépend des
conditions météorologiques de chaque région. Dans notre zone d’étude (N’Djamena une zone
du Sahel), le nombre de jour d’autonomie varie entre 3 à 5 jours.

Ensuite, la profondeur de décharge (Dp) maximale des batteries doit être prise en compte. En
effet, pour une meilleure durée de vie des batteries, elles ne doivent pas se décharger
complètement. Pour cela, un seuil fixé de profondeur maximal de décharge est nécessaire. En
générale cette profondeur varie de 60% à 70% [3]. Après, il y a l’étape de la détermination de
la capacité de stockage Cs (Ah) de la batterie qui se calcule selon la formule suivante

Bj • N
C=
Dp•U
Bj : besoin journalière

N : Nombre de jour d’autonomie,

Dp: la profondeur de décharge maximale (pour les batteries en plomb est de 0 .8).
U : tension de la batterie (12v)
9130 •3
C= =2853.125 soit 2854 A h
0.8 •12
Après calcul, nous avons obtenu une capacité de stockage estimée à 2854 Ah, avec une
autonomie de trois jours de stockage.

C
Le calcul du nombre de batteries est donné par la formule suivante : Nb=
Cb

2854
Nb= = 14.27
200

vii. DIMENSIONNEMENT DES CABLES DE RACORDEMENT :

Dans un système photovoltaïque, les câbles doivent être soigneusement choisis pour éviter des
pertes de puissance trop importantes.

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Les principaux critères de choix de câblage sont :

 Résistance aux rayons solaires forts (U.V) et aux intempéries.

 Section des câbles afin d'éviter une chute de tension importante (meilleur rendement
du système).

 Le diamètre des câbles pour un système photovoltaïque à courant continue plus

important qu'un système à courant alternatif.

 Entre les panneaux et le régulateur, pour une distance donnée :

La formule pour calculer une section de câble pour éviter les pertes est
S = Rho x L x I / PT
 S (mm²) : Section du conducteur
 Rho (ohm) : Résistivité du conducteur (0,017ohm pour le cuivre et 0,019ohm
L’aluminium à 50°C)
 L (m) = Longueur allé + retour du conducteur
 I (A) : Intensité (ici l'intensité des panneaux multipliés par le nombre de parallèle).
 PT (V) : Perte de tension acceptée au niveau des câbles (1% de la tension)
(La tension des panneaux * le nombre de série(s)) x 0,01
Dans notre cas on a :
AN : S= 0.019 x (20 x2) x (10.81x5) / 41.19 x 5x 0.01
S= 16mm2
 Entre le régulateur et les batteries, pour une distance de donnée :
La formule pour calculer une section de câble pour éviter les pertes est :
S = Rho x L x I / PT
 S (mm²) : Section du conducteur
 Rho (ohm) : Résistivité du conducteur (0,017ohm pour le cuivre et 0,019ohm pour
l’aluminium à 50°C)
 L (m) : Longueur allé + retour du conducteur
 I (A) : L’intensité (ici la puissance des panneaux / la tension des batteries
 PT (V) : Perte de tension acceptée au niveau des câbles (1% de la tension) La tension
des batteries soit 48V x 0.01
Dans ce cas, on a :
S = 0.019 x (2x2) x (3500 / 48) / 0,48 = 11,54mm²

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 Dimensionnement du système PV isolé et hybride

viii. Choix du régulateur

Le choix d’un régulateur solaire dépend exclusivement de deux éléments principaux : la
tension entre les panneaux photovoltaïques et les batteries d’un côté, et l’intensité maximale
du régulateur de l’autre. Pour le premier critère, le régulateur doit en général accepter une
tension de 12, de 24 ou de 48 volts. À vrai dire, le contrôle de charge, quel que soit le modèle
ou la marque, peut accepter des plages de tension approximativement large. En ce qui
concerne le second critère, c’est-à-dire l’intensité maximale du régulateur, sachez que celle-ci
doit être largement supérieure à l’intensité de surcharge ou du court-circuit du panneau
solaire auquel le contrôle de charge est relié. Pour information, cette donnée essentielle se
trouve indiquer sur la notice des panneaux. Ainsi, comme prudence est mère de sûreté, il vous
est alors recommandé de prendre une marge de sécurité dans l’ordre de 10 à 20 % lorsque
vient le moment où vous devriez choisir votre régulateur de charge solaire.

Pour notre cas de travail la puissance nominale étant de 1470 W Et la tension d’utilisation
allant à 48 V il nous faut un régulateur MPPT

ix. Choix de l’onduleur

Il s'agit simplement de trouver le meilleur couple « tension/intensité » pour délivrer la plus
forte puissance selon la formule suivante : P (W) = U (V) * I (A). De ce fait, un onduleur est
souvent sous-dimensionné par rapport à la puissance crête des panneaux avec un facteur allant
de 0.8 à 1.

C’est pourquoi nous optons pour un onduleur-chargeur 48 V / 1600W.

On pourrait aussi utiliser un onduleur hybride qui est une partie importante du système
d'alimentation solaire hors réseau. La fonction principale d'un système solaire inverseur
hybride est de convertir le courant continu généré par le panneau solaire en courant alternatif
et de l'alimenter en charges.
L'onduleur solaire hybride est un onduleur hybride solaire MPPT, qui est un onduleur haut
fréquence à ondes sinusoïdales avec un contrôleur MPPT à haut rendement intégré.

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 Dimensionnement du système PV isolé et hybride

Conclusion
Il est incontestable que l’énergie du soleil est l’énergie la plus répandue sur la planète, la plus
abondante et la plus accessible de toutes les énergie dites renouvelables ; elle peut être
consommée directement sur place pour les petites installations ou être récoltée par de grande
stations de production de plusieurs Méga Watt , l’objectif de ce travail a été d’une part
d’effectuer un dimensionnement photovoltaïque autonome et d’autre part de réaliser un
dimensionnement d’un système hybride. On peut en conclure que le photovoltaïque
représente une solution réel de remplacement des énergies fossiles par une énergie verte,
performante et lucrative.

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Bibliographie
[1] RAPPORT NATIONAL DU TCHAD Mbainaissem Peurdoum Richard Consultant
National au PNUD, APPUI ECCAS
[2] Dimensionnement d'une installation solaire pour la réalisation de travaux pratiques dans les
lycées et collèges en zone isolée, Afrique SCIENCE 14(5) (2018) 335 – 345
[3] Manuel d’utilisation Onduleur / Chargeur Onduleur hybride 1KVA -5KVA,
www.Horsréseau.info
[4] Dimensionnement d’une installation PV hybride « application à un système raccorde au
réseau » , République Algérienne démocratique et populaire Ministère de l’enseignement
supérieur et de la recherche scientifique Université Aboubekr Belkaid de Tlemcen Faculté de
Technologie, Mr RAHMOUN Abdessamad

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