République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Frères Mentouri de Constantine Faculté des Sciences de la Technologie Département d’Electrotechnique N° de série : ………… N° d’ordre : ………… Pour l’obtention du diplôme de MASTER Spécialité : ELECTROTECHNIQUE Option : Commande électrique Thème ___________________________ Etude et commande d’un système photovoltaïque ____________________________ Encadré par : Présenté par : Dr. BOURDIM Samia ABADA Lokmane CHABBI Redha Promotion 2020/2021 Remerciement Avant tout nous tenons nos remerciements à notre dieu de nous avoir donné la force et le Courage pour accomplir ce travail. A la suite Nous tenons à remercier vivement notre encadreur MmeBourdim Samia, 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. Nous remercions aussi Mme Debili Nariméne de nous avoir aidé à consolider nos informations par ses orientations et remarques. A tous ce qui furent 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. Dédicaces Je dédie ce travail À l'âme de mon père, que j'ai perdu en préparant ce travail, puisse Dieu le tout Puissant et Miséricordieux accorder à lui sa sainte miséricorde et l'accueillir en son vaste paradis. À Ma mère qui m'a entouré d'amour, d'affection et qui fait tout pour ma réussite, que dieu la garde. À ma femme qui m’a soutenu et n'a pas manqué d'aide à mon égard; je lui ai très reconnaissant À mes chères enfants : Abderrahmane, Sohaib et Sara À mes chères sœurs : Khadidja et Soumeya. Lokmane Dédicaces Je dédie ce travail À mes parents que dieu leur procure bonne santé et longue vie, À ma grand-mére qui m'as élevé et m'a fait tant de plaisirs, À mes fréres et sœur Kamel ,Fatah , Leila ,a toute ma famille et mes amis , À mon binôme Abada Lokmane et à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin pour que ce mémoire soit possible, je vous dis merci. Redha Sommaire Introduction générale ..............................................................................................................................................1 Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques .....................................................................................3 I.1. Introduction ......................................................................................................................................................3 I.2. Rayonnement solaire ........................................................................................................................................3 I.2.1. Spectre du rayonnement solaire ................................................................................................................3 I.2.2 . La masse d’air.......................................................................................................................................4 I.2.3. Potentiel solaire en Algérie .......................................................................................................................5 I.3. Historique du photovoltaïque ...........................................................................................................................6 I.4. La conversion photovoltaïque ..........................................................................................................................8 I.4.1 . L’effet photovoltaïque ..............................................................................................................................8 I.4.2 . La cellule photovoltaïque .........................................................................................................................8 I.4.3 . Technologies des cellules solaires photovoltaïques .................................................................................9 I.4.3.1 . Cellules solaires à base de silicium ..............................................................................................9 I.4.3.1.1 . Les cellules solaires au silicium cristallin ....................................................................................10 I.4.3.1.2 . Les cellules solaires au silicium amorphe ....................................................................................11 I.4.3.2 . Les cellules solaires en couches minces ..........................................................................................12 I.4.3.2.1 . Le tellurure de cadmium (CdTe) : ................................................................................................12 I.4.3.2.2 . Le séléniure de cuivre d'indium et de gallium (CIGS) : ...............................................................12 I.4.3.3 . Autres technologies .........................................................................................................................12 I.4.4. Caractéristiques d’une cellule PV ...........................................................................................................13 I.4.5. Association des cellules en série .............................................................................................................15 I.4.6. Association des cellules en parallèle .......................................................................................................15 I.4.7. Facteur de forme FF ................................................................................................................................16 I.4.8. Rendement de conversion d’énergie η ....................................................................................................16 I.5.Effet de l’irradiation et la température ............................................................................................................16 I.6. Structure des panneaux photovoltaïques ........................................................................................................17 I.6.1. Une série de cellules photovoltaïques (sous module ou branche) ...........................................................17 I.6.2. Module (panneau) photovoltaïque : ..................................................................................................18 I.6.3. String et champ photovoltaïque ........................................................................................................18 I.7. Types de systèmes photovoltaïques ...............................................................................................................19 I.7.1. Système PV autonome ......................................................................................................................19 I.7.2. Système PV connecté directement au réseau ...................................................................................20 I.8. Conclusion .....................................................................................................................................................21 Chapitre II : Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV .......................................22 II.1. Introduction...................................................................................................................................................22 II.2. Chaine de conversion photovoltaïque ...........................................................................................................22 II.3. Etude de la chaine de conversion photovoltaïque .........................................................................................23 II.3.1. Modélisation d’une cellule PV ..............................................................................................................23 II.3.2. Modélisation et simulation d’un module photovoltaïque ......................................................................25 II.3.3. Résultats de simulation ..........................................................................................................................27 II.3.3.1. Caractéristique I(V) du module ......................................................................................................27 II.3.3.2. Caractéristique P(V) du module......................................................................................................27 II.3.3.3. Influence de l’éclairement sur les caractéristiques I(V) et P(V) .....................................................28 II.3.3.4. Influence de la température sur les caractéristiques I(V) et P(V) ...................................................29 II.3.3.5. Zone de fonctionnement du module solaire ....................................................................................31 II.4. Théorie du hacheur boost ..............................................................................................................................32 II.4.1. Convertisseur DC/DC ............................................................................................................................32 II.4.2. Convertisseur survolteur (boost) ............................................................................................................33 II.4.3. Modèle mathématique de circuit équivalent ..........................................................................................33 II.4.4. Caractéristiques statiques et rapport de conversion ...............................................................................35 II.5. Le fonctionnement optimal du générateur photovoltaïque : .........................................................................36 II.6. Principe de la Recherche du MPPT: .............................................................................................................37 II.7. Conclusion ....................................................................................................................................................37 Chapitre III : Commande et simulation de la chaine de conversion PV...............................................................38 III.1. Introduction .................................................................................................................................................38 III.2. Différents types de commandes MPPT .......................................................................................................38 III.2.1. Premières commandes MPPT...............................................................................................................38 III.2.2. Commandes MPPT à algorithmes performants ....................................................................................39 III.2.2.1. Principe des commandes « Hill Climbing » ..................................................................................39 III.2.2.1. Principe des commandes « Perturb and Observe » (P&O) ............................................................41 III.3. Simulation de la chaine de conversion PV : ................................................................................................43 III.3.1. Modèle sous MATLAB/SIMULINK ...................................................................................................43 III.3.2. Résultats de simulation (à 1000 W/m2 et 25°C) ...................................................................................43 III.3.3. Résultats de simulation pour des différentes valeurs d’éclairement .....................................................47 III.3.4. Résultats de simulation pour des différentes valeurs de température ...................................................50 III.4. Conclusion ...................................................................................................................................................54 Conclusion générale .............................................................................................................................................55 Liste des figures Figure I.1 : spectre du rayonnement solaire ……………………………………………………... Figure I.2 : Concept de la masse d’air AM ……………………………………………………… Figure I.3 : Moyenne annuelle de l’irradiation globale inclinée à la latitude du lieu (cas d’un ciel totalement clair)……………………………………………………………………………… Figure I.4 Structure physique de la cellule photovoltaïque ……………………………………... Figure I.5 Cellule PV en silicium monocristallin………………………………………………... Figure I.6 Cellule PV en silicium polycristallin………………………………………………… Figure I.7 Cellule PV en silicium amorphe ……………………………………………………… Figure I.8 caractéristiques I-V et P-V d’une cellule PV ………………………………………... Figure I.9 caractéristique résultante de n cellules en série……………………………………….. Figure I.10 caractéristique résultante de n cellules en parallèle…………………………………. Figure I.11 Caractéristique I-V d’une cellule PV pour différents ensoleillements……………… Figure I.12 Caractéristique I-V d’une cellule PV pour différentes températures………………... Figure I.13 : Sous module constitué de Ncs cellules connectées en séries………………………. Figure I.14: module constitué de Nssm sous modules montés en séries………………………… Figure I.15 : champ photovoltaïque composé de Nst strings en parallèle……………………….. Figure I.16: Classification des systèmes photovoltaïques ………………………………………. Figure I.17: Installation photovoltaïque autonome …………………………………………….. Figure I.18: Installation photovoltaïque couplée au réseau ……………………………………... Figure II.1 : Chaîne de conversion photovoltaïque………………………………………………. Figure II.2 : Chaine de conversion photovoltaïque avec convertisseur DC/DC contrôlé par une commande MPPT sur charge DC………………………………………………………………… Figure II.3 : Modèle électrique équivalent d’une cellule PV. …………………………………… Figure II.4: schéma bloc d’une cellule PV……………………………………………………….. Figure II.5: model d’un panneau PV sous MATLAB/SIMULINK……………………………… Figure II.6: Model d’un panneau PV alimentant une charge résistive sous MATLAB/SIMULINK…………………………………………………………………………... Figure II.7: Caractéristique I(V) du module (à 1000 W/m2 et 25 °C)…………………………… Figure II.8: Caractéristique P(V) du module (à 1000 W/m2 et 25 °C)…………………………... Figure II.9: Influence de l’éclairement sur la caractéristique I(V) du module…………………... Figure II.10: Influence de l’éclairement sur la caractéristique P(V) du module………………… Figure II.11: Influence de la température sur la caractéristique I(V) du module……………….. Figure II.12: Influence de la température sur la caractéristique P(V) du module………………. Figure II.13: Différentes zones de la caractéristique I (V), T = 25 °C…………………………... Figure II.14: Forme d’onde de la tension de sortie du convertisseur [1]………………………… Figure II.15: Circuit typique d’un convertisseur survolteur. [1]…………………………………. Figure II.16: Circuit équivalent d’un convertisseur survolteur, état 1: interrupteur fermé.[1]… Figure II.17: Circuit équivalent d’un convertisseur survolteur, état 2: interrupteur ouvert. [1]…. Figure II.18: Schéma synoptique du système PV par une commande MPPT…………………… Figure III.1 : Principe de la première commande MPPT numérique…………………………….. Figure III.2: Relation entre la puissance et le rapport cyclique………………………………….. Figure III.3: Algorithme de la commande Hill Climbing………………………………………... 3 4 6 9 10 11 11 13 14 15 16 17 17 18 18 19 20 21 22 23 23 25 26 26 27 28 28 29 30 30 31 32 33 34 34 37 39 40 40 Figure III.4: Caractéristique puissance–tension d’un panneau photovoltaïque………………….. Figure III.5: Algorithme de la méthode P&O……………………………………………………. Figure III.6: Modèle de la chaine de conversion PV commandé par l’algorithme P&O………… Figure III.7: Tension à la sortie du GPV (à 1000 W/m2 et 25 °C)………………………………. Figure III.8: Courant à la sortie du GPV (à 1000 W/m2 et 25 °C)………………………………. Figure III.9: Puissance à la sortie du GPV (à 1000 W/m2 et 25 °C)…………………………….. Figure III.10: Tension à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2 et 25 °C)……………... Figure III.11: Courant à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2 et 25 °C)……………... Figure III.12: Puissance à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2 et 25 °C)…………… Figure III.13: Tension à la sortie du GPV (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C)…….. Figure III.14: Courant à la sortie du GPV (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C)…….. Figure III.15: Puissance à la sortie du GPV (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C)….. Figure III.16: Tension à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C)………………………………………………………………………………………….. Figure III.17: Courant à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C)………………………………………………………………………………………….. Figure III.18: Puissance à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C)…………………………………………………………………………………... Figure III.19: Tension à la sortie du GPV (à 25°C, 60°C et 100°C)…………………………….. Figure III.20: Courant à la sortie du GPV (à 25°C, 60°C et 100°C)…………………………….. Figure III.21: Puissance à la sortie du GPV (à 25°C, 60°C et 100°C)…………………………… Figure III.22: Tension à la sortie du convertisseur Boost (à 25°C, 60°C et 100°C)……………... Figure III.23: Courant à la sortie du convertisseur Boost (à 25°C, 60°C et 100°C)……………... Figure III.24: Puissance à la sortie du convertisseur Boost (à 25°C, 60°C et 100°C)…………… 41 42 43 44 44 45 45 46 46 47 48 48 49 49 50 51 51 52 52 53 53 Listes des tableaux Tableau I.1 : potentiel solaire en Algérie ………………………………………………………. Tableau I.2 : Comparaison entre les différentes technologies des cellule………………………. 5 13 Listes des acronymes et symboles Acronymes PV Photovoltaïque. P&O Perturbation & Observation (Perturbe-and-Observe). GPV Générateur photovoltaïque. MPPT poursuite de point de puissance maximale. Symboles 𝜽 Angle entre la position du soleil et le zénith exprimée en (Deg). 𝑵𝑺 Nombre de cellules connectées en série dans un module. 𝑵𝑷 Nombre de cellules connectées en parallèle dans un module. 𝑹𝑺 Résistance série (Ω). 𝑹𝑷 Résistance shunt (Ω). 𝑰𝒑𝒗 Courant du panneau. 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 Courant de cellule. 𝑰𝒑𝒉 Photo-courant 𝑰𝒄𝒄 Courant de court-circuit du panneau (donné par le constructeur). 𝑰𝟎 Courant de saturation. 𝑲𝒊 Courant de court-circuit divisé par le coefficient de température du panneau. 𝑻 Température ambiante. 𝑮 Irradiation sur la surface de la cellule. 𝑻𝒓𝒆𝒇 Température de référence (298 K). 𝑮𝒓𝒆𝒇 Irradiation de référence (1000 W/m²). 𝑬𝒈 Énergie de gap du semi-conducteur. 𝑽𝒐𝒄 Tension de circuit ouvert du module (donnée par le constructeur). 𝒒 Charge de l’électron (1.602. 10−19 𝑐) 𝑨 Constante d’idéalité de la jonction 1 < 𝐴 < 2 𝑲 Constante de Boltzmann (1.3805. 10−23 𝐽/𝐾) D Rapport cyclique Introduction générale Introduction générale L’énergie solaire photovoltaïque est obtenue via la transformation directe du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par l’intermédiaire d’un composant élémentaire appelé cellule photovoltaïque (PV), son principe de fonctionnement est basé sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à générer une force électromotrice lorsque la surface de la cellule est exposée à la lumière. La tension produite peut être variée selon la technologie utilisée pour fabriquer cette cellule. Le groupement de plusieurs cellules PV en série ou en parallèle forme un générateur photovoltaïque (GPV) qui a une caractéristique puissance-tension (P-V) non linéaire présentant un point de puissance maximale. Pour tirer la capacité maximale des systèmes de production d’énergie photovoltaïque, on rencontre la technique de recherche du point de puissance maximale « Maximum Power Point Tracking» (MPPT). Comme son nom l’indique, Cette technique suivre le MPP dans le temps et permet d’obtenir le maximum de puissance qui peut fournir un panneau. La MPPT à l’objectif d’améliorer ou d’optimiser l’exploitation des systèmes de production d’énergie électrique photovoltaïques. Techniquement, la MPPT fait appel à un étage d’adaptation entre le générateur PV et la charge qui est généralement un convertisseur électronique de puissance. Dans ce contexte, notre travail a l’objectif de faire l’adaptation d’un GPV à la charge par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC commandé par une MPPT reposé sur le principe d’un algorithme appelé « Perturb and Observ » (P & O). Ce travail est subdivisé en trois chapitres organisés comme suit : Dans le premier chapitre nous présentons une vue générale sur les systèmes PVs, nous donnerons des concepts fondamentaux sur le rayonnement solaire, le fonctionnement des cellules solaires, leurs caractéristiques et technologies. Finalement, nous citons les différents types des systèmes photovoltaïques. Nous consacrons le deuxième chapitre pour décrivez la structure d’une chaine de conversion photovoltaïque, le principe de fonctionnement de chaque élément constituant cette dernière, et nous présentons le modèle sous MATLAB/SIMULINK relatif à un générateur PV. 1 Introduction générale Dans le dernier chapitre, nous citons quelques exemples d’algorithme de commande des systèmes PVs, et nous terminons notre dernier chapitre par une simulation sous l’environnement MATLAB/SIMULINK d’une chaine de conversion photovoltaïque constitué d’un générateur PV, un convertisseur DC/DC Boost commandé par l’algorithme (P & O), et une charge résistive. Enfin on termine notre travail avec une conclusion générale et une bibliographie assez riche. 2 Chapitre I Généralités sur les systèmes photovoltaïques CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques I.1. Introduction L’énergie solaire photovoltaïque (PV) est la plus jeune des énergies renouvelables, elle a l’avantage d’être non polluante, souple et fiable. Elle permet alors d'éviter l'installation de groupes électrogènes qui posent des problèmes de fiabilité et d'approvisionnement en carburant [1]. Dans ce chapitre, nous présentons une vue générale sur les systèmes photovoltaïques. I.2. Rayonnement solaire I.2.1. Spectre du rayonnement solaire Malgré la distance considérable qui sépare le soleil de la terre 150.106 Km, la couche terrestre reçoit une quantité d’énergie importante 180.106 GW, c’est pour ça que l’énergie solaire se présente bien comme une alternative aux autres sources d’énergie. Cette quantité d’énergie quittera sa surface sous forme de rayonnement électromagnétique compris dans une longueur variant de 0.22 à 10 μm [2], l’énergie associe à ce rayonnement solaire se décompose approximativement comme suit : - 9 % dans la bande des ultraviolets (< à 0.4μm). - 47 % dans la bande visibles (0.4 à 0.8 μm). - 44 % dans la bande des infrarouges (> à 0.8μm). Figure I.1 : spectre du rayonnement solaire 3 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques I.2.2 . La masse d’air En traversant l’atmosphère, le rayonnement solaire subit des modifications spectrales et directionnelles. Les phénomènes d’absorption et de diffusion sont générés par les particules atmosphériques si bien que la lumière connait une redistribution spatiale donnant lieu à une source de lumière secondaire provenant de l’hémisphère céleste au-dessus de l’horizon. Plus grande est la longueur du parcours de la lumière solaire dans l’atmosphère terrestre, plus grande est l’atténuation de celle-ci avant d’atteindre un éventuel capteur. Pour tenir compte du trajet parcouru par les photons, on utilise la notion de masse d’air. Celle-ci est égale au rapport, noté AM, de la distance parcourue dans l’atmosphère par un rayon en provenance du soleil à l’épaisseur verticale de l’atmosphère mesurée au niveau de la mer. En considérant la figure I.2, où l’atmosphère est une couche d’épaisseur constante et parallèle au sol supposé horizontal [3]. On appelle masse d’air AM, la perte de l’énergie solaire par l’absorption atmosphérique. Elle est donnée en fonction de l’angle entre le soleil et le zénith.[4] 𝑨𝑴 = 𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝜽 I.1 Figure I.2 : Concept de la masse d’air AM [1] θ : représente l’angle entre la position du soleil et le zénith exprimée en (Deg). Le spectre solaire AM0 correspond à une masse d’air nulle pour un rayonnement arrivant au-dessus de la couche atmosphérique à incidence normale, AM1 pour un soleil vertical à la terre (le soleil est au 4 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques zénith), et AM1.5 pour un rayonnement solaire correspondant à une inclinaison du soleil de 45° par rapport au zénith. Le nombre "1.5" indique que le parcours de la lumière dans l'atmosphère est 1.5 fois supérieur au parcours le plus court du soleil, c'est-à-dire lorsqu’il est au zénith [5]. La notion d’air mass "masse d'air" a été entré, afin de comparer et d’unifier les performances des cellules photovoltaïques élaborées dans les différents laboratoires du monde. Elle varie en fonction de l’angle θ du soleil par rapport au zénith. L’énergie totale transportée par le rayonnement solaire sur une distance soleil terre est de l’ordre de 1367W/m² (AM0) hors atmosphère terrestre. Le rayonnement solaire global reçu au niveau du sol pour (AM1.5) atteint 1000 W/m², avec un petit arrondissement [6]. I.2.3. Potentiel solaire en Algérie La durée d’insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et atteint les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara). L’énergie reçue quotidiennement sur une surface horizontale de 1 m² est 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. Le tableau I.1 résume le potentiel solaire en Algérie [7] Régions Superficie (%) Durée moyenne d'ensoleillement (heures/an) Energie Moyenne reçue (Kwh/m2/an) Région côtière Hauts plateaux Sahara 4 10 86 2650 3000 3500 1700 1900 2650 Tableau I.1 : Potentiel solaire en Algérie [7] 5 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Figure I.3 : Moyenne annuelle de l’irradiation globale inclinée à la latitude du lieu (cas d’un ciel totalement clair) [8] I.3. Historique du photovoltaïque Les cellules solaires PV fonctionnent en convertissant la lumière solaire directement en électricité en utilisant les propriétés électroniques d'une classe de matériaux connues sous le nom de semi-conducteurs. Le mot "Photovoltaïque" est la combinaison de deux mots : "photos", mot d'origine grecque qui signifie lumière ; et "Volta", le nom du physicien italien Alessandro Volta, qui a inventé la première pile électrique au 1800. L'effet photovoltaïques (PV) a été découvert par le physicien français Edmond Becquerel en 1839, où il avait constaté que lorsque la lumière tombe sur deux électrodes métalliques immergées dans un électrolyte, une différence de potentiel s’établit entre elles. En 1873, Smith [17] a découvert la photoconductivité du solide, le sélénium (Se). Environ quatre ans après, William Adams and Richard Day ont été les premiers à observer l'effet PV à l'état solide, le sélénium (Se). En 1883, Charles Fritts a fait la première cellule solaire à grande surface en utilisant un 6 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques film de Se [20-22]. Après la découverte de l'électron par Thomson en 1897, il a alors été démontré que les électrons ont été libérés par la lumière incidente sur la surface, ce qui explique pourquoi seules les particules chargées négativement pourraient être déchargés par l'action de la lumière. En 1905, Albert Einstein a publié un article expliquant l'effet photoélectrique sur une base quantique, pour lequel il a ensuite remporté un prix Nobel de physique en 1921. Au cours de la fin des années 1930 et au début des années 1940, une recherche intensive des matériaux semi-conducteurs sur le germanium et le silicium a été freinée à cause de la seconde guerre mondiale. Le premier effet photovoltaïque avec une cellule au silicium a été observé en 1941 par Russel Ohl des laboratoires Bell Téléphone aux Etats Unis. L'effet photovoltaïque avec une cellule au germanium a été rapporté par Benzer en 1946 et par Pantchechnikoff en 1952. Bien que la cellule à base de silicium a été signalée en début des années 1940, ce n’est qu'en 1954 que la cellule solaire reçut beaucoup d'intérêt, initié par les travaux de Daryl Chapin et al. des laboratoires Bell Téléphone sur les cellules au silicium monocristallin, et Reynolds et al.[24] du laboratoire de « US Air Force Aerospace » sur les cellules au sulfure de cadmium. Les premières applications de ces cellules solaires comme source d’énergie ont été faites avec des vaisseaux spatiaux et satellites à partir de 1958. Au début des années 1960, la conception des cellules pour l’utilisation spatiale a ralenti, et au cours de la décennie suivante, ce fut leur principale application. La crise énergétique des années 1970 stimula les gouvernements et les industriels à investir dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres. Dans les années 1980, l'industrie PV a commencé à mûrir. Des usines de fabrication pour la production de modules PV à partir de cellules solaires à base silicium ont été construits aux Etats-Unis, au Japon et en Europe. Au cours des années 1990, la technologie PV terrestre a régulièrement progressé avec l'installation des toits photovoltaïques et de plusieurs centrales électriques. Elle a même commencé à devenir bien connue aux consommateurs avec son intégration dans de nombreux produits de petite puissance : montres, calculatrices, radios et balises météo, pompes et réfrigérateurs solaires. Aujourd’hui, malgré les impacts négatifs de la crise économique qui a commencé en 2008, le photovoltaïque est encore en croissance à un rythme extraordinaire, les laboratoires de recherche et les industries travaillent en collaboration pour 7 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques développer de nouveaux concepts ou de nouveaux procédés susceptibles d'améliorer le rendement et de réduire les coûts des cellules PV [1]. I.4. La conversion photovoltaïque I.4.1 . L’effet photovoltaïque L’effet photovoltaïque est la transformation directe de la lumière en électricité. Lorsqu’un photon d'énergie supérieure ou égale à l’énergie de gap est absorbé par le matériau semi-conducteur, il passe une partie de son énergie par collision à un électron. L’électron passe de la bande de valence à la bande de conduction et laisse un trou derrière lui, d’où l’apparition d'une paire électron- trou, c'est la génération des charges libres.[6] I.4.2 . La cellule photovoltaïque La cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque, qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé et d'autres paramètres [9]. Elle est constituée essentiellement de deux couches semi-conductrices : - Une couche supérieure mince (dite de type n), exposée au soleil, qui est dopée avec des atomes de phosphore (P) possédant 5 électrons périphériques, soit un de plus que les atomes de silicium (Si). - Une couche inférieure (dite de type p), dopée avec des atomes de bore (B) ayant 3 électrons périphériques, soit un de moins que les atomes de silicium (présence d'un trou). La couche « de type n » est donc excédentaire en électrons et la couche « de type p » est déficitaire. Lorsque les deux couches sont mises en contact, créant une jonction p-n, les électrons en excès de la couche « n » diffusent dans la couche « p ». Ainsi, la couche « n » se charge positivement, alors que la couche « p » se charge négativement. Un équilibre se crée et un champ électrique interne apparaît Les photons qui rentrent dans la cellule solaire peuvent arracher des électrons aux atomes de silicium présents dans les couches « n » et « p ». Le champ électrique interne à la cellule entraîne les électrons libérés vers la cathode (-) (grille de contact), où ils empruntent un circuit extérieur, générant ainsi un courant électrique. Les électrons rejoignent ensuite l'anode (+) (face arrière), où ils se recombinent avec des trous (Figure II.4). Plus le nombre de 8 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques photons (c.à.d. l’irradiation solaire) absorbés est important, plus le nombre d'électrons libérés, et donc le courant généré, est important [1]. Figure I.4 Structure physique de la cellule photovoltaïque [1] I.4.3 . Technologies des cellules solaires photovoltaïques I.4.3.1 . Cellules solaires à base de silicium Le matériau photovoltaïque le plus répandu dans les cellules solaires est le silicium, semiconducteur de type IV. Le silicium sous forme de dioxyde de silicium (sable de quartz) est un composant extrêmement commun de la croûte terrestre et est essentiellement non-toxique. Les technologies PV à base de cellules au silicium (Si) ont été l'objet de recherches depuis les années 9 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques 1950 et actuellement, ils couvrent 90 % du marché photovoltaïque mondial. Le silicium solaire est soit cristallin, soit amorphe. À l’état amorphe, il est employé en couche mince, avec des épaisseurs de l’ordre du micron et en deçà et déposé sur un support, alors que les cellules cristallines sont massives et épaisses de 0,1 à 0,2 mm. I.4.3.1.1 . Les cellules solaires au silicium cristallin Les cellules au silicium cristallin, sont souvent appelées des technologies de « première génération », comme elles ont été les premières à être commercialisées, en plus ce sont des technologues matures. Elles se présentent sous forme de plaquettes carrées ou pseudo-carrées, parfois rondes. Elles sont classées en cellules au silicium monocristallin et cellules au silicium polycristallin. a- Les cellules au silicium monocristallin Si la cellule est constituée d’un seul cristal, on parle de silicium monocristallin, et elle a un aspect uniforme, de couleur gris bleuté, ou noir. Les cellules monocristallines sont découpées à partir de lingots de cristal de silicium avec une longueur d'environ 50 cm ou plus qui peuvent ensuite être facilement découpés en tranches de 10 cm de diamètre ou plus. Le rendement de conversion de ces cellules en laboratoire est de 26.3 %, alors que, les modules commercialisés ont un rendement typique de 14 à 24 %. Figure I.5 Cellule PV en silicium monocristallin 10 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques b- Les cellules au silicium poly-cristallin Si la cellule est faite de silicium multi-cristallin (ou poly-cristallin), elle est composée de plusieurs cristaux assemblés, et présente l’aspect d’une « mosaïque » compacte de fragments métalliques bleutés de quelques millimètres à quelques centimètres, appelés « grains ». Le silicium poly-cristallin est obtenu par un procédé de coulage (casting process), suivi d'un traitement thermique qui crée de très petits grains de silicium individuels pour se combiner et former de plus gros grains ayant des tailles avec plusieurs millimètres de longueur et de largeur. En laboratoire le rendement de conversion de 21.3% a été atteint en utilisant la plaquette de silicium poly-cristallin, tandis que les modules ayant un rendement de 16 à 19.9 % sont aujourd’hui commercialement disponibles. Bien que, ces cellules sont moins efficaces par rapport au monocristallin, ils nécessitent moins d'énergie de production. De ce fait, ils sont un peu moins coûteux à fabriquer. Figure I.6 Cellule PV en silicium poly-cristallin I.4.3.1.2 . Les cellules solaires au silicium amorphe Le silicium amorphe (a-Si) a été la première technologie de film mince utilisé dans le photovoltaïque. Des petites cellules en a-Si destinés aux produits de consommation tels que les montres et calculatrices, ont introduit des cellules solaires pour des millions de gens depuis les années 1980. Durant les dernières années, un bon exemple d’utilisation de cette technologie est la construction de façades ; les modules en a-Si peuvent servir de revêtement attrayant et pourrait bien être compétitifs avec d'autres types de modules PV. Le rendement de ces modules est situé de 6 à 10 %, c'est-à-dire environ la moitié de celle du silicium cristallin. 11 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Figure I.7 Cellule PV en silicium amorphe I.4.3.2 . Les cellules solaires en couches minces Les cellules en couches minces constituent ce que certains appellent les cellules de seconde génération. Cette technologie permet de diminuer le coût de fabrication, mais son rendement en général est inférieur à celui des cellules en silicium cristallin. Il existe essentiellement quatre types de cellules solaires qui sont inclus dans cette catégorie, le silicium amorphe a-Si (mentionné précédemment), et trois autres qui sont fabriqués à partir de matériaux “ non-silicium“ à savoir : I.4.3.2.1 . Le tellurure de cadmium (CdTe) : Ces cellules peuvent être chimiquement déposées dans une solution aqueuse, ou plus récemment par évaporation de CdTe sur un substrat. L’inconvénient majeur de ces cellules est dû aux contrôles environnementaux très stricts sur les éléments toxiques comme le cadmium (Cd). La pénurie de matières premières limite aussi la production de tellure (Te). Le rendement maximal obtenu en laboratoire par ces cellules est 21% et jusqu’à 18.6% pour les modules commercialisés. I.4.3.2.2 . Le séléniure de cuivre d'indium et de gallium (CIGS) : Les premières cellules à base de l'alliage CIGS ont été fabriquées au début des années 1980 par évaporation des éléments constitués de cuivre (Cu), d’indium (In), de galium (Ga), et de sélénium (Se). Malgré, que ces cellules atteignent actuellement un rendement maximal de l’ordre de 21 % en laboratoire et jusqu’à 17.5 % pour les modules commercialisés, des problèmes se posent en raison de la rareté de l’indium et ses impacts environnementaux. I.4.3.3 . Autres technologies Il y a d’autres technologies PV qui sont : ▪ Cellules à concentration 12 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques ▪ Cellules multi-jonctions ▪ Cellules organiques ▪ Cellules à colorants [1] Rendement en (%) de Type de cellules solaires Cellules PV en Modules laboratoire commercialisés Cellules à base de Si monocristallin 26.3 24.4 silicium (Si) Si poly-cristallin 21.3 19.9 Si amorphe 10.2 Cellules en couches CIGS 21.0 17.5 minces CdTe 21.0 18.6 GaAs 28.8 24.1 InGaP/GaAs/InGaAs 37.9 31.2 GaInP/GaAs;GaInAsP/GaInAs 46.0 Cellules multijonctions Cellules multijonctions à concentration Cellules organiques 11.2 Cellules à colorants 11.9 8.7 Tableau I.2 : Comparaison entre les différentes technologies des cellule [10] I.4.4. Caractéristiques d’une cellule PV Sous un éclairement donné, toute cellule photovoltaïque est caractérisée par une courbe couranttension (I-V) représentant l’ensemble des configurations électriques que peut prendre la cellule. Trois grandeurs physiques définissent cette courbe : ▪ Sa tension à vide : Vco. Cette valeur représenterait la tension générée par une cellule éclairée non raccordée. 13 CHAPITRE I ▪ Généralités sur les systèmes photovoltaïques Son courant court-circuit : Icc. Cette valeur représenterait le courant généré par une cellule éclairée raccordée à elle-même. ▪ Son point de puissance maximal : MPP (en anglais : maximal power point) obtenu pour une tension et un courant optimaux : Vopt, Iopt (parfois appelés aussi Vmpp, Impp). Figure I.8: caractéristiques I-V et P-V d’une cellule PV Pour permettre une comparaison de l’efficacité de différentes cellules, on définit ces caractéristiques dans des conditions de test bien précises (STC = Standard Test Conditions). Ces conditions sont : émission lumineuse de 1 000 W/m², température de 25 °C, conditions spectrales Air Mass 1.5. La puissance maximale délivrée par une cellule silicium de 150 cm² est d'environ 2.3 Wc sous une tension de 0.5V. Une cellule photovoltaïque élémentaire constitue donc un générateur électrique de faible puissance insuffisante en tant que telle pour la plupart des applications domestiques ou industrielles. Les générateurs photovoltaïques sont, de ce fait réalisés par association, en série et/ou en parallèle, d'un grand nombre de cellules élémentaires [11]. 14 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques I.4.5. Association des cellules en série Les cellules sont traversées par le même courant et la tension résultante correspond à la somme des tensions générées par chacune des cellules. Figure I.9 caractéristique résultante de n cellules en série I.4.6. Association des cellules en parallèle Par association en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et le courant résultant correspond à la somme des courants générés par chacune des cellules. Figure I.10 caractéristique résultante de n cellules en parallèle 15 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques I.4.7. Facteur de forme FF Il définit l’efficacité de la cellule solaire, il est obtenu comme suit : 𝑭𝑭 = 𝑽𝑴 × 𝑰 𝑴 𝑽𝑪𝑶 × 𝑰𝑪𝑶 I.2 I.4.8. Rendement de conversion d’énergie η C’est le rapport de la puissance maximale générée et de la puissance du rayonnement solaire incident. 𝜼𝑴 = 𝑭𝑭 × 𝑰𝑪𝑪 × 𝑽𝑪𝑶 𝑰𝑴 × 𝑽𝑴 = 𝑷𝟎 𝑷𝟎 I.3 I.5. Effet de l’irradiation et la température Les caractéristiques I-V d'une cellule PV dépendent fortement de l'irradiation et de la température. La Figure. I.11 montre que le courant de sortie I du module PV est grandement influencée par le changement de l'irradiation G, alors que la tension V reste à peu près constante. En revanche, pour une variation de température, on peut voir que la tension varie considérablement tandis que le courant reste presque inchangé ( Figure I.12). Figure I.11 Caractéristique I-V d’une cellule PV pour différents ensoleillements. 16 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Figure I.12 Caractéristique I-V d’une cellule PV pour différentes températures. I.6. Structure des panneaux photovoltaïques Généralement les cellules photovoltaïques sont associées pour constituer un panneau. Ces derniers sont regroupés en série ou bien en parallèle selon la puissance demandée pour protéger les modules PV contre le point chaud (hot-spot) à cause d'un déséquilibre d'éclairement il faut monter une diode au silicium « diode de by-pass" en parallèle tête-bêche (Figure I.8) sur une branche en général de dix-huit cellules en série, cette diode sera conductrice dans le cas de l’ombrage d’une ou plusieurs cellules dans une branche et bloquée dans le cas normal. I.6.1. Une série de cellules photovoltaïques (sous module ou branche) On dénomme sous module ou bien branche l’ensemble de cellules en séries connectées en parallèle avec une diode de protection (Figure I.13) Figure I.13 : Sous module constitué de Ncs cellules connectées en séries 17 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Avec : Ncs nombre de cellules en séries. I.6.2. Module (panneau) photovoltaïque : Le module est constitué d’un groupe de sous modules connectés en série pour avoir une tension plus ou moins élevée. Figure I.14: module constitué de Nssm sous modules montés en séries 𝑁𝑠𝑠𝑚 : Le nombre total des sous-modules connectés en série. I.6.3. String et champ photovoltaïque Suivant la puissance du panneau, le string est constitué de plusieurs modules connectés généralement en série. Ces strings sont connectés en parallèle pour former un champ photovoltaïque. Pour éviter qu'une branche de cellules connectées en série ne reçoive de l'énergie d’autres strings connectés en parallèle, il faut installer dans chacune des branches des diodes en série (diode anti retour). Figure I.15: champ photovoltaïque composé de Nst strings en parallèle 18 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Avec : 𝑁𝑠𝑡 le nombre de strings branchés en parallèle. [12] I.7. Types de systèmes photovoltaïques On appelle système photovoltaïque l'ensemble des composants nécessaires à l'alimentation d'une application en toute fiabilité [13]. Les systèmes PV peuvent être classifiés en deux grandes catégories : autonomes, et interconnectés (raccordés) au réseau. Ces catégories peuvent fonctionnellement être subdivisées comme suit : Figure I.16: Classification des systèmes photovoltaïques [13]. I.7.1. Système PV autonome Autonomes ou « stand-alone », ces installations isolées ne sont pas connectées au réseau, mais elles doivent assurer la couverture de la demande de la charge en tout temps. La puissance à la sortie du générateur photovoltaïque n’est pas suffisante pour satisfaire la demande de charge. Aussi, l’autonomie du système est assurée par un système de stockage d’énergie. En général ces installations comprennent quatre éléments : ▪ Un ou plusieurs modules PV. ▪ Le système de régulation. ▪ Une ou plusieurs batteries. ▪ L’onduleur. 19 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques Figure I.17: Installation photovoltaïque autonome [12] On peut les trouver dans les trois cas suivants : a. Systèmes autonomes sans stockage d’énergie (alimentation directe) : Dans ce cas, l’appareil alimenté ne fonctionnera qu'en présence de lumière et dès que l'éclairement sera suffisant pour atteindre la puissance demandée. b. Systèmes autonomes avec stockage d’énergie : C'est la configuration la plus courante des systèmes photovoltaïques autonomes que les anglophones appellent « stand-alone systems ». L‘ensemble est le plus souvent en courant continu (DC), ce qui est préférable car plus simple. Mais dès que l'on touche à l'habitat, il y a presque toujours des appareils en courant alternatif (AC) à alimenter. c. Systèmes autonomes hybrides Avoir un système hybride, c'est disposer d'une autre source d'électricité autonome qui vient compléter l'apport photovoltaïque. Cette autre source peut être un groupe électrogène ou une génératrice éolienne [1]. I.7.2. Système PV connecté directement au réseau Les systèmes photovoltaïques connectés à un réseau permettent la décentralisation de la production sur ce réseau électrique (Figure I.18). L’énergie est produite plus près des lieux de consommation et 20 CHAPITRE I Généralités sur les systèmes photovoltaïques non pas seulement par de grandes centrales nucléaires, thermiques ou hydroélectriques. Au fil du temps, les systèmes PV connectés à un réseau réduiront la nécessité d’augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution en ayant besoin d’acheminer uniquement son excédent d’énergie vers les zones en manque de production. Cette mise en commun des productions permet aussi un sous-dimensionnement des équipements de production complémentaire. Ces transferts éliminent la nécessité d’acheter et d’entretenir une batterie d’accumulateurs. Il est toujours possible d’utiliser ceux-ci pour servir d’alimentation d’appoint lorsque survient une panne de réseau. Figure I.18: Installation photovoltaïque couplée au réseau [12] I.8. Conclusion Nous avons présenté dans ce chapitre des généralités sur le photovoltaïque, en passant par des concepts fondamentaux sur le rayonnement solaire. Ensuite, nous avons donné un bref historique sur les recherches et l’utilisation du principe de la conversion photovoltaïque, nous avons détaillé le fonctionnement des cellules solaires, leurs caractéristiques et technologies. Finalement, nous avons cité les différents types des systèmes photovoltaïques. Le prochain chapitre sera consacré à l’étude d’une chaine de conversion PV et à la modélisation d’un générateur photovoltaïque. 21 Chapitre II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV Chapitre II : Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV II.1. Introduction L’énergie en sortie d’un système photovoltaïque n’est pas automatiquement adaptée à la charge. Donc, un étage d’adaptation, comprenant un ou plusieurs convertisseurs statiques, permet de transformer les grandeurs électriques continues en grandeurs adaptées à celle-ci. En générale, cet étage est contrôlé par une MPPT qui permet de faire fonctionner GPV de façon à produire en permanence le maximum de sa puissance. Et ce, quelques soient les conditions météorologiques (température et irradiation) [14]. Dans ce chapitre nous décrivons la structure d’une chaine de conversion photovoltaïque, le principe de fonctionnement de chaque élément le constituant, et nous présentons le modèle relatif à un générateur PV. II.2. Chaine de conversion photovoltaïque Avec le développement d’une électronique de puissance spécifique dédiée aux applications photovoltaïques, beaucoup de systèmes de conversion innovants ont été conçus notamment des onduleurs ayant des premiers étages d’adaptation en entrée assurant la recherche de PPM. En effet, ces dispositifs permettent aujourd’hui d’adapter et d’optimiser la production photovoltaïque par le biais de convertisseurs de puissance DC-DC insérés entre les modules photovoltaïques et l’entrée de l’onduleur. Généralement, ces étages disposent de commandes de gestion électrique plus ou moins complexes permettant d’adapter la tension PV à la tension d’entrée de l’onduleur [14]. Figure II.1 : Chaîne de conversion photovoltaïque [11]. 22 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV II.3. Etude de la chaine de conversion photovoltaïque Le schéma synoptique illustré sur la figure II.2 représente la constitution de la chaine de conversion PV à étudier : GPV DC CHARGE DC MPPT Figure II.2 : Chaine de conversion photovoltaïque avec convertisseur DC/DC contrôlé par une commande MPPT sur charge DC. Cette chaine de conversion PV est constituée de : - Un générateur PV ; - Un étage d’adaptation DC/DC (hacheur Boost) assurant la poursuite du point de puissance maximale ; - Une charge. II.3.1. Modélisation d’une cellule PV Pour développer un modèle équivalent d’une cellule photovoltaïque, il est nécessaire de faire un choix judicieux des circuits électriques qui le constituent et de comprendre la configuration physique et les caractéristiques électriques des éléments de la cellule. Pour cela, plusieurs modèles mathématiques sont développés pour représenter le comportement non linéaire des jonctions des semi-conducteurs [15]. Le modèle le plus utilisé est celui à une seule diode représentée par la figure II.3 : Figure II.3 : Modèle électrique équivalent d’une cellule PV [16]. 23 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV C’est le modèle le plus classique dans la littérature, il fait intervenir un générateur de courant pour la modélisation du flux lumineux incident, une diode pour les phénomènes physique de polarisation et deux résistances (série et shunt). Ces résistances auront une certaine influence sur la caractéristique I-V de la photopile : - la résistance série est la résistance interne de la cellule ; elle principalement la résistance du semiconducteur utilisé, de la résistance de contact des grilles collectrices et de la résistivité de ces grilles, - la résistance shunt est due à un courant de fuite au niveau de la jonction ; elle dépend de la façon dont celle-ci a été réalisée [17]. Le courant de la diode est donné par : 𝑰𝑫 = 𝑰𝟎 × [𝒆 𝒒×(𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍 +𝑹𝒔 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 ) 𝑨𝑲𝑻 − 𝟏] II.1 𝒒 [C] : Charge de l’électron (1.602.10-19 c). 𝑨 : Constante d’idéalité de la jonction (1<𝑨<2) 𝑲 [J/K] : Constante de Boltzmann [1.3805.10-23 J/K] 𝑻 [K] : Température ambiante. 𝑰𝟎 [A] : Courant de saturation Le courant généré par la cellule PV est donné par la loi des mailles : II.2 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑰𝑫 − 𝑰𝒔𝒉 = 𝑰𝒑𝒉 − 𝑰𝟎 × [𝒆 𝒒×(𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍 +𝑹𝒔 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 ) 𝑨𝑲𝑻 − 𝟏] − ( 𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍 + 𝑹𝒔 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 ) 𝑹𝒔𝒉 II.3 Le photo-courant est donné par : 𝑰𝒑𝒉 = [𝑰𝒄𝒄 + 𝑲𝒊 (𝑻 − 𝑻𝒓𝒆𝒇 )] × 𝑮 𝑮𝒓𝒆𝒇 𝑰𝒄𝒄 [A] : Courant de court-circuit. 𝑲𝒊 [A/K] : Courant de court-circuit divisé par le coefficient de température du panneau. 𝑻 [K] : Température ambiante. 𝑮 [W/m²] : Irradiation sur la surface de la cellule. 𝑻𝒓𝒆𝒇 [K] : Température de référence (298 K). 𝑮𝒓𝒆𝒇 [W/m²] : Irradiation de référence (1000 W/m²). 24 II.4 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV Le courant de saturation 𝑰𝟎 : Ce courant varie avec la température et est donné par : 𝟑 𝒒𝑬𝒈 𝟏 𝑻 𝟏 𝑰𝟎 = 𝑰𝒓𝒔 ( ) 𝒆𝒙𝒑 [ ( − )] 𝑻𝒓𝒆𝒇 𝑨𝑲 𝑻𝒓𝒆𝒇 𝑻 II.5 𝑬𝒈 [eV] Énergie de gap du semi-conducteur (1.1 eV pour le silicium polycristallin à 25°C). Afin de déterminer la valeur du courant de saturation, nous aurons besoin de la valeur du courant de saturation inverse de la diode (courant de fuite). Son expression est donnée par l’équation : 𝑰𝒓𝒔 = 𝑰𝒄𝒄 𝒒𝑽𝒐𝒄 ( ) 𝒆 𝑨𝑲𝑻 − II.6 𝟏 𝑽𝒐𝒄 [V] : Tension de circuit ouvert. [18] D’une façon générale, on peut représenter le circuit électrique équivalent d’une cellule solaire en schéma bloc de quatre paramètres : Figure II.4: schéma bloc d’une cellule PV Avec deux variables d’entrée : E : ensoleillement dans le plan de la cellule (W/m2). T : température de la cellule (°C). et deux variables de sortie : I : intensité de courant fournie par la cellule (A). V : tension aux bornes de la cellule. II.3.2. Modélisation et simulation d’un module photovoltaïque Les équations décrites précédemment ne peuvent représenter la caractéristique (I-V) d’un module PV puisqu’elles sont propres à une seule cellule PV qui représente l’élément de base du panneau, on introduit donc l’équation spécifique à un module [18] : 𝑰𝑷𝑽 = 𝑵𝒑 𝑰𝒑𝒉 − 𝑵𝑷 𝑰𝟎 [𝒆 𝒒(𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍 +𝑹𝒔 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 ) 𝑵𝒔 𝑨𝑲𝑻 25 − 𝟏] − 𝑵𝒑 𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍 + 𝑹𝒔 𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 𝑹𝒔𝒉 II.7 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV La figure II.5 illustre le model du générateur photovoltaïque sous MATLAB/SIMULINK : Figure II.5: model d’un panneau PV sous MATLAB/SIMULINK Pour extraire les caractéristiques du module photovoltaïque nous avons construit le modèle suivant sous MATLAB/SIMULINK : Figure II.6: Model d’un panneau PV alimentant une charge résistive sous MATLAB/SIMULINK 26 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV II.3.3. Résultats de simulation II.3.3.1. Caractéristique I(V) du module La figure II.7 représente la courbe I=f(V) du module photovoltaïque dans les conditions constantes d’irradiation et de température. Les conditions standard de teste (STC : Standard Test Conditions) pour l’irradiation et la température (A) sont respectivement : 1000 W/m2 et 25 °C. (s) Figure II.7: Caractéristique I(V) du module (à 1000 W/m2 et 25 °C) II.3.3.2. Caractéristique P(V) du module La figure II.8 représente la courbe P=f(V) du module photovoltaïque dans les conditions constantes d’irradiation et de température. Les conditions standard de teste (STC : Standard Test Conditions) pour l’irradiation et la température sont respectivement : 1000 W/m2 et 25 °C. 27 CHAPITRE II (W) Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV (V) Figure II.8: Caractéristique P(V) du module (à 1000 W/m2 et 25 °C) II.3.3.3. Influence de l’éclairement sur les caractéristiques I(V) et P(V) Nous avons simulé le comportement du module photovoltaïque étudié en maintenant la valeur de température constante, et pour des différentes valeurs de l’éclairement (1000 W/m2 , 800 W/m2 , 600 (A) W/m2 , 400 W/m2 , 200 W/m2).Nous avons obtenu les résultats suivants : (V) Figure II.9: Influence de l’éclairement sur la caractéristique I(V) du module 28 CHAPITRE II (W) Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV (V) Figure II.10: Influence de l’éclairement sur la caractéristique P(V) du module ▪ Discussion des résultats : - Pour la caractéristique I(V), on remarque que l’accroissement du courant de court-circuit est beaucoup plus important que l’augmentation de la tension de circuit ouvert, car le courant de court-circuit ( 𝑰�𝒄𝒄�) est une fonction linéaire de l’éclairement. - Pour la caractéristique P(V), on remarque que la puissance augmente avec l’accroissement de l’éclairement, ainsi que la tension du circuit ouvert (Vco). II.3.3.4. Influence de la température sur les caractéristiques I(V) et P(V) Les propriétés électriques d’un semi-conducteur sont très sensibles à la température, c’est la raison pour laquelle la température représente un paramètre très important dans le fonctionnement des cellules photovoltaïques. La simulation de comportement du module photovoltaïque sous un éclairement constant (1000 W/m2) et pour des différentes valeurs de la température (25°C, 50°C, 75°C, 100°C), a donné les résultats suivants : 29 CHAPITRE II (A) Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV (V) (W) Figure II.11: Influence de la température sur la caractéristique I(V) du module (V) Figure II.12: Influence de la température sur la caractéristique P(V) du module 30 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV Discussion des résultats : L’augmentation de la température entraîne une diminution de la puissance maximale, ainsi qu’une diminution de la tension de circuit ouvert. II.3.3.5. Zone de fonctionnement du module solaire La caractéristique fondamentale du générateur photovoltaïque donnée pour un éclairement et une température donnée, n’impose ni le courant ni la tension de fonctionnement ; seule la courbe I (V) est fixée. C’est la valeur de la charge aux bornes du générateur qui va déterminer le point de fonctionnement du système photovoltaïque. La figure II.11 représente trois zones essentielles : - La zone (I) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant. - La zone (II) : correspondant au coude de la caractéristique, la région intermédiaire entre les deux zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé. La zone (III) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une tension presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension. [19] (A) - (V) Figure II.13: Différentes zones de la caractéristique I (V), T = 25 °C. 31 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV II.4. Théorie du hacheur boost II.4.1. Convertisseur DC/DC Un convertisseur DC-DC est utilisé pour convertir la tension d’une source continue d’un niveau à un autre. Selon la relation entre les tensions d'entrée et de sortie, un convertisseur DC-DC peut être conçu pour réduire le niveau de la tension ou pour l’augmenter. Un convertisseur DC-DC à commutation se compose de condensateurs, d’inductances, et d’interrupteurs. Tous ces dispositifs idéalement ne consomment aucune puissance, c’est la raison pour laquelle ce type de convertisseurs est caractérisé par un rendement élevé. L’interrupteur est réalisé avec un dispositif semi-conducteur en mode commuté, généralement un transistor MOSFET ou IGBT. Si le dispositif semi-conducteur est à l’état ouvert, son courant est nul et par conséquent il n’y a pas de dissipation de puissance. S’il est à l'état fermé (c.-à-d. saturé), la chute de tension est presque nulle et par conséquent la puissance dissipée sera très faible. Durant le fonctionnement du convertisseur, l’interrupteur travaille à une fréquence constante fs avec un intervalle actif DTs, où Ts est la période de commutation (TS = 1/ fs) et D est le rapport cyclique du commutateur (D ∈ [0;1]). La fréquence de commutation fs se situe généralement dans la plage de 1kHz à 1MHz, dépendant de la vitesse de commutation des dispositifs semi-conducteurs. Les valeurs moyennes de la tension (Vo) et du courant (Io) de sortie peuvent être ajustées en variant le rapport cyclique D [1]. Figure II.14: Forme d’onde de la tension de sortie du convertisseur [1] 32 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV II.4.2. Convertisseur survolteur (boost) La Figure II.15 montre un convertisseur survolteur. Comme son nom l’indique, son application typique est la conversion d’une basse tension en une tension plus élevée. Par conséquence, son courant de sortie est inférieur à son courant d'entrée en raison de l'équilibre de la puissance. Figure II.15: Circuit typique d’un convertisseur survolteur. [1] II.4.3. Modèle mathématique de circuit équivalent Il y a aussi deux états de fonctionnement : lorsque l'interrupteur S est fermé et lorsqu’il est ouvert. Les circuits équivalents de ces deux états sont représentés sur les Figures II.16 et 17, respectivement. L'application de la loi de Kirchhoff, pendant le premier intervalle DTS (Figure II.17), conduit au système d’équations suivantes : Figure II.16: Circuit équivalent d’un convertisseur survolteur, état 1: interrupteur fermé [1]. 33 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV 𝒅𝒗𝒊 (𝒕) = 𝒊(𝒕) − 𝒊𝑳 (𝒕) 𝒅𝒕 𝒅𝒗𝟎 (𝒕) 𝒊𝑪𝟐 (𝒕) = 𝑪𝟐 = −𝒊𝟎 (𝒕) 𝒅𝒕 𝒅𝒊𝑳 (𝒕) 𝒗𝑳 (𝒕) = 𝑳 = 𝒗𝒊 (𝒕) 𝒅𝒕 𝒊𝑪𝟏 (𝒕) = 𝑪𝟏 II.8 Dans ce cas l'inductance L stocke l'énergie de la source d'alimentation alors que le condensateur (C2) se décharge pour alimenter la charge. Après que l’interrupteur soit ouvert durant le deuxième intervalle (1-D)Ts de la période de commutation (Figure. II.8), un deuxième système d'équations peut être déduit : Figure II.17: Circuit équivalent d’un convertisseur survolteur, état 2: interrupteur ouvert. [1] 𝒅𝒗𝒊 (𝒕) = 𝒊(𝒕) − 𝒊𝑳 (𝒕) 𝒅𝒕 𝒅𝒗𝟎 (𝒕) 𝒊𝑪𝟐 (𝒕) = 𝑪𝟐 = 𝒊𝑳 (𝒕) − 𝒊𝑳𝟎 (𝒕) 𝒅𝒕 𝒅𝒊𝑳 (𝒕) 𝒗𝑳 (𝒕) = 𝑳 = 𝒗𝒊 (𝒕) − 𝒗𝟎 (𝒕) 𝒅𝒕 𝒊𝑪𝟏 (𝒕) = 𝑪𝟏 II.9 Dans ce cas, l’énergie stockée dans l’inductance L et celle de la source sont transférés à la charge et au condensateur (C2). 34 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV II.4.4. Caractéristiques statiques et rapport de conversion En appliquant l’approximation faible ondulation, les équations (II.8 ) peuvent être simplifiée comme suit : 𝒊𝑪𝟏 = 𝑰 − 𝑰𝑳 𝒊𝑪𝟐 = −𝑰𝟎 II.10 𝑽𝑳 = 𝑽𝒊 De même les équations (II.9 ) se simplifient comme suit : 𝒊𝑪𝟏 = 𝑰 − 𝑰𝑳 II.11 𝒊𝑪𝟐 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝟎 𝑽𝑳 = 𝑽𝒊 − 𝑽𝟎 Pour trouver les valeurs moyennes de iC1, iC2, et vL durant une période de commutation Ts les équations (II.9) et (II.10) sont substituées dans (II.11) : 𝒕+𝑻𝒔 𝟏 ⟨𝒙(𝒕)⟩ = ∫ 𝒙(𝝉)𝒅𝝉 𝑻𝒔 𝒕 𝒕+𝑫𝑻𝒔 𝟏 = [ ∫ 𝑻𝒔 𝒕+𝑻𝒔 𝒙|[𝟎,𝑫𝑻𝒔 ] (𝝉)𝒅𝝉 + 𝒕 ∫ 𝒙|[𝑫𝑻𝒔 ,𝑻𝒔 ] (𝝉)𝒅𝝉] II.12 𝒕+𝑫𝑻𝒔 L'application du principe de l’équilibre de la tension d’inductance et de la charge capacitive : 𝑻𝒔 𝟏 𝑽𝑳 = ⟨𝒗𝑳 ⟩ = ∫ 𝒗𝑳 (𝒕)𝒅𝒕 = 𝟎 𝑻𝒔 II.13 𝟎 𝑻𝒔 𝟏 𝑰𝑪 = ⟨𝒊𝑪 ⟩ = ∫ 𝒊𝑪 (𝒕)𝒅𝒕 = 𝟎 𝑻𝒔 𝟎 Conduit finalement à un modèle moyen (DC) du convertisseur survolteur : 35 II.14 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV ⟨𝒊𝑪𝟏 (𝒕)⟩ = 𝑫(𝑰 − 𝑰𝑳 ) + (𝟏 − 𝑫)(𝑰 − 𝑰𝑳 ) = 𝟎 II.15 ⟨𝒊𝑪𝟐 (𝒕)⟩ = 𝑫(−𝑰𝟎 ) + (𝟏 − 𝑫)(𝑰𝑳 − 𝑰𝟎 ) = 𝟎 ⟨𝒗𝑳 (𝒕)⟩ = 𝑫𝑽𝒊 + (𝟏 − 𝑫)(𝑽𝒊 − 𝑽𝟎 ) = 𝟎 Ceci peut être encore réduit à un système final d'équations décrivant les caractéristiques stables (DC) : II.16 𝑰 = 𝑰𝑳 𝑰𝟎 = (𝟏 − 𝑫)𝑰𝑳 𝑽𝒊 = (𝟏 − 𝑫)𝑽𝟎 A partir de (II.16) on peut déduire le rapport de conversion M (D) de convertisseur comme suit : 𝑴(𝑫) = 𝑽𝟎 𝟏 = 𝑽𝒊 𝟏 − 𝑫 II.17 Effectivement, ceci est un convertisseur survolteur parce que M(D) > 1 pour D∈ [0 ,1]. [1] II.5. Le fonctionnement optimal du générateur photovoltaïque : Dans un système électrique comprenant une source et une charge, la recherche du point de fonctionnement optimal par des techniques d’optimisation représente ce qui est le plus important. Dans le cas du photovoltaïque, cette démarche est plus complexe du fait que la caractéristique des cellules dépend fortement de l’ensoleillement et de la température ambiante, entre autres. Il faut trouver un dispositif permettant de fonctionner à tout moment suivant le point de fonctionnement optimal. Ces dernières années plusieurs dispositifs ont été développés, aussi élabores les uns que les autres. Dans la référence, les auteurs passent en revue les différentes méthodes de maximisation de puissance classées en deux catégories : les méthodes indirectes et les méthodes directes. Pour le cas de sources énergétiques, cela se traduit par des points de puissance maximum. Ce type de commande est souvent nommé dans la littérature (Recherche du Point de Puissance Maximum) ou bien (Maximum Power Point Tracking) en anglo-saxon (MPPT). Le principe de ces commandes est d’effectuer une recherche du point de puissance maximal 36 CHAPITRE II Etude d’une chaine de conversion PV et modélisation du générateur PV (PPM) tout en assurant une parfaite adaptation entre le générateur et sa charge de façon à transférer le maximum de puissance. [20] II.6. Principe de la Recherche du MPPT: La commande MPPT fait varier le rapport cyclique du convertisseur statique (DC), à l'aide d'un signal électrique approprié, pour tirer le maximum de puissance que le générateur photovoltaïque 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 Convertisseur 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. [20] La figure II.16 représente le schéma de principe d'un convertisseur MPPT classique. Figure II.18: Schéma synoptique du système PV par une commande MPPT. II.7. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté un modèle de simulation d’un générateur photovoltaïque sous l’environnement MATALAB/SIMULINK, nous avons extrait les différentes courbes caractérisant le fonctionnement du générateur ainsi que les facteurs influençant le bon fonctionnement de ce dernier. Nous avons présenté aussi la théorie du hacheur Boost qui représente un élément essentiel dans la chaine de conversion PV. Enfin, on a terminé par le principe de la recherche du point de puissance maximale. L’algorithme utilisé pour commander le hacheur Boost sera l’objet du prochain chapitre. 37 Chapitre III Commande et simulation de la chaine de conversion PV CHAPITRE III Commande et simulation de la chaine de conversion PV Chapitre III : Commande et simulation de la chaine de conversion PV III.1. Introduction Pour atteindre la valeur optimale du GPV, l’étage d’adaptation doit être muni d’une commande MPPT, qui va agir sur son rapport cyclique en fonction des variations des conditions météorologiques ou de la charge pouvant survenir. Dans ce contexte, nous présenterons dans ce chapitre le principe de quelques types de commandes de la recherche du point de puissance maximale. Nous donnerons par la suite, les résultats de simulation pour la MPPT en utilisant l’algorithme « Perturb and Observe ». III.2. Différents types de commandes MPPT Plusieurs publications sur les commandes de la recherche du point de puissance maximale apparaissent dans la littérature, et ce depuis les années 1970. Ces commandes diffèrent par leur principe de fonctionnement, leur précision et leur rapidité de recherche. Dans ce qui suit, nous allons citer les principales commandes rencontrées dans la littérature : III.2.1. Premières commandes MPPT En Janvier 1968, A.F. Boehringer a publié la première loi de commande MPPT adaptée à une source d’énergie renouvelable de type photovoltaïque. La commande, basée sur un algorithme de contrôle adaptatif, permet de maintenir le fonctionnement du système à son point de puissance maximale. A partir des mesures du courant délivré par le panneau photovoltaïque Ipv et de la tension Vpv, la méthode consiste à calculer la puissance à l’instant ti et la comparer à la valeur mémorisée à l’instant ti-1. Par la suite, un nouveau rapport cyclique est calculé et est appliqué au convertisseur statique [15]. La figureIII.1 illustre le principe de la première commande MPPT numérique : 38 CHAPITRE III Commande et simulation de la chaine de conversion PV Figure III.1 : Principe de la première commande MPPT numérique. Ce principe de commande est toujours valable, il est appliqué maintenant sur des algorithmes numériques plus performants, avec un temps de réaction et une précision de la recherche du PPM améliorés. III.2.2. Commandes MPPT à algorithmes performants Différents types d’algorithmes MPPT sont rencontrés dans la littérature. Les trois méthodes les plus rencontrées sont : - Hill Climbing, - Perturb & Observ (P&O) et - Incrément de conductance (IncCond) [15]. Nous présentons le principe des deux premières méthodes dans la partie suivante. III.2.2.1. Principe des commandes « Hill Climbing » La technique de commande « Hill Climbing » consiste à donner une perturbation sur le rapport cyclique qui se traduit par un déplacement du point de fonctionnement le long de la caractéristique puissancerapport cyclique du générateur photovoltaïque. Théoriquement, la recherche doit s’arrêter lorsque le point de puissance maximale est atteint [15]. 39 CHAPITRE III Commande et simulation de la chaine de conversion PV Figure III.2: Relation entre la puissance et le rapport cyclique. La figure III.3 montre que si une incrémentation positive du rapport cyclique crée un accroissement de la puissance, le point de fonctionnement se trouve à gauche du PPM, la direction de la perturbation est donc maintenue. Si au contraire, il est donc à droite du PPM et la perturbation est inversée pour reprendre la convergence vers le PPM. L’algorithme de cette méthode est illustré dans la figure III.3. La variable slope prend la valeur « 1 » ou « -1 » suivant la direction de recherche pour augmenter la puissance, et a est la variable d’incrément du rapport cyclique [15]. Figure III.3: Algorithme de la commande Hill Climbing 40 CHAPITRE III Commande et simulation de la chaine de conversion PV III.2.2.1. Principe des commandes « Perturb and Observe » (P&O) La méthode de perturbation et observation (P&O) consiste à perturber l’un des paramètres d’entrées du convertisseur statique (généralement la tension Vpv) puis d’observer l'impact de ce changement sur la puissance de sortie du système, Elle permet d’extraire la puissance maximale même si l’éclairement et la température varient. Le principe de cette méthode est qu’à partir d’un rapport cyclique initialement petit, on mesure Vpv et Ipv et on calcule P(k). La valeur obtenue est comparée avec la valeur P(k-1) calculée au cycle précédent, et selon le résultat de comparaison, Vpv est ajustée soit dans le même sens que dans le cycle précédent soit dans une direction opposée. Ainsi, la puissance va augmenter, repasser par le maximum, puis diminuer et dès la détection d’une diminution de la puissance, le sens de la commande est à nouveau inversé,...etc. Cependant, l’oscillation du système autour du maximum permet de suivre le maximum de puissance. [14] La figure III.4 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. 41 CHAPITRE III Commande et simulation de la chaine de conversion PV Figure III.4: Caractéristique puissance–tension d’un panneau photovoltaïque. La figure III.5 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. Figure III.5: 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 42 CHAPITRE III Commande et simulation de la chaine de conversion PV 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. III.3. Simulation de la chaine de conversion PV : III.3.1. Modèle sous MATLAB/SIMULINK La figure III.6 représente le modèle sous l’environnement MATLAB/SIMULINK de la chaine de conversion PV que nous avons proposé, constitué d’un générateur PV, un convertisseur DC/DC Boost muni d’une MPPT commandée par la méthode « perturb and observ » (P&O) et une charge résistive. Figure III.6: Modèle de la chaine de conversion PV commandé par l’algorithme P&O III.3.2. Résultats de simulation (à 1000 W/m2 et 25°C) Les résultats obtenus lors de la simulation ont donné les courbes de la tension, du courant et de la puissance à la sortie du GPV en fonction du temps, ainsi que les courbes de la tension, du courant et de la puissance à la sortie du convertisseur Boost : 43 CHAPITRE III Tension à la sortie du GPV (V) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.7: Tension à la sortie du GPV (à 1000 W/m2 et 25 °C) Courant à la sortie du GPV (A) ▪ (s) Figure III.8: Courant à la sortie du GPV (à 1000 W/m2 et 25 °C) 44 CHAPITRE III Puissance à la sortie du GPV (W) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.9: Puissance à la sortie du GPV (à 1000 W/m2 et 25 °C) Tension à la sortie du convertisseur Boost (V) ▪ (s) Figure III.10: Tension à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2 et 25 °C) 45 CHAPITRE III Courant à la sortie du convertisseur Boost (A) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.11: Courant à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2 et 25 °C) Puissance à la sortie du convertisseur Boost (W) (V) ▪ (s) (s) ▪ Figure III.12: Puissance à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2 et 25 °C) 46 CHAPITRE III ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV Discussion des résultats D’après les courbes obtenues, on voit que la tension à la sortie du hacheur Boost est presque 2,5 fois la tension à la sortie du générateur photovoltaïque, aussi, le courant à la sortie du hacheur est 0.5 fois le courant à la sortie du générateur PV, ce qui explique le fonctionnement du hacheur boost ou survolteur qui la fonction d’augmenter la tension. La puissance transmise à la charge est presque égale à la puissance reçue par le convertisseur avec une très faible diminution, donc un très bon rendement énergétique du convertisseur et efficacité de la commande MPPT (P&O) utilisée. Aussi, d’après ces résultats, on remarque que les grandeurs électriques oscillent autour de leurs valeurs optimales correspondantes au PPM. Les oscillations obtenues dépendent fortement du pas de perturbation. En effet lorsque ce dernier diminue (augmente), le système devient lent (rapide) et l’amplitude des oscillations diminue (augmente). III.3.3. Résultats de simulation pour des différentes valeurs d’éclairement Pour des différentes valeurs d’éclairement (1000 W/m2, 800 W/m2,400 W/m2) et à température constante 25 °C , les résultats obtenus lors de la simulation ont donné les courbes de la tension, du courant et de la puissance à la sortie du GPV en fonction du temps, ainsi que les courbes de la tension, du courant et de la puissance à la sortie du convertisseur Boost : Tension à la sortie du GPV (V) ▪ (s) Figure III.13: Tension à la sortie du GPV (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C) 47 CHAPITRE III Courant à la sortie du GPV (A) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.14: Courant à la sortie du GPV (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C) Puissance à la sortie du GPV (W) ▪ (s) Figure III.15: Puissance à la sortie du GPV (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C) 48 CHAPITRE III Tension à la sortie du convertisseur Boost (V) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.16: Tension à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C) Courant à la sortie du convertisseur Boost (A) ▪ (s) Figure III.17: Courant à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C) 49 CHAPITRE III Puissance à la sortie du convertisseur Boost (W) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.18: Puissance à la sortie du convertisseur Boost (à 1000 W/m2,800 W/m2, 600 W/m2 et 25 °C) ▪ Discussion des résultats D’après les courbes obtenues, qui confirment les résultats de deuxième chapitre, l’influence de l’éclairement sur le courant du GPV est considérable, alors qu’une faible diminution de la tension aux bornes de ce dernier, à chaque variation de la condition météorologique (éclairement) le hacheur intervient pour transmettre la puissance maximale du GPV à la charge par l’intermédiaire de la commande MPPT (P&O). III.3.4. Résultats de simulation pour des différentes valeurs de température Pour des différentes valeurs de température (25°C, 60°C et 100°C) et à éclairement constant 1000 W/m2 , les résultats obtenus lors de la simulation ont donné les courbes de la tension, du courant et de la puissance à la sortie du GPV en fonction du temps, ainsi que les courbes de la tension, du courant et de la puissance à la sortie du convertisseur Boost : 50 CHAPITRE III Tension à la sortie du GPV (V) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.19: Tension à la sortie du GPV (à 25°C, 60°C et 100°C) Courant à la sortie du GPV (A) ▪ (s) Figure III.20: Courant à la sortie du GPV (à 25°C, 60°C et 100°C) 51 CHAPITRE III Puissance à la sortie du GPV (W) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.21: Puissance à la sortie du GPV (à 25°C, 60°C et 100°C) Tension à la sortie du convertisseur Boost (V) ▪ (s) Figure III.22: Tension à la sortie du convertisseur Boost (à 25°C, 60°C et 100°C) 52 CHAPITRE III Courant à la sortie du convertisseur Boost (A) ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV (s) Figure III.23: Courant à la sortie du convertisseur Boost (à 25°C, 60°C et 100°C) Puissance à la sortie du convertisseur Boost (W) ▪ (s) Figure III.24: Puissance à la sortie du convertisseur Boost (à 25°C, 60°C et 100°C) 53 CHAPITRE III ▪ Commande et simulation de la chaine de conversion PV Discussion des résultats D’après les courbes obtenues, aussi, les résultats de deuxième chapitre sont confirmés, la température influe sur la tension du GPV en augmentant cette dernière, avec une faible diminution du courant débité depuis le GPV, à chaque variation de la condition météorologique (température) le hacheur intervient pour transmettre la puissance maximale du GPV à la charge par l’intermédiaire de la commande MPPT (P&O). III.4. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons proposé un modèle d’une chaine de conversion PV muni d’une MPPT commandé par l’algorithme (P & O), les résultats de simulation ont montré que le convertisseur DC/DC Boost fait osciller le point de fonctionnement du module autour du PPM, et cela pour chaque variation des conditions météorologiques (Eclairement et température). 54 Conclusion générale Conclusion générale La demande mondiale en énergie évolue rapidement et les ressources naturelles de l’énergie telles que l’uranium, le gaz et le pétrole diminuent en raison d’une grande diffusion et développement de l’industrie ces dernières années. Pour couvrir les besoins en énergie, des recherches sont conduits à l’énergie renouvelable. Une des énergies renouvelables qui peut honorer la demande est l’énergie solaire photovoltaïque, c’est une énergie propre, silencieuse, disponible et gratuite. Cela explique pourquoi son utilisation connaît une croissance significative dans le monde. Dans un premier lieu, nous avons fait une étude générale sur les systèmes photovoltaïques, ceci s’avérer nécessaire pour acquérir une connaissance approfondie sur leur comportement. Nous avons établi des modèles sous l’environnement MATLAB/SIMULINK d’un générateur PV, nous avons tiré ses caractéristiques I(V) et P(V) pour des différentes valeurs d’éclairement et de température. Pour atteindre le fonctionnement optimal du générateur PV, un modèle sous MATLAB/Simulink d’une chaine de conversion commandée par une MPPT (P & O) a été proposé. Les résultats de simulation obtenus montrent l’oscillation instantanée du point de fonctionnement du module photovoltaïque autour du PPM indépendamment à des variations de l’éclairement et de la température. Le rendement énergétique du hacheur boost est très satisfaisant (⁓96%) (faibles pertes de puissances), ce qui nous permet de conclure que notre modèle est performant et donne les résultats attendus. Ce travail a également dégagé quelques perspectives, nous espérons qu’une étude comparative sera effectuée entre la méthode P&O et les autres méthodes de commandes classiques et intelligentes avec des variations aléatoires des conditions météorologiques (éclairement et température), aussi avec d’autres types de charges (ex : moteur à courant continu ) ou charges qui fonctionnent en courant alternatif avec l’ajout d’un autre étage d’adaptation ( onduleur ). 55 Références bibliographiques BIBLIOGRAPHIE [1] B. Bendib, "Une nouvelle approche de modélisation et de commande des systèmes photovoltaïques autonomes" Thèse de Doctorat, Université Ferhat Abbes Setif3, Algérie, 2017. [2] B.Equer « Le Pompage Photovoltaïque Manuel de cours », énergie solaire photovoltaïque ellipses 1993. [3] G.mounir "Détermination des paramètres caractéristiques de la turbidité de l’atmosphère α et β d’Ångström en utilisant les modèles de transfert radiatifs", mémoire de magister, université de Constantine , Algérie 2013 [4] N. Oleksiy, "Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités," Ecole Doctorale Thèse de Doctorat, 2005. [5] M.Djarallah, "Contribution à l’étude des systèmes photovoltaïques résidentiels couples au réseau électrique," thèse de doctorat en science, université de Batna, [6] A.Hamzaoui "Effet de l’illumination sur les paramètres caractéristiques des cellules solaires au silicium polycristallin ", mémoire de magister, université Ferhat Abbas de Sétif , Algérie 2012. [7] A.Khelif "expérience, potentiel et marché photovoltaïque algérien", New Energy Algeria NEAL 2011. [8] M.Redha Yaiche, A.Bouhanik "Atlas solaire algérien ", CDER, 2002. [9] M. Angel Cid Pastor "Conception et realisation de modules photovoltaiques electroniques ," these de doctorat, institut National des Sciences Appliquées de Toulouse , 2007. [10] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, E. D. Dunlop, D. H. Levi, and A. W. Ho‐Baillie, "Solar cell efficiency tables (version 49)," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 25, pp. 3-13, 2017. [11] S. Petibon, "Nouvelles architectures distribuées de gestion et de conversion de l’énergie pour les applications photovoltaïques," Thèse de Doctorat, Université de Toulouse, France, 2009. [12] R. Khenfar "Détection et isolation de défauts combinant des méthodes à base de données appliquées aux systèmes électro-énergétiques," Thèse de doctorat, 2015 [13] A. Labouret and M. Villoz, Energie Solaire Photovoltaïque - 4ème édition. France : Dunod, 2009. [14] H. Bouzeria, "Modélisation et commande d’une chaine de conversion photovoltaïque," Thèse de Doctorat, Université de Batna, Algérie, 2016. Références bibliographiques [15] S.Abouda "Contribution a la commande des systemes photovoltaiques: application aux systemes de pompage" Thèse de Doctorat, Université de REIMS, France, ecole nationale d’ingenieurs de SFAX, 2015. [16] W.C. Benmoussa, S. Amara et A. Zerga "Etude comparative des modèles de la caractéristique courant-tension d’une cellule solaire au silicium monocristallin "Revue des Energies Renouvelables ICRESD-07 Tlemcen 2007. [17] D.Boukhers, "Optimisation d’un système d’énergie photovoltaïque application au Pompage" Mémoire de Magister, Université de Constantine, Algérie, 2007 [18] M.Yahi, " Étude et simulation d’un générateur photovoltaïque actif dédié à l’alimentation en énergie électrique d’un site isolé" Mémoire de Master, Université de Setif, Algérie, 2014 [19] N.Debili "Etude et optimisation en environnement MATLAB/SIMULINK d’un système de pompage photovoltaïque", mémoire de magister, université de Constantine , Algérie 2015 [20] C.Cabal " Optimisation énergétique de l’étage d’adaptation électronique dédié à la conversion photovoltaïque." Thèse de Doctorat, Université de Toulouse III, France, 2008. :ملخص الهدف المسطر لهذه المذكرة هو الحصول على أكبر قدر من الطاقة الكهربائية من مولد كهروضوئي باستخدام طريقة االضطراب " DC/DC " " للمولد من طرف المبدلMPPT" تستعمل هذه التقنية للتحكم في تتبع نقطة االستطاعة القصوى."P&O" والمتابعة من أجل التحقق من صحة وفعالية التقنية المقترحة عن.من أجل الوصول إلى استخالص أعلى طاقة تشغيل من المولد الكهروضوئي بينت النتائج المتحصل عليها في. "MATALAB/SIMULINK" طريق محاكاة سلسلة تحويل كهروضوئية ضمن بيئة المحاكاة . وأيضا في ظروف مناخية متغيرة فعالية التقنية المقترحة،شروط االختبار القياسية Résumé L’objetif visé dans ce mémoire est l’optimisation du transfert d’énergie électrique d’un système photovoltaïque par la méthode de perturber et observer "P&O". Cette technique est utilisée pour commander la poursuite du point de puissance maximale "MPPT" du générateur photovoltaïque à travers un convertisseur DC/DC dans le but d’extraire le maximum d’énergie convertie par les capteurs photovoltaïques. Pour vérifier la validité et l’efficacité de la technique proposée, une chaine de conversion photovoltaïque a été simulé sous l’environnement MATLAB/SIMULINK. Les résultats obtenus dans les conditions standard de test, ainsi que dans des conditions météorologiques variables, ont montré l’efficacité de cette technique proposée. Abstract The aim of this work is the optimization of the transfer of electrical energy from a photovoltaic system by the method of perturb and observ "P&O". This technique is used to control the maximum power point tracking "MPPT" of the photovoltaic generator through a DC / DC converter in order to extract the maximum energy converted by the photovoltaic collectors. To verify the validity and efficiency of the proposed technique, a photovoltaic conversion chain was simulated under the MATLAB/SIMULINK environment. The results obtained under standard test conditions, as well as under varying weather conditions, demonstrated the effectiveness of this proposed technique.
