Rapport technique
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Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Photovoltaic toolbox Simulation d’un générateur photovoltaïque L’objectif est de réaliser une librairie sous matlab Simpower permettant la création d’un modèle d’un générateur photovoltaïque à partir d’un circuit équivalent d’une cellule de base réalisé grâce à cette même librairie. Ce modèle servira à étudier les caractéristiques (I-V et P-V) de ce générateur ainsi que leurs comportements en fonction des paramètres solaires a savoir l’éclairement dans le plan des panneaux (ES) et la température de jonction (Tj). Dans la littérature on trouve de nombreux modèles mathématiques pour représenter le comportement fortement non linéaire d’une cellule photovoltaïque. Cette non-linéarité est due principalement aux jonctions semi-conductrices qui sont à la base de la réalisation des cellules. Ces différents modèles diffèrent par le nombre de paramètres intervenants dans le calcul de la tension et du courant de sortie d’une cellule. Ainsi, on trouvera des modèles à une diode ou à deux diodes suivant le nombre de jonction considérés. 1) Caractéristique électrique d’une cellule photovoltaïque Le modèle d’une cellule à une diode est caractérisé par son schéma électrique équivalent (Fig1.1). La source de courant modélise la conversion du rayonnement solaire en énergie électrique, la résistance shunt Rsh représente l’état de la surface à la périphérie de la cellule, la résistance série (Rs) correspond aux diverses résistances de contact et de connexion réalisés sur une cellule et la diode en parallèle modélise la jonction PN. Ces deux résistances représentent les différentes pertes au niveau d’une cellule. Fig. 1.1 Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque La réalisation, sous Simulink/SimPowerSystems, de ce schéma électrique peut être effectuée par plusieurs méthodes. En effet la librairie (Fig 1.2 ) contient 4 cellules réalisées selon 3 méthodes 1 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Fig. 1.2 Librairie contenant 4 cellules photovoltaïques Le principe de réalisation étant le même, la seule différence sera au niveau de la méthode de représentation de la diode ou bien le nombre de diodes utilisées. La librairie contient des modèles de diode réelle permettant la résolution du problème de discontinuités dû à l’approximation linéaire du modèle de la diode présent sous Simpower. Bref, le principe de réalisation des deux premières cellules peut être résumé en 4 étapes : Etape 1 : l’assemblage des composants de la Figure 1.3, permet de construire le modèle d’une cellule à une diode. La source de courant et la diode, représentées dans la Figure 1.1, seront remplacées par une source de courant équivalente. Ce choix est imposé en raison de l’absence, dans la librairie SimPowerSystems, d’un modèle d’une diode représentant sa caractéristique réelle. Pour communiquer avec les autres parties du modèle utiliser les blocks « Goto » et « From » disponibles dans la Toolbox Simulink/Signal Routing. Par un double click sur ces blocks, choisir « local » dans le menu déroulant de « Tag Visibility » pour éviter des conflits entre les variables de même appellation lorsqu’on souhaite faire du copie/coller de plusieurs cellules. Les paramètres, de cette partie du modèle, sont donnés par le Tableau 1.1. 2 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Fig. 1.3 Différents composants du schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque Composant Résistance série Résistance shunt Symbole Rs Rsh Ohms 0.01 5 Tableau 1.1 Valeurs des résistances utilisées dans le modèle d’une cellule à une diode Etape 2 : réaliser le schéma représenté par la Figure 1.4 afin de générer l’image du courant (Is) qui traverse la source de courant représentée sur la Figure 1.3 Ce courant est la différence des courants (I_Es et Id) représentés sur la Figure 1.1. Le courant de la diode est donné par la fonction simplifiée suivante: Vd Id 1e 9 .exp 1 3 26e 3 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques (1.1) 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Fig. 1.4 Différents composants du schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque Le courant (I_Es) est directement dépendant des rayonnements solaires (Es) et de la température de la cellule (Tj). Ce courant est donné par la relation suivante : I _ Es e3.Es. 1 e4 .Es Eref 5e4 .Tj Tjref (1.2) Esref et Tjref correspondent aux conditions standards de test de panneaux photovoltaïques et auront donc, respectivement, les valeurs suivantes : 1000 W/m2 et 25°. La température de la cellule peut être calculée à partir de la température ambiante et celle du rayonnement solaire par la relation suivante : 4 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Noct 20 Tj T _ amb Es. 800 (1.3) Où Noct est une condition de température nominale de fonctionnement de la cellule qui est donnée par le constructeur. Il serait aussi préférable d’utiliser des blocks « Goto » et « From » pour communiquer avec les autres parties du modèle. Afin d’éviter les problèmes de simulation de type « Algebraic loop », ajouter, un retard d’un pas de calcul, à l’entrée du block « courant_diode » (Figure 1.3). Pour réaliser les fonctions (1.1) et (1.2), utiliser le block Simulink de type «Embedded MATLAB Function », voir Figures (1.5) et (1.6). Fig. 1.5 Utilisation du block ««Embedded MATLAB Function » pour l’estimation du courant dû au rayonnement 5 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Fig. 1.6 Utilisation du block ««Embedded MATLAB Function » pour l’estimation de la température de jonction Etape 3 : Regrouper dans des « Subsystem » les différentes parties du modèle ainsi que le modèle global de la cellule afin d’obtenir un seul block représentant la cellule avec ses entrées/sorties (Figure 1.7). Cette cellule servira à la deuxième partie de cet exercice où il sera question de connecter plusieurs cellules de même type. Fig. 1.7 Schéma block global d’une cellule photovoltaïque 6 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Etape 4 : Pour pourvoir identifier les caractéristiques (I-V et P-V) de la cellule comme on l’aurait pu le faire sur une cellule réelle (Figure 1.7), il est indispensable de disposer d’une charge variable aux bornes de la cellule. Ceci peut se faire par une source de tension variable (Figure 1.8). Les blocks « Goto » et « From » doivent être configurés en « global » dans le menu déroulant « Tag Visibility ». Utiliser une fonction « Ramp » pour faire varier la tension aux bornes de la cellule. Le schéma de connexion de la charge avec la cellule est représenté par la Figure (1.10). Fig. 1.8 Schéma de test d’identification de la caractéristique V-I d’une cellule photovoltaïque Fig. 1.9 Source de tension variable 7 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha ULB Rapport technique Fig. 1.10 Schéma de test d’identification des caractéristiques (I-V) et (V-P) 2) Résultats des simulations - Cellule 0.5V- 0.5A 8 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - Caractéristique V-I - Caractéristique V-P 9 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques ULB Rapport technique 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - ULB Rapport technique MPP MPP power: 0.1684 MPP voltage: 0.4320 MPP current: 0.3898 - 3x2 Cellules 0.5V- 0.5A Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 10 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - ULB Rapport technique Caractéristique V-I Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 11 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - Caractéristique V-P - MPP ULB Rapport technique MPP power: 1.0104 MPP voltage: 1.2960 MPP current: 0.7796 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 12 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - ULB Rapport technique Cellule avec diode de Simpower Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 13 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - ULB Rapport technique Caractéristique V-I Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 14 30/Mars/2009 Stagiaire: Yahya Mawlawi Superviseur: Prof. Johan Gyselinck Maitre de stage : Dr. Farid Fodil Pacha - Caractéristique V-P - MPP ULB Rapport technique MPP power: 1.5335 MPP voltage: 2.2675 MPP current: 0.6763 Stage installation et émulation des panneaux photovoltaïques 15 30/Mars/2009
