GPV

SYSTEME D’ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE

AVANT PROPOS

Un grand Merci à M.Ouadie, pour nous avoir honorés de sa confiance

en nous proposant ce sujet, nous le remercions plus personnellement

pour son soutien scientifique, sa disponibilité et ses conseils tout

le long de ce travail.

Toute notre reconnaissance et nos remerciements à nos parents pour

leurs soutiens moraux.

SOUHAIL BENCHIKH et

HANAE AMRAOUI

1


Résumé

Ce rapport présente un chargeur de batterie solaire avec un suiveur

de point de puissance maximum (MPPT) qui a été introduit en vue

d’obtenir un rendement énergétique maximale.

L’interface entre le panneau solaire et la batterie a été réalisée

en utilisant un convertisseur DC-DC (hacheur BOOST) et grâce à la

méthode PERTURB & OBSERV (P&O) l’algorithme MPPT mesure

périodiquement la tension et le courant du panneau solaire pour

calculer la puissance délivrée par ce dernier .Suivant le résultat

obtenu, l’algorithme ajustera le rapport cyclique du convertisseur

pour amener le système vers le point de fonctionnement à puissance

maximale.

Notre système vient pour trouver la solution concernant la hausse

des prix du pétrole et de remplacer les systèmes qui fonctionnent

avec les énergies polluantes comme l’énergie fossiles par des

énergies propres comme l’énergie solaire.

2


Le système d’énergie photovoltaïque peut être utilisé dans plusieurs

secteurs comme l’hydraulique (système de pompage ….), le domaine

satellitaire (alimenter les satellites en énergies), dans le cadre

domestique, industriel…….

TABLE DES MATIERES Avant-propos …………………………………………………………………………………………………………………………..1

Résumé …….. …………………………………………………………………………………………………………………………..2

Table des matières ………………………………………………………………………………………………………………….3

Liste des figures ……………………………………………………………………………….......................................5

Liste des abréviations………………………………………………………………………………………………………………6

INTRODUCTION GENERALE ………………………………………………………………………………………………..7

Cahier des charges …………………………………………………………………………………………………………….9

CHAPITRE I : Généralités sur les générateursphotovoltaïques

3


I.1 Définition de l’énergierenouvelable………………………………………………………………………

I.2 Les différents types d’énergie renouvelables……………

I.3 Place de l’énergie solaire dans le monde……………………………………….

I.4 Place de l’énergie solaire au Maroc…………………………………………….

I.5 Introduction à la cellule photovoltaïque ethistoire…………………………………………………

I.6 Principe de fonctionnement……………………………………………………..

I.7 Association des cellules photovoltaïques ………………………………………

I.8 Conclusion………………………………………………………………………

Chapitre II : Modélisation et simulation du générateurphotovoltaïque

II.1 Introduction………………………………………………………………………

II.2 Modélisation du GPV

II.2.1 schéma bloc et schéma électrique ……………………………

II.2.2 Influence de la résistance série Rs et parallèleRp……………………………..

II.2.3 Rôle des diodes de protection……………………………..

II.3 Simulation du générateur photovoltaïque…………………………

II.4 Conclusion……………………………………………………………………

Chapitre III : Hacheur survolteur (BOOST)

III.1 Introduction……………………………

III.2 Principe de fonctionnement du BOOST …………

III.3 La commande MLI …………………………….

4


III.4 Modélisation et simulation du Hacheur survolteur……………………….

III.5 Conclusion……………………………………………………………………….

Chapitre IV : Commande MPPT à l’aide de l’algorithmeP&O et par Hystérésis

IV.1 Introduction……………………………………………………………………………………………………………….

IV.2 Technique de commande MPPT (P&O) ……………………………………

IV.3 Simulation de la commande MPPT (P&O)……………………………………………………………………..

IV.4 Bilan critique …………………………………..

IV.5 Technique de commande MPPT (Hystérésis) ………………………

IV.6 Simulation de la commande MPPT (Hystérésis) ………………………

IV.7 Bilan critique………………………..

IV.8 Conclusion …………………..

Chapitre V : Commande linéaire d’un système PV

V.1 Introduction : position du problème………………………………

V.2 Structure de la boucle de régulation et fonction detransfert Moyenne du Boost……

V.3 Synthèse du régulateur PI……………………………

V.4 Simulation du correcteur PI……………………

V.5 Bilan critique………………………..

V.5 Conclusion

Conclusion générale et perspectives

Référence Bibliographique…………………………………………………….

5


Liste des figures Figure 1:schéma synoptique d’un système photovoltaïque avec un hacheur et le bloc MPPT...........................................9Figure 2: Les types d’énergies solaires...........................11Figure 3: Schéma de principe de la plaque photovoltaïque..........11Figure 4:Schéma de principe représentant l’utilisation de l’énergie solaire pour chauffer l’eau.......................................14Figure 5:site d’énergie solaire à concentration...................15Figure 6:figure représentant les différentes parties.............16Figure 7:Centrale de Beauharnois au Québec : Puissance 1660MW ; hauteur de chute 24m..............................................17Figure 8:schéma de principe d’une usine biomasse..................17Figure 9:schéma de principe représentant la transformation de la chaleur en tension................................................19Figure 10:L’installation des panneaux solaires en France..........21Figure 11: les cinq sites du projet Noor..........................22Figure 12:EDMOND..................................................23Figure 13:Les secteurs d’exploitation de l’énergie solaire........24Figure 14:matieres pour la fabrication des cellules PV............25Figure 15:Schéma de principe de la conversion photoélectrique.....27Figure 16:association des PV en série.............................28Figure 17:Caractéristique résultante d’un groupement en série.....28Figure 18:association des PV en parallèle.........................28Figure 19:Caractéristique résultante d’un groupement en parallèle. 28Figure 20:Arborescence des modèles de cellules PV.................30Figure 21:Schéma bloc de générateur photovoltaïque................31Figure 22:Schéma électrique équivalent du L5P.....................31Figure 23:PV avec diodes de protection Dr et Dp...................34Figure 24: caractéristiques électriques du module MX60 FLEX SUNPOWER..................................................................35Figure 25:Schéma du PV............................................36Figure 26: Subsystem du PV........................................36Figure 27:Influence d'éclairement I=f(V)..........................38Figure 28:Influence de l'éclairement P=f(V).......................38Figure 29:Influence de la température I=f(V)......................39Figure 30:Table de nature de chaque convertisseur.................41Figure 31:Symbole du hacheur......................................42

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../../../C:/Users/souhailos/Desktop/GPV/RAPPORT_FIN_GPV.docx#_Toc423342181




Figure 32:Schéma équivalent du BOOST..............................42Figure 33: Mise en œuvre de la commande MLI.......................44Figure 34:Schéma du Boost muni de la commande MLI.................45Figure 35:Simulation du hacheur muni de la MLI....................46

Liste des abréviations Iph : Courant de photon

I0 : Courant inverse de saturation de la diode

Id : Courant dans la diode

Icc : Courant en cout circuit à Tr = 298,15 K° et α=1000 w/m2

ki : Coefficient de température en Icc

Gs: Radiation solaire

EG0 : Energie de gape 0,1 elecv

Tc : Température en K°

k : Constante de Boltzmannq : Charge d’électron

PV : Photovoltaïque

GPV : Générateur photovoltaïque

MPPT : Le point de puissance maximale (Maximum Power Point Tracking)

Boost: Hacheur survolteur

M.L.I : Modulation de largeur d’impulsion

Np, ns : Respectivement nombre de cellules en parallèle et nombre de cellules ensérie

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Ipv : Courant de la cellule Photovoltaïque

Vpv : Tension de la cellule Photovoltaïque

Ishunt:≤cournattraversantlarésistanceenparallèle

n:facteurd'idéalitédeladiode

Es:rayonnementsolaireEs.ref:rayonnementsolairederéférence1000w /m²Tc:TempératuredelacelluleendegréTc.ref:Températuredederéférence25C°

INTRODUCTION GENERALE L

a production de l'énergie est un grand défi pour les années à

venir. En effet, les besoins énergétiques des sociétés

industrialisées ne cessent d'augmenter. Par ailleurs, les pays

en voie de développement auront besoin de plus en plus

d'énergie pour leur développement. La consommation de ces

sources donne lieu à des émissions de gaz, à effet de serre et

donc une augmentation de la pollution, l'épuisement rapide et

l'instabilité des prix des fossiles à l'échelle mondiale ont

poussé à une recherche urgente pour de nouvelles sources

d'énergie pour répondre aux exigences actuelles.

Pour subvenir aux besoins en énergie de la société actuelle,

il est nécessaire de trouver des solutions adaptées et de les

diversifier.

8


Nous disposons de ressources en énergie renouvelable

inépuisables que nous sommes en mesure d'exploiter de plus en

plus facilement et proprement.

Depuis plusieurs décennies, de nouvelles énergies

apparaissent telles que l'énergie éolienne ou l'énergie

photovoltaïque. Cette dernière, découverte en 1839 par le

physicien français Antoine Becquerel, possède un grand

potentiel car elle est non polluante et non bruyante.

"Photovoltaïque" vient du grec 'photos' qui signifie lumière

et de 'Volta', éminent savant connu pour avoir découvert

l'énergie animale et inventé la pile.

Le principe de l'énergie photovoltaïque consiste à la

transformation directe de la lumière émise par le soleil en

énergie électrique. En plus d'être inépuisable, l'énergie

solaire est extraordinairement abondante, puisque

l'irradiation que le Soleil fait parvenir sur la Terre chaque

année représente plus de 10 000 fois la consommation mondiale

actuelle d'énergie primaire, toutes formes et tous usages

confondus.

Par rapport à d'autres sources d'énergie, l'énergie solaire

est une bonne option car elle est disponible pendant les

périodes de pointe énergétique, à la différence du vent qui

produit souvent plus d'énergie la nuit que le jour. La nuit,

la demande d'énergie est deux fois moins importante que le

jour.

9


Dans le passé, le coût de l'énergie solaire était d'environ

trois fois le coût de l'électricité issue de sources

conventionnelles, ce qui a nui à son développement. La hausse

des coûts de l'électricité et le problème du réchauffement

climatique ont fait que toutes les autres sources d'énergie

sont en train d'être examinées de plus près.

Depuis quelques décennies, les panneaux solaires

photovoltaïques ont un grand succès chez les particuliers et

ils peuvent facilement être installés. Pour décrire cela, ce projet est présenté en cinq chapitres :

Dans le premier chapitre, nous présenterons des généralités sur les

générateurs photovoltaïques, à savoir le principe de l’effet

photovoltaïque, la cellule PV et ses paramètres.

Dans le deuxième chapitre, nous modéliserons le générateur

photovoltaïque et nous allons valider le modèle théorique par des

simulations.

Dans le troisième chapitre, nous présenterons le convertisseur DC-

DC, utilisé dans les systèmes photovoltaïques.

Dans le quatrième chapitre, on va décrire la commande MPPT du

convertisseur DC-DC basée sur contre réaction de puissance.

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Dans le cinquième chapitre, nous allons présenter la chaîne

globale sous SIMULINK comportant l’ensemble des éléments du

système (générateur photovoltaïque, convertisseur survolteur

et commande MPPT).

Et enfin nous terminerons par une conclusion générale.

Cahier des charges

Le système étudié est constitué par le générateur PV, le

convertisseur DC-DC (hacheur de type survolteur). Le

convertisseur DC-DC est commandé par un signal à modulation de

largeur d’impulsion avec une stratégie de recherche du point de

puissance maximale MPPT.

La figure ci-dessous présente le synoptique de l’ensemble du

système :

11


Figure 1:schéma synoptique d’un système photovoltaïque avec un hacheur et le blocMPPT

Commentaire

La commande MPPT délivre l’action de contrôle appropriée afin de

suivre le point de puissance maximale en chaque instant. Ce

contrôle, dans le cas d’un transformateur DC, agit directement sur

le rapport cyclique du convertisseur DC-DC.

Chapitre I : Généralités sur les générateursphotovoltaïques I.1 Définition

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Une énergie est dite renouvelable lorsqu'elle provient de sourcesque la nature renouvelle en permanence, par opposition à une énergienon renouvelable dont les stocks s'épuisent.

Les énergies renouvelables proviennent de 2 grandes sources naturelles : leSoleil (à l'origine du cycle de l'eau, des marées, du vent et de lacroissance des végétaux) et la Terre (qui dégage de la chaleur).

Surnommées "énergies propres" ou "énergies vertes", leur exploitationengendre très peu de déchets et d'émissions polluantes mais leur pouvoirénergétique est beaucoup plus faible que celui des énergies nonrenouvelables.

I.2 Les différents types d’énergies renouvelables

On distingue 5 types d’énergies renouvelables qui sont :

L’énergie solaire :Sans le rayonnement solaire, la vie sur terre serait

simplement impossible. En un éclair, le soleil émet

plus d’énergie que le monde n’en a produit depuis la

nuit des temps, et la terre en reçoit chaque jour 10

000 fois plus qu’elle n’en consomme.

Différentes technologies permettant de capter les

rayonnements du soleil composent ensemble les énergies

solaires. Il est toutefois à noter que l'énergie du

vent ou des vagues sont également issues du soleil,

mais elles ne font pas partie des énergies solaires.

On entend principalement par énergie solaire :

L'énergie photovoltaïque, qui consiste à capter les

rayonnements du soleil aux moyens de modules

photovoltaïques, afin de produire de l'électricité.

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L'énergie solaire thermique, qui fonctionne à partir de

capteurs thermiques, réactifs à la luminosité et

permettant la production de chauffage et/ou d'eau

chaude.

L'énergie solaire à concentration, basée sur le

principe de grands miroirs réfléchissants et encore peu

connue, mais dont les enjeux pour la production

d'électricité dans les pays du Sud sont considérables.

a)L'énergie photovoltaïque

Figure 3: Schéma de principe de la plaque photovoltaïque

L’énergie photovoltaïque s’est développée dans les années 50

pour l’équipement de vaisseaux spatiaux et le premier a été

14

Figure 2: Les types d’énergies solaires


lancé dans l’espace en 1958. C’était le seul procédé non-

nucléaire d’alimenter des satellites en énergie.

Pendant les années 70 et 80, des efforts ont été faits pourréduire les coûts de sorte que l’énergie photovoltaïque soitégalement utilisable pour des applications terrestres. Lacroissance de l’industrie fut spectaculaire.

Depuis le début des années 80, la quantité de modules

photovoltaïques expédiés par an (mesurés en MW-Crêtes) a

augmenté et le prix des modules (par Watt-Crête) diminuait au

fur et à mesure que le nombre de modules fabriqués augmentait.

Bien que le prix se soit quelque peu stabilisé, la quantité de

modules photovoltaïques expédiés chaque année continue

d’augmenter.

L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion de

la lumière du soleil en électricité au sein de matériaux semi-

conducteurs comme le silicium ou recouverts d’une mince couche

métallique. Ces matériaux photosensibles ont la propriété de

libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie

extérieure. C’est l’effet photovoltaïque. L’énergie est

apportée par les photons, (composants de la lumière) qui

heurtent les électrons et les libèrent, induisant un courant

électrique. Ce courant continu de micro-puissance calculé en

watt crête (Wc) peut être transformé en courant alternatif

grâce à un onduleur.

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Il existe plusieurs filières de matériau semi-conducteur pour la constitution des cellules photovoltaïques :

Les filières utilisant le silicium cristallin (mono ou multi-

cristallin/ poly-cristallin), qui représentent actuellement 80%

du marché des cellules photovoltaïques, apparaissent comme les

filières les plus abouties au niveau des rendements

photovoltaïques obtenus. Mais les cellules restent encore assez

chères du fait de la dépendance de ces filières de l’industrie

du silicium électronique pour leur approvisionnement en

silicium.

Les filières couches minces, dont la principale est celle du

silicium amorphe, offrent un coût de fabrication des cellules

peu élevé mais les rendements de conversion photovoltaïque sont

bien inférieurs à ceux des cellules à base de silicium

cristallin.

Les filières utilisant des matériaux organiques comme semi-

conducteur en sont encore au stade du laboratoire, les

rendements obtenus sont faibles mais ces matériaux

permettraient de produire des cellules photovoltaïques à très

faible coût.

16


b)L'énergie solaire thermique

17


Figure 4:Schéma de principe représentant l’utilisation de l’énergie solaire pour

chauffer l’eau

L’énergie solaire thermique consiste en l’utilisation du

rayonnement solaire pour produire de la chaleur. On peut

l’utiliser de manière directe (chauffe-eau solaires,

cuisinières solaires…) ou indirecte (centrales solaires

thermodynamique), son utilisation la plus courante étant

l’usage direct.

L’énergie solaire thermique utilise le rayonnement solaire et

le transforme en énergie thermique. Le principe général est de

concentrer les rayons solaires en un seul endroit. Ceux-ci sont

alors piégés par des capteurs solaires thermiques vitrés qui

transmettent l’énergie-solaire à des absorbeurs métalliques.

Ces mêmes absorbeurs réchauffent alors un réseau de tuyaux où

circule un fluide caloporteur (c’est-à-dire un fluide qui

reçoit de la chaleur en un point de son circuit et qui la cède

en un autre point). Cet échangeur va ensuite chauffer à son

tour de l’eau stockée dans un cumulus, cette même eau qui ira

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alimenter chauffe-eau (pour l’eau sanitaire) et systèmes de

chauffages solaires. Les capteurs solaires thermiques vitrés

qui permettent de recueillir l’énergie solaire (panneaux

solaires thermiques) sont le plus souvent installés sur les

toitures des bâtiments équipés. Par ailleurs, L'usage de

panneaux solaires thermiques se justifie pour produire de l'eau

chaude sanitaire à moindre coût. Une fois l'installation

réalisée, l'entretien est très peu coûteux et permet de faire

des économies.

c)L'énergie solaire à concentration

Le solaire à concentration thermodynamique est unetechnologie différente du photovoltaïque classique. Desmiroirs concentrent l’énergie solaire vers un tube contenantun fluide qui chauffe. La chaleur obtenue permet de formerde la vapeur d’eau qui entraine une turbine couplée à unalternateur et de l´électricité est ainsi produite. Unénorme avantage avec le solaire à concentrationthermodynamique est que la chaleur peut être stockée dansdes sels fondus, et les centrales solaires peuvent ainsiproduire de l'électricité la nuit.

19


Figure 5:site d’énergie solaire à concentration

L'énergie solaire thermique peut également être utilisée

pour la cuisine. Apparue dans les années 70, la cuisine

solaire consiste à préparer des plats à l'aide d'un four

solaire. Les petits fours solaires permettent des

températures de cuisson de l'ordre des 150°C, les

paraboles solaires permettent de faire les mêmes plats

qu'une cuisinière classique à gaz ou électrique.

L’énergie Eolienne :

Par définition, l'énergie éolienne (du mot grec Eole, le

Dieu du vent) est l'énergie produite par le vent. Cette

énergie mécanique est exploitée à des éoliennes, hélices

installées au sommet de pylônes et qui tournent sous

l'action du vent. La rotation des hélices actionne un

système produisant de l'électricité. L'éolienne, que l'on

nomme aussi aérogénérateur, est une machine qui permet la

20


transformation d'énergie du vent en mouvement mécanique,

puis le plus souvent en électricité.

Lorsque l'on ne produit qu'une force mécanique pour

actionner une pompe, on parlera seulement d'éolienne; par

contre lorsque l'on produit de l'électricité, on parlera

d'aérogénérateur.

Figure 6:figure représentant les différentes parties

Le principe de fonctionnement de l'énergie éolienne est

relativement simple: le vent fait tourner les pales qui

elles font tourner le générateur. A son tour le générateur

transforme l’énergie mécanique du vent en énergie

électrique. L’électricité est dirigée vers le réseau

électrique ou vers des batteries de stockage.

L’énergie Hydraulique :

21


L’énergie hydroélectrique nécessite un cours d’eau ou une

retenue d’eau. La centrale exploite l’énergie potentielle

crée par le dénivelé de la chute d’eau.

La centrale se compose d’un réservoir, d’une chute d’eau

caractérisée par sa hauteur. L’énergie hydraulique est

convertie en électricité par le passage de l’eau dans une

turbine reliée à un alternateur. La puissance de la

centrale dépend également du débit d’eau.

Figure 7:Centrale de Beauharnois au Québec : Puissance 1660MW ; hauteur de chute 24m

Les centrales peuvent aussi stocker l’énergie, c’est lecas des STEP (station de transfert d’énergie par pompage).Le pompage s’effectue par des turbines entre deux bassinsà des altitudes différentes. Ces centrales permettent destocker l’électricité excédentaire sur le réseau.

L’énergie Biomasse

Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des

bioénergies, le terme de biomasse désigne l'ensemble des

matières organiques d'origine végétale (algues incluses),

animale ou fongique pouvant devenir source d'énergie par

combustion (ex : bois énergie), après méthanisation

(biogaz) ou après de nouvelles transformations chimiques

(biocarburant).

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L'énergie tirée de la biomasse est considérée comme uneénergie renouvelable et soutenable tant qu'il n'y a passurexploitation de la ressource, mise en péril de lafertilité du sol, tant qu'il n'y a pas de compétitionexcessive d'usages (des terres arables, de l'eau), nid'impacts excessifs sur la biodiversité.

Figure 8:schéma de principe d’une usine biomasse

Avec 30,7 % du total mondial, les États-Unis sont le

premier producteur d'électricité à partir de la biomasse,

devant l'Allemagne et le Brésil (7,3 %).

Dans l'absolu, le bilan quantitatif CO2 d'une installation

est nul quand toute l'énergie qu'il a fallu dépenser pour

extraire du combustible de la biomasse provient elle aussi

de la biomasse.

En régime industriel établi, il est possible d'utiliser de

la biomasse pour le fonctionnement de l'installation, en

veillant à ne pas libérer d'autres gaz à effet de serre

(méthane (CH4) notamment qui a un pouvoir réchauffant

23


environ 21 fois plus important que le CO2 (à court terme,

mais il disparait plus vite que le CO2). Une fuite

sérieuse dans une installation de méthanisation rendrait

son bilan GES très négatif.

Son introduction dans les systèmes énergétiques contribue

à réduire (en termes de bilan global) les émissions de gaz

à effet de serre, voire à restaurer certains puits de

carbone (semi-naturels dans le cas des boisements et haies

exploités).

L’énergie géothermique :

L'énergie géothermique est la chaleur exploitable présentedans les profondeurs de la Terre. L'intérieur de laplanète se maintient à une température élevée grâce à unimmense réservoir de chaleur. Une partie de cette chaleurprovient de l'énergie jadis libérée lors de la formationde la Terre et le reste est généré continuellement par ladésintégration d'éléments radioactifs. En gros, la chaleurproduite et la chaleur qui s'échappe par conductionjusqu'à la surface, par les geysers, par les sources d'eauchaude et par l'activité volcanique) s'équilibrent. Unepartie de cette énergie se concentre dans des gisementsque l'on peut exploiter.

La recherche dans le domaine de l'énergie géothermiqueest axée sur la découverte de nouveaux gisementsthermiques et l'amélioration des technologiesd'exploration et d'exploitation. L'extraction de l'énergiegéothermique fait appel à une technologie relativementrécente comparativement à celle mise au point pour descombustibles comme le pétrole ou le gaz, par exemple.Toutefois, la diminution de ces ressources finies et leur

24

http://www.thecanadianencyclopedia.com/index.cfm?PgNm=TCE&Params=F1ARTF0007628


coût croissant donnent à l'énergie géothermique une placede plus en plus importante.

Figure 9:schéma de principe représentant la transformation de lachaleur en tension

Dans la plupart des gisements géothermiques, on retrouve la présence simultanée d'eau et de chaleur. L'eau de surface pénètre dans le sol. Une partie s'infiltre profondément dans des fentes ou des roches poreuses et peut s'accumuler en formant d'énormes réservoirs qui durent très longtemps. Dans les parties stables et non volcaniques de l'écorce terrestre, la température augmente avec la profondeur à un taux moyen d'environ 25°C/km. Les réservoirs de chaleur ne se trouvent qu'aux endroits où les roches poreuses descendent à des profondeurs où la température est élevée des conditions normales.

I.3 Place de l’énergie solaire dans le monde

Plus de 3500 W par seconde sont produits par des panneauxphotovoltaïques dans le monde, soit une production de 104.5 TWhen 2012 pour une capacité de production installée de totale

25


mondiale de 102.156 MW fin 2012. La part de la productiond'électricité photovoltaïque dans la production mondiale étaitde 0,5 % et sa part dans la production électricité renouvelablede 2,2 %.

L’énergie solaire se démocratise de plus en plus autour dumonde. Depuis plusieurs années, les installations de panneauxphotovoltaïques se sont accélérées par des programmes nationauxoffrant des incitations financières notamment en Allemagne,Japon, EU mais aussi Australie.

L’Allemagne et le Japon sont actuellement en tête de la coursesolaire suivi de près par les USA et révèlent une avancéeimpressionnante dans le domaine du photovoltaïque.

Par ailleurs, de nombreux pays en voie de développement sont deplus en plus consommateurs d’énergie solaire. Les principalesutilisations de ces pays sont pour le chauffage, lerefroidissement et la purification de l’eau.

Le marché mondial en quelques chiffres : Puissance cumulée Japon : 1100 MWc, Allemagne : 760 MWc, USA : 300 MWc France : 20 MWcAu Japon, parmi les nouvelles énergies, l’énergie solaire estsans conteste la plus développée. Depuis le lancement, en 1974,du programme Sunshine, qui a initié le premier projetphotovoltaïque national, cette politique volontariste a permisau Japon d’être leader mondial de la production électrique parprocédé photovoltaïque entre 1990 à 2004.

Les États-Unis envisagent de rattraper leur retard rapidementen terme d’énergie solaire, et possèdent pour cela d’atouts nonnégligeables : un ensoleillement record au Nevada, avec devastes étendues désertiques inutilisées, un tissu industrielinnovant extrêmement dense en Californie, et plusparticulièrement dans la Silicon Valley.

26


Les nouveaux acteurs du solaire évoluent rapidementDepuis plus de 4 ans, de nouveaux acteurs s’imposent sur cemarché, tels que la Chine mais aussi l’Espagne, l’Italie et laFrance.

Tous ont établi des directives positives en faveur duphotovoltaïque comme des subventions régionales pour lesparticuliers et professionnels, des réductions d’impôtsbénéfiques et un tarif de rachat de l’électricité produiteimportant.

De son côté, la Chine a toujours accordé une grande importanceau développement des énergies renouvelables. En 2010, legouvernement chinois envisage d’avoir 150 millions de m² dechauffe-eau solaire en fonction.

A Chypre, 90 % des ménages et une forte proportion d’hôtelssont équipées de chauffe-eau solaires

La puissance installée :

Dans le monde : 2800 MWc,

En Europe : 1540 MWc,

En Allemagne : 1100 MWc,

En Espagne : 340 MWc,

En Italie : 50 MWc,

En France : 12 MWc

Si on compare les puissances cumulées:1 Allemagne : 3846 MWc2 Japon : 1200 MWc3 USA : 750 MWc4 Espagne : 515 MWc5 Italie : 100 MWc6 Pays-Bas : 55 MWc7 France : 46 MWc

27


Figure 10:L’installation des panneaux solaires en France

La croissance du marché solaire photovoltaïque, qu’est un enjeumondial, est très vive en Europe. Selon l’institut derecherches économiques Fuji Keizai, le marché mondial despanneaux solaires atteindra 4675 milliards de yens (28milliards d’euros) en 2012.Un contexte favorable aux énergies renouvelables grâce auxpolitiques de réduction de l’usage des hydrocarbures, de laforte hausse du prix de ces derniers, des préoccupations liéesau réchauffement, expliquent l’essor impressionnant du marchéde l’énergie solaire.

La France, quant à elle, se doit d’atteindre une productionde 20 %d’énergies renouvelables d’ici 2020. En signant lesaccords de Kyoto, la France a souligné sa volonté de développerles énergies renouvelables, et notamment l’énergie solaire.Ainsi, l’Etat permet de nombreuses aides financières etnotamment un crédit d’impôt de 50 % pour vous aider à financervos projets.

I.4 Place de l’énergie solaire au Maroc

Dans le cadre de sa stratégie énergétique, le Maroc accorde unepriorité au développement des énergies renouvelables et audéveloppement durable. Avec des ressources solaires abondantes(un potentiel de 2600kWh/m²/an) et une position stratégique aucœur d’un carrefour énergétique (connexion au réseau électriqueespagnole par deux lignes de 400kV/700MW). Le Maroc offre ainsi plusieurs opportunités d’investissementsdans le secteur de l’énergie solaire photovoltaïque.Le Projet Marocain de l'Energie Solaire:

28


Ce projet de développement intégré vise la mise en place en

2020 d'une capacité de production électrique à partir de

l'énergie solaire d'une capacité totale de 2 000 MW sur cinq

sites : Ouarzazate, Ain Bni Mathar, Foum Al Oued, Boujdour et

Sebkhat Tah.

Les deux technologies - Concentrated Solar Power (CSP) et

Photovoltaïque sont envisagées pour ces différentes stations.

Ce programme augmentera la part de l’énergie solaire dans la

capacité électrique totale à 14% à l’horizon 2020 et évitera

l'émission de 3,7 millions de tonnes de CO² par an.

Figure 11: les cinq sites du projet Noor

I.5 Introduction à la cellule photovoltaïque et

histoire

IntroductionLes modules ou panneaux photovoltaïques sont composés de semi-conducteurs qui permettent de transformer directement la lumièredu soleil en électricité.

Ces modules s’avèrent une source d’énergie électrique qui estsûre, fiable, sans entretien et non polluante. La majorité des

29


modules solaires sur le marché aujourd’hui sont pourvus degaranties de plus de 20 ans, et ils fonctionneront bien au-delà decette période.

Des millions de systèmes ont été installés dans le monde entier,de puissances différentes allant d’une fraction d’un watt àplusieurs megawatts.Pour de nombreuses applications, les systèmessolaires électriques sont non seulement rentables, mais ilspeuvent aussi représenter l’option la moins coûteuse.

Dans ce chapitre on commencera par rappeler brièvementl’historique des panneaux solaires ainsi que le principe deconversion l’énergie solaire en énergie électrique reposant surl’effet photoélectrique des semi-conducteurs et finalementl’association des panneaux photovoltaïques.

Histoire

Considéré dans l'Antiquité comme un dieu, le soleil estaujourd'hui réduit au statut d'énergie, une énergie qu'il nousfaut apprendre à capter, à transformer, à stocker...

La conversion de la lumière en électricité, appelé effetphotovoltaïque, a été découverte en 1839 par un physicienfrançais, Alexandre Edmond-Becquerel (en irradiant uneélectrode en argent dans un électrolyte, il obtint une tensionélectrique).

En 1875, le physicien Werner Von Siemens expose devant l’Académiedes Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dansles semi-conducteurs.

Et la première cellule solaire fonctionnelle fut construiteen 1883 par Charles Fritts. Mais le rendement de sa cellule, étanttrès faible, empêcha à l'époque son utilisation.

30

Figure 12:EDMOND


Seulement, le phénomène est encore considérécomme anecdotique jusqu'à la Seconde GuerreMondiale. Les premières vraies cellules sontapparues en 1930 avec les cellules à oxydecuivreux puis au sélénium.

Les recherches d'après-guerre ont permisd'améliorer leurs performances et leur taille et ce n'estqu'en 1954 que trois chercheurs américains, Chapin,Pearson et Prince mettent au point une cellulephotovoltaïque au silicium dans les laboratoires de lacompagnie Bell téléphone. On entrevoit alors lapossibilité de fournir de l'électricité grâce à cescellules. Au même moment, l'industrie spatiale naissante,cherche de nouvelles solutions (autre que le procédénucléaire) pour alimenter ses satellites.

C'est en 1958, que les premiers satellites avec panneaux solairessont envoyés dans l'espace et au même moment une cellule avec unrendement de 9% est mise au point.

Mais il faudra attendre les années 70 pour que les gouvernementset les industries investissent dans la technologie photovoltaïque.En effet des efforts ont été faits pour réduire les coûts de sorteque l'énergie photovoltaïque soit également utilisable pour desapplications terrestres. Et en 1973, la première maison alimentée

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par des cellules photovoltaïques est construire à l'Université deDelaware.

Ainsi au cours des années 80, la technologie photovoltaïqueterrestre a progressé régulièrement par la mise en place deplusieurs centrales de quelques mégawatts. La croissance del'industrie fut spectaculaire, et notamment à travers de nombreuxproduits de faible puissance fonctionnant grâce à l'énergiesolaire, tel que : montres, calculatrices, balises radio etmétéorologiques, pompes et réfrigérateurs solaires. En 1983 lapremière voiture, alimentée par énergie photovoltaïque, parcourtune distance de 4 000 km en Australie.

Figure 13:Les secteurs d’exploitation de l’énergie solaire

En 1995, des programmes de toits photovoltaïques raccordés auréseau....ont été lancés, au Japon et en Allemagne, et segénéralisent depuis....2001.

Bien que le prix se soit peu stabilisé, la quantité demodules...photovoltaïques expédiés chaque année ne cessed'augmenter...

I.6 Principe de fonctionnement

Un panneau ou module est formé de cellules photovoltaïques misesen série pour obtenir la tension désirée. Chaque cellule produitun courant continu dont la puissance dépend de la surface de lacellule et la tension à vide est d'environ 0,5 à 0,6 volts. Lecourant continu produit peut être transformé en courant alternatif(plus ou moins sinusoïdal) à l'aide d'un onduleur pour uneutilisation domestique. Comme la production d'électricité estdirectement liée à l'intensité de la lumière solaire on utilise laplupart du temps une batterie d'accumulateurs qui sera chargéependant la journée et servira de tampon.

32


Les cellules sont la plupart du temps fabriquées à partir desilicium, matériau très courant dans la nature (On rencontre aussile tellurure de cadmium en couche mince).

On utilise du silicium monocristallin (cher mais rendement plusélevé), du silicium poly cristallin (le plus répandu, voir photoci-contre) ou du silicium amorphe (moins cher mais le moinsperformant).

Figure 14:matieres pour la fabrication des cellules PV

Généralement on distingue des cellules photovoltaïques en fonctiondes développements technologiques.

Les cellules de la 1ère générationLes cellules de première génération sont basées sur une seulejonction P-N et utilisent généralement le silicium sous formecristalline comme matériau semi-conducteur. Le silicium est fondupuis refroidi afin d’obtenir un cristal qui sera découpé en finestranches (les wafers) pour obtenir la cellule photovoltaïque. Cetteméthode de production est très énergivore et donc très chère. Ellenécessite par ailleurs un silicium de grande pureté. On différencieles cellules en silicium monocristallin et en silicium polycristallin.

Les cellules de la 1èr générationLes cellules en silicium

monocristallin :Les cellules en silicium poly

cristallin :Avantages Inconvén

ientAvantages Inconvénient

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+ Très bon rendement+ Sensibilité accrue aux rayonnements directs

- Coût élevé

+ Bon rendement (moinsbon que les cellules monocristallines+ Coût moins élevé quepour les cellules monocristallines+ Sensibilité accrue aux rayonnements directs

- Forte sensibilité à la température

Tableau 1 Comparison entre les cellules en silicium monocristallin et ceux ensilicium poly cristallin

Les cellules de la 2ème génération

Les couches minces constituent la seconde génération de technologiephotovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le siliciumamorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellure decadmium (Cdt), entre autres,…

Dans le cas de couches minces, la couche de semi-conducteur estdirectement déposée sur un substrat (ex : verre, plastique,…). Laproduction de ce type de cellules est moins couteuse que celle de1ère génération puisqu’elles consomment moins de matériaux semi-conducteur et ne nécessite pas de passer par l’étape detransformation en « wafers ».

Les cellules de la 2ème génération

Avantages Inconvénients+ Sensibilité accrue aux rayonnements diffus+ Moins sensible à l’ombrage dû àla forme longitudinale des cellules+ Moins de matériau de base pour la fabrication+ Moins sensible aux fortes températures+ permet la fabrication de panneaux souples et flexibles

- Certains éléments très polluants lors de la fabrication(cadmium)

- Performance diminuant dans le temps

- Rendement moindre que les cellules de 1ère génération

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Tableau 2 Avantages et inconvénients des cellules 2ème générationNotons que le disélénium de cuivre qui est au stade de la productionindustrielle et offre un rendement de 10 à 12% pour les modulescommerciaux ne présente pas les problèmes de toxicité du cadmium.Les réductions de coûts attendus à moyen terme pour cettetechnologie sont donc très promoteursLes cellules de la 3ème générationLa troisième génération vise à passer la limite maximale derendement des cellules actuelles, qui est d’environ 30%. Plusieursconcepts sont envisagés pour atteindre cet objectif :

Superposition de multiples cellules (utilisant des bandesd’énergie différentes)

Cellules à concentration Utilisation de photons à basse énergie qui ne sont

habituellement pas abordé par la cellule Cellules à électrons chauds produisant plus de pairs

d’électron/trou pour des énergies supérieures à la banded’énergie

Conversion des photons pour ajuster le spectre de lalumière solaire aux caractéristiques du semi-conducteur

Le rendement des cellules PV

Le rendement d’une cellule est le ratio entre l’énergie lumineusereçue à la surface de la cellule et l’énergie électrique produitepar cette même cellule.Le rendement d’une cellule photovoltaïque serait d’environ 85% sichaque photon pouvait transférer toute son énergie à un électron.Cependant, ceci n’est pas le cas vu que le transfert d’énergie peutse faire uniquement si la bande d’énergie propre à chaque semi-conducteur. Ainsi, les photons avec une énergie inférieure à cettevaleur type ne pourront participer à l’effet photovoltaïque (leurénergie sera convertie en chaleur) et les photons avec une énergiesupérieure à cette valeur type ne pourront transmettre que l’énergiepropre au semi-conducteur (tout excès est alors perdu). Dans lescellules actuelles, ces deux effets limitent le rendement théoriquedes cellules à 50%.

Principe de fonctionnement d’une cellule PV

35


Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon

d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un

"trou". L'électron trouve rapidement un trou pour se replacer,

et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le

principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les

électrons et les trous à se diriger chacun vers une face

opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son

sein : ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel et

donc une tension entre les deux faces, comme dans une pile.

Les cellules photovoltaïques produisent ainsi un courant

continu.

Figure 15:Schéma de principe de la conversion photoélectrique

I.7 Association des cellules photovoltaïques

La tension et le courant produits par une cellulephotovoltaïque étant limités, une association de plusieurscellules est indispensable: panneau photovoltaïque. Lespremiers panneaux ont été conçus pour recharger des batteriesau plomb de 12V.

Exemple:

36


Un panneau de recharge de batterie de 12V fonctionnant à 16V (à

puissance maximale) doit comprendre 36 cellules en série (0,45V

à puissance maximale).

Association en sérieDans un groupement en série, les cellules sont traversées

par le même courant et la caractéristique résultante du

groupement en série est obtenue par l’addition des

tensions à un courant donné.

Figure 16:association des PV en série

Figure 17:Caractéristique résultante d’un groupement en série

Commentaire

Les ns cellules (supposées identiques) sont traversées par le même courant.

Association en parallèleDans un groupement de cellules connectées en parallèle, les

cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique

37


résultante de groupement est obtenue par addition des courants à

tension donnée.

Figure 19:Caractéristique résultanted’un groupement en parallèle

Commentaire

Les np cellules (supposées identiques) ont la même tension.

I.8 Conclusion

Durant ce chapitre on a cité la définition des énergiesrenouvelables ainsi que les principaux types de ces énergies, etencore la place des énergies renouvelables à l’échelle mondiale etau niveau marocain, on a parlé un peu sur l’histoire des cellulesphotovoltaïques et le principe de fonctionnement de ces derniers etaussi les différentes associations de ces cellules pour construireun panneau photovoltaïque .le chapitre suivant on va modéliser etsimuler le générateur photovoltaïque afin de savoir les élémentsqui influencent sur le comportement interne et externe sur notresystème.

38

Figure 18:association des PV en parallèle


Chapitre II : Modélisation et simulation dugénérateur PV

II.1 Introduction

39


La modélisation d’une cellule PV est le choix d’un circuitélectrique équivalent.

Pour aboutir à un circuit équivalent précis d’une cellule PV, il estimpératif de comprendre la configuration physique des éléments de lacellule, en plus des caractéristiques électriques de chaque élément.

En ce sens, plusieurs modèles mathématiques sont proposés pourreprésenter le comportement exponentiel d’une cellule PV, qui est dûaux jonctions PN des semi-conducteurs, qui sont à la base de leurréalisation. Ces modèles se distinguent par deux éléments :

Le nombre de paramètre intervenant dans le calcul de latension photovoltaïque Vpvet du courant photovoltaïqueIpv

Les procédures mathématiques

L’étude de chaque cellule passe par :

La détermination du circuit équivalent. L’équation mathématique Ipv=f(Vpv)

Les courbes caractéristiques de Ipv=f(Vpv)et de Ppv=f(Vpv)

L’arborescence montre quelque modèle trouvé dans la littérature :

Figure 20:Arborescence des modèles de cellules PV

II.2 Modélisation du générateur photovoltaïque

40


II.2.1 Schéma bloc et schéma électrique

Schéma bloc

Figure 21:Schéma bloc de générateur photovoltaïque

Commentaire

Le schéma bloc du GPV a comme entrée le rayonnement Gs ou le flux etla température T, et le courant Ipv et Vpv présentent la sortie de ce système.

Afin d’avoir la puissance fourni on fait la multiplication de la courante fois la tension. (P=Ipv*Vpv).

Schéma électrique équivalent

Le schéma équivalent d’une cellule PV à une diode à 5 paramètrescorrespond à un générateur de courant Iph qui modélise la conversiondu flux lumineux.

Figure 22:Schéma électrique équivalent du L5P

41


N.B :

Durant ce projet on a choisi la cellule PV à une diode à 5paramètres(L5P).

La résistance série Rsérie est la résistance interne de lacellule ; elle dépend principalement de la résistance dusemi-conducteur utilisé, de la résistance de contact desgrilles collectrices et de la résistivité de ces grilles.(Contactes et connexions)

La résistance shunt Rshunt est due à un courant de fuite auniveau de la jonction ; elle dépend de la façon dontcelle-ci a été réalisée.

Ces résistances ont une certaine influence sur la caractéristiqueIpv=f(Vpv).

Equation mathématique Ipv=f (Vpv) du L5P et caractéristiquesélectriquesPar application de la loi des nœuds on a :

Ipv=Iph−ID−Ishunt

Ishunt=Vpv+Rsérie∗Ipv

Rshunt

D’après l’équation de la Diode de Schokely on a :

ID=Isat¿ [e¿¿(q∗(Vpv+Rsérie∗Ipv)

n∗K∗Tc)−1]¿

Dans certaine référence on considère le terme :

42


Vt=K∗Tc

qpotentielthermodynamique

En rassemblant les équations on trouve :

Ipv=Iph−Isat¿ [e¿¿(q∗(Vpv+Rsérie∗Ipv)

n∗K∗T)−1]−

Vpv+Rsérie∗IpvRshunt

¿

Le courant photovoltaïque dépend de la température et du rayonnement solaire.

Iph=P1Es[1+P2 (Es−Es.ref)+P2 (Tc−Tc.ref)]

P1∧P2sontdesconstantedonnéepar≤constructeur

Courant de court-circuit Icc

C’est le courant pour lequelVpv=0, on a

Icc=Iph−Isat¿ [e¿¿(q∗(Vpv=0+Rsérie∗Ipv)

n∗K∗T)−1]−

Vpv=0+Rsérie∗Icc

Rshunt¿

Icc=Iph−Isat¿ [e¿¿(q∗(Rsérie∗Ipv)

n∗K∗T)−1]−

Rsérie∗Icc

Rshunt¿

Le terme Isat¿ [e¿¿(q∗(Rsérie∗Ipv)

n∗K∗T)−1]¿ est négligeable devant

Iph:

Icc=Iph−Rsérie∗Icc

RshuntEn simplifiant :

Icc+Rsérie∗IccRshunt

=Iph

Icc(1+Rsérie

Rshunt)=I

ph

43


Icc=Iph

(1+Rsérie

Rshunt)

Idéalement Rsérie≈0et Rshunt≈∞ ce qui implique pratiquement :Icc≈Iph

Quantitativement, c’est la plus grande valeur du courant générépar la cellule entre 5A et 8A pour le silicium cristallin. Varie selon la technologie et la taille des cellules.

Rendement énergétique

η=PuissancemaximalefournieparlacellulePuissancelumineuseincidente

=PmaxPinc

=Vopt∗Iopt

Pinc

II.2.2 Influence des résistances Rs et Rp

Influence de la résistance série Rs

La résistance série caractérise les pertes par effets Joule de la

résistance propre du semi-conducteur et les pertes à travers les

grilles de collectes et les mauvais contactes ohmiques de la

cellule. Les contacts semi-conducteur-électrodes à résistance

élevée abaissent la tension et le courant de sortie ce qui va

limiter le rendement de conversion.

Influence de la résistance parallèle Rp

La résistance parallèle (ou shunt) Rsh ou Rp caractérise les

pertes par recombinaison des porteurs dues aux défauts

structurales du matériau épaisseurs des régions N et P et de la

zone de charge et d’espace.

44


Rsh augmente avec le groupement série de cellules solaires et

diminue avec une connexion parallèle.

II.2.3 Rôle des diodes de protection

Dans un groupement série, la cellule de plus faible courantphotovoltaïque impose celui-ci à l'ensemble du groupement, unepropriété qui peut pénaliser très fortement la conversion globale sielle n'est pas prise en compte.

Figure 23:PV avec diodes de protection Dr et DpCommentaire

Si plusieurs cellules sont branchées en série, il faudra toujoursprendre soin à ne pas laisser l’une d’entre elle se trouver àl’ombre. Dans ce cas, pratiquement aucun courant ne traverserait lesystème.

Pour éviter cela, il faut disposer une diode Dp connectée enparallèle, appelée "diode by-pass", aux bornes d'un groupementélémentaire de 30 à 40 cellules au silicium au maximum.

Une diode anti-retour Dr doit protégé des voies en parallèle descourants inverses (retour du courant dans le panneau).

II.3 Simulation du générateur photovoltaïque

45


Figure 24: caractéristiques électriques du module MX60 FLEX SUNPOWER

Afin de simuler notre générateur on a mis en œuvre les équations présentées précédemment :

46


(1)

(2)

(3)

(4)

Architecture sous MATLAB

47


Figure 25:Schéma du PV

Figure 26: Subsystem du PV

Commentaire

48


Notre système a été créé sur la base des équations présentées ci-dessus (1, 2, 3,4), la fonction enrouge est celle de l’Iph :

La fonction en vert est celle d’Id :

Et la fonction en jaune est celle de Ishunt :

Influence de l’éclairement

Dans un premier temps on a fixé la température T et on a variél’éclairement Gs afin de juger sur l’influence de cette dernièresur le comportement du panneau. On a tracé les courbes I=f(V) etP=f(V).

49


0 1 2 3 4 5 6 7-20

-10

0

10

20

30

40

50

Tension(V)

Courant(I)

Lam da=200Lam da=400Lam da=600Lam da=800Lam da=1000

Figure 27:Influence d'éclairement I=f(V)

0 1 2 3 4 5 6 7-100

-50

0

50

100

150

200

250

Tension(V)

Puiss

ance(P)

Lam da=200Lam da=400Lam da=600Lam da=800Lam da=1000

Figure 28:Influence de l'éclairement P=f(V)

50


Commentaire

On constate d’après les deux figures que pour différentes valeurs del’éclairement et avec le maintien de la température constantel’existence d’un maxima sur les courbes de puissances correspond aupoint maximum Pmax, aussi lors de la variation de l’éclairement avecune température donnée le courant varie proportionnellement àl’éclairement tandis que la tension du circuit ouvert varie trèspeu.

Influence de la température

Dans un premier temps on a fixé la température T et on a varié l’éclairement Gs afin de juger sur l’influence de cette dernière sur le comportement du panneau. On a tracé la courbe P=f(V).

0 5 10 15-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

Tension(V)

Courant(I)

T=300T=340T=350T=370T=400

Figure 29:Influence de la température I=f(V)

Commentaire

51


On constate d’après la figure que pour différentes valeurs de latempérature et avec le maintien de l’éclairement constant (1000W.m-2) la tension décroit si on augmente la température et l’inversepour le courant.

II.4 Conclusion

Durant ce chapitre on a vu le schéma bloc et le schéma électrique dupanneau PV ainsi que les différentes équations qui entrent dans laphysique de ce système, on a illustré l’influence de la résistancesérie Rp et la résistance Shunt ou parallèle RShunt et encore lerôle des diodes de protection Dr (diode anti-retour) et Dp (diodeby-pass) et on a terminé ce chapitre par une simulation souslogiciel MATLAB du panneau PV pour avoir les facteurs quiinfluencent sur le comportement du système ,on a conclu que latempérature et l’ éclairement sont deux principaux paramètres quimodifient les caractéristiques du générateur PV,d’où la nécessité del’étudier avec soin lors de la mise en place d’une installationphotovoltaïque afin de bénéficier du maximum de puissance .

Le chapitre suivant on va entamer un élément important pour notreprojet qui va être l’interface entre le panneau PV et la batterie ils’agit d’un convertisseur de puissance continu vers le continu, cetélément statique s’appelle le « hacheur ».

52


Chapitre III : Hacheur survolteur (BOOST)III.1 Introduction

Les convertisseurs statiques sont des montages del’électronique de puissance qui utilise des composantsstatiques (≠ dynamiques) : qui ne bougent pas (Des diodes,des transistors TRIAC et THYRISTOR). Ils sont au nombre dequatre :

Des redresseurs : qui permettent de convertir une tensionalternative fixe en une tension continue fixe (Ilschangent la nature de l’énergie électrique)

Des onduleurs : qui convertissent une tension continuefixe en une tension alternative fixe (Ils changent lanature de l’énergie électrique)

Des gradateurs appelés aussi convertisseurs de fréquence :permettant la conversion d’une tension alternative fixe enune tension alternative variable. (Ils gardent la même

53


nature de l’énergie électrique en modifiant sescaractéristiques)

Des hacheurs : convertissant une tension continue fixe enune tension continue variable. (Ils gardent la même naturede l’énergie électrique en modifiant sescaractéristiques).

Figure 30:Table de nature de chaqueconvertisseur

Comme on a vu dans le premier chapitre, les

caractéristiques d’un module solaire montrent bien que la

puissance maximale générée dépend fortement de l’intensité

des radiations solaires ainsi que de la température.

Pour que le module fournisse sa puissance maximale

disponible il faut une adaptation permanente de la charge

avec le générateur photovoltaïque.

Cette adaptation pourra être réalisée par l’insertion d’un

convertisseur hacheur survolteur.

III.2 Principe de fonctionnement

54


Un hacheur fonctionne avec une très grande souplesse et un rendementélevé. Il se compose de condensateurs, d’inductance et decommutateurs. Dans le cas idéal, tous ces dispositifs ne consommentaucune puissance active, c’est la raison pour laquelle on a de bonsrendements dans les hacheurs. La tension d’entrée est "hachée" à unefréquence donnée par un transistor alternativement passant etbloqué. Il en résulte une onde carrée de tension qu'il suffit delisser pour obtenir finalement une tension continue.Un hacheur est symbolisé comme suit :

Figure 31:Symbole du hacheur

D’un point de vue circuit, le hacheur apparaît comme un quadripôlejouant le rôle d’organe de liaison entre deux parties d’un réseau.On peut le considérer comme un transformateur de grandeursélectriques continues.

Etude du hacheur survolteur

Cette structure de hacheur demande un interrupteur commandé àl’amorçage et au blocage (bipolaire, MOS, IGBT…) et une diode quiest à amorçage et blocage spontanés.

Figure 32:Schéma équivalent du BOOST

55


A l’instantt=αT, l’interrupteur est ouvert, la diode conduit seule donc l’inductance se trouve alors en série avec le générateur. Sa force électromotrice s’additionne à celle de l’entrée (effet survolteur). Le courant traversant l’inductance traverse ensuite la diode D, le condensateur C et la charge.

En impliquant la loi des mailles :

VL=Ve−VD−Vs

VD=0 Comme noté dans les hypothèses

VL=Ve−Vs

VL=L.didt

=Ve−Vs<0

i (t )=Ve−Vs

L. (t−αT)+IM

A l’instant t=T le courant dans l’inductance retrouve sa valeur minimale :

Im=IM+Ve−Vs

L(1−α ).T

∆i=IM−Im=Ve−Vs

L(1−α ).T

En mettant à égale les deux expressions de l’ondulation t=T :

∆i=IM−Im=Ve−Vs

L(1−α ).T=

Ve

L.α.T

Ve−Vs

L(1−α )=

Ve

L.α

56


Ve

L−Ve

Lα+

Vs

L−Vs

Lα=

Ve

L.α

Ve

L+Vs

L–Vs

Lα=0

Ve+Vs(1−α)=0

Vs=Ve

(1−α)>Ve

La tension de sortie du hacheur ne dépend que de la tension d’entréeet du rapport cycliqueα. Et du moment que 0<α<1 le convertisseurest toujours élévateur de la tension.

En pratique ce qui est présenté ici par un interrupteur est un transistor dans l’amorçage et le blocage semble le plus évident est la modulation de largeur d'impulsion (MLI) à fréquence fixe et rapport cyclique α variable.

III.3 La commande MLI

Le but de l’utilisation du système M.L.I est de commander le hacheur

Boost par deux valeurs soit 0 soit 1. L’entrée du bloc M.L.I est le

rapport cyclique provenant l’algorithme MPPT, ce dernier doter d’un

signal variant entre 0 et 1.

Dans les convertisseurs DC-DC, la tension de sortie doit êtrerégulée constamment pour être égale une tension de référence, dufait que la tension d’alimentation peut varier.

La méthode de Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) ou Pulse WithModulation (PWM) consiste à faire varier la largeur des impulsionsde commande d’interrupteur.

Le signale de contrôle α de l’interrupteur devra être généré par unecomparaison entre une tension Vref et une tension en dents de scie.

57


Figure 33: Mise en œuvre de la commande MLI

Commentaire

Un comparateur permet de générer à sa sortie une tension carré modulée en largeur. La tension Vref varie proportionnellement avec le rapport cycliqueα.

Si α>Vref le transistor est passant (Interrupteur fermé) Si α<Vref le transistor est bloqué (Interrupteur ouvert)

Les variations de la tension Vref induisent, pour un éclairement et une température donnés, le déplacement du point de fonctionnement sur la caractéristiqueIpv=f (Vpv).

III.4 Modélisation et simulation du hacheur

survolteur

Modélisation du hacheur survolteurSchéma du Boost Muni de la commande MLI sous MATLAB

58


Figure 34:Schéma du Boost muni de la commande MLI

Commentaire

Le bloc MLI existe déjà dans la bibliothèque SIMPOWER ainsi que lesdifférents composants électroniques qui sont : la diode, letransistor ainsi que les résistances et la capacité .on a attaqué lagrille de notre transistor par le signal MLI pour commander notrehacheur et pour la tension initial Vpv on a pris 3V pour tester lecomportement du hacheur car on va remplacer cette source par ungénérateur de courant dans le chapitre qui va suivre.

59


Simulation du hacheur survolteur Muni de la commande

MLI

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5x 105

0

2

4

6

8

10

12

14sortie du BOOST

tension d'entréetension de sortie du hacheur

Figure 35:Simulation du hacheur muni de la MLI

Commentaire

Après avoir simuler notre hacheur survolteur (Boost) commandé par lacommande MLI ,on constate bien que la tension de sortie est plussupérieur que la tension initiale ,même si la tension de sortien’est pas tout à fait net à cause des éléments électroniques(capacité ,diode…)et aussi le pas de simulation qui doit être leminimum possible cependant on voit d’une façon claire que le hacheura augmenté la tension initiale.

III.5 Conclusion

Durant ce chapitre on a vu l’objectif d’utilisation du hacheursurvolteur(Boost) ainsi que le principe de fonctionnement de ce

60


dernier, on a entamé aussi la commande MLI ou (PMW) qui a pour rôlede commander le Boost par la variation du rapport cyclique, etfinalement on a fait la modélisation, la simulation du hacheur et ona constaté que la tension initiale a augmenté donc il s’agit biend’un convertisseur DC-DC survolteur.

Le chapitre suivant sera consacré pour la poursuite du point depuissance maximale(MPPT) et voir les différents algorithmes utiliséspour cette méthode afin de sortir d’un bilan critique pour chaquealgorithme.

IV.1 Introduction

Les cellules photovoltaïques sont utilisées pour fournir del’énergie dans de nombreuses applications électriques. Pour obtenirla puissance maximale, l’algorithme de poursuite du point depuissance maximale (Maximum Power Point Tracking : MPPT) est utilisépour contrôler les variations de la caractéristique Ipv=f (Vpv)du GPV.Rappelons que la caractéristique est affectée par l’éclairement etla température.

Notre système doit donc pouvoir évoluer, rapidement et efficacement,en fonction des changements de l’éclairement et variation du pointde puissance maximale (Maximum Power Point : MPP). Une possibilitéaurait été de fixer un point de fonctionnement, en abaissant latension du GPV et dans un même temps en augmentant le courant. Orceci n’est plus valable lorsque le point de puissance maximalechange. Ainsi le système MPPT doit suivre le point de fonctionnementoptimal du GPV.

Dans le domaine de la conversion d'énergie, la commande MPPTcontrôle le convertisseur DC-DC assurant l'interface de puissance duGPV et la charge. (Dans notre cas batterie).

Cette commande permet au GPV de fournir une puissance maximale.

61


Dans ce contexte plusieurs méthodes de poursuite et algorithmes ontété mises en application (Hill Climbing, Perturb & Observ (P&O) etl'incrément de conductance (IncCond)), chacune présente desavantages et des inconvénients, classifiées d’une manière généraleselon le type d’implémentation électronique: analogique, numériqueou mixte. Il est cependant plus intéressant de les classifier selonle type de recherche qu’elles effectuent et selon les paramètresd’entrée de la commande du MPPT. Bien qu’il existe un grand nombrede publications scientifiques qui présentent des commandes du MPPTplus ou moins complexes.

Ces méthodes sont basées sur des algorithmes de recherche itérativepour trouver le point de fonctionnement GPV pour que la puissancegénérée soit maximale sans interruption de fonctionnement dusystème. Elles ne sont pas basées sur des valeurs de référencesprédéfinies ou à partir des paramètres opérationnels, mais sur lamaximisation permanente de la puissance générée par les GPV. La puissance extraite du module est calculée à partir des mesures deIpvet de Vpv et la multiplication de ces deux grandeurs. Ppv=Ipv∗Vpv

Ces mesures sont utilisées par diverses méthodes qui poursuivent leMPP réel.

IV. Technique de la commande MPPT (P&O)

Algorithme de perturbation et d’observation (P&O)

La méthode de perturbation et observation (P&O) est une approchelargement répandue dans la recherche de MPPT parce qu'elle estsimple et exige seulement des mesures de tension et du courant dugénérateur photovoltaïque Vpv et Ipvrespectivement, elle peutdépister le point maximum de puissance même lors des variations del’éclairement et la température. Principe de l’algorithme P&O

62


Comme son nom l’indique, la méthode P&O fonctionne avec laperturbation de la tensionVpvet l’observation de l'impact de cechangement sur la puissance de sortie du GPV.

L'algorithme de la méthode P&O est cyclique. À chaque cycle, Vpv etIpvsont mesurés pour calculer Ppv (k ). Cette valeur de Ppv (k )estcomparée à la valeur Ppv (k−1 )calculée au cycle précédent.

Si la puissance de sortie a augmenté, Vpvest ajustée dans la mêmedirection que dans le cycle précédent. Si la puissance de sortie adiminué, Vpvest ajustée dans la direction opposée que dans le cycleprécédent. Vpvest ainsi perturbée à chaque cycle de MPPT.

Quand le point de puissance maximale est atteintVpvoscille autour dela valeur optimaleVopt. Ceci cause une perte de puissance qui augmenteavec le pas de l’incrémentation de la perturbation. Si ce pasd'incrémentation est large, l'algorithme du MPPT répond rapidementaux changements soudains des conditions de fonctionnement.D'autre part, si le pas est petit, les pertes, lors des conditionsde changements atmosphériques lents ou stables, seront inférieuresmais le système ne pourra pas répondre efficacement aux changementsrapides de la température ou de l'éclairement. Le pas idéal estdéterminé expérimentalement en fonction des besoins.

Organigramme de l’algorithme P&O

Figure 36:Organigramme de l'algorithme P&OCommentaire

Si une augmentation brutale de l’éclairement est produite, on auraune augmentation de la puissance du GPV.

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L’algorithme réagit comme si cette augmentation est produite parl’effet de perturbation précédente, alors il continu dans la mêmedirection qui est une mauvaise direction, ce que l’éloigne du vraipoint de puissance maximale. Ceci cause un retard de réponse lors des changements soudains defonctionnement et des pertes de puissance. Pour remédier à l’inconvénient majeur de la déviation de cetteméthode lors de la recherche du MPP durant l’augmentation rapide desniveaux d’insolation, une version améliorée de cet algorithme estproposée, où on introduit une nouvelle condition dans la branche «Oui » de condition ΔP(k)>0 dans la structure de l’organigrammede l’algorithme de P&O.

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GPV

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