these de pfa

THÈSE
Université de Bechar
Pr. Ali CHERMITTI
Pr. Nes
r
-eddine
C
HAABANE
S
ARI
Pr. Tayeb BENOUAZ
Pr. Abderrechid HELMAOUI
M.CA. S. Mohamed El Amine BEKKOUCHE
M.CA. Abdelghani KHERROUS
Université de Tlemcen
Université de Tlemcen
Université de Tlemcen
URAER Ghardaïa
Université de Tlemcen
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE ABOU-BEKR BELKAID TLEMCEN
FACULTE DES SCIENCES
DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
UNITE DE RECHERCHE MATERIAUX
ET ENERGIES RENOUVELABLES
Présentée
Pour obtenir le diplôme de
DOCTEUR EN PHYSIQUE
Spécialité : Physique énergétique et matériaux
Par
BENCHERIF MOHAMMED
Sur le Thème
Modélisation de systèmes énergétiques photovoltaïques et éoliens
intégration dans un système hybride basse tension
JURY
Président :
Directeur de Thèse :
Examinateurs :

Remerciements
Le présent travail a été effectué au laboratoire d’énergie renouvelable et matériaux à
l’université de Tlemcen, sous la direction du professeur ALICHERMITTI. Qu’il trouve ici mes
sincères remerciements pour avoir initié et soutenu mon travail et d’avoir fait preuve d’une
patience, et pour la confiance qu’il m’a accordée tout au long de cette thèse. Quelques lignes
ne suffiront évidemment pas à exprimer l’étendue de ma gratitude à son égard.
J’exprime mes sincères remerciements à Mr CHAABANESARINesr‐Eddine, professeur à
l’Université Abou-Bakr Belkaïd – Tlemcen, pour avoir accepté de juger ce travail et pour
m’avoir fait l’honneur de présider le jury.
J’exprime mes sincères remerciements à Mr BENOUAZTayeb, professeur à l’Université
Abou-Bakr Belkaïd – Tlemcen, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail et pour ses conseils
avisés et la motivation qu’il a su m’insuffler tout au long de ce travail. Pour avoir accepté de
le juger.
J’exprime mes vifs remerciements à Mr AbderrachidHELMAOUI, Professeur à
l’Université de Bechar, pour avoir accepté de juger ce travail.
Je tiens également à exprimer tout ma gratitude à Mr BEKKOUCHESidiMohammedEl
Amine , Maître de Recherche classe A Unité de Recherche Appliquée en Énergies
Renouvelables URAER Ghardaïa, qui a accepté de juger ce travail et pour m’avoir fait
l’honneur d’être parmi les examinateurs.
Je tiens également à exprimer tout mes sincère remerciement à Mr KHERROUSAbdelghani ,
Maître de Recherche classe A à l’Université Abou-Bakr Belkaïd – Tlemcen, qui a accepté de
juger ce travail et pour m’avoir fait l’honneur d’être parmi les examinateurs.

TABLE DE MATIERES
Introduction générale ………………………………………………………………...1
CHAPITRE I
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES
1.Introduction …………………..………………………………………………..……….…5
2. Systeme de captation………………………………………………..……..……………..5
2.1 Cellule photovoltaïque….……………………………………………..………………...6
2.2 Modules photovoltaïques…………………………………………..…..……………..…..7
3. Applications photovoltaïques………..……………………………………..……………..8
3.1 Produits PV architecturaux…….………………………………………..………….…....8
3.3 Systemes photovoltaïques autonomes …………………………………………..……….9
3.4 Systemes photovoltaïques hybrides autonomes…….……….…………………..………..9
3.5 Systemes photovoltaïques connectés au réseau……………………………………….....11
3.5.1 Les différents systèmes photovoltaïques connectés au reseau.............…………..….....11
3.5.1.1 Installation PV raccordée au réseau avec injection des excédents de production.11
3.5.1.2 Variante sécurisation ………………..…………………… …..….……………………………………………….12
3.5.1.3 Installation PV raccordée au réseau avec injection totale de l’énèrgie produite….12
3.5.1.4.Installation pv raccordée au réseau sans injection………….……………….………..12
4. Protection des systèmes photovoltaïques…………………………………………….…..13
4.1 Protection par diodes…………………………………….………………………….…..13
4.2 Protection contre les surtensions et la foudre………………………….…………….….14
5. Cablage ……………………………………………………………………….…………..15
6. Avantages, inconvénient et limites des systèmes photovoltaïques avantages……….….....16
7. Inconvénient………………………………………………………………………………16
8. Limites……………………………………………………………………………………....17
CHAPITRE II
RAYONNEMENT SOLAIRE ET L’ESTIMATION DE L’ENSOLEILLEMENT SUR LES CAPTEURS
PLAN
1.Introduction …………………..………………………………………………..……….….19
2. Le rayonnement solaire ………..………………………………………………...….……….19
2.1. Constante solaire ………..………………………………………………….……………..20
2.2. Masse d’air ……………………………………………….………………………….….20
3. Calcul de la radiation solaire ……………………….…………………………………….20
3.1. Paramètres influençant le rayonnement solaire………………….……………………...20
3.2. La position du soleil………………………………………….………………………....21
3.2.1 Coordonnées équatoriales……………………………….……………………………..21
3.2.2 Coordonnées horizontales……………………………………….…………………….22
4- Rayonnement solaire sur un plan incliné …………………….…………………………..23
4.1. L’angle d’incidence du rayonnement direct sur un plan incliné….……………………..23
4.2 L’angle d’incidence du rayonnement direct sur un plan doté d’un système de poursuite.24
5. L’inclinaison optimale d’un capteur …………………………………………….…………25
5.1 L’inclinaison optimale annuelle …………………….……………….…………...………...25
5.2 Modèle de Gladius…………………………………………………….………………….25

5.3 Modèle de Kern et al. …………………………………………………………….……..25
5.4 L’inclinaison optimale saisonnière………………….…………………………….….…..26
5.5 Modèle de el Kassaby …………………………………………….……………….……..26
5.6 L’inclinaison optimale mensuelle ………………………………………….………….….26
6. L’irradiation globale sur un plan incline……………………………………….………….26
6.1 L’ensoleillement extraterrestre ……………………………………………….…….…….26
6.2 Conversion de l’éclairement d’une surface horizontale sur une surface inclinée……….27
6.3 Ciel anisotrope ………………………………………………………………………….28
6.4 Modèle Klucher ………………………………………………………………………...28
6.5 Modèle de Hay&davies ………………………………………………………………....29
6.6 Modèle Reindl et al. …………………………………………………………………………..29
6.7 Modèle de Baltas …………………………………………………………………….…29
7. Les composants direct et diffus du rayonnement quotidien………………………….…..30
7.1 Modèle de Liu & Jordan………………………………………………………….…..…30
7.2 Relation d’Erbs, Klein et Duffie………………………………………………….….…..30
7.3 Modèle de Collares-Pereira et al. ………………………………………………….……31
8. Modèles estimation de l’éclairement sur un plan horizontal ……………………….……32
8.1 Modèle d’A.A.M. Sayigh ……………………………………………………..….…….32
8.2 Modèle de Garg et al. …………………………………………………………….…….32
8.3 Relation de Hussein et al. ……………………………………………………….….…...33
8.4 Relation de A.S Sambo ……………………………………………………………..…..33
8.5 Modèle de W.E. Alnaser …………………………………………………………….…33
8.6 Rayonnement quotidien moyen sur des surfaces inclinées ………………………….…33
9. Effet de masque ……………………………………………………………….…….…..34
9.1 L’ombre d’un obstacle vertical …………………………………………………….…...35
9.2 Projection de l’ombre d’un obstacle sur un plan incliné ………………………….……35
9.3 Collecteur orienté en plein sud vers l'équateur ………………………………….……...36
9.4 Calcul du rayonnement sur un plan incline ombré ……………………………….…….37
Chapitre III
MODELISATION PHOTOVOLTAÏQUE
1. Introduction…………….………………………………………………………….…….40
2. Modélisation courant tension d’une cellule solaire…………………….……….………40
2.1 Modèle d’une diode……………………………………………………………….…...40
2.2 Modèle de deux diodes…………….……………………….……………………..…….41
2.3 Module photovoltaïque……………………………….……………….……………..….42
3. Modèle électrique d’un module……………………………………………….………...43
3.1 Modèle d’une diode et deux diodes…………………………………………….………43
3.2 Modèle explicite………………………………………………………………….…….44
3.3 Modèle Cenerg…………………………………………………………………….……44
4. Paramètres d’un module PV aux conditions de référence………………………….……44
5. Détermination de la résistance série et parallèle…………………………………….…..46
5. 1. Méthodes expérimentales……………………….………………………………….….46
5. 1.1 La résistance série………………………………………………………….…………46
5.1.2 La résistance parallèle………………………………………………….…….……….48
5.1.3 Équation liant les quatre paramètres Rs, Rp, a, Icc et Is au courant et la tension de
la puissance maximale……………………………………………………………….49
5.2 Deuxième méthode expérimentale………………….……………………….………….49
5.3 Comparaison entre les deux méthodes……………………………………….………...51

5.3.1 Caractéristiques I-V des tests…………………………………………………….…..52
5.4 Troisièmes méthode expérimentale de détermination de la résistance Rs……………..53
6. Comparaisons entre les caractéristiques I-V des modèles……………………………….53
7. Deuxième modèle explicite………………………………………………………….…..55
8. Méthodes d’extraction des paramètres du modèle d’une diode………………………....56
8.1. Méthode Duffie et Beckman……………………………………………………….…..56
8.2. Notre méthode…………………………………………………………………….…...58
8.2.1 Méthode d’évaluation des paramètres des modules photovoltaïques…………….….58
8.2.2 Les modèles des courants Iph et Is……………………………………………….……59
8.2.3 Analyses théorique…..………………………………………………………….……59
8.2.4 Equation liant les paramètres résistifs………………………………………………..60
8.2.5 Détermination de la résistance Rs……………………………………………….……61
8.2.6 Modèle explicite……………………………………………………………………...62
8.2.7 Méthode d’application des modèles………….….………………………….………….63
8.2.8 Validations expérimentale des modèles et de la méthode……………………………64
8.3. Autre méthode ………………………………………………………………………...72
8.3.1 Description de la méthode…………………………………………………………...72
9. L’influence des deux résistances Rs et Rp sur la puissance maximale….………………74
9.1 Relation des la Puissances maximales d'un générateur PV et d'un générateur idéal….74
9.2 Première méthode………………………………………………………………………74
9.3 Deuxième méthode…………………………………………………………….………..76
10. influence de la température et de l’éclairement sur les paramètres d’un module PV…79
10.1 Facteur d’idéalité……………………………………………………….……………..79
10.2 Courant de saturation……………………………………………………………..……80
10.3 le photo-courant Iph……….…………………………………….……….………..…….80
10.4 La tension du circuit ouvert Vco……………………….……………………………..80
10.5 Effet de la température sur la résistance série Rs……………………….…………….81
10.6 Effet de l’ensoleillement sur la résistance série Rs………………………….…………..82
10.7 Effet de l’ensoleillement sur la résistance parallèle Rp………………………………83
10.8 Influence de la température et de l’ensoleillement modèle explicite…………………84
10.9 Simulation de la l’influence de l’ensoleillement………………………….…….……..84
11. Influence de la tension thermique sur la caractéristique I-V…………………….……..86
12. Influence de l’éclairement inhomogène………….…………………………………….88
12.1 Modèle de simulation…………………………………………………………………88
12.2 Simulation…………………………………………………………….………………89
13. Champ photovoltaïque………………………………………………………………...89
13.1 Modèle électrique d’un champ photovoltaïque………………………………………90
13.2 Influence de la température et de l’ensoleillement sur les paramètres externes d’un
champ PV………………………………………………………….………………………..91
14. Modélisation de la puissance …………………………………………………………92
14.1 Modèle de la puissance d’un module PV dans les conditions de référence..….……....92
14.2 Modèle de la puissance a la sortie d’un champ PV…………………………………..92
14.2.1 Modèle linéaire……………………………………………………………………..92
14.2.2 Le facteur de forme et la puissance optimale d’un champ photovoltaïque…….….93
14.2.3 Deuxième modèle de la puissance optimale d’un champ PV……………………...94
14.2.4 Modèle de la puissance moyenne à la sortie d’un champ PV…………………..…95
15. Modèle de la température ambiante…………………………………………………...97
16. Critère d’évaluation d’une chaîne de conversion photovoltaïque……….……………..98
17. Évaluation des performances d’un champ PV…………………………………………100
17.1 Ratio de performance PR…………………………………………………………….100
17.2 Facteur De Production PF……………………………………………………………100