Expose Sur Les ENR (Récupération Automatique)
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Expose Sur Les ENR (Récupération Automatique)
Master I en Electrotechnique
a) Systèmes autonomes.............................................................................................................4
1. Générateur photovoltaïque...................................................................................................7
b) Conversion photovoltaïque...................................................................................................8
Semi-conducteur....................................................................................................................8
Le dopage de semi-conducteur.........................................................................................9
La Jonction PN.....................................................................................................................10
d) Effet photovoltaïque...........................................................................................................10
Cellule amorphe....................................................................................................................12
2. Régulateur de charge.................................................................................................13
a) Rôle de la régulation dans les systèmes photovoltaïques........................................13
1. Stockage.................................................................................................................................14
a) Onduleur autonome..............................................................................................................16
b) Non autonome.......................................................................................................................16
Conclusion :....................................................................................................................................21
2
Aper
çu
Les systèmes photovoltaïques dans nos maisons, villes et pays ont fait leurs
entré, ils occupent l’espace de nos toits, terre et autre. Depuis 1990 à nos jours
leurs développements et applications connaissent une croissance rapide celui de
près de 30% par an ; Comment fonctionnent –il ? alors de quoi sont-ils
composés ?
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I. Généralités sur le système solaire photovoltaïque
Les fonctions entre parenthèses ne sont pas toujours présentes, cela dépend du cas de
figure (nous le détaillons ci-après). Quant à la fonction « Contrôler », elle est
indispensable pour veiller à ce que les composants ne soient pas endommagés et durent
le plus longtemps possible, surtout la batterie, qui a la durée de vie la plus faible. «
Mesurer » est utile pour avoir des informations sur le fonctionnement de l’ensemble. Il
existe plusieurs configurations des Systèmes photovoltaïques.
a) Systèmes autonomes
Ce sont les systèmes les plus simples puisque l'énergie photovoltaïque est utilisée
directement à partir des panneaux, il y a ceux qui sont :
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D’alimentation Directe : dont les fonctions se réduisent à Produire et utiliser,
L’appareil alimenté ne fonctionnera qu'en présence de lumière et dès que l'éclairement
sera suffisant pour atteindre la puissance demandée.
Pompage au fil du Soleil :
Il s'agit de stocker de l'eau dans un réservoir. La pompe solaire est branchée
directement sur les panneaux solaires par !'intern1édiaire d'un régulateur ou d'un
convertisseur. Le débit d'arrivée d'eau dans le réservoir est donc variable, directement
fonction du rayonnement solaire, d'où l'expression << au fil du soleil ».
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Figure 3 : Système photovoltaïque avec stockage (avec ou sans
conversion d'énergie)
La batterie d'un tel système se charge le jour, et sert de « réservoir >> d'énergie en
permanence, tout comme la citerne d'eau du système de pompage solaire décrit
précédemment. Elle peut sans problème, à un instant donné, recevoir un courant de
charge et débiter un courant de décharge de valeur différente. Les appareils alimentés
sont donc câblés sur la batterie au travers du régulateur de charge. Lorsque la batterie
est pleine, ce dernier coupe la charge pour éviter qu'elle ne souffre de surcharge.
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Figure 4 : Système d'alimentation autonome hybride photovoltaïque/groupe électrogène
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Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet
photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de
cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3V et 0.7
V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température et du
vieillissement de la cellule.
b) Conversion photovoltaïque
Semi-conducteur
Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité électrique est
intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de
valence du silicium permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome
voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer
un courant électrique.
Le dopage de semi-conducteur
Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce
procédé est appelé dopage.
Dopage de type N
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Figure 8 : dopage semi-conducteur du type N.
Dopage de type P
De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer
les liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce
trou se déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant. Ici le nombre
de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque, on
obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore B.
La Jonction PN
Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N. Lors de
cet assemblage les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone
de jonction où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition. Il ne reste
donc plus que les ions dans cette zone qui vont créer un champ électrique interne au
niveau de la jonction et qui empêche les charges libres restantes dans chaque zone de
traverser la jonction pour se recombiner.
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Figure 10 : la jonction P-N
b) Effet photovoltaïque
La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet
photovoltaïque, c’est-à-dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charges
(électrons et trous) dans un matériau. Lorsqu’un semi-conducteur est illuminé avec un
rayonnement de longueur d’onde appropriée (l’énergie des photons doit être au moins
égale à celle du gap énergétique du matériau), l’énergie des photons absorbée permet
des transitions électroniques depuis la bande de valence vers la bande de conduction du
semi-conducteur, générant ainsi des paires électrons-trous, qui peuvent contribuer au
transport du courant (photoconductivité) par le matériau lorsqu’on le polarise. Si on
illumine maintenant une jonction PN représenté sur la figure (1.7) , les paires électrons-
trous qui sont créés dans la zone de charge d’espace de la jonction sont immédiatement
séparées par le champ électrique qui règne dans cette région, et entraînées dans les
zones neutres de chaque côté de la jonction. Si le dispositif est isolé, il apparaît une
différence de potentiel aux bornes de la jonction (photo tension), s’il est connecté à une
charge électrique extérieure, on observe le passage d’un courant alors qu’on n’applique
aucune tension au dispositif. C’est le principe de base d’une cellule photovoltaïque.
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c) Les types des cellules photovoltaïques
Les différentes techniques utilisées de nos jours, ont permis de mettre au point divers
types de cellules au silicium : monocristallin, poly cristallin, amorphe. Il existe aussi
d'autres types de cellules qui utilisent d'autres types de matériaux.
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Cellule amorphe
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de
verre. La cellule est marronne. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites «
solaires », leurs coûts de fabrication sont les plus intéressants, mais elles ont un
rendement compris entre 5 et 7%.
Afin d’obtenir des puissances de quelques KW, sous une tension convenable, il est
nécessaire d’associer une combinaison de modules en série et/ou en parallèle.
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L’association des modules en série permet d’augmenter la tension du générateur
photovoltaïque. Les modules sont donc traversés par le même courant.
2. Régulateur de charge
a) Rôle de la régulation dans les systèmes photovoltaïques
Il se Place entre les modules photovoltaïques et les batteries, le régulateur de charge
permet de contrôler la charge pour éviter tout endommagement du stockage d’énergie
(gérer la charge et la décharge de la batterie). Il permet de stabiliser la tension des
modules photovoltaïques et de maintenir la charge des batteries de manière appropriée.
Le régulateur assure deux fonctions principales :
-La protection des batteries contre les surcharges et les décharges profondes.
- L’optimisation du transfert d’énergie du générateur PV à l’utilisation.
b) Technologies des régulateurs
Il existe trois grandes familles de régulateurs de charge utilisant chacune une méthode
différente de contrôle de charge :
Le type shunt : dont l'interrupteur court-circuite le générateur solaire en fin de
charge ;
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Le type MPPT (Maximum Power Point Tracker) : qui utilisent un circuit
électronique spécial permettant de soutirer en permanence du champ de capteurs
sa puissance maximale.
À ces trois types de circuits, on ajoute en général un régulateur de décharge
pour empêcher les décharges profondes de la batterie.
3. Stockage
Le stockage assure deux fonctions principales :
4. Convertisseur DC/ AC
Le convertisseur DC/AC aussi appelé onduleur, est une partie essentielle dans la chaîne
de production des énergies renouvelables. C'est un appareil électronique permettant de
générer un courant alternatif à partir d'un courant continu (cas d’une production
solaire). La commande d'un convertisseur DC/AC se fait par un jeu de commutation
approprié, en modulant la source afin d'obtenir un signal alternatif de fréquence
désirée. En plus de sa fonction de conversion, l'onduleur assure également la liaison
entre les panneaux solaires et le réseau électrique (en mode « connecté au réseau ») ou
alors simplement entre la production et une charge (en mode « isolé »).
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Figure 16 : Rôle de l’onduleur.
a) Onduleur autonome
Un onduleur autonome est un convertisseur statique assurant la conversion continu-
alternatif. Alimenté en continu, il modifie de façon périodique les connexions entre
l’entrée et la sortie et permet d’obtenir de l’alternatif à la sortie. Un onduleur autonome
est un convertisseur dont la fréquence ne lui est pas imposé. Il dépend essentiellement
de la nature du générateur et du récepteur entre lesquels il est monté.
b) Non autonome
Un onduleur est dit non autonome si l’énergie nécessaire pour la commutation des
thyristors est fournie par le réseau alternatif qui est donc un réseau actif. C’est le cas
du fonctionnement en onduleur des redresseurs. La fréquence et la forme d’onde de la
tension sont imposées par le réseau alternatif.
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Etape 1 : estimation de l’ensoleillement sur le site de l’installation du
générateur PV.
Etape 2 : estimation du champ photovoltaïque (tension et puissance crête
installer nombre de modules)
Détermination l’irradiation solaire (gisement solaire) de la localité : I r
Évaluation des besoins énergétiques
Détermination du champ.
Choix des batteries de stockage d'électricité produite par les panneaux PV.
Choix du régulateur de charge.
3. Dimensionner le champ
Pour dimensionner un champ, il faut :
Calculer la puissance crête : pc
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Ej
pc = avec k= 0,65 : constante solaire.
Ir x k
Nombre total de panneaux :
pc
De formule : N t =
p modul
Avec pmodul : c’est la puissance émit par le concepteur du panneaux, cette
puissance est variable.
Exemple : pmodul =250wc
pmodul =300wc
pmodul = 500wc
pmodul = 1000wc
NB :
Branchement des panneaux en série, c’est pour augmenter la tension
Branchement des panneaux en parallèle, c’est pour augmenter la puissance
Application :
Dimensionner un champ photovoltaïque pour l’alimentation d’une maison.
Solution :
Bilan de puissance
Récepteurs Nombre Puissance Puissance Temps (h)
unitaire (w) total(w)
Lampe 4 75 300 10
incandescent
Plaque 1 450 450 4
Téléviseur 1 105 105 18
Fer à 1 1000 1000 1
repasser
Congélateur 1 110 110 24
18
ventilateur 1 100 100 2
Puissance crête : pc
E
pc = p ;
Ir
EJ
Or E P= (énergie produite)
K
Avec : k=0,65
I r=4,7kw/m
Calcule de E j
p
E j= ∑ pi x t i
i=1
16 ; 2
AN : pc =
4 ,7
pc =3,4468kwc
Nombre de panneaux : N t
pc
n p=
p modul
Avec pmodul = 250wc
3446 , 8
AN : n p =
250
n p = 13,78 = 14 panneaux
Nombre de panneaux en série
V
N ms = ch
Vu
Comme pch=3,4468kwc < 10kwc
Alors V ch= 48v
48
AN : N ms =
24
N ms = 2 panneaux
Nombre de panneaux en parallèle
N
N p= t
N ms
19
14
AN : N p =
2
N p= 7panneaux
E1 E j
E= =
η η
E : énergie journalière entrée onduleur en Wh
N : nombre de jour d’autonomie (3)
U : tension du champ (V)
D : décharge maximale admissible dans les batteries (0,8)
K : constante de perte dans la batterie (80%)
E j: énergie journalière consommée par les récepteurs en Wh
η : rendement de l’onduleur (0,9)
10530
E= =11700 Wh
0,9
11700∗3
C= =¿ 1142,57 Ah
48∗0 , 8∗0 ,8
C=1142,57 Ah
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Conclusion :
Les systèmes photovoltaïques sont d’une grande fiabilité. En effet l’Espérance de vie
d’un panneau solaire est d’environ 30 ans, et la performance des cellules est
généralement garantie par les fabricants pour une durée de 20 à 25 ans. Au-delà, la
puissance reste supérieure à 80% de la puissance initiale, ce qui en fait un mode de
production à long terme. Aussi L’énergie solaire photovoltaïque demeure encore un mode
de production énergétique onéreux, et subis plusieurs contraintes comme celle de
changement de température et autre qui influence sur la production de l’électricité,
mais comme il ne pollue pas et comme de nos jours a été développé plusieurs applications
issues de celui-ci nous pouvons que cette énergie a encore une longue vie en plus c’est de
l’énergie vert.
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