Chapitre 1 : Etude et présentation d`un générateur photovoltaïque

Université Libanaise
Faculté de Génie II
Projet de Fin d’Etudes
présenté en vue de l’obtention du
Diplôme d’Ingénieur Electrique
par
Elsy MANSOUR
Modélisation des panneaux photovoltaïques sur compact rio
Responsable de projet : Dr Georges SALLOUM
2012
2
REMERCIEMENTS
Tout d’abord et avant tout, je remercie DIEU de m’avoir donné la patience de faire mon
expérience à la fois enrichissante et gratifiante.
Mes vifs remerciements s'adressent ensuite aux enseignants académiques de l'Université
Libanaise de génie II Roumieh qui nous ont enseigné et qui par leurs compétences nous ont
soutenu dans la poursuite de nos études
Je remercie le professeur Rafic YOUNIS, Doyen de la faculté de génie, le professeur Zeinab
SAAD, Doyen de l’Ecole Doctorale à l’Université Libanaise, le professeur Marlène KORDAHI,
Directrice de la faculté de génie II à l’Université Libanaise.
Un merci est adressé aussi au Professeur Clovis FRANCIS, Coordinateur du programme de
Master contrôle industriel et au Professeur Gilles BALLOUZ, Chef du Département de génie
électrique et électronique.
Je présente toute ma gratitude à l’encadrant de mon projet, Dr. Georges SALLOUM, pour
m’avoir aidée à faire le bon choix du projet .Je le remercie de même pour avoir été toujours là
pour moi dès le début du projet en m’aidant dans la documentation, jusqu’aux moments difficiles
que j’ai rencontrés durant la réalisation, pour ses conseils et sa compréhension et pour ses
encouragements. Je le remercie de même pour la confiance qu’il m’a accordée en me donnant le
plein accès au matériel.
Je remercie aussi Monsieur. Marc DAOUD, de m’avoir consacré son temps, pour son
encouragement et ses conseils qui ont été très utiles, pour la réalisation de mon projet.
Je saisis cette occasion pour remercier les membres de jury pour m’avoir accompagnée tout
au long de cette journée.
A mes parents et ma famille qui m’ont soutenue durant toute la période d’étude et qui m’ont
tellement encouragée, un grand remerciement.
3
TABLE DES MATIERS
REMERCIEMENTS ...................................................................................................................................... 3
LISTE DES FIGURES................................................................................................................................... 6
INTRODUCTION GENERALE.................................................................................................................... 8
CHAPITRE I :ETUDE ET PRESENTATION D’UN GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE ...................... 9
I-
Introduction ..................................................................................................................................... 10
II-
La cellule photovoltaïque ............................................................................................................... 10
1- ) Définition ..................................................................................................................................... 10
2- ) Structure d'une cellule photovoltaïque ......................................................................................... 11
3-) Principe de fonctionnement de la cellule photovoltaïque.............................................................. 11
III-
Modèle de la cellule photovoltaïque ........................................................................................... 13
1-) Modèle d’une cellule à une seule diode ........................................................................................ 13
2-) Paramètres de la cellule photovoltaïque ............................................................................................ 18
a-) Rendement de la cellule` ............................................................................................................... 18
b-) Facteur de forme, FF ..................................................................................................................... 18
IV-
Spécification du générateur photovoltaïque ................................................................................ 19
V-
Point de fonctionnement d'un panneau photovoltaïque .............................................................. 19
VIcaractérisations électriques du générateur photovoltaïque en tenant compte des caractéristiques
du fournisseur.......................................................................................................................................... 20
1-)Ensemble de paramètres ................................................................................................................. 20
2-)Schéma bloc de la modélisation du GPV ....................................................................................... 21
VII-
Influence des paramètres internes et externes sur la caractéristique de panneau photovoltaïque
22
a-)Paramètres externes ........................................................................................................................ 22
a.1)Étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de l’irradiation solaire ........................... 22
a.2) Étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de la température ambiante................... 23
b-) Paramètres internes........................................................................................................................ 24
b.1-) Variation de la résistance série de la cellule en fonction de l’irradiation et de la température
ambiante .............................................................................................................................................. 24
b.2) Étude des caractéristiques du panneau PV en fonction de la résistance série.............................. 25
C- Simulation des conditions optimales du panneau STP180S-24/Ad ............................................... 26
4
VIIIIX-
Comparaison du modèle étudié avec le modèle donné par le constructeur............................. 27
Conclusion .................................................................................................................................. 30
CHAPITRE II :MODELISATION DU PANNEAU PHOTOVOLTAIQUE SUR COMPACT RIO .............. 31
Introduction ..................................................................................................................................... 32
I-
Composants du Compact Rio...................................................................................................... 33
II-
-Le châssis........................................................................................................................................... 33
-
Le contrôleur ............................................................................................................................... 34
-
Les modules d’Entrée/Sortie ....................................................................................................... 34
III-
Réalisation................................................................................................................................... 36
IV-
Résultats et discussions ............................................................................................................... 37
V-
Conclusion .................................................................................................................................. 41
CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................................... 42
REFERENCES ............................................................................................................................................ 43
5
LISTE DES FIGURES
Figure 1: Représentation d’une cellule photovoltaïque.............................................................................. 10
Figure 2: Structure équivalente d’une cellule photovoltaïque. .................................................................. 11
Figure 3: la jonction pn. ............................................................................................................................. 12
Figure 4: Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque. ........................................................................... 12
Figure 5: Photo d’un panneau photovoltaïque. .......................................................................................... 13
Figure 6: Schéma électrique équivalent d’une cellule photovoltaïque.. ..................................................... 14
Figure 7: Schéma bloc du Générateur Photovoltaïque. ............................................................................. 17
Figure 8:Connexions mixtes des modules photovoltaïques sur la caractéristique I(V).............................. 17
Figure 9: Facteur de forme. ....................................................................................................................... 18
Figure 10: Spécification d’une cellule photovoltaïque. .............................................................................. 19
Figure 11: Schéma bloc d’un panneau photovoltaïque sous matlab/simulink. .......................................... 21
Figure 12: Caractéristiques I(V) pour différentes irradiations solaires. ................................................... 22
Figure 13: Caractéristiques P(V) pour différentes irradiations solaires. .................................................. 23
Figure 14: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la température ambiante. ....................... 23
Figure 15: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la température ambiante. ...................... 24
Figure 16 : variation de la résistance série en fonction de la température ambiante. .............................. 24
Figure 17: variation de la résistance série en fonction de l’irradiation solaire. ....................................... 25
Figure 18: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la résistance série. ................................. 25
Figure 19: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la résistance série. ................................ 26
Figure 20: Simulation de la tension du panneau en fonction de l’éclairement. ........................................ 26
Figure 21: Simulation du courant du panneau en fonction de l’éclairement. ........................................... 27
Figure 22 : Simulation de la puissance maximale du panneau en fonction de l’éclairement. .................. 27
Figure 23: caractéristiques données par le constructeur. .......................................................................... 28
Figure 24: Variation du rayonnement solaire et de la température ambiante. .......................................... 29
Figure 25: La variation de la puissance PV d’un module en fonction de temps. ....................................... 30
Figure 26: Compact rio. ............................................................................................................................. 32
Figure 27: le châssis. .................................................................................................................................. 33
Figure 28:La topologie de la connexion ..................................................................................................... 33
Figure 29: Le contrôleur. ........................................................................................................................... 34
Figure 30: Modules d’entrées /sorties. ....................................................................................................... 35
Figure 31: Module NI 9215. ....................................................................................................................... 35
Figure 32 : Architecture du projet sous compact rio.................................................................................. 35
Figure 33: signaux d’entrées. ..................................................................................................................... 36
Figure 34: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour w=1000w/m2 et Ta =25°C. ... 37
6
Figure 35 : w=800w/m2. ............................................................................................................................. 37
Figure 36 : Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=800w/m2. ..................................... 38
Figure 37 : w=500w/m2. ............................................................................................................................. 38
Figure 38: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=500w/m2. ..................................... 39
Figure 39:Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour différentes températures
ambiantes. ................................................................................................................................................... 40
Figure 40: variation de la puissance PV d’un module en fonction de temps. ............................................ 41
7
INTRODUCTION GENERALE
Aujourd’hui, les énergies renouvelables deviennent progressivement des énergies à part entière,
rivalisant avec les énergies fossiles du point de vue coût et performance de production.
La consommation des sources d’énergies provenant des combustibles fossiles (pétrole, gaz
naturel etc. …) donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la
pollution. En plus la consommation excessive de stock de ressources naturelles réduit les
réserves de ce type d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures.
Cependant, pour remédier à cela, de nouvelles énergies dites<<Énergies renouvelables >>, ont
émergé (photovoltaïque, biomasse,..).
Les énergies renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la
source d’énergie valorisée et l’énergie utile obtenue. La filière étudiée dans ce projet est
l’énergie solaire photovoltaïque. Il s’agit alors de la transformation directe d’une partie du
rayonnement solaire en énergie électrique.
L’énergie photovoltaïque peut être considérée comme étant la plus attractive parmi les
différentes sources d’énergies renouvelables du fait qu’elle présente plusieurs avantages tels
que : La disponibilité de l’énergie solaire partout et gratuitement, la fiabilité des systèmes PV et
la modularité de la puissance en fonction des besoins. De plus cette technologie est bien adaptée
à un fonctionnement décentralisé et autonome et ne produit pas de gaz à effet de serre. Enfin, les
systèmes PV d’aujourd’hui nécessitent peu d’entretien et affichent une durée de vie de 20 à 25
ans [1].
Bien que l’énergie photovoltaïque soit connue depuis de nombreuses années comme source
d’énergie électrique allant de quelques milliwatts au mégawatt, son développement reste limité
par le coût élevé des capteurs.
En effet, cette énergie est soumise aux conditions météorologiques. Elle présente donc une
fluctuation de production qui peut être importante en fonction du site d’installation, ce qui pose
des problèmes sur les réseaux locaux qu’elle participe à alimenter.
Le chapitre 1 a pour but de traiter le contexte de la cellule photovoltaïque, le module dont le
générateur photovoltaïque se compose. Un modèle a été développé sur Matlab Simulink pour
simuler le fonctionnement d’un générateur PV et extraire les caractéristiques I-V et P-V sous
différentes conditions d’ensoleillement et de température.
Le chapitre 2 présente le second volet du travail correspondant à l’implémentation d’un
panneau PV sur Compact RIO de National Instruments.
8
CHAPITRE I :
ETUDE ET PRESENTATION D’UN GENERATEUR
PHOTOVOLTAIQUE
9
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
I-
Introduction
Ce premier chapitre présente la cellule photovoltaïque, l’élément de base d’un générateur PV.
On décrira le phénomène d’interaction matière-rayonnement ainsi que le phénomène de
production d’électricité. On présentera alors les différentes équations régissant le comportement
électrique, ainsi que les méthodes d’identification des paramètres permettant de simuler un
panneau PV dans différentes conditions d’illumination et de température.
II-
La cellule photovoltaïque
1- ) Définition
Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment
directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé « effet photovoltaïque », ce
dernier a été découvert par Edmond Becquerel en 1839 [2].
Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs.
Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante hυ
qui est
supérieure à l’énergie du matériau ou à E g (l’énergie de bande gap) arrache un électron, créant au
passage un « trou ». Si les photons incidents ont une énergie inférieure à E g , ils ne seront pas
absorbés c'est-à-dire leur énergie ne contribue pas à la conversion photovoltaïque.
Figure 1: Représentation d’une cellule photovoltaïque.
10
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
2- ) Structure d'une cellule photovoltaïque
La cellule est l’unité de conversion la plus adaptée à l’effet photovoltaïque.
Parmi les cellules photovoltaïques utilisant le silicium comme matériel de base on distingue les
monocristallins, les poly cristallins et amorphes. Ainsi la cellule de silicium monocristallin est
historiquement la plus largement utilisée et commercialisée et est celle qui a les meilleures
performances, tandis que la cellule en silicium poly cristallin est moins couteuse que celle du
silicium monocristallin et son efficacité est plus faible et les processus de sa préparation est
moins stricte, enfin la structure de la cellule photovoltaïque amorphe présente un haut degré de
désordre dans la structure des atomes [3].
Généralement, la couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N. Dans cette
couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où
l'appellation de dopage N (charge de l'électron).Le matériau reste électriquement neutre : c'est le
réseau cristallin qui supporte globalement une charge négative.
La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P. Cette couche possèdera
donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les
électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La
conduction électrique est assurée par des trous positifs (P).
Il faut ajouter des contacts électriques transparents, une couche antireflet pour assurer une
bonne absorption des photons, ainsi qu’une couche de verre pour résister aux intempéries.
Figure 2: Structure équivalente d’une cellule photovoltaïque.
3-) Principe de fonctionnement de la cellule photovoltaïque
Au moment de la création de la jonction PN, les électrons libres de la couche N migrent vers
la couche P pour se recombiner avec les trous majoritaires. Il existera ainsi, pendant toute la vie
de la jonction, une charge positive dans la région N au bord de la jonction et une charge négative
dans la région P au bord de la jonction; l'ensemble forme alors une zone de charge
d’espace(ZCE) où règne un champ électrique entre les deux couches, de N vers P.
11
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 3: la jonction pn.
Un photon incident dans la ZCE arrache un électron et crée ainsi un couple libre d’électrontrou. Sous l’effet du champ électrique, les électrons s'accumulent dans la couche dopée N, alors
que les trous s'accumulent dans la couche dopée P. Cette réaction entraine alors une différence de
répartition de charges créant ainsi une différence de potentiel électrique : c’est l’effet
photovoltaïque.
En effet, chaque matériau possède son propre gap énergétique ou bande d’énergie interdite.
Tout photon incident possédant une énergie inférieure à ce gap n’aura pas assez d’énergie pour
arracher un électron au matériau.
L’énergie électrique produite par un capteur PV est donc beaucoup plus faible que l’énergie
solaire arrivant sur le matériau car plusieurs conditions doivent être réunies pour que l’énergie
d’un photon se traduise en courant : la compatibilité du matériau avec les longueurs d’ondes du
spectre solaire, l’énergie des photons incidents, la probabilité de rencontre d’un photon et d’un
électron, l’incidence du rayonnement et l’épaisseur du matériau,… [4].
.
Figure 4: Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.
La puissance électrique produite par une cellule industrialisée est très faible, typiquement de 1 à
3W avec une tension de moins de 1 volt [5].
Pour produire plus de puissance, les cellules photovoltaïques sont alors assemblées pour former
un module.
12
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Le passage d’un module à un panneau se fait par l’ajout de diodes de protection : une diode en
série pour éviter les courants inverses, et une autre en parallèle, dite diode by-pass, qui
n’intervient qu’en cas de déséquilibre d’un ensemble de cellules pour limiter la tension inverse
aux bornes de cet ensemble et minimiser la perte de production associée.
Figure 5: Photo d’un panneau photovoltaïque.
Sous des conditions réelles de fonctionnement, si les cellules PV sont légèrement différentes
les unes des autres ou si elles ne sont pas uniformément éclairées, la courbe I(V) résultante n’est
pas facilement calculable et dépend alors d’une combinaison complexe du comportement
individuel de chaque cellule.
III-
Modèle de la cellule photovoltaïque
1-) Modèle d’une cellule à une seule diode
Lorsqu’une jonction P-N réalisée à partir de matériaux sensibles à la lumière est éclairée, elle
présente la particularité de pouvoir fonctionner en générateur d’énergie.
Ce comportement en statique peut être décrit par l’équation électrique définissant le
comportement d’une diode classique.
Le schéma électrique équivalent à une cellule photovoltaïque est représenté par la figure
suivante qui consiste en une source de courant idéale, branchée avec une diode en parallèle, une
résistance série Rs et une résistance parallèle Rsh [6].
La source de courant délivre un courant I ph , directement proportionnel à l'intensité de la
lumière, alors que la diode D décrit les propriétés semi-conductrices de la cellule photovoltaïque.
13
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 6: Schéma électrique équivalent d’une cellule photovoltaïque.
L'équation (1) du schéma (Figure 6) déduite directement à partir de la loi de Kirchhoff est la
suivante :
I = I ph − I 0 [exp(
V + Rs I
V + Rs I
) − 1] −
Vt
Rsh
(Equation 1)
Avec :
I ph : Photo-courant de la cellule.
I 0 : courant de saturation inverse de la diode.
Vt =
nkT
: Tension thermique de la diode.
q
Et
n : Facteur d’idéalité de la diode (1 <n<3).
q : Charge de l’électron (1,6.10-19 C).
k : Constante de Boltzmann (1,38.10-23J/K).
T : température de la cellule (en kelvin) variant en fonction de l’éclairement et de la température
ambiante, selon la relation linéaire [7] :
14
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
𝑇 − 𝑇𝑎
=
Tfn − 20
(Equation 2)
𝛹
T fn est la température de fonctionnement normale des cellules PV (en °C) dans les conditions
suivantes: un ensoleillement de 800 W/m2, une température ambiante de 20°C et une masse d’air
optique AM égale à 1,5.
La valeur de T fn est généralement donnée par le constructeur et est située autour de 45 °C.
Ta est la température ambiante (°C), et𝛹 (W/m2) l’ensoleillement global du lieu considéré et
reçu par le module PV.
Toutes les constantes dans les équations ci-dessus peuvent être déterminées en utilisant les
données du fabricant des panneaux photovoltaïques et à partir des courbes I=f (V) mesurées.
A partir de ces équations, une méthodologie simple a été développée pour la détermination des
caractéristiques d’une cellule ou d’un panneau photovoltaïque.
On introduit les deux paramètres externes de la cellule (facilement mesurables), tels que le
courant de court-circuit I cc et la tension du circuit ouvert Vco , pour en déduire l’expression
mathématique implicite du courant délivré par une cellule photovoltaïque, ainsi que sa
caractéristique I(V).
L’expression approchée du courant de court-circuit est donnée par:
𝐼𝑐𝑐 =
Iph
Rs
1+
Rsh
(Equation 3)
A des niveaux d’éclairement usuels, le photo-courant est proportionnel à l’irradiation solaire ou
au flux lumineux Ψ (W/m2) tel que [8] :
I ph = I ph 0
Ψ
1000
(Equation 4)
Où 𝐼𝑝ℎ0 est le courant de court-circuit pour une irradiation solaire standard de 1000W/m2.
Idéalement la tension de circuit ouvert s’exprime comme suit :
15
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Vco = Vt ln(
I ph
I0 +1
)
(Equation 5)
A partir de l’équation (5) on peut déduire le courant de saturation de la diode :
I0 =
I ph
V
exp( co ) − 1
Vt
(Equation 6)
 Calcul de la résistance série
Au point optimal (Maximum power point) ( Vmpp , I mpp ) de fonctionnement on peut écrire la
relation suivante :
I mpp = I ph − I 0 exp(
Or I 0 =
Vmpp + Rs I mpp
Vt
(Equation7)
− 1)
I ph
.
Vco
exp( ) − 1
Vt
exp(
⇒ I mpp = I ph (1 −
⇒ Rs =
Vt ln[(1 −
Vmpp + Rs I mpp
Vt
V
exp( oc ) − 1
Vt
I mpp
I ph
) exp(
) −1
).
(Equation 8)
I
Vco
) + mpp ] − Vmpp
Vt
I ph
I mpp
En pratique la résistance shunt (parallèle) est très grande [6], donc le terme
nul :
V + Rs I
→0
Rsh
16
V + Rs I
devient
Rsh
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
D’où l’équation (1) devient :
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼0 [exp �
V + RsI
� − 1]
Vt
(Equation 9)
Le schéma bloc équivalent d’une cellule PV sera alors :
Figure 7: Schéma bloc du Générateur Photovoltaïque.
Pour atteindre les valeurs nominales requises en tension et puissance, il faut brancher les
modules PV dans un groupement mixte formé de N s modules en série et N p en parallèle On
obtient dans ce cas :
I pv = N p I cell
V pv = N sVcell
(Equation 10)
Ces relations ne sont valables que si tous les modules, constituant le générateur PV, sont
identiques et reçoivent le même niveau d’irradiation.
Pour qu’un générateur PV ainsi constitué puisse fonctionner de façon optimale, il faut que les
( N s , N p ) Cellules se comportent toutes de façon identique.
Elles doivent pour cela être issues de la même technologie, du même lot de fabrication et
qu’elles soient soumises aux mêmes conditions de fonctionnement (éclairement, température,
vieillissement et inclinaison) [9].
Comme le module se compose de groupe de cellules, le modèle d'un module photovoltaïque est
basé sur le modèle de la cellule solaire.
Sa caractéristique I(V) est directement liée à la caractéristique de la cellule photovoltaïque de
base.
Figure 8:Connexions mixtes des modules photovoltaïques sur la caractéristique I(V).
17
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
La puissance du générateur PV sera optimale si chaque cellule fonctionne à sa puissance
maximale notée Pmax .
Cette puissance est le maximum d’une caractéristique P(V) du générateur, et correspond au
produit d’une tension optimale notée Vmpp et d’un courant optimal noté I mpp .
2-) Paramètres de la cellule photovoltaïque
a-) Rendement de la cellule`
Le rendement d'une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport de la puissance
maximale fournie par la cellule à la puissance lumineuse d'incident.
η=
Vmpp I mpp
ΨS
(Equation 11)
S est la surface génératrice en m2et Ψ est l’ensoleillement en w/m2.
L’optimisation du rendement des cellules photovoltaïques est basée sur la compréhension et le
développement du concept du dispositif.
b-) Facteur de forme, FF
Un paramètre important est souvent utilisé à partir de la caractéristique I( V ) pour qualifier la
qualité d’une cellule ou d’un générateur PV : c’est le facteur de remplissage ou fill factor (FF).
Ce coefficient représente le rapport entre la puissance maximale que peut délivrer la cellule
notée Pmax et la puissance formée par le rectangle I cc * Vco . Plus la valeur de ce facteur sera
grande, plus la puissance exploitable le sera également.
Dans cette étude le facteur de forme FF est de 0.76, même dans le cas d’une cellule idéale, ne
peut dépasser 0,89 [10] puisque les équations courant/tension sont régies par les équations de
qV
Boltzmann sous forme exponentielle : exp( ) .
kT
Ce paramètre dépend de la conception de la cellule, de la qualité de la jonction p-n et du
matériau, de la résistivité des contacts métalliques, etc.
Figure 9: Facteur de forme.
18
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
IV-
Spécification du générateur photovoltaïque
La caractéristique I(V) représente les trois zones essentielles :
La zone (1) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, le
générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.
La zone (2) : représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point
optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé.
La zone (3) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tension Presque
constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension.
Figure 10: Spécification d’une cellule photovoltaïque.
V-
Point de fonctionnement d'un panneau photovoltaïque
Les systèmes PV devraient être conçus pour fonctionner à leurs niveaux de puissance
maximum de rendement pour n'importe quelle température et niveau solaire d'irradiation à tout
moment.
Le dernier facteur significatif qui détermine la puissance de sortie PV est l'impédance de la
charge.
Cependant, on devrait noter qu'une telle impédance n'est pas constante.
Lorsque un générateur photovoltaïque est directement couplé à une charge, le point de
fonctionnement du générateur photovoltaïque sous un rayonnement constant sera l'intersection
de sa courbe caractéristique I=f(V) avec la courbe caractéristique I ch =f(V) de la charge, donc la
charge est présentée avec un point quelque part sur la caractéristique de cellules d'I-V.
Généralement ce point de fonctionnement est rarement au MPP du générateur photovoltaïque,
de ce fait il ne produit pas la puissance maximum.
19
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Quand la charge augmente, le point de fonctionnement se déplace le long de la caractéristique
vers la droite. Cependant, une diminution de la charge fait monter le point de fonctionnement de
la caractéristique vers la gauche de la direction.
Pour atténuer ce problème, un traqueur maximum de point de puissance (MPPT) peut être
employé pour maintenir le point de fonctionnement du générateur photovoltaïque au MPP. Avec
une MPPT on peut extraire plus de 97% de la puissance de générateur photovoltaïque une fois
correctement optimisé [11].
VI-
caractérisations électriques du générateur photovoltaïque en tenant
compte des caractéristiques du fournisseur
Les équations retenues ci-dessus peuvent être modélisées sous Simulink/Matlab, étant donné
qu’on s’intéresse à une étude en temps réel, à partir des blocs mathématiques basiques présents
dans le catalogue Simulink.
Le panneau photovoltaïque utilisé dans le projet est un panneau STP180S-24/Ad.
On a implanté et simulé son fonctionnement sous des conditions de température et
d’ensoleillement.
1-)Ensemble de paramètres
Les paramètres les plus objectifs du module STP180S-24/Ad sont :
N s =12
N p =6
Ta =25 °C
T fn =45 °C
I ph 0 = 5.43 A
I mpp =5.09 A
Vmpp =36.4 V
Vco =45 V
20
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
2-)Schéma bloc de la modélisation du GPV
Figure 11: Schéma bloc d’un panneau photovoltaïque sous matlab/simulink.
21
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
VII- Influence des paramètres internes et externes sur la caractéristique
de panneau photovoltaïque
a-)Paramètres externes
a.1)Étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de l’irradiation solaire
La tension optimale du générateur est de 45 Volts (V), l’intensité du courant optimal est de
5.43 Ampères (A) sous une irradiation de 1000 W/m2.
Figure 12: Caractéristiques I(V) pour différentes irradiations solaires.
Quand l’ensoleillement augmente, l’intensité du courant photovoltaïque croît, les courbes I(V)
se décalent vers les valeurs croissantes permettant au module de produire une puissance
électrique plus importante. De même à son tour les courbes P(V) croissent de façon à produire
une puissance électrique plus importante.
Le photo-courant est donc directement lié au flux lumineux (irradiation).
La puissance délivrée par le panneau sous une irradiation de 1000 W/m2 est de 189.6 watts.
22
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 13: Caractéristiques P(V) pour différentes irradiations solaires.
a.2) Étude de la caractéristique du panneau PV en fonction de la température ambiante
Le comportement du même module sous une lumière de 1000 W/m2 et à des températures
différents est représenté ci-dessous :
Figure 14: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la température ambiante.
23
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 15: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la température ambiante.
Malgré le changement de la température ambiante, les caractéristiques I(V) et P(V) ne
représentent pas des changements importants.
b-) Paramètres internes
b.1-) Variation de la résistance série de la cellule en fonction de
température ambiante
•
l’irradiation et de la
Variation de la résistance série en fonction de la température pour une irradiation
1000 watts/m2
Rs (Ω)
0.7242
0.7187
0.7132
0.7077
0.6968
T a (̊C)
25
40
55
70
100
Figure 16 : variation de la résistance série en fonction de la température ambiante.
24
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
•
Variation de la résistance série en fonction de l'irradiation pour Ta = 25 ̊C
Rs (Ω)
0.8973
0.8569
0.8207
0.7696
0.7242
W (watts/m2)
200
400
600
800
1000
Figure 17: variation de la résistance série en fonction de l’irradiation solaire.
On remarque que la résistance série du panneau photovoltaïque diminue inversement
proportionnelle à l’irradiation solaire et de même à la température ambiante.
On a montré que les différents paramètres électriques du panneau PV nécessitent un
réajustement qui est alors nécessaire pour optimiser le fonctionnement des panneaux PV.
b.2) Étude des caractéristiques du panneau PV en fonction de la résistance série
Les performances d’une cellule photovoltaïque sont d’autant plus dégradées que lorsque Rs est
grande.
L’influence de la résistance série sur la caractéristique I( V ) se traduit par une diminution de la
pente de la courbe I = f ( V ) dans la zone où le panneau fonctionne comme source de tension.
Figure 18: Caractéristiques I(V) en fonction de la variation de la résistance série.
.
25
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 19: Caractéristiques P(V) en fonction de la variation de la résistance série.
C- Simulation des conditions optimales du panneau STP180S-24/Ad
A partir, des caractéristiques 13 et 14, on a tracé sur les figures 21 à 23, les variations des
caractéristiques optimales ( Vmpp , I mpp , Pmax ) du panneau STP180S-24/Ad (d’après suntech) en
fonction de l’éclairement.
Lorsque l’éclairement varie de 300 à 1000 W/m2, la puissance maximale varie de 60 W à 185
W. Ainsi, la tension optimale varie très peu avec l’éclairement et elle est de l’ordre de 36.4 V.
Figure 20: Simulation de la tension du panneau en fonction de l’éclairement.
26
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 21: Simulation du courant du panneau en fonction de l’éclairement.
Figure 22 : Simulation de la puissance maximale du panneau en fonction de l’éclairement.
VIII- Comparaison du modèle étudié avec le modèle donné par le
constructeur
Notre objectif était de vérifier si le modèle était capable de prédire les performances du
système PV. Le graphe suivant représente les caractéristiques données par le constructeur
STP180S-24/Ad (d’après suntech).
27
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 23: caractéristiques données par le constructeur.
Les résultats obtenus sont tels que :

Pour une irradiation de 1000W/m2, le courant et la puissance ont pour valeur
respective 5,43A et 185 W, comparés à ceux étudiés dans ce rapport et dont les
résultats obtenus 5,43 A et 189,3 W.

Pour une irradiation de 800W/m2, le courant et la puissance ont pour valeur
respective 4,45 A et 155 W, comparés à ceux étudiés dans ce rapport et dont les
résultats obtenus 4.344 A et 156,5 W.

Pour une irradiation de 600W/m2, le courant et la puissance ont pour valeur
respective 3,25A et 104 W, comparés à ceux étudiés dans ce rapport et dont les
résultats obtenus 3,25 A et 121,5 W.
D’où le coefficient de corrélation obtenu est de l’ordre de 0,95. Toutefois les valeurs élevées
du coefficient de corrélation témoignent de la qualité du modèle proposé dans cette étude pour
prévoir la performance des générateurs PV.
De même l’objectif final est de vérifier si le modèle était capable de prédire les performances
du système PV. Ainsi pour valider le modèle, on a choisi un jour ensoleillé avec de courtes
périodes d’irradiation solaire élevée.
L’éclairement solaire reçu par un capteur varie typiquement de la manière représentée sur la
figure 25 au cours d’une journée: il augmente dès le lever du jour pour atteindre un maximum au
midi solaire avant de décroître de nouveau jusqu’à s’annuler à la tombée de la nuit.
On remarque à 12h un changement rapide de l’irradiation solaire provoqué par les passages
nuageux.
La température ambiante peut descendre jusqu’à environ 18.2 °C la nuit, mais le jour dépendant
du niveau d’ensoleillement et des conditions climatiques, elle peut s’élever entre 22 et 25 °C.
28
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Irradiance solaire (w/m²)
1200
1000
800
600
400
200
Time
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
0
Temperature ambiante (°C)
30
25
20
15
10
5
Time
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
0
Figure 24: Variation du rayonnement solaire et de la température ambiante.
La figure 25 donne la puissance produite par un seul module photovoltaïque : on remarque que
la puissance photovoltaïque pour cette journée augmente avec le temps et passe par son
maximum de (189.6W) à 12h puis elle décroît progressivement à la valeur nulle à 23h.
29
Chapitre 1 : Etude et présentation d’un générateur photovoltaïque
Figure 25: La variation de la puissance PV d’un module en fonction de temps.
Ainsi, les changements rapides de l’irradiation solaire provoqués par les passages nuageux
entraînent une modification brusque de la température ambiante, il peut donc exister un
déphasage entre la valeur enregistrée de la température ambiante et sa valeur réelle instantanée,
et les valeurs utilisées dans le modèle peuvent ne pas correspondre avec les valeurs réelles
instantanées.
IX-
Conclusion
Dans cette étude, on a utilisé le modèle empirique à une diode pour simuler le fonctionnement
des modules PV soumis à différentes conditions d’ensoleillement et de température.
Le principal intérêt de ce modèle réside dans sa simplicité et sa facilité de mise en œuvre à
partir des caractéristiques techniques données du constructeur.
Dans ce cas on comparera le modèle simple, construit à partir d’hypothèses simplificatrices ou
de données constructrices, avec des modèles de la littérature ou des simulations rigoureuses
basées sur des modèles physiques.
Un bon accord entre les données expérimentales mesurées et les données simulées a été observé
pour une journée normale. Ce constat témoigne de la qualité du modèle proposé dans cette étude.
30
CHAPITRE II :
MODELISATION DU PANNEAU
PHOTOVOLTAIQUE SUR COMPACT RIO
31
Chapitre 2 : Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
I-
Introduction
Compact rio est un produit qui fait partie de la gamme de produits NI(National Instruments).
Le Compact RIO qui est un système de contrôle et d'acquisition de données embarquées, est
destiné aux applications nécessitant des performances et une fiabilité élevées.
Il est programmable à travers LabView et est disponible au sein de notre université.
Grâce à l'ouverture du système, à son architecture embarquée, à sa taille compacte, à son
extrême robustesse et à sa flexibilité, ce système permet de réduire considérablement les coûts
d’intégration pour les systèmes embarqués.
La plupart des applications de compact rio utilisent trois processeurs différents : un PC
Windows, un contrôleur de système d’opération en temps réel, et une carte FPGA.
Il présente de nombreux avantages :
 Il peut être utilisé dans des milieux difficiles (Poussière, Température élevée,
vibrations…)
 Ses petites dimensions font de Compact rio le meilleur choix pour les systèmes
embarqués (Avions, véhicules…), étant donné qu’il apporte performance et faible
encombrement.
 La technologie FPGA avec le temps de réponse trop rapide fait de lui un outil important
pour le contrôle en temps réel.
Figure 26: Compact rio.
32
Chapitre 2 : Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
II-
Composants du Compact Rio
La composition d’un compact rio est [12] :




Un châssis
Un FPGA (Field Programmable Gate Array)
Un contrôleur
Des modules Entrées /Sorties
-Le châssis
Le châssis reconfigurable intègre un FPGA (Field-Programmable Gate Array), qui est
programmable pour l'implémentation d'un cadencement, d'un déclenchement, d'un traitement de
signaux des modules d'E/S connectés à lui et d’un bus PCI (Peripheral component InterConnect)
transmettant les données processeur, pour une analyse en temps réel post-traitement et pour
l’enregistrement de données ainsi que pour la communication un ordinateur hôte en réseau.
Figure 27: le châssis.
Le châssis et le FPGA sont directement connectés aux modules d’Entrée/Sortie à l'aide de Lab
VIEW FPGA élémentaires E / S fonctions pour recevoir des informations ou transmettre des
signaux.
Figure 28:La topologie de la connexion
33
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
-
Le contrôleur
Le contrôleur se forme d’un port périodique, d’ entrées d’alimentation doubles (11 à 30 VDC),
d’un interrupteur DIP,d’ un indicateur (clignotant) LED pour les statuts, d’une horloge à temps
réel et d’ un minuteur de contrôle (watchdog timer).
Figure 29: Le contrôleur.
-
Les modules d’Entrée/Sortie
Les modules d’Entrée/Sortie communiquent avec des dispositifs extérieurs tels que les capteurs
et les déclencheurs pour recevoir des informations ou transmettre des signaux. Chaque module
d'E/S comprend le conditionnement de signaux embarqué et des bornes à vis, des connecteurs
BNC ou D-Sub.
Comme les modules comprennent le conditionnement de signaux embarqué, nous pouvons
habituellement câbler les connexions directement du module Compact RIO sur les capteurs et les
actionneurs.
Une variété de types d'E/S est offerte, tels que des entrées de thermocouples de ±80 mV, des
entrées et des sorties analogiques simultanées de ±10 V, des E/S numériques industrielles de 24
V, des entrées numériques différentielles TTL avec une sortie d'alimentation régulée de 5 V pour
les encodeurs et des entrées numériques universelles de 250 Veff .
34
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
Figure 30: Modules d’entrées /sorties.
Parmi plusieurs modules d’entrée analogique, le module NI 9215 s’est avéré le meilleur pour
l’étude. Ce module est compatible avec compact RIO et NI Compact DAQ. Il mesure une
tension allant de -10V à 10V. Il présente quatre canaux, permettant l’acquisition de quatre
signaux différents.
Figure 31: Module NI 9215.
La VI exécutant sur le processeur temps réel communique à travers des indicateurs et des
contrôleurs sur le front panel. Reste un dilemme important, c’est la synchronisation entre
ordinateur et FPGA vu que les deux outils travaillent à des fréquences différentes
d’échantillonnage, et que l’on on veut rendre le programme universel.
Figure 32 : Architecture du projet sous compact rio.
35
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
III-
Réalisation
La partie du projet qu’on a réalisée sur compact rio consiste en l’acquisition de trois signaux
en entrée et leur analyse dans le domaine temporel. Le premier signal représente
l’ensoleillement, le second la température ambiante et le troisième la charge électrique.
Le programme affiche les trois signaux en fonction du temps, chacun sur un graphe, ainsi que
les caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour différents ensoleillements et
températures ambiantes.
Température ambiante en (̊c).
Ensoleillement en (w/m2).
Variation de la charge.
Figure 33: signaux d’entrées.
 Le facteur multiplicatif de la tension : étant donné que la tension en entrée peut atteindre les
10V au maximum, on utilise le facteur multiplicatif pour restituer l’ensoleillement, la
température ambiante et la charge à des valeurs réelles.
36
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
IV-
Résultats et discussions
On a employé pour la première entrée une tension de 5V correspondant à un éclairement de
1000w/m2 d’où le facteur multiplicatif utilisé dans le modèle est de 200.
La figure 34 représente les caractéristiques du panneau pour une
1000w/m2 et une température ambiante de 25 ̊c.
irradiation solaire de
Figure 34: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour w=1000w/m2 et Ta =25°C.
On a abaissé la tension à 4V pour obtenir une irradiation solaire de 800 w/m2, d’où les résultats
suivants :
Figure 35 : w=800w/m2.
37
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
Figure 36 : Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=800w/m2.
En diminuant ainsi la tension à 2.5V on obtient une irradiation solaire de 500 w/m2.
Figure 37 : w=500w/m2.
38
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
Figure 38: Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau solaire pour w=500w/m2.
Pour différents niveaux d’éclairement (figures précédentes), on remarque que le courant est
directement proportionnel à l’irradiation de ces niveaux d’éclairement. La tension par contre
n’est pas très dégradée lorsque l’irradiation baisse.
De même pour la deuxième entrée, on a employé une tension de 5V correspondant à une
température ambiante de 25 ̊C, en utilisant un autre facteur multiplicatif de 5.
Le comportement du même module sous une lumière de 1000 W/m2 et à des températures
différents est représenté ci-dessous :
Ta=25°C.
39
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
On a augmenté la tension à 9V pour obtenir une température ambiante de 45°C.
Ta=45°C
Figure 39:Caractéristiques I(V) et P(V) du panneau photovoltaïque pour différentes températures
ambiantes.
L’évolution de la caractéristique I−V en fonction de la température montre qu’il y a une faible
variation de la tension en circuit ouvert de même pour le courant en court circuit.
En se basant sur les résultats obtenus ci-dessus et par une simple comparaison avec les
caractéristiques données par le constructeur, on peut calculer un coefficient de corrélation qui est
de l’ordre de 0.95 comparable à celui obtenu en Simulink.
De même pour valider le modèle sur compact rio, on a pris les mêmes variations de
l’éclairement et de la température ambiante pour un jour donné afin de simuler la variation de la
puissance photovoltaïque en fonction du temps.
La figure 40 représente la puissance fournie par le panneau photovoltaïque, on remarque que
cette puissance augmente avec le temps et passe par un maximum puis elle décroît
progressivement à la valeur nulle.
40
Chapitre 2: Modélisation du panneau photovoltaïque sur compact rio
Figure 40: variation de la puissance PV d’un module en fonction de temps.
V-
Conclusion
Un bon accord a été observé entre les deux modèles développés sur Compact Rio et celui sous
Matlab, et le coefficient de corrélation est 97 %, considéré comme satisfaisant. Les modèles de
simulation développés sont utilisés, non seulement pour analyser la performance d’un système
PV, mais aussi pour dimensionner le système PV le plus adaptable pour l’alimentation des
différentes charges électriques.
41
CONCLUSION GENERALE
Quelque soit la structure d’une cellule photovoltaïque, une optimisation de ses paramètres est
nécessaire pour avoir un bon rendement.
Les valeurs des paramètres optimaux dépendent, bien sûr, de la structure de la cellule solaire,
de la qualité du matériau du substrat (duré de vie, mobilité), de la qualité des contacts ohmiques
et de la vitesse de recombinaison en surface (faces avant et arrière), etc.…
Toutefois, il existe des outils de caractérisation permettant de comprendre non seulement le
fonctionnement des cellules mais aussi et surtout maîtriser les paramètres limitatifs des
performances de celles-ci.
Les résultats obtenus montrent que les outils de simulation “Matlab” et “Compact RIO”
valident les modèles électriques de conversion photovoltaïque d’une part et la possibilité de
modéliser d’une manière efficace et rapide un champ photovoltaïque d’une autre part.
42
REFERENCES
[1] Mehimmedetsi Boudjemâa, Application du formalisme Bond Graph à une chaîne de
conversion d’énergie photovoltaïque, 2007, introduction générale, pages : 1-2.
[2] Abbassan Lyes,Etude de la connexion
photovoltaïque,05/05/2011,chapitre 1 ,page 24.
au
réseau
électrique
d’une
centrale
[3] Céline Bernard, Carolina Sebrao – Olivera, Bernard Laval, Clément Vaudouer, Panneau
photovoltaïque et algorithme MPPT à base de logique floue, Automne 2009, pages : 2-3-4.
[4] Fairouz Kandouli, Modélisation et commande des machines électriques, Juillet 2007,
chapitre 2, pages : 37 - 38.
[5] Yezid Ali, Optimisation des cellules solaires conventionnelles à base de silicium ,20102011, page 19.
[6] A. Ould Mohamed Yahya, A. Ould Mahmoud et I. Youm, Revue des énergies Renouvelables
Vol. 11 N°3 (2008) 473 – 483, Etude et modélisation d’un générateur photovoltaïque, Septembre
2008, page 3.
[7] Alain Ricaud, Modules et systèmes photovoltaïques, Notion de puissance crête et de
température d'utilisation, Puissance NOCT, septembre 2008, page 10.
[8] Belhadj Mohammed, Modélisation D’un Système De Captage Photovoltaïque
Autonome, 2007-2008, pages 41-42.
[9] Corinne ALONSO, Contribution à l’optimisation, la gestion et le traitement de l’énergie, Le
12 Décembre 2003, chapitre 1, page 12
[10] Nichiporuk Oleksi, Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaïques à contacts
arrières interdigité,décembre 2005 ,chapitre 1 , page 23.
[11] Mehimmedetsi Boudjemâa, Application du formalisme Bond Graph à une chaîne de
conversion d’énergie photovoltaïque, 2007, page 30.
[12] NI CompactRIO : Système de contrôle et d'acquisition de données.
43
44
45
46