Intégration de L'énergie Solaire Dans La Gestion Énergétique Optimisée Pour Un Bâtiment
Intégration de L'énergie Solaire Dans La Gestion Énergétique Optimisée Pour Un Bâtiment
Intégration de L'énergie Solaire Dans La Gestion Énergétique Optimisée Pour Un Bâtiment
Faculté de Technologie
Département de Génie Electrique
Spécialité Electromécanique
Thème :
Intégration de l’énergie solaire dans la gestion
énergétique optimisée pour un bâtiment
CHERGUI Aghiles
TALBI Nabil
Encadré par :
Mr K. Djermouni
profonde gratitude.
CHERGUI Agthiles
C’est avec une grande émotion et immense plaisir que je dédie ce modeste travail à :
A ma famille
TALBI Nabil
Sommaire
Introduction général .................................................................................................................... 1
Chapitre I .................................................................................................................................... 3
I. Généralité sur l’énergie photovoltaïque .............................................................................. 3
I.1 Introduction .................................................................................................................. 3
I.2 Généralités sur l’énergie photovoltaïque ..................................................................... 3
I.3 Mode de fonctionnement d’un système photovoltaïque .............................................. 4
I.3.1 Mode autonome .................................................................................................... 4
I.3.1.1 Système autonome avec stockage (batterie) ..................................................... 5
I.3.1.2 Système autonome sans stockage ..................................................................... 5
I.3.2 Mode connecté au réseaux .................................................................................... 6
I.3.3 Mode connecté à un générateur électrogène......................................................... 6
I.3.4 Mode hybride........................................................................................................ 7
I.4 Effet photovoltaïque .................................................................................................... 7
I.5 Cellule photovoltaïque ................................................................................................. 9
a) Cellule au silicium amorphe ................................................................................. 9
b) Cellule au silicium monocristallin ...................................................................... 10
c) Cellule au silicium poly cristallin ....................................................................... 11
I.5.1 Groupement des cellules photovoltaïque............................................................ 11
a) Groupement en série ........................................................................................... 11
b) Groupement en parallèle..................................................................................... 12
I.6 Module photovoltaïque .............................................................................................. 13
I.6.1 Caractéristiques d’un module photovoltaïque .................................................... 14
I.7 Panneau photovoltaïque ............................................................................................. 14
I.8 Champ photovoltaïque ............................................................................................... 15
I.9 Avantages et inconvénients de l’énergie solaire photovoltaïque ............................... 15
I.9.1 Avantages ........................................................................................................... 15
I.9.2 Inconvénients ...................................................................................................... 15
I.10 Les convertisseurs statiques ....................................................................................... 16
I.10.1 Onduleur ............................................................................................................. 16
I.10.2 Hacheur ............................................................................................................... 16
a) Hacheur dévolteur (série) ................................................................................... 16
b) Hacheur survolteur (parallèle) ............................................................................ 17
c) Hacheur série-parallèle ....................................................................................... 18
I.11 Principe de fonctionnement au point de puissance maximale ................................... 19
I.12 Systèmes de stockage ................................................................................................. 19
I.12.1 Batteries d’accumulateurs................................................................................... 19
a) Batteries au plomb .............................................................................................. 20
b) Batteries au Cadmium-Nickel ............................................................................ 20
c) Batteries au Nickel-Zinc ..................................................................................... 20
d) Batteries au Lithium ........................................................................................... 20
I.12.2 Caractéristiques principales d’un accumulateur ................................................. 20
Conclusion ................................................................................................................................ 21
Chapitre II ................................................................................................................................. 22
II. Modélisation du système photovoltaïque ...................................................................... 22
II.1 Introduction ................................................................................................................ 22
II.2 Modélisation du générateur photovoltaïque............................................................... 22
II.2.1 Caractéristique courant-tension d’un module ..................................................... 23
II.2.2 Influence de l’irradiation .................................................................................... 24
II.2.3 Influence de la température ................................................................................ 25
II.3 Modélisation de l’hacheur survolteur ........................................................................ 25
II.4 Modélisation de la batterie ......................................................................................... 26
II.5 Commande MPPT P&O ............................................................................................ 27
Conclusion ................................................................................................................................ 28
Chapitre III ............................................................................................................................... 29
III. Dimensionnement et gestion d’énergie d’un système photovoltaïque .......................... 29
III.1 Introduction ................................................................................................................ 29
III.2 Architecture du système ............................................................................................. 29
III.3 Dimensionnement du système PV ............................................................................. 30
III.3.1 Chois de la méthode de dimensionnement ......................................................... 30
a) Méthode de la probabilité d’erreur dans la consommation ................................ 30
b) Méthode de mois le plus défavorable ................................................................. 30
c) Méthode de la moyenne annuelle ....................................................................... 30
III.3.2 Evaluation de la consommation de la charge ..................................................... 31
III.3.3 Estimation de l’ensoleillement ........................................................................... 31
a) Orientation des panneaux ................................................................................... 31
b) Inclinaison des modules ..................................................................................... 31
III.3.4 Dimensionnement du générateur photovoltaïque ............................................... 32
a) Pour le branchement des modules en séries et en parallèles .............................. 32
b) Dimensionnement du stockage ........................................................................... 33
III.3.5 Choix de l’onduleur ............................................................................................ 33
III.3.6 Dimensionnement des câbles électriques ........................................................... 34
III.4 Application pour une charge à usage d’habitation ..................................................... 34
III.4.1 Profil de consommation ...................................................................................... 35
III.4.2 Calcul de la demande journalière d’énergie ....................................................... 36
III.5 Organigramme de la gestion de notre système photovoltaïque ................................. 38
Conclusion ................................................................................................................................ 40
Chapitre IV ............................................................................................................................... 41
IV. Simulation du système photovoltaïque .......................................................................... 41
IV.1 Introduction ................................................................................................................ 41
IV.2 Simulation du système globale .................................................................................. 41
IV.2.1 Résultat de simulation pour une journée défavorable (une mauvaise journée
d’hiver) 42
IV.2.2 Résultat de simulation pour une journée favorable ............................................ 45
IV.3 Conclusion ................................................................................................................. 48
Conclusion générale ................................................................................................................. 50
Bibliographie : .......................................................................................................................... 57
Annexes .................................................................................................................................... 60
Listes des figures
Figure I.1 Système de conversion de l’énergie solaire en électricité ........................................ 3
Figure I.2 Présentation générale d’un système photovoltaïque autonome ................................ 4
Figure I.3 Système autonome avec stockage (batterie) ............................................................. 5
Figure I.4 Système autonome sans stockage ............................................................................ 5
Figure I.5 Système photovoltaïque raccordé au réseau ............................................................. 6
Figure I.6 Système photovoltaïque raccordé à un générateur électrogène ................................ 6
Figure I.7 Systèmes d’alimentation autonome hybride Photovoltaïque .................................... 7
Figure I.8 Cellule photovoltaïque montrant l’effet photovoltaïque [4] ..................................... 8
Figure I.9 Types de cellules photovoltaïque.............................................................................. 9
Figure I.10 Cellule au silicium amorphe ................................................................................... 9
Figure I.11 Cellule au silicium monocristallin ........................................................................ 10
Figure I.12 Cellule au silicium poly cristallin ......................................................................... 11
Figure I.13 Cellules identiques en série [2] ............................................................................. 12
Figure I.14 Cellules identiques en parallèles [2] ..................................................................... 12
Figure I.15 Constitution d'un module photovoltaïque ............................................................. 13
Figure I.16 Panneau photovoltaïque ........................................................................................ 14
Figure I.17 Schéma hacheur série [12] .................................................................................... 17
Figure I.18 Schéma hacheur parallèle ..................................................................................... 18
Figure I.19 Schéma hacheur série-parallèle [15]..................................................................... 18
Figure I.20 Chaine de conversion d’énergie solaire comprenant une commande MPPT ....... 19
Figure II.1 Schéma du modèle équivalent à deux diodes d’une cellule photovoltaïque [20] . 22
Figure II.2 Exemple de caractéristique courant-tension d’un module PV .............................. 23
Figure II.3 Influence de l’éclairement sur la caractéristique P(V) à T=25°C ......................... 24
Figure II.4 Influence de l’éclairement sur la caractéristique I(V) à T=25°C .......................... 24
Figure II.5 Influence de la température sur la caractéristique P(V) à E=1000 W/m2 ............. 25
Figure II.6 Influence de la température sur la caractéristique I(V) à E=1000 W/m2 .............. 25
Figure II.7 Schéma électrique d’un hacheur survolteur ou booster ........................................ 26
Figure II.8 Schéma équivalant de 𝑛𝑏 élément en série ........................................................... 26
Figure II.9 Caractéristique P (V) d’un panneau solaire .......................................................... 27
Figure II.10 Organigramme de l’algorithme perturbation et observation [20] ....................... 28
Figure III.1 Schéma du raccordement des sources et consommateurs énergétiques .............. 29
Figure III.2 Profil de consommation 𝑃𝑐ℎ(𝑡) .......................................................................... 36
Figure III.3 Organigramme de gestion .................................................................................... 39
Figure IV.1 Puissance de charge pour une journée ................................................................. 42
Figure IV.2 Profil de l’ensoleillement pour une journée défavorable ..................................... 42
Figure IV.3 Profil des températures pour une journée défavorable ........................................ 43
Figure IV.4 Puissance produite des panneaux photovoltaïques .............................................. 43
Figure IV.5 Puissance des batteries consommée par la charge (signe-) ou prise de réseau ou
bien des GPVs (signe +) ........................................................................................................... 43
Figure IV.6 Puissance prise de réseau ou fourni par réseau .................................................... 44
Figure IV.7 Allures des puissances (photovoltaïque, charge, batterie et réseau) .................... 44
Figure IV.8 Etat de charge de batterie ..................................................................................... 44
Figure IV.9 Profil de l’ensoleillement pour une journée favorable......................................... 45
Figure IV.10 Profil des températures pour une journée défavorable ...................................... 46
Figure IV.11 Puissance des panneaux photovoltaïques .......................................................... 46
Figure IV.12 Puissance des batteries consommée par la charge (signe-) ou prise de réseau ou
bien des GPVs (signe +) ........................................................................................................... 46
Figure IV.13 Puissance prise de réseau ou fourni par réseau .................................................. 47
Figure IV.14 Allures des puissances (photovoltaïque, charge, batterie et réseau) .................. 47
Figure IV.15 Etat de charge de la batterie ............................................................................... 47
1|Page
rapidement que cette capacité installée est faible. Afin de protéger les batteries contre une
recharge excessive, on doit les déconnecter de l’installation. Il est alors impossible d’utiliser la
totalité de la ressource renouvelable. Finalement, le dimensionnement du champ photovoltaïque
est surestimé par rapport aux besoins réels de l’utilisateur final.
Des systèmes de gestion de l’énergie ont été développés afin d’optimiser la durée de vie du
système de stockage et de réduire les coûts de fonctionnement. La gestion de l’énergie dans les
systèmes PV autonomes est encore un thème de recherche très présent dans le domaine du
photovoltaïque. Nous nous inspirerons de ces études pour notre application.
Dans le premier chapitre, nous allons d’abord donner des généralités sur les systèmes
photovoltaïques, donc nous allons non seulement les définir, mais aussi expliqué le
fonctionnement des cellules photovoltaïques et les éléments dont nous aurons besoin dans
l’installation globale, et aussi donner quelque avantages et inconvénients ce se types d’énergies.
Au second chapitres, nous allons présenter la modélisation de chaque élément de notre
système. Cette modélisation nous permettra de poursuivre notre étude dans les chapitres qui
vont suivre, et de trouver une meilleure stratégie pour pouvoir bien utiliser nos éléments du
système. Pour une utilisation optimale de la source d’énergie photovoltaïque, différentes
méthodes de la poursuite du point de puissance maximale (MPPT) des panneaux
photovoltaïques seront présentés.
Un dimensionnement du système photovoltaïque avec batterie sera présenté dans le
troisième chapitre, et par conséquent la détermination de la taille des éléments le constituant.
Ce dimensionnement sera effectué en fonction de la demande énergique d’une résidence de
cinq étages (deux appartement similaire de 100 m2 pour chaque étage). Pour une gestion
rigoureuse de l’énergie une stratégie de contrôle sera établie. Nous allons présenter un
organigramme de gestion qui va nous permettre de superviser les flux d’énergie et de protéger
les batteries contre les surcharges et les décharges profondes et également satisfaire la charge
dans le cas où la demande n’est pas satisfaite par le système photovoltaïque (utilisation de
réseau électrique).
Dans le dernier chapitre, nous présenterons une simulation du système globale avec
optimisation pour diverses conditions de fonctionnement, pour ainsi montrer les différents
modes de fonctionnement de l’algorithme de gestion. Nous terminerons ce travail par une
conclusion générale qui résume notre étude.
2|Page
Chapitre I
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
Chapitre I
L’énergie produite est disponible sous forme d’électricité directe ou stockée en batteries
(énergie électrique décentralisée) ou en électricité injectée dans le réseau [1].
4|Page
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
5|Page
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
7|Page
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
8|Page
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
l’orbitale vacante par agitation thermique. Il en résulte un trou dans la bande de valence, qui va
contribuer à la conduction, et le semi-conducteur est dit dopé de type P. Les atomes tels que le
bore ou le phosphore sont donc des dopants du silicium. Les cellules photovoltaïques sont
assemblées pour former des panneaux photovoltaïques [4].
I.5 Cellule photovoltaïque
Il existe différents types de cellules et de procédés de fabrication. Le semi-conducteur le plus
utilisé est le silicium. La performance se mesure d'abord par le rendement : pourcentage de
l'énergie lumineuse effectivement transformée en électricité. Dans les panneaux vendus dans le
commerce, on trouve, du moins cher au plus cher :
La cellule au silicium amorphe (rendement : 6 à 10%).
La cellule au silicium monocristallin (rendement : 13 à 17%).
La cellule au silicium poly cristallin (rendement : 11 à 15%).
9|Page
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
Les panneaux photovoltaïques en Silicium Amorphe sont bien adaptés pour l’alimentation
électrique des équipements de faibles puissances installées dans des zones à faible éclairement
(à l’intérieur, sous éclairage artificiel) et sous ensoleillement diffus (à l’extérieur, soumis à un
ombrage important).
Le panneau solaire amorphe présente un rendement plus faible, en revanche le silicium
amorphe est l’une des technologies photovoltaïques couches minces les plus respectueuses de
l’environnement, puisqu’elle n’utilise pas de métaux toxiques.
La sensibilité spectrale des cellules solaires de silicium amorphe aux spectres de lumière des
éclairages fluorescents et des LED blanches, en fait un matériau attrayant pour les applications
intérieures.
Contrairement au panneau cristallin traditionnel, le panneaux solaire amorphe continu à
fournir de l’énergie même si une partie du panneau est ombragée.
b) Cellule au silicium monocristallin
10 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
11 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
b) Groupement en parallèle
Une association parallèle de 𝐍𝐏 cellule est possible et permet d'accroitre le courant de sortie
du générateur ainsi créé. Dans un groupement de cellules identiques connectées en parallèle,
les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante du groupement est
obtenue par addition des courants [7].
𝐈𝐂𝐂 𝐍𝐏 : Somme des courants de court-circuit de NP cellule en parallèle ;
𝐕𝐎𝐂 : Tension du circuit ouvert.
12 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
pannes destructrices liées à l’association des cellules et de leurs fonctionnements. Pour cela,
deux types de protection sont classiquement utilisés dans les installations actuelles :
La diode anti-retour empêchant un courant négatif dans les GPV. Ce phénomène peut
apparaitre lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèle, ou bien quand une charge en
connexion directe peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une
batterie durant la nuit.
Les diodes by-pass peuvent isoler un sous-réseau de cellules lorsque l’éclairement n’est pas
homogène évitant l’échauffement de la cellule, ce qui est susceptible de la détruire par claquage.
Il convient donc de limiter la tension inverse maximale susceptible de se développer aux bornes
d’une cellule en plaçant une diode parallèle (by-pass) au niveau de chaque module la diode
parallèle limite la tension inverse par sa tension directe puisqu’elle devient passante [8].
I.6 Module photovoltaïque
Pour obtenir une tension électrique générée qui soit utilisable, on raccorde plusieurs cellules
en série qui forment alors un module. Ce raccordement permet d’augmenter la tension pour un
même courant, tandis que le mise en parallèle accroit le courant en gardant la même tension.
L’association des cellules en modules permet :
D’obtenir une tension suffisante ;
De protéger les cellules et leurs contacts métalliques de l’ambiance extérieure
(humidité…) ;
De protéger mécaniquement les cellules (chocs…).
13 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
14 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
15 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
16 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
continue et la charge de sortie continue de type source de courant. L'interrupteur K1 peut être
remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations
doivent être commandées (au blocage et à l'amorçage) [12].
Fonctionnement
Le cycle de fonctionnement, de période de hachage T (T=1/f), comporte deux étapes :
Lors de la première étape, le transistor passant et la diode, polarisée en inverse, est
bloquée. Cette phase dure de 0 à αT, avec α compris entre 0 et 1. α est appelé rapport
cyclique.
Lors de la seconde étape, le transistor est bloqué. La diode devient passante. Cette phase
dure de αT à T [12].
b) Hacheur survolteur (parallèle)
Dans ce hacheur, la tension moyenne de sortie est supérieure à la tension d'entrée, d'où son
nom. C’est un convertisseur direct DC–DC. La source d'entrée est de type courant continu
(inductance en série avec une source de tension) et la charge de sortie est de type tension
continue (condensateur en parallèle avec la charge résistive). L'interrupteur K1 peut être
remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations
doivent être commandées (au blocage et à l'amorçage) [12].
17 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
Fonctionnement
Lors de la première partie du cycle de fonctionnement, de 0 à α.T, l'interrupteur commandé
est fermé (passant). Cette fois, la source et la charge ne sont pas en contact durant cette
phase. La diode est alors bloquée.
Lors de la seconde partie du cycle, de α.T à T, on ouvre l'interrupteur commandé et la diode
devient passante. C'est alors que la source et la charge sont reliées [12].
c) Hacheur série-parallèle
Dans ce dispositif, la tension peut être augmentée ou diminuée selon le mode de
commutation. Cependant, la tension de sortie est de signe opposé à la tension d'entrée.
Tandis que, lorsque le transistor est sur la position (on) le courant dans l’inductance
augmente, l'énergie est stockée ; et quand le commutateur tourne sur la position (off). La tension
à travers l'inductance est renversée et l’énergie stockée se transfert vers la charge via la diode
[15].
18 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
Figure I.20 Chaine de conversion d’énergie solaire comprenant une commande MPPT
20 | P a g e
Chapitre I : Généralité sur l’énergie photovoltaïque
Une batterie : Est constituée d’un certain nombre d’éléments (cellules) connectés en série
le plus souvent et parfois en parallèle ;
Tension nominale : U (unité : le volt, V) : tension moyenne d’une batterie observée sur la
plus grande partie de sa courbe de décharge ;
Tension à vide : Tension mesurée aux bornes d'une batterie non connectée à une charge ;
Tension en charge : Tension mesurée aux bornes d'une batterie connectée à sa charge
(Récepteur, déchargeur, résistance...). C'est-à-dire délivrant un courant ;
Courant : I (Unité l'ampère, A ou le mA) : Courant circulant dans les câbles et résultant de
la connexion d'une charge a une batterie ;
Capacité : C (Unité l'ampère-heure, Ah ou le mAh) Capacité énergétique d'une batterie à
délivrer un certain courant pendant un certain temps, (Des ampères fois des heures A×h) ;
Energie massique ou densité énergétique : D (Unité le wattheure par kilogramme, Wh/kg)
C’est le rapport entre la capacité d'une batterie à délivrer une certaine puissance pendant un
certain temps et son poids.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté des généralités sur les éléments existants dans le
système photovoltaïque dont on va utiliser. Nous avons présenté les différents types de système
photovoltaïque et le principe de fonctionnement de chaque élément ce qui permet d’introduire
la modélisation et l’analyse de ce système. Nous avons montré comment augmenter le courant
ou la tension d'un générateur photovoltaïque et on a cité les avantages et les inconvénients de
l’énergie photovoltaïque.
L’énergie produite est continu et pour son utilisation il faut des convertisseurs. Alors nous
avons présenté les types existant pour notre système photovoltaïque, ainsi les différents types
de batteries, vu que notre système de stockage est basé sur les batterie.
Pour un bon fonctionnement de notre système, on a défini un système de gestion d’énergie
photovoltaïque nécessaire pour superviser de façon optimale le flux d’énergie entre les
différents composants générateurs photovoltaïque, les batteries, réseau électrique et la charge
(consommateur) .
21 | P a g e
Chapitre II
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
Chapitre II
Figure II.1 Schéma du modèle équivalent à deux diodes d’une cellule photovoltaïque [20]
Comme le montre le schéma de la figure (II.1), une photopile comporte une résistance série
R s et une résistance en dérivation ou shunt R p . Ces résistances auront une certaine influence
sur la caractéristique (I-V) de la photopile. D’après la figure (II.1), le modèle mathématique
pour la caractéristique courant –tension est donnée par :
𝐪(𝐕+𝐈.𝐑 𝐬 ) 𝐪(𝐕+𝐈.𝐑 𝐬 ) 𝐕 + 𝐈. 𝐑 𝐬 (II.1)
𝐈 = 𝐈𝐩𝐡 − 𝐈𝐬𝟏 . (𝐞 𝐧𝟏 .𝐊.𝐓 − 𝟏) − 𝐈𝐬𝟐 . (𝐞 𝐧𝟐 .𝐊.𝐓 − 𝟏) −
𝐑𝐩
22 | P a g e
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
Où :
I et 𝐕 : Courant et tension de sortie de la cellule photovoltaïque ;
𝐈𝐩𝐡 : Photo-courant produit ;
𝐈𝐬𝟏 et 𝐈𝐬𝟐 : Courant de saturation diodes ;
𝐈𝐝𝟏 et 𝐈𝐝𝟐 : Respectivement les courants qui traversent la première et la deuxième diode ;
𝐧𝟏 et 𝐧𝟐 : Facteurs de pureté de la diode ;
𝐑 𝐬 et 𝐑 𝐩 : Respectivement la résistance série et la résistance parallèle ;
𝐓 : Température absolue en degré Kelvin (°K) ;
𝐪 : Charge élémentaire de l’électron (1,602. 10-19 C) ;
𝐊 : Constante de Boltzmann (1,38. 10-23 J/°K) ;
Le photo-courant Iphmax est atteint à une insolation maximum, souvent on a
(𝐈𝐩𝐡 =𝐬. 𝐈𝐩𝐡𝐦𝐚𝐱 ), avec s : pourcentage d’insolation.
L’équation (II.1), montre que la caractéristique courant-tension dépend fortement de
l’insolation et de la température. La dépendance de la température est encore amplifiée par les
propriétés du photo-courant et les courant de saturation inverse des diodes qui sont donnés par :
𝐈𝐩𝐡 (𝐓) = 𝐈𝐩𝐡 (𝐓 = 𝟐𝟗𝟖). (𝟏 + (𝐓 − 𝐤. 𝐊). (𝟓. 𝟏𝟎−𝟒 )) (II.2)
−𝐄𝐠 (II.3)
𝐈𝐬𝟏 = 𝐊𝟏. 𝐓 𝟑 . 𝐞 𝐊.𝐓
𝟓 −𝐄𝐠 (II.4)
𝐈𝐬𝟐 = 𝐊𝟐. 𝐓 𝟐 . 𝐞 𝐊.𝐓
Où
Eg : Bande d’énergie du semi-conducteur, K1=1,2 A/°K3, K2=2,9.105 A/°K5/2 et k=298 °K/J.
II.2.1 Caractéristique courant-tension d’un module
23 | P a g e
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
24 | P a g e
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
25 | P a g e
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
𝟏 (II.5)
𝐕𝐬 = .𝐕
𝟏−
𝐈𝐬 = (𝟏 − ). 𝐈L (II.6)
26 | P a g e
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
27 | P a g e
Chapitre II : Modélisation du système photovoltaïque
La figure (II.10) montre l'organigramme de l'algorithme de P&O tel qu'il doit être
implémenté dans le microprocesseur de contrôle.
Dans ce chapitre nous avons présenté les différents modèles utilisés pour la modélisation du
système photovoltaïque, celui des panneaux PV, des batteries et des convertisseurs. Nous avons
défini, les caractéristiques du générateur PV avec ses performances, ainsi que l’influence de
quelques paramètres sur ses caractéristiques. En outre, pour un fonctionnement dans des
conditions optimales, un algorithme de recherche de puissance maximum (MPPT P&O pour
Maximum Power Point Tracking Perturbation and Observe) a été décrit.
28 | P a g e
Chapitre III
Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
Chapitre III
29 | P a g e
Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
30 | P a g e
Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
récupérable sur un site pour les 12 mois de l’année et on effectue la moyenne annuelle de celle-
ci [18].
Remarque
La méthode du mois le plus défavorable présentée est celle qu’on va utiliser dans notre travail.
III.3.2 Evaluation de la consommation de la charge
Pour évaluer l’énergie consommée par une charge il faut connaitre deux choses
Essentielles [18] :
Puissance de la charge 𝐏𝐜𝐡 [W] ;
Durée de fonctionnement 𝐓𝐜𝐡 [h/j].
Ainsi l’énergie consommée par une charge durant la journée s’écrit :
𝐄𝐜𝐡 = 𝐏𝐜𝐡 . 𝐓𝐜𝐡 [Wh/j] (II.9)
L’énergie moyenne consommée par jour sera la somme de toutes les énergies de chaque
appareil.
𝐄𝐣 = ∑ (𝐏𝐢 . 𝐓𝐢 )[Wh/j] (II.10)
31 | P a g e
Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
Latitude φ Inclinaison α
φ <10° α = 10°
10° <φ <30° α =φ
30° <φ <40° α = φ+10°
φ >40° α = φ+15°
III.3.4 Dimensionnement du générateur photovoltaïque
La tension du champ photovoltaïque dépend du type d’application ; de la puissance
photovoltaïque du système, de la disponibilité des matériels (modules et récepteurs). Le tableau
suivant indique la tension adaptée au générateur PV [18].
Tableau III-2 Tensions recommandées pour les systèmes photovoltaïques en fonction de
leurs puissances
Puissance du champ PV 0-500 Wc 500 Wc-2 KWc 2-10 KWc >10 KWc
Puissance du champ PV 12 VDC 24 VDC 48 VDC >48VDC
Le dimensionnement des panneaux PV se fait suivant la formule suivante :
𝐄𝐣 (𝐖𝐡/𝐣) (II.12)
𝐏𝐩𝐯 =
𝐍𝐞𝐪 (𝐡/𝐣). 𝐂𝐩
Le nombre de panneau photovoltaïque :
𝐏𝐩𝐯 (II.13)
𝐍𝐩𝐯 =
𝐏𝐩𝐯,𝐮
Avec :
Ej : Consommation ou le besoin journalier de la charge ;
Ppv : Puissance du champ PV [W] ;
Ppv, u : Puissance unitaire d’un module photovoltaïque ;
Npv : Nombre de panneau photovoltaïques ;
Cp : Coefficient correctif des panneaux photovoltaïques.
a) Pour le branchement des modules en séries et en parallèles
On a :
𝐕 (II.14)
𝐍𝐬 =
𝐕𝐜
𝐍𝐩𝐯 (II.15)
𝐍𝐩 =
𝐍𝐬
Ns : Nombre de panneau en série ;
32 | P a g e
Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
33 | P a g e
Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
comporte 2 appartement , évalue à 7216 Wh/jour pour chaque appartement qui comprenant
l’éclairage, les appareils électroménagers de faible consommation (réfrigérateur, TV et
l’audiovisuel) pour une habitation d’un foyer F3 d’une famille avec une moyenne de 4
personnes, les charges supplémentaires qui sont pas à l’intérieure des appartements comme
l’éclairage extérieur et les lampes d’escaliers. Les composants du système et l’évaluation de
leur consommation énergétique sont les suivants :
Consommation d’un appartement de F3
Eclairage basse consommation
4 lampes fluorescentes de 15W, 4h/jour (deux chambres et les sanitaires) ;
4 lampes fluorescentes de 18W, 3h/jour (salon, cuisine et couloir).
Electroménager
Petit réfrigérateur : 70W, 24h/jour ;
Four micro-onde : 500w, 30 min/jour ;
Mixeur : 200w, 30min/jour ;
Machine à laver : 330w, 1h.
Audio-visuel
Chaine stéréo : 50W, 2h/jour ;
2 TV 42cm : 50W, 8h/jour.
Informatique
2 Pc portable : 30W, 4h/jour.
Autres
Pompe à eau : 600w, 3h/jour ;
Modem wifi : 5w, 24h/jour ;
Séchoir :1200w, 30min/jour ;
Fer à repasser : 700w, 1h/jour ;
4 chargeurs téléphones portable :5w, 2h/jour.
Charge supplémentaire
6 Eclairages extérieur : 50w, 12h/jour ;
10 Lampes économique d’énergie pour escaliers : 9w, 4h/jour.
III.4.1 Profil de consommation
Pour rendre compte de l’utilisation de l’électricité produite, nous avons défini un profil base
sur les habitudes de consommation d’une famille. Ce profil tient compte des périodes
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Chapitres III : Dimensionnement et gestion de l’énergie d’un système photovoltaïque
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Conclusion
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Chapitre IV
Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
Chapitre IV
IV.1 Introduction
Dans les chapitres précédents, Nous avons modélisé l’installation de système
photovoltaïque. Pour cela, nous allons opter pour une simulation qui sera faite avec un
algorithme d’optimisation PO pour l’extraction du point de puissance maximale (MPPT). Il
sera intégré afin d’obtenir le système complet de l’installation.
Nous avons présenté l’algorithme de gestion sous forme d’organigramme bien détailler dans
le chapitre précédant. Puis, nous allons l’implanté dans le système global que nous avons simulé
sous Matlab/Simulink.
Différentes conditions ont été simulées pour permettre de retrouver les différents modes de
fonctionnement possible auxquelles nous pouvant être confrontés.
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Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
IV.2.1 Résultat de simulation pour une journée défavorable (une mauvaise journée
d’hiver)
Afin de visualiser les différents modes qui peuvent apparaitre, nous avons choisi une journée
défavorable de l’année 2013. Pour cela, nous avons utilisé les profils de l’ensoleillement et de
température qui la correspond. Et aussi supposé que la batterie est à 50% pour sa valeur initiale.
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Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
Figure IV.5 Puissance des batteries consommée par la charge (signe-) ou prise de réseau ou
bien des GPVs (signe +)
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Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
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Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
Les figures (IV.2), (IV.3), (IV.4), (IV.5), (IV.6), (IV.7) et (IV.8) représentent respectivement
les allures de l’ensoleillement, les températures, puissance photovoltaïque, puissance des
batteries consommée par la charge(signe-) ou prise de réseau ou bien des GPVs (signe +),
puissance prise de réseau ou fourni au réseau, les allures des puissances (photovoltaïque,
charge, batterie et réseau), Etat de charge de batterie.
Interprétation des résultats
D’après les profils de l’ensoleillement et de températures, nous avons constaté que la
puissance photovoltaïque est insuffisante comparer à celle demander par la charge.
Ainsi nous avons remarqué que la consommation de la batterie se départage en plusieurs
parties :
Si 𝐏𝐩𝐯 =0, la puissance consommée par la charge est égale à celle donnée par les batteries
(alimentation total de la charge par les batteries).
Si𝐏𝐜𝐡 >𝐏𝐩𝐯 , la puissance des batteries consommée égale à la déférence entre la puissance
photovoltaïque et la puissance demander par la charge (déchargement des batteries).
𝐏𝐛 = 𝐏𝐜𝐡 − 𝐏𝐩𝐯 (II.21)
Si 𝐏𝐩𝐯 >𝐏𝐜𝐡 , les batteries seront en état de chargement, et la puissance utilisé pour
charger les batteries est égale à la déférence entre la puissance photovoltaïque et la
puissance demander par la charge.
𝐏𝐛 = 𝐏𝐩𝐯 − 𝐏𝐜𝐡 (II.22)
IV.2.2 Résultat de simulation pour une journée favorable
Afin de visualiser les différents modes qui peuvent apparaitre, nous avons choisi une bonne
journée d’hiver. Pour cela, nous avons les profils de l’ensoleillement et de température. Et aussi
supposé que la batterie est à 50% pour sa valeur initiale.
Figure IV.12 Puissance des batteries consommée par la charge (signe-) ou prise de réseau ou
bien des GPVs (signe +)
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Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
Les figures (IV.9), (IV.10), (IV.11), (IV.12), (IV.13) (IV.14) et (IV.15) représentent
respectivement les allures de profil de l’ensoleillement, profil des températures, puissance
photovoltaïque, Puissance des batteries consommée par la charge (signe-) ou prise de réseau ou
bien des GPVs (signe +), puissance prise de réseau ou fourni au réseau, les allures des
puissances (photovoltaïque, charge, batterie et réseau) et état de charge de la batterie.
Interprétation des résultats
D’après les profils de l’ensoleillement et de températures, la puissance photovoltaïque est
vraiment bonne, et suffisante non seulement pour satisfaire les besoins de la charge, mais aussi
pour charger bien nos batteries et fourni les surplus de la puissance au réseau.
On voit qu’a t = [11h, 14h], la puissance photovoltaïque est supérieure à celle demandé par
la charge, ce qui veut dire que la différence entre la puissance photovoltaïque et la puissance
demandée par charge, est transmise directement au réseau même si les batteries sont pas
complètement chargées, pour cause de la condition de gestion que nous avons exigée (si, t =
[11h, 14h], ne jamais mettre en charge la batterie).
Nous avons remarqué aussi, que la consommation des batteries se partages en plusieurs
parties :
Si 𝐏𝐩𝐯 =0, la puissance demander par la charge est égale à celle fournie par les batteries
(alimentation total de la charge par les batteries) ;
Si 𝐏𝐜𝐡 >𝐏𝐩𝐯 , la puissance fournie par les batteries égale à la déférence entre la puissance
photovoltaïque et la puissance demander par la charge (déchargement des batteries).
𝐏𝐛 = 𝐏𝐜𝐡 − 𝐏𝐩𝐯 (II.23)
Si 𝐏𝐩𝐯 >𝐏𝐜𝐡 les batteries seront en état de chargement, et la puissance absorbée par les
batteries est égale à la déférence entre la puissance photovoltaïque et la puissance demander
par la charge.
𝐏𝐛 = 𝐏𝐩𝐯 − 𝐏𝐜𝐡 (II.24)
Si 𝐏𝐩𝐯 >𝐏𝐜𝐡 et t = [11h, 14h], blocage de chargement des batteries, et la différence entre la
puissance photovoltaïque et la puissance demander de la charge est transmise directement
au réseau.
IV.3 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté les résultats de simulation du système de simulation
du système photovoltaïque avec batterie de stockage et alimenté par le réseau en cas de non
satisfaction des demandes de la charge, si y’as absence des batteries ou/et de puissance
photovoltaïque. Une méthode MPPT a été utilisée en vue d’extraire le maximum de puissance
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Chapitre IV : Simulation du système photovoltaïque
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Conclusion
général
Conclusion générale
Dans ce travail, nous avons contribué à l’étude d’un système photovoltaïque avec batterie
de stockage et utilisation de réseau électrique en cas de non satisfaction des demandes de la
charge, auquel nous avons implanté un algorithme de gestion.
Au début de notre recherche, nous avons étudier et expliquer les différents types de système
photovoltaïque, ainsi leurs principes de fonctionnement, les avantages et inconvénients de ce
types d’énergie et l’influence de chaque composant existant dans le système photovoltaïque.
Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté la modélisation des composants nécessaire
pour notre étude, tel que le panneau photovoltaïque, la batterie et les convertisseurs statiques.
Nous sommes intéressés à l’extraction de la puissance maximale d’un panneau photovoltaïque.
Alors, nous avons opté pour la commande MPPT P&O (perturbation et observation).
Au troisième chapitre, nous avons dimensionné le système photovoltaïque. Cela nous a
permet de calculer le nombre des batteries qui seront associées avec un certain nombre de
panneaux, pour couvrir les besoins de la charge. Notre charge est une résidence de cinq étages
dont chacun dispose de deux appartements similaires de 100 m2. Nous lui avons choisi un profil
de charge identique pour toutes les journées de l’année.
Le système photovoltaïque est composé de 72 panneaux photovoltaïques de 217W chaque
un, de 19 batteries de stockage de 24V, 250Ah et d’une charge de besoin journalier de 66120
Wh/j. Nous avons développé un algorithme de gestion d’énergie qui est basé sur la comparaison
entre la puissance produite par les panneaux photovoltaïques, la puissance demandée par la
charge, la puissance absorbé ou fournie par les batteries et la puissance consommée ou envoyée
sur le réseau électrique.
Et pour finir, nous avons procédé à la simulation du système complet dans le dernier chapitre.
Nous avons aussi montré l’efficacité de l’algorithme de gestion d’énergie face aux variation
climatiques pendant une journée favorable et défavorable d’hiver. On a pu voir dans les résultats
de simulations, l’influence de l’ensoleillement et des températures sur de fonctionnement de
notre système.
Nous pouvons conclure que ces résultats de simulation sont d’une grande importance pour
la maitrise de ce type d’installation. Ainsi une gestion énergétique dans un tel système s’avère
intéressante pour le rentabiliser.
Comme perspectives, il serait intéressant d’utiliser d’autres méthodes d’optimisation pour
l’extraction du maximum de puissance puis faire une comparaison. Aussi faire des essais sur
une installation réelle afin de valider l’algorithme de gestion d’énergie proposé.
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Références
Bibliographie
Bibliographie :
Poids : 16 kg ;
Dimensions : 1580*808*35 mm.