Fellah-Oussama-Sadallah-Houssem-Charef-Eddine

‫الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية‬
‫وزارة التعليم العالي و البحث العلمي‬
‫عنابة‬-‫جامعة باجي مختار‬
UNIVERSITE BADJI MOKHTAR- ANNABA
FACULTE : Sciences de l’Ingéniorat
DEPARTEMENT : Électrotechnique
MEMOIRE DE MASTER
DOMAINE : Sciences et Technologies
FILIERE : Électrotechnique
OPTION : Commande Electrique
Thème
Optimisation de la production énergétique
d’une chaine photovoltaïque
Présenté par :
Dirigé par :
Fellah Oussama
Sadallah Houssem Charef Eddine
Kelaiaia Mounia Samira
Jury de soutenance:
- Omeiri Amar
- Kelaiaia M. S
- Ourici Amel
Président
Prof
Rapporteur MCA
Examinateur MCA
Université d’Annaba
Université d’Annaba
Université d’Annaba
Promotion : Juin 2019
Remerciement
Le plus grand merci revient Allah qui nous a guidé dans le
bon sens durant notre vie et qui nous aidé à réaliser ce
modeste travail.
Nous tenons tout d’abord à remercier vivement madame
KELAIAIA.M. S, notre promotrice qui a fourni des efforts
énormes, par ses informations ses conseils et ses
encouragements.
Nous tenons également à remercier messieurs les membres de
jury pour l’’honneur qu’ils nous ont fait en acceptant de
siéger à notre soutenance.
Nos vifs remerciements aussi à tous nos enseignants, qui nous
ont accompagné pendant notre cursus.
Et tous les enseignants du département de Génie électrique.
A tous ceux qui furent à un moment ou à tout instant partie
prenante de ce travail.
Nos plus chaleureux remerciements pour tous ceux qui de près
et de loin ont contribué à la réalisation de ce mémoire.
Dédicace
A toutes les personnes qui nous ont encouragé de près ou de
loin pour achever cette mémoire.
A nos chers parents, nos remerciements et nos
reconnaissances envers les sacrifices et le soutien moral qu’ils
ont fourni pendant toute la durée de mes études.
A nos frères et toutes mes familles.
A notre encadreur, nos enseignants qui nous ont soutenu tout
le long de mes études.
Et enfin à tous nos amis sans exception surtout tous nos
collègues des études.
Table des matières
Liste des abréviations
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.1 Introduction ....................................................................................................................... 1
1.2 Energie solaire ................................................................................................................... 1
1.2.1 Les panneaux solaires photovoltaïques ..................................................................... 1
1.2.2 Les panneaux solaires thermiques ............................................................................ 2
1.3 Energie éolienne ................................................................................................................. 3
1.4 Energies hydrauliques ....................................................................................................... 3
1.5 Energie biomasse ............................................................................................................... 4
1.6 La géothermie .................................................................................................................... 6
1.7 Les avantages et les inconvénients ................................................................................... 7
1.7.1 L’énergie solaire ......................................................................................................... 7
Avantages .......................................................................................................................... 7
Inconvénient ..................................................................................................................... 7
1.7.2 L’énergie éolienne ....................................................................................................... 8
Avantages .......................................................................................................................... 8
Inconvénients .................................................................................................................... 8
1.7.3 L’énergie hydraulique .............................................................................................. 9
Les avantages .................................................................................................................... 9
Les inconvénients ............................................................................................................. 9
1.7.4 La biomasse ............................................................................................................... 10
Les avantages .................................................................................................................. 10
Les inconvénients ........................................................................................................... 10
1.7.5 La géothermie ........................................................................................................... 11
Les avantages .................................................................................................................. 11
Les inconvénients ........................................................................................................... 11
1.8 Le gisement solaire au monde ........................................................................................ 12
1.9 Energie solaire en Algérie ............................................................................................... 12
1.10 Le programme des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique ................. 14
1.10.1 Energie solaire photovoltaïque .............................................................................. 15
1.10.2 Energie Solaire Thermique .................................................................................... 15
1.11 Conclusion ...................................................................................................................... 16
Chapitre 2: Modélisation du générateur photovoltaïque
2.1. Introduction : ................................................................................................................... 17
2.2. La cellule photovoltaïque : ............................................................................................. 17
2.3. Différents types des cellules solaires : ............................................................................ 18
2.3.1 Les cellules monocristallines : .................................................................................. 18
2.3.2 Les Cellules poly cristallines :................................................................................... 19
2.3.3 Les Cellules amorphes : ............................................................................................ 20
2.4. Comparaison : ................................................................................................................. 21
2.5 Le module photovoltaïque : ............................................................................................. 22
2.6. Association de cellules photovoltaïques : ...................................................................... 23
2.6.1 Association en série : ................................................................................................. 23
2.6.2 Association en parallèle : .......................................................................................... 24
2.6.3 Association en série parallèle : ................................................................................. 25
2.7. Les principaux paramètres des modules (cellules) photovoltaïques sont .................. 26
2.7.1 Caractéristique courant-tension : ............................................................................ 26
2.7.2 Tension à circuit ouvert ............................................................................................ 27
2.7.3 Courant de court-circuit ........................................................................................... 27
2.7.4 Point de fonctionnement optimum .......................................................................... 27
2.7.5 Rendement de conversion ........................................................................................ 27
2.7.6 Facteur de forme ....................................................................................................... 28
2.8 Les différents modèles électriques d’une cellule : ......................................................... 28
2.8.1 Modèle à trois paramètres (L3P) ............................................................................ 28
2.8.2 Modèle à quatre paramètres (L4P) :........................................................................ 29
2.8.3 Modèle à cinq paramètres (L5P) ............................................................................. 30
2.8.4 Modèle à cinq paramètres à deux diodes (2M5P) .................................................. 31
2.9. Caractéristiques du GPV ............................................................................................... 27
2.9.1 Influence de l’éclairement ........................................................................................ 28
2.9.2 Influence de la température ..................................................................................... 29
2.9.3 L'influence de Résistance série ................................................................................ 30
2.9.4 L'influence de Resistance shunt .............................................................................. 31
2.10 Conclusion ...................................................................................................................... 32
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.1 Introduction : .................................................................................................................... 33
3.2 Convertisseurs DC-DC pour les systèmes d'énergie solaire : ...................................... 33
3.2.1 Les types : ................................................................................................................... 34
3.3 Hacheur Buck (série/abaisseur) : .................................................................................... 34
3.4 Hacheur Buck - Boost (abaisseur - élévateur) : ............................................................. 35
3.5 Hacheur Boost (parallèle/élévateur) : ............................................................................. 36
3.5.1 La phase active : ........................................................................................................ 38
3.5.2 La phase de roue libre : ............................................................................................. 39
3.6 La Commande MPPT : .................................................................................................... 40
3.7 Les Algorithmes MPPT : ................................................................................................. 41
3.7.1 Algorithme « Perturb and Observe » (P&O) :........................................................ 41
3.7.2 Algorithme « Incrément des conductances » (IncCond) :...................................... 43
3.7.3 Algorithme de régulation de tension :...................................................................... 45
3.7.4 Algorithme de régulation de courant : .................................................................... 46
3.6.5 Algorithme à base de la logique floue : .................................................................... 47
3.8 Conclusion : ...................................................................................................................... 47
CHAPITRE 4 : Application du deux commandes MPPT
4.1 Introduction : .................................................................................................................... 48
4.2 Simulation du système PV menu de la commande MPPT P&O et Inc : ..................... 48
4.3 Les résultats de simulation avec la technique P&O et InC : ........................................ 49
4.4 Interprétation des résultats : ........................................................................................... 54
4.5 Conclusion : ...................................................................................................................... 55
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe
Liste des abréviations
GPV :
Générateur photovoltaïque.
PV :
Photovoltaïque.
PPM :
Le point de puissance maximal.
MPPT :
Maximum power point tracking
P MAX :
Puissance Maximale d’un Générateur Photovoltaïque
V pv :
La tension aux bornes du GPV.
I pv :
Le courant que peut délivrer un GPV.
P pv :
La puissance d’un GPV.
V cel :
La tension aux bornes de la cellule PV.
I cel :
le courant de la cellule PV.
V opt et I opt :
Tension et Courants optimaux correspondant à PMAX.
DC :
Courant continu.
AC :
Courant alternative.
α:
Le rapport cyclique.
DC/DC :
Continue / Continue
P&O :
Perturb and Observe
IncC :
Incrémental Conductance
Uoc :
Tension de circuit ouvert
Vmax :
Tension de puissance maximale
Imax :
Courant de puissance maximale
Pmax :
Puissance maximale
Liste des figures
Chapitre 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
Fig1.1 : Un panneau solaire photovoltaïque .......................................................................... 2
Fig1.2 : Un panneau solaire thermique .................................................................................. 2
Fig1.3 : L’éolien ........................................................................................................................ 3
Fig1.4 : L’énergie hydraulique ................................................................................................ 4
Fig1.5 : La biomasse ................................................................................................................. 5
Fig1.6 : L’énergie géothermique ............................................................................................. 6
Fig1.7 : Carte du monde de l’ensoleillement moyen annuel. .............................................. 12
Fig1.8 : Carte l’irradiation globale reçu dans une surface horizontale en Algérie ......... 13
Fig1.9 : Carte Durée moyenne d'ensoleillement en Algérie .............................................. 14
Chapitre 2: Modélisation du générateur photovoltaïque
Fig2.1 : Présentation schématique d’une cellule solaire ..................................................... 17
Fig2.2 : le type de cellule monocristalline............................................................................. 19
Fig2.3 : le type de cellule poly cristalline. ............................................................................. 19
Fig2.4 : le type de cellule amorphe. ....................................................................................... 20
Fig.2.5 : Cellule photovoltaïque de type cuivre - indium - sélénium ................................. 21
Fig2.6 : le module photovoltaïque. ........................................................................................ 22
Fig2.7 : Boite de jonction ....................................................................................................... 22
Fig2.8 : Association des cellules en série. ............................................................................. 24
Fig2.9 : Caractéristique résultante d'un groupement en série ........................................... 24
Fig2.10 : Association des cellules en parallèle. ..................................................................... 24
Fig2.11 : Caractéristique résultante d'une association en parallèle. ................................. 25
Fig2.12 : Association mixte des cellules. ............................................................................... 26
Fig2.13 : Caractéristique résultante d'une association mixte............................................. 26
Fig2.14 : Caractéristique et schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle. ...... 27
Fig2.15 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 3 paramètres. ............................... 29
Fig2.16 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 4 paramètres. ............................... 30
Fig2.17 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 5 paramètres. ............................... 31
Fig2-18 : Schéma équivalent du modèle à deux diodes à 5 paramètres. ........................... 32
Fig2.19 : Bloc Simulink de panneau photovoltaïque exposé à différents éclairements. .. 28
Fig2.20 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs d’éclairement. .......................... 28
Fig2.21 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs d’éclairement. ......................... 28
Fig2.22 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de température......................... 29
Fig2.23 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de température. ....................... 29
Fig2.24 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance série. ................... 30
Fig2.25 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de résistance série. .................. 30
Fig2.26 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance parallèle. ............ 31
Fig2.27 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance parallèle. ............ 31
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
Fig3.1 Système de conversion photovoltaïque ..................................................................... 33
Fig3.2 : Convertisseur continu- continu. .............................................................................. 34
Fig3.3 : Schéma de principe d’un hacheur Buck................................................................. 34
Fig3.4 : Schéma de principe d’un hacheur Buck – Boost ................................................... 35
Fig3.5 : Schéma de principe d’un hacheur Boost. ............................................................... 36
Fig3.6 : Schéma de principe d’un hacheur. ......................................................................... 37
Fig3.7 : Signal de commande de l’interrupteur T ............................................................... 38
Fig3.8 : Schéma de phase active. ........................................................................................... 38
Fig3.9 : Schéma de phase de roue libre. ............................................................................... 39
Fig3.10 : Chaîne de conversion d’énergie solaire comprenant un panneau
photovoltaïque, un convertisseur BOOST, une commande MPPT et une charge. .......... 40
Fig3.12 : caractéristique puissance - tension d’un panneau photovoltaïque .................... 41
Fig3.13 : Algorithme de la méthode P&O. ........................................................................... 42
Fig3.14 : Algorithme de la méthode Incrément de conductance. ....................................... 44
Fig3.15 : Organigramme de l’algorithme FCO ................................................................... 45
Fig3.16 : Organigramme de l’algorithme FCc .................................................................... 46
Fig3.17 : Schéma bloc de l’algorithme à base de la logique floue ...................................... 47
CHAPITRE 4 : Application du deux commandes MPPT
Fig4.1 : schéma Matlab/Simulink de la commande MPPT (P&O) .................................... 48
Fig4.2 : variation du tension du panneau ............................................................................. 49
Fig4.3 : variation du tension du de la charge ....................................................................... 49
Fig4.4 : variation du Puissance du panneau ...................................................................... 50
Fig4.5 : variation du Puissance de la charge ........................................................................ 50
Fig4.6 : variation du courant du panneau............................................................................ 50
Fig4.7 : variation du courant de la charge ........................................................................... 50
Fig4.8 : variation de la tension du panneau ........................................................................ 51
Fig4.9 : variation de la tension de la charge ........................................................................ 51
Fig4.10 : variation du courant du panneau.......................................................................... 52
Fig4.11 : variation du courant de la charge ......................................................................... 52
Fig4.12 : variation du Puissance du panneau ...................................................................... 53
Fig4.13 : variation du Puissance de la charge ...................................................................... 53
Liste des tableaux
Chapitre 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
Tableau 1.1 : les différents ensoleillements des régions Algériennes ................................. 13
Chapitre 2: Modélisation du générateur photovoltaïque
Tab 2-1 : Comparaison entre les différents types des cellules ........................................... 21
Résumé :
L’utilisation des énergies renouvelables a connu ces dernières années un
développement considérable. L’élément de base de cette énergie est la cellule
photovoltaïque qui été l’object de plusieurs dans plusieurs laboratoires de
recherche. En raison des caractéristiques électriques fortement non linéaires des
cellules PV et de leurs associations, le rendement des systèmes PV peut être
amélioré par des solutions à base des techniques MPPT par exemple la méthode
perturbation et d'observation (P&O) et la méthode de conductance incrémentale
(IncCond). L’objectif de ces techniques consiste à assurer un fonctionnement à
puissance maximale du système photovoltaïque pour diverses conditions
climatiques. L’adaptation entre le générateur photovoltaïque et la charge a été
effectuée moyennant le convertisseur DC/DC.
Mots-clés : Cellule photovoltaïque, PV, convertisseur DC-DC, MPPT.
P&O, IncCond, MPPT, Générateur photovoltaïque.
Abstract:
In recent years, the use of renewable energies has grown considerably.
The basic element of this energy is the photovoltaic cell that has been the object
of many in several research laboratories. Due to the highly non-linear electrical
characteristics of PV cells and their associations, the efficiency of PV systems
can be improved by solutions based on MPPT techniques such as the
perturbation and observation (P & O) method and the incremental conductance
method. (IncCond). The purpose of these techniques is to ensure maximum
power operation of the photovoltaic system for various climatic conditions. The
adaptation between the photovoltaic generator and the load was carried out by
means of the DC / DC converter.
Keywords: Photovoltaic cell, PV, DC-DC converter, MPPT. P & O,
IncCond, MPPT, Photovoltaic Generator.
Introduction générale :
La consommation mondiale énergétique augmente malheureusement au
détriment de l’environnement qui nous entoure, d’une part, et non renouvelable
d’autre part. En effet, les énergies fossiles [charbon, pétrole, gaz naturel] sont
utilisées de manière abusive. Ces énergies sont polluantes et limitées.
Aujourd’hui la communauté scientifique reconnait la responsabilité de cette
consommation sur le réchauffement climatique qui risque d’avoir des effets
dramatiques sur les équilibres physiques, économiques sociaux et politiques de
notre planète.
L’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus élevés au monde. La
durée d’insolation sur la quasi-totalité du territoire dépasse les 2000 heures
annuellement et peut atteindre les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara).
L’énergie reçue quotidiennement sur une surface horizontale de 1m²est de
l’ordre de 5 KWh sur la majeure partie du territoire national, soit près de 1700
KWh/m²/an au nord et 2263 KWh/m²/an au sud du pays L’énergie
photovoltaïque est une énergie propre et non polluante, et son utilisation offre un
approvisionnement en énergie inépuisable.
La filière étudiée dans ce mémoire est l’énergie photovoltaïque. Cependant les
inconvénients majeurs de cette énergie sont le prix du générateur qui reste
encore élevé ainsi que le rendement énergétique relativement bas. Pour
surmonter ces problèmes, deux voies sont souvent suivies :
•
Augmente le rendement énergétique en adoptant des technologies de très
haut niveau lors de la fabrication des cellules photovoltaïques.
•
Maximise la puissance délivrée par le générateur.
Objectif du travail :
Le présent travail est basé sur l’étude et la comparaison entre deux techniques de
maximisation de la puissance délivrée par le panneau photovoltaïque
(Perturbation et Observation, Incrémentation de Conductance), pour atteindre
cet objectif, nous avons scindé notre mémoire en trois chapitres.
Structure de la mémoire :
Le premier chapitre présente d’une manière générale les principales énergies
renouvelables dans le monde.
Le chapitre suivant, consacré à la modélisation du panneau photovoltaïque, ainsi
le principe de la conversion photovoltaïque puis nous donnerons les principales
caractéristiques d’un PV.
Le troisième chapitre est consacré à une modélisation de convertisseurs DC_DC
à savoir, le convertisseur Boost et on a fait quelques techniques de poursuite du
point de puissance maximale (MPPT), et nous nous intéresserons à l’étude de la
méthode "Perturbation-Observation", "IncCond".
Chapitre 1
Généralités sur les énergies
renouvelables
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.1 Introduction :
Fournies par le soleil, le vent, la chaleur de la terre, les chutes d’eau, les marées
ou encore la croissance des végétaux, les énergies renouvelables n’engendrent
pas ou peu de déchets ou d’émissions polluantes. Elles participent à la lutte
contre l’effet de serre et les rejets de CO2 dans l’atmosphère, facilitent la gestion
raisonnée des ressources locales, génèrent des emplois. Le solaire (solaire
photovoltaïque, solaire thermique), l’hydroélectricité, l’éolien, la biomasse, la
géothermie sont des énergies flux inépuisables par rapport aux « énergies
stock » tirées des gisements de combustibles fossiles en voie de raréfaction :
pétrole, charbon, lignite, gaz nature.
Il y a cinq familles principales d'énergies renouvelables. Dans l'ordre
d'importance de leur exploitation actuelle, ce sont :
1.2 Energie solaire :
Le soleil est la première et la principale source d’énergie renouvelable. Ces
rayons sont retenus par des capteurs thermiques vitrés et sont transformés pour
produire de l’énergie électrique ou pour réchauffer de l’eau destinée à un usage
sanitaire. Pour pouvoir exploiter l’énergie solaire, on peut se servir soit de
panneaux solaires photovoltaïques, soit de panneaux solaires thermiques [1].
1.2.1 Les panneaux solaires photovoltaïques :
Sont placés sur les toits des bâtiments ou à tout autre endroit où ils pourraient
être en contact direct avec les rayons solaires. Ils sont composés de capteurs qui
retiennent la lumière du soleil grâce au silicium présent dans chacune des
cellules des panneaux et qui relâche des électrons pour créer de l’électricité.
Celle-ci peut être transformée en courant alternatif à l’aide d’un onduleur et
utilisée immédiatement (utilisation individuelle) ou stockée en batteries ou
encore injectée dans le réseau [1].
1
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
Fig1.1 : Un panneau solaire photovoltaïque
1.2.2 Les panneaux solaires thermiques :
Quant à eux, ne captent pas les rayons du soleil, mais emmagasinent plutôt la
chaleur qui en est issue et la transmettent au ballon d’eau chaude pourrai
chauffer l’eau qui s’y trouve à travers un circuit fermé. Cette eau peut alors être
distribuée dans toute la maison. On peut utiliser ce système pour chauffer les
locaux, les piscines, sécher les récoltes ou encore faire cuire des aliments (fours
thermiques) [1].
Fig1.2 : Un panneau solaire thermique
2
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.3 Energie éolienne :
Auparavant, il était question de moulins à vent avec des pales en forme de voile,
qui utilisaient l’énergie mécanique pour actionner des équipements tels que des
pompes.
Aujourd’hui, on ne parle plus de moulins à vent, mais d’éoliennes. Sous la force
du vent, elles produisent des forces mécaniques ou électriques qui sont utilisées
pour générer de l’électricité qui va être injectée sur l’installation électrique
d’une habitation (consommation directe) ou dans un réseau de distribution
(consommation indirecte). Étant donné qu’elles prennent trop d’espace, elles
sont le plus souvent placées en mer. Mais pour un usage domestique, il en existe
des modèles réduits [1].
Fig1.3 : L’éolien
1.4 Energies hydrauliques :
L'énergie hydraulique est une énergie renouvelable très faiblement émettrice de
gaz à effet de serre. Cette source d'énergie renouvelable exploite les
mouvements de l'eau actionnés par le Soleil et la gravité à travers le cycle de
l'eau, les marées et les courants marins.
Qu'elles utilisent les chutes d'eau naturelles (cascades) ou artificielles (barrages
hydroélectriques), le débit des cours d'eau ou les courants marins (marée,
3
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
circulation thermohaline, etc.), les centrales hydrauliques produisent de l'énergie
mécanique convertie la plupart du temps en électricité (hydroélectricité).
L'exploitation de l'énergie hydraulique a toutefois certains inconvénients,
notamment en matière de continuité des cours d'eau. En effet, la création d'un
barrage représente un obstacle pour la navigation, la migration des espèces
aquatiques et le transfert de sédiments [1].
Fig1.4 : L’énergie hydraulique
1.5 Energie biomasse :
La biomasse (issue des matières organiques) peut devenir une source de chaleur,
d'électricité ou de carburant. Plusieurs techniques peuvent être mises en œuvre
pour en tirer son énergie : la combustion, la gazéification, la pyrolyse ou encore
la méthanisation par exemple.
4
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
L'énergie biomasse peut être produite de manière locale. Mais il faut veiller,
dans certains cas, à ce qu'elle n'entre pas en concurrence avec la chaîne
alimentaire.
L'énergie biomasse comprend :
La source ancestrale qu'est le bois. Il peut produire de la chaleur, de l'électricité
ou des biocarburants (hydrolyse de la cellulose en glucose puis fermentation en
éthanol). Les biocarburants, liquides ou gazeux, issus de la transformation de
végétaux comme le colza ou la betterave (1ère génération), issus de matières
cellulosiques (2e génération) ou issus de microorganismes comme des
microalgues (3e génération). Il est à noter que la biomasse ne peut être
considérée comme une source d'énergie renouvelable que si sa régénération est
supérieure à sa consommation [1].
Fig1.5 : La biomasse
5
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.6 La géothermie :
La géothermie est une énergie renouvelable provenant de l'extraction de
l'énergie contenue dans le sol. Cette chaleur résulte essentiellement de la
désintégration radioactive des atomes fissiles contenus dans les roches. Elle peut
être utilisée pour le chauffage, mais aussi pour la production d'électricité. Il
s'agit de l'une des seules énergies ne dépendant pas des conditions
atmosphériques.
En revanche, elle dépend de la profondeur à laquelle elle est puisée. La
géothermie profonde quelque 2.500 mètres pour 150 à 250 °C permet de
produire de l'électricité. La géothermie moyenne dans les gisements d'eau
notamment de 30 à 150 °C alimente les réseaux de chaleur urbains. La
géothermie à très basse énergie entre 10 et 100 mètres de profondeur et
inférieure à 30 °C est celle exploitée par les pompes à chaleur [1].
Notons toutefois que pour que l'énergie géothermique demeure durable, le
rythme auquel est puisée cette chaleur ne doit pas dépasser la vitesse à laquelle
celle-ci voyage à l'intérieur de la terre.
Fig1.6 : L’énergie géothermique
6
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.7 Les avantages et les inconvénients :
1.7.1 L’énergie solaire :
Avantages :
• C'est une énergie renouvelable et écologique.
• Il s’agit d’une source d’énergie électrique totalement silencieuse ce qui
n’est pas le cas, par exemple des installations éoliennes.
• Source d'énergie inépuisable.
• Une énergie propre et non polluante qui ne produit pas de gaz a effet de
serre ou autres déchets toxiques pour l'environnement.
• Le rendement énergétique est positif : il faut en moyenne 3 et 4 ans pour
que le panneau produise l’énergie nécessaire à sa fabrication et un
panneau solaire produit en moyenne entre 9 à 14 fois l’énergie qu’il a
consommé pour sa fabrication.
• La lumière ne coute rien.
Inconvénient :
• Certains panneaux sont très sensibles et peuvent être endommagés par
certaines conditions météorologiques (grêle, gel...).
• Le coût d'investissement d'une installation solaire thermique est
relativement élevé.
• Il faut pouvoir stocker la chaleur dans des ballons ou des dalles
chauffantes.
• Les panneaux solaires contiennent des déchets toxiques : cuivre et
chrome.
•
L'énergie ne peut pas être produite pendant la nuit ou par temps couvert.
• L’énergie photovoltaïque convient mieux pour des projets à faible
besoins, comme une maison familiale car les rendements des panneaux
photovoltaïques sont encore faibles.
7
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.7.2 L’énergie éolienne :
Avantages :
• L’énergie éolienne préserve les sources hydriques.
• L’énergie éolienne est compatible avec d’autres utilisations des terres et
peut servir de stimulus au développement de l’économie rurale.
• L’énergie éolienne ne produit pas d’émissions nocives d’origine hydrique
ni de déchets solides toxiques.
• L’énergie éolienne est entièrement renouvelable, hautement fiable et très
efficiente.
• L’énergie éolienne est l’une des sources les plus économiques de nouvelle
production d’électricité à grande échelle.
• L’énergie éolienne compense pour les émissions d’autres sources
d’énergie, ce qui réduit notre rapport aux changements climatique
mondiaux.
Inconvénients :
• Comme la plupart des aménagements réalisés par l'homme, les éoliennes
contribuent à la modification des paysages.
• Nombreuses études sont nécessaires avant de pouvoir réaliser un projet.
• Certaines éoliennes émettent des nuisances sonores, mais les nouvelles
générations sont peu bruyantes.
• Les éoliennes peuvent avoir des impacts sur le milieu naturelle (les
oiseaux, flores, faunes sauvage…)
• L'énergie produite par les parcs éoliens ne peut être stockée. Elle nécessite
un raccordement au réseau électrique, ce qui peut poser problème.
• La production d'une éolienne est variable.
• Les travaux d’installation d’un parc éolien nécessitent des démarches
spécifiques pour le transporter le montage.
8
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
• Le raccordement pose quelquefois des problèmes : l’isolement des parcs
éoliens le rend souvent coûteux (longueur de ligne à enterrer) et il est
tributaire de travaux de renforcement du réseau de distribution en cas de
besoin.
• Si la production d'une éolienne est variable, elle est prévisible, ce qui est
très avantageux. Il peut arriver que certains jour les éoliennes ne tournent
pas.
Lorsque la production dépasse la consommation le stockage est encore
difficile.
1.7.3 L’énergie hydraulique :
Les avantages :
• Tant que le cours d’eau n’est pas à sec, l’énergie est disponible. C’est une
source d’énergie assez disponible (sauf en cas de sécheresse persistante).
• C’est une énergie propre et inépuisable sans émission de fumées et
pollution, et qu’est le moins chère car retour d’investissement est très
rapide.
• La gestion des cours d’eau permet le contrôle des crues.
• En période de séchasse, on lâche de l’eau.
• En période d’inondation, on retient le sur plus d’eau.
Les inconvénients :
• Les plus gros barrages peuvent noyer des surfaces très importantes,
pouvant comprendre des zones d’habitation (déplacement de population).
Ils peuvent mettre en péril les écosystèmes locaux (faune et flore).
• Les barrages peuvent s’envaser car ils réduisent l’écoulement de l’eau
mais aussi de tous les éléments charriés par les cours d’eau.
• Le lâché d’eau (et plus exceptionnellement la rupture d’un barrage) peut
provoquer des dégâts considérables en aval du barrage (raz-de-marée).
9
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.7.4 La biomasse :
Les avantages :
• C’est une matière première qui est renouvelable. Elle peut être produite
indéfiniment en l’utilisant raisonnablement et de façon durable.
• Biodégradable rapidement.
• Produits issus de la biomasse sont souvent non-toxiques.
• La biomasse est disponible partout.
• La biomasse est l’une des énergies renouvelables les plus rentables.
• Elle dégage autant de CO2 qu’elle n’en absorbe (les plantes absorbent du
CO2 lors de la photosynthèse).
• La biomasse peut être transformée en différentes sources d’énergie.
Les inconvénients :
• Leur rendement énergétique est assez faible.
• Pour produire de l’énergie biomasse il faut occuper des terres arables et
donc baisser la production agricole.
• Une surexploitation de la biomasse peut entrainer une déforestation
importante et donc un danger pour l’environnement.
• Provoque la pollution des eaux et des sols.
• Les couts et les impacts du transport pour amener le bois là où la
ressource manque.
10
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.7.5 La géothermie :
Les avantages :
Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur
(haute et basse énergie), présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions
atmosphériques (soleil, pluie, vent). C’est donc une source d'énergie quasicontinue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance
sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l'énergie. Les
gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années (30
à 80 ans en moyenne). Elle peut quand même contribuer à un réchauffement
local des milieux là où les calories seront reléguées si elles le sont massivement.
Les inconvénients :
 Les forages pour accéder à cette ressource sont souvent très couteux, car
la production d’électricité nécessite de très hautes températures, donc de
très grandes profondeurs. Il est par ailleurs légitime de s'interroger sur le
coût énergétique de tels forages.
 L’implantation d’une centrale est un processus très long, d'abord à cause
de la lourdeur de l'étude prospective à effectuer (études géologique,
thermiques, détermination du lieu de forage...), mais ensuite par la
lourdeur de l'étape de forage ainsi que la période de rodage du dispositif.
La réussite d'un projet de centrale n'est jamais assurée car les forages peuvent se
révéler infructueux voir même dangereux, on parle de « risque géologique »
(provocation de séisme notamment).
11
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1.8 Le gisement solaire au monde :
Le gisement solaire est un ensemble de données décrivant l’évolution du
rayonnement solaire disponible au cours d’une période donnée. Il est utilisé pour
simuler le fonctionnement d’un système énergétique solaire et faire un
dimensionnement le plus exact possible compte tenu de la demande à satisfaire
[4].
Fig1.7 : Carte du monde de l’ensoleillement moyen annuel.
1.9 Energie solaire en Algérie :
De par sa situation géographique, l'Algérie dispose d'un des gisements solaires
les plus élevés au monde.
La durée d'insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000
heures annuellement et peut atteindre les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara).
L'énergie reçue quotidiennement sur une surface horizontale de 1m2 est de
l'ordre de 5 KWh sur la majeure partie du territoire national, soit près de
12
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
1700KWh/m2/an au Nord et
2263 kWh/m2/an au Sud du pays. Ce gisement
solaire dépasse les 5 milliards de GWh.
Climatique au niveau du territoire algérien est représentée dans le tableau.1
selon l’ensoleillement reçu annuellement [2].
Régions
Région côtière
Hauts
Sahara
Plateaux
Superficie (%)
4
10
86
Durée moyenne d'ensoleillement
2650
3000
3500
1700
1900
2650
(Heures/an)
Energie moyenne reçue (KWh/m2/an)
Tableau 1.1 : les différents ensoleillements des régions Algériennes
Fig1.8 : Carte l’irradiation globale reçu dans une surface horizontale en Algérie [3].
13
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
Fig1.9 : Carte Durée moyenne d'ensoleillement en Algérie [5].
1.10 Le programme des énergies renouvelables et de l’efficacité
énergétique [6] :
L’Algérie s’engage avec détermination sur la voie des énergies renouvelables
afin d’apporter des solutions globales et durables aux défis environnementaux et
aux problématiques de préservation des ressources énergétiques d’origine
fossile.
Ce choix stratégique est motivé par l’immense potentiel en énergie solaire. Cette
énergie constitue l’axe majeur du programme qui consacre au solaire thermique
et au solaire photovoltaïque une part essentielle. Le solaire devrait atteindre d’ici
2030 plus de 37% de la production nationale d’électricité [6].
Le programme des Energies Renouvelables est défini ainsi pour les différentes
phases :
14
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
•
D’ici 2020, il est attendu l’installation d’une puissance totale d’environ 2
600 MW pour le marché national et une possibilité d’exportation de
l’ordre de 2 000 MW ;
•
D’ici 2030, il est prévu l’installation d’une puissance de près de
12000
MW pour le marché national ainsi qu’une possibilité d’exportation allant
jusqu’à 10 000 MW.
La synthèse de ce programme, par type de filière de production, se présente
comme suit :
1.10.1 Energie solaire photovoltaïque :
L’énergie solaire photovoltaïque désigne l’énergie récupérée et transformée
directement en électricité à partir de la lumière du soleil par des panneaux
photovoltaïques. Elle résulte de la conversion directe dans un semi-conducteur
d’un photon en électron. Outre les avantages liés au faible coût de maintenance
des systèmes photovoltaïques, cette énergie répond parfaitement aux besoins des
sites isolés et dont le raccordement au réseau électrique est trop onéreux.
La stratégie énergétique de l’Algérie repose sur l’accélération du développement
de l’énergie solaire. Le gouvernement prévoit le lancement de plusieurs projets
solaires photovoltaïques d’une capacité totale d’environ 800 MWc d’ici 2020.
D’autres projets d’une capacité de 200 MWc par an devraient être réalisés sur la période
2021-2030.
1.10.2 Energie Solaire Thermique :
L’énergie solaire thermique est la transformation du rayonnement solaire en
énergie thermique. Cette transformation peut être utilisée directement (pour
chauffer un bâtiment par exemple) ou indirectement (comme la production de
vapeur d’eau pour entraîner des turboalternateurs et ainsi obtenir de l’énergie
électrique).
15
CHAPITRE 1 : Généralités sur les énergies renouvelables
Plus connu sous le nom de « concentrating solar power » (CSP), le solaire
thermique peut répondre à la demande en électricité de jour comme de nuit en
étant couplé à des moyens de stockage thermique ou hybridé avec d’autres
énergies comme le gaz.
L’Algérie entend mettre en valeur son potentiel solaire, l’un des plus importants
au monde, en lançant des projets importants en solaire thermique.
Deux projets pilotes de centrales thermiques à concentration avec stockage
d’une puissance totale d’environ 150 MW chacune seront lancés sur la période
2011-2013. Ces projets s’ajouteront à la centrale hybride de Hassi R’Mel d’une
puissance de 150 MW, dont 25 MW en solaire.
Sur la période 2016-2020, quatre centrales solaires thermiques avec stockage
d’une puissance totale d’environ 1 200 MW devraient être mises en service. Le
programme de la phase 2021-2030 prévoit l’installation de 500 MW par an
jusqu’en 2023, puis 600 MW par an jusqu’en 2030.
1.11 Conclusion :
La principale raison pour empêcher de ne plus utiliser les sources d’énergie
renouvelable c’est que, jusqu’à récemment, les coûts de production de ces
énergies étaient beaucoup plus élevés que ceux des énergies fossiles. De plus,
les sources d’énergie renouvelable ne sont pas constantes. Toutefois, la situation
évolue rapidement. Des politiques mises en place ont contribué à faire grimper
la demande en sources d’énergie renouvelable dans le monde, entraînant une
diminution rapide de leurs coûts de production. Vu l’augmentation du prix du
gaz et du pétrole ces dernières années et les initiatives prises par les
gouvernements, il ne fait aucun doute que les sources d’énergie renouvelable ont
un bel avenir devant elles.
16
Chapitre 2
Modélisation du générateur
photovoltaïque
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.1. Introduction :
Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui transforme l'énergie lumineuse en
courant électrique. La première photopile a été développée aux États-Unis en 1954 par
les chercheurs de laboratoire Bell, qui ont découvert que la photosensibilité du
silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés". C'est une technique
appelée le "dopage" qui est utilisée pour tous les semi- conducteurs. Mais en dépit de
l'intérêt des scientifiques au cours des quelques années, ce n'est que lors de la course
vers l'espace que les cellules ont quittés les laboratoires. En effet, les photopiles
représentent la solution idéale pour satisfaire les besoins en électricité à bord des
satellites, ainsi que dans tout site isolé. Actuellement, l’objectif essentiel est devenu la
production de l'électricité, sans pollution, pour l’alimentation des réseaux de
distribution.
2.2. La cellule photovoltaïque :
Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment
directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé « effet
photovoltaïque », a été découverte par E. Becquerel en 1839 [7]. Elles sont réalisées à
l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires
entre les conducteurs et les isolants.
La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre
deux zones dopées différemment du même matériau (homo jonction) ou entre deux
matériaux différents (hétérojonction). Le but de la structure photovoltaïque, c’est de
créer un champ électrique interne.
Dans la figure 2.1 un échantillon schématique d’une configuration de la cellule solaire,
Elle se compose d’un abri du verre (g), un encapsulant (e), et un métal en arrière
contact(m) afin de réduire les pertes par réflexion du rayonnement incident [8].
t
Fig2.1 : Présentation schématique d’une cellule solaire
17
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
La jonction p-n de ces deux matériaux fonctionne comme une diode. Lorsque cette
diode est exposée à des photons dont l’énergie (hv) est supérieure à celle de l’énergie
du matériau, a appelée l’énergie de bande gap (Eg), le nombre d’électrons libres du
semi- conducteur de type p et celui de trous du semi-conducteur de type n augmente
considérablement. Si les photons incidents ont une énergie inférieure à Eg, ils ne seront
pas absorbés c'est-à-dire leurs énergies ne contribuent pas à la conversion
photovoltaïque.
Dans une cellule PV, une large fraction de ces électrons et trous atteint la jonction p-n,
et un champ électrique est créé. En conséquence, un courant électrique peut être établi
en connectant les matériaux de type n et type p à un circuit extérieur. La direction de ce
courant est l’opposé de celle de la cellule lorsqu’elle fonctionne en tant que diode,
autrement dit, quand la diode est illuminée, un courant positif I traverse de n vers p.
La puissance électrique produit par une cellule industrialisée est très faible typiquement
de 1 à 3W avec une tension de moins d’un volt [9].
Le rendement de conversion des cellules commercialisées atteint actuellement 15 à 19
% pour le silicium monocristallin, 12 à 16 % pour le silicium poly cristallin, 7 à 9%
pour le silicium amorphe. Pour élever la tension, les cellules sont commercialisées sous
forme des modules photovoltaïques.
2.3. Différents types des cellules solaires :
Il existe trois types principaux de cellules :
2.3.1 Les cellules monocristallines :
La cellule monocristalline qui s’approche le plus du modèle théorique : cette cellule est
effectivement composée d’un seul cristal divisé en deux couches.
Avantage :
- Très bon rendement (17.2%).
Inconvénients :
- Coût élevé.
- Rendement faible sous un faible éclairement.
18
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Fig2.2 : le type de cellule monocristalline.
2.3.2 Les Cellules poly cristallines :
Les cellules poly cristallines sont composées de cristaux. Elles proviennent aussi du
sciage de blocs de cristaux, mais ces blocs sont coulés et sont dès lors hétérogènes.
Avantages :
- Bon rendement (13%), mais cependant moins bon que pour le monocristallin.
- Moins cher que le monocristallin.
Inconvénients :
- Coût élevé.
- Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur
rapport qualité prix).
Fig2.3 : le type de cellule poly cristalline.
19
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.3.3 Les Cellules amorphes :
Le silicium amorphe, apparu en 1976. Sa structure atomique est désordonnée, non
cristallisée, mais il possède un coefficient d’absorption supérieur à celui du silicium
cristallin.
Cependant, ce qu’il gagne en pouvoir d’absorption, il le perd en mobilité des charges
électriques (rendement de conversion faible).
Avantage :
- Fonctionnement avec un éclairement faible.
- Moins chères que les autres.
Inconvénients :
- Rendement faible en plein soleil (environ 7%) ;
- Performances diminuent sensiblement avec le temps.
Fig2.4 : le type de cellule amorphe.
On trouve aussi certaines cellules qui utilisent d’autres matériaux [10] :
- Arséniure de galium (GaAs) : Matériau monocristallin, qui fournit des cellules
en couches minces ayant un très bon rendement mais dont le prix les destine au
domaine spatial.
- Le Tellurure de Cadmium (CdTe) : Le rendement de conversion obtenu pour
cette
Filière est nettement plus satisfaisante. Cependant, la limite principale au déploiement
de grande ampleur de cette technologie reste la toxicité du cadmium.
- Le Cuivre Indium Sélénium (CIS) : Cette filière plus complexe à maitriser
présente un fort potentiel de développement dans le futur (jusqu’à 20% de
rendement en laboratoire). Cependant, les matériaux nécessaires à la fabrication
de ce type de cellule ne sont pas disponibles en grande quantité.
- Dioxyde de titane (TiO2) : Cette technologie en est au stade expérimental.
Ces technologies sont encore très coûteuses mais elles laissent espérer des rendements
bien supérieurs au silicium et une durée de vie plus grande.
D’autres technologies prometteuses comme les matériaux organiques, les matériaux
nanocristallins ou les structures multi-jonctions laissent présager d’excellentes
performances futures et sont aujourd’hui au stade de la recherche [11].
20
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Fig.2.5 : Cellule photovoltaïque de type cuivre - indium - sélénium
2.4. Comparaison :
Matériaux
Rendement Longévité
Caractéristiques
Principales
Utilisations
- Très performant
Silicium
12 à 18%
-Stabilité de
Aérospatiale,
Monocristallin (24,7% en
20 à 30 production
modules pour
Laboratoire)
ans
- Méthode de
toits, façades…
production coûteuse et
laborieuse.
20 à 30 - Adapté à la
Silicium
11 à 15%
ans
production à grande
Modules pour
Poly cristallin (19,8% en
échelle.
toits, façades,
laboratoire)
- Stabilité de
générateurs…
production.
- Plus de 50% du
marché mondial.
- Peut fonctionner sous
Amorphe
5 à 8%
la lumière
Appareils
(13%
fluorescente.
électroniques
en
- Fonctionnement si
(montres,
laboratoire)
faible luminosité.
calculatrices…),
- Fonctionnement par
intégration dans
temps couvert.
le bâtiment
- La puissance de
sortie varie dans le
temps. En début de
vie, la puissance
délivrée est de 15 à
20% supérieure à la
valeur nominale et se
stabilise après
quelques mois.
Tab 2-1 : Comparaison entre les différents types des cellules [12].
21
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.5 Le module photovoltaïque :
Pour produire plus de puissance, les cellules solaires sont assemblées pour former un
module. Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un
même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la
tension. Ces cellules sont protégées de l’humidité par en capsulation dans un polymère
EVA (éthyléne-vynil- acétate) et protégé sur la surface avant d’un verre, trempé à haute
transmission et de bonne résistance mécanique, et sur la surface arrière d’une ou de
polyéthylène [13].
Fig2.6 : le module photovoltaïque.
Les modules sont généralement entourés d’un cadre rigide en aluminium anodisé
comprenant des trous de fixation.
A l’arrière de chaque module se trouve une boite de jonction contenant 2 diodes
antiparallèles. Ces diodes antiparallèles permettent d’éviter qu’un module au soleil ne
se décharge dans un module à l’ombre [14].
Fig2.7 : Boite de jonction
22
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Les modules photovoltaïques assurent les fonctions suivantes :
-
Protection des cellules contre les agents atmosphériques
-
Protection mécanique et support.
-
Connexion électrique entre cellules et avec l’extérieur.
Les modules en silicium mono cristallin (c-Si, 64% de marché), poly cristallin ou multi
cristallin (xc-Si, 28% du marché) ou silicium amorphe (a-Si, 13% du marché), délivrent
des tensions normalisées (12, 24,48) et des puissances entre 10 et 100 Wc (watt- crête
: puissance obtenue pour (l’ensoleillement maximal) [13].
La plupart des modules commercialisés sont composés de 36 cellules en silicium
cristallin, le courant de sortie, et la puissance seront proportionnels à la surface du
module. Ils ont une efficacité de conversion (énergie électrique produite/énergie solaire
incidente) de l’ordre de 10 à 20% [15].
2.6. Association de cellules photovoltaïques :
La puissance fournie par une seule cellule solaire étant très faible, plusieurs cellules
dont les caractéristiques sont semblables doivent être électriquement associées et
encapsulées dans un plastique pour former un GPV [16]. Dans ce qui suit, les différents
groupements possibles des cellules solaires sont présentés.
2.6.1 Association en série :
Dans une association en série, les cellules sont traversées par le même courant et la
caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par l'addition des tensions
à courant donné.
Avec :
𝐼𝑠𝑐𝑐 = 𝐼𝑐𝑐 : le courant de court-circuit.
(2.1)
𝑉𝑠𝑜𝑐 = 𝑛𝑠 . 𝑉𝑜𝑐: la tension de circuit ouvert.
(2.2)
Fig2.8 : Association des cellules en série.
23
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Fig2.9 : Caractéristique résultante d'un groupement en série
2.6.2 Association en parallèle :
Dans une association en parallèle, les cellules étant soumises à la même tension, les
intensités s'additionnent : la caractéristique résultante est obtenue par addition de
courants à tension donnée.
Avec :
𝐼𝑝𝑐𝑐 = 𝑛𝑝 . 𝐼𝑐𝑐 : le courant de court-circuit.
(2.3)
𝑉𝑝𝑜𝑐 = 𝑉𝑜𝑐 : la tension de circuit ouvert.
(2.4)
Fig2.10 : Association des cellules en parallèle.
24
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Fig2.11 : Caractéristique résultante d'une association en parallèle.
2.6.3 Association en série parallèle :
Pour élever la tension, les cellules sont associées généralement en séries sous forme de
modules, ces modules sont ensuite associés en réseau série-parallèle de façon à obtenir
la tension et le courant désirés. Cette association doit être réalisée en respectant des
critères précis, en raison des déséquilibres apparaissant dans un réseau de modules en
fonctionnement.
Avec :
𝐼𝑐𝑐 = 𝑛𝑝 . 𝐼𝑐𝑐 : courant de court-circuit du module résultant. (2.5)
𝑉𝑜𝑐 = 𝑛𝑠 . 𝑉𝑜𝑐 : tension du circuit ouvert du module résultant. (2.6)
Fig2.12 : Association mixte des cellules.
25
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
La figure 2.13 montre la caractéristique résultante obtenue en associant, en série n s et
en parallèle np, cellules identiques
Fig2.13 : Caractéristique résultante d'une association mixte.
2.7. Les principaux paramètres des modules (cellules) photovoltaïques
sont :
2.7.1 Caractéristique courant-tension :
Fig2.14 : Caractéristique et schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle.
26
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
La caractéristique se divise en trois parties :
•
La zone (a) où la cellule se comporte comme un générateur de courant Icc
proportionnel à l’éclairement.
• La zone (b) où la cellule se comporte comme un générateur de tension
Voc.
• La zone (c) où l’impédance interne du générateur varie rapidement.
2.7.2 Tension à circuit ouvert 𝑽𝒄𝒐:
La tension à circuit ouvert est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul.
Elle dépend de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la
température et varie peu avec l’intensité lumineuse.
𝑉𝑐𝑜 =
𝑲𝑻
𝒆
Ln (
𝐼𝑐𝑐
𝐼𝑠
+ 1)
(2.7)
2.7.3 Courant de court-circuit 𝑰𝒄𝒄:
Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V=0
dans le schéma équivalent). Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la
cellule et dépend de la cellule éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la
mobilité des porteurs et de la température.
2.7.4 Point de fonctionnement optimum (𝑽𝒎, 𝑰𝒎) :
Lorsque la puissance de crête est maximum en « plein soleil »
Pm =𝑉𝑚. 𝐼𝑚
(2.8)
2.7.5 Rendement de conversion 𝜂 :
Le rendement η, des cellules PV désigne le rendement de conversion en puissance. Il
est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la cellule et
la puissance lumineuse incidente.
𝜂=
𝐏𝐦
𝐏𝐢𝐧
=
𝑭𝑭×𝑽𝒐𝒄×𝑰𝒔𝒄
(2.9)
𝑷𝒊𝒏
Pin : Puissance incidente = P solaire = 100 W/cm2
La densité de puissance incidente égale à
Pin
A
A : Surface de la cellule.
27
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Ce rendement peut être amélioré en augmentant le facteur de forme, le courant de courtcircuit et la tension à circuit ouvert.
2.7.6 Facteur de forme ff :
Le facteur de forme est le rapport entre la puissance optimale Pm et puissance maximale
que peut avoir la cellule ; il est défini par la relation suivante :
𝒇𝒇 =
𝑷𝒎
𝑽𝒐𝒄 ×𝑰𝒄𝒄
=
𝑽𝒎 × 𝑰𝒎
𝑽𝒐𝒄 ×𝑰𝒄𝒄
(2.10)
2.8 Les différents modèles électriques d’une cellule :
On rencontre dans la littérature plusieurs modèles de la cellule photovoltaïque qui
différent entre eux par le nombre de paramètres intervenant dans le calcul de la tension
et de l’intensité de courant de sortie.
Reichenbach (1980) et Townsend (1981) ont prouvé que des cellules photovoltaïques
peuvent être modélisées par un circuit électrique équivalent qui contient des paramètres
ayant des significations liées aux phénomènes physiques de la cellule.
Dans ce qui suit on représente les différents modèles électriques des cellules
photovoltaïques :
2.8.1Modèle à trois paramètres (L3P) :
Une cellule photovoltaïque peut être décrite de manière simple comme une source
idéale de courant qui produit un courant 𝐼𝑝ℎ proportionnel à la puissance lumineuse
incidente, en parallèle avec une diode qui correspond à l’aire de transition P-N de la
cellule PV. Il est connu aussi sous le nom L3P (Lumped, 1 Mechanism model with
3 Paramètres). Pour un générateur PV idéal, la tension aux bornes de la résistance
est égale à celle aux bornes de la diode.
28
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
Le schéma électrique équivalent de la cellule PV pour ce modèle est représenté par
la figure 2.15 :
Ipv
Id
Vpv
Iph
Fig2.15 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 3 paramètres.
Dans le cas de cellules solaires au silicium monocristallin, on considère l’hypothèse d’une cellule
idéale. Le facteur d’idéalité est alors considéré comme égal à l’unité.
L’équation caractéristique est déduite d’une manière directe à partir de la loi de Kirchhoff :
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ - 𝐼𝑑
(2.11)
La diode étant un élément non linéaire, sa caractéristique I-V est donnée par la relation :
𝐼𝑑 = 𝐼𝑠 (exp (𝑉𝑝𝑣/𝑉𝑡) – 1)
(2.12)
Le courant débité équivaut à :
𝑉𝑝𝑣
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ - 𝐼𝑠 (exp (𝑉𝑡 𝑛 ) – 1)
(2.13)
Iph: le photo-courant dépendant de l’éclairement (G).
Is: le courant de saturation de diode.
Vpv: la tension délivrée par le module Pv.
Vt: la tension thermique.
n : facteur de diode.
2.8.2 Modèle à quatre paramètres (L4P) :
Le modèle à quatre paramètres est un modèle largement utilisé ; il a été étudié par
Townsend. Ce modèle traite la cellule photovoltaïque comme une source de courant,
dépendante de l’éclairement, connectée en parallèle avec une diode et en série avec une
résistance série Rs.
Les quatre paramètres sont le courants photonique Iph, la résistance série Rs, et deux
caractéristiques de la diode Is, et n. Ces paramètres ne sont pas des quantités mesurables
29
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
et ne sont pas généralement inclus dans les données des fabricants. Par conséquent, ils
doivent être déterminés.
Le schéma électrique équivalent de la cellule PV pour ce modèle est représenté sur la
suite :
Rs
Id
Ipv
Iph
Vpv
Fig2.16 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 4 paramètres.
L’équation caractéristique est déduite d’une manière directe à partir de la loi de
Kirchhoff :
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ — 𝐼𝑑
(2.14)
Le courant de diode est donné par l’expression suivante :
𝑉𝑝𝑣+( 𝐼𝑝𝑣 ∗𝑅𝑠)
𝐼𝑑 = 𝐼𝑠 (exp (
𝑉𝑡 𝑛
) − 1)
(2.15)
Le courant électrique produit par la cellule est alors donné par l’expression suivante :
𝑉𝑝𝑣+( 𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ - 𝐼𝑠 (exp (
𝑉𝑡 𝑛
) − 1)
𝐼𝑝ℎ: le photo-courant dépendant de l’éclairement (G).
𝐼𝑠: le courant de saturation de diode.
Vpv: la tension délivrée par le module Pv.
Vt: la tension thermique.
n : facteur de diode.
30
(2.16)
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.8.3 Modèle à cinq paramètres (L5P) :
La cellule photovoltaïque est représentée par le circuit électrique de la figure cidessous qui se compose d’une source de courant modélisant le flux lumineux, les
pertes sont modélisées par deux résistances, une résistance shunt, une résistance
série. Le modèle fait donc intervenir les cinq paramètres inconnus suivants : 𝑛, 𝐼𝑝ℎ
, 𝑅𝑠 , 𝑅𝑠ℎ et 𝐼𝑠 . Il est connu sous le nom L5P (Lumped, 1 Mechanism, 5
Paramètres).
Ipv
Id
Rsh
Vpv
Iph
Ish
Fig2.17 : Schéma équivalent du modèle à une diode à 5 paramètres.
L’équation caractéristique est déduite d’une manière directe à partir de la loi de
Kirchhoff :
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ — 𝐼𝑑 — 𝐼𝑠ℎ
(2.17)
Le courant de diode est donné par l’expression suivante :
𝑉𝑝𝑣+( 𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑑 = 𝐼𝑠 (exp (
𝑉𝑡 𝑛
) − 1)
(2.18)
Le courant électrique produit par la cellule est alors donné par l’expression suivante
𝑉𝑝𝑣+( 𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ - 𝐼𝑠 (exp (
𝑉𝑡 𝑛
) − 1) - (
𝑉𝑝𝑣+ 𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑝ℎ: le photo-courant dépendant de l’éclairement (G).
𝐼𝑠: le courant de saturation de diode.
Vpv: la tension délivrée par le module Pv.
Vt: la tension thermique.
n : facteur de diode.
31
𝑅𝑠ℎ
)
(2.19)
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.8.4 Modèle à cinq paramètres à deux diodes (2M5P) :
La cellule photovoltaïque est représentée par le circuit électrique de la figure ci-dessous,
qui se compose d’une source de courant modélisant le flux lumineux, deux diodes pour
la polarisation de la cellule, une résistance shunt et une résistance série.
Ipv
Id1
1
Rsh
Vpv
Id2
Iph
Ish
Fig2-18 : Schéma équivalent du modèle à deux diodes à 5 paramètres.
L’équation caractéristique est déduite d’une manière directe à partir de la loi de
Kirchhoff :
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ — (𝐼𝑑₁ + 𝐼𝑑₂ ) — 𝐼𝑠ℎ
(2.20)
Le courant de diode est donné par l’expression suivante :
𝑉𝑝𝑣+(𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑑₁ = 𝐼𝑠₁ (exp (
𝑉𝑡 𝑛1
) − 1)
𝑉𝑝𝑣+(𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑑₂ = 𝐼𝑠 ₂ (exp (
𝑉𝑡 𝑛2
(2.21)
) − 1)
(2.22)
Le courant électrique produit par la cellule est alors donné par l’expression suivante
𝑉𝑝𝑣+(𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ - 𝐼𝑠₁ (exp (
𝑉𝑡 𝑛1
𝑉𝑝𝑣+(𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
) − 1) - 𝐼𝑠 ₂ (exp (
𝑉𝑡 𝑛2
𝐼𝑝ℎ: le photo-courant dépendant de l’éclairement (G).
𝐼𝑠: le courant de saturation de diode.
Vpv: la tension délivrée par le module Pv.
Vt: la tension thermique.
n : facteur de diode
32
) − 1) - (
𝑉𝑝𝑣+(𝐼𝑝𝑣∗𝑅𝑠)
𝑅𝑠ℎ
) (2.23)
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.9. Caractéristiques du GPV :
Les caractéristiques I=f(V) et P=f(V) de la cellule solaire ou du générateur
photovoltaïque, sont très importantes. Elles peuvent être mesurées, ou
reproduites par des modèles mathématiques ou électriques représentatifs, en
utilisant des logiciels de simulation. Cependant, dans notre étude, On a utilisé
l'environnement MATLAB/Simulink.
Les résultats de simulation du panneau photovoltaïque représentent par les figures
ci-dessous. Ces figures représentent les caractéristiques Courant-Tension et
Puissance-Tension pour différents éclairements et différentes températures.
Fig2.19 : Bloc Simulink de panneau photovoltaïque exposé à différents
éclairements.
27
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.9.1 Influence de l’éclairement :
influence d'éclairement
5
E=1000w/m2
E=800w/m2
E=600w/m2
E=400w/m2
T= 25°C
4.5
4
3.5
courant (A)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.20 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs d’éclairement.
La figure2-20 présente l’évolution du courant généré du module en fonction de la
tension de sortie à température fixe et éclairement variable, on constate que le
courant subit une variation importante, quand l’éclairement augmente le courant
de court-circuit augmente, mais par contre la tension varie légèrement.
influence d'éclairement
80
E=1000w/m2
E=800w/m2
E=600w/m2
E=400w/m2
T=25°C
70
60
Puissance (W)
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.21 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs d’éclairement.
La figure2-21 présente l’évolution de la puissance du module en fonction de la
tension à température fixe et éclairement variable, on constate que l’augmentation
de l’éclairement entraine une augmentation de la puissance, mais la tension varie
légèrement.
28
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.9.2 Influence de la température :
influence de température
5
E=1000w/m2
4.5
T=25°C
T=30°C
T=35°C
T=40°C
4
3.5
Courant (A)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.22 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de température.
La figure 2.22 présente la caractéristique I=f(V) à éclairement fixe et température
variable, on constate que l’augmentation de la température entraine un courant
relativement constant, on remarque aussi la tension maximale est diminué.
influence de température
80
T=25°C
T=30°C
T=35°C
T=40°C
E=1000w/m2
70
Puissance (W)
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.23 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de température.
La figure 2.23 présente la caractéristique P=f(V) à l’éclairement fixe et
température variable, on constate que l’augmentation de la température entraine
une diminution de la puissance et de la tension.
29
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.9.3 L'influence de Résistance série :
influence de Rs
80
influence de Rs
Rs=0.2210 ohm
Rs=0.6210
ohm ohm
Rs=0.2210
Rs=0.9210
ohm ohm
Rs=0.6210
Rs=1.1210 ohm
5
70
4.5
Rs=0.9210 ohm
Rs=1.1210 ohm
60
3.5
50
Puissance (A)
4
Courant (A)
3
2.5
40
30
2
20
1.5
10
1
0
0.5
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.24 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance série.
Fig2.25 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de résistance série.
L'influence de la résistance série Rs s'exprime par une variation de la pente de la
caractéristique dans la zone où la cellule PV est assimilable à un générateur de
tension. Elle ne modifie pas la tension de circuit ouvert, mais lorsqu'elle est
anormalement élevée, elle peut diminuer la valeur du courant de court-circuit.
30
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.9.4 L'influence de Resistance shunt :
5
Rp= 2 ohm
Rp= 1 ohm
Rp= 0.6 ohm
Rp= 0.3 ohm
4.5
4
3.5
Courant (A)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.26 : Caractéristiques I(V) pour différentes valeurs de résistance parallèle.
80
Rp= 2 ohm
Rp= 1 ohm
Rp= 0.6 ohm
Rp= 0.3 ohm
70
60
Puissance (W)
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
Tension (V)
Fig2.27 : Caractéristiques P(V) pour différentes valeurs de résistance parallèle.
Lorsque la résistance shunt diminue, la tension de circuit ouvert et le courant de
court-circuit sont diminués. Lorsque la résistance shunt est très petite son
influence est très remarquable.
31
CHAPITRE 2 : Modélisation du générateur photovoltaïque
2.10 Conclusion :
A travers ce deuxième chapitre, nous avons mis le point sur la façon de former
un panneau photovoltaïque à base de cellules photovoltaïque puis, en
considérant un type de panneau. Nous avons simulé les caractéristiques du GPV
et aussi présenté leurs fondamentales spécificités.
32
Chapitre 3
Les techniques de la commande
MPPT
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.1 Introduction :
Les stratégies de gestion de l'énergie photovoltaïque et du système de
conversion d'énergie est un élément très important dans l'amélioration de
l’efficacité. Parmi les stratégies, la méthode pour suivre la puissance maximale
du GPV dite Méthode de suivi du Point de Puissance Maximale
(MPPT) et amplement utilisée. Elle permet de trouver automatiquement la
tension maximale ou le maximal du module PV au cours de lesquelles il
fonctionnera pour atteindre le maximum de puissance quel que soit les
conditions métrologiques (température et irradiation). On distingue de MPPT
classiques et intelligents. [18] [19], dont généralement, la structure du système
de conversion photovoltaïque est basée sur des blocs modulaires, comme le
montre ci-dessous :
Fig3.1 Système de conversion photovoltaïque
3.2 Convertisseurs DC-DC pour les systèmes d'énergie solaire :
Un hacheur peut être réalisé à l'aide d'interrupteur électronique commandable à
l'ouverture et à la fermeture tels que les thyristors GTO ou les transistors IGBT
ou à effet de champ à grille isolée fonctionnant en régime de commutation (tout
ou rien). Le principe de l’hacheur consiste à établir puis interrompre
périodiquement la liaison source- charge à l'aide de l'interrupteur électronique.
Celui-ci doit pouvoir être fermé ou ouvert à volonté afin d'avoir une tension de
sortie continue réglable.
33
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
Fig3.2 : Convertisseur continu- continu.
Les convertisseurs DC-DC (ou hacheurs) sont utilisés dans les systèmes
d'énergie solaire pour adapter la source DC variable (panneau PV) à la charge
qui demande en général une tension DC constante.
Les convertisseurs DC-DC sont classés en deux types : les convertisseurs non
isolés et les convertisseurs isolés de la source [17].
3.2.1 Les types :
a) Non isolés de la source :
- Hacheur série « BUCK »
- Hacheur parallèle « BOOST »
- Série-parallèle « BUCK-BOOST ».
-
Convertisseur « SEPIC », « Cuk »
b) Isolés de la source : Comme le convertisseur « Flyback »
3.3 Hacheur Buck (série/abaisseur) :
Cet hacheur commande le débit d’une source de tension dans une charge de
courant. Il permet de convertir la tension d’entrée en une tension de sortie
inférieure.
Fig3.3 : Schéma de principe d’un hacheur Buck
34
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
Le cycle de fonctionnement, de période de hachage T, comporte deux étapes :
Lors de la première, on ferme l’interrupteur et la diode, polarisée en inverse, est
bloquée. La source Vpv fournit de l’énergie à la charge et à l’inductance. Cette
phase dure de 0 à αT, avec α compris entre 0 et 1 (aussi appelé rapport
cyclique).
Lors de la seconde, on ouvre l’interrupteur. La diode devient passante car
l’énergie emmagasinée dans l’inductance commande la circulation du courant
dans la diode de roue libre D. Cette phase dure de T à T.
La relation entre la tension d’entrée et celle de sortie est la suivante :
1
𝛼𝑇
𝛼𝑇
𝑉𝐷𝐶 = ∫0 𝑉𝐷𝐶 𝑑𝑡= ∫0 𝑉𝑝𝑣 𝑑𝑡 = 𝛼 𝑉𝑝𝑣
𝑇
(3.1)
A pertes minimales on a :
𝑃𝑃𝑉 = 𝑃𝐷𝐶
𝐼𝑃𝑉 =α 𝐼𝐷𝐶
𝑉𝑃𝑉. 𝐼𝑃𝑉 = 𝑉𝐷𝐶 . 𝐼𝐷𝐶
α ==
𝑉𝐷𝐶
𝑉𝑃𝑉
=
𝐼𝑃𝑉 =
𝑉𝐷𝐶
𝑉𝑃𝑉
𝐼𝐷𝐶
𝐼𝑃𝑉
𝐼𝐷𝐶
3.4 Hacheur Buck - Boost (abaisseur - élévateur) :
Ce convertisseur statique permet d’avoir une tension continue variable
supérieure ou inférieure à la tension d’entrée qui est fixe.
Lors de la première phase de conduction, de 0 à αT, l’interrupteur commandé est
fermé. La diode n’est pas passante et l’inductance stocke l’énergie fournie par le
générateur d’entrée.
Lors de la seconde phase, de αT à T, on ouvre l’interrupteur commandé et la
diode devient passante.
L’inductance restitue son énergie à la charge.
Fig3.4 : Schéma de principe d’un hacheur Buck – Boost
35
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
En conduction continue et sachant que la valeur moyenne aux bornes de
l’inductance est nulle, on a :
𝑉𝑃𝑉 αT = 𝑉𝐷𝐶 (1 – α ) T
𝑉𝐷𝐶 =
Donc
α
1− α
𝑉𝑃𝑉
(3.2)
Suivant la valeur du rapport cyclique 𝛼, la tension moyenne de sortie peut être
supérieure ou inférieure à la tension d’entrée :
• lorsque α > 0.5, l’hacheur Buck-boost fonction comme un hacheur boost
(élévateur).
• Lorsque α < 0.5, l’hacheur Buck-boost fonction comme un hacheur Buck
(abaisseur).
3.5 Hacheur Boost (parallèle/élévateur) :
L’hacheur élévateur dit aussi boost ou parallèle, avec ses paires : les hacheurs
dévolteur et survolteur-dévolteur sont fréquemment utilisés dans les systèmes
photovoltaïques. Ce type de convertisseurs n'est constitué que par des éléments
réactifs (Selfs, Capacités) qui, dans le cas idéal, ne consomment aucune énergie.
C’est pour cette raison qu'ils sont caractérisés par un grand rendement.
L’hacheur survolteur, comme son nom l’indique, permet de convertir une
tension continue en une autre tension continue de plus grande valeur. Il va, de ce
fait, dans notre application, élever la tension générée par le GPV au niveau de la
tension désirée du bus.
Comme tous les convertisseurs continu-continu, l’hacheur survolteur peut avoir
deux modes de fonctionnement, l’un est continu dans lequel le courant inductif
ne s’annule jamais ; l’autre (mode) est discontinu, pendant lequel le courant
inductif s’annule un laps de temps.
Fig3.5 : Schéma de principe d’un hacheur Boost.
Dans la phase dure de 0 à αT, l’interrupteur commandé est fermé, la tension à
ses bornes est nulle. La source et la charge ne sont pas en contact durant cette
36
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
phase. La diode est alors bloquée et le courant dans l’inductance croît
linéairement.
Pour la seconde phase, de αT à T, on ouvre l’interrupteur commandé et l’énergie
emmagasinée dans l’inductance commande la circulation du courant dans la
diode qui devient passante.
1
𝑇
1
𝑇
𝑉𝑃𝑉 = ∫𝛼𝑇 𝑉𝑃𝑉𝑑𝑡= ∫𝛼𝑇 𝑉𝐷𝐶𝑑𝑡 = (1-𝛼) 𝑉𝐷𝐶 =
𝑇
𝑇
𝑉𝑃𝑉
(3.3)
(1−𝛼)
A pertes minimales on a :
𝑃𝑃𝑉 = 𝑃𝐷𝐶
𝑉𝑃𝑉. 𝐼𝑃𝑉 =𝑉𝐷𝐶 . 𝐼𝐷𝐶
𝐼𝑃𝑉 = (1-𝛼) 𝐼𝐷𝐶
(1-𝛼) =
𝑉𝑃𝑉
𝑉𝑃𝑉
=
𝐼𝐷𝐶=
𝑉𝑃𝑉
𝑉𝐷𝐶
𝐼𝑃𝑉
𝐼𝐷𝐶
𝐼𝑃𝑉
Le fonctionnement du convertisseur en question dépend étroitement de la
commande de son interrupteur. Les quatre paramètres qui retiennent notre
attention sont :
-
Durée de conduction : 𝑇𝑂𝑁 = 𝛼𝑇𝑑
-
Durée de blocage : 𝑇𝑂𝐹𝐹= (1 − 𝛼) 𝑇𝑑
-
Période de découpage : 𝑇𝑑 = 𝑇𝑂𝑁 + 𝑇𝑂𝐹𝐹
-
Rapport cyclique : 𝛼 = 𝑇𝑂𝑁 /𝑇𝑑
Selon l’état de l’interrupteur K et de la diode D, on peut distinguer deux phases
de fonctionnement :
Fig3.6 : Schéma de principe d’un hacheur.
37
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
A l’instant 𝑡 = 0, on ferme l’interrupteur K pendant une durée αTd.
Fig3.7 : Signal de commande de l’interrupteur T
3.5.1 La phase active :
Fig3.8 : Schéma de phase active.
De l’analyse du circuit on déduit l’équation suivante :
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
=
𝑉𝑒
(3.3)
𝐿
Dont la solution est :
𝑑𝑉2
𝑑𝑡
𝑉2
= - 𝑅𝐶
(3.4)
38
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.5.2 La phase de roue libre :
Lorsque l’interrupteur K est ouvert et l’interrupteur D est fermé. Durant cette
séquence, l’énergie emmagasinée dans l’inductance L est restituée au
condensateur et à la charge R. Lors de cette phase, le fait que l’inductance L soit
en série avec la source de tension d’entrée permet d’obtenir un montage
survolteur.
A l’instant 𝑡 = 𝛼∗𝑇d, on ouvre l’interrupteur K pendant la durée Td*(1 - α) ce
qui nous donne le circuit équivalent de la figure suivante :
Fig3.9 : Schéma de phase de roue libre.
De l’analyse du circuit on déduit l’équation suivante :
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
=
𝑑𝑉2
𝑑𝑡
𝑉𝑠−𝑉𝑒
=
(3.5)
𝐿
𝑖𝐿 𝑉𝑠
𝐶
=
(3.6)
𝐶𝑅
39
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.6 La Commande MPPT :
Par définition, une commande MPPT, associée à un étage intermédiaire
d’adaptation, permet de faire fonctionner un GPV de façon à produire en
permanence le maximum de sa puissance. Ainsi, quel que soit les conditions
météorologiques (température et irradiation), la commande du convertisseur
place le système au point de fonctionnement maximum (VPPM et IPPM). La
chaîne de conversion photovoltaïque sera optimisée à travers un convertisseur
statique (CS) commandé par une MPPT. Il peut être représenté par le schéma de
la Figure ci-dessous :
Fig3.10 : Chaîne de conversion d’énergie solaire comprenant un panneau
photovoltaïque, un convertisseur BOOST, une commande MPPT et une charge.
La commande MPPT fait varier le rapport cyclique du convertisseur statique
(CS), à l’aide d’un signal électrique approprié, pour tirer le maximum de
puissance que le GPV peut fournir. L’algorithme MPPT peut être plus ou moins
compliqué pour rechercher le MPP. En général, il est basé sur la variation du
rapport cyclique du CS en fonction de l’évolution des paramètres d’entrée de ce
dernier (I et V et par conséquent de la puissance du GPV) jusqu’à se placer sur
le MPP.
Fig3.11 : Principe de la commande MPPT.
40
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.7 Les Algorithmes MPPT :
Différents types d’algorithmes MPPT sont rencontrés dans la littérature. Les
méthodes les plus rencontrées sont : Perturb & Observ (P&O) et l’incrément de
conductance (IncCond). Nous présentons leurs différents principes dans les
parties suivantes :
3.7.1 Algorithme « Perturb and Observe » (P&O) :
Le principe de commande P&O consiste à provoquer une perturbation de faible
valeur sur la tension VPV, ce qui engendre une variation de la puissance. La
figure 3.12 montre que si une augmentation de la tension provoque un
accroissement de la puissance, le point de fonctionnement se trouve à gauche du
PPM, si au contraire la puissance décroit, il est à droite. De la même manière, on
peut faire un raisonnement pour une diminution de la tension. En résumé, pour
une perturbation de la tension, si la puissance augmente, la direction de la
perturbation est maintenue. Si non, elle est inversée pour que le point de
fonctionnement converge vers le PPM [20].
Fig3.12 : caractéristique puissance - tension d’un panneau photovoltaïque
La figure 3.12 illustre l’organigramme de la commande MPPT de type P&O.
Pour déterminer la puissance à chaque instant, deux capteurs sont nécessaires
pour mesurer les valeurs de la tension et du courant.
41
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
Fig3.13 : Algorithme de la méthode P&O.
A cause de la facilité de son implémentation, la méthode P&O est fréquemment
utilisée malgré qu’elle présente des problèmes d’oscillations autour du PPM car
la recherche doit être répétée périodiquement pour obliger le système à osciller
autour du PPM. En plus, et pour des variations brusques des conditions
climatiques ou/et de la charge, cette méthode présente parfois des erreurs
d’interprétation dans la direction qu’il faut suivre pour atteindre le PPM [20].
42
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.7.2 Algorithme « Incrément des conductances » (IncCond) :
Cette technique est basée sur la variation de la conductance du GPV et son
influence sur la position du point de fonctionnement. La conductance et la
variation élémentaire de la conductance (incrément) [20] du module
photovoltaïque sont définies respectivement par :
Ipv
𝐺= Vpv
(3.7)
dIpv
𝑑𝐺 = dVpv
(3.8)
La caractéristique puissance-tension du GPV, permet d’écrire les conditions
suivantes :
✓ Si
✓ Si
✓ Si
dPpv
dVpv
dPpv
dVpv
dPpv
dVpv
> 0 le point de fonctionnement est à gauche du PPM.
= 0 le point de fonctionnement est sur le PPM.
< 0 le point de fonctionnement est sur la droite du PPM.
Le PPM peut être atteint en comparant à chaque instant la valeur de la
conductance (
Ipv
Vpv
) avec celle de l’incrément de conductance (
dIpv
dVpv
).
La figure 3 montre l’algorithme de cette méthode, où Vr représente la tension de
référence.
43
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
Fig3.14 : Algorithme de la méthode Incrément de conductance.
Pratiquement, comme la méthode P&O, cette technique présente des oscillations
autour du
PPM car il est difficile de remplir la condition
dPpv
dVpv
= 0, ce qui fait que le
système reste toujours en train de la chercher. L’algorithme IncCond est plus
complexe que celui du P&O, ce qui engendre un temps d’exécution plus long.
44
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.7.3 Algorithme de régulation de tension :
Cette méthode consiste à comparer la tension délivrée par le panneau GPV avec
la tension optimale Vmp considérée comme référence. L’erreur entre les deux
tensions est alors utilisée pour ajuster le rapport cyclique du convertisseur
statique dans le but d’avoir une tension égale à celle de référence.
La tension de référence est obtenue à partir de la relation linéaire entre 𝑽𝒎𝒑 et
𝑽𝒐𝒄 du module GPV :
𝑉𝑚𝑝 = 𝐾  𝑉𝑜𝑐
(3.9)
Où k est un facteur de tension qui dépend du GPV utilisé et de la température de
fonctionnement. Généralement, pour des GPV en Si, k est compris entre 0.71 et
0.78.
Fig3.15 : Organigramme de l’algorithme FCO
L’inconvénient de cette technique est qu’il est nécessaire d’effectuer la mesure
de Voc de temps en temps. La charge doit être donc déconnectée pendant cette
mesure, ce qui provoque une perte de puissance. Cette méthode est simple et
robuste mais ne présente pas assez de précisions.
45
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.7.4 Algorithme de régulation de courant :
Concernant cette méthode, le PPM peut être atteint en comparant le courant de
court-circuit Icc mesuré à un courant de référence égal Imp. Ce courant est
calculé par la relation suivante :
Imp = K  Icc
(3.10)
K étant le facteur de courant qui dépend du GPV utilisé, généralement compris
entre 0.78 et 0.92.
Pendant la mesure du courant Icc, il est nécessaire de court-circuiter le GPV, ce
qui implique une perte de transfert de puissance.
Fig3.16 : Organigramme de l’algorithme FCc
Ces types de commandes nécessitent un seul capteur, ce qui les rend faciles à
mettre en œuvre. Par contre, leur précision est faible à cause des procédés
d’estimation des paramètres Icc et Vco. De plus, à chaque mesure de courant ou
de tension, un arrêt de transfert de puissance est obligatoire.
46
CHAPITRE 3 : Les techniques de la commande MPPT
3.6.5 Algorithme à base de la logique floue :
Récemment, la commande à base de la logique floue a été utilisée dans les
systèmes de poursuite du point de puissance maximale. Cette commande offre
l’avantage d’être une commande robuste et qui ne nécessite pas la connaissance
exacte du modèle mathématique du système.
En particulier, cette commande est mieux adaptée aux systèmes non linéaires. Le
fonctionnement de cet algorithme se fait en trois blocs : la fuzzification,
l’inférence et la défuzzification.
Fig3.17 : Schéma bloc de l’algorithme à base de la logique floue
3.8 Conclusion :
Dans ce chapitre, on a étudié le module photovoltaïque et ses performances et
les convertisseurs DC-DC utilisés dans les systèmes photovoltaïques, comme
l’hacheur survolteur.
On a présenté aussi les différents modèles de l’hacheur les plus utilisé
Après, nous avons détaillé les techniques de commandes les plus utilisées. Pour
étudier le panneau photovoltaïque choisi lors de son fonctionnement à maximum
de puissance, deux méthodes sont présentées et simulées : la méthode « Perturb
and Observe » (P&O) et la méthode « Incrément de Conductance » (IncCond).
Les résultats de simulation sont donnés pour différentes valeurs de la
température et de l’ensoleillement, résistance série et shunt.
47
Chapitre 4
Simulation du deux technique MPPT
utilise
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
4.1 Introduction :
Dans ce chapitre, on présentera l’application des deux méthodes numériques
pour le suivie du point de fonctionnement à puissance maximale de notre
système photovoltaïque. Ce système comprend un générateur photovoltaïque, un
convertisseur, une commande MPPT ainsi qu’une charge. Les résultats de
simulation à éclairement variable et température fixe vont nous permettre de
visualiser l’apport de la commande MPPT conduisant à un choix automatique du
rapport cyclique de l’hacheur permettant d’extraire le maximum de puissance du
générateur photovoltaïque.
4.2 Simulation du système PV menu de la commande MPPT P&O
et Inc :
Cette figure présente le schéma Matlab/Simulink de la commande MPPT du
type P&O appliquée à notre système PV.
Fig4.1 : schéma Matlab/Simulink de la commande MPPT
48
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
4.3 Les résultats de simulation avec la technique P&O et InC :
Pour l’éclairement fixe : E=1000 w/m² et T=25°c on retient les caractéristiques
suivantes :
P&O
InC
60
Tension du panneau
50
40
30
20
10
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.2 : variation de la tension du panneau
90
80
Tension de la charge
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
0
0.5
1
1.5
2
Temps en secondes
Fig4.3 : variation de la tension du de la charge
49
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
160
Puissance du panneau
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.4 : variation de la Puissance du panneau
200
180
Puissance de la charge
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.5 : variation de la Puissance de la charge
3.5
Courant du panneau
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.6 : variation du courant du panneau
2.5
Courant de la charge
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Temps en secondes
Fig4.7 : variation du courant de la charge
50
3
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
Cas de la variation d’éclairement E=600W/m² et T=25° :
80
70
Tension du panneau
60
50
40
30
20
10
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.8 : variation de la tension du panneau
80
70
Tension de la charge
60
50
40
30
20
10
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Temps en secondes
Fig4.9 : variation de la tension de la charge
51
3
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
2
1.8
Courant du panneau
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.10 : variation du courant du panneau
2.5
courant de la charge
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Temps en secondes
Fig4.11 : variation du courant de la charge
52
3
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
140
Puissance du panneau
120
100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Temps en secondes
Fig4.12 : variation de la Puissance du panneau
160
Puissance de la charge
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Temps en secondes
Fig4.13 : variation de la Puissance de la charge
53
3
CHAPITRE 4 : Simulation du deux technique MPPT utilise
4.4 Interprétation des résultats :
La comparaison des résultats obtenus avec les deux technique MPPT P&O et
INC nous permettent de de conclure que les caractéristiques avec la commande
InC convergent plus rapidement et la précision s’améliore et présente moins
d’oscillations par rapport à la commande P&O.
4.5 Conclusion :
Dans ce chapitre, notre objectif consiste à assurer un fonctionnement à puissance
maximale du système photovoltaïque. L’adaptation entre le générateur
photovoltaïque et la charge a été effectuée moyennant le convertisseur DC/DC.
Nous avons fait une application des deux technique MPPT choisi sur le système
PV associant le panneau PV – hacheur – charge.
Nous avons ensuite présenté les résultats pour une variation de de l’éclairement
de 1000W/m² a 600W/m² avec une température fixe de T=25°c.
Les résultats de simulation montrent un fonctionnement satisfaisant sur la
tension, le courant et la puissance générée et au niveau de la charge avec les
deux techniques P&O et InCond mais avec une réponse rapide et moins
d’oscillations avec la technique InCond.
54
Conclusion générale :
L’étude approfondie des cellules photovoltaïques (PV) présentent de grandes
variances de leur puissance électrique en fonction des conditions
météorologiques.
De plus, quand elles sont connectées à une charge, certains problèmes
apparaissent, et la puissance transférée à la charge correspond rarement à la
puissance maximale délivrée par le générateur PV. Pour que le système
photovoltaïque fonctionne à sa puissance maximale, il doit comporter un étage
d’adaptation associé à un algorithme MPPT bien approprié.
Dans la présente étude, nous avons utilisé deux algorithmes MPPT, l’algorithme
“Perturb and Observe” (P&O) puis l’algorithme “ Incrément of Conductance”
(IncCond). Les résultats de simulation ont illustré les Points de Puissance
Maximale - PPM sur les caractéristiques puissance-tension pour différentes
valeurs de l’ensoleillement.
Nous pouvons aussi, conclure que :
- Les performances du panneau PV se dégradent avec l’augmentation de la
température et la diminution de l’intensité d’éclairement.
- Le convertisseur survolteur fournit une tension à sa sortie supérieure à celle
fournie par le panneau PV.
- La commande MPPT adapte le point de fonctionnement du panneau PV à la
demande de la charge.
-la technique MPPT utilisant l’algorithme “ Incrément of Conductance
Arrive à joindre rapidement le PPM aves des oscillations insignifiantes
Comme perspectives nous recommandons la réalisation pratique de ce travail de
simulation et l’utilisation d’autres techniques de maximisation de puissances
MPPT de la chaine photovoltaïque telle que la logique flou Lf.
1. https://www.energie-renouvelable.tv/td_d_slug_7-2/
2. M. Capderou, Atlas solaire de l’Algérie, Tome 1, Vol. 1 et 2 ; OPU, 1987.
3. http://www.energy.gov.dz
4. William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, vol. 97,
CRC Press/Taylor and Francis, 2016, 2652 p. (ISBN 1498754287),
« Solar irradiance at the Earth », p. 2403 (14-18).
5. https://portail.cder.dz
6. CDER (Centre de Développement des Énergies Renouvelables). Des
énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique, Ministère de
l’énergies et des mines, Mars 2011.
7. « Les piles solaires, le composant et ces applications » Edition. Masson
(1985).
8. A. buyers « les système photovoltaïques » guide, Canada 2002. ARTICLE
PDF.
9. A. Zerga, F. Benyarou et B. Benyousef « Optimisation du rendement
d’une cellule solaire NP au silicium monocristallin » Rev. Energ. Ren :
physique Energétique
(1998pp.95-100).
10.H.BEN CHEIKH, "Simulation numérique de modèle collecteur hybride
photovoltaïque/Photothermique ", Mémoire de Magister, Université de
Constantine, 2009.
11.J.F. REYNAUD, "Recherches d’optimums d’énergies pour
charge/décharge d'une batterie à technologie avancée dédiée à des
applications photovoltaïques" Thèse de Doctorat, Université de Toulouse
III, 2011.
12.H. BENNACER modélisation d’un système photovoltaïque, Mémoire de
Magister, Université D Liabes Sidi bel Abbès, 2009.
13.T. Fogelman, "Système photovoltaïque pour les pays en déventement,
manuel d’installation et d’utilisation", Agence Française pour la Maîtrise
de l’énergie, (AFME).
14.. C. Bernard, J. Chauvin, D. Lebrun, J.F Muraz, P. Stassi "Station solaire
autonome pour l’alimentation des antennes de l’expérience de radio
détection l’observatoire Pierre Auger ", 2006.
15.A. Guen, "Contribution à l’étude des systèmes de télécommunications
mobiles Alimentés par énergie solaire ", Mémoire de Magister, Université
de Tlemcen, 1992.
16.Alain Bilbao Learreta, Rapport de stage projet de fin d’études Ingénieur
Technique Industrielle, Septembre 2006, Réalisation de Technique MPPT
numérique, Université Virgile.
17.R. Andoulssi : "étude d’une classe de système photovoltaïques par une
approche bond graph : modélisation, analyse et commande". Thèse de
doctorat université de Lille 2001.
18.I. Purnama, et all: "A Fuzzy Control Maximum Power Point Tracking
Photovoltaic System". 2011 IEEE International Conference on Fuzzy
Systems June 27-30, 2011.
19.V. Salas et all: "Review of the maximum power point tracking algorithms
for stand- alone photovoltaic systems", Solar Energy Materials & Solar
Cells 90 (2006) 1555– 1578.
20.Salim ABOUDA « Contribution à la commande des systèmes
photovoltaïques : Application aux systèmes de pompage » Thèse de
Doctorat, l’Université de Reims Champagne-Ardenne et de l’Université
de Sfax,2015
Annexe
Les caractéristiques du panneau :
Les paramètres
Symbole
Valeur
Tension de circuit ouvert
Uoc
66 V
Tension de puissance
maximale
Vmax
50 v
Courant de puissance
maximale
Imax
3.2 A
Puissance maximale
Pmax
157 W