"Caractérisation, modélisation, fonctionnement et impact d`un

*
Université Cheikh Anta Diop de Dakar
.".;.
Ecole doctorale: Physique, Chimie, Sciences de la Terre, de l'Univers et de
l'Ingénieur (ED-PCSTUI)- Energie Solaire
Faculté des Sciences et Techniques
Laboratoire des Semi-conducteurs
THÈSE
Présentée
pqûr obtenir le titre de
-_\,
DOCTEUR D'ETAT DE L'UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR
Spécialité: Energie renouvelable
Présentée et soutenue publiquement
.,Par
Abdel Kadet Ould Mahmoud
Maître de conférence à l'Université de Nouakchott
(PH.D in Technical Sciences, Ingénieur)
Thème:
"Caractérisation,
modélisati~n, fonctionnement et impact d'un
système
Soutenuè le
2008 devant le jury composé de :
M. Mamadou Ma~sour KANE, Professeur
Président
M. Bassirou BA, ·Maître de Conférences
Rapporteur
M. Grégoire SISSOKO, Professeur ~\"
Rapporteur
M. Aboubacar Chédikh BEYE, Professeur
Examinateur
M. Gustave SOW, Maître Assistant
Examinateur
M. Issakha YOUM, Professeur
Examinateur,
Encadrant
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•
1
.
1
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Remerciements
Ce travail a été effectué au sein du laboratoire des semi -conducteurs de la Faculté
des Sciences et Techniques (FST) de Dakar, du Centre d'Etudes et de Recherches
sur les Energies Renouvelables (CERER) et du Centre de Recherche Appliquée Aux
Energies Renouvelables (CRAER) de )a FST de Nouakchott.
Ce travail est le fruit d'un échange constant avec tous les représentants des trois
laboratoires et d'une aide qui est apportée par nos principaux bailleurs de fonds qui
l'"
sont: la Coopération Espagnole à travers la Coopération Canarienne et l'Institut
Technologique des Iles Canaries, l'Agence Universitaire Francophone (AUF) et la
Coopération Française.
J'exprime mes remerciements les plus sincères à l'ensemble du personnel de la
Faculté des Sciences Techniques de Dakar, de l'Ecole Supérieur Polytechnique de
Dakar et particulièrement aux Professeurs: Professeur Issakha Youm, Professeur
Grigore Sisseko pour m'avoir accueilli et encadré tout au long de ce travail.
Je remercie Mamadou Mansour KANE qui me fait l'honneur de présider ce jury.
Je tiens à remercier. Grégoire SISSOKO et Bassirou BA, Maître de Conférences
d'avoir accepté être les rapporteurs de mes travaux de thèse.
Je remercie aussi Aboubacar Chédikh BEYE, Professeur et Gustave SOW, Maître
Assistant, d'avoir répondu aimablement afin de juger ce travail en participant au jury
de ma thèse.
Ces remerciements vont inévitablement aussi à mes collègues de l'Institut
Technologique des Iles Canaries, ceux de la Faculté des Sciences et Techniques de
Nouakchott et du CRAER.
Je dédie aussi ce modeste travail à mon Père Mahmoud Demba et à l'ensemble de
ma famille sans oublier ma femme, mes enfants, mes frères et sœurs, je vous aime
bien et Je suis fière de votre soutien et lV1erci.
Je le dédie particulièrement ce travail à ceux qui ne sont plus là de mes proches
parents, de mes lointains parents, de ceux que j'ai connus à l'étranger et dans mon
pays.
Je le dédie à ma mère Selemha Mint Messaoud, à mes sœurs Elbechra, Megboula
et à mes frères Mouftah Elkheir, l\!1ohamed Taquiyoullah qu'Allah les garde dans son
paradis ..
2
Résumé: Cette thèse constitue une contribution à l'étude des systèmes de
conversion d'énergie électrique hybrides associés à un système de stockage pour un
site isolé. La démarche retenue exploite le comportement d'une unité pilote
constituée de plusieurs sources de production d'électricité et permet de donner sa
caractérisation. Nous donnons un état de l'art analytique des composants du
système hybride qui nous a permis de mettre en exergue les propriétés des
systèmes de conversion d'énergie renouvelable à travers leur modélisation, leur
fonctionnement et leur impact.
L'étude de la
production décentralisée du système hybride pilote pour alimenter
différentes charges met en avant des phénomènes physiques de conversion
d'énergie au niveau macroscopique de type réactionnels et dissipatifs, touchant un
large spectre de domaines: chimique, électrique et thermique. Dans ce cadre, des
modèles mathématiques ont été proposés et exploités pour étudier les différentes
composantes du système pilote. Des essais de caractérisation sur les éléments des
chaînes de conversion éolienne et solaire sont donnés par Matlab et à travers le
fonctionnement du dispositif pilote. De même,
la confrontation des résultats
théoriques et expérimentaux a permis spécialement d'obtenir la validation des
travaux. Ainsi, des résultas importants sont obtenus en liaison avec la gestion,
l'exploitation
et
la
maintenance
du
système,
suivant
ces
paramètres
de
fonctionnement en tension, en courant, en puissance et en rendement.
La démarche verse, ensuite, dans l'étude des architectures envisageables des
différentes configurations technique et économique pour une gestion optimisée au
centre de laquelle se trouve le système de stockage. Enfin, l'étude est appliquée à
un site réel du littoral mauritanien (village d'Aghadir habité par des pécheurs
imraguens), illustrant, ainsi, la pertinence de la démarche.
Mots Clés: Modélisations, Systèmes hybrides, Aérogénérateurs, Photovoltaïque,
Groupe électrogène, Stockage électrochimique, optimisation, Logiciels Matlab et
Homer.
-
-
1
1
-
-
-
-
1
3
Chapitre 1
Revue bibliographique
4
Chapitre 1 : Revue bibliographique
1-1 Introduction
6
1-2 Objectif et attente du projet
9
1-3 Définition et mission des SEH
13
1-4 Etat de l'art
14
1-5 Classification des SEH
15
1-6 Fonctionnement des SEH
24
a) Eolienne
25
b) Energie solaire
28
c) Diesel
30
d) Système de stockage
30
e) Système d'exploitation
42
1-7 Revue des méthodes de modélisation des SEH
43
1-7-1 Bloc photovoltaïque
44
1-7-2 Bloc aérogénérateur
49
1-7-3 Conclusion spécifique
53
1.7.4 Conclusion
54
1.7.5 Résultats importants retenus
54
1-8 Système expérimental du CRAER
55
1-8-1 Présentation du site pilote du CRAER
57
1-8-2 Transformation énergie solaire au CRAER
58
1-8-3 Transformation énergie du vent
58
1-8-4 Le stockage de l'énergie
57
1-9 Problématique et conclusion
61
1-10 Conclusion
63
Référence bibliographique
64
5
1-1 Introduction
Les énergies renouvelables apparaissant de nos jours comme une des solutions aux
problèmes d'énergie des pays en voie de développement, leur compétitivité n'est pas
à démontrer dans les zones à accès difficiles au réseau électrique, tant sur le plan de
l'amélioration des conditions de vie que sur le développement des activités
industrielles. Ceci a été décrit par plusieurs auteurs et démontré par la pratique sur le
terrain [1, 2, 3, 4, 5, 6.... J.
Elles sont devenues une forme d'énergie indispensable par leur souplesse, la
simplicité d'utilisation et la multiplicité des domaines d'activités où elles sont appelées
à jouer un rôle. Ces modes de production ainsi que les moyens de distribution
associés sont amenés à subir de profonds changements au cours des prochaines
décennies.
En effet, jusqu'à présent la production d'électricité provenait essentiellement de la
filière nucléaire et de la transformation des ressources naturelles fossiles. Ces deux
modes de production posent des problèmes dont l'importance est croissante au fil
des années. Il s'agit du stockage des déchets nucléaires non re-traitables et de la
disparition, prévue au 21 ème siècle, des principales sources d'énergie fossile. Les
contraintes environnementales concernant les rejets dans l'atmosphère de gaz à
effet de serre (principalement le C02 et le CH4) renforcent également l'idée d'une
production d'énergie électrique propre, économe et durable.
De plus, la dépendance énergétique de l'Afrique étant croissante, elle pourrait passer
à la limite qui freinera la croissance économique dans les vingt prochaines années si
rien n'est entrepris pour essayer de corriger cette tendance [12J. Les marges de
manœuvre étant extrêmement réduites au niveau de l'offre énergétique, la plupart
des pays du Sahel conscients du danger ont mis en avant la nécessité de
promouvoir les énergies nouvelles.
Ainsi, les modes de production reposant sur la transformation d'énergie renouvelable
(éolien, solaire, ... ) sont appelés à être de plus en plus utilisés dans le cadre du
développement durable. Pour réaliser ceci, le contexte politique et économique
actuel en Mauritanie va dans le sens d'une libéralisation en cours du marché de
l'électricité sur la demande des principaux bailleurs de fonds, l'objectif étant de
diversifier l'offre de production et de distribution de l'énergie électrique en favorisant
la concurrence. Pour y parvenir, des procédures de réglementation progressives sont
en cours de mise en place.
6
En raison de ces bouleversements et compte tenu de la nature de répartition des
gisements, il est légitime d'imaginer une politique de développement de l'énergie
dans des sites isolés allant dans le sens d'une décentralisation des moyens de
production
couplant
plusieurs
sources
d'énergie
complémentaires
(éolien,
photovoltaïque, diesel. .. ). Ainsi, depuis déjà quelques années, on assiste à une
croissance à la fois en nombre et en puissance des unités de production d'énergie
renouvelable. Jusqu'à présent les réseaux électriques actuels comportaient une
majorité d'unités de production conventionnelles et leur fonctionnement était très peu
affecté par la connexion de ces nouveaux moyens de production (énergie
renouvelable). Il n'en sera pas de même dans un avenir proche.
Des progrès technologiques sont donc attendus à la fois par les producteurs en ce
qui concerne l'amélioration des rendements de la transformation de l'énergie
primaire, mais également par les gestionnaires des réseaux en ce qui concerne le
transport, la distribution et la gestion de cette forme d'énergie, nouvelle par sa nature
et fortement fluctuante par son comportement.
Récemment, la thématique de recherche autour des énergies renouvelables
développée au sein des laboratoires de recherches de l'UCAD de Dakar et celui du
CRAER de la FST a fait émerger la composante du système hybride de production
d'électricité. Les opportunités qui se sont présentées les a conduit à une implication
de plus en plus forte dans ce domaine.
Ce fut d'abord la création du laboratoire des semi- conducteurs de l'UCAD (l'un des
plus anciens de l'Afrique occidentale), du CERER, du LER, du CIFRES au Sénégal
et la création de la FST en Mauritanie et de ses différentes composantes dont la
mise en place du PER (Parc des Energies renouvelables), de la filière Electronique Electrotechnique - Automatisme (EEA), de la future filière énergie renouvelable et de
la mise en place du Centre de Recherche Appliquée aux Energies Renouvelables
(CRAER).
Ces structures ont donné l'occasion de démarrer des activités de recherche sur la
modélisation des systèmes à énergie renouvelables en co-encadrant plusieurs DEA
et thèses dans le cadre d'un accord inter- universitaire.
Plus précisément, il s'agit ici de la maîtrise du fonctionnement passant par la
caractérisation des installations à énergies jusqu'à leurs applications. Cela constitue
des perspectives de recherche à court et à long terme pour nos pays.
7
Les thématiques de recherche en perspective concernent l'analyse et l'optimisation
des performances actuelles et, surtout, futures de différents dispositifs (unités de
production indépendantes, régleurs électroniques et unités de stockage) dont la
maîtrise attendue aura un impact certain sur le développement de notre sous région.
Cette thématique doit pouvoir apporter des réponses technologiques de faisabilité à
des orientations politiques dans le domaine du développement durable de la
production énergétique.
Deux classes de composants primaires interviennent dans les systèmes de
génération d'énergie hybride:
•
Les
dispositifs
avec
composantes
dynamiques,
caractérisés
par une
cinématique de transmission dans la génération de puissance: les éoliennes,
•
Les dispositifs avec composants statiques, caractérisés par l'absence de
mouvement mécanique dans la génération de puissance : les panneaux
photovoltaïques, les batteries d'accumulateurs.
C'est pourquoi,
au
sein
de
la
thématique
"Système
hybride",
sera
traité
respectivement des composantes de l'étude et la modélisation des générateurs PV,
éolien, système de stockage et groupe électrogène. L'application des ce type de
système demande une optimisation structurelles dans le sens de la fiabilité, de la
disponibilité et l'exploitation future de ces système. Cela vise à définir les démarches
de conception et de fonctionnement et de spécifications normalisées.
Ici, il est important de souligner l'optimisation par des algorithmes de simulation des
modèles afin de disposer de la plus grande convivialité d'analyse et de synthèse
systémique.
Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources d'énergies dites renouvelables
est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Pour le
producteur et le gestionnaire de ces systèmes dans des sites isolés, il s'agit
notamment de définir les conditions d'optimisation globale de la production d'énergie.
De plus, pour le gestionnaire il est indispensable de pouvoir appréhender le
fonctionnement du « système hybride multi- charges» qui sera le réseau de
distribution futur des zones rurales.
Les opérations d'expérimentation sur un système pilote ont pour objectif de fournir
une bibliothèque fiable, validée, flexible et évolutive de modéles paramétrables,
représentatifs des sources et des échangeurs d'énergie électrique: les éoliennes, les
systèmes photovoltaïques et les batteries d'accumulateurs.
8
Les dynamiques des phénomènes à reproduire font apparaître une profonde
modification des besoins dans le domaine de la modélisation. La résolution des
problèmes de précision / temps de simulation passent par la résolution de ceux de
méthodologies de modélisation et d'expérimentation avec une approche globale de
rendement en accord avec les objectifs définis pour des systèmes en cours
d'exploitation dans nos pays.
Parmi, les charges étudiées et les objectifs fixés, une importance capitale est donnée
au problème de l'eau potable qui se pose de façon aiguë sur notre planète, et
particulièrement dans les pays du Sahel. La solution proposée passe par le
dessalement de l'eau par osmose inverse. Le procédé proposé utilise l'énergie
renouvelable comme moyen d'alimentation en énergie engendrant le développement
des techniques de dessalement d'eau de mer qui soient économiques, plus fiables et
protectrices de l'environnement. D'ailleurs, 1.4 milliards d'habitants ne possèdent pas
d'eau potable alors que les océans représentent 97% de l'eau de la planète.
Plusieurs procédés de dessalement de l'eau de mer ont été utilisés dans nos pays
sans succès. Cette étude permettra de se fixer sur le modèle et Je procédé d'osmose
inverse qui sera utilisé dans le court terme en Mauritanie. D'autre part, ce procédé
permet l'alimentation en eau potable tout en préservant l'environnement, car
l'énergie électrique nécessaire est d'origine éolienne - solaire.
Ainsi, le but principal recherché par ce travail intitulé « Caractérisation: Modélisation,
Fonctionnement et Impact d'un système hybride multi- charges» est de contribuer au
développement de cette technique, en menant un travail théorique et expérimental
sur le fonctionnement d'une unité pilote.
1-2 Objectifs et attentes du projet
Pour étudier et proposer les modèles PV - éolien - stockage - charges les plus
représentatifs, il était important d'approfondir l'étude des chaînes de conversions
proposées dans la littérature. Nous avons remarqué que la littérature propose des
études qui sont réalisées à partir de bancs d'essais et toutes les conséquences qui
en découlent.
L'idéal pour ce type d'investigation est de disposer d'un système à l'échelle réelle en
accord avec les objectifs recherchés comme c'est le cas du CRAER.
9
Les modèles retenus de la littérature dans notre cas sont proposés pour leur
approche des phénomènes physiques décrits et validés expérimentalement sur la
base des simulations théoriques. Cela permet de disposer de résultats permettant
d'évaluer la performance de ce type d'installation sur un site réel.
L'intérêt porté aux systèmes hybrides (SEH) a conduit les chercheurs en énergie
renouvelables à mener des investigations de façon à améliorer l'efficacité de la
conversion électromécanique et la qualité de l'énergie fournie. Dans ce cadre, le
présent travail décrit une étude sur l'utilisation d'un système hybride multi charges
pour l'approvisionnement en eau et l'irrigation goutte à goutte pour les pays
sahéliens du littoral. Le premier chapitre est consacré à des rappels sur les systèmes
hybrides à travers les concepts physiques régissant leur fonctionnement. Ces
rappels sont suivis par un état de l'art sur la conversion énergétique à travers les
différents types de génératrices utilisées et les éléments qui leur sont associés. Dans
ce
même
chapitre,
nous
réservons
une
part
importante
à
la
revue
bibliographique des méthodes de modélisation. Pour mener cette étude de revue
des modèles mathématiques, nous avons retenu une bibliographie riche sur les
avantages et les inconvénients des différentes méthodes de modélisation. Le
système hybride à travers cette modélisation peut être placé dans plusieurs
configurations des SEH. Enfin, nous décrivons d'une manière détaillée la mise en
place de l'unité pilote expérimentale du CRAER destinée à valider les résultats qui
seront obtenus en simulation sur la modélisation et le fonctionnement du système.
Le second chapitre présente une étude de modélisation de toute la chaîne de
conversion.
Le troisième chapitre consiste en la réalisation physique des simulations sur
MATLAB des différents éléments de la chaîne de conversion des SEH.
Cette modélisation est basée sur les modèles mathématiques retenus et une
programmation par MATLAB réalisée de façon à reproduire le comportement
physique réel d'une manière précise des éléments du mini réseau des SEH.
Le quatrième chapitre intitulé validation et identification d'un système SEH, présente
la confrontation des résultats de simulations grâce à la programmation des modèles
mathématiques et les résultats de fonctionnement (simulations réelles) des différents
éléments de la chaîne de conversion de SEH obtenus à travers le système
d'acquisition de données.
Nous avons validé les résultats théoriques obtenus dans le chapitre 3.
10
Le cinquième chapitre aborde les paramètres de fonctionnement d'un système
hybride multi - charges. Cette étude est réalisée en fonction de la présence des
paramètres météorologiques, du système de génération hybride (aérogénérateurs,
photovoltaïques, groupe électrogène et système de stockage) suivant la mise en
marche des différentes charges.
Le sixième chapitre intitulé Analyse technico-éconornique d'un système hybride de
petites puissances de production d'électricité pour multi - charges conforme à
l'analyse de modélisation et des simulations théoriques et expérimentales,
nous
permet de donner la méthodologie d'optimisation, de dimensionnement par le calcul
techico -économique à travers différentes variantes possibles. Le système étudié est
constitué d'un générateur photovoltaïque, d'aérogénérateurs, d'un système de
stockage de type de batteries au plomb, d'un régulateur de charge et décharge et de
multi - charges dont une installation d'osmose inverse. Le principe de l'étude est
réalisé
à partir de
l'unité
pilote du
CRAER
et
permettra
de
lancer un
dimensionnement pour l'exportation des systèmes hybrides sur le littoral sahélien.
Le septième chapitre met en oeuvre l'application dans un site réel pour les raisons
déjà évoquées des applications des énergies renouvelables dans les pays en
développement qui sont amplifiées sur le littoral, en particulier dans le site proposé
d'Aghadir dans le Parc National du Banc d'Arguin. Nous évoquerons dans le
septième chapitre la présentation du logiciel Homer que nous avons étudié et nous
l'appliquerons au site d'Aghadir (réel) d'un village du littoral mauritanien
Les résultats obtenus dans ces investigations nous permettront de conclure sur les
méthodes et outils utilisés et sur les perspectives de généralisation de cette étude.
Les deux premiers chapitres permettent de détailler les méthodes d'identification
paramétriques utilisées pour établir les modèles mathématiques étudiées dans ce
travail.
Les chapitres 3 et 4 permettent de valider les modèles mathématiques de la chaîne
de conversion du SEH du CRAER.
Les trois derniers chapitres seront la base qui va permettre de copier le SEH du
CRAER sur le littoral sahélien.
Le domaine de la Production décentralisée d'énergie vise à concevoir des systèmes
de production d'énergie performants, économes et peu polluants. Il se place dans le
cadre du développement durable, marqué par les notions nouvelles de conception
des systèmes hybrides. Comme ce volet applicatif, il est en parfaite symbiose avec
Il
les Nouvel!es Technologies de production (aérogénérateurs, photovolta"iques, piles à
combustibles) et de stockage (nouveaux accumulateurs, super condensateurs, ... ) de
l'Energie,
qui font désormais
partie
intégrante
des
chaînes
de
production
décentralisée.
Cette dernière remarque nous amène à souligner l'importance des systèmes
hybrides. La combinaison de plusieurs sources d'énergies renouvelables permet
d'optimiser au maximum les systèmes de production d'électricité, aussi bien du point
de vu technique qu'économique.
/1 existe plusieurs combinaisons de systèmes hybrides, à savoir: éolien - diesel [1, 2,
3], photovolta"ique - diesel [4] et éolien - photovolta"ique - diesel [5, 6, 7].
Ces mêmes sources d'énergies peuvent êtres combinées avec d'autres sources te/le
que l'énergie hydrauliques [8]. Les méthodes d'évaluation des systèmes hybrides
éolien 1 photovolta"ique autonomes et leurs avantages se sont beaucoup développés
ces dernières années.
De même, la littérature propose un large spectre des méthodes d'optimisations de
l'énergie éolienne et photovolta"ique avec un stockage électrochimique.
Par exemple pour le système de stockage, il existe d'autre solutions qui passent
notamment par l'utilisation de l'hydrogène [2,9] et ['42] qui donne une autonomie
beaucoup plus importante que celles des batteries d'accumulateurs), avec ou sans
apport de diesel, dépend beaucoup des modèles économiques de chaque système
pris séparément (éolien et photovoltaïque).
Plusieurs
chaînes de conversions sont proposées dans la littérature avec une
connexion au réseau comme suit:
•
systèmes hybrides couplés au réseau alternatif (grandes puissances au delà
de 100 KW) ;
•
système hybride en sites isolés (petites puissances et parfois associées à
d'autres sources) ;
a
systèmes hybrides couplés à des batteries électrochimiques ou un bus continu
dans les sites de petites puissances raccordés au réseau. Ce bus continu
présente l'avantage d'interconnecter plusieurs systèmes de production (éolien
-photovolta"ique, pile à combustible .... ) et des batteries électrochimiques qui
peuvent se trouver directement sur de tels bus.
Cette solution étant proche de celle adoptée dans le cadre de notre travail.
]2
L'avantage d'un système hybride par rapport à un système éolien pur ou
photovoltaïque pur dépend de beaucoup de facteurs fondamentaux: la forme et le
type de la charge, le régime du vent, le rayonnement solaire, le coût et la disponibilité
de l'énergie, le coOt relatif de la machine éolienne, le champ photovoltaïque, le
système de stockage électrochimique et d'autres facteurs d'efficacité.
Les systèmes photovoltaïques sont actuellement économiques pour les installations
de faibles puissances. Pour les systèmes d'énergie autonomes le coût du stockage
représente la plus grande contrainte du coût global du système pour les installations
de grandes puissances.
Minimiser le coût du stockage et optimiser sa capacité est la raison essentielle de la
combinaison des systèmes éolien et photovoltaïque.
Nous focalisons notre attention dans ce chapitre à l'état de l'art, en particulier relatif
aux différentes solutions technologiques permettant d'exploiter les ressources
solaires et éoliennes, ainsi que le moyens de dimensionnement du SEH. Quelques
problèmes de fonctionnement et les stratégies de commande habituellement du SEH
sont présentés à la fin de ce chapitre.
1-3 Définition et mission des systèmes hybrides (SEH)
Le domaine de la Production d'énergie renouvelable à partir des SEH vise à
concevoir des systèmes de production d'énergie performants, économes et peu
polluants. Il se place dans le cadre du développement durable, marqué par les
notions nouvelles d'éco conception (notion d'analyse de cycle de vie, ... ). " est en
parfaite symbiose avec les Technologies de stockage (piles à combustibles, des
accumulateurs et super condensateurs, ... ) de l'Energie, qui font désormais partie
intégrante des chaînes de production décentralisée.
Un système hybride est réalisé à partir de multi - sources de productions d'électricité.
Il est capable d'un fonctionnement autonome qui est parfois associé à un système
de stockage. La fonction d'un SEH de production de l'électricité est de fournir de
l'énergie à différentes charges, tout en maintenant la qualité de l'énergie fournie,
l'économie de carburant.
Dans les SEH nous obtenons une baisse de prix pour couvrir au moins
j'investissement fait pour les gènérateurs d'énergies renouvelables et les autres
composantes auxiliaires du système.
13
Ic ette
vision nous permet de chercher les performances dans SEH à travers le
Irendement et la durée de vie depuis sa conception.
ILe SEH est souvent associé à la production d'électricité dans les régions isolées et
Ise présente sous forme :
"
d'une seule source d'énergie renouvelable avec ou sans un groupe
électrogène. Dans ce cas, la présence d'un dispositif de stockage est
indispensable afin de pouvoir satisfaire, à tout instant, la demande du
consommateur;
"
de deux sources à énergie renouvelables avec ou sans groupe électrogène
fonctionnant avec un groupe de stockage;
"
de plus de deux sources d'origines renouvelables avec ou sans groupe
èlectrogène accompagné d'une possibilité de stockage.
Généralement, ces variantes peuvent être connectées aux réseaux de distribution.
Ces différentes configurations possibles en mode autonome, couplé au réseau sans
sources renouvelables et avec stockage, doivent permettre une vision d'optimisation
économique
et
énergétique
d'un
SEH
(groupe
électrogène,
générateur
photovoltaïque, éolien, accumulateurs ... ).
1-4 Etat de l'art
" est important de noter que les systèmes hybrides participent au développement du
marché de l'énergie renouvelable.
De même, ils constituent un compromis économique acceptable entre les frais
d'immobilisation nécessités par les SEH autonomes et les frais d'exploitation et
d'entretien des génératrices alimentées aux combustibles fossiles qui sont tous deux
élevés. L'ampleur de ces frais est étroitement liée aux fluctuations saisonnières du
rayonnement solaire et à la vitesse moyenne du vent. Bien des applications dans les
zones sahéliennes peuvent être alimentées par des systèmes hybrides.
L'exploitation bibliographique a permis de faire ressortir dans cette partie fe statut
des SEH en terme des avantages de cette technologie, la possibilité qui s'offre pour
les SEH (applications) et les obstacles nuisant à leur définition.
Le principal avantage des systèmes couplés au réseau est qu'ils permettent de
revendre l'énergie produite et non consommée sur place au fournisseur du réseau.
Par contre, ces systèmes ne peuvent fonctionner qu'en présence du réseau. Dans le
14
cas d'une coupure de ce dernier, bien qu'ayant son propre système de production
d'électricité, le producteur indépendant se trouve privé d'électricité.
Le producteur consommateur isolé du réseau
est tributaire des conditions
météorologiques.
Ainsi, si l'on a plusieurs jours successifs défavorables à la production d'électricité, le
producteur consommateur risque également d'être privé d'électricité lorsque son
dispositif de stockage sera complètement déchargé. Au contraire, si les conditions
sont favorables à la production et que toute la capacité de stockage est totalement
utilisée, il doit arrêter de produire et donc délester sa production.
Afin d'atténuer le caractère aléatoire d'un gisement d'énergie renouvelable donné, on
peut multiplier les sources de natures différentes. On obtient alors un système dit
multi sources.
Eléments constituant un SEH
Les éoliennes, les panneaux photovoltaïques et les générateurs diesels sont souvent
utilisés dans le SEH. Ceux-ci peuvent aussi inclure d'autres sources d'énergie
comme l'énergie hydraulique, marémotrice, géothermique ou l'énergie contenue
dans l'hydrogène (pile à combustible). Les convertisseurs, les charges, les charges
de délestage et une forme de gestion de l'énergie peuvent également faire partir d'un
SEH. Les batteries sont habituellement utilisées pour le stockage d'énergie, mais il
existe d'autres options telles que le stockage inertiel (volant d'inertie) [10] et le
stockage d'hydrogène. Une description des composants habituels des SEH est
donnée ci-après.
1·5 Classification des SEH
Les SEH étudiés dans ce travail concernent plutôt les réseaux de petite et moyenne
puissance (réseaux faibles, faciles à piloter, ... ) pour la production d'énergie pour des
sites isolés et sont associés à des groupes électrogènes de secours, pour l'éolien ou
même le solaire photovoltaïque. " en résulte des problématiques communes en
terme de stabilité, de qualité ou de disponibilité de l'énergie. Sur le plan
technologique, ces « réseaux faibles» sont très fortement marqués par la nécessité
quasi systématique du stockage.
Les configurations du SEH que nous rencontrons dans la littérature peuvent
incorporer une distribution :
15
Il
à courant alternatif;
Il
à courant continu CC ;
Il
avec un système de stockage, des convertisseurs, des charges, des charges
de délestage et une option de gestion des charges.
De même, le SEH peut prendre différentes architectures avec un dispositif de
stockage de l'énergie qui est directement relié à un bus continu. Le bus continu peut
être relié à son tour au réseau alternatif via un onduleur réversible capable de
continuer à alimenter des charges prioritaires en cas de disparition du réseau et donc
assurer un fonctionnement autonome.
Les systèmes rencontrés dans la littérature sont largement instrumentés, avec des
capteurs qui permettent d'obtenir les conditions météo:
Il
vitesse du vent;
Il
direction du vent;
Il
ensoleillement dans le plan horizontal;
Il
températures ambiantes;
Il
ensoleillement dans le plan des panneaux;
Il
températures des panneaux.
Des capteurs nous permettent de mesurer les courants, tensions et puissances de :
Il
chaîne de production éolienne;
Il
chaîne de production photovoltaïque;
Il
batterie;
Il
bus continu;
Il
réseaux;
Il
charges: Les charges sont constituées par les éléments de consommation de
chaque ménage (lampes, charge de batteries, ordinateurs, télévision et
autres) et de ceux qui sont mises en commun (exemple l'éclairage publique, la
production d'eau et autres).
Ces données sont envoyées vers un système de gestion et de pilotage qui permet de
commander le niveau de tension de la batterie. Avec une telle structure, nous
pouvons contrôler les transferts d'énergie en intervenant sur le niveau de la tension
batterie.
Le système qui nous intéresse regroupe deux parties pour la production de l'énergie
passant par un stockage électrochimique.
16
La modèle général représente un exemple typique de système de génération
hydride, où sont présents un bus commun électrique et un bus commun thermique
(Thermal bus). Les divers éléments, connectés aux bus à travers des interfaces, sont
regroupés selon leur fonction électrique: sur fond jaune (Source) les éléments de
génération (ou sources), sur fond rouge: les éléments de charge et sur fond vert: les
éléments de stockage.
lV10dèlegénéral 1-1:Systèmehybride, multi - sources, multi -:charges
La production ou l'utilisation d'énergie électrique est toujours accompagnée par la
production et l'utilisation d'énergie thermique: les analogies entre ces deux systèmes
énergétiques sont aussi décrites. L'analyse de divers systèmes présents en
littérature a permis d'établir un schéma général des systèmes hybrides, suivi par la
rationalisation et l'identification des groupes fonctionnels qui constituent ces
systèmes. La coprésence d'éléments électriques et d'éléments thermiques, ainsi que
les analogies entre systèmes électriques et systèmes thermiques, impliquent la
nécessité d'étudier, concevoir et gérer ces systèmes soit du point de vue électrique,
soit du point de vue thermique, avec les bénéfices énergétiques et économiques que
cela comporte.
En effet, l'étude des configurations permet de proposer des modèles suivants:
17
Modèle 1-2 (site isolé): solaire - éolien, stockage à batteries
Modèle 1-3 : solaire - éolien, stockage à batteries, réseau
18
Modèle 1-4 : solaire, réseau, stockage à batteries
Modèle 1-5 (site isolé) solaire - éolien, stockage à batteries et hydrogène
19
Modèle 1-6 (site isolé): solaire - éolien, stockage à hydrogène
Modèle 1-7 (site isolé): éolien, stockage à hydrogène et super condensateur
20
Modèle 1-8 (site isolé): éolien - diesel, stockage à hydrogène
Modèle 1-9 : solaire - diesel - réseau, stockage à batteries
21
Modèle 1-10 : solaire - éolien - diesel, réseau
Les configurations ci-jointes présentent des systèmes caractérisés par:
•
plusieurs sources différentes;
•
plusieurs charges différentes;
•
plusieurs éléments de stockage différents;
•
plusieurs formes d'énergie (électrique, thermique).
Mais, en effet, le rayonnement solaire et le vent sont les sources se prêtant le mieux
à une production d'électricité décentralisée.
D'une part, la puissance délivrée par un système hybride de production faible
puissance multi sources, connecté au réseau ou non et capable d'un fonctionnement
autonome grâce à un dispositif de stockage peut varier de quelques watts pour des
applications domestiques jusqu'à quelques Mwatts pour les systèmes utilisés dans
l'électrification des sites isolés.
D'autre part, pour les systèmes hybrides ayant une puissance en dessous de 100
kW, la connexion mixte, bus à CA et bus à CC, avec des batteries de stockage, est
très répandue. Le système de stockage peut utiliser un nombre élevé de batteries
pour être capable de couvrir la charge moyenne pendant plusieurs jours.
Les SEH les plus grands avec une puissance délivrée supérieur à 100 Kw, sont
centrés sur le bus à CA, avec des sources d'énergie renouvelable conçues pour être
connétables aux grands réseaux.
22
Le champ d'application des SEH est très large et, par conséquent, il est difficile de
classer ces systèmes. On peut néanmoins essayer de réaliser un classement pour le
système PV - Diesel.
En effet, cette classification des systèmes hybrides PV/diesel permet d'obtenir une
gamme de configuration plus large comme suit:
..
système hybride PV / groupe électrogène: ce système utilise les avantages
de l'énergie photovoltaïque et de la génératrice au diesel, au propane ou à
l'essence. Le système photovolta'(que fournit une énergie intermittente mais
souvent moins coûteuse en régions éloignées;
..
système PV couplé à
un groupe électrogène: le groupe électrogène sert
d'énergie d'appoint, selon la demande. Ce type de système s'applique
particulièrement bien à des sites éloignés où il est important d'avoir de
l'électricité à tout moment, où les coûts de transport du carburant sont élevés
et où il n'est pas encore rentable d'utiliser le système photovoltaïque seul avec
les batteries;
..
systèmes hybrides PV / groupes électrogènes peuvent être couplés avec
d'autres sources d'énergie telles les éoliennes et les micro centrales
hydrauliques, lorsqu'il y a une complémentarité des productions électriques
[98] ;
..
système PV centralise de production: ce système fonctionne comme une
centrale électrique normale mais doit tenir compte de la fluctuation de la
production d'énergie qui est liée à l'ensoleillement;
..
système PV connecté au réseau décentraJisé : ce système photovoltaïque est
branché directement sur un réseau électrique, mais il est installé près de la
demande. " peut être installé, par exemple, sur une résidence individuelle ou
sur un centre commercial, de telle sorte qu'il alimente cette charge et fournit
,
J'excédent de sa production sur le réseau durant le jour. Durant la nuit, la
charge puise l'énergie requise sur le réseau [10,12]. Ce système permet de
diminuer les frais de transport d'électricité et la surcharge de ligne,
particulièrement en ce qui a trait aux charges adaptées à la production
photovoltaïque tels les systèmes d'air conditionné (gestion de la demande),
23
synchrones et asynchrones. Les stratégies de commande de ces machines et leurs
éventuelles interfaces de connexion au réseau doivent permettent de capter un
maximum d'énergie sur une plage de variation de vitesse de vent la plus large
possible. ceci dans le but d'améliorer la rentabilité des installations éoliennes.
Architecture de l'éolienne
Un aérogénérateur, plus communément appelé éolienne, est un dispositif qui
transforme une partie de l'énergie cinétique du vent (fluide en mouvement) en
énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission puis en énergie
électrique par l'intermédiaire d'une génératrice (Image 1-1).
Image1-11:conversion d.elavitess(3du vent
L'énergie éolienne est une énergie "renouvelable" non dégradée, géographiquement
diffuse, et surtout en corrélation saisonnière. De plus, c'est une énergie qui ne
produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif. Elle est toutefois aléatoire
dans le temps et son captage reste assez complexe, nécessitant des mâts et des
pales de grandes dimensions Uusqu'à 60 m pour des éoliennes de plusieurs
mégawatts)
dans
des
zones
géographiquement
dégagées
pour
éviter
les
phénomènes de turbulences [2, 3,4].
Les matériaux nécessaires à la fabrication des différents éléments (nacelle mât,
pales et multiplicateur notamment) doivent être technologiquement avancés et sont
par conséquent onéreux. L'énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de
production d'électricité décentralisée proposant une alternative viable à l'énergie
nucléaire sans pour autant prétendre la remplacer (l'ordre de grandeur de la quantité
d'énergie produite étant largement plus faible).
Les installations peuvent être réalisées sur terre mais également de plus en plus en
mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière. De plus,
25
les éoliennes sont ainsi moins visibles et occasionnent moins de nuisances sonores.
On distingue deux grands types d'éoliennes:
•
les éoliennes à axe vertical : ce type d'éolienne a fait l'objet de nombreuses
recherches.
Il présente l'avantage de ne pas nécessiter de système
d'orientation des pales et de posséder une partie mécanique (multiplicateur et
génératrice) au niveau du sol, facilitant ainsi les interventions de maintenance.
En revanche, certaines de ces éoliennes doivent être entraînées au
démarrage et le mat, souvent très lourd, subit de fortes contraintes
mécaniques poussant ainsi les constructeurs à pratiquement abandonner ces
aérogénérateurs (sauf pour les très faibles puissances) au profit d'éoliennes à
axe horizontal [2, 3, 4, 13, 14, 15],
•
les éoliennes à axe horizontal beaucoup plus largement employées, même si
elles nécessitent trés souvent un mécanisme d'orientation des pales
présentent un rendement aérodynamique plus élevé, démarrent de façon
autonome et présentent un faible encombrement au niveau du sol [3, 4].
Outre l'aspect visuel des éoliennes, leur impact sur l'environnement est réduit. Une
éolienne ne couvre qu'un pourcentage très réduit de la surface totale du site sur
laquelle elle est implantée, permettant alors à la plupart des sites de conserver leurs
activités industrielles ou
agricoles.
Leurs nuisances
sonores sont de
plus
relativement faibles. En effet, selon l'ADE ME, le niveau sonore d'une éolienne est de
50dB à 150 mètres et devient imperceptible au delà de 400 mètres. Dans la plupart
des cas, le bruit du vent est supérieur à celui engendré par l'éolienne. Les éoliennes
sont divisées en trois catégories selon leur puissance nominale:
•
éoliennes de petite puissance: inférieure à 40 kW,
•
éoliennes de moyenne puissance: de 40 à quelques centaines de kW,
•
éoliennes de forte puissance: supérieure à 1 MW.
Principaux composants d'une éolienne
Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des
différences importantes. Néanmoins, une éolienne "classique" est généralement
constituée de trois éléments principaux:
•
Le mât, généralement un tube d'acier ou éventuellement un treillis métallique,
doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol.
Toutefois, la quantité de matière mise en oeuvre représente un coût non
26
négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à
prendre un mât de taille trés légérement supérieure au diamètre du rotor de
l'aérogénérateur (exemple : éolienne NORDEX N90 2,3 MW: diamètre de
90m, mât de 80 m de hauteur),
li
La nacelle regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le
rotor éolien au générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements,
multiplicateur. Le frein à disque, différent du frein aérodynamique, qui permet
d'arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est généralement
une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou
électriques d'orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle
(nécessaire
pour
garder
la
surface
balayée
par
l'aérogénérateur
perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s'ajouter le système de
refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique
de gestion de l'éolienne,
•
Le rotor, formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes
destinées à la production d'électricité, le nombre de pales varie classiquement
de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu, car il
représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la
pollution visuelle et le bruit [13, 14]. Les rotors à vitesse fixe sont souvent
munis d'un système d'orientation de la pale permettant à la génératrice
(généralement une machine asynchrone à cage d'écureuil) de fonctionner au
voisinage du synchronisme et d'être connectée directement au réseau sans
dispositif d'électronique de puissance. Ce système allie ainsi simplicité et
faible coût. Les rotors à vitesse variable sont souvent moins coûteux, car le
dispositif d'orientation des pales est simplifié voire supprimé (la société
Jeumont Industrie utilise un rotor à pas fixe). Toutefois, une interface
d'électronique de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge est
nécessaire. Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie dont
dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont
constituées (actuellement, les matériaux composites tels la fibre de verre et
plus récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et
bonne résistance mécanique).
27
b) Energie solaire
La conversion
photovoltaïque est la transformation directe de l'énergie du
rayonnement solaire en énergie électrique, sous forme de courant continu
directement utilisable. D'un point de vue purement technique, on estime que les
systèmes de conversion à énergie solaire sont potentiellement capables de répondre
à une grande partie de la demande énergétique mondiale [12]. Un système
photovoltaïque est constitué des éléments suivants:
•
générateur P'v,
•
régulateur,
•
convertisseur (onduleur).
Cette transformation du rayonnement solaire en électricité par le processus
photovoltaïque est un des moyens d'exploitation du gisement solaire. Elle est
réalisée par des cellules photovolta',ques (PV). /1 est à noter qu'en dépit de cette
terminologie, aucune énergie n'est stockée dans la cellule, ni sous forme chimique ni
sous aucune autre forme. Ce n'est pas une pile, mais un convertisseur instantané,
qui ne pourra fournir une énergie sous forme électrique que s'il reçoit une énergie
sous forme de rayonnement. Une cellule sous obscurité totale va se comporter
comme un composant passif. La cellule solaire ne peut être assimilée à aucun autre
générateur classique d'énergie électrique de type continu. Elle n'est ni une source de
tension
constante
ni
une
source de courant
constant.
Elle
possède des
caractéristiques non linéaires dépendant de l'éclairement.
Actuellement, le rendement de conversion d'énergie solaire en énergie électrique est
encore faible (souvent inférieur à 12%) et sous un ensoleillement nominal de 1000
W/m 2 .
Actuellement, 12 m2 de panneaux PV sont nécessaires pour fournit 1 kW crête, ce
qui induit un coût élevé du watt crête. Ce rendement faible de la source
photovoltaïque a incité les utilisateurs à exploiter le maximum de puissance
électrique disponible au niveau de générateur PV. Ce maximum est généralement
obtenu en assurant une bonne adaptation entre le générateur PV et le récepteur
associé. Cette adaptation est effectuée à l'aide de convertisseur statique contrôlé
pour différents modes de fonctionnement.
28
Cellule photovolta"ique
Aux cours de ces dernières années, des améliorations considérables concernant les
performances des cellules solaires ont permis d'aboutir à des rendements de
conversion photovoltaïque respectivement de 24.8 % et de 23% pour des cellules
solaires à base d'arsenic de gallium et de silicium, sous la condition d'éclairement
d'un soleil [20,21,22].
Les cellules les plus répandues actuellement sont à base de silicium (différence de
potentiel de 0.6 V). Le rendement des modules en fonction des différentes
technologies fait apparaître des écarts importants.
Une cellule est constituée de deux couches qui sont dopées différemment. Pour la
couche N, c'est un apport d'électrons périphériques et pour la couche P c'est un
déficit d'électrons. Les couches présentent ainsi une différence de potentiel.
L'énergie des photons lumineux captés par les électrons périphériques (couche N),
leur permet de franchir la barrière de potentiel et d'engendrer un courant électrique
continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des électrodes sont déposées par
sérigraphie sur les deux couches de semi conducteur. Une couche antireflet est
ensuite déposée sur cette électrode afin d'accroire la quantité de lumière absorbée
[4,5].
Puissance
La puissance disponible aux bornes d'une cellule est trés faible. Il est donc
nécessaire de disposer d'association en série et en parallèle de telles cellules pour
obtenir des modules de puissance compatible avec le matériel électrique usuel. Les
puissances des modules disponibles sur le marché s'échelonnent entre quelques
watts- crête et quelques dizaines de watts- crête (1 m 2 de cellules PV produit de
l'ordre de 100 W).
Pour obtenir des puissances supérieures, il est donc nécessaire de mettre en série et
en parallèle plusieurs modules. Pour certaines applications (individuelles), il est
possible d'utiliser un à plusieurs modules de quelques dizaines de cellules
(puissance crête 40 W, 50 W ou 60 W) [4].
c) Diesel
Dans le cas d'un système d'énergie renouvelable, la production d'énergie électrique
est réalisée en fonction des ressources (vent, éolien ... ) et non de la demande. Dans
29
le cas des installations autonomes, il est donc nécessaire de recourir au stockage ou
d'ajouter un ou plusieurs groupes électrogènes diesels.
Dans un SEH, le générateur classique est généralement le moteur diesel directement
couplé au générateur synchrone. La fréquence du courant alternatif à la sortie est
maintenue par un gouverneur de vitesse sur le moteur diesel. Le gouverneur
fonctionne en ajustant le flux de carburant au diesel, pour garder la vitesse du
moteur et la vitesse du générateur constantes. La fréquence du réseau est
directement liée à la vitesse de rotation du générateur et elle est donc maintenue au
niveau désiré.
Les réseaux de courant alternatif avec diesel, tout comme ceux interconnectés
fournissent pour leurs charges, deux formes d'énergie: active et réactive.
Dans les processus industriels et domestiques utilisant l'énergie électrique, seuls
l'énergie active est transformée au sein de l'outil de production, en énergie
mécanique, thermique, lumineuse, etc., l'autre, l'énergie réactive, sert notamment à
l'alimentation des circuits magnétiques des machines électriques (moteur, auto transformateurs, etc..... ). En fait, elle n'est pas consommée, mais les courants
associés à la puissance réactive augmentent les pertes dans le système.
d) Système de stockage
Nous donnons ici, un aperçu général du large panorama qui est aujourd'hui offert par
les systèmes de stockage, à travers un court état de l'art accompagné d'une analyse
qui
met en
exergue
quelques
propriétés
qualitatives qui
nous
paraissent
intéressantes au regard de ces systèmes.
Ainsi que leur dénomination l'indique, ces composants réalisent un couplage
énergétique entre les domaines électrique et chimique. Ils sont constitués de deux
électrodes, siéges de réactions d'oxydoréduction, reliées au circuit électrique
extérieur et séparées par un électrolyte qui assure les échanges ioniques. Ce
système est donc le siège de potentiels thermodynamiques chimiques et électriques
à l'origine de flux de charges électriques et de matière couplés suivant les principes
de la thermodynamique. Ajoutons que le couplage au domaine thermique est
également fort en raison du rôle déterminant de la température dans les réactions
chimiques et les transports de matière. Particulièrement, tandis que la montée en
température pénalise la conduction électronique, elle favorise la conduction ionique.
Les composants électrochimiques ne fonctionnent pas de façon optimale à basse
30
température, voire à température ambiante. Dans le même temps une élévation de
température pénalise en général l'énergie libre. On est confronté à un compromis à
considérer avec la valorisation éventuelle de la chaleur dans le système.
Les classifications sont toujours délicates et arbitraires, mais on peut analyser
quelques propriétés générales des familles de composantes électrochimiques
suivantes:
Il
les accumulateurs;
Il
les condensateurs et les super condensateurs;
Il
.Ies piles à combustible;
Il
les demi piles à combustible interne métal air;
Il
les accumulateurs à circulation.
d·1) Accumulateurs
Dans les accumulateurs, lors de la décharge, l'énergie électrique est issue de
l'énergie libre d'une réaction d'oxydoréduction mettant en jeu des réactifs présents
dans l'accumulateur au niveau des électrodes. Il se produit une consommation ou un
dépôt de matière aux électrodes et un transport de matière dans l'électrolyte. Celui-ci
peut être lui-même impliqué dans la réaction. Il en résulte une modification
structurelle
des
matériaux
qui
constituent
une
approche
des
composants
électrochimiques pour le génie électrique l'accumulateur, qui devrait être idéalement
réversible pour autoriser de nombreux cycles de charge et de décharge. Ce n'est
naturellement pas le cas en pratique, ce qui provoque une altération de la structure
interne de l'accumulateur et limite le nombre de cycles à quelques centaines ou
milliers, et peut être source de défaillances.
Image 1-12 : Accumulateur au Lithium-Ion
C'est ici le cas des accumulateurs au plomb acide ou au nickel cadmium.
Le cas de certains accumulateurs Lithium Ion est différent dans la mesure où le
lithium se trouve inséré dans des électrodes poreuses, passant de l'une à l'autre en
prenant des degrés d'oxydation différents, sources de potentiels chimique et
31
lélectriqUe. " n'y a donc pas de modification structurelle macroscopique significative
Ides électrodes, ce qui doit procurer une meilleure stabilité des paramètres dans le
temps et une puissance massique plus élevée. C'est aussi le cas avec les batteries à
sels fondus dont les électrodes liquides sont séparées par un électrolyte solide en
céramique (sodium fondu et sulfure de sodium par exemple) [40, 43].
Dans les accumulateurs, la tension à vide est principalement déterminée par le
potentiel chimique des réactifs : elle varie donc relativement peu en première
approximation tant qu'il reste des réactifs. Rappelons que les accumulateurs
primaires (aussi appelés piles) ne sont pas rechargeables.
Dans les super condensateurs le stockage de l'énergie exploite le phénomène de la
double couche de Helmoltz, polarisation électrique locale sur quelques nanomètres
autour de l'interface, à très grande surface volumique, qui sépare l'électrode de
l'électrolyte.
Image 1-'13: Super condensateur 2600F
" n'y a donc que très peu de modifications structurelles des matériaux et aucun
transport de matière, ce qui explique des performances en puissance très
supérieures et un très grand nombre de cycles admissibles (>100.000). En
contrepartie, l'énergie massique est moindre, et seule une partie de l'énergie stockée
est utilisable: en raison de sa dépendance à la tension (W = 1/2 C V2), il est donc
difficile de récupérer l'énergie aux basses tensions. C'est pourquoi dans certains
super
condensateurs,
on
exploite
également
des
réactions
faradiques
d'oxydoréduction pour obtenir un composant hybride au compromis énergie puissance pouvant intéresser certaines applications et permettant d'exploiter toute
l'énergie stockée dans la double couche de la « partie super condensateur» grâce à
la tension de la « partie accumulateur ». Ce type d'hybride offre donc d'intéressantes
perspectives de conception dédiée, dans une approche système.
Dans tous les composants précédents, accumulateurs et condensateurs, l'énergie
est donc stockée au sein du composant qui réalise la conversion électrochimique. On
le caractérise donc notamment par ses énergies et puissances, massiques et
32
volumiques.
En outre, hormis les accumulateurs primaires, ces composants
permettent des fonctionnements réversibles en puissance, c'est-à-dire « charge» ou
« décharge » au sein même du système en fonctionnement, une propriété
essentielle.
Image 1-14: Photographie d'une pile à combustible
La situation est tout à fait différente avec les piles à combustible. La pile est bien le
siège d'une réaction d'oxydoréduction qui convertit une énergie chimique en énergie
électrique, mais les réactifs sont stockés dans des réservoirs extérieurs à la pile.
Seules les puissances massique et volumique la caractérisent donc intrinsèquement.
L'énergie dépend de la nature du combustible, du volume du réservoir et, dans une
moindre mesure, du volume interne des piles à combustible. Energie stockée et
puissance sont donc découplées. De plus, la pile ne subit théoriquement aucune
modification structurelle par principe de fonctionnement, mais naturellement elle
vieillit.
Du moins est-ce le cas en général, car certaines piles appelées demi-piles métal-air
consomment directement le combustible métallique constituant d'une de leurs
électrodes (Zinc, aluminium, ... ) par réaction avec l'oxygène suivant une réaction qui
le transforme en oxyde métallique stocké dans la pile. Il en résulte que le composant
s'alourdit par fixation d'oxygène en se déchargeant, tout en stockant l'oxyde formé.
Pour recharger le composant, il faut pouvoir régénérer le métal de l'électrode et
évacuer l'oxyde formé. Des dispositifs le permettant en continu sont actuellement en
développement pour du stockage lourd, mais bien souvent la pile métal - air est
fonctionnellement équivalente à un accumulateur primaire à très longue conservation
(très faible taux de décharge à l'abri de l'air) [42, 43, 44].
En général, les piles à combustible ne permettent donc pas les fonctionnements
réversibles
en
puissance.
Conçues
comme
générateurs
électriques,
un
fonctionnement en récepteur, même temporaire, peut les détériorer.
33
Cependant, on développe également des piles à combustible réversibles, permettant
de traiter la réaction d'oxydoréduction dans les deux sens pour constituer le coeur
réactif d'un dispositif accumulateur. C'est particulièrement le cas des dispositifs de
type à circulation qui résultent d'une hybridation entre accumulateur et pile à
combustible. Deux réservoirs contiennent les réactifs liquides à des niveaux
d'oxydation différents qui viennent réagir dans une coeur de pile à combustible
pouvant assurer la réaction dans les deux sens.
Dans ces dispositifs accumulateurs réversibles en puissance, envisageables pour du
stockage lourd de forte énergie et forte puissance, énergie stockée et puissance sont
découplées et il n'y a pas de modification structurelle du composant. Le dispositif est
donc fonctionnellement comparable aux groupes de pompage réversibles exploitant
deux
barrages.
Des
piles
à
combustible
fonctionneilement
réversibles
en
électrolyseurs d'eau sont également développées pour la production directe
d'hydrogène à bord d'aéronefs.
A l'intérieur de ces grandes familles, les couples rédox et les technologies sont très
variés, ce qui offre un très large choix en fonction des contraintes du cahier des
charges et du système.
Il faut aussi prendre en compte le fait que la variation d'entropie attachée aux
réactions et aux phénomènes irréversibles peut être la source d'une chaleur de
qualité très variable.
Ainsi, une pile à combustible à membrane polymère échangeuse de protons
fonctionnant à basse température de l'ordre de BO'C
présente un rendement
théorique très élevé (par exemple 83% dans le cas réversible, pour une pile à
hydrogène et oxygène car la chaleur produite est relativement faible). Mais cette
chaleur à basse température, 80'C, n'est guère valo risable et même contraignante à
évacuer lorsque la température ambiante atteint par exemple 60'C, cas fréquent sur
les véhicules automobiles. En revanche, une pile à oxydes solides, fonctionnant à
haute température, 600 à 900'C, présente un moins b on rendement théorique car
produisant une chaleur plus importante. Mais cette chaleur offre, par rapport à
l'ambiante, un potentiel thermique suffisant pour créer un flux permettant son
évacuation par un échangeur efficace beaucoup moins encombrant, donc plus facile
à loger dans un système embarqué par exemple. Plus encore, cette chaleur peut être
aisément valorisée en travail par un autre cycle thermodynamique de co-génération
adapté, à l'image de ce que réalisent les turbines à cycles combinés.
34
Dans le contexte d'une utilisation rationnelle de l'énergie et d'amélioration de
l'efficacité énergétique pour un développement durable, il serait dommage de ne pas
exploiter cette possibilité. Déjà des piles sont proposées en remplacement de
chaudières traditionnelles et expérimentées par Gaz de France. L'analyse de cette
co-génération résidentielle est intéressante. Production d'électricitè et de chaleur
sont forcément couplées, il faut donc pouvoir utiliser ou évacuer ou stocker l'une ou
l'autre, lorsque l'on a besoin de l'autre ou de l'une séparément, afin d'éviter un
gaspillage énergétique inacceptable, d'autant que la part du résidentiel dans la
consommation énergétique est devenue majeure dans les pays industrialisés. On
sait stocker facilement l'eau chaude avec une technologie peu coûteuse. Pour
l'énergie électrique, c'est moins simple, et la solution, stockage local ou connexion
bidirectionnelle au réseau, dépendra non seulement de la présence de ce dernier,
mais des autorisations et de la politique de rachat des kWh injectés par le producteur
particulier.
Une démarche de modélisation adaptée doit être mise au service du concepteur des
systèmes exploitant les composants : nous en proposons une en considérant
quelques composants de ce large choix.
d-2) Accumulateurs au plomb
L'accumulateur au plomb reste actuellement l'accumulateur le plus répandu. Inventé
en 1859 par Gaston Planté, ses premières applications pratiques remontent déjà à la
fin du 19ième siècle passé, et son usage s'étend du démarrage des moteurs à
combustion interne aux batteries de secours dans les hôpitaux. L'accumulateur de
plomb présente l'avantage non négligeable de présenter le prix de revient le plus
faible parmi tous les types de batteries connus [41 J. Malgré son grand âge, il n'existe
à l'heure actuelle aucun modèle chimique véritablement satisfaisant, ou électrique
permettant de reproduire assez précisément son fonctionnement dans divers cas de
figure [41 J. Les seuls modèles disponibles sont, soit seulement utilisables dans
certaines conditions bien précises, soit généraux mais très peu fidèles.
Principe: Ici il est expliqué par le fait que l'énergie est stockée dans l'accumulateur:
il y a transfert de matière d'une électrode à l'autre suivant qu'il s'agit de la charge ou
de la décharge de l'accumulateur.
Ces accumulateurs exploitant une oxydoréduction du plomb sont constitués de deux
électrodes, qui plongent dans un électrolyte acide qui réalise la conduction ionique
35
entre elles et participe à la réaction., Chacune des électrodes est constituée d'un
élément apparaissant sous sa forme réduite et sous sa forme oxydée:
Il
Cathode forme oxydée Pb02 et forme réduite PbS04 ;
Il
Anode forme oxydée PbS04 et forme réduite Pb.
Il se produit au cours de la décharge, une oxydation à l'anode et une réduction à la
cathode. Ces deux réactions sont inversées lors de la recharge.
Eléments technologiques [12] : Ici, les batteries sont réalisées par l'association de
cellules élémentaires. Afin d'obtenir la tension désirée, plusieurs cellules sont
connectées en série à l'intérieur du module; par contre, si l'on désire augmenter la
capacité et le courant, il faut connecter ces cellules en parallèle ou augmenter la
surface de réaction. La densité théorique d'énergie que l'on peut retirer de ce type de
couple chimique est de 170 Wh.kg-1. Cependant, le sulfate de plomb produit par les
réactions aux deux électrodes est insoluble et non conducteur. Son accumulation sur
les électrodes et, dans une moindre mesure, dans l'électrolyte limite par conséquent
fortement l'énergie qui peut être extraite de cette batterie.
De plus, les concentrations et les quantités de masses actives sont inférieures à
celles conduisant à cette valeur. En pratique, on n'arrive qu'à des densités proches
de 40 Wh.kg-1, soit quatre fois moins que le maximum théorique!
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'
Image 1-15: Structure d'un accumulateur aCide/plomb à plaques planes
Si la charge se poursuit trop longtemps, soit au-dessus de 2,4 V (la tension nominale
d'une cellule chargée étant d'environ 2,1 V), un autre phénomène apparaît : le
gassing. Il s'agit tout simplement d'une électrolyse de l'eau au niveau des électrodes
due au fait que l'oxygène et l'hydrogène ne pouvant plus réagir avec le plomb ou
l'acide, passe directement sous forme gazeuse.
36
A ce niveau, deux types de batteries au plomb existent, détaillés dans les deux
paragraphes suivants. Une description détaillée a été réalisée dans [41]
A. Batteries « classiques» ou ouvertes
Pour ce type de batteries, la cellule n'est pas fermée. Elle perd donc de l'électrolyte
(composé typiquement de 65% d'eau et 35% d'acide sulfurique) en cas de gassing,
ce qui nécessite une maintenance contraignante. En effet. si cette maintenance n'est
pas effectuée. une partie de la matière active peut perdre le contact avec la grille et
engendrer une diminution de la durée de vie. Par ailleurs, lors de la charge se
m~nifeste
la stratification, l'acide concentré plus lourd se situant au bas de
l'accumulateur. On y remédie en prolongeant la charge de l'accumulateur.
Enfin, ces batteries doivent se trouver dans un emplacement suffisamment ventilé
car l'espace situé au-dessus de l'électrolyte est alors rempli d'un mélange
d'hydrogène et d'oxygène qui peut être explosif. Ce type de batterie, utilisé par
exemple dans les installations photovoltaïques pour le stockage, en constitue
aujourd'hui le maillon le plus contraignant. Un éclaté d'une batterie de ce type est
fourni sur la Figure 1-16.
Image 1-16: Structure interne d'une batterie Pb classique (électrodes planes)
Sur l'image 1-16, on distingue les éléments constitutifs suivants [40, 43, 44] :
37
Les séparateurs microporeux (1) : ces séparateurs présentent Llne porosité
uniforme et permettent une bonne circulation des ions tout en garantissant l'isolation
électronique entre électrodes positives et négatives.
Les électrodes (2 et 7) : celles-ci sont dessinées afin de présenter la plus grande
surface de contact possible avec l'électrolyte. Cela permet de maximiser la
puissance pouvant être délivrée par la batterie.
La structure à plaques planes est classique : la matière active est préparée sous
forme d'une pâte constituée principalement d'oxyde de plomb, d'acide sulfurique et
d'eau. Cette pâte est ensuite déposée sur une grille constituée d'un alliage de plomb,
puis transformée électriquement pour obtenir du dioxyde de plomb (plaque positive)
et du plomb spongieux (plaque négative).
La structure à plaques positives tubulaires est de construction identique avec celle
des éléments à plaques planes. La principale différence réside dans les électrodes
positives réalisées sous forme de tubes, ce qui apporte une amélioration de la durée
de vie grâce à une diminution des chutes de matières actives. Cependant, la
résistance interne est plus élevée que pour la technologie à plaques planes, d'où un
courant maximal exploitable plus faible. Par ailleurs, dans les deux structures, pour
réaliser des éléments durables, la quantité de matière active doit représenter au
moins deux fois la masse des matières réellement utilisées.
Le séparateur en fibres de verre (3): celui-ci est combiné avec le séparateur
microporeux afin d'homogénéiser les différentes concentrations dans l'électrolyte et
d'augmenter l'isolation entre électrodes. En effet, les plaques positives et négatives
sont isolées les unes des autres par des séparateurs non conducteurs aux propriétés
spécifiques : une bonne résistance mécanique pour supporter les contraintes dues
aux variations de volume des matières actives pendant les cycles de charge et de
décharge, une résistance chimique suffisante (en effet, la présence d'acide est très
contraignante), une structure microporeuse avec une porosité d'au moins 50% pour
permettre la diffusion de l'électrolyte, une faible résistance interne pour permettre des
décharges à régimes élevés, un rayon de pore très faible (l-fm) pour éviter les
transports de matière d'une électrode à l'autre et éviter ainsi des courts-circuits.
38
les collecteurs positif et négatif (4): ce sont des barres qui collectent le courant
!provenant des électrodes et qui acheminent celui-ci vers les connecteurs externes.
ILeur design doit être réalisé de telle façon que le flux de courant provenant de
IChaqUe électrode soit le plus homogène possible ; la grille métallique ne sert pas
Iseulement de support mécanique pour la matière active, mais aussi de collecteur du
courant. Le plomb est à peu près le seul métal envisageable pour la grille au regard
des conditions hautement corrosives (acide sulfurique) mais n'a pas la tenue
mécanique nécessaire. Pour améliorer la rigidité, on rajoute de l'antimoine (Sb) entre
6 et 7%. Cet alliage représente un bon compromis entre la tenue mécanique, la
conductivité électrique, et une bonne adhérence entre la grille et la matière active.
l'orifice d'accès (5) : celui-ci permet d'introduire un pèse-acide permettant de
mesurer la densité de l'électrolyte, afin de connaître l'état interne de la batterie et de
réaliser la mise à niveau de l'électrolyte.
l'orifice d'évacuation des gaz ou soupape de sécurité (6) : cet orifice permet
l'évacuation des gaz produits durant le phénomène de gassing. Il doit également
empêcher une étincelle externe ou des flammes d'atteindre l'intérieur de la batterie
afin d'éviter tout risque d'explosion des gaz dégagés par l'électrolyte.
les indicateurs de niveau d'électrolyte (8) : ces lignes indiquent les niveaux
minimum et maximum d'électrolyte afin d'assurer un fonctionnement correct.
L'utilisateur doit veiller à vérifier régulièrement ce niveau.
B. Accumulateurs au plomb acide: principe de fonctionnement [45]
L'intérêt des accumulateurs électrochimiques est la disponibilité d'une tension quasiconstante qui fixe le point de fonctionnement sur une droite verticale qui peut être
aussi proche que possible de la droite qui définit la charge optimale d'un générateur
photovoltaïque.
Définition
Les accumulateurs au plomb sont la transposition, dans le domaine industriel, du
voltamètre Pb/H2S04/Pb .Une batterie est constituée d'un ensemble d'éléments de 2
39
Il
connectés en série pour
obte~ir la tension d'utilisation dé~irée. La v.aleur usuelle
de la tension d'une battene de demarrage est 12V, SOit SIX elements Integres dans le
Imême
bac, mais dans les systèmes de télécommunications la tension de batterie
peut être de 24 ou 48 V,
Description
L'élément de 2V est constitué de plaques positives et négatives assemblées en
alternance, le nombre de plaques de chaque polarité et leur surface définissant la
capacité en courant de l'élément.
Pour éviter les courts-circuits entre plaques un séparateur microporeux isolant est
disposé entre elles comme suit:
•
l'électrode positive est une plaque rectangulaire en plomb renforcée par des
nervures entre lesquelles sont disposées des lamelles ou des tubes constitués
par des oxydes de plomb,
•
l'électrode négative est une plaque de plomb à surface gaufrée dont les
alvéoles sont garnies de plomb spongieux,
•
l'électrolyte est une solution aqueuse (eau distillée) d'acide sulfurique dont la
densité varie en fonction de l'état de charge de batterie.
d-3) Fonctionnement
L'accumulateur au plomb est le siège de réactions complexes. Le principe de
transformation, très simplifié, est loin de rendre compte de toutes les observations
courantes. En fait, pendant la décharge, le pbo2 de l'anode est réduit et se
transforme en sulfate de plomb; la concentration de l'acide sulfurique décroît. A la
cathode on observe une oxydation du pb qui se transforme aussi en sulfate de pb.
Lors de la décharge, partie de l'acide sulfurique étant consommée, l'électrolyte voit
ainsi sa densité décroître.
La sulfatation est donc le résultat normal de la décharge d'un accumulateur au plomb
acide. A ne pas confondre avec la sulfatation «dure)} formée à partir de gros
cristaux de sulfate de plomb difficilement solubles qui peut fortement diminuer la
capacité.
Inversement pendant la charge, à l'électrode positive, le dioxyde de plomb se
reforme ainsi que le pb spongieux au niveau de la plaque négative et de l'acide
40
sulfurique se reformant, l'électrolyte voit sa densité augmenter. Le moyen le plus sur
de vérifier l'état de charge est de mesurer et la tension et la densité de l'électrolyte,
ce qui permet de connaître la concentration en acide [2].
Tension
La tension aux bornes d'un élément d'accumulateur au plomb est voisine de 2V. Sa
valeur varie entre 1.7V et 2.4V suivant l'état de charge en conditions normales de
fonctionnement.
Charge
Pendant la charge, l'accumulateur est un récepteur. Si on trace graphiquement la
différence de potentiel aux bornes en fonction du temps, on constante (cf. figure 1.2)
qu'après un court régime transitoire elle s'établit aux environs de 2.2V.
En fin de charge, on note un accroissement rapide de la tension. Les plaques,
complètement polarisées, ne retiennent plus l'oxygène et l'hydrogène dégagés. La
fin de charge est atteinte à 2.6 V ou 2.7 en charge cyclique. En charge flottante
(régulation de charge) on limite entre 2.25v et 2.35V par élément.
v
v
Charge
2,6V
2V
Décharge
2V
1.BV
' - - - - - - - - - - t(h)
I(h)
Image 1-17: Tension de charge des accumulateurs
Décharge
Pendant la décharge, la force électromotrice varie, en fonction du temps comme
l'indique valeur de 2V environ. A partir du point N, elle diminue brusquement (1.8V), il
faut alors recharge l'accumulateur, sous peine de voire apparaître la sulfatation des
plaques. En pratique, on ne descend pas en général au dessous de 20% ou
davantage de la capacité batterie. Sinon, la sulfatation entraîne une perte de
capacité et une augmentation de la résistance interne d'où une baisse de tension.
41
le) Système d'exploitation
ILa plupart des systèmes hybrides comportent une certaine forme de commande. Les
IChargeUrs des batteries, par exemple, incluent souvent un système de commande
pour empêcher la surcharge des batteries ou que leur état de charge baisse trop.
Les réseaux multi -diesel peuvent utiliser des méthodes relativement sophistiquées
pour gérer les générateurs diesels et régler le flux de puissance.
Parfois, la commande est intégrée individuellement dans chaque composant du
système. Quelques exemples de commandes intégrées sont le gouverneur de
vitesse sur le moteur diesel, le régulateur de tension sur le générateur synchrone ou
diesel ou la commande de l'éolienne.
Un autre type de commande plus global permet la surveillance de certains ou de tous
les composants. Ce système de surveillance est d'habitude automatique. Les
fonctions spécifiques peuvent inclure la commande de démarrage et d'arrêt des
générateurs diesels, l'ajustement de leurs points de fonctionnement, le chargement
des batteries et la répartition de la puissance pour les différents types de charges.
e-1) Convertisseur
Dans un SEH, des convertisseurs sont utilisés pour charge de batteries de stockage
et pour transformer le CC en CA. Trois types de convertisseurs sont souvent
rencontrés dans les SEH : les redresseurs, les onduleurs et les hacheurs.
Les redresseurs réalisent la conversion CA/CC. Dans le SEH, ils sont souvent
utilisés pour charge des batteries à partir d'une source à CA. Ce sont des appareils
relativement simples, pas chers et à bon rendement. Les onduleurs convertissent le
CC en CA. Ils peuvent fonctionner en autonome pour alimenter des charges à CA.
Les hacheurs, le troisième type de convertisseurs, permettent de réaliser la
conversion CC/CC, par exemple, pour adapter la tension entre deux sources.
e-2) Charges
Les charges électriques rendent utile une puissance électrique. Il existe des charges
à caractère résistif et inductif. Les charges résistives incluent les ampoules à
incandescence, les chauffe-eau, etc. Les appareils utilisant des machines électriques
42
sont de charge résistive et inductives. Ils sont les principaux consommateurs de
puissance réactive.
Les charges à CC peuvent avoir aussi des composants inductifs, mais les seuls
effets introduits par ceux-ci sont les variations transitoire de tension et courant
pendant les changements dans le fonctionnement du système.
1-7 Revue bibliographique des méthodes de modélisation des SEH
Pour étudier et proposer le modèle hybride (PV - éolien - diesel) le plus adéquat,
nous réalisons ci-dessous une bibliographie des publications sur les modèles
mathématiques des chaînes de conversions à la recherche d'un modèle qui régit le
fonctionnement physique du CRAER, afin de le valider expérimentalement sur la
base de différentes simulations et de disposer ainsi de résultats permettant
d'optimiser et d'évaluer sa performance.
Pour mieux introduire l'étude nous proposons:
•
une synthèse des travaux réalisés dans le domaine ces dernières années;
•
une synthèse des phénomènes physiques qui régissent le modèle PV - éolien
- diesel qui nous permettra de limiter le travail expérimental et numérique
nécessaire pour déterminer les paramètres de notre modèle;
•
une étude bibliographique par bloc des différentes chaînes de production
(système PV et aérogénérateur).
1-7-1 Bloc photovoltaïque
Nous avons remarqué d'une manière générale dans les travaux réalisés par les
auteurs
[1, 5, 7, 8, 9, 10, 11] que les phénomènes physiques représentant la
structure des PV disposent des formes qui font intervenir une ex potentielle (ce qui
est typique des phénomènes nécessitant une énergie d'activation), de plusieurs
paramètres qui peuvent être mis en jeux, comme la température, la source de
courant et les résistances internes.
Il est important de souligner ici les difficultés rencontrées par les auteurs. En effet,
ces paramètres sont liés à la caractérisation de l'élément non linéaire du modèle
photovoltaïque qui est représenté parfois dans les circuits de substitution du
générateur par la présence de plusieurs paramètres.
43
Soit l'exemple du modèle [7], d'une part, qui comprend un générateur photovolta'(que
avec un convertisseur électrique de puissance permettant une présentation du point
de
fonctionnement
à
optimum
partir
des
caractéristiques
des
panneaux
photovoltaïques,
Image 1-18 module PV équivalent du circuit
Le modèle mathématique du circuit:
Equation de la diode sous forme ex potentiel:
(1-1 )
ID -courant disponible;
la - courant de polarisation de la diode;
KT:::; 26 mV à 3001< (27')
A=_e_ avec j - coefficient d'idéalité de la diode,
jk'0
e
pour le silicium et harge élémentaire,
Le module PV équivalent du circuit permet d'écrire l'équation suivante:
-1 ( A(Up+Rsl p ) -1) _ U p
f p -1
SOL
0 e
+ R s 1p
Rp
(1-2)
Les coefficients 10, A, Rp et Rs représentent les caractéristiques du panneau solaire.
La puissance du point optimal de fonctionnement P
ap) =l +U (a1
(au
on
au
p
p
p
p
p
=o:::::?
)
OPT
= Up Ip
a1 _=_ f
au
U
p
p
pOPT
donnée par l'image est
(1-3)
pOPT
44
1p-CU
-R SP
1 )(10 AeA(Up+Rslp))+_l
P
R
(1-4)
p
Image 1-19caractéristiques (l, V) et(P, V) électriques .du point optimal
Ainsi, les auteurs sont arrivés à une présentation du point de fonctionnement
optimum à partir des caractéristiques des panneaux photovoltaïques.
Nous proposons, d'autre part, le modèle [9] qui consiste à un dimensionnement d'un
système hybride (solaire- éolien) de production de l'ènergie électrique.
Le dimensionnement du système dépend, d'une part, des potentiels énergétiques
disponibles sur le site et, d'autre part, de la charge électrique. Ainsi, il a été calculé
la charge électrique qui dépend de la consommation électrique de chaque appareil,
suivant la variation saisonnière et le nombre d'heure de fonctionnement.
De même, il a été mis en évidence les aspects théoriques de la modélisation tirés du
modèle de Singer
pour la détermination des caractéristiques d'une cellule
photovoltaïque qui sont comme suit:
(1-5)
(1-6)
P,,,
J
11/
1
111
j
= V [l+_l_ln[lsc
co
20.7
1sc
[1+_1_(
20.7
1
111
[se-llll
+ ln
[sc
m]]_Rs [
(1-7)
/1/
-lm )]_ 2p'" = 0
Veo
(1-8)
Ise
45
(1-9)
Voc (Q, T) = (V ST OC 1- ;(lT) In(1
+ j3!1Q)
(1-10)
Avec:
Rs
-
résistance en série;
V - tension aux bornes de la cellule du module ou champ photovoltaïque;
Vco - tension du circuit ouvert ;
V ST co - tension du circuit ouvert aux conditions standard de température
T
S
/
et de l'éclairement QW et la tension;
Vco (Q, T) - tension du circuit ouvert aux conditions réelles de fonctionnement
du système T, Q ;
1 - courant de fonctionnement;
lm - courant maximum délivré par la cellule, le module ou le champ
photovolta'lque ;
1sc - courant de court circuit;
IST
sc - courant de court circuit aux conditions standart ;
Isc(Q,T)- courant de court circuit aux conditions réelles de fonctionnement;
!1T = T - T" Avec
TetT" sont respectivement les valeurs de température
normales de fonctionnement et température standart TSf = 25°
!1Q = Q - QS/ - Avec QetQs/ sont respectivement l'éclairement normale et
standart ;
a -coefficient caractérisant la variation du courant par rapport à la
température;
j3 - coefficient caractérisant la variation de l'éclairement;
r- coefficient caractérisant la variation de la tension.
46
10
5
Hi
20.
Ti:J15;t)n<:n Volt
Image 1-20: les caractéri stiques électriques (l, V)et(P'vl
Les auteurs ont déterminé les caractéristiques de la cellule photovoltaïque.
En effet d'autres modèles ont été développés, dont un par l'Université du Wisconsin
(Madison, USA), pour calculer la puissance électrique disponible aux bornes du
capteur PV.
Ce modèle est mis en œuvre dans deux outils de simulation de système PV intégré
au bâtiment: le logiciel TRNSYS développé dans cette même Université et le logiciel
CON/FIE développé au GENERG. Le capteur PV hybride est constitué d'un certain
nombre de cellules généralement connectées en série et en parallèle. Un module PV
est lui même constitué de cellules PV est modélisé par le schéma à une diode
semblable à l'image 1-18: module équivalent du circuit. Un bilan électronique sur ce
schéma permet de calculer l'intensité en fonction de la tension Vaux bornes du
module, et par extension aux bornes du capteur PV :
]
_]
p -
_]
SOL
(
0
e
A(Vp+Rsl p )
-1)- Vp +RsI p
R
(1-11 )
p
Avec:
J p -courant disponible;
I so1
-
courant produit par photopile, ce courant est proportionnel au flux
lumineux;
]0 -
courant de polarisation de la diode;
47
e
A=-~
ft~
KT= 26 mV'a 300'K (27'"J
avec j- coe ff"IClent d"d'
1 ea l't'
1 e de 1a d'10 d e, e
pour le silicium, e= charge élémentaire et Tj=température de jonction.
Vp - tension aux bornes de la cellule;
RsetR p
-
résistances
respectivement résistance en
série et en
parallèles; Ces
ont une certaine influence sur la caractéristique
I-V de la
photopile.
La température Tj est donnée suivant l'introduction de la notion de température Noct,
définie comme température normale de fonctionnement des cellules PV, c'est à dire
lorsque le capteur est soumis à un rayonnement QNoct de 800W/m 2 , avec une
température extérieure de TaNoct = 20'C, une vitess e d'air de 1 rn/s, et un
fonctionnement en circuit ouvert qui donne:
T
J
= T +(NOCl- TaNoct)(I_ ~-J
exl
QNoct
(r pv Œpv
(1-12)
Le modèle ressorti de ce travail n'a pas été appliqué pour les climats sahéliens, le
type de bâtiment et le préchauffage d'air ne correspondent pas à notre réalité sur
site, La résistance Rp représentant le courant de fuite est présente pour des cellules
de types amorphes ce qui n'est pas le cas du CRAER.
En effet, autant d'éléments apportés qui expliquent la nécessité de réaliser un projet
pilote de fonctionnement pour des installations de ce type sur site réel dans nos pays
du sud.
En conclusion générale, nous retenons pour la partie PV que les caractéristiques
de fonctionnement déterminées dans la littérature
tiennent compte de: la
température ambiante T du milieu d'implantation ainsi que l'éclairement global Q
incident sur le champ photovoltaïque, Mais, il faut signaler qu'aucune expression ne
souligne ni la modélisation par transfert de puissance, ni les simulations des
paramètres réelles sur la base du fonctionnement des installations sur site réel.
48
En conclusion
spécifique,
il
est important de souligner dans l'approche
méthodologique en accord avec les termes ci-joints:
•
Qu'il n'est pas prévu par les auteurs [1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11] une branche pour
tenir compte des phénomènes moins bien identifiés et qui sont représentés
par une résistance non linéaire" de fuite" Rfuite. Le courant correspondant à
cet élément n'est pas considéré comme faisant partie du "courant de jonction"
car représente surtout un courant perdu aux bords de la cellule, dans les joints
de grain,
•
Que les phénomènes liés à la recombinaison - génération de porteurs au sein
de la jonction, n'ont pas été considérés par les auteurs [1,5,6,7,8, 9, 10, 11]
et même dans les travaux qui suivent. Ces phénomènes dépendent de
l'épaisseur de la jonction, qui dépend elle-même de la tension de jonction. La
jonction graduelle peut influencer sur l'équation et généralement on ne tient
pas compte de sa non linéarité,
•
Que la température interne des modules a une influence sur tous les éléments
du modèle électrique. Le fait de ne pas avoir modélisé aussi dans [1, 5, 6, 7,
8, 9, 10, 11] ces éléments en faisant référence aux phénomènes physiques
qu'ils représentent handicape l'approche de précision recherchée dans la
modélisation. Il faut bien remarquer que les expressions introduites par les
auteurs, contrairement aux apparences, ne rendent pas compte de l'effet de la
température parce que les coefficients 10 dans le premier cas et Isc dans le
second cas qui y sont associés dépendent plus de la température que du
facteur ex potentiel. Ainsi, les courants Id augmentent avec la température
alors que les équations suggèrent plutôt une réduction du courant avec la
température. La connaissance de la température interne des modules est
cependant elle aussi assez difficile et liée aux difficultés des essais
expérimentaux et des essais qui sont faits en isolant les modules du point de
vue du rayonnement.
1-7·2 Bloc aérogénérateur
Dans cette composante peu de travaux sont consacrés à la modélisation des
systèmes de production d'électricité par aérogénérateurs de petites puissances pour
49
des sites isolés selon la synthése bibliographique qui analyse l'état de l'art de la
théorie et de la conception des aérogénérateurs.
Ainsi, la majorité des travaux rencontrés concerne les grandes puissances qui
versent sur le réseau. Pourtant, les aérogénérateurs produisent environ 0,2% de
l'électricité mondiale et 10% de l'énergie électrique vers 2020 [12].
Nous signalons que la plupart des travaux sont réalisés dans les laboratoires sur des
bancs de test.
Nous proposons les exemples de modélisation suivants qui paraissent les plus
pertinents pour notre étude.
Par conséquent, le modèle proposé dans [9] consiste en une modélisation de la
partie
éolienne
en
tenant
compte
de
trois
zones
du
fonctionnement
de
l'aérogénérateur pouvant servir d'exemple de recherche d'un modèle le plus proche
possible du réel.
La démarche appliquée dans ce cas est donnée comme suit:
P(V)=O pourV-<VCi
et p(V)=O
C p
pm; .[VJ(1- A + B) + V
p(V) =[
C pr '
r
2
pour V>-Vco
(1-13)
J
Vm(2A - 3B) + VVm(3B - A) - V B]] pour
m
(1-14)
(1-15)
Cpr
Cpm
= A[ Vm _1]2 _B[ Vm]3
Vr
Vr
(1-16)
D'autres modèles ont été proposés dans [2, 3, 10, 13, 14]. Il présente le
développement d'un contrôleur adaptif feedback linéarisation, d'une turbine à vitesse
variable d'une éolienne. Pour optimiser le transfert de puissance, il est nécessaire de
jouer sur l'angle de calage. Le but de cette régulation est de faire fonctionner
l'éolienne, pour une vitesse de vent donnée, à puissance maximale. Il existe divers
types de régulation de l'angle de calage des pâles. L'angle calage est soit
commandé par des masses en rotation utilisant la force centrifuge, soit par un
système hydraulique ou des moteurs électriques qui nécessitent une source
d'énergie externe. Le système hydraulique est néanmoins le plus utilisé dans les
aérogénérateurs de petite et moyenne puissance alors que le système électrique est
utilisé pour des éoliennes de très grande puissance. Le régulateur est conçu soit
pour le calage
de toutes les pâles
soit
pour celui
de
chacune
d'elles
indépendamment. lé:'! régulation indépendante donne beaucoup plus de degrés de
libertés au système de commande.
Cette indépendance est cependant dangereuse car elle peut entraîner un
déséquilibre
aérodynamique
dans
la
turbine,
au
risque
d'augmenter
considérablement les charges subies par certains éléments de l'éolienne. Un
système précis de mesure de la position angulaire est utilisé pour assurer que
l'angle de calage de chacune des pâles soit la même.
La mesure de la position angulaire est axée sur les études [10, 13, 14] de
La modélisation de la turbine qui consiste donc à modéliser le couple développé par
les pales de la turbine.
La puissance maximale disponible dans un site pour une vitesse du vent donnée
est:
proportionnelle au produit de la surface balayée par les pales,
proportionnelle le cube de la vitesse du vent.
Cette puissance est donnée par la relation suivante:
?"
= -1 p.S.v 3 (1 -17)
2
avec
S --
7[.
R2
(1-18)
- P est la masse volumique de l'air,
- R le rayon des pales,
-S la surface du vent balayé par les pales de la turbine.
La puissance et le couple de la turbine sont définis à partir de cette puissance
disponible par:
le coefficient Cp ,
le coefficient Cr'
Ces coefficients appelés respectivement coefficient de puissance et coefficient de
couple.
Ces deux coefficients sont liés par la relation suivante:
C)IL)=IL.Cr(IL)
- IL =
(1-19)
Rn , IL
est la vitesse spécifique,
v
-n la vitesse de rotation sur l'arbre,
-Cp le coefficient de puissance,
- Cr le coefficient de couple.
La puissance et le couple développés par la turbine sont donnés par les
relations suivantes:
p
1
= PC P = ~ptrR2v3C
2
p
>V
r = ~.Q = ~2 ptrR 3v 2 C r
(1-20)
(1-21)
1
51
bans le cas où le coefficient de couple est fourni par le constructeur, la modélisation
beut se faire avec une approximation exponentielle:
(1-22)
1_
Ài
1
0.035
--À, + 0.08/3
1]3 + 1
(1-22)
Ces paramètres permettent à partir du modèle mathématique en définissant les
équations, de réaliser des simulations à partir d'un logiciel pour adapter la turbine
éolienne au site.
Nous pouvons citer aussi, les travaux les plus répandus qui traitent des systèmes de
production d'électricité par aérogénérateurs connectés au réseau multi - sources
parmi lesquels on peut citer [15, 17, 18, .... J. Les machines utilisées sont des
génératrices asynchrones à cage de plusieurs kW ou MW. L'énergie produite passe
par des convertisseurs avant d'alimenter le réseau. L'un des bus continus est relié
au réseau alternatif par un convertisseur qui permet de contrôler les échanges de
puissance active et réactive avec le réseau.
Comme nous l'avons remarqué au paravent et dans les études [2, 3, 10, 13, 14, 15,
17, 18, .... l. les auteurs proposent des modéles qui traitent les technologie éolienne
à partir de trois zones de fonctionnement qui peuvent être distinguées pour chaque
aérogénérateur données par sa courbe de fonctionnement en zones:
•
zone 1 : C'est la zone de démarrage de la machine, elle commence lorsque la
vitesse mécanique atteint environ 70% de la vitesse du synchronisme de la
génératrice;
•
zone 2 : Dans cette zone, la vitesse de la génératrice atteint des valeurs plus
importantes, jusqu'à 90% de la vitesse nominale qui correspond à une
puissance voisine de la puissance nominale (Pnom) ;
•
zone 3 : Arrivée à cette puissance, une limitation est effectuée à l'aide d'un
système d'orientation des pâles (pitch control).
52
1.7.3 Conclusion spécifique
Les problèmes et inconvénients rencontrés dans la littérature peuvent se résumer
comme suit:
•
L'inconvénient des méthodes utilisées qui demande dans chaque cas de
mettre au point des lois de commandes et des algorithmes qui permettent de
piloter les redresseurs et les convertisseurs;
•
Le problème souvent rencontré dans ces travaux est qu'ils sont réalisés à
partir de bancs de test, alors que l'idéal pour ce type d'investigation est de
disposer d'un système à l'échelle réelle en accord avec les objectifs
recherchés comme c'est le cas du CRAER ;
•
Les raisons économiques sont les causes principales qui freinent des
réalisations à l'échelle réelle (les systèmes hybrides représentent des
investissements élevés, par exemple: la seule composante éolienne de
puissance 1OKw coûte à peu prés 20.000 Euros sans son installation et sans
tenir compte de la partie photovoltaïque, des accessoires et du site) ;
•
Les bancs de test ne tiennent pas compte des conditions climatiques et des
profils de vents des sites d'installation. Ils sont considérés déjà déterminés,
alors qu'ils peuvent être loin de la réalité des sites d'installation [14, 15,16,
17].
Les remarques retenues dans cette étude
L'étude bibliographique a permis de faire les remarques suivantes:
1) La présence dans les systèmes étudiés [1,5,6,7,8,9,11,12,25,26,27,28,
29, 30, 40, 41] d'autres éléments de générations, de convertisseur de
l'électronique de puissance et des charges et la diversité des grandeurs
électriques peuvent influencer sur la précision des modèles. C'est pourquoi il
est
important
d'augmenter
la
précision,
afin
d'anticiper
l'apparition
d'oscillations de puissances engendrées par la diversité des sources (hybride)
et qui peuvent influencer sur la qualité d'énergie produite,
2) La précision des phénomènes jusqu'alors simulés dans la littérature peut être
augmentée
(rendements,
en prenant en
tension,
compte et en
courant,
optimisant les paramètres
puissance,
température,
intensité
d'ensoleillement. ... ) en tenant compte des paramètres de fonctionnement,
53
3) les chaînes de conversions rencontrées dans la bibliographie ont été
modélisée et simulées à l'aide des logiciels MATLAB Simulink,
4) Les
publications
rencontrées
ne
mentionnent
pas
les
méthodes
de
modélisation à partir des transferts des paramètres de production et de
distribution de l'énergie électrique des systèmes hybrides,
5) Les publications ne mentionnent pas des études d'optimisations réalisées sur
des systèmes réels de petites puissances, pilotes hybrides.
1.7.4 Conclusion
Les objectifs tracés dans le cadre de ce travail sur l'optimisation des paramètres du
système n'ont pas été mentionnés dans la littérature pour des systèmes hybrides de
petites puissances. Sûrement, ils ont été naturellement limités dans les publications
[ 2, 6, 9, 10, 25, 26, 27, 28, 40, 41] pour des raisons de recherche de paramètres
précis (car plus un modèle est fin implicitement cela ce traduira sur ses paramètres
de fonctionnement).
Notons que la littérature étudiée dans le domaine des systèmes hybrides permet de
dire que l'idéal pour ce type d'investigation est de disposer d'un système à l'échelle
réelle en accord avec les objectifs recherchés.
Enfin, il faut souligner que plus on est exigeant envers le comportement du système,
plus cela nous conduira naturellement à envisager un modèle dont les hypothèses
fondatrices définissent le domaine réel.
1.7.5 Résultats importants retenus
En accord avec les objectifs définis dans le cadre de ce travail il sera axé plus sur
les comportements macroscopiques (paramètres de fonctionnements) qui peuvent
contribuer à renforcer les connaissances en gestion, exploitation des systèmes
hybrides qui ont un avenir certain dans nos pays du Sahel.
La modélisation et les essais seront donc réalisés, discutés et validés en tenant
compte de l'utilisant de la notion de transfert des paramètres d'entrée et de sortie des
différentes interfaces.
54
1-8 Système de production expérimental du CRAER
Les systèmes hybrides de production d'électricité décentralisés sont, en général,
couplés au réseau sans système de stockage ou bien isolés du réseau et donc
associés à un dispositif de stockage de l'énergie.
Le système pilote du CRAER peut être:
•
couplé au réseau;
•
isolé du réseau avec système de stockage;
Il admet aussi les fonctionnalités suivantes:
•
fonctionnement photovolta',que - diesel;
•
Fonctionnement éolien - diesel;
•
Fonctionnement hybride.
Objectif du site
Suite à une demande croissante de plus en plus accrue d'eau et d'électricité dans les
zones rurales et sites isolés dont la problématique peut trouver une solution dans le
dessalement pour pérenniser l'alimentation en eau potable, et dans le photovoltaïque
pour assurer l'énergie électrique, il a été mis à la place au niveau du Parc des
Energies Renouvelables
un
Centre de Recherche Appliquée aux
Energies
Renouvelables à la Faculté des Sciences et Techniques en fin 2005 (CRAER).
Le CRAER a des installations sous forme d'unités pilotes pour les études en
énergies renouvelables:
•
Fonctionnement des générateurs photovoltaïques comme source d'énergie
électrique pour un site bien déterminé pour différentes charges,
•
Fonctionnements électriques de l'unité dessalement de l'eau de mer par
osmose inverse,
•
Fonctionnement d'autres charges (Ordinateur pour Internet dans site isolé, le
froid, moteurs électriques).
55
En effet, la réalisation de systèmes d'électrification rurale autonome, fiable et
rentable, constitue une solution pratique et un enjeu économique au problème du
manque d'énergie et d'eau dans les régions désertiques.
Dispositif expérimental
Le dispositif expérimental est composé d'un système hybride de production
d'électricité (photovoltaïque, éolien, diesel) de puissance 5,7 kW couplé à une unité
de dessalement d'eaux saumâtres (osmose inverse) et d'autres équipements.
Image 1-21: Système d'acquissions des"données
L'installation du CRAER se compose des éléments suivants:
•
16 Panneaux solaires photovoltaïques à inclinaisons changeables (1,2 kW),
•
02 Aérogénérateurs (1,5 et 3 kW),
•
01 Groupe électrogène de secours (3,2 kW),
•
01 Système de stockage d'électricité de 24 batteries,
•
03 Régulateurs (01 photovoltaïque, 02 éoliens),
•
01 Convertisseur (48Vcc/220Vac),
ca
01 Système d'acquisition de données (33 paramètres dont les données
climatiques: vitesse du vent, rayonnement solaire global, température
ambiante),
ca
01 Climatiseur Split (1,1 kW),
56
•
Chauffe eau solaire (01 surpresseur 0,3 kW; 01 capteur plan 2m2; 01
stockage eau chaude 150 litres) disposant d'un logiciel de simulations de
consommations d'eau chaude,
•
Ordinateurs PC de travail et accessoires,
•
01 Ventilateur,
•
Système d'éclairage (03 lampes fluorescentes et 07 à incandescence).
Un tableau de contrôle permet d'obtenir plusieurs scènarios de fonctionnement des
différentes composantes du CRAER pour la production d'électricité:
1) Le
sous-système
photovoltaïque
la
production
production
(panneaux
assure
seul
(aérogénérateurs et groupe électrogène déconnectés) ;
2) Le
sous-système
éolien
assure
seul
la
photovoltaïques et groupe électrogène déconnectés) ;
3) Le groupe électrogène assure seul la production (aérogénérateurs et
panneaux photovoltaïques déconnectés) ;
4) Les
sous-systèmes
éolien
et
photovoltarque
fonctionnent
simultanément (groupe à l'arrêt) ;
5) L'ensemble du système de production fonctionne.
L'adjonction d'un convertisseur au système permet par ailleurs de faire des études
sur différentes charges en 220V altematif (plusieurs modes possibles de connections
de charges).
Plusieurs paramètres sont favorables au développement rapide de l'énergie solaire
et éolienne et font que ces formes d'énergie sont parmi les plus prometteuses pour
notre pays.
1.8.1 Présentation du site pilote du CRAER
Salle de commande du CRAER
Le système est suivi depuis la salle d'acquisition de données (ordinateurs, matériel
électrique de commande et pupitre de commande).
57
Image 1~22: Production de l'énergieélecthque du CRAER
.8.2 Transformation de l'énergie solaire dans le CRAER
'àn,ornio
•
émise par le soleil est captée de deux maniéres au CRAER :
La première utilise directement la chaleur des rayons solaires et permet le
chauffage de l'eau par un panneau solaire thermique: C'est la conversion
thermique de l'énergie solaire (principe du chauffe eau solaire) : le CRAER
dispose d'un chauffe eau solaire d'une capacité de 150 litres d'eau chaude
sanitaire.
•
La seconde utilise la transformation directe de l'énergie solaire en électricité:
C'est la conversion photovoltaïque: le CRAER dispose de 16 panneaux
solaires photovoltaïques de puissance 1,2KW.
Image 1-23: Installation pllotovoltaique plus panneau thermique au CRAER
58
--~-----
Image 1-25 : système de stockage constitué de. 24 batteries (02 V) duCRAER
Applications au CRAER
Plate forme de test photovoltaïque:
Le CRAER a initié un projet de test des panneaux photovolta'(ques à partir d'une
station d'acquisition de données automatique.
Image 1-26 matériels pour la qualification de la conception et homologation
Le dessalement de l'eau de mer:
Le procédé de dessalement utilisé au Parc des énergies renouvelables est celui de
l'osmose inverse, L'osmose inverse consiste en une filtration sous pression par
j'intermédiaire d'une membrane sélective. Cette membrane a la propriété de faire
passer l'eau douce et de constituer une barrière pour les sels dissous.
60
1.8.3 Transformation de l'énergie du vent
L'énergie du vent est utilisée au fil du vent pour produire directement de l'électricité.
Le CRAER dispose de deux aérogénérateurs de puissance 3 kW pour le plus grand
et 1,5 kW pour le plus petit.
Image 1-24 : Deux aérogénérateurs du CRAER
1.8.4 Le stockage de l'énergie
Les batteries dans le Parc permettent de stocker de l'énergie.
Le système de stockage dans la salle des batteries:
59
Image 1-27 : Unité d'osmose inverse auCRAER
Arrosage par goutte à goutte
L'arrosage par goutte à goutte est l'une des applications à vulgariser par le CRAER
pour introduire dans le pays des systèmes qui économisent l'eau.
Image 1-28 : système d'arrosage par gouttes à commande électronique auGRAER
1.9 Problématique et conclusion
Dans ce chapitre, nous avons décrit les sources d'énergies renouvelables existantes
et, en particulier, les systèmes hybrides pour la production d'électricité. Le
rayonnement solaire et le vent sont les sources se prêtant le mieux à une production
d'électricité décentralisée. Le travail concerne un système pilote de production
d'électricité hybride (solaire, éolien et groupe électrogène) associé à un dispositif de
stockage. L'objectif est de poser les bases de la maîtrise de l'optimisation de
l'exploitation optimale d'un tel système. À partir d'un système de production faible
puissance multi- sources et capable d'un fonctionnement autonome grâce à un
61
dispositif de stockage, nous souhaitons optimiser les paramètres de fonctionnement
des éléments de l'installation ainsi que les transferts de l'énergie, sachant que ces
deux aspects sont étroitement couplés.
Pour répondre à cette double problématique, nous considérons nécessaire de
chercher à établir des outils d'exploitation et de gestion des transferts d'énergie sur la
base de données de consommation et de gisement, puis dégager des règles sur la
base des éléments suivants:
Les modules solaire et éolien permettent de déterminer l'énergie que peuvent fournir
les systèmes de production pour des conditions météo et des technologies données.
Ces dernières sont fournies
à l'outil d'optimisation
avec
les données de
consommation, les caractéristiques du système de production, du dispositif de
stockage et de l'onduleur ainsi que leurs performances énergétiques. L'outil
d'optimisation nous donne alors les paramètres optima de fonctionnement des
différents èléments du système ainsi que la stratégie optimale des transferts
d'énergie.
Dans ce cadre il est important de souligner l'importance, dans une première phase,
des prévisions météo. Nous cherchons dans ce cadre à lier les paramètres du
gisement éolien et solaire du site et la production. car nous supposons que ces
connaissances permettront de maîtriser l'exploitation de ce type d'installation dans
un environnement hostile et agressif comme celui du CRAER.
La maîtrise de ces connaissances du système hybride depuis sa modélisation
jusqu'à la partie expérimentation de son fonctionnement permettra de prévisions
locales suffisamment précises.
En effet, il est important de signaler les conditions aléatoires des conditions météo et
l'incertitude à long terme (quelques années). Enfin, le profil du consommateur est
également non déterminé.
Dans une seconde phase une fois l'installation optimisée, il est nécessaire
d'optimiser les transferts d'énergie en temps « réel ». Vu le caractère aléatoire des
conditions météo et de la consommation une description en temps réel de la
consommation s'impose.
Les travaux présentés dans cette thèse et, en particulier, les parties développées
dans les chapitres 2, 3, 4, 5 et 6 comporteront:
Il
la modélisation du système photovoltaïque, du système de stockage, du
convertisseur et des charges;
62
Il
l'étude du fonctionnement du système en temps rèel ;
Il
la gestion des transferts d'énergie sur la base de données de consommation
et de gisement.
Validation des résultats
En vue de la validation il faut:
1) Établir des modèles électriques fiables et adaptés des sous-systèmes, afin de
pouvoir déterminer, à chaque instant, pour une consommation et un gisement
donnés, la puissance que peuvent fournir les systèmes de production et la
quantitè d'énergie qui doit être stockée dans la batterie. Il est nécessaire que
ces modèles soient suffisamment précis pour rendre compte des transferts
énergétiques;
2) Réaliser une étude technico-économique d'optimisation pour ce type de
système;
3) Réaliser une étude de dimensionnement d'un système exportable vers un site
réel vers le littoral;
4) Trouver un bailleur de fond pour le financement de ce projet;
5) Réaliser l'exportation d'un projet similaire au système pilote du CRAER au
profit des populations d'un village du littoral.
Pour mieux introduire l'étude nous proposons que:
1) Une synthèse des travaux soit réalisée dans ce domaine;
2) Une importance soit accordée aux phénomènes physiques régis par les
modèles PV - éolien - diesel qui nous permettront de limiter le travail
expérimental et numérique nécessaire pour déterminer les paramètres du
modèle.
1.10 Conclusion
Les objectifs tracés dans le cadre de ce travail sur l'optimisation des paramètres du
système n'ont pas été mentionnés dans la littératures pour des systèmes hybrides de
petites puissances; sûrement, ils ont été naturellement limités dans les publications
[1,5,6,7,8,9,11,12,25,26,27,28,29,30,40,41] pour des raisons de recherche
63
de paramètres précis, car plus un modèle est fin implicitement cela ce traduira sur
ses paramètres de fonctionnement.
Notons que la littérature étudiée dans le domaine des systèmes hybrides permet de
dire que l'idéal pour ce type d'investigation est de disposer d'un système à l'échelle
réelle en accord avec les objectifs recherchés comme c'est le cas au CRAER.
Enfin, il convient de souligner que plus on est exigeant en ce qui concerne le
comportement du système, plus cela nous conduira naturellement à envisager un
modèle dont les hypothèses fondatrices définissent le domaine réel.
En accord avec les objectifs définis dans le cadre de ce travail il sera axé plus sur
les comportements macroscopiques (paramètres de fonctionnement) qui peuvent
contribuer à renforcer les connaissances en gestion et exploitation des systèmes
hybrides qui ont un avenir certain dans nos pays du Sahel.
La modélisation et les essais seront donc réalisés, discutés et validés en tenant
compte de l'utilisant de la notion de transfert des paramètres d'entrée et de sortie des
différentes interfaces.
Référence bibliographie générale
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69
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Chapitre 2
Modélisation des systèmes de productions
Abdel Kader Kader Ou Id Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
70
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Chapitre 2 : Modélisation des systèmes de production
2-1 Introduction
72
2-2 Modélisation de la chaîne éolienne et solaire
73
2-2-1 Le dispositif expérimental
73
2-2-2 Modélisation d'une chaîne de conversion éolienne
74
a) Modèles mathématiques
75
a-1) La vitesse du vent
75
a-2) Modèle du profil du vent
76
a-3) Caractéristiques par types de turbine
77
a-4) Caractérisation de la turbine
77
a-5) Modèle de la courbe de puissance
78
2-2-3 Modélisation d'un générateur photovoltaïque
80
2-2-4 Modélisation d'un système de stockage
81
a) Modèle de la capacité
82
b) lV10dèle de l'état des batteries
83
c) Equation de tension en décharge
84
d) Equation de tension en charge
84
e) Rendement de charge
85
f) Discussion
86
2-2-5Modélisation d'un convertisseur statique
87
2-2-6 Modélisation des récepteurs
87
Conclusion générale
88
a) Rendements
88
b) les architectures du système
89
Références bibliographiques
90
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
71
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
2-1 Introduction
Dans le cadre de cette partie, nous proposons l'élaboration des modèles
mathématique pour les deux systèmes de productions du CRAER, afin de renforcer
la maîtrise de leur exploitation, surtout du point de vue des écoulements des
puissances de production en fonction des conditions météorologiques données ou
estimées. La modélisation a pour but d'établir les modèles mathématiques à la fois
précis qui régissent les fonctionnements physiques de l'installation étudiée sur site
pilote et en suite, retrouver par simulation l'influence des paramètres sur les
caractéristiques des générateurs pour un transfert optimum de son énergie vers les
récepteurs.
Dans ce chapitre, d'une part, nous présenterons d'abord la modélisation de la chaîne
de conversion éolienne, puis celle de la chaîne de conversion photovoltaïque.
Dans les deux cas notre choix se portera sur des modèles simples reg issants bien
les phénomènes physiques. Ces données tiendront compte des paramètres du
constructeur sur la base de la bibliographie étudiée.
D'autre part, le travail a pour objectif de contribuer à la définition des conditions
d'alimentation en énergie électrique par des système de production hybride
(aérogénérateurs - photovoltaïque -diesel) avec un système de stockage tampon,
pour des applications mettant en oeuvre des décharges électriques. Dans ce
contexte, notre objectif est la recherche, dans une approche système, de la meilleure
adéquation des caractéristiques du générateur d'alimentation et de la décharge
électrique.
Ainsi, nous considérons le générateur hybride du CRAER et son système de
stockage, comme un moyen d'action dans lequel on cherche un transfert optimum de
l'énergie électrique vers les récepteurs tout en cherchant à définir et contrôler au
bénéfice de cette adéquation.
Les retombées attendues de cette approche sont : les contrôles du régime de
fonctionnement de la décharge, l'augmentation du rendement énergétique du
traitement effectué par la décharge, une meilleure compréhension des interactions
entre la décharge, son générateur d'alimentation électrique et le système de
stockage.
Cette démarche s'appuie sur un ensemble de travaux dédiés à la mise au point de
modèles pour la décharge, destinés à rechercher les meilleures conditions
d'alimentation; celles-ci, une fois définies, permettent de préciser les caractéristiques
électriques à conférer au générateur pour une meilleur exploitation de ce type de
système. Nous attachons une importance toute particulière à la validation
expérimentale de ces travaux dans le cadre de cette thèse de modélisation et de
conception et particulièrement:
- Les applications mettant en oeuvre des dècharges
ont été étudiées en
collaboration avec le département de physique et le laboratoire des semi conducteurs de la FST de Dakar.
La modèlisation doit permettre une confrontation avec les résultats obtenus sur le
site réel par le système d'acquisition de donnèes du CRAER.
Abdel Kader Kader Ou Id Mahl110ud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
72
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d'Etat - Dakar
2-2 Modélisation de la chaîne de conversion éolienne et solaire
2-2-1 Le dispositif expérimental
Le dispositif expérimental éolien installé dans le CRAER est composé de deux
aérogénérateurs couplés à un système photovoltaïque.
Les aérogénérateurs se composent de turbines éoliennes qui entraînent des
génératrices synchrones triphasées à aimant permanent avec une force
électromotrice de 48 volts. La liaison entre la génératrice et le redresseur de diodes
de chacun des aérogénérateurs est de 120 m. Le redresseur de diodes de chacun
des aérogénérateurs débite sur un bus continu connecté à un système de stockage.
Le système photovoltaïque se connecte à la barre 48 V à travers un régulateur OC 1
OC.
Dans ce cadre, nous souhaitions élaborer un modèle de la chaîne de production
photovoltaïque et éolienne afin de déterminer la puissance qu'ils peuvent nous
fournir pour des conditions météorologiques données ou estimées. Les
modélisations qui sont obtenues doivent être à la fois précises pour rendre compte
des transferts énergétiques et suffisamment rapides pour permettre des simulations
sur de longues durées dans un temps de calculs raisonnables.
L'objectif final est de disposer de modèles suffisamment fiables, afin de servir dans le
CRAER comme des outils d'optimisation, du dimensionnement et de la gestion
d'un tel système.
La méthode de modélisation envisagée est choisie pour les raisons suivantes: elle
nous conduit d'une manière conforme à une modélisation de chaque partie (modèle
du système de génération, système de stockage, convertisseur et les charges). Nous
avons choisi la simplicité de l'approche pour tout le système sur la base d'une étude
bibliographique riche en accord avec le fonctionnement et à la maniabilité de la
production d'électricité par panneaux photovoltaïque du CRAER.
Afin, le système réel du CRAER à modéliser est composé des équipements
suivants:
Deux aérogénérateurs de puissance respectivement de (1,5 KW et 3 KW),
Lin générateur photovoltaïque de puissance 1200 W ;
Un régulateur qui a la mission de contrôler la charge et la décharge des
batteries;
Un système de stockage;
Un convertisseur statique (onduleur) de puissance 4500 W ;
Un groupe électrogène de secours de puissance 5000 W (G.E.S);
Une unité de dessalement d'eau (osmose inverse) ;
Et d'autres charges électriques.
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73
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Image 2-1 Synoptique du système photovoltaique du CRAER
La conversion dans les SEH est la transformation directe de l'énergie du
rayonnement solaire, de l'énergie éolienne, de l'énergie chimique et fossile (secours)
en énergie électrique, sous forme de courant continu directement utilisable au début
et de courant alternatif après l'utilisation d'un convertisseur. D'un point de vue
purement technique, on estime que les systèmes de conversion hybride sont
potentiellement capables de répondre à une grande partie de la demande
énergétique.
2-2-2 Modélisation d'une chaîne de conversion éolienne
Les résultats de l'étude de la bibliographie dans le chapitre 1 montrent que peu de
travaux sont consacrés à la modélisation des systèmes de production d'électricité
par aérogénérateurs de petites puissances pour des sites isolés [2,3, 6,12].
D'une part, les travaux rencontrés concernent les aérogénérateurs de grandes
puissances qui versent sur le réseau. Pourtant, les aérogénérateurs produisent
environ 0,2% de l'électricité mondiale et 10% de l'énergie électrique pourrait être vers
2020 [28].
D'autre part, il est important de souligner que la plus part des travaux sont réalisés
dans les laboratoires sur des bancs de test.
Le modèle mathématique proposé doit:
1) pouvoir exprimer les phénomènes physiques réels sur un site pilote
(CRAER) ;
2) être simple et proche de la réalité en tenant compte des données de la
courbe de puissance du constructeur;
3) permettre d'avoir une idée sur la puissance délivrée par chaque
aérogénérateur vers le système de stockage ou vers les charges à travers le
convertisseur;
4) permettre une confrontation des modèles de la littérature sur la base des
données du constructeur et des simulations réelles rigoureuses basées sur
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
74
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des modèles physiques avec des mesures réelles réalisées à partir des
données du système d'acquisition sur le site expérimentale du CRAER à
Nouakchott.
La modélisation comme convenu est réalisée à partir de la courbe de puissance
donnée par le constru,cteur pour ce type d'aérogénérateur. La modélisation est en
accord avec la modélisation de la courbe de puissance de l'aérogénérateur en
tenant compte de trois zones de fonctionnement.
1------\ CONVERTI:SS:EUiR
STATIQUE
Image 2-2: Chaîne de conversion éolienne
Le système de conversion éolienne du CRAER est accompagné par un capteur de
vitesse du vent (la vitesse est transmise au système d'acquisition de données). La
caractéristique de puissance optimale qui est donnée dans la littérature, est sous
forme non linéaire et en forme de cloche.
a) Modèles mathématiques
Nous avons retenu les modèles mathématiques pour les simulations suivantes pour
des raisons:
- de simplicité,
de représentativité des phénomènes physiques des SEH,
de précision des calculs,
Dans ce cadre nous donnons les modèles mathématiques caractérisant les SEH.
a-1) La vitesse du vent
La vitesse du vent d'un point de vue statistique est très importante pour un projet
éolien et en particulier si l'on considère une étude pilote dont le but est d'être
transférée dans des villages ciblés du littoral atlantique.
De même, la vitesse du vent est importante pour le calcul de la puissance produite et
du rendement de l'installation.
C'est pourquoi plusieurs auteurs considèrent que les propriétés dynamiques du vent
sur le site sont capitales pour l'étude de la chaîne de conversion éolienne car la
puissance éolienne est donnée en fonction du cube de la vitesse du vent sous
forme: Pm
1
) Y- .C
= 2'P.S1
p
fJ
(A,)
(21)
-
(La valeur maximale du Cp définie par Betz, est égale à 0.592.)
L'évolution du coefficient de puissance est une donnée spécifique pour chaque
éolienne, dans notre cas sont évolution en fonction de 'A et l'angle de calage 13 est
basée sur l'observation de données techniques de plusieurs éoliennes de petite
puissance.
Abdel Kader Kader OuId Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
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La valeur du coefficient de puissance Cp dépend de la vitesse de rotation de la
turbine et peut s'exprimer en fonction de la vitesse spécifique À et 13.
À,
== R.D.
v
où
p
est la vitesse linéaire périphérique en bout de pale de l'hélice et R
est le rayon de l'hélice.
Pour simplifier l'étude vue la rose du vent où 90 % des vents sont d'origine nord dans
le littoral mauritanien (alizés maritimes). Nous considérons que la surface active est
toujours en face du vent. Les observations de l'éolienne sur le site du CRAER ont
démontré que la zone active de l'éolienne est toujours dirigée dans la même
direction dominante du vent (le dispositif d'orientation maintient l'aérogénérateur
dans cette direction). Alors, le modèle du comportement du système est simplifié et
nous permet de modéliser la vitesse du vent comme une fonction scalaire qui évolue
dans le temps.
Soit le modèle réel de la vitesse du vent qui est donné à partir du système
d'acquisition de donnés à partir duquel nous allons chercher à déterminer les
équations mathématiques qui le régissent.
Le modèle mathématique se présente comme suit: Vv == f(t)
i
i
Vv ""Va + 2)an.sin(bnCûJ+\lfn)+ 2)bnocos(bIlCûJ+\lfIl)
(2-2)
11=;
n=f
Va - vitessemoyenne
,
Pour modéliser la vitesse du vent, nous allons chercher le modèle décrivant le plus
possible la distribution des vitesses du vent sur le site du CRAER. Ceci permet, en
particulier, de dégager une vitesse moyenne dans les intervalles de confiance autour
de cette moyenne ou de calculer la probabilité de l'existence d'une vitesse seuil.
Ainsi, nous pourrons tracer une courbe de puissance réelle des systèmes installés.
a-2) Modèle du profil du vent
Après avoir déterminé la vitesse du vent à une hauteur 2 0 , il est important de la
chercher à la hauteur 2 où nous allons placer l'aérogénérateur.
La vitesse enregistrée à 10 m pour le site du CRAER, nous permet de calculer
vitesse du vent à n'importe quelle hauteur à partir du modèle du profil par
méthode proposée par Justis et Mikhail. Cette méthode fonctionne une fois
vitesse du vent dans la zone présélectionnée est déterminée à une hauteur (20
:, r
la
la
la
=
10m).
~(:.
(2-3)
Les expressions utilisées dans l'équation:
v : Vitesse de vent à la taille désirée, Z ;
Vitesse de vent à la taille de référence;
Zo : Hauteur de la station de mesure;
Va
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Z : Hauteur de l'aérogénérateur.
a : Coefficient lié à la rugosité du sol, compris entre 0,1 et 0,4 (0, 01 correspond à la
mer, 0,16 à une plaine, 0,28 à une forêt et 0,4 à une zone urbaine), la modélisation
est valable s'il n'y a pas de changement de rugosité en amont (constante).
Pour la réalisation du calcul de la rugosité, il est utilisé l'équation proposée par
JUSTUS pour différentes hauteurs z et zOo
a== _ 1 _ _
ln
(z .zo)~
z
0,0881
1-0 881.1n(!JL)·
'10
[ln(VO ) )
(2-4)
6
Vo : Vitesse de la station
a : Rugosité
Zo :
Z
Hauteur de la station anémométrique.
: Hauteur de l'aérogénérateur
a-3) Caractéristiques par types de turbine
Les aérogénérateurs de petites puissances que nous rencontrons le plus souvent
sont caractérisés par leur nombre de pales par définition:
L'évolution de coefficient de puissance. est une donnée spécifique pour chaque
éolienne. Dans notre cas, l'évolution du coefficient en fonction de la vitesse
spécifique est basée sur l'observation des données techniques de plusieurs
éoliennes de petite puissance,
L'approche utilisée est donnée sous forme d'équation qui régit le cœfficient
aérodynamique de puissance en fonction de la vitesse de la vitesse spécifique.
a-4) Caractérisation de la turbine
Le système éolien étudié présente un aérogénérateur de 1,5 kW et 3 Kw de même
marque couplé à un groupe électrogène de 4 Kw et d'un système photovoltaïque.
Les aérogénérateurs de petites puissances que nous rencontrons le plus souvent
sont caractérisés par leur nombre de pales par définition:
Avant d'aborder la modélisation il faudra rappeler que l'on distingue trois principaux
paramètres de fonctionnement pour caractériser un capteur éolien et notamment son
efficacité. Le premier paramètre de fonctionnement est relatif à la vitesse
périphérique (ou vitesse en bout de pale) U=wR (avec w la vitesse de rotation de la
machine éolienne et R le rayon d'extrémité de la pale); le paramètre de rapidité ou
vitesse spécifique noté À est le rapport de la vitesse U à la vitesse V du vent:
À,
= U = OJ.R
V
V
Les machines peuvent être classées en fonction de ce paramètre: si À est inférieur à
3, l'éolienne est dite lente; par contre si ce paramètre est supérieur à 3, l'éolienne est
dite rapide.
Le second paramètre qui caractérise le capteur éolien est le coefficient de puissance
noté Cp. Il est défini par le rapport de la puissance Pm recueillie sur l'arbre moteur du
capteur et la puissance cinétique qui passerait dans le disque du rotor en son
absence:
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1
2
P,,, = 2.p·S
.v 3 .Cp (:t,jJ)
d'Etat - Dakar
(2 -5)
(La valeur maximale du Cp définie par Betz, est égale à 0.592.)
L'évolution du coefficient de puissance est une donnée spécifique pour chaque
éolienne, dans notre cas sont évolution en fonction de À est basées sur
l'observation de données techniques de plusieurs éoliennes de petite puissance,
L'approche utilisée est donnée sous forme d'équation qui régit le cœfficient
aérodynamique de puissance en fonction de la vitesse de rotation nominalisée (À)
peut s'écrire sous forme polynomiale comme:
2
3
4
Cp (.-1,) = ao + al:t + a 2 :t + a J :i + a 4 :t + ... + a,,:t"
(2-6)
n
Cp (:t)= IGj.:ti C'est la valeur maximale de ce coefficient Cp qui correspond à la
j~O
limite dénommée la limite de Betz du coefficient de puissance.
Avec:t = R.n
v
où RQ est la vitesse linéaire périphérique en bout de pale de l'hélice,
R est le rayon de l'hélice et v (vitesse du vent).
a-5) Modèle de la courbe de puissance
Le constructeur propose pour l'aérogénérateur une courbe de puissance dont la
vitesse de démarrage minimale est de 2 mis et comme vitesse maximale 25 mis,.
Ces valeurs correspondent aux aérogénérateurs de petites puissances modernes
dans la gamme inférieurs à quelques dizaines de kilowatt. Nous travaillons en
puissances normalisées.
Les modèles proposés dans la littérature qui traitent la courbe de puissance des
aérogénérateurs de petite puissance consiste à une modélisation par partie qui tient
compte de plusieurs zones de son fonctionnement. Cette démarche appliquée à
notre aérogénérateur nous donne l'équation convenable le caractérisant:
L'expression de puissance en fonction de la vitesse du vent est donnée suivant
l'équation (3) et fait suite à l'étude bibliographique approfondie.
Le constructeur donne \a courbe suivante:
Image 2-3 • Courbe de puissance
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O:(v-<vJ
Qj.v+b:(vC \ sv-<vJ
p=,
Q2'V+ b2 : (VI Sv -<
vJ
Q3,v+b 3 : (v 2 Sv -< v 3 )
Q4'V+ b4 : (VI Sv -< v 2 )
(2-7)
Qs,v+bs :(v[ Sv-<v 2 )
La courbe de fonctionnement montre six parties distinctes qui sont régies par les
équations du système P :
1) Partie 1 se trouvant dans la zone où le vent est trop faible pour faire tourner
la turbine, Alors, pas de puissance produite;
2) Partie Il, III et IV sont régies par la loi de la linéarité par morceau conforme au
phénomène physique enregistré à part quelques perturbations négligeables.
3) Une fois passée la vitesse nominale de vent, la puissance
de
l'aérogénérateur entre dans la zone V où une chute brisque liée au freinage
de protection du mécanisme;
4) Partie VI
enregistre une augmentation timide de puissance tolérée,
l'éolienne peut être stoppée par des moyens qui peuvent varier d'un modèle
à l'autre,
Conclusion
Les difficultés et les résultas qui sont obtenus permettent de faire la conclusion
suivante:
1) Le problème souvent rencontré dans les travaux de la bibliographie est qu'ils
sont réalisés à partir de banc d'essai, alors que, l'idéal pour ce type
d'investigation est de disposer d'un système à l'échelle réel en accord avec
les objectifs recherché comme c'est le cas du CRAER.
2) Les raisons économiques sont les causes principales qui freinent des
réalisations à l'échelle réelle, ou les systèmes
représentent des
investissements élevés par exemple: la seule composante éolienne de
puissance 10Kw coûte à peu prés 20.000 Euros sans tenir compte des
accessoires et du site) ;
3) Les bancs d'essai ne tiennent pas compte des conditions climatiques et des
profils de vents des sites d'installation. Ils sont considérés déjà déterminés,
Alors qu'ils peuvent être loin de la réalité des sites d'installation;
4) Les résultas obtenus peuvent contribuer à revoir le dimensionnement du
système CRAER et renforcer les connaissances théoriques permettant
d'exporter l'exemple de l'unité pilote vers les sites prédéterminés conforme à
la réalité demandé sur site.
5) Modélisation d'une chaîne de conversion photovoltaïque: La méthode de
modélisation envisagée est choisie pour les raisons suivantes: elle nous
conduit d'une manière conforme à une modélisation de chaque partie (modèle
de générateur PV, système de stockage, convertisseur et les charges).
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
79
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2-2-3 Modélisation d'un générateur photovoltaïque
Nous présentons ici la modélisation d'un générateur photovolta'ique. Nous donnons
dans une première étape, la modélisation pour un modèle idéal (cas d'un panneau
et celui de tout le système de génération) accompagné avec les caractéristiques du
générateur (courant du court-circuit, tension du circuit ouvert)
Dans une seconde étape, nous complétons l'étude par un modèle réel (cas d'un
panneau et celui de tout le système de génération) en tenant compte de l'influence
des paramètres (résistance en série; résistance en parallèle, flux lumineux)
Ces modèles sont construits à partir d'hypothèses ou des données des
constructeurs, ou des modèles de la littératures ou des simulations rigoureuses
basée sur une compréhension des phénomènes physiques. Chaque modélisation est
confrontée à des résultats de simulations du site présentées dans la suite de ce
travail.
a) Modèle réel
La traduction du modèle par des relations mathématiques est très complexe [4, 8, 9].
a-1) Pour un seul panneau
Le circuit électrique équivalent du générateur photovoltaïque permet d'utiliser le
modèle électrique réel constitué d'une diode associé avec des résistances (shunt et
série). Le modèle mathématique
réel du courant 1 délivré par une cellule
photovoltaïque tiré de la figure 2,8 est donné suivant l'expression [4,7,8, 9, 11,14].
Rs
~
ISh
ITh.
1
~~--
IV
Rsh
'"
Image 2-4: Circuit équivalent pour un panneau réel
1 =1 cc
[a - p(eY(V-Vco+Rsr) )]- V; RJ
(2-8)
Sh
On peut intégrer la température T dans l'équation 1 comme le montre
1 =1
Ja-
p(eY(V-Vco+Rsr)
)]+ .-t(T - TJ _ V; RJ
(2-9)
Sil
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80
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a-2) Pour tout le système de génération
Commençons par donner les spécifications techniques du système de production
photovoltaïque du CRAER sous forme du tableau suivant:
Spécification
Séries Numéros
Modèle
Nombre de panneaux
Mode de connexion
Nombre de cellules
Puissance maximale
Courant de court -circuit Icc
Tension de circuit ouvert Vco
Courant optimal Imp
Tension
optimale Vmp
r-Tension maximum de système
Sys
ATERSA 1000 W/m 2 25'C AM 1.5
98090135
AP-7105/A-75
16
4 groupes de 4 en séries
36
75W
4.8A
21 V
4.4 V
17 V
Max V 600V
L'équation relative au groupement mixte formé par la mise en série de Ns cellules
et Np en parallèles en accord avec l'équation (2-8) est le suivant:
a-3) Pour le bus continu
La régulation des transits de puissance permet d'imposer le courant capacitif au bus
continu. Le bus continu a une tension constante nominale de 48 V.
La puissance du bus est de : Pb'"
=U.J
2·2-4 Modélisation du système de stockage
La modélisation du système de stockage est considérée complexe par les auteurs
[5,10,13,14,40,41 et 42].
En effet, la plupart des modèles proposés emploient les paramètres dont les valeurs
doivent être ajustées à chaque batterie particulière. Ceci exige des expériences
coûteuses avant de concevoir un système, gênant l'utilisation répandue de ces
modèles. Les conditions de travail typiquement produites dans les systèmes
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
81
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photovoltaïques sont liées à l'état du système de stockage. A notre avis, un bon
équilibre entre la précision et la simplicité est réalisé par l'utilisation d'un modèle
généralement basé sur l'observation du phénomène physico - chimique d'une charge
et décharge.
La décharge et la charge données par l'équation, là où 1est le courant de la
charge ou décharge (suivant le signe) donné en ampères
L1 T et en "C. Quand ces équations sont appliquées à la simulation du système
photovoltaïque, il est recommandé de donner la valeur de Q qui est la quantité de
courant stockée par la batterie à chaque moment, et C la capacité totale des
batteries.
Le modèle décrit par les auteurs [1, 4, 7, 24, 25] pour la charge et
décharge est donné sous forme:
V
= nE
± nRJ
Avec les paramètres nominaux réel du système:
~ V=tension de batteries;
~
E=2 V force électromotrice. ;
~ n =24 le nombre d'éléments pris en série;
~ R= = 0, 45 mG résistance interne du système de stockage.
Dans notre cas le stockage du point de vue physique est étudié pour tout le
système à partir d'une unité (une batterie) de stockage.
. Alors, le système de stockage actuel du CRAER est composé de 24
accumulateurs électrochimiques en séries (Tudor). Les capacité du système est
prise pour C10 pour 260 Ah (C10 est la capacité en Ah. de la batterie en régime de
décharge à courant constant durant 10 heures d'où C10
10. 110 et une force
électromotrice de 48 V).
Le circuit équivalent du système de stockage peut être représenté dans
l'image suivante:
=
Image 2-5 : Circuit équivalent des batteries
a) Modèle de la capacité
Pour mesurer la capacité totale de la batterie, nous commençons de la pleine charge
et arrêterons jusqu'à ce que la tension arrive à une certaine valeur décrite dans la
littérature comme Vblim (tension de batteries limite).
Nous verrons que la valeur de cette capacité dépend de la température. En
exploitation la tension Vblim donnée par les conditions liées aux applications
photovoltaïques du site pilote du CRAER est souvent mesurée proche de la valeur
de 1.85 V dite Vblim pour une température des cellules photovoltaïques à 25"C.
Pour ressortir les phénomènes physiques qui régit le fonctionnement de la capacité
de notre système de stockage suivant les modèles proposés dans la bibliographie
[1, 10, 13, 24, 25 et 26]. Ces modèles supposent la température de l'échauffement
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82
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des batteries fixe et identique pour chaque élément des batteries. Alors que
réellement la température est un paramètre d'influence sur l'état des batteries. C'est
pourquoi, nous proposons le modèle de la capacité qui donne la quantité d'énergie
que peut restituer en fonction du courant moyen de décharge lb. L'expression de C
est la suivante:
f3 + œM)
C=C;o--(1
(2.20)
1+01
Avec:
CT =
0,
~
œ: et
Capacité de décharge pendant 10 h ;
CIO
f3 : sont de constants
T = T - 25 en 'C :
b) Modèle de l'état des batteries
L'état limite de la charge d'une batterie est donné généralement sous forme de EDC.
La valeur de cette capacité est divisée par la capacité nominale.
Évidemment, l'état de décharge se trouve dans l'intervalle 0<EDC<1 si EDC =1 la
batterie est considéré totalement chargée. Dans le cas contraire la batterie est
totalement déchargée pour EDC=O.
Dans ce cas nous exprimons la profondeur de décharge ou degré de décharge
(EDC: degré de décharge) selon le type d'accumulateur et l'usage auquel il est
destiné.
Q
EDC =1-C
(2.21 )
Avec:
=J *t
Quantité de courant stockée par la batterie
t : la durée de charge ou décharge par la batterie
Q
c) Equation de tension en décharge
L'expression de la tension de batterie est élaborée à partir de l'équation (2.19) et
suite d'une étude bibliographique approfondie (chapitre 1) qui nous permet de
donner une structure liée des éléments interne à la batterie, la force électromotrice,
la résistance interne et l'influence des paramètres comme dans (2.22).
V=n{E+/1 ~ (JQ+ act:.T) }-n H
CIO
~+
1+/-
1+ al
+
Q)
Il-/12
/13
(1- Àct:.T) (2.22)
(
\.
C
-
Avec:
)1, )11.' /12,/13
et
Àc :
sont de constants
Abdel Kader Kader Ol/Id Mahmol/d - Thèse d'Etat - modélisation SEH
83
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d) Equation de tension en charge
En effet, l'équation de la charge présente la même structure faisant apparaître
l'influence de la force électromotrice et celle de la résistance interne (2.23).
v
~ ++ l~~[('~WAr)}+nf:~ +(I~~)
IJ
+IJ}-ÀcATl
(2.23)
En conclusion
La modélisation de la charge est plus ardue que nous le pensons car il faut tenir
compte d'un ensemble de trois états possibles sous forme de charge, décharge et de
surcharge [1, 4, 10, 23, 24, 25J.
Ces états d'expression de la tension aux bornes de la batterie en charge sont
décrits par deux équations, l'une avant la décharge profonde et l'autre après
(surcharge ou Gassing).
L'équation de la tension en charge avant l'apparition du phénomène de Gassing est
similaire à celle obtenue en décharge.
La troisième équation tient compte des paramètres qui apparaissent comme tension
({ Vg» dans les calculs dite de Gazage et la tension ({ Vec» de repos de la batterie,
lorsque son état de charge ne varie plus. Alors la tension de batterie est notée:
Voc
~ nV, +n(V« -v,{I-ex{'~:' )]
(2.24)
les valeurs des tensions de gassing, Vg, et de fin de charge, Vec, ainsi que celle de
la constante de temps,
Voc
~
[
2.45 + 2.0 11.In(1+
1.73
Tg ==
(JL67
1+858.
~J J<! - 0.002.AT)
(2.25)
(2.28)
~
CIO
e) Rendement de charge
Nous parlons dans cette partie de deux types de rendement:
Les rendements coulombiens et les rendements globaux. Les premiers concernent
la capacité de la batterie à emmagasiner de l'énergie, ils ne font pas intervenir les
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84
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pertes Joules dans la résistance interne. Les rendements globaux tiennent compte
des rendements coulombiens et des pertes Joules.
Le rendement par effet joule correspond aux pertes résistives, et le
rendement coulombien (dont la valeur voisine les 100 % pour de faibles courants
de charge et un faible état de charge.
Tl
=1 -
exp
/
r
20 73
-
.
.( SOC - 1)
•
j
(2.29)
+ 0.)5
/10
L'évolution du rendement global sera représentée (rendement coulombien + pertes
Joules) de la batterie en charge et en décharge, en fonction de son état de charge et
de la puissance injectée ou soutirée.
f) Discussion
Tout d'abord, résumons ces phénomènes pour les systèmes de stockage sous
forme de tableau de description de fonctionnement des batteries. (Tableau 1)
Tension de
Zone de
batterie V
fonctionnement
V sc
saturation
Conditions de fonctionnement
V=Vec
Vec~ V ~Vg
gazage
I--------+------.--~
Vc
charge
1>0
V-< Vg
f-:V-e-d-c-----+--=T=-r~a-n-si:-:ti-o-n----+-~---1rVrc-~--:--V:-~rV-:-d-:-c--1 0< Tl c -< 1
Charge Idécharge
Vdc
1=0
décharge
!---"----~----1
sur décharge
V>- O.9VN
1<0
Décharge profonde
Tableau 1 : description de la zone de fonctionnement des batteries
La conséquence de cette modélisation est très importante sur l'étude de l'état
interne des batteries du point de vue processus physico - chimique dans le but
d'une meilleure gestion des transformations énergétiques. Le processus de
transformation de PbS04 vers Pb et Pb02 dans la batterie est accompagné du
dégagement de l'acide dans l'électrolyte Il est exigé que le courant entre dans la
batterie par l'anode, en raison de la diffusion et de la densité de l'électrolyte qui est
plus grande à l'intérieur des électrodes que dehors.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SErI
85
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Dans le cadre des applications photovoltaïque, il doit y avoir une certaine
considération de l'influence des paramètres [E (f.e.m) et R (résistance interne de la
batterie)] suivant:
1) Le dégagement de l'acide qui provoque une augmentation de E et une
diminution de R et ainsi une diminution du courant Ich (courant de charge)
avec R. L'augmentation de la tension à travers les bornes de la batterie est
exprimée par l'équation de la décharge,
2) Lorsque la charge est presque complète, le matériel actif commence à devenir
rare. Le courant continue à passer, bien que la batterie ne conduit plus les
réactions chimiques. Au lieu de cela le courant électrolyse simplement l'eau,
en le décomposant en oxygène à l'électrode positive et en hydrogène à
l'électrode négative (c'est l'état de gazage: voir les équations (2.24) jusqu'à
(2.27).
Les inconvénients, les avantages et les conséquences de ce processus du
point de vue intérêt pour la gestion du système de stockage peuvent se résumer
comme suit:
1) Les inconvénients incluent la perte de l'eau de l'électrolyte et de la corrosion
de la grille positive. Si le gazage est très intense, le matériel actif peut être
perdu des plaques par la drague créée par les bulles,
2) Les avantages incluent l'action d'agitation des bulles, qui tendent à
homogénéiser l'électrolyte et par conséquent à éliminer la stratification de
l'électrolyte. C'est la stratification qui signifie un gradient de densité croissant
vers le fond de la batterie. Elle cause la corrosion des parties les plus
inférieures des grilles.
3) Les conséquences, si l'eau est perdue on intoxique alors la batterie. Du point
de vue maintenance il faut rajouter de l'eau dans les batteries. Autrement dit,
si n'importe quelle pièce des plaques cesse d'être couverte par le liquide, les
dommages irréversibles peuvent se produire. Par conséquent l'entretien est
donc nécessaire, la fréquence dépend de l'ampleur de la perte.
Abdel Kader Kader Olild Mahmolld - Thèse d'Etat - modélisation SEH
86
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
~.2.5Modélisation d'un
convertisseur statique
onduleurs sont les convertisseurs statiques qui d'obtenir une source de tension
alternative (à la sortie) à partir d'une source de tension continue (à l'entrée) [2],
~es
Ele crro nkj ue
de commande
Source
d'entré e
·1······
én elgie
convertisseur sfa !kjue
1
_
.
én ergie
olJfce
ondulem
de sortie
Image 2- 6 : Rappel du schéma symbolique de l'onduleur
Le convertisseur monophasé est caractérisé par son rendement, qui est en
fonction de la puissance fournie à la sortie et il est donné par la relation:
1
TJ =
M (2.30)
1+-
Ps
avec M = le perte du convertisseur
PS== puissance de sortie du convertisseur
T ableau 3: caractéristique des convertisseur (onduleur)
tension
44-66vcc
Entrée cc
60A
Imax
Sortie CA
fréquence
50 Hz+/- 0,004% de req
220/230+/-0,02
tension
4500W
puissance
Facteur de -1 à1
permutation
Rendement
max
96%
nomin
85%
2·2·6 Modélisation des récepteurs
L'objectif principal vise à maîtriser le transfert énergétique dans le temps (maintien
du régime de décharge) et dans l'espace (homogénéité des décharges) par le biais
de la conception d'une électronique de puissance (convertisseur). Les applications
visées vont du traitement de l'eau saumâtre par osmose inverse, l'irrigation goûte à
goûte et tout dernièrement la réfrigération et la congélation (projet financé par le
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche de Mauritanie) au profit
des populations des pécheurs.
Ce domaine se nourrit des approches méthodologiques notamment menées au
niveau de la synthèse. Il devrait trouver encore plus de cohérence et « d'énergie
potentielle» .
Il existe deux types de consommation de charge, suivant l'utilisation alimentée par le
système solaire:
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
87
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Charge constante; ce type d'utilisation de consommation fixe (système
d'ordinateurs, éclairage etc), sa courbe de puissance en fonction du temps est
une droite,
Charge variable: ce type d'utilisation de consommation électrique fluctue lié
soit à la mise en marche du panneau thermique ou de l'osmose inverse au
démarrage et autres .ces charges sont représentées par la demande variable
ou constante durant la journée, le mois ou pendant l'année.
La puissance électrique délivrée par le système à l'utilisation, est celle qui est débitée
à la charge Ps
Ipar l'onduleur
(2.31 )
Nous considérons le rendement de la batterie constant, le rendement total du
système est déterminé par la relation suivante:
(2.32)
Conclusion (récepteurs)
La modélisation de chaque partie, nous conduit à déterminer le fonctionnement du
système à chaque heure de la journée, ainsi que la puissance débitée à l'utilisation
en fonction des caractéristiques des éléments du système, des données
d'éclairement solaire et de la température.
Conclusion générale
a) Rendements
Dans les propriétés d'un système de conversion d'énergie comme celui traité dans ce
chapitre, outre la fonction remplie, le rendement du traitement de l'énergie constitue
une qualité de premier ordre: s'il dépend de la gestion de l'énergie dans le système
global, il est naturellement lié aux pertes attachées aux phénomènes irréversibles
des conversions d'énergie. En effet, de façon générale, toute conversion réversible
impliquant un travail est liée à une transformation énergétique. Dans notre cas les
transformations énergétiques réelles du CRAER sont complexes et touchent la plus
part des phénomènes physiques connues comme: transformation de la vitesse du
vent, de l'ensoleillement en énergie électrique d'une part.
D'autre part, transformation de l'énergie mécanique ou chimique en énergies
électriques ou autres (énergie libre qui s'accompagne de production, ce qui conduit à
définir un rendement qui dépend des conditions imposées par l'environnement en
termes de température, de pression, de potentiels, de charge (équation 2.29), de
décharge. ou de puissances électriques (équations: 2.30, 2.31 et 2.32) à travers
différentes fonctions de transferts). Mais à ce rendement dépendant des conditions
Abdel Kader Kader Qulct Mahmoud - Thèse ct' Etat - modélisation SEH
88
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
dans lesquelles s'effectuerait la conversion réversible à l'équilibre s'ajoutent, nous
l'avons vu, les pertes inévitablement liées aux phénomènes irréversibles ainsi que
celles liées aux imperfections des réalisations pratiques (cas du système de
génération, cas du convertisseur, cas des batteries, cas des charges et autres
comme les rendements intermédiaires de natures différentes qu'il faut préciser
suivant les phénomènes, les composants concernés et les conditions d'utilisation.
Notons, que pour des raisons liées aux objectifs de maîtrise de fonctionnement fixés
dans le cadre de ce travail, nous n'avons pas approfondi les rendements
intermédiaires du point de vu électronique dans le convertisseur, du point de vue
thermodynamiques, thermique, mécanique et chimique. Ces phénomènes seront
sûrement développés dans des travaux futurs dans les deux laboratoires (Semi conducteurs de la FST de Dakar et le CRAER de la FST de Nouakchott).
b) les architectures du système
Nous avons développé aussi, des modèles mathématiques pour les architectures de
système incluant ces composants de production et/ou de stockage d'énergie
électrique dans des procédures de conception simultanée. La collaboration entre le
laboratoire des Semi -conducteurs et du département de physique de la FST de
Dakar et le CRAER de Nouakchott ont d'abord permis, à l'image de ce que nous
connaissons avec les modèles de type circuits équivalents appliqués aux systèmes
électriques, de développer des modèles génériques (DEA et thèse d'Ahmed à
l'UCAD) conservant autant que possible le lien entre les paramètres du modèle et les
phénomènes internes traduits au niveau macroscopique, suivant une position qui se
révélent efficaces pour la commande mais peu génériques dans une optique de
conception. Suivant cette démarche, une structure générique de modèle électrique
équivalent traduisant la réalité structurelle observée dans les cellules et les
aérogénérateurs exprimant les phénomènes physique indépendamment de leur
importance relative a été proposée.
Nous avons considéré les différents phénomènes attachés à la physique que nous
avons décrits et qui donnent une autre dimension à la maintenance du système de
stockage en particulier et à l'ensemble de l'installation.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - modélisation SEH
89
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Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Chapitre 3
Résultats de simulation sur MATLAB
Abdel Kader Kader OuId Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
95
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d'Etat - Dakar
Chapitre 3 : Résultats de simulation sur MATLAB
1- Introduction
97
2. Simulation de la vitesse du vent
98
3-Caractéristiques par types de turbine
99
4 -Caractéristique de l'aérogénérateur
101
5-Générateur photovoltaïque
103
5-1 Modèle réel
103
5-1-1 Cas d'un panneau
103
5-1-2 Cas de tout le système
103
6-lnfluence des paramètres sur caractéristiques
104
6-1 Flux lumineux
104
6-2 Résistance en série
105
6-3 Résistance en parallèle
106
7- Simulation pour un système de stockage
107
7-1 Influence de la température
108
7-2 Influence du temps
110
Etat des batteries
111
8-Résistance de la batterie
112
8-1 Résistance en décharge
112
8-2 Résistance en charge
113
9- Simulation d'un convertisseur
113
10-Conclusion spécifique
114
11- Conclusion générale
114
Référence bibliographique
115
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
96
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d'Etat - Dakar
1- Introduction
Nous avons opté pour développer les méthodes de simulations qui permettent
de répondre à l'augmentation continu de
la consommation énergétique en
électricité dans les régions sahariennes et arides isolées. L'énergie des SEH est
parfaitement adaptée pour les besoins de ces régions. Dans ce chapitre, nous
étudions le fonctionnement d'une installation hybride par simulation, à partir de la
modélisation mathématique de chaque partie de l'installation. Dans ce cadre nous
avons utilisé un outil informatique Matlab qui permet de déterminer à chaque
instant le fonctionnement et la caractérisation des parties du SEH.
Rappelons aussi que dans les deux chapitre précédents, nous avons présenté
les bases qui
ont permis de développer sous l'environnement MATAS/
PROGRAMMATION, les modèles de simulations de toute la chaîne de
conversion des SEH. Ces modèles de simulation peuvent être utilisés par partie,
ce qui nous permet d'adapter le modèle mathématique aux objectifs des
simulations.
Cependant, il est important pour nous de répondre à la question
d'influence des paramètres dans un contexte sahélien sur les SEH comme suit:
le générateur hybride (éolien- photovoltaïque),
Les batteries;
L'onduleur.
Pour approfondir les investigations nous avons fait appel à des simulations sur
des situations variées
représentatives du fonctionnement de la chaîne de
conversion d'énergie.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
97
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
2. Simulation de la vitesse du vent
La simulation de la vitesse du vent réalisée à partir de
Matlab montre que le
modèle répond à une forme proche physiquement de la vitesse du vent et sa
variation. En effet, le modèle mathématique est construit d'abord grâce à sa
décomposition spectrale réelle. L'intérêt de ce modéle est de pouvoir disposer
d'un modèle mathématique qui peut être à la base d'un simulateur physique. Il
permettra ainsi de tester l'efficacité d'un système éolien.
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Modèle 3-1 : v itesse du vent
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Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
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Modèle 3-2 : Evolution de la vitesse du vent
3-Caractéristiques par types de turbine
Les aérogénérateurs de petites puissances que nous rencontrons
le plus
souvent sont caractérisés par leur nombre de pales par définition:
L'évolution du coefficient de puissance est une donnée spécifique pour chaque
éolienne, dans notre cas sont évolution en fonction de
A est basées sur
l'observation de données techniques de plusieurs éoliennes de petite puissance.
Les caractéristiques sont réalisées à partir du modèle mathématique (chapitre 2).
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
99
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Modèle 3~3 :Coefficierlt Cp des turbines réelles à axehorizontalà 1, 2 et3 palesen
.
.
..
'fonction de Jav itessed e rotation, nonnali sée. Îi.
L'Image
de
l'évolution du coefficient de puissance Cp pour des turbines
réelles à axe horizontal à 1, 2 et 3 pales, permet de noter que sa valeur reste
bien en dessous de la limite de Betz (0,59). Ces courbes dépendent pratiquement
du profil des pales. Si l'on considère la machine bipale, on peut dire que son
coefficient de puissance est maximum pour 12, c'est-à-dire une vitesse
périphérique au bout de pale égale à 12 fois la vitesse du vent. C'est pour une
telle vitesse normalisée que l'on maximise le rendement aérodynamique. Pour un
diamètre et vitesse de vent donnés, un aérogénérateur à une pale a une vitesse
de rotation plus élevée qu'une tripale et qu'une bipale. Il a une vitesse en bout de
pales à 16 fois la vitesse du vent.
La courbe Cp modélisée pour une, deux et trois pales des aérogénérateurs de
petites puissances passe par un maximulT) ( 'A max) qui est compris entre 5 et 16
environ, selon le nombre de pales de la turbine et c'est seulement pour cette
valeur que Cp approche la valeur de 16/27.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
100
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d'Etat - Dakar
4 -Caractéristique typique de puissance de l'aérogénérateur
Le constructeur propose pour l'aérogénérateur une courbe de puissance dont
la vitesse de démarrage minimale est de 2 mis et comme vitesse maximale 25
mis. Ces valeurs correspondent aux aérogénérateurs de petites puissances
modernes dans la gamme des puissances inférieurs à quelques dizaines de
kilowatt. Il faut remarquer que nous travaillons en puissances normalisées.
Les modèles proposés dans la littérature qui traitent la courbe de puissance des
aérogénérateurs de petite puissance consiste à une modélisation par partie qui
tient compte
de plusieurs zones de son
fonctionnement (voir le modèle
mathématique dans le chapitre 2 de la page 74). Cette démarche appliquée à
notre aérogénérateur nous donne l'équation convenable le caractérisant.
La programmation de l'équation à partir de Matlab
permet d'avoir
l'allure de
l'image. Cette allure est proche de celle donnée par le constructeur dans son
catalogue.
i+:
jc.•.
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.
.
1
Mod~le 3-4 : Courbe de puissance de l'aérogénérateur (modèle et réel)
Abdel Kader Kader Ou Id Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
101
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Modèle 3-4 (suite) : superposition modèle constructeur et modèle mathématique
La courbe de fonctionnement montre six parties distinctes qui sont régies par les
équations du système P (voir le modèle mathématique dans le chapitre 2 de la
page 74). Cette courbe est très proche en comparaison avec celle donnée par le
constructeur et peut être retenue comme modèle.
Les zones de fonctionnement:
- Partie 1se trouvant dans la zone où Le vent est trop faible (vent inférieur à
2m/s) pour faire tourner la turbine, Alors, pas de puissance produite;
- Partie Il : entre la vitesse minimale de 2m/s et 6,5m/s la puissance enregistrée
est de 650w. Nous rappelons que cette zone est régie par la loi où la puissance
est fonction du cube de la vitesse de vent.
-Les partie III et IV sont régies par cette même loi
qui montre une linéarité
conforme au phénomène physique enregistré à part quelques perturbations
négligeables.
Une fois passée la vitesse nominale de vent, la puissance de l'aérogénérateur
entre dans la zone V où une chute brisque liée au freinage de protection du
mécanisme;
Partie VI enregistre une augmentation timide de puissance tolérée, l'éolienne
peut être stoppée par des moyens qui peuvent varier d'un modèle à l'autre.
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102
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d'Etat - Dakar
5-Générateur photovoltaïque
Nous présentons ci-joint la simulation d'un générateur photovoltaïque (cas d'un
Ipanneau dans un premier cas et de tout le système de génération photovoltaïque
Idans un second cas) pour un modèle réel
avec l'influence de ses
différents
lparame' tres.
5-1 Modèle réel
5-1·1 Cas d'un panneau
Modele 3-5 : Caractéristique de l 01), PCV) d'un panneau réel
Cette caractéristique d'un panneau réel est obtenue pour les paramètres
simulation suivantljl:::: 1000W 1m 2 , Rs
=sn
etR sh
= 700.0.
de
Dans laquelle on tient
compte des pertes au niveaux des résistances séries et parallèles
Cas de tout le système de génération photovolta",que
D'une part, nous constatons une courbe proche de celle d'un panneau dont
les données tiennent compte de la résistances pour tout le système suivant les
paramètres de simulation: ljI = 1OOOW 1 m 2 ,R s
= sn
1
RSh = 700.0 et I\IP=NS=4.
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103
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d'Etat - Dakar
D'autre part, nous retenons tout ce qui a été dit concernant le comportement
d'un panneau en fonction du flux lumineux et de la température où l'influence des
résistances série et shunt, ou concernant son interaction avec la charge .
.
,.
t
1
1
-----.-r-------?-------T-------T----7
,
..
lvfodèle 3-6: Caractéristique l
,
.. ------.-.-----.-----.. -------.
.
...
.....
,
------~_.-._-,.
..
,
,
l'
-~
1
1
•
•
,
01) ,PCV) d'un générateur réelle
6-lnfluence des paramètres sur les caractéristiques
6-1Flux lumineux
Les paramètres de simulation suivant: '!/:= 1000W (m 2 ,'!/:= 900W (m 2 '!/:= 800W (m 2
l
Rs
= SQ
et Rsli
:=
1
700n ont permis de trouver une courbe courant tension évoluant
au fil du soleil ainsi que l'illustre l'image dans laquelle le courant de court circuit
diminue avec l'éclairement, alors que la valeur de la tension à vide reste la même et
le point de fonctionnement optimale se déplace sur une droite à peu prés constante.
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104
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d'Etat - Dakar
Modèle 3-7: Influence de flux lumineuse
6-2 Résistance série:
Les paramètres de simulation sont: Rs
Ij/
= 1000W / m
2
= on ,Rs = 0,5Q ,Rs = ln,
R Sh
= 500.0
et
L'image actuelle montre l'influence de la résistance série sur la
caractéristique 1= f (V) sur le système de production photovoltaique. Le
prolongement de la courbe (vers sa limite en pointillée) correspond à une valeur
non nulle de RS. L'influence de la résistance série se traduit par une diminution
de la pente de la courbe 1= f (V) dans la zone ou le système de production
photovoltaïque fonctionne comme source de tension (à droite) pratiquement
constant jusqu'à une limite montrée par l'image.
La chute de tension
correspondante est liée au courant généré par les cellules de l'ensemble des
panneaux qui sont mis en jeux.
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105
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Modèle
3~8:
d'Etat - Dakar
Influ.ence detésistance en série
6-3 Résistance en parallèle
La caractéristique actuelle est réalisée à partir des paramètres de simulation
suivant: Rs
= sn,
RSh
= soon, RSh =1000n
,R Sh
= 1500n
et If/ = l OOOW / m
2
dans
lesquelles la résistance shunt qui est liée directement au processus de
fabrication. L'irrl:luence de cette résistance est pour de faibles valeurs du courant.
Le processus de cette influence se traduit par une augmentation de la pente de la
courbe de puissance
dans la zone correspondant à un fonctionnement
ressemblant à la source de courant (voir la zone gauche).
Le phénomène est obtenu en soustrayant du photo courant, outre le courant
direct de diode, un courant supplémentaire variant linéairement avec la tension
développée.
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Modèle 3- 9: Influence de résistance enparallele
7- Simulation pour un système de stockage
Pour réaliser les simulations
d'étude de la variation et l'influence de la
température (T) sur la capacité de charge (C), l'état des batteries (EDC) et la
tension des batteries (Vb). Dans un second cas la variation et l'influence de la
durée (t) de charge et décharge sur l'état des batteries (EDC) et la tension des
batteries (Vb).
L'influence de la
résistance de la batterie est étudiée pour la résistance en
décharge et de la charge.
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107
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7-1 Influence de la température
Pour réaliser les simulations sur l'influence de la température, nous retenons
la variation suivante: 26 "C, 35 "C et 45 "C. L'im age montre un comportement
des caractéristiques de fonctionnement de base du système de stockage suivant
l'influence de la température et de la capacité de stockage.
Modèle 3-9: Influence de la température sur la capacité
L'Image montre que l'augmentation de la température est accompagnée d'une
remontée modérée avec celle de la capacité de stockage des batteries. Si, cette
température baisse jusqu'à la valeur T= 26"C, alors la capacité est proche de
440Ah pour un minimum. Elle peut atteindre des valeurs maxima de 45'C pour
une valeur qui approche les 500Ah.
Nous considérons que les constructeurs de ces installations doivent tenir compte
des climats dans lesquels ces installations sont destinées pour donner des
rendements maxima.
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108
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Etat des batteries
La profondeur de la décharge exprimée par l'équation est donnée sous forme 1EDC, c'est le complément de l'état de charge. Le régime de charge (ou décharge)
est employé pour exprimer le rapport entre la capacité nominale d'une batterie et le
courant de charge (ou décharge).
Modèle 3-10: Influence de la température sur l'état des batteries
EDC est exprimée en fonction de la durée de charge en heures et de l'ampérage.
Dans notre cas le système
de stockage donne une valeur de 2600 Ah est
déchargée à 26A, le régime de décharge serait alors de 100 heures et la valeur
du courant déchargé est écrite comme 1100.
Modèle 3-10:
permet d'exprimer les phénomènes de charge et décharge
comme suit: Dans le cadre de la charge la température en diminuant est
accompagnée d'un état de charge qui augmente l'état de charge,
Par contre dans le cas de la décharge la température en diminuant, l'état de
charge suit.
Ces états peuvent conduire dans le cadre de la maintenance des batteries un
meilleur suivi de leur état pour le site étudié et une meilleure optimisation.
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
109
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d'Etat - Dakar
Tension des batteries
..:.---- -~.--- --. -_.~ --
~--;..c.;.;--.;;,:--.:..:
Modèle 3-11: Influence de la température sur la tension des batteries
Les courbes de la tension de batterie
[V (1)] subissent l'influence de la
température d'une manière similaire à l'ètat de la batterie EDC dans le deux cas
charge et décharge parce que V
=f (EDC, t, T,
1) .
Par exemple dans le cas de décharge la température en diminuant, j'état de
décharge suit.
7-2 Influence du temps
Etat des batteries
Nous avons étudié l'influence da la température sur l'état des
batteries, nous proposons ci-joint l'influence du temps (durée de charge ou
décharge) sur l'état des batteries illustré dans les images.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
110
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d'Etat - Dakar
Modèle 3-12: Influence du temps sur l'état des batteries
Modèle 3-12 permet d'étudier les deux cas suivant:
Dans un premier temps regardons l'état de charge, plus la durée du temps
augmente plus l'état de charge des batteries est en dessous de 1 (par exemple
pour t=3h et C=200Ah, nous avons une valeur pour EDC proche de 0,2 EDC),
Dans le cas de décharge plus la durée du temps est importante pour (t=3h, pour
C=200Ah, nous avons une valeur qui approche les 0,8 EDC).
En conclusion l'état de décharge atteint sa valeur maximale pour une décharge
de longue durée. Alors qu'il enregistre pour cette même durée pour la charge un
phénomène inverse.
Tension des batteries
- 1 = 3h
-j=2h
-,--_ •...... ~ ... _--------- -
1= Ir.
Modèle 3-13:Influence du temps sur la tension des batteries
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
III
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es courbes de la batterie
d'Etat - Dakar
décharge [V (1)] subissent l'influence de la durée
Id'une manière similaire à celui EDC parce que V = f (EDC, t, T, 1).
8-Résistance de la batterie
8-1 Rés istance en décharge
D'un point de vue électrique nous pouvons tirer les conclusions suivantes:
D'un point de vue électrique, intoxiquer correspond à l'augmentation substantielle
de résistance parce que le courant ne peut passer facilement dans la batterie.
Retournons au deuxième terme de l'équation (2.22) nous montre que la
résistance interne est directement liée à l'état de décharge de l'accumulateur.
Lorsque la batterie est chargée, la résistance interne est faible et elle devient
importante pour un état de décharge proche de 0, ce qui dégradera fortement le
rendement en décharge dans cette zone de fonctionnement. L'image montre
l'évolution de la résistance interne pour notre accumulateur de 24 éléments en
séries
Modèle 3-14: Résistance de décharge
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse d'Etat ~ simulations Matlab
112
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d'Etat - Dakar
8-2 Résistance en charge
La résistance interne dépend encore de l'état de charge. Sa valeur devient
d'autant plus importante lorsque nous approchons de la pleine charge. Dans un
raisonnement à courant constant, il y aura d'autant plus de pertes que nous nous
approchons de la pleine charge et le rendement en charge de l'accumulateur sera
donc plus faible dans cette zone de l'image.
Modèle 3-15 : Résistance de batterie en charge
9- Simulation d'un convertisseur
Dans le cas du convertisseur Trace de 4500 W de puissance le catalogue donne
un rendement qui varie entre 85 et 96 %. Pour ces deux extrêmes nous avons
des pertes suivantes:
1) minimum M = 180W (pour un rendement maximum 96%),
2) maximum M = 675W (pour un rendement mil'limum 85%).
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
113
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d'Etat - Dakar
Modèle 3-16: Rendement du convertisseur
L'image montre que le rendement démuni suivant l'augmentation des pertes.
10-Conclusion spécifique
En conclusion et en accord avec les objectifs, nous avons fait appel à des
simulations sur MATLAB pour des situations variées
représentatives du
fonctionnement de la chaîne de conversion d'énergie permettant ainsi de
, conclure sur une modélisation fiable.
En effet,
les résultats obtenus ont permis de montrer une bonne et précise
simulation du comportement énergétique du système complet
11- Conclusion générale
Différentes éléments ont été simulés suivants les modèles mathématiques proposés.
Au vu des différentes contraintes, notre choix a porté sur une simulation par partie.
Cette structure permet à la fois une utilisation correcte des éléments de stockage.
Comme nous le verrons dans le chapitre fonctionnement, cette architecture proposée
théoriquement et simulée permet également une meilleure stabilité vis-à-vis du
démarrage des moteurs du CRAER.
Finalement, cette structure a fonctionné avec un système de stockage et un groupe
électrogène de secours est totalement novatrice pour nous qui cherchons à
universaliser J'accès à l'eau, l'électricité et les technologies de communications dans
nos pays du sahel et mérite d'être validée (voir chapitre quatre) et exploitée
expérimentalement (chapitre cinq). Nous avons donc réalisé une simulation pour les
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
114
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d'Etat - Dakar
systèmes de production, le système de stockage pour approcher le réel avec toutes
les régulations pour confirmer son fonctionnement avant de passer à la phase
expérimentale et application (chapitre six et sept). Nous pouvons constater que
l'architecture proposée par les simulations théoriques réalisées répond bien au
cahier des charges.
Référence bibliographie
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n~,
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Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - simulations Matlab
117
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Chapitre 4
Validation des modèles mathématiques
du système hybride
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiQues
118
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Chapitre 4 : Validation des modèles mathématiques
120
4-1 Introduction
4-2 Validation du système de production éolien
121
4-2-1 Vitesse du vent
121
4-2-2 Courbe de puissance de l'aérogénérateur
122
4-3 Générateur photovoltaïque
123
4-4 Système de stockage
124
125
4-4-1 Phénomènes de décharge
4-4-2 Phénomènes des charges
125
4-5 Convertisseur
126
4-5-1 Rendement élevé
127
4-5-2 Rendement moyen
128
4-5-3 Rendement bas
128
130
4-6 Conclusion spécifique
131
4-7 Conclusion générale
132
Références bibliographiques
Abdel Kader Kader Ould Mahl1loud - Thèse d'Elat - Validation des modèles mathématiques
J
19
Université Cheikh Allta Diop - Thèse
d'Etat - Dak3r
4·1 Introduction
Dans ce chapitre, nous nous proposons de donner une autre illustration des
possibilités offertes par les modèles mathématiques développés en représentation et
les simulations théoriques et réelles pour l'étude systémique de dispositifs complexes
de conversion d'énergie hybride. Nous décrivons des études menées sur le système
pilote de Nouakchott réalisé au Centre de Recherche appliquée aux Energies
Renouvelables. L'objectif de ce projet pilote démarré en 2001 était de résoudre le
problème de l'eau (par osmose inverse et par arrosage par goutte) et l'alimentation
en énergie électrique de différentes charges par systéme hybride (multi - sources)
de production d'électricité. Actuellement, le PNBA connaît quatre stations de
dessalement de l'eau de mer par osmose inverse et un système de génération
hybride installé à Aghadir (Iles du littoral mauritanien) par l'équipe du CRAER avec
succès lors de l'édition en 2006. Plus largement, ce système hybride sera généralisé
au bénéfice de nos pécheurs lmraguens en établissant un lien tout à la fois
symbolique et concret entre les énergies renouvelables et les besoins en eau.
Ainsi, après avoir décrit les modèles mathématiques de tout le système complet,
nous en illustrons ici la validation expérimentale sur la base des simulations réelles
Notons que l'étude nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement du
système de génération hybride qui depuis plusieurs années fait partie intégrante de
notre milieu. Nous avons vu, étudié l'efficacité de cette énergie dans le but d'une
meilleure application.
Pour nous, chercheurs et enseignants chercheurs des pays du sahel, cette
expérience a été enrichissante et a répondu à nos attentes.
Nous vous présentons dans cette partie les résultats:
validation du modèle mathématique de la vitesse du vent;
validation de la courbe de l'aérogénérateur ;
validation du générateur photovoltarque;
validation d'un système de stockage;
validation du convertisseur.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
120
d'Etat - Dakar
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
4-2 Validation du système de production éolien
4-2-1 Vitesse du vent
Comme nous l'avons annoncé dans le chapitre précédant le modéle mathématique
est construit à partir des variations réelles du vent données par le système
d'acquisition à partir de sa décomposition spectrale. Les équations sont
programmées et par la ensuite elles seront appliquées à notre modèle de turbine
éolienne de 3 et 1,5 KW. Le modèle du simulateur obtenu est testé et montre des
variations proche de la réalité physique de la variation du vent puis validé avec une
vitesse réelle enregistrée sur le site du CRAER. L'intérêt de cette étude est de
pouvoir permettre dans d'autres cas disposer ou de réaliser un simulateur
physique "universel" auquel les chercheurs pourrons accoupler différentes
génératrices électriques de façon à tester leur intégration et leur efficacité dans un
système éolien et sur un réseau électrique.
Dans un cas restreint comme le notre nous voulions avoir les paramètres d'entrés du
modèle mathématique de la turbine comparé à ceux du modèle réelle pour valider les
équations qui régissent ce phénomène physique. Les deux allures de la vitesse du
vent reconstruite respectivement à partir du modèle mathématique et du système
d'acquisition sont proches, c'est pourquoi on peut dire que l'image montre des
variations proches (malgré quelques différences qui ne mettent pas en cause les
phénomènes physiques). Ainsi, nous validons le résultat.
·
···
·
·
,
....... ---._-,----_
..
,
,
,
. ..,.. -- .
..
..
.,
..
.
.
_-,-_.-_
.,
--.-
.,
5
4
3
2
o
-1---
_1 LI_--"---_-LI~---'--_---'--_
o
___'__--'(_--.L_
23456
___'_I_ _
8
4
X 10
Modèle 4-1 Thèone (bleu) et expènmentale (rouge)
Abdel Kader Kader Ou Id Mahmoud - Thèse d'Etat - Valldalion des modèles mathématigues
121
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
4-2·2 Courbe de puissance de l'aérogénérateur
Modèle 4-2 Théorique (bleu) et expérimentale (rouge)
Les figures montrent que la puissance de production de l'aérogénérateur augmente
proportionnellement à celle de la vitesse du vent. La seule exception est enregistrée
en dessous de la vitesse de démarrage.
Le fonctionnement de l'aérogénérateur se traduit du point de vue intervalle:
l'aérogénérateur est à l'arrêt en dessous de la valeur de 2
proportionnelle à la vitesse du vent entre 2
mis. La production est
mis et 5,9 mis et respectivement
l'aérogénérateur produit la puissance qui s'inscrit dans l'intervalle entre 0
w et 900 w
pour un aérogénérateur de 1500 w (il est important de souligner que les vitesse du
vent sont limité dans le site à
6m/s).
Les courbes de mesures quant à elles tiennent compte dans leur fonctionnement de
la limite Betz car la puissance enregistrée est dans les limites admises de 0,59 %.
La courbe de l'aérogénérateur est à 900 W car c'est la puissance maximale
théorique que l'on peut obtenir sur le site, compte tenu du vent maximal observé à 6
mis.
On calcule la puissance espérée:
6
~,,=~,,(Vma.)-Prnin(VmiJ= fP(x)j(x)dX
2
Où Vmax est la vitesse maximale observée sur le site (6
mis) et Vmin la vitesse de
démarrage de l'aérogénérateur par vents faibles, ici prise à 2
mis.
La puissance moyenne espérée est de 689 W.
La puissance théorique obtenue et réelle enregistrée par le système d'acquisition de
données de fonctionnement pour le second aérogénérateur de 3 Kw est décevante
Abdel Kader KadeLOuld Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
122
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d'Etat - Dakar
par rapport aux espérances du projet CRAER pour le site. On voudrait y générer au
moins 15 OOW de moyenne pour le plus grand aérogénérateur.
Oui, nous sommes arrivés à ces résultats en recoupant ces valeurs avec les
mesures effectives de la puissance électrique générée avant de conclure trop
hâtivement au faible possibilité du grand aérogénérateur avec la liaison qu'il a avec
le potentiel éolien du site, l'inertie de la machine et en fin sa position sur le site.
Ceci, nous a permis de conclure que ce n'est pas la grandeur et la puissance de la
machine qui conditionne une production importante, mais de tenir compte des
paramètres éoliens du site.
La puissance théorique obtenue est décevante par rapport aux espérances du projet
CRAER pour le site. On voudrait y générer 2500 W de moyenne pour les deux
aérogénérateurs.
4-3 Générateur photovoltaïque
Les courbes données par le modèle mathématique pour une version réelle de
fonctionnement du système de production de l'évolution de la tension en fonction de
l'intensité, nous permettent de constater qu'à partir d'une certaine intensité, la
tension chute brusquement. Cette valeur Imax est celle où le produit U*I donne
Pmax, avec les valeurs exactes, on obtient (65* 12.5) W. On constate aussi que la
courbe
donne les caractéristiques d'un générateur photovoltaïque (Imax, V court
circuit) et (Vmax, 1 pour fonctionnement à vide).
l
,
,
,
!
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ccuran en 7J.
Modèle 4-3 • courbe de validation pour le générateur
Les deux figures montrent que le courant du système photovolta',que augmente au
fur et à mesure que le rayon lumineux (flux lumineux) augmente. Le phénomène
est réalisé proportionnellement (valeurs entre 650 et 700wm- 2 ).
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
J 23
Université Cheik.Jl Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Les courbes de mesures quant à elles ne tiennent pas compte dans leur
fonctionnement des parties liées au court circuit et le fonctionnement à vide.
Chaque valeur mesurée du flux lumineux donne une puissance électrique
maximale
du
système
production.
Le
point
de
fonctionnement
de
ces
caractéristiques se trouve dans la zone de mesures réelles.
4~4
Système de stockage
Dans le cas de cette étude d'interprétation du signale de sortie (décharge) et
d'entré (charge) du système de stockage est complexe en générale en jetant en
regard sur l'ensemble des figures nous remarquons que le signale de mesure a des
perturbations dont l'origine à déterminer.
Les lois physiques qui
découlent
de ces figures enrichissent notre
perception du fonctionnement du système de stockage. Le comportement du
système de stockage se déroule en sa faveur dans le cas de la charge suite à une
génération d'énergie importante au niveau de système photovoltaïque.
De même, le système de stockage donne "énergie en faveur des récepteurs,
alors,
il se comporte comme un génèrateur. Se sont des cas approfondie dans la
partie de la thèse liée au fonctionnement de l'installation (chapitre 5).
4-4-1 Phénomènes de décharge
L'amplitude de signale des mesures réalisées du système de stockage oscille en
diminuant dans le cas de décharge conformément à la loi donné par l'équation (2.22)
de la modélisation le signale de mesures tend en moyenne vers celui du modèle.
Dans ce cas de figure on dit que le système de stockage fonctionne en décharge
suivant les 4 exemples observés dans cette étapes de validation. Néanmoins, nous
devons parler du signale de perturbation associe aux mesures il s'agit des
perturbations électriques captées par les systèmes d'acquissions de données
concernant des fréquence non identifiées qui marquent l'imprécision du matériel.
(les paramètres de la modélisation sont: C1ü=26üAh,
11O =26A,
6.T = 20 G
e ,t=8h)
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
1)4
Universite Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Modèle 4-4 : courbe de décharge
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Modèle
Mesures
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Modèle 4-5 : courbe de décharge
Il important de noter qu'ils ont peut être une origine liée à l'absence de la masse
dans le système d'acquisition de donnée. De plus, la notion de décharge (figures
)
réside dans le fonctionnement de tout le système. Il s'agit d'une décharge légère qui
reste au dessus de 50V (Image: courbe de décharge) du système de stockage
vers les charges pour plusieurs causes:
Une production photovoltaïque peu importante,
Un type de récepteurs classiques exemple ordinateur, lampes,
Un débit de décharge qui commence d'une tension importante 50.8V.
Seule, l'Image de la dècharge dont le modèle est passè en dessus de 50V
4-4-2 Phénomènes des charges
L'amplitude du signale des oscillations de mesures du système d'acquisition
augment en cas de charge conforment à la loi donnée de l'équation du modèle
mathématique et le signal des mesures tend en moyenne vers le signale du modèle
Abdel Kader Kader Ould Mahilloud - Thèse d'Etal- Validation des modèles mathématiques
J 25
Université Cheikl1 Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
dans les trois images. On observe un système de stockage qui fonctionne en charge
et dont la tension de charge atteint les 53V.
Modèle 4-6: courbe de charge
NB : les courbes des charges sont obtenues pour les paramètres suivante:
C1Q=260Ah, 11Q=26A, !'1T = 2.S0C ,t=3h.
Ce qui peut s'expliquer par plusieurs raisons parmi lesquels ont peut citer:
Une production photovoltaïque importante,
Une décharge qui commence au dessus de la tension nominale (48 V) d'une
tension importante de 50.8V.
En conclusion l'intérêt de la notion de décharge et de charge sont liées au
fonctionnement du système de stockage qui dépend des puissances mises en
jeux dans le système de production d'électricité par panneaux solaire.
4-5 Convertisseur
Cette étude du convertisseur est réalisée uniquement pour le mode OC/AC onduleur (sachant que le convertisseur de type TRACE peut fonctionner en mode
redresseur AC-DC sans oublier le régime « floating» qui s'inscrit dans des moments
sans d'échange de l'énergie entre la bus continu et la charge).Dans notre cas le
régime AC/DC est lié a la mise en marche du Groupe Electrogène dont l'utilisation a
été rare au CRAER. Il est important de souligner aussi que ce type de convertisseur
peut compenser l'énergie réactive et l'harmonique des récepteurs.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
126
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
La modélisation du convertisseur doit tenir compte des conditions normales de
fonctionnement pour qui elle puisse faire ressortir le rendement optimum
caractérisant le convertisseur. De même d'un point de vue technique le rendement
est donné sous forme mathématique dans la littérature sous forme (2.30):
Cette expression est considérée complexe et tient compte de plusieurs
coefficients qui font intervenir des phénomènes physiques divers,
Oans notre cas le but recherché est de déterminer le régime de fonctionnement dans
les conditions climatiques du sahel. Ce qui nous permet de regarder le système d'un
point de vue d'application. Cela, nous permet de proposer le modèle simplifié de
l'équation du rendement dans (2.30),
Le modèle décrit est donné sous forme de puissance d'entrée et de sortie et régit les
phénomènes physiques du convertisseur.
Les courbes ci-jointes sont de trois formes:
Un rendement (élevé) à partir des données de mesure liées au
fonctionnement des moteurs et en particulier l'osmose inverse,
Un rendement moyen,
Un rendement (bas) lié aux charges classiques.
4-5-1 Rendement élevé
Les courbe des images montrent un rendement qui tend au dessus de 0,95,
le convertisseur a alimenté ce jour là des charges importantes pour la production de
l'eau par osmose inverse (le rendement tend vers 0,97 pour une charge des
récepteurs proche des 2000W et des pertes de 0,75W). Il est important de signaler
que la courbe modèle et mesure sont proches.
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
127
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Modèle 4-7
d'Etat - Dakar
cour-be de rendemellt élevé pour DY = 7sw!conv
4-5-2 Rendement moyen
L'image montre un rendement du convertisseur intermédiaire qui tend en dessous
de 0,95 pour une puissance d'appelle des charges des récepteurs proche des
1000W. Les pertes enregistrées sont proches des 0,73W.
Modèle 4-8 Rendement Illoyen&
=
73W
4-5-3 Rendement bas
Les images montrent que les charges des récepteurs sont moindres par rapport
aux charges précédentes, le rendement tend vers 0,85 pour 600W.
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse ct' Etat - Validation des modèles mathématiques
128
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Modèle 4-9 cour-be de rendement bas pour M = 96~V et fjp = 95W
En
conclusion nous pouvons dire que le convertisseur à des pertes très limitées entre 4
et 15% soit un rendement élevé entre 96 et 98 % (c'est le cas de l'image).
Ce rendement du convertisseur est lié aussi à la demande des récepteurs qui est
importante.
Plus cette demande démunie plus le rendement tombe en dessous des valeurs
attendues.
Les figures nous montrent que le modèle utilisé permet de reconstituer
correctement l'état de charge du système de stockage (batteries).
Les conditions de fonctionnement sont liées au rendement du système de stockage
(voir tableau 1). Dans ce cadre d'une part, le rendement du système de stockage est
d'autant plus faible que l'état de charge approche de la saturation. Dans la zone de
saturation la tension V est égale à Vec et le rendement est nul.
D'autre part, le rendement du système de stockage dépend de son statut
lorsqu'elle amorce la décharge (état de décharge). Plus le système de stockage est
chargé en amorçant la décharge, plus il enregistre un rendement important par
conséquent moins il l'est, plus le rendement est faible.
Dans cette optique, il faudra tenir compte des limites du système pour la
charge et la décharge. C'est là tout l'enjeu énergétique pour une maintenance
correcte.
" faudra maintenir la tension
des batteries dans la limite supérieur proche de la
tension charge (la surcharge peut causer un emballement thermique et une
destruction de l'enceinte totalement étanche de la batterie) et dans la limite inférieur
ne pas dépasser une tension en dessous de 0,7 de la tension nominale (Vn=48 V).
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Thèse d'Etat - Validation des modèles mathématiques
] 29
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
En d'autre terme, le fonctionnement des batteries dans cette zone peut
écourter la vie de ce type d'installation par rapport à celle proposée par le
constructeu r.
C'est pourquoi,
ceci
constitue une contrainte
de
dimensionnement,
de
fonctionnement et de maintenance qu'il faudra lever.
Notons que le modéle de Lorenzo ne tient pas compte de l'auto décharge.
L'auto - décharge est un phénoméne physique qui dépend du type du système des
batteries, de la température et des conditions de stockage. Dans la littérature cette
valeur est tolérée au tour d'une perte de la capacité de stockage dans les environs
deO,14%.
Notons aussi que pour plus de précision l'étude du phénomène de charge et
décharge à été limité à quelques heures de fonctionnement permettant ainsi au
modèle d'être plus précis.
En fin, le modèle mathématique proposé permet de reconstituer les phénomènes
physiques du système de stockage, de gagner en précision dans le temps
d'évaluation lors de la modèlisation.
4-6 Conclusion spécifique
Le SEH du CRAER actuel constitue une base d'expérimentation opérationnelle,
fiable et très performante sur laquelle on peut tester différentes améliorations au
niveau des composants et sous-systèmes de traitement de l'énergie.
Malgré la difficulté pour valider le modèle global sur des essais réels, celui-ci permet
de réaliser des études très intéressantes faisant intervenir l'ensemble de la structure
du SEH et sa relation avec l'environnement. Il peut être mis à profit pour étudier des
améliorations qui peuvent être apportées au SEH afin d'améliorer ses performances.
En effet, si l'on exporte ce système vers le site ciblé (similaires) par le CRAER il
faudra entreprendre des corrections pour éviter un surdimensionnement qui peut être
lourd de conséquences sur un plan financier et logistique.
Nous avons remarqué que l'aérogénérateur le pus puissant (3 KW), le plus lourd
produit moins que le second de 1,5 KW (le plus léger). Nous rappelons que le
démarrage et la marque sont identiques pour les deux aérogénérateurs.
Abde! Kader Kader Quld Mahmoud - Thèse d'Elal- Validation des modèles malhélllaliques
J
30
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
4~7
d'Etat - Dakar
Conclusion générale
Les résultas qui sont obtenus permettent de faire la conclusion suivante:
Le problème souvent rencontré dans ces travaux est qu'ils sont réalisés à
partir de banc d'essai, alors que, l'idéal pour ce type d'investigation est de
disposer d'un système à l'échelle réel en accord avec les objectifs recherché
comme c'est le cas du CRAER. Les raisons économiques sont les causes
principales qui freinent des réalisations à l'échelle rèelle, ou les systèmes
représentent des investissements élevés par exemple: la seule composante
éolienne de puissance 1OKw coûte à peu prés 20.000 Euros sans tenir
compte des accessoires et du site) ;
Les bancs d'essai ne tiennent pas compte des conditions climatiques et des
profils de vents des sites d'installation. Ils sont considérés déjà déterminés,
Alors qu'ils peuvent être loin de la réalité des sites d'installation;
Les résultas obtenus peuvent contribuer à revoir le dimensionnement du
système CRAER conforme à la réalité demandé sur site.
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Abdel Kader Kader Ou Id Mahmoud - Thèse d'Etal- Validation des modèles mathématigues
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Dakar 22/08/2008
Chapitre 5
Partie expérimentale sur le
fonctionnement système hybride
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Chapitre 6 - partie expert mentale sur le fonctionnement
IJ4
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
Chapitre 5 ; Partie expérimentale fonctionnement
5-1 Méthodologie
136
5-2 Site du CRAER
137
5-3 Présentation des données climatiques du site
137
5-4 Etude des données du site
138
a) Rose du vent
138
b) Densité de l'énergie
139
140
c) Durée d'insolation
d) Les évolutions des paramètres climatiques dans 09/2002
141
5-5 Etude du comportement du système
142
5-5-1 Etude annuelle
142
a) Données climatiques
142
b) Comportement du Système: charge et décharge (puissance)
143
c) Comportement du Système: charge et décharge (Energie)
145
5-5-2 Etude mensuelle des paramètres
148
5-5-3 Etude journalière phénomène de charge et décharge
152
5-5-4-2 Etude journalière
152
5-5-5Conclusion
Abdel Kader Kader Oulct Mahmoud - Chapitre 6- partie experillientaie sur le fonctIOnnement
154
135
Université Cheikh Anta Diàp - Thése' Dakar 22/08/2008
5-1 Méthodologie
Nous rappelons les objectifs assignés à cette étude déjà mentionnée
dans la première partie de ce travail comme suit:
Étude du système et son application dans un contexte mauritanien;
Étude expérimentale
selon les besoins des charges dans les pays
sahélien.
A partir du système d'acquisition des données qui donne les moyennes par minute,
le traitement des données sur Excel a permis d'obtenir des valeurs moyennes
horaires, journalières, mensuelles. Ces nouvelles données permettent d'effectuer
une étude des évolutions des paramètres et de faire des interprétations singulières
(pour chaque élément pris séparément) et globales (pour toute l'installation).
L'analyse de l'évolution mensuelle des données est basée sur les valeurs
moyennes journalières des paramètres calculées sur Excel, à partir des valeurs
moyennes de chacun des paramètres enregistrées chaque minute. Cette étude
permet de suivre le comportement moyen mensuel des différents éléments du
CRAER de la FST de Nouakchott et d'effectuer une étude détaillée des journées
caractéristiques du mois (maximum, minimum et moyennes des paramètres).
L'étude sur le plan pratique consiste, au cours d'une journée donnée, à effectuer
des études expérimentales
de fonctionnement sur les différents éléments de
l'installation (système de génération, charges, et particulièrement l'unité d'osmose
inverse, groupe électrogène, etc.) et à étudier l'évolution, en fonction du temps, des
paramètres qui en dépendent.
Interprétations et discussion des résultats
Avant d'aborder l'interprétation des résultats expérimentaux il est important déposer
quelques conventions pour illustrer les phénomènes physiques du fonctionnement du
système CRAER.
Il nous faut discerner
le cas ou le système de stockage reçoit de j'énergie
(Puissance des batteries est négative) donc le système se comporte comme un
récepteur.
Dans le cas contraire, les batteries donnent de l'énergie au circuit extérieur donc
elles se comportent comme un générateur (puissance des batteries positive).
En général, l'analyse peut être plus ardue car ces deux cas sont les seuls possibles
et s'excluent mutuellement, nous pouvons alors sur cette base exploiter les résultats
Abdel Kader Kader Oliid iVlahmOlid - Chapitre 6 - partie experilllentaie sur le fonctionnement
136
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
expérimentaux de l'analyse du fonctionnement et en déduire l'état du système du
CRAER dans chaque cas.
Nous allons procéder d'abord pour donner un aperçu le meÎlleur du site et de sa
production par:
Une localisation du site;
Une présentation des données climatiques du site;
une étude annuelle de la production du système de génération;
une étude mensuelle du mois le plus caractéristique du site du point de
vue des sources de production.
Une étude journalière des jours les plus caractérisants de ce mois;
Une conclusion.
5-2 Site du CRAER
La région de Nouakchott et de ses environs a été choisie pour une étude complète
du gisement éolien et solaire. 1/ s'agit de la première étude de ce genre effectuée sur
la côte atlantique de la Mauritanie, où seuls existent à ce jour les relevés
météorologiques de l'ASECNA réalisés à l'aéroport de Nouakchott (Organisation
régionale). Elle peut être considérée représentative de la côte atlantique dans son
ensemble, puisque le littoral, long de 600 km environ offre les mêmes spécificités du
nord au sud: une élévation très faible par rapport au niveau de la mer (environ2m,
pas de zones montagneuses), une végétation espacée (milieu steppique). Seule la
présence de quelques plantes insérées dans les terres est un élément différenciant
qui devra être pris en compte. Le site a été choisi à proximité des habitations pour
refléter les conditions réelles de l'insertion de ce types d'installations dans un milieu
d'habitations.
5·3 Présentation des données climatiques du site
Une étude compléte du potentiel éolien sur la zone du littoral de la Mauritanie a été
réalisée par la FST-ITC en 1997 et a permis de créer une base de données du vent. .
La simulation est réalisée avec le programme CE-2000-Viento qui est réalisé par
l'institut technologique des Iles Canaries et en particulier de son département de
recherche en énergie et en eau.
Abdel Kader Kader Ou\d Mahmoud
~
Chapitre 6 - partie experimentale sur le fonctionnement
137
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
-la direction annuelle du vent (rose du vent)
Pour le software de simulation CE 2000 on est parti des données des stations
lanémometriqUeS de la FST-ITC:
-Hauteur: 10 m
-Rugosité: milieu urbain.
-Période estimée: journalière, mensuelle, annuelle.
5-4 Etude des données du site
Les valeurs mesurées de la vitesse du vent sont des valeurs moyennes sur
1minutes dans un milieu urbain. Elles sont données par des anémomètres en mètre
par seconde se trouvant sur une tour de hauteur de 10 m avec une girouette qui
enregistre d'une façon permanente les directions du vent.
Les mesures ont été réalisées pour l'année 1997, prises comme année de référence.
La vitesse moyenne enregistrée pour notre site dans un milieu urbain est de 3,9 mis.
Vmoy=3,9
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Imaae 5-1. vitesse du vent
a) Rose du vent
La rose du vent nous informe sur la direction prédominante que prendra l'installation
énergétique une fois installée.
Cette direction est un facteur important qui permet de déterminer encore le choix
N
des machines en tenant compte de la possibilité de leur fonctionnement au vent ou
sous vent.
Abdel Kader Kader Ould i'vlahmoud -- Chapitre 6 -- partie experlmentale sur le fonctionne.JIlent
138
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
On constate que les directions prédominantes sont:
• Nord qui représente 34 % de la direction du vent
• Nord - West qui représente 31,5%.
• Nord - est qui représente 15,2%.
b) Densité de l'énergie
La répartition de la densité d'énergie moyenne pendant tous les mois de l'année est
inférieur pour notre site à 50 kWh /m
2
et elle atteint le maximum les mois de mars,
août et septembre soit 49 kWh/m 2 . De même, on constate que les autres mois
restent toujours supérieurs à 15 kWh/m 2 .
Ce qui permet de dire que le gisement éolien varie selon les mois en restant
toujours dans la gamme des densités d'énergie très modérée pour un site situé dans
un milieu urbain.
Il faudra en tenir compte dans le fonctionnement des installations.
Abdel Kader Kacler Ou Id îvlahmoud - Chapitre 6 - partie experimentale sur le fonctionnemel1l
139
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/0S/200S
Oensire tHeftsmi I.e Ij'€!leJl}i e (l'J1.tt)
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Image 5-3 Densité d'énergie
c) Durée d'insolation
C'est le temps pendant le quelle soleil a brillé (marqué par la présence de l'ombre
sur le sol). Elle est mesurée par un héliographe. L'image présente l'évolution
mensuelle inter annuelle de l'insolation à Nouakchott.
L'insolation journalière en moyenne mensuelle est d'environ Sh elle présente des
minimums en janvier et décembre de valeur voisines de 7h et un maximum en mai
de valeur égale à 10,7heures.
Abdel Kader Kader Ould Ivlahmoud - Chapitre 6 -
part~experimentale
sur le fonctionnement
140
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
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Dakar 22/08/2008
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Image 5-4 Evolution mensuelle inter annuelle de l'insol ation à 1\IKTT
d) Les évofutions des paramètres climatiques dans 09/2002 (mois le plus
représenta tif)
Les images présentent les évolutions dans le mois du rayonnement de la vitesse et
de la température ambiante qui conditionnent la génération et le stockage d'énergie (
en liaison avec les charges) ainsi que le chauffage de l'eau par le panneau solaire
thermique,
On observe:
Une vitesse du vent qui varie en moyenne entre 2,5 et 5,86m/s avec les
exceptions ci
aprés :vitesse maximale supérieure à 5,86 mis (le 14ieme jour) et des vitesses
minimales de l'ordre de 2,5 mis (les 24 et 26ieme jours).
Un rayonnement global sur plan horizontal très variable entre 150 et 700w/m 2
Une température ambiante variant entre un maximum de 42,11 oC le 18ième
jour et un minimum de 16,94 oC le
t ème
jour.
Abdel Kader Kader Ould ivlahl110ud - Chapitre 6 - partie expcril11entale sur le fonctionnement
141
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
r
0902
i
Dakar 22/08/2008
!-RadG Ho,iz (Wlm') -Vel (mis)
~Tamb
(oC)
300
1
1
1
40
-1- 35
250
1
-~ 30
200
- 25 ü
o
20 ~
,
N
E 150
S
1
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100,
15 E
110
5:L~., ... '.m~~
1357911131517192123252729
Jours
Image 5-5 Evolution: température· vitesse vent et rayonnement global
5-5 Etude du comportement du système (données acquisition)
5-5-1 Etude annuelle
l\Ious avons choisi de présenter ces données sous forme annuelle. /1 convient ici de
rappeler que le but de cette étude est l'établissement d'une vision de la production
du système pilote large qui permettra d'entreprendre les bonnes décisions dans
l'exploitation et prévoir la production.
Le site du CRAER est celui a été étudié le plus longtemps par rapport aux
autres sites. Il révèle un gisement éolien relativement décevant par rapport à nos
attentes avec une vitesse moyenne inférieur à 4,0 mis, ce qui est largement en
dessous d'un site d'une ferme éolienne (moyennes aux alentours de 7m/s). Cela est
justifié par sa position à proximité des habitations.
a) Données climatiques
L'image ci - dessous présente les évolutions dans l'année du rayonnement solaire
global sur plan horizontal ( RadGHorz), de la vitesse du vent ( Vel) et de la
température ambiante ( Tamb) qui conditionnent la génération et le stockage
d'énergie ( en liaison avec les charges).
On observe:
Une vitesse du vent moyenne qui reste inférieure à 4m/s. La moyenne
mensuelle n'est que de l'ordre de 3 mis ce qui est ce qui est très faible.
Abdel Kader Kader Olild Mahl11011d - Chapitre 6 - oarlle experimentale sur le fonctionnement
142
Dakar 22/08/2008
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Un rayonnement variable autour de 200W/m
2
la période correspond au mois
les moins ensoleillées de l'année (contrairement aux mois non représentés qui
enregistrent souvent 800W/m 2 ).
Une température ambiante variant autour de 25 oC ce qui est normal pour les
mois les moins chauds de l'année.
EVitesse (mis) -Tamb (OC) ---- RadGHorz(w/m2) 1
35
250
30
..0
E
(\J
1-1
25
20
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/
5
150
0
oct Nov Dec Jan
fev mars
av
mal
iv1 oi s
Image 5-6 Evol ution mensuell e du rayonnement. de la vitesse du vent et de la
température ambiante
b) Comportement du Système CRAER : charge et décharge (Puissance)
Les évolutions annuelles des puissances Pb des batteries, Pc des charges, PG
produite par le système de génération ainsi que de la tension Ub des batteries
montrent les caractéristiques suivantes:
La tension oscille entre un maximum de 52,2V (aout-01) et un minimum de
45,02V (octobre 02) en restant entre octobre et février inférieur à la tension
Abdel Kader Kader Ould MahmOlld ' Chapitre 6 - partie experimentaie sur le fonctionnement
14)
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
nominale de 48V. Hors de cet intervalle les tensions sont supérieures à cette
dernière.
•
Dans les intervalles juin-01, aout-01 et septembre-01 , l'augmentation de lib
de 49,08V à 52V correspond au phénomène de charge.
•
Dans les intervalle: octobre-02, novembre-02 et decembre-02 la tension
fluctue autour de 45V, elle subit une légère augmentation en novembre-02.
Cette tension est inférieure à la nominale cela peut s'expliquer par :
- la chute de PG liée particulièrement à une diminution de la production des
deux aérogénérateurs pendant cette période. On observe que durant le mois
de décembre 02 la production éolienne est très faible,
- le site du CRAER a subit des transformations liées à la construction
d'édifices au nord et à l'est;
le stockage d'énergie n'est important qu'entre juin et septembre 2001 (PG
supérieur à PC) ;
entre septembre et mai l'utilisation du groupe secours était souhaitable (e/le
n'a été
réalisé que lors des fonctionnements de courtes durée de la station
d'osmose inverse).
il est important de noter que "osmose inverse a fonctionné en grande partie en
aout-01 et septembre-01 avec une puissance moyenne de consommation de 350W,
Cette période est marquée par une importante production (PG maximum).
Abdel Kader Kader Ould iVlahmoud - Chapitre 6 - partie experimentale sur le fonctionnement
144
Université Cheikh Anta Diop - Thése
1-.- Pb(W)
---a-
PG(W)
Dakar 22/08/2008
PC(W} -*- Prf(W)
--Jt-
-i..Jb(V)]
600
400
+-'
+-'
ro
S
~
200
0
54
52
50
48
46 >
..
\
\
/
----+--.
.--
juin- }t~~ sept- oct- nov- dec- Jarrv- fev-
--~-----:t:
ma'~i
-200
0
44
42
40
Mois
Image 5-7 Evolution des moyennes mensuelles Pb, PG, Pc, Prf et Ub
c) Comportement du Systéme CRAER : charge et décharge (Energie)
L'énergie dans les batteries a subi trois tendances d'évolution:
Première tendance de charge dans l'intervalle entre oct-02 et nov-02
Deuxième tendance de décharge dans l'intervalle entre nov-02 et dec-02
Troisième tendance de charge dans l'intervalle entre dec-02 et mai-03.
Dans le premier intervalle
de charge la tension a passé de 45,25 V à 46,40V
(tension en dessous de la tension nominale) le système de stockage a fourni de
l'énergie au circuit extérieur dont le maximum atteint est en novembre soit une
valeur de 0,26 Wh.
de même, ce phénomène
est accompagné de l'énergie de génération
qui a
atteint la valeur de 3,7Wh ( 2,77wh de la valeur précédente pour les panneaux
photovoltaïques dont une partie est fournie pour compenser les charges qui ont
atteint un maximum moyen de 3,7Wh ) .
La différence entre production et consommation est expliquée par la réaction
faible des aérogénérateurs enregistrée.
Abdel Kader Kader Ou id Mahmoud - Chapitre 6 - partie experimentale sur le fonctionnement
145
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
La participation des aérogénérateurs n'est pas au niveau demandé par rapport au
photovoltaïques de même pendant cette période le groupe électrogène pouvait
participer ce qui n'est pas le cas.
Au CRAER le dispositif de compensation de l'énergie par groupe électrogène est
presque absent et cela produit des conséquences sur l'état du stockage.
Dans le second intervalle de décharge la tension est passé de 46,40 V à 45,02V
(tension en dessous de la tension nominale) le système de stockage fournit
l'énergie au circuit extérieur dont la valeur atteinte en décembre est de 0,67 Wh
supérieur à la précédente de 0,26Wh, de même il est accompagné d'une
diminution de l'énergie de génération qui enregistre une valeur de 3,12Wh dont
3wh pour les panneaux photovoltaïques ( une partie de cette énergie est fournie
pour compenser la consommation des charges qui ont consommé un maximum
moyen de 3,7Wh ) .
La différence entre production et consommation explique la réaction faible des
aérogénérateurs enregistrée.
La participation des aérogénérateurs n'est pas au niveau demandé par rapport au
photovoltaïques de même pendant cette période le groupe électrogène pouvait
participer ce qui n'est pas le cas.
Les batteries ont donné plus que la période précédente pour compenser les
charges ce qui est expliqué par une diminution de
la
production des
aérogénérateurs sachant (note que la réaction des panneaux est légèrement en
hausse).
Au CRAER le dispositif de compensation de l'énergie par groupe électrogène n'a
pas été mis en marche d'une manière remarquable.
Dans le dernier intervalle, la charge de la tension est passé de 46,40 V à 50,02V
(tension au dessous de la tension nominale qui est de 48V) le système de
stockage reçoit de l'énergie du circuit de génération et particulièrement dans les
mois Janvier, Avnl, Mai et Juin.
Le système de stockage participe dans la compensation des charges en février
et Mars.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - partie experimenrale sur le fonctionnement
146
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Dakar 22/0B/200B
" s'agit d'une charge du système de stockage expliquée par une diminution de la
consommation surtout en mai ou elle atteint 3,45Wh par rapport à 3,BWh en
Mars.
De plus le Système de production a doublé sa production pour atteindre 5,3Wh
dont une partie est liée à la participation des panneaux photovolta"lques qui est de
2,13Wh.
Les aérogénérateurs ont fournit de l'énergie d'une manière très appréciables par
rapport aux autres périodes
Dans cette période de charge les batteries ont reçu plus que la période
précédente et le système de production a joué un rôle plus important pour
compenser les charges.
Cette période est l'une ou le groupe pouvait rester à l'écart de la production.
" faut tenir compte que les charges comme le split et l'osmose inverse ont
travaillé un temps très limité par rapport au temps des charges dites classiques
du CRAER
Image 5-7 Evolution des moyennes mensuelles Eb, EG, Ec, Erf et Ub
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Chapitre 6 - partie cxperimentale sur le fonctionnement
147
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Dakar 22/08/2008
5-5-2 Etude mensuelle des paramètres
L'étude mensuelle des paramètres se fera en tenant compte de la tension des
batteries comme élément de référence.
Les observations de ce mois montre que l'évolution de la courbe de tension des
batteries est caractérisée par un maximum le 16 ième jour Ub = 45V, une moyenne le
11 ième jour Ub=43,7V et un minimum le 30 ième jour Ub = 42,34V.
0902
!-Pc(W) -PG(W) -Pinv (W) -Ub (V)]
700
45,5
600
45
44,5
500
:t:J
44
400
43,5
300
43
CD
S
0
>
42,5
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42
100
41,5
41
0
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,.-
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N
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N
N
1'-N
CJ)
N
Jours
---------
Image 5-8 Evolution Joumallère des charges (Pc), du système de génération (PG),
du convertisseur (Pinv) et de la tension des batteries (Ub)
5-5-3 Etude journalière phénomène de charge et décharge
a) 16/09/02
La courbe suivante montre une tension qui est restée entre 43,BV à 23h 58mn pour
une puissance de décharge de 220W, on remarque que cette puissance n'est pas
représentative du système de production .et de 46,79 V à 14h :27mn avec puissance
de charge de 649,75W en valeur absolue c'est une puissance de contribution des
batteries aux circuits extérieurs.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - partie experimentale slir le fonctionnement
148
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
D'autre part nous remarquons que dans l'intervalle 10h 49mn et 12h 15mn,il ya eu
une forte réaction du système secours avec une participation de 2744W remontant
la tension à 49V due à l'apport du groupe électrogène et l'arrêt de toutes les charges.
L'image relative au rayonnement global et à la vitesse du vent, montre une
complémentarité intéressante durant ce jour, entre la production éolienne
(prépondérante la nuit) et celle photovoltaïque (exclusivement diurne).
160902
""""""'" P lJ (\,1\/)
-IJb (\1)
500
0
0:
-500
50
49
7:00
48
-1000
47
j::j
ro
S
-1500
.......
0
>
46
-2000
45
-2500
-3000
44
-3500
43
Heures: minutes
Imaqe 5-9 Evolution de la puissance Pb et de la tension Ub le 16/09/02
Image 5-10 Evolution journalière du rayonnement et de la vitesse du vent 16/09/02
b) 21/09/02
Dans les intervalles 9h 33mn - 1Oh33hmn la tension Ub est arrivée à 46V du à une
participation du système de production renforcée par les aérogénérateurs d'une
puissance de 1943,94W.
Abdel Kader Kader Ou Id Mahmoud - Chapitre 6 - partie experimentale sur le fonctionnement
149
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
1.....,..,. Pb (W) --UbiiJ
210902
1000
47
500
46
45
0
+-'
+-'
~
0
-500
44
0
43
-1000
>
42
-1500
41
-2000
40
Heures. minutes
Image 5-11 Evolution de la puissance Pb et de la tension Lib 21109/02
c) 30/09/02
La production des aérogénérateurs est réalisée pendant toute la journée à partir de
vitesses inférieures à Sm/s.
~-_-,-P-=-b--,-,(W~)_ _-~-=-U-=-b-,-(V:.....L)---l
300902
~
400
.,----~-------~----------,45
300
44
200
43
100
42
0 +-r~-.-.--.-.-tr----.-Ji
:; -10cP 0
(5
>
332
-200
-300
39
-400
38
-500
~------------------'-37
Heures· minutes
Image 5-12 Evolution de la puissance Pb et de la tension Ub 21/09/02
Il
Dans les intervalles OOh - 23h30hmn Ub fluctue autour d'une moyenne proche
de 43V
Abdel Kader Kader Ould tvlahmoud - Chapilre 6 - panie expenmel1lale sur le fonctionnement
J 50
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
1)
Dakar LL/UèS/LUUt5
De 7hO? à 18h18mn, Ub a augmenté un peu plus que 44V à cause d'une
production du système de génération représentée ci-dessus par la vitesse du
vent en mis supérieure aux charges qui a fait passer la tension de 41 V à 43V.
le système de stockage a reçu de l'énergie provenant du système de génération. On
parle de phénomène de charge qui n'a pas pu modifier la structure de la courbe de
tension des batteries d'une manière apparente.
C'est une journée caractérisée par une tension batterie inférieur à la tension
nominale.
5-5-4Système de génération
5-5-4-1 Etude mensuelle
Le système de génération enregistre une puissance dépassant les 500W mais atteint
parfois un pic le 20 ième jour pour une puissance de 647, 12W.
Les observations montrent que la puissance enregistrée pour ce mois est très
inférieure à la nominale qui est de 5700W
Cette production correspond a un pourcentage de 11,35%.
.( les tensions observées se trouvent en dessous de la tension nominale qui est de
48V).
Ces observations sont expliquées par une production insuffisante dues à un
ensoleillement moyen mensuel en dessous de 300W/m 2 (sachant que la radiation
maximale enregistrée sur le site est de 800W/m 2 ),de même la vitesse du vent
enregistrée est en moyenne de l'ordre de 4m/s.
Nous retenons 3 journée caractéristiques:
Un maxÎmum le 20
ième
jour PG=647, 12W,
Une moyenne le 18 ième jour PG=316,21W,
Un minimum le 16ième jour PG=8,36W.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - partie experirnentale sur le fonctionnement
J 51
Université Cheikh Anta Diop - Thése
Dakar 22/08/2008
5-5-4-2 Etude journalière
16/09102
Dans l'intervalle Oh 00mn-07h seuls les aérogénérateurs ont travaillé et donne en
moyenne une puissance proche de 400W aux environs de 3h 39mn.
Entre 7h-18h 15mn Les deux systémes ont produit et atteignent une valeur
commune de 656W.
Enfin dans l'intervalle 18h 28mn-23h 59mn les aérogénérateurs sont dominants et la
production photovoltaïque est quasi nulle du en l'absence du soleil.
Comme précédemment, on constate la complémentarité de production éolienne et
photovolta"que.
'160902/
-Pre1+Pre2
-Prf(W)
J
1400
1200
1000
800
;::
3
600
400
200
Heures: minutes
Image 5-13 Evolution des puissances Pre'] + Pre2 et Prf 1 e 16/09/02
20/09/02
Les données ne nous permettent pas de faire une analyse de cette journée du à des
perturbations enregistrées au niveau du systéme d'acquisition, Néanmoins on la
image indiquerait une très faible production photovoltaïque (ensoleillement très
faible) et une contribution éolien ne faible et irrégulière (excepté entre: 02 h3003h08, vers 11 h 13 et autour de 22h09mn ).
Abde\ Kader Kader Gu Id Mahmoud - ChaJ2.!lrc 6
partie experimentale sur le fonctionnement
152
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
200902
,
pre'I+~re2(W)=
Dakar 22/08/2008
"""""""Prf(W)
1
3500 - , - - - - - - - 3000
2500
2000
~
1500
1000
500
o --J-IF~dl-~~~~"I""
-50 cD:-l!:!:-Y---&:-&r--'~r----+y-:+r-----},~r---~Ct-&-~:I-:-h&----'~
Heures: minutes
Image 5-14
Evolution des puissances Pre1 + Pre2 et Prf le 20/09/02
18/09/02
Dans l'intervalle Oh OOmn-07h 29mn seuls les aérogénérateurs ont travaillé et donne
en moyenne une puissance proche de 400W .
Entre 7h :29mn-18h :43mn Les deux systèmes ont produit.
Enfin dans l'intervalle 18h 28mn-23h 59mn les aérogénérateurs sont dominants et
atteignent une valeur proche de 1200W à 17h 46mn. et la production photovolta'lque
est quasi nulle du à l'absence du soleil.
Dans l'ensemble la production est faible cette journée, la contribution des
aérogénérateurs a été significative seulement à la tombée du jour.
Abdel Kader Kader Ould Ivlahmoud
<-
Chapitre 6 - partie experimenlale sur Je fonctionnement
153
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
180902
Dakar 22/08/2008
/-pre1 +Pre2(w) -prf(W)]
1600
1400
1200
1000
4-'
4-'
~
800
600
400
200
0
-20cP •
333
653
10.1313331653
20:1323.33
Heures: minutes
Image 5-15 Evolution des puissances Pre1 + Pre2 et Prfle 18/09/02
5-5-5Conclusion
Le positionnement du site au centre de bâtiments d'une hauteur de plus de 10 m
cause des perturbations et limite la production des aérogénérateurs et des
panneaux photovoltaïques.
Le système CRAER pouvait fonctionner avec une participation du groupe
électrogène dans les mois de tendance de dècharge entre oct-02 et dec-02 ou
la tension est inférieure à 48V (ce qui n'a pas èté le cas).
Les charges utilisées de grandes consommations n'ont pas èté mises en marche
souvent pour influencer plus sur les paramètres de production.
Les charges n'ont pas fonctionné d'une
manière simultanée dans le cas des
simulations.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud -
Chapitreii-=-~~experimentale
sur le fonctionnement
154
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
Dakar 22/08/2008
Le redimensionnent déjà réalisé par l'équipe du CRAER est d'actualité pour
compenser les défauts du site même pour une période de grande production
comme celle entre dec-02 et mai-03.
Les coupures d'électricité du Système d'acquisition de données par rapport à la
période des quatre mois dans l'année 2001 Uuin, juillet, août et septembre) ont
presque disparu dans la période suivante du à la présence de l'onduleur interface
entre l'alimentation et l'ordinateur Système d'acquisition de données.
Le CRAER après presque trois ans d'utilisation n'a pas connu de Court-circuit
déstabilisateurs de son fonctionnement à part de petites pannes ce qui prouvent
que les calculs de dimensionnement des systèmes de protection et des prises de
terre sont efficaces.
" est à noter que dans le climat mauritanien ou les températures pendant la
journée sont élevées et pendant la nuit basse le matériel c'est comportée
relativement bien.
Les aérogénérateurs qui changent souvent de directions accentuées par les
obstacles du site n'ont enregistrés aucun défaut qui les met hors circuit.
Les performances du CRAER ont permit l'on conduit à l'alimentation du point rnr
(Internet de Mauritanie).
Les performances du CRAER ont permit de relancer les énergies renouvelables
à fin d'atteindre les objectifs fixés dans le cadre des grandes lignes développées
par le ministère de tutelle.
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d'Etat - Dakar
Chapitre 6
Analyse technico-économique et application d'un système
hybride de petites puissances de production d'électricité pour
multi -charges dans un site isolé
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse tcchnico-
économi~
158
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
Chapitre 6 Analyse technico-économique et application
Introduction générale
160
161
6-1 Introduction spécifique
6-2 Méthodologie
163
6-3 Proposition des configurations
164
6-4Dimensionnement du système de production hybride
166
6-4-1 Calcul des puissances des charges et de leurs énergies
166
6-4-2 Système de stockage
167
6-4-3 Système de génération
168
a-1) Dimensionnement du générateur photovoltaïque
169
b-1) Dimensionnement du générateur éolien
170
c) Dimensionnement du convertisseur
172
d) Dimensionnement du groupe électrogène (G.E)
173
e) Prédiction du consommable
173
6-5 Conclusion
181
Références bibliographiques
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Abdel Kader Kader Oulct Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technlco- économique
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Université Cheikh Anta Diop - Thèse
d'Etat - Dakar
6-1 Introduction générale (Analyse et application)
Un grand nombre de mathématiciens, d'informaticiens et d'ingénieurs ont consacré
des années de leur carrière à étudier les méthodes de calcul d'optimisation des
réseaux SEH multi -sources isolés ou interconnectés. Il n'y a qu'à voir le nombre de
publications dans ce domaine pour apprécier l'effort qu'ils ont développé.
Il y'a pas longtemps les calculs d'optimisation de ces réseaux se faisaient à la main.
La gestion des réseaux électriques multi -sources isolées ou fortement
interconnectés nécessite une maîtrise des productions de telle sorte à minimiser les
frais de fonctionnement et de production pour satisfaire la demande tout en
garantissant la qualité du service. Dans un SEH les coûts de production peuvent être
extrêmement variables. Dans des conditions normales de fonctionnements, la
capacité de production est supérieure à la consommation augmentée des pertes. Il y
à donc différents scénarios possibles pour satisfaire la demande. Dans un SEH
l'objectif est de déterminer le planning de production de puissances pour chaque
générateurs de telle manière que le coût total soit minimum.
C'est justement là notre travail, à savoir la recherche et l'analyse d'un logiciel de
calcul qui répond à la répartition des puissances entre différentes sources
énergétiques en proposant plusieurs scénarios. C'est pourquoi, nous présenterons
dans ce sixiéme chapitre d'abord les modèles mathématiques des scénarios technico
- économiques du projet pilote proprement dit. Ensuite, nous mettrons en évidence
les modèles utilisés et les hypothèses simplificatrices ainsi que les algorithmes de
calcul que nous avons développés pour l'optimisation technique et économique.
Nous évoquerons dans le septième chapitre la présentation du logiciel choisi que
nous avons considéré le mieux adapté pour ce travail et nous l'appliquerons au site
d'Aghadir (réel) d'un village du littoral mauritanien. L'exemple viendra ensuite valider
cette étude. Dans ce cadre, rappelons que l'architecture d'un SEH énergie
renouvelable autonome que nous avons présenté dans le chapitre 1 précédant
rassemble donc une bonne part des problèmes posés par une démarche de
«conception simultanée: architecture/gestion d'énergie/dimensionnement » que
nous posons en général ici sous forme de questions comme:
Abdd Kader Kader Ould Mahilloud - Chaoilre 6 - Analyse technico-
éconol1li~
160
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d'Etat - Dakar
1) quelle architecture pour interconnecter les différents éléments dans un site
prédéterminé?
2) quelle gestion d'énergie associée en fonction de profils de consommation,
combien de degrés de liberté énergétiques et combien de convertisseurs?
3) quel niveau de tension continue, quel empilement optimal des cellules
photovoltaïque et batteries pour constituer le stockage?
4) quelle solution pour obtenir la tension normalisée de 230V, quelle électronique
de puissance ouvrant sur des solutions originales (transformateur, structures
survolteurs) ?
5) quel stockage d'appoint, si nécessaire, pour démarrer, monter les batteries en
température, fournir les appels de puissance, offrir une réversibilité, passer la
puissance fluctuante (Plomb-Acide, Lithium-Ion, supercondensateur) ?
6) quels dimensionnements des composants?
7) quel approvisionnement en combustible en amont?
Autant de questions posées à la recherche de réponse dans ce chapitre et ce lui qui
suit (application sur le site d'Aghadir en Mauritanie).
Introduction spécifique
La viabilité économique d'une installation hybride à énergie renouvelable à domicile
ou dans un village dépend grandement de la qualité du vent et de l'ensoleillement.
En règle générale, une vitesse annuelle moyenne du vent d'au moins de 6 mis est
nécessaire pour qu'une petite éolienne produise suffisamment d'électricité, pour être
rentable et L'irradiation globale journalière dans le plan du capteur solaire dans nos
régions qui approche lOOOwm- 2 est considérée importante pour la production
d'électricité par un système photovoltarque. C'est pourquoi, la mise en place d'une
carte des ressources éoliennes et solaire potentielles constitue une ressource très
utile pour évaluer le potentiel en énergie renouvelable d'un emplacement.
" peut être utile de vérifier les mesures de la vitesse du vent et de l'ensoleillement qui
sont enregistrés dans une station météo locale. Il est important de prendre en
compte que des facteurs d'emplacement observés à cette station, comme la
présence d'arbres et d'édifices à proximité, peuvent influencer la mesure de la
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économigue
l6]
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vitesse du vent (par détournement de sa trajectoire) et de "ensoleillement (par la
présence de ['ombre).
Par ailleurs, le monde a connu l'extension du réseau par interconnexion. Ce
processus centralisé de production, de transport et de distribution de l'énergie
électrique s'est avéré très économique et avantageux dans les zones où la densité
de la population est très élevée.
Dans nos pays du sud où les besoins sont faibles, les coûts de transport et de
distribution sont très élevés ce qui met la rentabilité en cause. Le réseau en
Mauritanie ne peut couvrir un territoire 1300.000 Km 2 avec une densité de la
population d'un habitant au km 2 et en plus une population nomade dans sa majorité.
En effet, les progrès techniques dans le secteur de "économie vitale pour un pays
créent des besoins d'électrification dans les zones rurales et en particulier dans les
sites isolés où les habitants ne sont pas raccordés au réseau électrique. La solution
technique pour la fourniture d'énergie vient alors du système décentralisé de
production d'électricité où les énergies renouvelables jouent un rôle important depuis
la crise du pétrole de 1973.
Dans ce cadre un réel besoin de méthodes d'analyses technique et économique qui
permettent de faire ressortir les variantes les plus économiques sur la base d'un
dimensionnement fiable se fait ressentir et devient indispensable.
En général, ce travail de dimensionnement et d'optimisation économique de
l'électrification des sites isolés est complexe. " comprend:
le choix et la
connaissance du site du point de vue production éolienne et solaire, la connaissance
des charges dans le site déjà prédéterminé pour le dimensionnement adéquat.
Dans la littérature [1, 2, 3, 4, 5] il est proposé plusieurs types de configuration des
réseaux pour les systèmes hybrides parmi les plus utilisés:
Systémes centralisés;
Mini- réseau;
Source d'énergie fossile et lou renouvelables.
De même, dans la littérature plusieurs études comparent les différentes solutions
centralisées et décentralisées pour des régions mais ne tiennent pas compte dans la
réalité des conditions sahéliennes car le dimensionnement pour les réseaux
centralisés est réalisé par des compagnies d'électricité.
Abdel Kader Kader 01!.lcL Iv!ahl11oud - ChaQJlre 6 - Analyse lec/ll1ico-
économi~
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La recherche d'une méthode technique et économique qui touche une grande partie
des types d'électrification rurale à partir de l'étude de l'exemple pilote du CRAER
peut s'avérer une approche unique dans son genre et peut contribuer au
développement de la zone sahélienne.
L'approche est accompagnée d'une comparaison de la viabilité technique des
solution adoptés dans nos pays dans ce cadre le coût moyen actualisé sera
identique pour toutes les solutions adoptées.
Dans ce chapitre nous commencerons par donner la méthodologie de
dimensionnement pour aborder plus tard le calcul techico- économique dans la
phase de faisabilité pour les différentes variantes possibles.
Le système étudié est constitué d'un générateur photovolta"ique, d'aérogénérateurs,
d'un système de stockage de type de batteries au plomb, d'un régulateur de charge
et décharge et de muiti - charges dont une installation d'osmose inverse. Le principe
de l'étude est réalisé à partir de l'unité pilote du CRAER.
6-2 Méthodologie
Devant la complexité de l'étude des systèmes hybrides et grâce aux simulations
depuis 2002 réalisées sur l'unité pilote du Centre de Recherche appliquée Aux
énergies Renouvelables sur le types des configurations à fin de déterminer un
optimum économique. Nous avons pu dégager différents modèles mathématiques
précis pour l'optimisation technique et économique. En effet, l'étude des
configurations a permis de proposer des modèles simples sur la base d'une
bibliographie riche donnée dans le premier chapitre de cette thèse.
Il est important de noter que grâce à une unité pilote dont l'objectif principal et la
maîtrise des systèmes hybrides à travers l'optimisation de leur dimensionnement
dans un milieu sahélien côtier. Cette approche permet de simuler le fonctionnement
du système réel sur une longue durée en vérifiant son état. En effet, dans la
littérature [1,2, 3,4] de telles méthodes sont abordées grâce à des logiciels dans les
laboratoires où sur des bancs d'essais loin de la réalité du terrain.
Nous ouvrons avec vous cette fenêtre théorique dans une première phase de l'étude
technique et économique des systémes hybrides pour la transporter par la suite dans
une seconde phase dans un site réel à Agadir (Mauritanie).
Abdel Kader Kader Ould l'vlahmoud -- Chapitre 6 - Analyse lechnico- économiCJ.ll'=
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Par ailleurs, l'installation du CRAER est maniable de telle sorte qu'elle permet
d'obtenir plusieurs variantes de configurations proposées ci-dessus:
6-3 Proposition des configurations
l\:Iodè-lf 0-1 : Solairf -éolifil -dies fi -l'fSfan
Modèle 6-2: solaire - éolien, stockage à batteries, réseau
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Cha:Jitre 6 - Analyse technico- économique
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Modèle 6-3 : éolien - diesel. stockage â hydrogène(site isolé}
Modèle 6-3 : éolien - diesel. stockage à l1ydrogéne(site isolé
AiJd~Mder
Kader Oule lvlahill oud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
J 65
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Modèle 6-4 : solaire - diesel - réseau. stockage à batteries
6-4 Dimensionnement du système de production hybride
Tout d'abord, il est important de commencer par la modélisation des charges
électriques attendues dans le site prés déterminé.
Les charges sont constituées par les éléments de consommation de chaque ménage
(lampes, charge de batteries, ordinateurs, télévision et autres) et de ceux qui sont
mises en communs pour tout le site (exemple l'éclairage publique, la production
d'eau et autres). Ces installations seront détaillées avec leur temps de
fonctionnement prévu.
Ces informations permettront de calculer les puissances et énergies des charges.
6-4-1Calcul des puissances des charges et de leurs énergies
'=/1
P=
L~ ;
1==11
E = LE;
(6-1 )
1=1
i=!
L'expression de l'énergie attendue
;=:'/1
Er=nLP;t;
(6-2)
;=1
t;
==temps de fonctionnement pour chaque appareil
i = Nombre des appareils existants ou attendus
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - ChaRitre 6 - Analyse technico- économique
J 66
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6-4-2 Système de stockage
Une fois calculée "énergie exigée par le système en watt heure par jour, il est
nécessaire de passer au dimensionnement du système de stockage nécessaire pour
faire face aux heures de non production.
Ce dimensionnement est exigé dans le cas où le système de stockage est considéré
dans le site comme composante technique nécessaire.
Dans la pratique, les études réalisées au CRAER tiennent compte de deux
paramètres de conception qui se greffent obligatoirement dans ce calcul et qui sont
liés au calcul technico-économique. Il s'agit des paramètres de la tension sur la
barre de distribution et des jours d'autonomie.
Alors, les ca/culs d'ingénieries permettent:
une tolérance de 1% pour le choix de la tension maximale permise pour des
raisons de sécurités;
un nombre de jours d'autonomie de telle sorte que le système de stockage
peut pallier au système de production. Le nombre de jours d'autonomie
dépend en grande partie de /a radiation solaire et du potentiel éolien, de la
présence ou non d'un groupe électrogène de secours sur le site. Le nombre
de jours d'autonomie en Mauritanie généralement utilisé dans le
dimensionnement est de 03 jours.
a) Energie de charge du système de stockage
Une fois on détermine la tension de la principale barre de distribution et
"autonomie du système de stockage, nous procédons au dimensionnement de
l'énergie du stockage. Nous signalons que cette énergie est soumise à différentes
pertes. Ces pertes sont représentées par le facteur R .
Il est donné sous forme: R =
1- ((1- K
Dans lesquels les paramètresK
Q
1
KI"
b -
Kv
-
kc).Ka.N'Pd
-J)_ K
b -
Kc
-
KJ (6- 3)
K b , Kr représentent respectivement les
pertes d'auto décharge (0,005), globales (0,015), de rendement du système de
stockage (0,05-0,1) et du convertisseur (0,1-0,2). Dans les tableaux conçus pour
le dimensionnement R à une valeur qui approche les 0,7 et Pd (profondeur de la
décharge) n'excède pas les 70%.
Abdel Kader Kader Ould Mahrnoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
167
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E=
E
_T
R
(6-4), avec
E
d'Etat - Dakar
en whrl
b) La capacité nominale C
C = E.N.P/ (6-5)
Pd - profondeur de décharge;
N- nombre de jours d'autonomie;
E- énergie de charge pour les batteries.
Le nombre des batteries du système de stockage en série
n = v,YS{ (6-6)
Vb
Avec Vsys- tension de la barre principale (la tension du CRAER est de 48 V) et
Vb- tension d'une batterie du système de stockage (la tension d'une batterie dans
le CRAER est de 2 V et le nombre de batteries est de 24).
6-4·3 Système de génération
Un site prédéterminé pour l'installation d'un système de production à énergie
renouvelable peut répondre à l'une des variantes suivantes:
un systéme de production par aérogénérateurs à 100% avec un groupe
électrogène secours;
une énergie hybride d'origine éolienne à 75% et d'origine photovoltaïque à
25% ;
une énergie d'origine photovolta'ique à 100% avec un groupe électrogène.
Si dans un système hybride l'énergie d'origine éolienne doit donner Er "
Le système photovoltaïque doit produire Ey
= EPV =
ET - Er
Ex et E y constituent un quota de production par type d'énergie.
a) Performance de la partie photovoltaïque
La puissance crête de la partie constituée par les panneaux photovolta"iques est de
Ppv soit pour une énergie E P" cette puissance est pour des conditions standarts.
Abdel Kader Kader Quld Mahilloud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
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Avec
Go
= IOOOwm-
2
,
d'Etat - Dakar
s - surface en m 2 , T/STc- -rendement maximum de
conversion dans des conditions de tests stand arts et STC- conditions de
référence standart à 25'C.
La puissance instantanée du système photovolta'ique est fonction des conditions
réelles de fonctionnement à l'instant t.
L'expression est donnée sous forme d'intégrale pour une durée d'un mois
comprenant N jours. Ce qui permet d'obtenir l'énergie moyenne par jour.
E PV
= N-'. JP, .dt = N- 1. JPpv' Gi~ .dt (6-9)
Go ·TlSTC
Le terme G; - kwhm- 2 dans (9) exprime l'irradiation globale moyenne journalière
horizontale pour le mois i enregistrée.
La transformation de l'expression est réalisée en extrayant l'ensemble des
constantes de l'intégral et en faisant apparaître Gi on obtient:
l
p
IG ..TJ .dt
P
G Tl dt
I G/ .dt
_.~.
/ f
= G.--""-.
;' f '
(6-10)
E pv = __
N
Ra IG,.TJsfc.dt
Go G/7sTcdt
1
Le dernier terme est exprimé dans la littérature comme facteur de performance
K pF • "correspond aux pertes réelles dans l'installation dans un fonctionnement
réel. Ce qui nous permet de proposer la production réelle du système
photovoltaïque pour le mois i sous forme:
Dans le terme K PF nous comprenons les pertes dans les batteries déjà
modélisèes dans les câbles et aux quelles on associe la qualité des composants
utilisés, au comportement de l'utilisateur et du degrés de relation entre les
variations saisonnières de la charge et du potentiel solaire. Dans la littérature la
valeur est tolérée lors du dimensionnement se trouve entre 0,6 et 0,7 pour un
système hybride comme celui du CRAER.
AQ<kll(adewA~Ould
iv'@hmoud - Chapitre 6 - Analyse techmco- économi~
J 69
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d'Etat - Dakar
a-1) Dimensionnement du générateur photovoltaïque
La puissance nominale crête du générateur photovoltaïque est donnée sous
forme dans:
s
Ppv =
77 COllèX
77coller'
.Tl reglil .17 bol
77regll!'
77601'
E,
(
.-.Go 6-12)
G.
Les rendements liés aux pertes dans les connexions, le
régulateur et les batteries.
La puissance du générateur peut être dimensionnée par:
E- énergie électrique journalière consommée en kwh
Go
= 1000wm-2
G. - Irradiation globale journalière dans le plan du capteur solaire
K PF - coefficient de performance pour le mois le moins ensoleillé
b-1) Dimensionnement du générateur éolien
L'aérogénérateur est caractérisé par sa courbe de puissance P(V) où v est la
vitesse du vent en ms-2 à la hauteur h. la distribution annuelle de la vitesse du
vent est en général représenté par une fonction Weibul qui est caractérisé par
deux paramètres (valeur moyenne du vent et le facteur de forme).
~----~~-------'---'---~--
500
-
Images. Exemple de courbe de puissance
Abdel Kader
Kad~LOu'd
et dlstnbution de Weibull
Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
J 70
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d'Etat - Dakar
b-2) Energie éolienne de l'aérogénérateur
La production électrique annuelle de référence est donc calculée en supposant que
la distribution de la vitesse du vent, toute directions confondues, a la forme d'une
distribution Rayleigh et que le générateur débite:
Cf -facteur de charge prévisible
Le facteur de charge prévisible est calculé pour une vitesse de vent à 10 m de 1 à
15 m c'est une courbe d'écrite par une équation du 5 ième degrés comme suit:
Il
Cf ==
I ai ./r
avec i =5 pour une approche représentative.
i=O
Ce pendant la production réelle sera inférieur car liée à un ensemble de pertes liées
à la performance de l'aérogénérateur. Alors, l'énergie renouvelable captée est égale
à la quantité d'énergie produite par le système éolien, corrigée en fonction des pertes
des équipements pour combler la demande énergétique Er'
(6-15)
E - C'est l'énergie brute produite
CL - Est le coefficient de pertes donné par la relation:
Avec:
"l" : coefficient de pertes par effet de sillage: 3% ;
"lb : coefficient des pertes pour causes d'arrêts :1 % ;
"lm : coefficient représentant les pertes divers :5%.
Ces pertes décrivent:
·Des pertes par effet de sillage
Les pertes dues aux effets de sillage dépendent de l'espacement et de l'orientation
des machines ainsi que de la topographie et des autres caractéristiques du site.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
1ï 1
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d'Etat - Dakar
Dans le cas d'un parc d'aérogénérateurs bien conçu, les pertes attribuables aux
effets de sillage représentent d'ordinaire de 0 à 20 % de la "production
• Des pertes par encrassement des pales
Le pourcentage des pertes attribuables à l'encrassement des pales par les insectes
qui réduisent leur rendement aérodynamique. On peut améliorer ce rendement par
des lavages réguliers des pales ou le réchauffage des bords. En règle générale, les
pertes résultant de l'encrassement des pales représentent de 1 à 3 % de la
"production énergétique brute" [Conover, 1994].
• Des pertes diverses
Les diverses pertes attribuables à autres causes qui réduisent la production
d'énergie: démarrages et arrêts, fonctionnement hors alignement, vents violents et
arrêts d'urgence sous l'effet de rafales. Ces pertes sont également causées par la
demande d'énergie parasite (par exemple consommée par les systèmes de contrôle
et de régulation) et les pertes électriques le long des câbles de raccordement de la
centrale au réseau de distribution électrique local.
Le modèle les fait entrer dans le calcul du coefficient de pertes. En général, elles
représentent de 2 à 6 % de la "production énergétique brute" Les pertes dues à
d'autres arrêts: entretien régulier. défaillances d'éoliennes, pannes au poste de
raccordement et dans le réseau électrique principal.
Ces pertes entrent dans le calcul du coefficient de pertes. Le pourcentage de ces
pertes s'approchera des 5%.
(6-17)
(6-18)
f)
Dimensionnement du convertisseur
L e groupe électrogène dans un système hybride produit la différence de
consommation entre celle générée par le système de production (Aérogénérateur,
photovoltaïque et l'énergie stockée dans les batteries) avec la demande de la
consommation. Le convertisseur CC/CA est dimensionné pour une puissance
Pnconv (puissance nominale du convertisseur) proche de celle du groupe
Abdel Kader Kader Ou Id Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économIque
ln
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d'Etat - Dakar
électrogène (GE). La configuration actuelle du CRAER possède un groupe
électrogène de 4kw, c'est une valeur de référence pour des sites simulaire.
PGE =
(t:~~d)"
(6-19),
~,com' = P
GE
t o ' - Temps d'arrêt en heure
(d'-
Temps de démarrage en heure
K s -. ccefficient de sécurité
b) Dimensionnement du groupe électrogène (G.E)
Les groupes électrogènes dont on parle dans les systèmes hybrides de petites
puissances pour l'électrification rurale dans les sites isolés sont généralement de
puissances proches des 5 kw.
La présence du système de stockage augmente la durée de vie de ces groupes.
Le groupe diesel est supposé produire en régime nominal de fonctionnement à
l'heure td jusqu'à l'heure ta. La puissance du groupe diesel est proportionnelle à la
puissance moyenne majorée d'un coefficient de sécurité ks qui traduit les différentes
pertes dans le mini - réseau.
24
(ta - td ) .ks
PG . E
=P
PGE
= ( E.ks
moy
ta-td
E
24
td ).ks
=-.
24 (ta -
)' (6-20)
L'énergie du G.E fournit fait le complément de l'énergie du système.
g) Prédiction du consommable
d-1) Prédiction du consommable pour modèle hybride aérogénérateur- diesel
L'analyse de l'évolution mensuelle des données du CRAER est basée sur les valeurs
moyennes journalières des paramètres calculées sur Excell, à partir des valeurs
moyennes de chacun des 32 paramètres enregistrés chaque minute. Cette étude
permet de suivre le comportement moyen journalier, mensuel et annuel des
différents éléments du CRAER et d'effectuer une étude détaillée des journées
caractéristiques du mois (maximum, minimum et moyennes des paramètres).
L'étude sur le plan pratique consiste, au cours d'une journée donnée, à effectuer des
simulations de fonctionnement sur les différents éléments de l'installation (système
Abdel Kader Kader Ou/d Mah moud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
173
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d'Etat - Dakar
de génération, chauffe eau solaire, unité d'osmose inverse, groupe électrogène, etc)
et à étudier l'évolution, en fonction du temps, des paramètres qui en dépendent.
La courbe donnée par le système d'acquisition de donnés installé à 10 m montre
que: Dans l'intervalle [ü,OOh ; 24.00] les vitesses du vent en moyenne tournent
autour de 4m/s et enregistrent des vitesses 5,89 mis dans l'intervalle de [11 h, 00 à
13h30mn]. Cette vitesse est considérée supérieure au démarrage des
aérogénérateurs de petites puissances qui se trouvent à 2m/s.
-+- Vel
(mis)
7-r----------------~
6
5
N
4
~
3
2
O+---~----r---r----'----r------i
o
S
10
1S
20
25
30
jours
Image· Vitesse des vents enregistrés dans le site du CRAER
Il est important de signaler, pour l'aérogénérateur, la prédiction du consommable
dans le site CRAER est réalisée à partir de la moyenne des vitesses du vent dans
un site. Les vitesses moyennes inférieure à 2m/s à la hauteur h de l'aérogénérateur
ne correspondent à aucune production d'électricité.
d-2) Prédiction de l'énergie électrique (variante: photovoltaïque - Diesel)
Pour le système photovoltaïque, la prédiction de la consommation est réalisée à
partir de la courbe de radiation solaire. Dans le site du CRAER. L'intensité du
rayonnement solaire reçue (G) sur un plan horizontal à un moment est donnée par
le pyranomètre d'epley comme l'indique la figure. Il s'exprime habituellement en
watts par mètre carré (W/m2).
Abdel Kader Kader Ould Mahl1loud - Chapitre 6 - Analyse technico- éconOITIIgue
174
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d'Etat - Dakar
Le potentiel énergétique a une variabilité interannuelle représentant un pourcentage
de la moyenne sur des journées caractéristiques, ce qui est plus faible que les deux
potentiels pris isolément. Ceci met donc en évidence une complémentarité,
cependant, entre les potentiels éolien et solaire. L'exemple donné dans la figure
montre un cas de complémentarité entre les deux sources d'énergies.
Les données du CRAER ci-jointes présentent les évolutions dans le mois du
rayonnement et de la vitesse qui conditionnent la génération et le stockage
d'énergie (en liaison avec les charges). On observe:
Une vitesse du vent qui varie en moyenne entre 2,5 et 5,86m/s avec les
exceptions, ci -après: vitesse maximale supérieure à 5,86 mIs '(le 14ieme jour
) et des vitesses
minimales de l'ordre de 2,5 mis (les 24 et 26ieme jours).
Un rayonnement global sur plan horizontal très variable entre 150 et 700w/m 2
qui se trouve à une altitude de 7m du sol
-'-Vel (mis)
N
~
S
800
700
6
GOO
5
7
500
400
300
200
100
1
0
0
4
3
~
E
2
0
5
10
15
20
25
30
jOlrs
Image Vitesses du vent - radiations solaires dans le site du CRAER
d-4) Modèle mathématique de "économie du combustible pour un SEH
En fin, sur la base de la prédiction pour le modèle hybride qui est réalisée et
"analyse des données permettent d'exprimer la quantité de combustible
annuellement consommée. Cette dernière peut être estimé en supposant que toute
la production du système hybride suivant l'une des variantes est consommée par les
charges. L'énergie que doit fournir annuellement le groupe diesel est la différence
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technlco- économique
176
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d'Etat - Dakar
Dans la zone centrale du graphique (marqué avec la ligne ............
) la courbe de
tension acquiert une forme semblable à celle de l'intensité photovoltaïque, mais avec
des petites pulsations provoquées par le système éolien. Dans cette période les
batteries se chargent, la valeur maximale de tension est de 52,S V.
Ce cas de figure peut se répéter dans le futur et peut nous permettre de prendre les
dispositifs nécessaires pour couvrir les besoins. Par exemple pendant les périodes
les moins ventés ou les moins ensoleillées, il faudra éviter de mettre des charges
importantes (installations grandes consommatrices d'énergies) ou le contraire.
d-5-1) Coût moyen actualisé pour un système hybride
Le modèle mathématique appliqué pour le coût moyen actualisé de l'électricité est le
suivant:
(6-23)
Jj
-
Investissement et installation pour la composante j ;
Oj -Dépense annuelle d'exploitation pour la composante j, il s'agit
notamment des dépenses pour la maintenances, du combustible et des
différentes taxes;
E - Consommation journalière d'électricité.
) t __
=
1'.
1_-
11=1
= a. (1 + ~
r
J
Facteur d'annuité pour la composante j
(l+a) J-1
(1 + a)"
Nj - Durée de vie de la composante j ;
a - Le taux d'actualisation;
Tax - Taxe sur les omissions de C02
j - Générateur photovoltaïque, éolien ou groupe électrogène.
M. -Fraction d'investissement pour l'entretien (maintenance)
}
P - Puissances du système proposé
}
Abdel Kader Kader Ould lV1ahll1üud - Chapitre 6 - Analyse rechTllco- économique
179
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d'Etat - Dakar
d-5-2) Coût moyen actualisé aérogénérateur- photovolta"que -diesel stockage
Les investissements dans un système hybride sont élevés par rapport à un groupe
électrogène seul. Pour que cette solution soit économique, seule la valeur de
l'économie en combustible proportionnelle 1- /LeD...!>
jouera en faveur du système
hybride par rapport au groupe électrogène seul
L'optimisation de l'installation se réalise à partir du calcul de son coût qui est
répartie entre les éléments suivants:
le système photovoltaïque (générateur, ses accessoires et son installation) ;
le système d'aérogénérateurs (générateur, ses accessoires et son
installation) ;
le matériel annexe (régulateur, matériel de protection et de mesure,
câbles ... ) ;
le système de stockage.
Le raisonnement que nous tenons est que le coût de l'installation comprend
globalement l'investissement et la maintenance.
CMA= (roero + ~,"J1 Aero'?""rO +( rI'V + M pv )1pvPpv +(rSTOk + MSTOk)1sTOk,CIO + prix/lIe, + ~o2 .Tax(6_24)
365.E
TJcEPCLKpF
d-5-3) Coût moyen actualisé pour aérogénérateur- diesel - système de stockage
CMA=
(Taero + MaerallAero,Paero + (rSTOk + MsroJ1sTOk,CIO + prix/lle/ + ~o2 .Tax
365E
(6-25)
TJeEPCIK pF
d-5-4) Coût moyen actualisé photovoltaïque- diesel -stockage
CMA= ('l'l'V + M pv ).1 pvPpv +( TSTOk + A1sTO J 1 sTOk, Clo + prix/lie! + ~o2 ,Tax
365E
(6-26)
TJcEPC1KpF
CMA - Coût moyen actualisé
T l'V' Taero ' r srok
- Facteur d'annuité
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse [echnico- économique
180
Université Cheikh Anta Diop - Thèse
M pv , Moero , M s10k
1PV et l aera
-
d'Etat - Dakar
-Investissement pour l'entretien (maintenance)
Investissement pour le système de production hybride
ouguiya /kwh
f s10k -Investissement pour le stockage en ouguiya /kwh
Capacité nominale du système de stockage en kwh
CIO -
E - Énergie journalière consommée en kwh
Ppv et Pae10
prix jùel
Tc02
-
-
-
Puissances du système hybride
Ouguiya / kg : prix unitaire du combustible
Masse de C02 produite pour une unité de masse de combustible
Tax - Taxe sur les omissions de C02
'7cE - Rendement du groupe électrogène
kwh
. ca lon'f'Ique minimum
, .
PCI - - - Pouvolr
kg
K PF -Cœfficient de performance
6-5 Conclusion
Des données du SEH expérimentales journalières, mensuelles et annuelles ont été
enregistrées pour le système CRAER et une minime partie a été décrite dans ce
chapitre, L'ètude réalisée des modèles mathématiques à partir des données des
constructeurs confrontés au fonctionnement réel de l'unité pilote a rendu possible
une validation expérimentale limitée du modèle technique et èconomique du
dimensionnement des installations énergétiques et des équations qui le régissent.
L'unité pilote et ses différents rendements confrontés au niveau du catalogue des
constructeurs et des résultats de simulations réels ont permis des ajustements pour
approcher encore plus la réalité physique liée au site. Sûrement lors de l'exportation
du projet pilote sur un autre site une restriction doit être associée cependant à
l'utilisation de ces données à l'effet qu'il n'est pas rare que la production d'un projet
SEH ne soit pas représentative du site d'existence suite à des problèmes,
contraintes de réglages sur ce autre site. Ceci est particulièrement vrai pour les
applications uniques liées aux données météorologiques réelles et doit être
Abelel Kacler Kaeler Qulcl Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
181
Université Cheikh Anta Diop - Thése
d'Etat - Dakar
considéré dans l'interprétation de la comparaison avec les données du CRAER. Les
vitesses expérimentales du vent et de l'ensoleillement présentées ont été les
résultats des différentes simulations réalisées express pour la maîtrise du
dimensionnement. En l'absence d'information additionnelle, les estimations
conservatrices suivantes ont été utilisées: coût moyen actualisé, taux d'absorption
de l'énergie éolienne, pertes par effet de sillage, pertes par encrassement des pales,
résultantes du verglas et pertes diverses, pertes aux niveaux des différents nœuds
du système PV (cœfficient de performance, pertes d'énergie de puissance. de
rendements et d'autres). D'autres études plus approfondies doivent être réalisées
dans la suite de ces travaux pour plus de précision des moyens mathématiques et
des algorithmes utilisés.
Références bibliographiques
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« A general battery model for PV system simulation», Progress in Photovoltaics :
Research and Applications, Vol. 1, pp. 283-292, 1993
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DEA décembre 2003
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photovoltaïque de pompage
à
la file
du soleil,
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Optimisation du rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires
Rev. Energ.Ren valorisation (1999) pp27-31
[9] M. CRAPPE,
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électriques", Revue E (2002)
[10] P. DUPUIS,
"Quelles sont les stratégies de développement de la production des énergies
renouvelables ?", Journée EUROFORUM Production décentralisée: Les objectifs
vont-ils être respectés? 15 Octobre 2002
[11] J.-L. FRAISSE,
"Le raccordement de la production décentralisée en hta et bt", REE (2002), no. 7.
[12]A.BENATLALLAH et R.MOUSTEFAOUI
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[12]F. Lamoureux,
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Directeur général de l'énergie et des transports de la commission européenne",
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septembre 1995.
[14] F. Delfosse
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de fin d'étude, Université de Liège, Faculté des Sciences Appliquées, 1998.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 6 - Analyse technico- économique
183
7. Application du logiciel HOMER pour
l'optimisation d'un système hybride dans un site
isolé (Aghadir en Mauritanie).
Abdel Kader Kader Ou/d Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
184
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Table des matières
Application du logiciel HOMER pour l'optimisation: Aghadir
7-1 Introduction
186
7-2 Le logiciel Homer
187
7-3 Localisation du site
188
7-4 Caractéristiques météorologiques
189
7-5 Présentation du Nomade et du site pilote CRAER
190
7-6 Configuration retenue par Homer
191
7-6-1 Charge
192
7-6-2 Potentiel solaire et éolien du site d'Aghadir
192
7-6-3 Groupe électrogène et le coût du carburant diesel
194
7-6-4 Stockage
195
7-6-5 Systèmes de générations: PV - Aérogénérateu r - Diesel
196
7-6-6 Convertisseur
197
7-6-7 Configurations hybrides
197
7-7-1 Production annuelle d'énergie électrique
184
7-8 Résultats et discussion
198
7-9 Conclusion et perspectives
199
7-10 Annexe 1 : Architecture
191
7-11 Annexe 2 : Données additionnelles
209
7-12 Annexe 3 : Coûts de systèmes d'énergie renouvelables en
Mauritanie
7-13 Annexe 4: Avantages et inconvénients
219
222
7-14 Conclusion générale
223
7-15 Bibliographie
227
7-16 Réalisations au CRAER
237
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud
~
Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
185
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-1 Introduction
Cette étude est la suite logique de la partie relative au calcul technico-économique
qui a été préparée en vue d'exporter l'unité pilote vers un village du Parc National du
Banc d'Arguin.
C'est pourquoi, le choix a porté sur les systèmes hybrides autonomes qui offrent une
alternative rentable aux prolongements des énergies renouvelables dans des régions
éloignées du littoral de notre pays. Dans de telles applications, les petits systèmes
hybrides pour des petites agglomérations peuvent fournir la puissance nécessaire à
l'éclairage fluorescent et pour d'autres petits appareils. Selon un aperçu conduit dans
cette zone par le groupe du CRAER les SEH peuvent également servir pour des
villages nécessitant de plus grandes charges incluant les besoins des ménages, les
centres sociaux et l'éclairage routier additionnel. Dans un système d'alimentation
hybride, un générateur diesel de secours complète la puissance de PV et celle des
aérogénérateurs pour les charges maximales et pendant des périodes de faibles
ressource tout en coûtant moins qu'un système PV - aérogénérateurs. Quelque part
entre ces différentes configurations, comme le montre la partie réservée aux modèles
mathématiques (technico -économique) du chapitre précédant, nous cherchons le
modèle optimal. Dans ce travail nous avons utilisé le logiciel Homer pour explorer la
taille de charge. Nous avons cherché également le seuil à partir duquel la charge est
plus rentable pour inclure un groupe diesel ou pour augmenter la taille de la banque
de batteries ou de la rangée de PV ou celle des aérogénérateurs. En exécutant des
analyses multiples de sensibilité à travers Homer, le point économique de croisement
entre ces configurations a été déterminé sur une gamme de tailles de système, de
ressources solaires, de ressources éoliennes, de prix de carburant et de conditions
de fiabilité. Le logiciel Homer permet d'évaluer une gamme d'options d'équipements
au-dessus des contraintes et des sensibilités variables pour optimiser les SEH
d'alimentation en énergie électrique. La flexibilité de Homer le rend utile dans
l'évaluation des résultats de conception, dans la planification et la phase initiale de
prise de décision des projets ruraux d'électrification.
Notons que dans la mesure où les conditions de charge (récepteurs) augmentent,
l'addition d'un générateur diesel de secours fait souvent d'un PV - aérogénérateurs
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
186
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
un système hybride représentant une option plus viable, malgré des coûts de
carburant élevés.
7-2 Le logiciel Homer
Le générateur diesel tient compte des composantes de production d'électricité et de
batterie, qui réduit les coûts de système alors que le PV - aérogénérateurs et les
batteries limitent la consommation de carburant diesel. Le logiciel Homer peut
évaluer une gamme d'options d'équipement au-dessus des contraintes variables
pour optimiser des systèmes d'alimentation. Ce type d'analyse a pu faciliter la
planification des projets ruraux d'électrification à grande échelle. Les résultats ont
alors pu servir de point de départ à la conception de différentes installations.
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_ _,1
DÎe$el
Image 7-1 : schéma unifilaire et le site
Cette étude a exploré le rôle des générateurs de secours pour réduire les coûts de
système global. Nous nous sommes concentrés sur le village d'Aghadir parce qu'il a
bénéficié d'un financement de la Coopération espagnole pour réaliser un systéme
hybride dans le cadre d'un programme étendu de petits systèmes d'alimentation
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
187
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
solaire des maisons, des boutiques et pour la réfrigération avec des efforts continus
d'électrifier des secteurs ruraux. Homer a simulé des opérations semblables avec
des milliers de différentes conceptions de système, avec et sans un générateur de
secours. Il pouvait alors identifier les moindres coûts du système en fonction de la
taille de charge et d'autres variables. Ce travail emploie ces résultats d'Homer pour
analyser le seuil de charge pour un système de l'hybride aérogénérateur - PV diesel
-
batterie
qui
devient
plus
rentable
qu'un
système
plus
simple
d'aérogénérateur - PV - batterie. HOMER fait clairement ressortir la sensibilité de ce
seuil à plusieurs facteurs. Ainsi, les possibilités d'Homer fournissent la meilleure
option pour modeler et étudier de tels scénarios. Nous obtenons une simulation
horaire de toutes les configurations possibles du SEH. La vitesse pour traiter ces
simulations tient compte de l'évaluation des milliers de combina isons. Cette
simulation horaire fournit également les modèles statistiques améliorés d'exactitude
qui évaluent typiquement l'exécution mensuelle moyenne d'un SEH. Homer donne
également l'efficacité partielle des charges des générateurs diesel et simule plus
exactement l'efficacité d'un générateur diesel quand il ne fonctionne pas à sa pleine
capacité. Après avoir exécuté les simulations, HOMER ressort les cas faisables par
ordre d'augmentation du net (ou le cycle de vie) du point de vue coût. Ce coût est la
valeur actuelle de l'initiale, du remplacement des
composant, de l'opération, de
l'entretien, et des coûts de carburant. Homer énumère la configuration de système
optimale, définie comme celle avec le minimum du coût, pour chaque type de
système. L'analyse de la sensibilité de Homer répète alors cette optimisation suivant
les facteurs définis pour l'utilisateur, tels que le prix de carburant, charges relatives à
la taille, conditions de fiabilité et qualité des ressources.
7-3 Localisation du site
Aghadir (19°52,16°18) se trouve dans le Parc National du Banc d'Arguin, au Nord de
Nouakchott.
Les raisons pour l'application des énergies renouvelables dans cette zone en
développement sont multiples:
•
site très isolé,
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
188
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Il
absence totale
de
réseau de distribution
électrique
en
dehors
des
agglomérations,
manque de ressources énergétiques propres
pas d'hydrocarbures ni de
charbon.
D'autres faits encore peuvent justifier l'utilisation des énergies renou
velables comme:
Il
la protection d'un site comme Aghadir (voir carte) appartenan
t à l'une des
côtes les plus poissonneuses du monde,
Il
la protection du site qui est survolé régulièrement et habité par
des oiseaux
migrateurs,
Il
la protection du site pour sa biodiversité.
ImaQe 7-2 : le site
7-4 Caractéristiques météo rolog iques
Une étude complète du potentiel éolien et solaire sur la zone
du littoral de la
Mauritanie a été réalisée par la Faculté des Sciences et Techn
iques et l'Institut des
Technologies des Iles Canaries (FST -ITC) , en 1997, et a permi
s de créer une base
de données du vent et de l'ensoleillement.
Abdel Kader Kader Ould Mahmo ud - Chapitr e 7 - Applica tion
sur le site d'Agha dir
189
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
La simulation est réalisée avec le programme CE-2000 qui est effectuée par l'Institut
technologique des Iles Canaries et, en particulier, son département de recherche en
énergie et en eau.
La direction annuelle du vent (rose du vent), la température, l'ensoleillement et
d'autres paramètres sont obtenus à partir d'un système d'acquisition de données du
CRAER.
Pour la software de simulation, le CE 2000 est parti des données des stations
anémométriques de la F8T-ITC:
•
Hauteur: 10 m
•
Rugosité: paysage océanique sableux
•
Période estimée: journalière, mensuelle, annuelle.
7-5 Présentation du Nomade et du site pilote CRAER
Lns;tallation anèrilomtfttriquE
Imaqe 7-3 : installations pilote du CRAER
•
Description physique: Taille: 254,203,155 mm, poids: 2,5 Kg et caisse pour
protection contre l'eau
•
Température: -40°C à +85°C , Humidité: 0% à 95%.
•
Muestro: Fréquence en Hz
•
Dispositif: Tarjéta RAM et capacité: 32 à 512 Kbytes
•
Alimentation: batterie 9 V
•
Direction: direction de 0° à 360°
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
190
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-6 Configuration retenue par Homer
Le modèle Homer utilisé est un modèle d'optimisation pour la conception de
systèmes d'alimentation électrique autonome. \1 utilise des simulations horaires pour
optimiser la conception de systèmes d'alimentation hybrides et peut modéliser des
combinaisons de plusieurs systèmes notamment éolien, photovoltaïque, groupe
électrogène diesel et batterie d'accumulateurs. La présente validation n'utilise pas
toutes les capacités d'optimisation d'Homer. Le
programme est utilisé seulement
comme un outil de simulation. Deux configurations ont été testées : SEH pour
Aghadir et SEH pour Ten Alloul (seule l'étude d'optimisation d'Aghadir est présentée
ici).
7-6-1 La charge
Définition du village d'Aghadir :
•
Trente habitations, soit 720 W pour le village,
•
Une mosquée de 70 W ;
•
Une boutique avec un congélateur de 400 W.
i=n
Puissance totale: P
= IF;
1190 W
i~1
I=n
Énergie totale: Er
= n IF;t
j
4020 Wh/j.
i~l
Tableau 7-1
Le profil de charge est basé sur l'existence d'un site réel. Le village est constitué de
30 habitations, soit une charge totale de à 0,8 KW qui se produit de 18 heures à 24
heures avec de petites crêtes qui vont jusqu'à 1 KW. Les charges constantes de 0,4
KW qui peuvent monter jusqu'à 0,6 KW ou descendre à des valeurs de 0,3 KW (ces
charges regroupent les deux congélateurs, les charges de la seule boutique et de la
mosquée qui est encore le lieu de l'école coranique). Le choix d'Homer est lié à la
possibilité de pouvoir exécuter une analyse de sensibilité en acceptant des valeurs
multiples pour une variable particulière d'entrée telle que la charge moyenne en
mesurant la valeur moyenne annuelle de 13 kWh/j et 1,7 KW qui constitue un pic
nocturne.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
191
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
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o~2i
Image 7-4: modèle des charges
Discussion du modèle de la charge
En exécutant l'analyse de sensibilité sur une gamme étendue des tailles de charge,
l'étude simule une gamme des types de charge d'une maison simple à une grande
communauté. Tandis que cette graduation peut représenter toute la charge globale
d'un plus grand village, en réalité le profil ne demeure pas nécessairement de la
même forme. Les variations de différentes charges à la maison tendraient à lisser
hors du profil global. En plus, pendant la journée, il y'a des charges comme des
écoles, des cliniques et des petites entreprises qui pourraient changer très
probablement la forme du profil. Pour la simplicité de l'analyse, le profil de charge n'a
pas été modifié à mesure que la charge était augmentée, mais il est resté constant
dans la forme sans jeter un regard sur sa taille. En réalité, l'analyse de sensibilité des
charges du CRAER montre que les charges de forme constantes sans tenir compte
de leur taille, ne sont pas la source de coupure (délestage), car le système retrouve
son point de fonctionnement et rentre dans un régime stable sans perturbation. Il est
important de noter que le caractère des charges (démarrage des moteurs, pic du
graphique de charge), sont d'une importance capitale dans un mini - système de
production comme le nôtre. Notons aussi qu'Homer dans ce cadre sollicite une taille
importante du système de production d'électricité pour compenser les pics.
7-6-2 Potentiel solaire et éolien du site du site d'Agadir
Les valeurs mensuelles de la vitesse du vent données par Homer sont des valeurs
moyennes sources mesurées à partir du système d'acquisition de données du
CRAER sur 1 minute. Elles sont données par des anémomètres en mètre par
AbdeJ Kader Kader Quld Mahmoud .... Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
192
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
seconde se trouvant sur une tour de hauteur de 10 m avec une girouette qui
enregistre d'une façon permanente les directions du vent.
Les mesures ont été réalisées pour l'année 1997, prise comme année de référence.
7.000
7000
7.000
Othel
parameters
..,
Altitude [m above eea levelJI-Ü
A~emomelerJ)~ight;(mJ
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Image 7-5 : vitesse du vent, Weibul K
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Image 7-6 : profil du vent
AbdeJ Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 -- Application sur le site d'Aghadir
193
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
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Jan F ebMar Ap r May:.Jûn Jul AugSepiOè:FN o\/Dec
Image 7-7 : source solaire
La ressource solaire est donnée pour un emplacement de latitude 19 0 56' N et de
longitude 16 0 09' O. Des données solaires de rayonnement pour cette région ont été
obtenues à partir du site Web de météorologie extérieure de la NASA
[3
J.
Le
rayonnement solaire moyen annuel pour ce secteur est de 5,4 kWh/m2/d. L'image
montre le profil solaire de ressource sur une période d'une année. Les données
utilisées au CRAER fournissent des valeurs d'un rayonnement solaire plus élevé que
les 6 kWh/m2/d. Il faudra aussi noter qu'il y a des journées où le système
d'acquisition de données donne des valeurs proches de 1000 kWh/m2/j pour le site
de Nouakchott (valeurs acceptables pour les tests photovoltaïques qui sont réalisés
au CRAER).
7-6-3 Groupe électrogène et le coût du carburant diesel
Le prix de carburant diesel fluctue beaucoup dans cette zone suivant les différentes
missions que nous avons réalisées sur le site du PNBA. Nous l'avons réactualisé
suivant l'étude pour inclure une analyse de sensibilité sur le prix du carburant diesel.
Notons que ce prix peut changer considérablement sur la région, les coûts de
transport, et le prix du marché courant. l'information donnée par la Cellule des
hydrocarbures du Ministère du Pétrole et de l'Energie montre que les prix ces
dernières années, ont beaucoup fluctué en Mauritanie, soit la prise en compte de la
valeur du prix diesel en moyenne entre un minimum de $ 0,40/l et un maximum de
$ O,SO/l sur ces cinq dernières années.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
194
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Costs,
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nl!'~I,!lçl!'m~n~
Imager 7-8 : puissance du groupe, capital, remplacement
Le taux d'intérêt des commerçants est égal au taux d'intérêt nominal sans le taux
d'inflation et il approche les 6%. HOMER a converti les frais financiers de chaque
composante en coût annualisé en l'amortissant au-dessus de sa vie composante en
utilisant le vrai taux attendu.
Notons aussi que dans les calculs technico-économiques, nous avons proposé des
modèles mathématiques pour les coûts d'opération et d'entretien pour les
générateurs et qui sont énumérés par heure d'opération. HOMER détermine la
quantité de temps où le générateur doit être utilisé en un an et calcule tous les frais
d'exploitation à partir de cette valeur. Les coûts utilisés pour cette étude sont très
conservateurs et peuvent être beaucoup plus hauts en réalité.
7-6-4 Stockage
La contrainte de fiabilité de la performance économique d'un système d'énergie
renouvelable peut être sensiblement améliorée si le choix du système de stockage
est réalisé avec beaucoup d'attention. Nous avons obtenu des résultats sur le
comportement physique du système de stockage. Ces résultats nous permettent
d'éloigner le fonctionnement des batteries d'un excès de surcharge et d'une
décharge profonde. Les charges de démarrage dans le CRAER ont montré que le
stockage réagit à une charge d'osmose inverse par une décharge brusque qu'il
faudra limiter au dessus de 70% de la capacité de stockage.
Les charges constantes sans fluctuations sont considérées sans conséquences sur
la durée de vie des batteries tant qu'elles n'atteignent pas les limites de décharges
profondes.
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
195
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
BaUery prope/ties
Manufacturer.: Hoppecke
Wébsite:
. .,,,;,,.,,"
.
Wl,A/W
hoppecke, com
Nominal voltage:
Nomin~Ic;.~f:lClc;it~:
'Lifetimelhiôugn'put/
2V
300 Ah (06 kW:f))
.1,()14· kWh
Imaqe 7-9: donnée du système de stockaqe
Cela aussi est vrai, particulièrement pour ces cas extrêmes avec une charge
maximale qui se produit après plusieurs jours nuageux. Homer propose des modèles
de scénario avec les types de contraintes pour éviter le gazage (surcharge) et la
décharge profonde.
Homer permet aussi d'étudier la
sensibilité optimale de
fonctionnement. L'entretien des batteries est pris en considération par Homer.
7-6-5 Systèmes de générations: PV - Aérogénérateur - Diesel
Des panneaux photovoltaïques ont été choisis avec le capital et les coûts de
remplacement.
q.~.sts'::c;-;;"~:C-:'" .<,.,.
..•.... .~:-c::-.::- ..-:-:>"Si2~stocéinsider.••..::.:h." ;;,.k·cO~1. Curvi; ,
t\'~~è·[kw)l. câpilàl[$l!':,Replaêemeht[$) JOt.Mf$lYi)' .: / ..6.~!~h~~J_:..
3??i"'-'--r-'~:..c.....r="':'~~7t"
,·r.. ·..·.. .·.~.·. . . g.:.·§·[ô.·.I·....· ..""_·36ô·:·······_-··--·.. ·250.----·--·--6"'
0.000,
.•··250j--+-·-l--+-+-----::l~-_h.
,..
0.600 ;
~./
.Lifetimê lYears)
Derating factor (%)
Tracking system
1r'-Jo Tlacking
5lape (degrees1
118.8333
JlJ
Azimuth [degrees W of 5)
j-o
JlJ
Ground refleelance (%)
~
JlJ
Help
Cancel
j '_ _O....K_ _
Image 7-10 : capital, Remplacement
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud -- Chapitre 7 -- Application sur le site d'Aghadir
196
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Homer inclut le transport, les tarifs, l'installation et la marge bénéficiaire du
revendeur. Dans un système de PV nous ne considérons pas l'entretien.
Dans les calculs de dimensionnements nous tenons compte du facteur de sous
sollicitation de 90%. Ce facteur a été appliqué à la production électrique pour le
système photovoltaïque. Ce facteur réduit la production de PV de 10% pour
rapprocher les effets variables de la température et de la poussière sur les panneaux
(voir le chapitre précédant calcul technico-économique). Les panneaux ont été
modelés en tant que sud fixe et incliné sous un angle égal à la latitude de
l'emplacement.
7-6-6 Convertisseur
Nous avons montré dans les parties précédentes que les convertisseurs ont un
rendement important qui tend vers les 85% respectivement pour toutes les tailles
considérées. HOMER simule chaque système avec la puissance commutée entre
l'inverseur et le générateur. On n'a pas permis à ces dispositifs de fonctionner en
parallèle. Dans ce système simple, la puissance vient du groupe électrogène, du
système de stockage et du système de génération éolien et solaire.
7-7 Configurations hybrides
L'espace de recherche est listé par Homer suivant les tailles des composantes de
tout le système avec les différentes contraintes et Homer propose plusieurs
configurations. Dans notre cas, Homer a considéré les variantes suivantes:
Total
NPC
Diesel
(lI
$6)62.318
$ 3.1 DO $. R697.441
$ 4.400
S 9.234.684
$ 2.800 $11.528.369
1.113
1.476
1.525
1.972
Gèn1
~lrs)
2,639
3.396
3.605
4.502
Tableau 7-2 : variantes proposées par Homer
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
197
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-7-1 Production annuelle de l'énergie électrique
Les systèmes de production participent suivant les fractions décrites dans le tableau
et qui montrent une participation importante du groupe électrogène qui atteint le
54%.
r··~~··~····~··---"·I--··-··""~-·--"--l·----~-""·~·-'"
ICOJl1Ponent~rOd~Jctiontracti?n i
1
1
(kWh/yr)
1
1
Ip\Ta-rra"y-·~r···---······~··1.~.~~. ~.r~~==·~~~~~o.":
iWind turbine
enerator 1
1,2141
3,025
22%
54%
5,638
10
Tableau 7-3 : production par composante
o7
Mônthly A'lIel'.lge Eledrit Pl'o(/uttiôn
'---~-'----"',...--'''-!'----''I-=--''''---'''---'-----'i-'''''''--'''----'
O.Ô
PV
-Wind
~o.:5
-
Generator 1
='0.4
~D.3
&0.2
0.10.0'
.
..
..
Jan Feb Mar Apr May Jun
Jul
Aug Sep Del Nov De c
Histogramme 7-1 : production d'électricité par composante
7-8 Résultats et discussions
Le coût d'énergie a été calculé et tracé la première fois pour les trois types de
système au-dessus des charges croissantes pour identifier le seuil de charge entre le
PV, l'aérogénérateur du système hybride. Homer simule les variations de fiabilité, de
ressource solaire, de ressource éolienne et de décalage diesel des prix de seuil. La
détermination des seuils de charge à mesure que la charge de système augmente, le
coût de courbes d'énergie identifient les seuils spécifiques de charge pour différents
types de système.
La première ligne montre les résultats pour des systèmes avec un système
photovoltaïque,
aérogénérateur,
groupe diesel,
convertisseur et système de
stockage. Cette variante est caractérisée par un nombre d'heures de fonctionnement
minimum soit 2,6 heures. Ainsi, la consommation du diesel est de 1.113 litres. Cette
dernière valeur de la consommation diesel correspondant ainsi à un rayonnement
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
198
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
solaire, ou un potentiel éolien (d'une autre manière, toute production éolienne ou
solaire importante limitera la production diesel). Rappelons que pour le prix du diesel
de $ a.5a/l, retenu ici, le système a le plus bas coût d'énergie (pour la première
variante). Il s'agit du capital initial le plus important des quatre variantes.
la seconde ligne montre les résultats sans la partie aérogénérateur d'où une
participation du groupe électrogène plus importante en nombre d'heures, soit 3,39
heures pour une consommation de 1.476 litres.
la troisième ligne: seul un aérogénérateur participe à la production sans le système
PV. Notons, que le groupe participe avec une part plus importante.
la quatrième ligne est représentée uniquement par le diesel suivi du nombre
d'heures de fonctionnement le plus important et un capital initial le plus faible. Dans
cette optique les charges sont plus importantes. les charges sont moins importantes
dans la première ligne liée au système hybride.
7-9 Conclusion et perspectives
Conclusion
Ce travail nous a permis d'avoir une idée sur les possibilités d'alimentation en
énergie électrique des localités isolées et éloignées où il ne peut y avoir de
raccordements de câbles électriques à cause de leur coût de revient élevé. De
même, on s'est intéressé à l'étude technico-économique d'optimisation à travers
Homer
(logiciel
d'optimisation)
d'un
système
hybride
(aérogénérateur,
photovoltaïque, moteur Diesel et un système de stockage tampon) sur le site
d'Aghadir en utilisant les données de mesure des stations du CRAER et de la Nasa.
Homer nous a permis d'évaluer les différentes configurations possibles avec les
équipements similaires du CRAER (la puissance moyenne disponible sur le site, la
puissance
moyenne
annuelle)
fournie
par
l'aérogénérateur,
le
système
photovoltaïque et le moteur Diesel ainsi que la détermination des charges pouvant
être alimentées en énergie électrique. Cette étude relève du domaine technique mais
aussi du domaine économique. Pour que la production de l'énergie électrique soit
viable, il faut que son coût de revient soit moins élevé que celui de l'énergie
électrique produite par un moteur Diesel ou une turbine, panneaux photovoltaïque; le
coût et la puissance étant deux facteurs liés entre eux.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
199
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Dans notre étude, nous nous sommes intéressés à la rentabilité de l'investissement
de l'installation. On constate que l'installation impose un investissement élevé
(travaux d'installation) et commence à être rentable après quelques années, ce qui
entraîne la diminution du prix de revient du Kilowattheure, jusqu'à devenir compétitif.
Perspectives
Les travaux présentés dans cette thèse d'Etat concernent les systèmes de
production d'électricité décentralisés, capables d'un fonctionnement autonome. Ces
dispositifs semblent amenés à connaître des développements importants liés
essentiellement à une volonté de plus en plus affichée de diversification des moyens
de production et d'un meilleur respect de l'environnement dans nos pays. Associées
à une production centralisée, ces petites ou moyennes unités peuvent permettre une
mutualisation avantageuse de ressources très réparties, très fluctuantes dans cette
zone du continent africain, et contribuer à une meilleure gestion de l'énergie
électrique dans un contexte de développement durable.
D'un point de vue économique, ces dispositifs ne sont pas encore compétitifs et nous
pouvons penser qu'ils le seront difficilement à court terme. Cependant, la sûreté
élevée qu'ils offrent, grâce à la présence de dispositifs de stockage d'énergie et à
leur forte décentralisation, conjuguée à une volonté publique, liée aux nécessités du
développement durable, peut faire infléchir cette tendance et rendre, à moyen et long
termes, ces dispositifs économiquement viables.
C'est dans cet objectif de diminution du coût par un calcul technique et économique
optimal du système et une gestion adéquate de l'énergie que ces travaux du
laboratoire des semi-conducteurs et du département de physique de l'Université
Cheikh Anta Diop de Dakar s'inscrivent. Nous avons donc conçu et implanté un tel
système de dimensions réalistes (échelle de l'habitat individuel) et nos travaux ont
naturellement porté sur:
1) l'établissement des modèles énergétiques et économiques des di'fférents
sous-systèmes,
2) le développement d'outils de dimensionnement optimal et de gestion d'énergie
sur la base d'un formalisme économique adapté,
3). l'analyse technico-économique des différentes configurations du système,
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
200
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
4) différentes applications à travers des logiciels informatiques suivant les
différents chapitres et qui concernent notamment: Lab view (acquisition de
données),
Matlab
(simulations)
et
Homer
(optimisation
technique
et
économique).
Tout le long de ces travaux, deux critères ont guidé notre démarche:
1) développer des modèles, à la fois simples, précis et suffisamment rapides,
pour permettre l'étude d'optimisation du système complet,
2) confronter, grâce à notre site expérimental, nos modélisations aux mesures
afin de vérifier leur validité, de préciser les conditions de leur application et de
déceler les éventuels points durs.
Ainsi, après un bref rappel des ressources énergétiques renouvelables et des
systèmes de productions associées, nous nous sommes intéressés aux chaînes de
production éolienne et photovoltaïque. Les études énergétiques, menées aussi bien
sur le plan théorique qu'expérimental, ont permis de montrer:
•
pour le système, l'étude a permis de prouver le bon rendement énergétique.
Cela suppose cependant que la fonction de corrélation « site de production /
site de mesure» soit bien identifiée. La puissance récupérée par l'éolienne et
le système photovoltaïque dans le site pilote a prouvé la rentabilité d'un tel
système et donc le possible intérêt d'un transfert vers des sites habités. Les
aérogénérateurs ont prouvé qu'ils réagissent surtout aux faibles vitesses de
vent;
•
pour le générateur photovoltaïque qui prennent en compte la température, ils
permettent une estimation précise et rapide de la production d'énergie pour
des conditions météorologiques données (ensoleillement et température) ;
•
pour les modèles physiques plus élaborés que nous avons aussi étudiés, ils
donnent également de bons résultats.
La modélisation énergétique des composants de gestion d'énergie a ensuite été
réalisée. Tout d'abord, un modèle simplifié relatif au système de stockage
électrochimique (batteries plomb - acide) a été étudié. Le modèle, basé sur celui de
Lorenzo, bien que simple, permet de déterminer convenablement l'évolution du
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
201
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
courant dans la batterie et son état de charge, à condition cependant de fonctionner
à puissance régulée. Concernant le convertisseur, sa modélisation a été réduite à
des caractéristiques de rendement selon le transfert d'énergie. Ces caractéristiques
ont été identifiées expérimentalement à partir de notre site.
Ces différents modèles énergétiques ont été ensuite utilisés afin de modéliser le
système complet de production éolienne et photovoltaïque, avec son système de
stockage.
La confrontation avec l'expérimentation a donné des résultats tout à fait satisfaisants.
Tout d'abord, les temps de calculs s'avèrent être raisonnables. Ensuite, les résultats
obtenus ont permis de montrer une bonne simulation du comportement énergétique
du système complet comparativement aux mesures.
En vue d'établir un dimensionnement optimal et de déterminer des lois de gestion
d'énergie optimisées, nous avons dû développer un calcul technique et économique
adaptés aux configurations attendues pour l'exportation du site pilote. Des modèles
économiques dont les paramètres ont été déterminés à partir de données
constructeurs et/ou de fournisseurs, ont été établis pour chaque élément du système,
en particulier, l'hypothèse simplificatrice (établie sur la base de l'observation de
caractéristiques réelles) comme celles qui ont permis de réaliser une bonne
compréhension du fonctionnement du système de stockage. Bien sûr, dans une
étude approfondie, il serait sans doute nécessaire d'effectuer des considérations plus
fines mais également beaucoup plus lourdes en temps de calcul. Disposant de
modèles énergétiques, économiques et d'outils de dimensionnement et de gestion,
nous avons effectué une étude d'optimisation fondée sur des cas simples de
systèmes multi - sources. Pour aborder ce difficile problème, nous nous sommes
alors placés dans le cadre d'un producteur d'eau pour les besoins d'un village consommateur d'énergie électrique avec des installations de froid dont les conditions
météo au site de production ainsi que sa propre consommation sont supposées
connues, donc déterministes. La problématique était alors la recherche de stratégies
de gestion des flux d'énergie et des caractéristiques fondamentales des éléments de
l'installation (puissances photovoltaïque, éolienne,
capacité de stockage,
... )
optimales permettant la minimisation du coût énergétique et la bonne gestion des
insta lIations.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
202
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Différentes configurations ont alors été étudiées: un système multi - source,
disposant d'un stockage qui nous a permis de mettre en évidence l'importance d'une
gestion d'énergie adaptée à une application donnée, en particulier, dans le cas traité,
par une meilleure répartition de la recharge afin de travailler à des rendernents plus
élevés.
Le système a été testé en fonctionnement autonome en considérant au cœur du
système le stockage, ce qui nous a permis de montrer que la viabilité économique de
ces installations est intimement liée à la présence de ce dernier qui réagit à des
récepteurs au courant de démarrage important. Mais les prix du Kwh élevés liés à
des installations encore coûteuses nous laissent penser qu'il est très avantageux de
tenir compte des aspects d'application comme dans notre cas: le dessalement de
l'eau de mer peut s'avérer intéressant et rentable en tant que solution où la demande
est la plus urgente sachant que dans notre zone d'étude l'eau potable est distribuée
aux compte-gouttes. Ceci permet, en effet, de ramener à des tailles plus
raisonnables les unités de production et de les exploiter à 100 % (plus de nécessité
de délestage et donc d'un gaspillage d'environ moitié de la capacité réelle de
production car la production d'eau est une autre forme de stockage),
Notre système expérimental (multi - sources avec stockage) qui nous a permis de
montrer que, avec une gestion simple de l'énergie, nous pouvions, avec des
capacités de production plus faibles, alimenter les récepteurs au prix d'une
participation du système de stockage pendant les moments où la météorologie n'est
pas favorable. Ceci nous conforte ainsi dans l'idée que le stockage est nécessaire
dans ces applications.
De nombreux travaux demeurent nécessaires au-delà de cette thèse. Citons par
exemple l'établissement de la relation entre la vitesse du vent et la production
électrique qui est particulièrement difficile à estimer en milieu turbulent.
L'élaboration des fonctions de corrélation (supposées unitaires dans les travaux
présentés), entre le site de mesure météorologique et le site de production souvent
distant du premier, permettra de répondre au problème très concret du manque de
données sur de longues périodes nécessaires au dirnensionnement d'un système de
production.
Ces travaux ont également dégagé des perspectives à plus long terme. Nous avons
traité ce problème de manière déterminante. Or, l'aspect non déterminant des
Abdel Kader Kader Quld Mahmoud - Chapitre 7 - Appl ication sur le site d' Aghadir
203
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
ressources et des besoins doit être pris en compte notamment dans la procédure
d'optimisation de la gestion
d'énergie du système complet.
Celle-ci devra
nécessairement exploiter des données prévisionnelles météorologiques et de
consommation. L'analyse intelligente des prévisions de production et des besoins
pourra permettre d'aider le consommateur à mieux adapter son comportement aux
prévisions météorologiques. On pourra alors réduire les puissances installées, et
donc le coût, des systèmes de production tout en satisfaisant les mêmes besoins,
ceci sans perte de confort démesurée. Le consommateur aura alors toujours la
même consommation, en moyenne, mais celle-ci sera mieux répartie et plus en
adéquation avec la production. Ceci pourra se faire à travers des automatismes de
pilotage de certains appareils électriques non prioritaires.
Ces perspectives font l'objet de la thèse de Sriya et de Mohamed Segane débutée
en septembre 2006 et 2007.
Enfin, signalons que tous ces travaux ont été menés, jusqu'à maintenant, au débit de
ce partenariat UCAD (Dakar) et UN (Nouakchott) et il nous semble aujourd'hui
indispensable, pour leur donner une dimension plus importante dans le cadre de la
coopération Sud - Sud et cela pour mieux contribuer à nos objectifs de
développement durable, d'établir des collaborations solides aveC les organismes
concernés. Nous pensons bien sûr que l'intérêt consiste sans doute à se diversifier
vers les systèmes de production et de stockage fortement décentralisés.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
204
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
ANNEXES
Annexe 1: Architecture
PV Array:
Wind turbine:
Generator 1:
Battery:
Inverter:
Rectifier:
Dispatch strategy: Cycle
0.6
1
1.5
6
2
2
Charging
kW
SWAIR X
kW
Hoppecke 6 OPzS 300
kW
kW
Tableau 7-4 : puissance des composantes
42,535 $
Total net present cost:
Levelized cost of energy: 0.712 $/kWh
Tableau 7-5 : prix du kwh
I·•A·<nnua
,.·.·. '.'.·.·.·.· · ·.'. •.·,·.· '.·•.· · Ize:..'· A.•."nnuaze
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1
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300 1
23i
3!
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01
26,
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- -...- · ' .....- - - , - - -....
..·_·-f·--..- .._--·_..·_ _..·..: - -..---,.-----r·"-="'-"':SWAIR
X i 1,6001j.....
125.
41
50'
0i
216i
,
.
,..
. ············,···························1········..·..··
.'
.
iGenerator l'
1,100
86!
135
1,717f
880
2,817'
'. _...
-'.
:----------·----·--·-····-·---····--·-------1-----------·
jBattery
200)
16,
36:
10i
. 01
62/
IConverter ., "1,5001 ·····117'39\ ···········50fo[206:
iTotals
-·--·~7001-·
368!
2531-1,827 i--- 880'-- 3,327:
iPV Array
:
----~·--
c- - - - -
Tableau 7-6 : production annuelle d'électricité
ç-~---"----r;.;
.: -. .
i
lC?~~onent·t.'~·~~whj~ltr·~···!·~·~·~··~·~~·~·~··1
, PVarray
i
f···--···················· .. --............
'
IWind turbine
r-~-·------_·,-~~-
Generator 1
Total
1,399
' 25%
j
... !
1,214
3,025
5,638
22%
54%
100%
Tableau 7-7 : participation par type de production
Abdel Kader Kader Ou'd Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
205
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
0.7,
--- - ...
---J
•
u
u
"·a-
_n.
--
..
-
-
-
... _.
__
u.
PV
0.6
-Wind
G'~nerator 1
fO. 5
2:-0.4
~0.3
~0.2
0.1
0.0
Jan
.
Feb
~
Mar
Apl May Jun
Ju\
,.'
Aug Sep
Oct Nov Dec
Histogramme 7-2 : production annuelle d'électricité
...•••. ".......
."·".u"·_·""""
." .. ""..-.".""""..
Load
[
" "----." "., :
" """""""'-'1
IConsumptionlFrélction i
1'
f- .. - -..
1
IACprimaryïoad [
1
4'?!3" ... J"~990!o",,J
r
.•
----·----~:---._.-,,--,
(kWh/yr)
i.
!1
4, 672r10Ôo;~ .,
1
Va ria b leVâlue lïj~i'ts'
IRerïewabï"efraction:' i Ô.464
r
r-"Excess electricity: ,- 250 -[kWh/y;;::
J'" Ü'nmet"ïoad:"
.' ···········0.. "jï<wF;;yr"
i"Capacity sho-rtage:-
1
IkWh/yrl
Tableau 7-8 : énergie de consommation des charges
lValue. JUnits .
Naf!able
IAverageoutput:"1 ···3.83[ï<wï1/dl
IMinimum outpüE"-ro'~000112IkW
,.-.. .--...._.-------"---....-.. . "."· _, · ,·, . . ······_--_..·_··.. -1----"-'.
Maximum output:
'Soiarpenetration:!
1
0.667kW
30.0 j%
•
--rc---·,,--
.
-'.- - ; - - - - - - · - r - · - - - ....
iCapaclty factor:
1
26.6,%
!
"'[ "...
..
[
iHours
of operation:
4,756 hr/yr
. ,. _
_".._ .
,-.,'_ _._._.._-_
.
"
.,.'
~_
"
"."."
,-~~--~
"
""
,~,
.. _"._"""
:
_~-''",~_._~-»_
.... "
"
"
"
~-_
""
"
"
.
_-~.~~
Abdel Kader Kader Ou/d Mahmoud -- Chapitre 7 - Application sur le site ct' Aghadir
206
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
~o
I
PV Output
24
~o~
-
h:. O~
>- 18
ru
-O~
Cl
~
'5 12
~
:r:
6
o
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
oct
Nov
0.14
000
Dec
Image 7-11 : production PV
Variable
( .........•~ .•.............•••.....c
,
'Value
1·
. 'Units
..
". [
10.547ikW
·T······················:······················
Total capacity:
i
TO.·1·39·kW··..
,
Average output:
'
'•...............
[Minimum output:
0.000 ikW
[Maximum output- 10.547 !k\N ..
,
··········i············..···..··········,.················ .
:Wind penetration: 1 26.0 '%
~e~
'_.,._.~_.~ __ ••
. _ . ".•
_~
, _ •. _._._.
.
f"~'------"·'·.;...-~~._-~_.<
!Capacity factor:
1 25.3·%
.
[Hours of operation:T8,402 ihr/yr
._.~,-_.-_.~--~_
..
__
.~--
..
_,-,.,_."._-----~-~~
..
_-_._,-,-._,-_._---~._~~'-
Tableau 7-9: production des aérogénérateurs
kW
Wind TUlbine Output
!f0.60
0.48
>- 18
ru
Cl
0.24
'5 12
0.12
j
o
:r:
0.00
6
o
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Image 7-12: production des aérogénérateurs
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
207
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
r'-'---w---.-~~~-!~:-----------,., l~~ 1~·~:rLy~!~!. . !
,Hours of operation:
c······
.
...... -'....
i 2,861 1hr/yr
1
i 755\lsta rts/yr 1
..·---r-----r,------·,
i, . . . .5.24,Yr
i
.
. . •. . . . . . . . ,
·············1
"t·· .. " . -··-···:·~::·-·:·~··:r·····"··'·;:·'·······--·--·'"·-"· ....····.. i
INumber of starts:
. -..
jOperationallife:
r--'-·~·--"'---·-·----·
·-·~--·-·-
:.........
!Average electrical output:
i 1.061kW
!
!.~Tn~rT1~-rîï'~ï~?trjC;~IC;~!pui·_·• .•.~[6.-~.~.~I~v~i--'-"'--"',
!Maximum electrical output:
r;----w--'--- .
.
IAnnual fuel usage:
,
i
1.50jkW,
..- - -.. -,-'-"---4fï--'~~--I'
j 1,1 OOILlyr
w......
!
,
;
iSpecific fuel usage:
i 0.364iLlkWh
Average electrical efficiency:---2'S'.-ü'fh'ww---.
1
Tableau 7-10: production du groupe électrogène
Generator Outlmt
24
kf.60
41
I
1!W
D
:: 0.64
'0 12
0.32
'-
:::J
o
:x:
<:
1.28
-"- 0.96
;.
>. 18
ri!
000
Ô
o
Jan
Feb
Mar
Jun
Jul
AU9
Sep
Del
Nov
Dec
Image 7-13: production du groupe
1'-----·-:--:-;-·-·------ r - - - .--1
1
.
Vanable
,-..7~-1
[ValueIVOIts!
rBatt~rythrougtïput:1·,602rI<.Wtï;yr
1
r'Battery Iifè----r3-.-s0T~yr--!
Battery autonomy : 4.72
hours
Tableau 7-11: production du stockage
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud -- Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
208
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-11 Annexe 2 : Données additionnelles
a) fréquence des charges et SOC %
,
12
fnHllIeney Histogmm
l
'
i
1
~ 9J
ô1·····
i
1
·····1
~I-j
~._ ~rn~x
'.~. daily high
+
._"V mean
il daily 1t'lU
min
20
40
60
80
100
Slate of Charge (%)
-- Jlln Fol>
Mill
Apl MISV Jun
Jul
Aug Sop
NO\f
OeCl'
Image 7-14 : fréquence des charges et SOC %
24
::>,
ro
18
Cl
'5 12
44
3
o
::J:
3D
6
o
Jan
Feb
Mal
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Image 7-15: Stockage mensuelle en %
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
209
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
b) Emissions
i
Pollutant
.
.... wIE·m-i~sic;ns·(kgJy;:)1
.
r-'~-'---"--------'--_W_--,'
i
:..
i
Carbon dioxide
"""
i
2,895
Carbon monoxide'
7.15
;Unburned hydocarbons'
0.792
-w.,
j
.J
1
f'--"'-'--'-~---------~-'-'---'-~'r---'---"------~'"--~--"_.,._;
Particulate matter
"'"
mA~_··
__. _ •.
,,_~~··,_c,
_"'~~~""
0.539
",,"'~'_"'"
~"'~~V
' __
'_'~
__ "_"
Sulfur dioxide
5.81
Nitrogen oxides
63.8
Tableau 7-12: émissions gazes polluants en kg fan
c) Production
Graphiques additionnels caractérisant le système hybride.
Capital + Repl.: $ 621/yr
O&M + Fuel: $ V06/yr
Total Anriualized: $ 3,327/yr
P'1110
'Windll
. . GeneiâtôrJ'IF'
.
Hi3,Ù€lrY,lf
.Converter
•
.
..
'~.:
Image additionnelle: production en % par système
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
2] 0
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
3yslemArchitecture: 0.6kW FV
l SIv\I~IR~ , " "
2kYllnyelt~r
}k~Ô~êîiiier
"l;5~~,G.,~he~at8~1: .!S~SIA
,6;H?PRe~ke.6·OP2S~3Q('" .",\:"';'"
Cost
E'ectri~b,r~
'l'SWAIR X " GerieratorflSattery 1 Emissions l HouilyData
Annual electrical energy production
FVarray:
Wind turbine:
Generatoll: .'
l
otal;~r~(JUl~tion:
Renewable fraction:
:.',
1,399 kWh (25%)
1~21 HYlh '(22~)
3,Q25kWb/. 1?4%)' '
5,638k'k~; <,
0.464
Annual electric loads served
AC primary Joad served:
"
4,672 kWh
4.672 kWh.
E xcess eledii6ity:
Unmet electric'
Capacity shortage:
, 250 kWh
0.264 kWh
1.43 kWh
Image additionnelles: production en % par système (histogramme)
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur Je site d'Aghadir
211
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
System Archilecture: 0.6 kW PV
1SW AIR X .
t5~\A.lGeQElr910r 1
2 kW Inverter
2 k\l".~Tstifier
. CyèlêÇHarping
Total NPC: $ 42,535
Levelized
~;gl~j~~i!'rft'n,~i~i;,.a~i~'lii~,(~n'l~t.:~i~P .
Operation
~."""-'"
Average output:
Minimum output:
Maximum oulput
3.83 kWh/d
0.000 kW
0.667 kW
Solal penetration:
Capacity factor:
Hours
30.0 %
26.6 %
4.756 hr/yr
Abdel Kader Kader Qulct Mahmouct - Chapitre 7 - Application sur le site ct' Aghadir
212
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
System Architecture:
2 kW Inverter
2 kW Rectifier
Cycle Charging
.TOtal capabity:
Average output:
Minimum output:
.Ma:-:imum output:
25.3 %
8,402 hr/yr
Capacity factor:
Hours of operation:
0.139 kW
0.000 kW
0.547 kW
Systèin Archit~ctûie:.,Q;6 kyvRY
.. .
"
'. '1;SWAIRX,
..,./t6~~IB~C;;;$l43,535 «,:
1.5kW Geh~i,lt()ilTtYcl~'ci1~rhinh .
6 Hoppeckè·S·ÔPiS.30(
j Electrical i PI/
1 SV:! AIRX .,Ge~erator 1.1 BattefY 1 Emissionsj HourlyDatal
X'Ô~è,r~tign~ .·"_::-7,"c:-''::' •.....• i~i·'::'.i?.~ ~···>f_·i;;! >·
o~
Cost
_ _ •__ •
o
/'
l.:èyyli~ed;CO E:. $0: 712/kWh
°H~~rs' ofopération: • ' •".'.~•.•.• ' .<.,. .
.. 2,861
hr/yr. ....Annualfuel us.~ge: . '. .
iè..._~_. __..~:Jo' .'-
•
.
.
'1.1 00 Uyr
.8~à!~~~~·~~~~~S'\;;·.' .( . •. :;~. .";~~~;~rti/Yi :j;:;)~~~~fla~.r~l~cifï~~r~ffiêi:~CY:'" .:! "gki~ ~kWh
Average electrical output:
Minimum elec!rical output:
.Maximum electrical output:
106 kW
0.450 kW
1.50 kW
'FixèdgeneiationcÔst: .
Marginal generation cost:
0.756 $/hr
0.200 $/kWh
kW
. 1.60
1.44
1.28
1.12
0.96
0.80
0,64
O.~
.0.32
0.16
0.00
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
'Aug
Sèp
Oct
. NovDec
AbdeJ Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
213
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Image additionnelles: Participation mensuelle du groupe électrogène
3ystem Architecture:
2 kW Inverter
Total NPC:$ 42,535
LevelizedCOÈ:
-,.,.,
,' ' '.'
-
.. ,',
fo,;
.,.-,"-'-,
Cost
Annual throughput:
Expected lite:
1,602 kWh/yr
180 yr
Autonomy:
4,72 hours
,(k<'M6irtliiYStôlti~tics!, •
j
!
Image additionnelles: Participation mensuelle du système de stockage
3ystem Arc~itecture: .o,~ kWPV?~'V){;lry~[t~r . . "
,
. . ... 1S'vI,ll.I'R.X». ;'.... ·3kYB·R··€lR·iiUer
Total NPc:';iN4i2:S35>'Y" '
:••··.:,:~·,~~~eb~1fgt6°k~~:~~c~~~~:c~~::~i~9 "
Cost
j Electricall
PV
1SW AIR X:':G~n~raibr,i
l~allery
Lev;~lized
Emissions
IH~'U1IYDatâ 1.
Pollutant
Emissions
6arb6ridi()x;d~:
~<_:,:-,. ,_>:_,:'-:L'}~:~~',:<,_:< ':; ',:
2,895.·.·. kg/yr
Cai6~nrridhdxidê:'
..
7:15 kg/yr
LJg~Ùr~&âhtdMgarbons:
~,792'kcilyr
Particulate matter:
Sulfur dioxide:
O,539kg/yr
5.81 kg/yr
'_,'0'
_.'
.',
,
_ " ' : . , ,,"
,,~,'_
Nitrogen oxides:
cp§:.".$OX12/kWh
63.8 kg/yr
Image additionnelles: Participation mensuelle du système aérogénérateurs
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
214
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Hourly IDaily l Monthly tOMar" PlOfilej PDF! CDF 1 oc
2.0 ,
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~ r'§\~IiAlô'X
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~rGéf;;er~tor'l Power
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1 .51''''+''-''''" ,
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L.o.3d
·'''!l'dL!.,: 1/,(
1
1
1
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- ï Y8aUery·Slale·.of Charge
,
Ballery Energy Gast
Image additionnelle: Fonctionnement des charges
Jml
1- :
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\~,:it: Ma':;i>;9 JlIIi
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12
18
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6
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18
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6
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6
12
18
24
0
6
12
24
0
6, 1218
24
~~1.i:l;~ELfi1-~;m
18
Hour
Image additionnelle: Fonctionnement des charges horaire
Abdel Kader Kader Guld Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
215
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Variable: lAC Primary Load
Hourlyl Dailyl M()nlhly 1 DMapj Profile PDF·.I COF l OC
:AC PrlillalY loadPDF .
14
~
1
1
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··i6~-
...
IJ"
Image additionnelle: fréquences des charges suivant la puissance
lv1(mtbl.YIQM~p·IProF'el.~DF>_/C.~F IDe
IV~iia9!~;.!AcPrirl1~Y Load
'. ;':AC"~tiJil;~.~;loà(ÎC[)F "':'.<F:;'::;;;;.J.j ';·
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80+
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Right çlickto copy, save, or modify
"--+----.------/
1
:
1.0
Value (kW}
1.5
1
2.0
Image additionnelle: cumulation de la puissance des charges
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
216
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
d) Autres données
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~O.6~'··
.............;;
.!!
~:::: .
'U·
~Ô'4~-·------
0.2
OA
0.6
0.8
1.0
Global Solar (kW/m2',
Image additionnelle: incidence solaire par Kw/m 2 en fonction de la radiation globale
Abdel Kader Kader OuJd Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
217
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Ho~;-I·······Sol~······I···I~Zid;;;:;t
1Radiation 1 Solar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
38
:1
40
41
42
43
44
45
46
47
48
48
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
68
70
71
72
73
74
75
76
77
78
! [kW1m2)
[kW/m2)
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
001
0.16
0.38
0.56
075
056
052
0.70
0.56
032
0.14
001
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
000
0.01
0.12
037
0.56
0.72
085
0.90
0.83
0.67
0.50
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.01
0.23
0.51
0.72
095
0.64
0.58
0.88
0.73
0.42
0.20
000
0.00
0.00
0.00
000
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.01
0.14
0.50
0.72
0.90
107
1.12
1.06
0.87
070
0.23
002
000
000
0.00
0.00
0.00
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.01
0.14
0.45
0.64
0.77
0.91
094
087
072
0.50
023
0.02
0.00
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
000
000
001
~~~~ ···A~~tl··7~î~I.··7~~î,-··r····~~;'··I~~t~~··I~~~~1ql~IT~~r;R1!~r···~ttIT8~grrJf:i;r55
5.0
5.2
51
7.1
7.8
10.0
122
13.4
12.9
14.6
122
15.6
19.5
18.4
227
186
153
14.6
132
94
119
120
11.6
12.8
9.1
11.0
128
11.8
7.2
4.8
4.9
7.3
6.5
6.4
8.9
8.6
81
8.9
0.38
0.37
0.53
0.54
0.65
0.62
0.70
0.68
068
0.52
0.43
0.55
0.40
0.37
034
0.22
0.48
038
1.03
1.09
117
136
101
0.88
0.42
0.33
0.13
0.48
027
0.31
0.38
047
0.45
031
024
0.28
027
032
0.32
Incidel1t ;:Wind
IYSolàr:' 'iSp~d
1 ACprim.
'(kW/mZ) , ,rrrJs)
. [kW)
0.40
000
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
000
000
0.01
018
0.63
0.83
098
1.13
1.18
110
0.84
0.71
041
000
0.00
000
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
000
000
0.00
000
000
001
104
113
111
9.9
10.5
7.4
62
57
58
3.5
38
6.3
5.1
21
2.0
50
7.1
6.2
6.1
10.1
13.4
130
10.2
11.5
12.0
11.7
11.7
11.9
12.2
8.9
8.6
12.6
10.2
7.6
6.1
3.9
3.1
5.2
4.7
0000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.004
0.122
0275
0.390
0511
0.345
0.314
0.476
0.392
0.225
0.105
0.002
0.000
0.000
0.000
0.000
0000
0.000
0.000
0000
0.000
0000
0.000
0.000
0.004
0.078
0271
0.388
0.488
0.576
0.606
0.570
0.472
0380
000
0.00
000
0.00
0.00
0.45
1.10
0.65
0.70
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
000
000
0.00
000
0.45
0.45
0.70
1.50
1.31
1.08
0.49
0.00
0.00
0.00
000
0.00
0.00
000
0.00
0.00
000
0.00
0.00
0.00
0.00
038
037
053
064
065
0.62
070
0.68
0.68
052
0.43
0.55
0.40
0.37
034
0.22
0.48
038
1.03
1.09
117
1.35
1.01
0.88
0.42
033
0.13
048
0.27
031
038
047
0.45
031
024
028
0.27
0.32
0.32
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0.00
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0.00
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0.00
0.00
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0.00
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000
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0.00
0.00
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0.00
000
0.00
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0.00
0.00
0.19
029
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0.17
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0.0000
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00000
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00000
0.0000
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0.0000
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0.0000
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0.0000
0.0000
0.0000
00000
00000
0.0000
0.0000
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(kW];; '. [kW) .'. ,lkW)
0.214
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0000
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000
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0.86
000
000
000
3 [kW)
(kW)
024
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1.48
1.02
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000
000
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0000
0.000
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0.000
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0.000
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0.000
DODO
0.000
'0.355
·0.359
·0.531
·0.634
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·0.034
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0776
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·0075
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0.776
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·0256
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·0209
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0407
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580
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35.7
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81.8
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90.9
89.3
886
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68.3
53.2
36.8
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43.9
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75.6
83.2
79.9
85.9
79.4
83.9
784
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65.3
65.6
710
79.9
87.4
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0.000
0.000
0.000
0000
0.000
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0128
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0118
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0.099
0099
0.099
0099
0.099
0099
0.099
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0.146
0139
0139
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0.133
0133
0133
0133
0127
0.119
0.113
0110
0108
0.106
"Inverler' Recl~ier,Baller~~ ,~atlerY :8atler~
:>PÔwù. ,Powel .Power:s '.SOC.yEnergy\
l ' V ; 'AIR" c' Genl
.AC Prim:
Power' ,Power:':' Power ..' Served'
,'. Load
0.24
0.37
041
0.49
068
078
058
064
0.79
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037
0.40
0.57
050
058
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050
066
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0.57
030
032
030
037
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1.04
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103
117
148
1.02
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000
00000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
00000
0.0000
00000
0.0000
00000
00000
00000
0.0000
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0.0000
00000
0.0000
0.0000
0.0000
00000
0.0000
0.0000
00000
0.0000
00000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
00000
0.0000
00000
0.0000
0.24
037
041
049
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019
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0.05
000
0.00
000
050
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0.00
000
0.02
0.00
057
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0.30
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103
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0.50
0.00
0.00
000
000
0.36
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(kW]
(kW!,::
[%)($/kWh)
0000
0000
0000
0000
0.000
0.000
0000
0000
0.000
0.000
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0000
0000
0000
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0000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0000
0.000
0000
0000
0000
0000
0000
0.000
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0518
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0000
0.000
0000
0058
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·0016
·0241
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·0.729
·0564
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0.776
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-0.635
·0.587
0.776
0.775
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0.231
0.111
0.076
0.052
-0.027
-0.200
·0.636
·0.265
·0845
,0.530
-0.128
0744
0.776
0598
0.331
·0.384
·0.303
·0.404
972
98.1
977
91.5
81.4
627
48.3
44.6
36.7
35.7
529
70.0
80.0
65.8
495
34.5
51.6
68.7
797
86.0
87.1
92.2
94.7
96.3
97.5
968
91.7
753
685
469
333
30.0
46.4
63.5
76.7
840
74.2
66.4
561
0106
0.105
0.105
0.105
0.105
0.105
0.105
0.105
0.105
0.105
0.119
0.128
0.135
0.135
0.135
0135
0.135
0.136
0.130
0.126
0.126
0.123
0.122
0.121
0121
0.121
0121
0.121
0121
0.121
0121
0.121
0.128
0.132
0.138
0.141
0.141
0.141
0.141
Image additionnelle: tableau des données
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
218
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-12 Annexe 3 : Coûts de systèmes d'énergie renouvelables en Mauritanie
De façon générale, le coût des énergies renouvelables continue de diminuer d'année
en année. Par exemple, le prix des panneaux photovoltaïques n'a cessé de chuter
au cours des trente dernières années et l'on prévoit qu'il continuera de chuter en
partie à cause de la découverte de nouveaux procédés de fabrication mais aussi à
cause de l'amélioration des facteurs de production.
Selon l'AIE (Agence Internationale de l'Énergie, OCDE 2000), certaines projections
prévoient que le prix des technologies en général (il en est de même des
technologies solaires) diminue de 20% à chaque fois que les ventes de ces
technologies sur les marchés doublent.
Quelques exemples de coûts de systèmes d'énergie renouvelables en Mauritanie:
•
Dans le secteur de l'amélioration du cadre de vie du monde rural, l'UNESCO a
estimé en août 2000 le coût de l'électrification d'un village de 2.500 habitants,
selon la méthode du "Village Solaire Intégré" (VIS), comprenant le pompage
solaire de l'eau potable (40 litres par personne, par jour et pour un puits ou
forage de 20 mètres), l'éclairage des lieux publics, la conservation de vaccins
(Santé) et la télécommunication, à 86.000 US $ (environ 30.100.000 Ouguiya),
sur la base de 20 US $ le Wc installé;
•
Dans le secteur de l'éducation, selon les estimations du Ministère de
l'Education (MEN) de novembre 2001, l'éclairage d'une classe comportant un
module solaire de 50 Wc, deux réglettes de 18 W/12V, une batterie de 60
Ah/12V pour une autonomie de 3 heures, et un régulateur 4A-12V, coûterait
390.0840uguiya;
•
Dans le secteur de la santé, selon les estimations du Ministère de la Santé en
Mauritanie (MSAS) de novembre 2001, le système d'éclairage comprenant un
module solaire de 100 Wc, trois réglettes de 18 W/12V dans les salles de
consultation, d'accouchement et de soins, une batterie de 100 Ah/12V pour
une autonomie de 4,5 heures, et un régulateur 8A-12V coûterait 678.839
Ouguiya, tandis que le système de réfrigération sera installé pour un montant
de 431.325 Ouguiya ; ainsi, l'équipement complet d'un Centre de Santé
intégré serait réalisé pour un montant de 1.110.165 Ouguiya;
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 -" Application sur le site d'Aghadir
219
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Il
Dans le secteur du maraîchage, le pompage solaire peut s'effectuer jusqu'à
une Hauteur Manométrique Totale (HMT) ne dépassant pas 7 mètres, avec
une pompe capable de fournir 123 m3 d'eau par jour, sachant que les besoins
en eau pour les cultures de légumes nécessitent 50 m3 d'eau/jour/ha, tandis
que les besoins en eau pour les cultures de céréales se chiffrent à 45 m3
d'eau/jour/ha. Selon les estimations du Bureau Technique d'Intervention (BTI)
(Séminaire avec le CRAER), pour équiper un tel site, l'installation comprenant
une pompe complète avec accessoires de montage coûterait 3.765.906
Ouguiya. Si l'on y ajoute une clôture, un bassin de stockage d'eau et divers
frais de menuiserie métallique, de gestion et de fonctionnement, l'ensemble
serait évalué à 5.214. 886 Ouguiyas par site;
Il
Dans le secteur de la communication, l'équipement solaire PV d'un faisceau
hertzien est de 7.5 millions d'Ougulyas ;
•
Dans le secteur de l'Alimentation en Eau Potable Solaire, une installation de
pompage solaire avec une rampe de distribution d'eau alimentant un village
de 1.500 à 2.000 habitants, coûte environ 20 millions d'Ouguiyas, tandis
qu'une AEPS avec réseau de distribution par bornes fontaines est estimée à
environ 25 millions d'Ouguiyas pour fournir de l'eau potable à des villages de
plus de 2.000 habitants et moins de 4.000 habitants.
Comparaison de deux installations dans un exemple théorique (hybride) dans la
zone du PNBA (Groupe électrogène alimentant le village)
Désignation
Investissement (UM)
Amortissement (UM)
Dépenses de fonctionnement (UM)
Coût total annuel de l'installation (UM)
Energie annuelle produite en kWh (UM)
Coût du kWh (UM)
Coût du fonctionnement du kWh (UM)
Charge de fonctionnement/habitant/an
(UM)
Charge de fonctionnement/ménage/mois
(UM)
Hybride
130.287.
22.566.298
280.259
17.813.557
17.086
1.118
7
G. Diesel
16.870.452
2.386.811
1.989.426
3.216.237
12.198
298
101
129
1.999
80
1.103
Abdel j(ader Kader Ou/d Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
220
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
A titre indicatif, l'amortissement est calculé en fonction de la durée de vie des pièces
d'équipement composant l'ensemble de l'installation et le taux d'actualisation choisi
est de 8%.
En comparant les deux systèmes considérés dans l'exemple du tableau, il n'est pas
surprenant de constater que le coût du kWh généré par l'installation hybride est le
plus élevé en raison de l'importance des coûts d'investissement de ce système.
Cependant, compte tenu de la pauvreté du secteur rural en Mauritanie, il est évident
que l'investissement initial requis pour l'électrification d'un village ne pourra provenir
des villageois eux-mêmes. En conséquence, du point de vue de l'usager, le coût du
kWh produit par le système hybride est plus avantageux à cause de ses faibles coûts
d'exploitation s'élevant à 160 Ouguiyas le kWh. " est alors réaliste pour les villageois
d'assumer les coûts de la consommation électrique ce qui pourrait ne pas être le cas
pour un groupe diesel.
En terme d'investissements, il est important de noter que pour des systèmes de
petites dimensions, la marge entre le coût du système hybride et celui du diesel
diminue au profit du photovoltaïque. De façon générale, cependant, plus la demande
de puissance requise est importante plus le groupe diesel devient avantageux.
" convient en outre de noter, que le coût des installations utilisant des énergies
renouvelables dépendra grandement de l'importance du marché dans lequel
s'inscriront ces projets. Si par une initiative importante on réussit à créer un marché
significatif, par exemple en étendant ces pratiques dans la région sahélienne, le prix
de ces technologies chutera de façon significative à cause des économies d'échelle.
Notons par ailleurs que les composantes électroniques utilisées dans ces systèmes
sont généralement moins onéreuses dans certaines régions du globe (en Asie par
exemple).
" est donc justifié, et à plus forte raison si le marché est important, de rechercher des
sources d'approvisionnement moins onéreuses afin de réduire davantage le coût de
ces technologies. Enfin, l'augmentation de la productivité dans les zones rurales, par
exemple en augmentant l'exhaure de l'eau pour la culture de contre-saison et
l'augmentation de revenus qui en découle, mettront les systèmes utilisant des
énergies renouvelables de plus en plus à la portée des usagers.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur Je site d'Aghadir
221
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-13 Annexe 4 : Avantages et inconvénients
Au de-là de la comparaison des coûts des énergies renouvelables avec ceux des
énergies alternatives classiques, il est tout aussi important de prendre en
considération les autres avantages et inconvénients reliés à ces systèmes et
d'analyser ceux-ci en fonction de l'application visée. Par exemple, dans le cas de
projets d'hydraulique villageoise et pastorale, le tableau 4 fait ressortir les éléments
caractéristiques de chaque technologie pour ce type d'utilisation.
Avantages et inconvénients de trois variantes courantes pour l'électrification rurale
Technologie
Inconvénients
Avantages
de, - Investissement initial élevé
- Faible
charges
fonctionnement
Coût du kWh élevé
- Coût d'entretien et de, - Sans onduleur les appareils à
maintenance faible
hybride
courant continu sont chers
En cas d'onduleur un grand
- Énergie propre
soin doit être apporté
le
- Ne
nécessite
pas
carburant
Puissance limitée
- Facile à entretenir et à
utiliser
- Ne produit aucune pollution
- Fonctionnement silencieux
- Grande durée de vie
- Coût de l'investissement, - Coût initial de fonctionnement
relativement modéré
relativement élevé
- Technologie répandue et,- La charge doit être proche de
bien connue
la puissance nominale
Groupe
- Démarrage et arrêt faciles ' - Le combustible doit être
électrogène
importé
Le couplage de plusieurs
groupes est difficile
Émission de gaz à effet de
serre
Durée de vie limitée
Investissement initial élevé
Absence de combustible
(croissant avec la distance à
Montage et transport faciles
couvrir)
Grande durée de vie
Réseau
Installation
statique
Coût
d'entretien élevé
électrique
Économie d'échelle
Impact
négatif
sur
Continuité de service
l'environnement
Pertes en lignes élevées
(croissant avec la longueur
!
!
de la ligne)
1
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
222
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-14 Conclusion génér ale
d' Aghadir
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Conclusion générale
Ce travail de thèse proposé s'inscrit dans les travaux menés au Laboratoire des
Semi - conducteurs et de l'Energie Solaire de la Faculté des Sciences et Techniques
de l'Université de Dakar sur le thème « énergie renouvelable » et le Centre de
Recherche Appliquée Aux Energies Renouvelables
de l'Université de Nouakchott
sur le thème «système hybride». De même, il avait pour objectif d'explorer une voie
nouvelle pour fournir de l'énergie et de l'eau pour le PNBA, permettant ainsi de mieux
connaître les composants du SEH en vue du dimensionnement et de l'exploitation
des systèmes énergétiques multi - sources. Dans la continuité des réflexions issues
de travaux antérieurs menés par les mêmes laboratoires sur les SEH, nous avons
adopté une approche énergétique volontaire pour décrire tous les phénomènes
rencontrés en mettant, en outre, à profit le caractère unifiant de la méttlodologie. A
l'issue de ce travail exploratoire, nous osons dire que cette démarche s'est déjà
avérée très fructueuse et reste très prometteuse pour de futurs travaux sur la
problématique qui nous occupe. Avant de présenter quelques perspectives, des
conclusions directes ayant été tirées dans le document à l'issue des résultats issus
des différents volets de l'étude.
Nous reprenons les principales actions réalisées:
Un état de l'art analytique des composants SEH a mis en exergue les propriétés à
prendre en considération dans la conception des systèmes de conversion d'énergie
renouvelable, dans une grande variété de nouvelles technologies aujourd'hui
utilisables pour la production et/ou le stockage de l'énergie.
Des phénomènes physiques et électriques communs ont été dégagés et reliés aux
principes de la conversion d'énergie, en vue d'une exploitation dans les systèmes
réels, affectée de pertes.
Les différentes notions de rendement ont été précisées. Nous avons, en particulier,
rappelé le lien étroit existant entre la puissance de production avec la tension aux
bornes du système de stockage et l'énergie libre de la conversion électrochimique à
l'origine d'une force électromotrice en charge E dépendant de l'état hors d'équilibre
du composant au sein du système.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
224
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
De cela, et du caractère quantifié de la charge électrique, il résulte que les tensions
habituelles d'usage du système de stockage en changeant peuvent se trouver hors
des limites acceptables pour l'exploitation.
Cela justifie le
souci
de prendre en
compte tous
les
aspects
liés aux
dimensionnements au niveau des modèles et des études. Ces éléments formulés au
plan énergétique sont alimentés à partir d'une démarche de modélisation que nous
avons explicitée en développant des modèles génériques pour les aérogénérateurs,
pour les panneaux photovoltaïques et le systéme de stockage. Nous avons proposé
une démarche pour le dimensionnement et une autre sur l'optimisation technique et
économique du systéme.
" faut souligner que ces études ont été réalisées en étroite collaboration avec
différents laboratoires de l'Ucad et, en particulier, LSCES et le CIFRES (lors du projet
AUF).
Ces laboratoires, nous ont permis d'appréhender au mieux les logiciels de
programmations
(Matlab,
Homer,
RetScreen,
Power
simulation
et
Ecodia),
l'acquisition par Dataloguer. Ces connaissances acquises auprés des laboratoires de
l'Ucad participent à la capitalisation d'expertises car modifiables et partageables
entre spécialistes. Les concepts de source d'énergie ou de source de puissance ont
été définis de façon relative aux constantes de temps, caractéristiques imposées par
l'environnement du composant, elles mêmes fonction des missions assignées aux
systèmes. Le rôle fonctionnel déterminant du stockage, qui permet de réaliser une
véritable gestion de l'énergie en optimisant les fonctionnements des sous systèmes,
a été souligné ainsi que les notions de fonctionnement du convertisseur réversible et
des charges. De même ont été étudiées en détail les propriétés de modularité du
système suivant son optimisation technique - économique pour différentes sources,
notamment sur le plan du coût moyen actualisé, en exploitant le caractère multi source électrique des modèles.
Ces notions ont été appliquées pour le transfert du modèle pilote vers le site
d'Aghadir (Mauritanie) sur la base d'un cahier des charges représentatif pour
d'autres applications autonomes, permettant d'illustrer particulièrement quelques
aspects de l'approche systémique dans le contexte des énergies renouvelables.
Ainsi, nous disposons de plusieurs architectures offrant différentes configurations
pour la gestion de l'énergie. A l'issue des simulations par Matlab et du
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
225
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
fonctionnement réel sur site, il était possible de valider les modèles théoriques
adoptés dans le cadre de ce travail.
Enfin, nous allons appliquer la démarche de ces travaux pour améliorer l'exportation
de ces systèmes dans la zone du littoral. Sur le plan scientifique et technologique, ce
système concentre bien des éléments de la problématique qui nous occupe :
système autonome de production d'électricité pour site isolé et hétérogène en très
forte interaction avec l'environnement rugosité, soleil et vent. Ainsi que nous l'avons
montré, le modèle global développé intégralement des SEH, en passant par
l'accumulateur et les convertisseurs, a permis de réaliser des études pour la
détermination d'une gestion d'énergie optimale, le choix de la meilleure partition du
générateur photovoltaïque, de l'aérogénérateur et du système de stockage pour
déterminer les améliorations apportées pour l'implantation future d'un système
similaire sur d'autres sites.
Sur un plan plus large, ce système pilote de production d'électricité par son
architecture, ses composants et son objectif d'application énergétique exceptionnelle
constitue un apport non négligeable pour te développement des pays du Sahel qui
établit un lien concret et symbolique entre les énergies renouvelables et l'eau. Il
renvoie donc aux préoccupations sociétales posées en introduction. Je considère
que j'ai eu la chance de contribuer pleinement à ce projet au sein d'une équipe du
LSES et du CRAER. Il m'a également permis de participer à de nombreuses
manifestations publiques (Dakar et Nouakchott) sur le thème des nouvelles énergies
au cours de notre période de thèse.
Je pense qu'accompagner des modèles physiques issus de nos travaux, cette thèse
gorstitue un thème d'étude et de recherche que nous devrons introduire dans le
\
cadre de la mise en place de la nouvelle filière énergie renouvelable au niveau de la
\
FSt! de Nouakchott. Nous sommes appelées à développer la formation, ce qui nous
--amene naturellement à penser aux perspectives.
En effet, nous disposons maintenant de pratiquement tous les éléments d'une bonne
connaissance pour étudier de façon plus avancée ce couplage aux générateurs
photovoltaïque, éolien, groupe électrogène et stockage. Dakar et Nouakchott ont
lancé une plateforme de recherche développement engagée.
En perspective, plusieurs volets de ces travaux exploratoires constituent encore
autant de points d'entrée pour de nouvelles recherches, dont certaines en cours avec
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d' Aghadir
226
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
les th$sards du CIFRES, du LSES et du CRAER, car l'un des objectifs principaux de
ce travail n'était pas seulement de réaliser et d'appliquer des modèles formatés et
directement utilisables, mais surtout de poser la démarche et de montrer ses
potentialités.
Un
enrichissement
et
une
amélioration
des
modèles
passe
obligatoirement par une collaboration entre spécialistes et des fabricants. C'est là un
projet qui est indispensable à réaliser entre collègues des universités du Sud.
On peut aussi d'ores et déjà aborder des optimisations globales de ces systèmes par
les méthodes développées, ou par l'exploitation des techniques d'analyses ou des
techniques d'exploitations analysées dans la partie bibliographie et qui n'ont pas été
pris en compte dans l'étude des modèles SEH.
7-15 Bibliographie
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Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
236
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
7-16 Réalisations au CRAER
•
Certification EN:61215
Modules photovoltaïques (PV) au silicium cristallin pour les applications
terrestres et qualification de la conception et l'homologation
• Control de Qualité
Équipement pour les mesures
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Equipo de
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Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur Je site d'Aghadir
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Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Principe de mesure
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0~
Pyranomètre pour la mesure de la radiation globale (CRAER)
Pyranometre pour la mesure de radiation diffuse (CRAER)
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
238
Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Calibrage de la cellule PV
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curve at sea level
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thermopi le-type
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4000
Wavelength [nm]
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Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
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Aérogénérateurs
AbdeJ Kader Kader Quld Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
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Université Cheikh Anta Diop - Thèse d'Etat - Dakar
Nom et prénoms: Abdel Kader OuId Mahmoud
Titre de la thèse: "Caractérisation, modélisation, fonctionnement et impact
d'un système hybride pour l'alimentation de charges mixtes"
Résumé: Cette thèse constitue une contribution à l'étude des systèmes de
conversion d'énergie électrique hybrides associés à un système de stockage pour un
site isolé. La démarche retenue exploite le comportement d'une unité pilote
constituée de plusieurs sources de production d'électricité et permet de donner sa
caractérisation. Nous donnons un état de l'art analytique des composants du
système hybride qui nous a permis de mettre en exergue les propriétés des
systèmes de conversion d'énergie renouvelable à travers leur modélisation, leur
fonctionnement et leur impact.
L'étude de la
production décentralisée du système hybride pilote pour alimenter
différentes charges met en avant des phénomènes physiques de conversion
d'énergie au niveau macroscopique de type réactionnels et dissipatifs, touchant un
large spectre de domaines: chimique, électrique et thermique. Dans ce cadre, des
modèles mathématiques ont été proposés et exploités pour étudier les différentes
composantes du système pilote. Des essais de caractérisation sur les éléments des
chaînes de conversion éolienne et solaire sont donnés par Matlab et à travers le
fonctionnement du dispositif pilote. De même,
la confrontation des résultats
théoriques et expérimentaux a permis spécialement d'obtenir la validation des
travaux. Ainsi, des résultats importants sont obtenus en liaison avec la gestion,
l'exploitation
et
la
maintenance
du
système,
suivant
ces
paramètres de
fonctionnement en tension, en courant, en puissance et en rendement.
La démarche verse, ensuite, dans l'étude des architectures envisageables des
différentes configurations technique et économique pour une gestion optimisée au
centre de laquelle se trouvent les systèmes de stockage. Enfin, l'étude est appliquée
à un site réel du littoral mauritanien (village d'Aghadir habité par des pécheurs
imraguens), illustrant, ainsi, la pertinence de la démarche.
Mots Clés: Modélisations, Systèmes hybrides, Aérogénérateurs, Photovoltaïque,
Groupe électrogène, Stockage électrochimique, optimisation, Logiciels Matlab et
Homer.
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
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Name and first name: Abdel Kader OuId Mahmoud
Thesis title: Characterization, modeling, operation and impact of a hybrid
system multi- loads 11
5lJmmary: This thesis constitutes a contribution to the study of the conversion
systems of power electric hybrids associated with a system with storage for an
isolated site. ~The step selected exploits the behavior of a unit controls made up of
several sources of production of electricity and makes it possible to give its
characterization. ,-}We give an analytical state of the art of the components of the
hybrid system which enabled us to put forward the properties of the conversion
systems of energy renewable through their modeling, their operation and their
impact.~
Whe decentralized praduct engineering of the hybrid system contrais ta feed various
loads puts forward the physical phenomena of energy transformation at the
macroscopic level of type reactional and dissipative, concerning a braad spectrum of
fields: ~chemical, electric and thermal.,-}Within this framework, mathematical models
were praposed and exploited to study the various components of the pilot system.
ffests of characterization on the elements of the chains of wind and solar conversion
are given by Matlab and through the operation of the pilot device.~ln the same way,
the confrontation of the theoretical and experimental results especially made it
possible to obtain the validation of work.ffhus, from the significant results are
obtained in connection with management, the exploitation and the maintenance of
the system, according to these parameters of operation in tension, while running, in
power and output.~
~The
step pours, then, in the study of possible architectures of the various
configurations technique and economic for a management optimized in the center of
which the system of storage is. ~Lastly, the study is applied ta a real site of the littoral
Mauritanian (village of Aghadir inhabited by sinners imraguens), illustrating, thus, the
relevance of the step.~
Key words: Modeling's, Systems hybrid, Aeragenerators, Photovoltaic, Power
generating unit, electrochemical Storage, optimization, Software Matlab and Homer.~
Abdel Kader Kader Ould Mahmoud - Chapitre 7 - Application sur le site d'Aghadir
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