Rapport final

Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
GÉNIE ÉLECTRIQUE
PROJET DE SYNTHÈSE EN INGÉNIERIE (6GIN555)
Rapport final
ALIMENTATION D’UNE MAISON PAR ÉNERGIE
SOLAIRE
Préparé par
BA, El Hadji Adama
Pour
Université du Québec à Chicoutimi
20 Décembre 2010
CONSEILLER :
COORDONNATEUR :
Issouf Fofana, Ph.D, ing
Jacques Paradis, ing
1
Approbation du rapport d’étape pour diffusion
Nom du conseiller
Date
Signature
2
Remerciements
Au terme de ce projet de conception, je tiens à remercier toutes les personnes dont
l'intervention a favorisé son aboutissement :
- Mr. Issouf FOFANA, Professeur en génie électrique à l’UQAC et titulaire de la chaire
de recherche ISOLIME
-Mr Hossein HEMMATJOU, ingénieur électrique et chercheur à l’ISOLIME.
Mes remerciements s’adressent aussi à tout le personnel de l’ISOLIME pour leur
présence et leur soutien.
3
Résumé
De nos jours, l’électricité a pris une place primordiale dans la vie courante.
En effet, un grand nombre des appareils que nous utilisons, soit pour la distraction, le
travail ou encore dans nos tâches domestiques fonctionnent grâce à l’énergie électrique.
Cependant on estime qu’actuellement, plus de deux milliards de personnes, soit près de
30% de la population mondiale, ne sont pas reliées à un réseau électrique et ne le seront
pas dans un avenir proche. Surtout pour des questions de rentabilité liées à l’éloignement,
à la faible densité de population, à la pauvreté et à la faible demande énergétique.
Les principales modes de production d’électricité ont d’autant plus un impact négatif sur
la couche d’ozone et les matières premières utilisées tendent à s’épuiser.
C’est ainsi que l’énergie solaire, à l’origine développée pour l’alimentation des satellites,
s’est imposée comme source alternative d’énergie.
L’objectif de ce projet est, à travers la conception d’une maquette alimentant une faible
charge, d’étudier en détails les lois régissant l’installation d’un système autonome
alimenté par énergie solaire photovoltaïque.
Le principe est basé sur la production d’électricité en utilisant l’énergie solaire comme
matière première. L’idée est donc de concevoir un dispositif témoin comprenant une
charge de puissance relativement faible, permettant de simuler le fonctionnement d’un
système de plus grande puissance.
Ainsi, hormis les calculs d’ingénierie permettant le dimensionnement et l’acquisition des
différents composants (charge(s), cellule(s) solaire photovoltaïque, batterie et onduleur),
nous avons d’une part mis en place une boucle d’asservissement que l’on a programmé
avec un microcontrôleur PIC et d’autres part, nous avons conçu, sous l’environnement
labview, une interface qui permet à l’utilisateur d’acquérir en temps réels les données qui
proviennent des différents éléments du système.
La boucle d’asservissement a pour rôle principale de permettre d’apporter des solutions
viables dans différents cas de situation tels les périodes d’éclairement faibles ou fortes
versus une demande de puissance respectivement importante ou faible ; mais aussi dans
le cas de bris éventuel ou de simple mal fonctionnement de l’un des équipements.
Quant à l’interface avec l’utilisateur, elle permet au propriétaire de pouvoir vérifier en
tout temps, le bon fonctionnement de son système.
La conception de notre système, à travers les calculs ayant permis le dimensionnement
des différents composants ainsi que la conception du régulateur servant à contrôler le bon
fonctionnement de notre système, nous a permis d’avoir une profonde compréhension des
lois inhérentes à la conception d’un système photovoltaïque autonome.
4
TABLE DES MATIERES
I
Introduction……………………………………………………………………………………………..7
II
Présentation du projet…………………………………………………………………………………8
II.1 Description du laboratoire ISOLIME ……………………………………………………………8
II.2 Description de l’équipe de travail………………………………………………………………..8
II.3 Problématique et état de l’art reliés au projet …………………………………………………8
II.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet……………………………………………………9
III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ………….…………….…10
III.1 Dimensionnement des équipements………..……………………………………………....10
III.2 Régulateur……………... ..………………………………………………………………………14
III.3 système d’acquisition et interface système/utilisateur………………………………………18
IV Bilan des activités……………………………………………………………………………………...21
IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire………………………………………………........21
IV.2 Travail d’équipe…………………………………………………………………………………22
IV.3 Respect de l’échéancier…………………………………………………………………..……22
IV.4 Analyse et discussion………………………………………………………………………….23
V Conclusion et recommandations……………………………………………………………………...25
Bibliographie……………………………………………………………………………………………….26
Annexe 1…………………………………………………………………………………………………..27
Annexe 2…………………………………………………………………………………………………..28
Annexe 3…………………………………………………………………………………………………..30
5
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Données d’ensoleillement de la ville de Montréal (2009) ...................................................... 11
Tableau 2: profondeur de décharge VS tension batterie ............................................................................ 15
Tableau 3: Profondeur de décharge VS tension batterie 12V ................................................................... 20
Tableau 4: Résultats prototype onduleur 1 .................................................................................................. 29
LISTE DES FIGURES
Figure 1: Comparaison des modes de production d’électricité mondiale .................................................. 9
Figure 2: Schéma de principe du système solaire .......................................................................................... 9
Figure 3: Algorithme du régulateur ............................................................................................................... 16
Figure 4: Schéma de câblage circuit régulateur ........................................................................................... 17
Figure 5: Diagramme bloc système d’acquisition ....................................................................................... 18
Figure 6: Interface système/utilisateur .......................................................................................................... 19
Figure 7: Profondeur de décharge VS tension batterie 12V....................................................................... 20
Figure 8: Diagramme de GANTT évolution du projet .............................................................................. 22
Figure 9: Résultats simulations pour charge à OFF .................................................................................... 24
Figure 10: Résultats simulations pour charge à ON .................................................................................... 24
Figure 11: 1 modèle d’onduleur testé ......................................................................................................... 28
er
Figure 12: 2e modèle d’onduleur testé .......................................................................................................... 30
6
I
Introduction
Le soleil « rayonne » à la terre chaque année 40000 fois les besoins énergétiques que
l’humanité consomme sous forme d’énergies fossiles.
Malgré cela, l’énergie solaire reste un domaine assez peu exploité.
Néanmoins la prise de conscience collective en fait une énergie douce d’avenir (même si
elle est connue et utilisée depuis des millénaires)
Il existe 2 principales utilisations de l’énergie solaire
-
La production de chaleur : le « solaire thermique
-
La production d’électricité : le « solaire photovoltaïque »
De nombreuses recherches sont en cours dans ces 2 domaines, essentiellement pour le
photovoltaïque.
Il est donc intéressant d’étudier le fonctionnement d’un système photovoltaïque
autonome
Ainsi dans ce document, nous nous attèlerons à concevoir un système alimentant, grâce
aux rayonnements solaire, une charge de faible puissance. Ceci nous permettra de cerner
en détails tous les aspects liés de prés ou de loin à un système solaire photovoltaïque
autonome.
Dans une première étape, nous évaluerons la puissance de charge à raccorder, pour
ensuite dimensionner tous les équipements de notre système (cellule(s) solaire,
batterie(s), onduleur).
Une fois la puissance de charge et les caractéristiques des équipements trouvées, nous
attaquerons à la conception détaillée du cœur des systèmes photovoltaïques autonomes, à
savoir le régulateur.
Et pour terminer nous mettrons sur pied une interface entre le système et l’utilisateur.
Interface qui affichera les données du système en temps réel. Ce qui permettra au
propriétaire de pouvoir vérifier en tout temps, le bon fonctionnement de son système.
7
II Présentation du projet
II.1 Description du laboratoire ISOLIME
La chaire de recherche du Canada (CRC), de niveau 2, sur les isolants liquides et mixtes
en Électrotechnologie (ISOLIME) est active depuis septembre 2005. Cette CRC implique
l’évaluation de la performance des isolants liquides et diélectriques mixtes en utilisant
des techniques de laboratoire sur une base scientifique solide. Les programmes de
recherche bénéficient de l’accès à diverses ressources disponibles sur le campus ainsi que
d’autres équipements fournis par les collaborateurs / partenaires. En combinant une
variété de techniques (technologie optique de pointe, électrique, mécanique aussi bien
que les outils de diagnostic physiques et chimiques), l’équipe d’ISOLIME espère
améliorer la fiabilité des systèmes existants ainsi que procédures d'entretien préventives.
II.2 Description de l’équipe de travail
Dans l’élaboration de ce projet, l’appui de deux personnes a été d’une grande utilité.
À savoir le conseiller et titulaire de la chaire de recherche du canada sur les isolants
liquides et mixtes en électrotechnologie, Mr Issouf Fofana ainsi que son assistant, Mr
Hossein Hemmatjou.
II.3 Problématique et état de l’art reliés au projet
L’électricité, qui de nos jours est utilisé dans toutes les sphères de la vie courante, a pris
une place primordiale dans la vie courante.
En effet, un grand nombre des appareils que nous utilisons, soit pour la distraction, le
travail ou encore dans nos tâches domestiques fonctionnent grâce à l’énergie électrique.
Cependant on estime qu’actuellement, plus de deux milliards de personnes, soit près de
30% de la population mondiale, ne sont pas reliées à un réseau électrique et ne le seront
pas dans un avenir proche. Surtout pour des questions de rentabilité liées à l’éloignement,
à la faible densité de population, à la pauvreté et à la faible demande énergétique.
Les principales modes de production d’électricité ont d’autant plus un impact négatif sur
la couche d’ozone et les matières premières utilisées tendent à s’épuiser.
8
Figure1 : comparaison des modes de production d’électricité mondiale
C’est ainsi que l’énergie solaire, à l’origine développée pour l’alimentation des satellites,
s’est imposée comme source alternative d’énergie.
II.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet
L’objectif de ce projet est, à travers la conception d’une maquette alimentant une faible
charge, d’étudier en détails les lois régissant l’installation d’un système autonome
alimenté par énergie solaire photovoltaïque.
.
Figure2 : Schéma de principe du système solaire
9
III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet
Dans cette section il s’agira d’exposer les différentes étapes ayant mené à la réalisation
du projet.
Nous traiterons ainsi en premier, du dimensionnement des équipements, pour ensuite
tomber sur la conception du régulateur.
Pour finir, nous étudierons en détail le circuit ainsi que le programme labview ayant
permis de faire l’acquisition des données ainsi que l’interface système/utilisateur.
III.1 dimensionnement des équipements
Dans la conception d’un système photovoltaïque autonome, il y à lieu de respecter les
étapes suivantes dans le but de bien dimensionner les équipements à utiliser.
 Détermination des besoins de l’utilisateur : tension, puissance des appareils et
durées d’utilisation.
 Chiffrage de l’énergie solaire récupérable selon l’emplacement et la situation
géographique
 Définition des modules photovoltaïques : tension de fonctionnement, technologie,
puissance totale à installer
 Définition de la capacité de la batterie et choix de la technologie
 Définition du type d’onduleur à utiliser
1-
On évalue la consommation électrique de l’application sur 24h qui est égale à la
puissance consommée multiplié par la durée de fonctionnement sur 24 heures. Par
exemple, pour notre appareil consommant 10W (sous 12VDC), la consommation totale
de l’application par jour sera de 10W*6h=60Wh.
2-
Le rayonnement lumineux solaire n’étant pas uniforme sur la surface du globe, il
est primordial de chiffrer les données d’ensoleillement relatives à la région où nous
voulons installer notre système photovoltaïque.
10
Le tableau suivant donne un aperçu de l’ensoleillement reçu par la ville de Montréal
durant l’année 2009.
Tableau 1 : Données d’ensoleillement de la ville de Montréal (2009)
Jan
Fév
Mar Avr
Mai Juin Juil
Aoû Sept Oct
Nov Déc
1471
2438
3472
5295
4784
3727
2229
1277
1091
G 60oSud 3130 4163 4365 4193 4198 4122 4414 4186 4168
3183
2210
2266
Gh
4401
5620
5817
Gh = Global horizontal (en Wh/m2.j)
G 60oSud = Global à l’orientation Sud et l’inclinaison 60o (en Wh/m2.j)
On estime la production de panneaux solaires à mettre en œuvre. Pour ce faire, on divise
la consommation par l’ensoleillement journalier le plus défavorable sur la période
d’utilisation du lieu d’implantation, et dans la position du panneau (orientation et
inclinaison retenues).
Pour notre étude, en Novembre, à l’orientation Sud et à l’inclinaison optimale de 60o par
rapport à l’horizontale, la valeur globale d’ensoleillement journalier moyen est de 2,266
kWh/jour (voir annexe 2)
D’où la puissance des panneaux solaires à mettre en œuvre :
Puis, on augmentera ce résultat d’un coefficient de pertes de 0,7 pour une première
estimation.
Ce qui donne une puissance réelle compte tenu des pertes :
Ainsi pour notre application nous aurons d’un panneau de 40Wc
Ce calcul peut paraitre étrange. Pourquoi diviser la consommation par l’ensoleillement?
En fait puisque l’ensoleillement n’est pas constant lors d’une journée, on ne calcule pas
ce que produit le panneau à chaque instant, mais globalement sur la journée. Pour cela on
considère schématiquement que le rayonnement instantané pendant la journée était
constant, égal à 1000W/m2, et ceci pendant un certain nombre d’heures qu’on appelle
nombre d’heures équivalentes. Dans notre exemple, 2210 kWh/m2.jour est assimilé à
2,21 heures d’un ensoleillement de 1000W/m2.
11
On peut calculer le courant STC (Standard Test Conditions) demandé au panneau à l’aide
de la formule suivante, avec un coefficient de pertes en courant Cp de 0,8 en première
approximation :
Qcons= consommation électrique journalière
Esol=rayonnement solaire journalier
3-
Le stockage se calcule à partir du nombre de jours d’autonomie nécessaire (nous
prendrons ici 3jours pour pallier les successions de jours mal ensoleillés). On résonne
alors en Ah,
Le besoin de capacité est donc théoriquement de :
Mais comme la batterie verra sa capacité réduite par le froid et d’autres contraintes
techniques, il faut diviser ce résultat par un coefficient de pertes qu’on prendra gal à 0,7
dans notre cas.
La capacité réelle nécessaire est donc de :
Rappelons que seules quelques applications utilisant l’énergie au fil du soleil comme par
exemple du pompage ou de la ventilation peuvent se passer d’accumuler l’énergie; aussi
la maitrise des batteries est-elle un élément essentiel au succès des systèmes autonomes.
Dans ces systèmes, le stockage d’énergie représente environ 20 à 30% des
investissements initiaux mais sur une durée d’exploitation de 20ans, ce cout peut
atteindre 70% des frais totaux; il est donc primordial d’essayer de réduire ce prix en
augmentant la durée de vie de ce composant. En effet, elle est toujours inférieure a celles
des panneaux, il faut donc remplacer les batteries plusieurs fois au cours de la durée de
service du système (tous les 2,5 ou 10ans selon le cas).
Le type de batterie que nous utiliserons dans ce projet sera de la technologie que celles
utilisées dans les systèmes solaires autonomes sont en général de type plomb-acide (Pb)
12
Cycles et durée de vie des batteries :
Le nombre de cycle maximal et la durée de vie sont fortement dépendants de la
technologie de fabrication et des conditions d’utilisation. Par exemple, en utilisant en pas
très chaud (température ambiante >35 oc), si on fait l’hypothèse que les phénomènes de
corrosion seront les premiers à limiter la durée de la batterie et que le nombre maximal de
cycles ne sera pas atteint, on aura tendance à limiter la capacité et ainsi l’investissement
matériel au départ et on choisira des cycles journaliers de charge/décharge de l’ordre de
80%. Par contre en pays tempérés, en utilisant un régulateur de qualité, les phénomènes
de corrosion peuvent être limités et le choix du dimensionnement de la batterie et de la
profondeur de décharge dépendra de nombreux critères comme :
-l’autonomie désirée en tenant compte des variations d’ensoleillement;
-les coûts de remplacements des batteries en fonction du transport, de la facilité d’accès
au site, des coûts de la main-d’œuvre;
-des capacités d’investissements au départ et les frais financiers d’amortissement;
L’aspect environnemental, comme recycler localement les batteries…
Une batterie au plomb, quelle que soit sa technologie, voit sa durée de vie diminuer d’un
facteur 2 tous les 10oC, du fait de la corrosion.
4-
Le dimensionnement de l’onduleur à utiliser
devra se baser sur 3 critères
essentiels
 La puissance de la charge
 La tension d’entrée
 La tension désirée en sortie
Ainsi pour notre application, nous utilisons un onduleur 12Vdc vers 120Vac avec une
puissance admissible maximale de 17W
NB : rappelons toutefois que durant ce projet, nous avons exprériementé deux types
d’onduleur. Cependant, malgré qu’on ait réussir à concevoir nous même un onduleur, il
ne fut pas retenu pour les buts de ce projet car ayant un rendement très faible. Nous
exposerons ainsi en annexe les détails de la conception de cet onduleur
13
III.2 Régulateur
Dans un système photovoltaïque autonome, le régulateur représente en général moins de
5% du cout total du système, ce qui tout d’abord laisse à penser que ce composant n’est
pas important. Au contraire sa fonction est primordiale et ses qualités vont profondément
influencer le cout final de l’énergie produite. La batterie reste l’élément le plus délicat du
système et la qualité de son contrôle et son entretien influencent grandement sa durée de
vie et donc le prix du kWh final. Jusqu’à aujourd’hui, relativement peu de choses ont été
faites pour optimiser ce composant souvent produit dans les pays en développement pour
les petits systèmes familiaux (SHS Solar Home System). Une étude récente qui compare
27 régulateurs
1
du marché montre que les techniques utilisées pour le contrôle de la
batterie sont très diverses et que les paramètres typiques de contrôle très dispersé. Il n’y a
donc pas aujourd’hui unanimité d’idée chez les concepteurs sur le meilleur moyen de
réguler une batterie de système photovoltaïque.
Le régulateur est l’élément central d’un système photovoltaïque autonome : il contrôle les
flux d’énergie. Il doit protéger la batterie contre les surcharges (solaires) et décharges
profondes (utilisateur). Dans les systèmes les plus élaboré, il peut aussi commander la
recharge par d’autres sources d’énergie (génératrices d’appoint, éolienne, hydraulique).
Dans certains cas, il peut réaliser1 une adaptation d’impédance (recherche du point de
puissance maximum, Max Power Point Tracker, MPPT).
Accessoirement, il affichera des indications concernant l’état de charge des batteries et
les paramètres de fonctionnement du système.
Le contrôle de charge est la fonction la plus critique déterminant la durée de vie de la
batterie. La difficulté de ce travail provient de la nature de l’énergie à disposition qui
n’est pas toujours disponible. Pour garantir une durée de vie élevée d’une batterie, il
faudrait après chaque décharge pouvoir la recharger à 100%. Or, avec la nature aléatoire
de l’ensoleillement, il n’est pas toujours possible d’effectuer une recharge complète et la
batterie va souvent rester plusieurs jours dans un état de charge « moyen », ce qui à long
terme peut réduire la durée de vie de ce composant.
1
. (IEA PVPS Task 3, Management of batteries used in Stand Alone PV Power Supply Systems)
14
On peut imaginer plusieurs techniques utilisant soit la mesure de la tension, soit la
mesure du courant entrant et sortant pour réguler une batterie. En fait, la mesure de la
tension est beaucoup plus simple et la grande majorité des régulateurs utilise ce
paramètre.
Le tableau 2 nous informe de façon assez précise sur la profondeur de décharge versus la
tension aux bornes de notre batterie.
Tableau 2 : profondeur de décharge VS tension batterie
Ainsi lors de l’élaboration de notre régulateur, il nous faudra prendre en compte quelques
notions primordiales que sont.
 La tension disponible à la sortie de notre panneau solaire
 La profondeur de décharge de la batterie
L’algorithme de la figure 4 donne un aperçu global des différents points qui seront à
surveiller ainsi que les solutions qu’il faudra adopter dans la conception du régulateur.
15
début
Tension délivré par
cellule solaire
Suffisante pour alimenter
batterie
No
Charge à ON
Yes
Yes
Charge à ON
Yes
Batterie déchargé
à plus que 80%
Yes
Charge batterie
Charge batterie
No
No
No
Alimentation charge par
réseau
Batterie déchargé
à plus que 80%
no
Yes
Batterie pleine
Alimentation charge par
réseau et charge batterie
et ALARME charge haute
No
yes
Figure 3: algorithme du régulateur
16
Par la suite, cet algorithme devra bien évidemment être implémenté dans un
microcontrôleur PIC de type 18F4221.
Les microcontrôleurs PIC18F n’acceptant que des tensions d’entré d’un maximum de 5V,
nous devrons diviser par nos tensions de panneau et de batterie par un ratio de 3 avant de
les faire traiter par le PIC. Ensuite nous utiliserons des relais électromécaniques afin de
permettre aux différentes modes de connexion de se produire.
Rappelons que pour éviter que la cellule solaire ne soit chargée par la batterie, nous avons
du mettre placé une diode afin d’imposer le sens du courant, de la cellule solaire vers la
batterie et non l’inverse.
La figure 2 donne un aperçu du schéma de câblage du système de régulateur
Figure 4 : schéma de câblage circuit régulateur
17
III.3 système d’acquisitions et interface système/utilisateur
Fig. 5 : Diagramme bloc système d’acquisition
18
Fig. 6 : interface système/utilisateur
Comme son nom l’indique, le système d’acquisition permet de récupérer les données
(niveaux de tension au niveau de panneau et de la batterie ainsi que le mode de
raccordement) qui pourront être stocké dans un fichier Excel au cas où l’on voudrait les
consulter ultérieurement. Ces données seront ensuite traitées par le régulateur et les
résultats pourront être affichés en temps réel sur l’interface système utilisateur. La prise
de données se fera à un débit d’une donnée pas seconde. Ce qui est très bon vu que les
tests seront échelonnés sur plusieurs heures.
Toutefois, pour que l’utilisateur puisse avoir à la donnée relative à l’autonomie de la
batterie, nous avons du faire appel au tableau de la tension VS la profondeur de décharge
pour les batteries de type plomb-acide de 12V identique à celle que nous avons utilsé.
Ce tableau nous a permis de tracer la courbe de la figue 5 et ainsi de faire ressortie une
équation avec 99,74% de précision. Équation qui sera programmé dans le système
19
d’acquisition
afin
que
le
résultat
puisse
être
disponible
dans
l’interface
système/utilisateur.
Tableau 3 : Profondeur de décharge VS tension batterie 12V
Fig. 7 : profondeur de décharge VS tension batterie 12V
20
IV
Bilan des activités
IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire
Lors de la réalisation de ce projet, nous avons pu mettre en pratique une très grande partie
de nos connaissances acquises tout au long de notre cheminement académique.
En effet l’élaboration de ce projet a fait appel à des connaissances tant informatiques,
électroniques, qu’énergétiques.
L’usage des notions électroniques s’est grandement manifesté lorsqu’il a fallu concevoir
le régulateur, et dimensionner les équipements; mais aussi dans la partie qui faisait suite
au PIC, lors de l’élaboration de schéma de câblage du régulateur.
Les notions énergétiques quant à elles se sont manifestées essentiellement quand il
s’agissait de dimensionner nos équipements.
Quant aux notions informatiques, nous y avons fait appel quand il a s’agit de programmer
notre PIC18F4221 en langage C.
Cependant, les notions acquises à travers les ‘cours’ n’ont pas suffi à elles seules à
réaliser ce projet.
En effet lors de l’élaboration du système d’acquisition ainsi que de l’interface
système/utilisateur, nous avons dû apprendre à maitriser logiciel LABVIEW.
On a aussi du faire de la recherche à travers le web ainsi qu’à travers la littérature
disponible afin d’en savoir davantage sur les notions liées aux systèmes photovoltaïques.
Cette partie de recherche personnelle nous a démontré encore une fois toute la nécessité
que pouvait avoir une culture personnelle.
21
IV.2 Travail d’équipe
Tout au long de ce projet, nous avons eu à côtoyer à quelques reprises, des personnes plus
expérimentées dans certains domaines.
En effet dans la recherche d’informations, sur le logiciel LABVIEW et sur la
programmation du PIC, nous avons notamment eu recours aux connaissances des
membres du laboratoire ISOLIME.
Ce fut pour moi une expérience des plus enrichissantes dans le sens ou elle m’a permis de
développer un esprit de travail en équipe et de solidarité entre collègues.
IV.3 Respect de l’échéancier
L’échéancier que nous avions indiqué en début de session a plus ou moins été respecté
malgré quelques opérations qui ont pris plus de temps que nous l’avions prévue.
Ce fut le cas notamment lors de l’élaboration de l’onduleur qui rappelons le n’a
finalement pas pu être utilisé pour des raisons de performances. Le diagramme de
GANTT suivant décrit de façon précise l’évolution des différentes étapes lors de la
réalisation du projet.
Fig. 8 : Diagramme de GANTT évolution projet
22
IV.4 Analyse et discussion
Il est à préciser que le dimensionnement des équipements à été fait pour une charge de 10
W fonctionnant 6h par jour. Et les caractéristiques des équipements trouvés étaient :
Panneau solaire : 40 W avec un courant STC de 2,82A
Batterie : 12V, 22Ah de type plomb-acide
Onduleur : 12Vdc vers 120Vac avec une puissance maximale de 30W
Cependant, pour des raisons liées à la faiblesse du budget alloué au projet, nous avons du
revoir nos caractéristiques à la baisse.
Ainsi nous avons acquis un panneau solaire de 30W à la place de 40W et une batterie
toujours de 12V, mais cette fois ci de 15Ah à la place de 22Ah.
Vu que ces derniers paramètres modifiés détériorent juste l’autonomie du système et que
pour les besoins de ce projet, la charge ne sera pas connectée pendant longtemps, ces
modifications n’auront pas beaucoup d’impacts négatifs.
Rappelons ici que notre objectif était de concevoir un dispositif alimentant une petite
charge afin de simuler le comportement d’un plus gros.
Après avoir réalisé entièrement notre régulateur, notre système d’acquisition ainsi que
l’interface système/utilisateur, nous avons pu avoir les résultats de simulations présentées
dans les figures suivantes.
Ces résultats démontrent bien de la qualité de notre système.
En effet le système réalisé à faible cout a pu respecter tous les scénarios que nous avions
prévus dans l’algorithme du régulateur présenté à la figure 4.
De plus l’interface utilisateur donne accès en temps réel à des informations très
importantes parmi lesquelles : le niveau de charge de la batterie, le monde de connexion
de la charge (réseau ou batterie), la tension délivrée par la cellule solaire…
23
Fig. 9 : résultat simulations pour la charge à OFF
Fig10 : résultats simulations pour charge à ON
24
V Conclusion et recommandations
Tout au long de ce projet, nous avons eu à mettre en pratique des notions très utiles à
savoir : l’application de plusieurs notions acquises durant notre cheminement
académique, le travail en équipe, la recherche personnelle ainsi que l’auto- apprentissage.
La mise en pratique de toutes ces notions nous a en effet permis d’atteindre notre objectif
initial qui était de concevoir un système photovoltaïque autonome alimentant une charge
de petite puissance.
Après tests, et conception complète, il en résulte que notre système, plus particulièrement
son régulateur offre une grande précision et est en mesure de gérer la totalité de scénarios
susceptibles de se produire.
Bien qu’il existe déjà sur le marché, des régulateurs destinés aux systèmes
photovoltaïques autonomes, le système que nous avons mis sur pied est simple à réaliser
et à pu être réalisé à très faible cout.
Dès lors, il serait intéressant de faire une étude comparative avec les systèmes existants
afin de pouvoir situer la performance réelle de notre économiseur d’énergie.
25
BIBLIOGRAPHIE
a) Sites web
http://www.aaroncake.net/circuits/inverter.asp
consulté le 23-09-2010
http://project.irone.org/dc-to-ac-inverter.html
consulté le 04-10-2010
http://forums.futura-sciences.com/electronique/127305-charge-batterie-viapanneau-solaire.html
consulté le 10-11-2010
http://photovolt34.free.fr/systeme_isole.php
consulté le 04-10-2010
b) Ouvrage et publications
Anne Labouret, Michel Villoz, Énergie solaire photovoltaïque, 4é édition, Dunod,
2009
c) Personnes ressources
Issouf FOFANA, Professeur en génie électrique à l’UQAC et titulaire
de la chaire de recherche ISOLIME
Hossein HEMMATJOU, ingénieur électrique et chercheur à l’ISOLIME
26
ANNEXE 1
Caractéristiques du panneau solaire
Solar power: 30W
Short-circuit current Isc: 1,85A
Optimum operation voltage Vmp(V) :17.5V
Optimum operation current Imp(A):1.71A
Size: 450*550*28mm
Max system voltage: 1000V, Test Condition: AM1.5 1000W/㎡ 25℃
Temperature coefficient of Isc
±0.05%℃
Temperature coefficient of Voc
-0.33%℃
Temperature coefficient of power
-0.5%℃
Temperature coefficient of Imp
+0.08%℃
Temperature coefficient of Vm
-0.33%℃
NOCT(nominal operating cell temperature) 45℃(±℃)
Insulation
﹥﹦100MOhm
Voltage standoff
AC2000V, DC 3000V
Wind bearing
60m/s(200kg/sq.m)
Impact resistance hail impact test
227g steel ball fall down from 1m height
Encapsulated with toughened glass Low iron tempered glass with thickness of 3.2mm,light
transmittance above91%
Conversion efficiency Cell conversion efficiency﹥14.05%
27
ANNEXE 2
Conception du système onduleur/transformateur
Nous avons eu à concevoir et à tester l’efficacité de deux types d’onduleur de tension
supposé fournir en sortie une tension de 120 VAC (cf. figure 2 et figure 3).
Modèle 1
Composant
Quantité
Description
C1, C2
2
Condensateur 68 µf, 25V
R1, R2
2
Résistance 10Ω, 5W
R3, R4
2
Résistance 180Ω, 1W
D1, D2
2
Diode HEP154 ou équivalent
Q1, Q2
1
Transistor NPN 2N3055
T1
1
Tranformateur center tapped
24V
Figure 11 : 1er modèle d’onduleur testé
Le fonctionnement de ce circuit est très simple et basé sur le principe des systèmes
bistables.
28
En effet, en configurant les transistors Q1 et Q2 tels que montré dans la figure ci haut, on
réussi à avoir une conduction en alternance. Et du fait que les deux bases de transistors
sont reliées au milieu de l’enroulement primaire du transformateur via deux résistances
de valeurs équivalentes, nous aurons aux bornes du primaire du transformateur, une
tension oscillant entre -12V et +12V. Ce qui donnera au secondaire de notre
transformateur 24V point milieu/120V une tension alternative de valeur efficace 120V.
Cependant lors des tests que nous avons effectués après avoir réalisé le circuit, un grand
nombre de problèmes sont apparus.
Le tableau 1 offre un résumé des points importants.
Tableau4: Résultats prototype onduleur 1
Puissance charge (W)
8
20
Fréquence d’opération(Hz)
240
483
Rendement (%)
25
42
En analysant ces résultats, nous pouvons remarquer deux choses essentielles. Plus notre
charge est grande, plus la valeur de notre rendement croit. Cependant la croissance du
rendement se fait au détriment de la fréquence d’opération qui elle aussi augmente en
s’éloignant considérablement de la valeur désiré de 60Hz.
Toutefois il est à souligner que même si le rendement croit avec la puissance de la
charge, il reste dans des plages de valeurs très faibles comparé aux onduleurs actuels
disponibles sur le marché qui présentent des rendements facilement supérieurs à 84%.
Les remarques précédentes peuvent s’expliquer par l’absence dans le montage d’un
oscillateur interne permettant au système de « décoller » adéquatement. En effet, lors des
tests effectuées, nous avons du utiliser un générateur avec un courant assez élevé. De
plus, lors de ces mêmes tests, le montage tirait un courant de prés de 2A, ce qui a
tendance à surchauffer les composants présents.
Ainsi plutôt que de chercher à résoudre chacun de ces innombrables problèmes, nous
avons opté pour la conception d’un autre type d’onduleur pouvant être adapté au
fonctionnant d’un microcontrôleur.
Ce qui nous amène ainsi au prochain modèle d’onduleur qui a été testé.
29
Modèle 2
Figure 12 : 2e modèle d’onduleur testé
R2 = 100K
R3 = 100 ohm
R4 = 50K potentiomètre
C1, C2 = 0.1µF
C3 = 0.01µF
C4 = 2700µF
Q1 = TIP41A, NTE196, ECG196
Q2 = TIP42A, NTE197, ECG197
L1 = 1µH
T1 = Transformer
Nous pouvons diviser ce schéma en trois parties pour les raisons d’analyse. La première
partie sera composé du bloc situé à gauche de la résistance R3; la deuxième partie
composée des deux transistors et la troisième partie composée du bloc situé a droite des
deux transistors.
Le premier bloc sert ici à générer la fréquence de 60Hz désiré en sortie de l’onduleur.
Ainsi nous avons utilisé un microcontrôleur PIC 18F4221 pour le réaliser. En annexe 1
on présente le programme ayant permis de le réaliser.
30
Ensuite nous injectons ce signal de 60Hz au bloc 2 via une résistance de 100Ω afin de
limiter le courant dans le microcontrôleur.
En utilisant un transistor NPN et un PNP disposés tel que montrés dans la figure, on
devrait avoir à l’entrée du condensateur une tension carrée d’amplitude +V, -V.
Ensuite, ce signal carré à la sortie du bloc 2 sera envoyé à un filtre composé du
condensateur C4 et de l’inductance de lissage L1 avant d’être injecté au transformateur
qui lui sera chargé non seulement d’élever la tension mais aussi de la rendre sinusoïdale.
Cependant lors des essais qui ont été fait, le circuit a été alimenté par une source standard
disponible au laboratoire qui ne fournissait pas un gros courant. Ceci a eu pour effet
d’écraser la valeur de la tension en sortie du transformateur une à valeur beaucoup moins
inférieure à celle attendue de 120V.
31
ANNEXE 3
PROGRAMME PIC18F4221
#include <p18F4221.h>
#include <delays.h>
#include <stdio.h>
#define RD0
PORTDbits.RD0
#define RD1
PORTDbits.RD1
#define chbatt PORTDbits.RD2
#define reseau PORTDbits.RD3
#define charge on
PORTDbits.RD4
unsigned float panneau;
unsigned float batterie;
unsigned int counterv;
unsigned int counterb;
// ----------------------------------------------------------------------------
void main (void);
void InterruptHandlerHigh (void);
void InterruptHandlerLow (void);
//---------------------------------------------------------------------------// Main routine
void
main ()
{
32
//
***************************************************************************************************************
*
//
START OF Initializations
//
***************************************************************************************************************
*
//---------------------------------- Ports initializations
------------------------------
TRISA = 0b11111111;
// Port A = Input
TRISD = 0b00010000;
// Port D = Output
chbatt=0;
reseau=0;
counterv=0;
counterb=0;
//----------------------------------- Oscillator
OSCCON = 0b01110010;
----------------------------------------
//8 MHz
//----------------------------------- Timer0 Adjusting ----------------------------------
INTCON = 0xE0;
//disable global and enable TMR0 interrupt
INTCON2 = 0x04;
//TMR0 high priority
RCONbits.IPEN = 1;
//enable priority levels
TMR0H=0XB1;
// Timer0 presetting
TMR0L=0XDF;
// Timer0 presetting
T0CON = 0x88;
//set up timer0 - prescaler 1:2
33
//----------------------------------- Timer1 Adjusting
---------------------------------
T1CON = 0x81;
//set up timer1 - prescaler 1:1, external input
IPR1bits.TMR1IP = 0;
//Low priority Timer1
PIE1bits.TMR1IE = 1;
//enable interrupt Timer1
TMR1H=0xBE;
// Timer1 presetting
TMR1L=0xFB;
// Timer1 presetting
// A/D Adjusting
ADCON1=0b00001100;
ADCON2bits.ACQT2 = 1;
// aquisition time = 20Tad
ADCON2bits.ACQT1 = 1;
ADCON2bits.ACQT1 = 1;
ADCON2bits.ADCS2 = 1;
// Tad= 64*Tosc
ADCON2bits.ADCS1 = 1;
ADCON2bits.ADCS0 = 0;
ADCON2bits.ADFM = 1;
// justification à droite
//
***************************************************************************************************************
*
//
END OF Initializations
//
***************************************************************************************************************
*
//
Start of Main Loop
//
***************************************************************************************************************
*
34
while (1)
//
Start of While Loop
// -------------------------------------------------------------------------------------------------------{
ADCON0=0x00;
// panneau (AN0)
ADCON0bits.ADON=1;
// activate convertor
ADCON0bits.GO=1;
// start
while(ADCON0bits.GO){};
// si GO passe à 0, fin de conversion
panneau = ADRESH*256+ADRESL;
// recuperation de la conversion
panneau=panneau*5/1024;
// en volt
ADCON0bits.ADON=0;
// convertisseur arrêté
//panneau=panneau*256/5;
ADCON0=0x04;
// batterie (AN1)
ADCON0bits.ADON=1;
// activate convertor
ADCON0bits.GO=1;
// start
while(ADCON0bits.GO){};
// si GO passe à 0, fin de conversion
batterie = ADRESH*256+ADRESL;
batterie=batterie*5/1024;
// recuperation de la conversion
// en volt
ADCON0bits.ADON=0;
// convertisseur arrêté
if (panneau>4.2)
{
if (chargeon==1)
{
if (batterie<3.91)
{
reseau=1;
//au début
chbatt=1;
}
if (batterie>3.95)
{
35
reseau=0;
//au début
chbatt=1;
}
}
if (chargeon==0)
{
//chbatt=0;
if (batterie<4.16)
{
chbatt=1;
reseau=0;
if (counterv>600)
{
counterv=0;
}
}
if (batterie>4.17)
{
chbatt=0;
reseau=0;
}
}
}
if (panneau<4)
{
if (chargeon==1)
{
if (batterie<3.71)
{
reseau=1;
//au début
chbatt=0;
}
if (batterie>3.75)
{
reseau=0;
//au début
chbatt=0;
36
}
}
if (chargeon==0)
{
reseau=0;
chbatt=0;
//au début
//au début
}
}
}
//
End of While Loop
// ---------------------------------------------------------------------------------------------------------
}
//
End of Main Loop
//
*************************************************************************************************************
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
}
}
37