CHAPITRE 3 : Dimensionnement du générateur photovoltaïque
3.2. Choix du système
Pour compenser le déficit d’énergie au Bénin, particulièrement à l’aérogare de Cotonou, nous avons le choix entre plusieurs sources d’énergie. Nous pouvons citer : l’énergie éolienne, l’énergie solaire photovoltaïque, la biomasse, le groupe électrogène. Nous choisissons d’utiliser l’énergie photovoltaïque parce que sa production est relativement facile, c’est-à-dire qu’on utilise directement les rayons solaires. Elle est sans bruit et ne dégage pas de fumée. De même sa maintenance est plus facile. En se basant sur ses avantages, nous jugeons bon d’utiliser l’énergie photovoltaïque.
Nous pouvons distinguer le système PV fixe et le système PV suiveur solaire. Le système PV fixe capte au maximum les rayons solaires aux environs de midi solaire (au moment où le soleil est au zénith), et le reste du temps, les rayons atteignent les panneaux de biais. Cela fait que l’énergie quotidienne est relativement faible. En employant le suiveur solaire, on augmente le rendement énergétique de 20% à 40% par rapport à un système fixe. Sur ce, nous optons pour l’utilisation du suiveur solaire. Il y a deux types de suiveur solaire : le suiveur à un axe et le suiveur à deux axes. Nous utiliserons ici le suiveur à un axe.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 39 3.3. Dimensionnement du système photovoltaïque
Le but du dimensionnement d’un système solaire photovoltaïque est de bien calculer tous les composants, afin de d’obtenir un système qui soit fonctionnel et durable. Un système solaire mal dimensionné ne peut pas bien fonctionner. Le rayonnement solaire n’est pas la même en saison pluvieuse et en saison sèche. Les conditions météorologiques changent selon la saison et selon la latitude. Par ailleurs, une batterie s’abîme très rapidement lorsqu’elle est trop déchargée. Ainsi, le dimensionnement est fait selon les conditions les plus défavorables du site. Vu l’étendue du site, ses coordonnées géographiques (latitude : 6°21’ Nord, longitude : 2°26’ Est), ses conditions météorologiques, et pour assurer une certaine autonomie dans l’utilisation de l’aérogare de Cotonou, nous avons subdivisé l’installation en quatre (04) grands blocs.
Le hall arrivée climatiseurs ont une puissance élevée et demande une forte quantité d’énergie. A cet effet, pour assurer un bon fonctionnement, une durée de vie élevée, une bonne autonomie et une meilleure rentabilité, nous allons dimensionner le système photovoltaïque pour alimenter les systèmes d’éclairage de l’aérogare.
En effectuant une étude sur la disponibilité de l’espace, nous avons constaté que, l’aéroport dispose d’un large domaine terrestre
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 40 pouvant servir d’espace pour l’installation des panneaux solaires. Il y a aussi de l’espace sur les toits et qui peut servir de lieu d’installation des panneaux solaires. L’ensoleillement est aussi disponible pour couvrir les besoins énergétiques. Le tableau en annexe N°11 renseigne sur l’irradiation solaire à Cotonou.
La puissance souscrite par l’aéroport est de 300kVA. Vu la puissance des moteurs des tapis roulant (0,75 kW à 3kW) et des appareils de climatisation, nous avons jugé bon d’alimenter les lampes seules, puisque l’espace disponible ne pourra pas suffire pour couvrir le nombre de panneaux qu’il faut.
3.3.1. Estimation de la consommation journalière moyenne de l’aérogare de Cotonou
Cette estimation est résumée dans les tableaux en annexe 2, 3, 4 et 5.
Nous avons au total une puissance de 106,183 kW et une consommation journalière de 1211,286 kWh.
3.3.2. Calcul des caractéristiques des composants
Les différentes formules pour le calcul des composants sont:
Les générateurs photovoltaïques La puissance crête Pc
La puissance crête Pc à installer est définie comme suit :
(3.1)
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 41 Bj : Consommation moyenne journalière
Rb : Rendement énergétique des batteries
Ri : Rendement énergétique du reste de l’alimentation
Ej : Ensoleillement moyen quotidien du mois le plus défavorable dans le plan du panneau
Le nombre de modules N
(3.2)
Pc1 : Puissance crête d’un panneau
Les régulateurs solaires Le courant maximal
Le courant maximal qu’on doit avoir se calcule comme suit :
(3.3)
Uch : Tension de charge solaire délivrée
Pc : Puissance crête de l’ensemble des panneaux concernés
Les accumulateurs
La capacité d’une batterie Cb
La formule suivante nous permet de calculer la capacité que doit avoir nos batteries
(3.4)
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 42 Aut : Autonomie de stockage désirée en jours. A Cotonou, l’autonomie est de deux jours et demi ;
U : Tension de la batterie ;
DD : Degré de décharge maximum autorisé. Nous avons choisi 70%
puisque nous n’avons utilisé que des batteries solaires.
Les onduleurs
La puissance nominale S en Volt Ampère
La puissance des onduleurs se calcule de la manière suivante : Considérons le type de récepteurs cos phi = 0,8
or Donc
D’où
(3.5)
3.3.3. Application numérique des formules 3.3.3.1. Le générateur photovoltaïque
En appliquant les différentes formules aux données des tableaux des différents blocs, on a les résultats suivants :
Le hall arrivée o Puissance crête
Pour notre cas nous avons choisi Rb = 0,85 ; Ri = 0,70 et Ej = 3,486 à 25°C.
Tenant compte des dimensions des panneaux solaire qui sont : Longueur : 1,315 m
Largeur : 0,544 m
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 43 La surface d’un panneau est : Sp = 1,315 x 0,544 =0,71536 m2
Soit S la surface occupée par le nombre de modules correspondant à chaque section.
S = Sp x N ; N étant le nombre de module calculé
Nous avons considéré des blocs de dix modules par suiveur.
Vu qu’avec le suiveur nous gagnerons environ 30% d’énergie, alors le nombre de panneaux sera réduit comme suit :
En tenant compte du tableau en annexe 2, nous avons : Eop = 940114,286 W
Donc
o Nombre de modules
Nous avons choisi des panneaux de puissance crête compte tenu de leur poids qui est plus faible et de leur prix, ils ne sont pas très chers.
donc :
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 44 Soit N = 2906 modules PV
S = 2078,836 m2 Le hall départ o Puissance crête
o Nombre de modules
Soit N = 2726
Avec le suiveur, on aura :
3
Soit N = 2097 modules PV S = 1500,110 m2
La DAANB et les Compagnies o Puissance crête
o Nombre de modules
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 45
Soit N = 296
Avec le suiveur, on aura :
Soit N = 228 modules PV S = 163,102 m2
Le parking auto o Puissance crête
o Nombre de modules
Soit N = 3134
Avec le suiveur, on aura :
Soit N = 2411 modules PV
S = 1724,733 m2
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 46 3.3.3.2. Le régulateur solaire
En appliquant ces formules aux données des tableaux des différents blocs, nous avons les résultats suivants.
Pour une tension de charge solaire désirée égale à 24 V on a : Le hall arrivé
Le hall départ
La DAANB et Compagnies
Le parking auto
3.3.3.3. Les accumulateurs
Pour couvrir ces capacités, nous avons choisi des batteries de 1000Ah C/120 ; (capacité d’une batterie en 120 heures). La tension de
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 47 charge est 24V, en choisissant les batteries de 12V nous auront le double du nombre de batterie calculé.
Le nombre de batterie Nb se calcule comme suit :
Soit les dimensions suivantes : Lb = 0,33m : longueur d’une batterie lb = 0,171m : largeur d’une batterie hb = 0,22m : hauteur d’une batterie Pb = 17,68kg : le poids d’une batterie
Soit Vb le volume occupé par chaque batterie Vb = Lb x Lb x hb
Vb = 0,33 x 0,171 x 0,22 = 0,0124146 m3 Le volume par section est V = Vb x Nb Le poids par section est V = Pb x Nb
Le hall arrivé
Nous avons :
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 48 Soit Nb = 280 batteries
V = 0,0124146 x 280 =3,476088 m3 Pb = 17,68 x 280 = 4950,4 kg
Le hall départ
Nous avons :
Soit Nb = 202 batteries
V = 0,0124146 x 202 = 2,5077492 m3 Pb = 17,68 x 202 = 3571,36 kg
La DAANB et Compagnies
Nous avons :
Soit Nb = 22 batteries Vb = 0,2731212 m3
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 49 Pb = 17,68 x 22 = 388,96 kg
Le parking auto
Nous avons :
Soit Nb = 234 batteries
V = 0,0124146 x 234 =2,9050164 m3 Pb = 17,68 x 234 = 4137,12 kg
3.3.3.4. Les onduleurs Le hall arrivé
P = 33947 W
Le hall départ P = 23074 W
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 50
En effet, nous avons choisi des onduleurs de 24/220V-50Hz ; 1000VA.
La DAANB et Compagnies P = 4164 W
Le parking auto P = 44998 W
3.4. Choix des différents éléments par bloc de l’aérogare
Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques des différents composants choisis par bloc pour la réalisation de l’alimentation en énergie solaire photovoltaïque de l’aérogare de Cotonou.
Tableau 3.1 : Caractéristique des composants par bloc du système PV du site de l’aérogare de Cotonou.
BLOC Composant
du systèm
e
Quantité Caractéristiques Unitaire Total
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 51
Le nombre total de batterie est : 738
Le volume total occupé par les batteries est 9,1619748 m3 Le poids total est 13047,84 kg
Le nombre total de panneaux à installer est : Nt = 7642
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 52 L’espace total occupé par les panneaux est la somme des surfaces par section.
S = 5466,78112 m2
Nous prenons une surface Sa de 10% de la surface totale pour l’espace des allées entre les panneaux.
Sa = 5466,78112 x 0,1 = 546,678112 m2 La surface à prévoir est :
S = 5466,78112 + 546,678112 = 6013,459232 m2 Soit S = 6084 = 78 x 78 m2
3.5. Protection des générateurs solaires
La protection d’une installation PV permet d’assurer d’augmenter sa durée de vie en évitant des pannes destructives. Ainsi, deux types de protection sont utilisés, à savoir :
On dispose des diodes anti-retour mises en série avec le générateur PV pour éviter que des modules éclairés débitent dans des modules ombrés, et pour empêcher la batterie de débiter sur le module PV pendant la nuit.
Des diodes sont associées en parallèle à des groupes de modules pour éviter que les modules ombrés soient polarisés en inverse et dissipent de l’énergie, ce qui peut endommager les modules.
Les protections électriques seront complétées par la mise à la terre du châssis des générateurs et de leurs bonnes négatives, le paratonnerre, les disjoncteurs pour isoler et protéger le circuit
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 53 électrique contre les défauts électriques et les décharges atmosphériques.
3.6. La maintenance du système photovoltaïque 3.6.1. Objectif de la maintenance
Comme tout équipement, effectuer l’entretien et l’inspection régulière des composants aidera à assurer une bonne performance au système et à réduire au maximum la défaillance des composants. Un programme de maintenance avec un cahier de suivi devrait être fourni en tant qu’élément de la documentation. Les cahiers obtenus peuvent être particulièrement utiles parce que les informations qu’ils contiennent peuvent monter des changements temporels, aussi bien que des variations anormales, indiquant un problème. Alors le programme d’entretien exige les types de maintenance suivants :
La maintenance préventive
Systématique
Conditionnelle
Prévisionnelle
La maintenance corrective
Curative
Palliative
La maintenance concernera essentiellement les différents composants du système. Les tableaux ci-dessous résument les solutions applicables aux problèmes couramment rencontrés au niveau des composants du système photovoltaïque.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 54 Nous avons en annexe N°6 quelques avantages et inconvénients du système photovoltaïque.
L’annexe N°7 énumère les problèmes possibles qu’on peut rencontrer au niveau des modules ainsi que les opérations à effectuer pour y remédier.
L’annexe N°8 énumère les opérations à effectuer pour remédier aux problèmes possibles qu’on peut rencontrer au niveau du régulateur.
L’annexe N°9 énumère les opérations à effectuer pour remédier aux problèmes possibles qu’on peut rencontrer au niveau des batteries.
3.6.2. La maintenance des modules
La maintenance des modules consiste essentiellement à les nettoyer avec de l’eau tôt le matin ou tard le soir. Ensuite, il faut vérifier les fixations des modules, l’absence d’ombre portée, l’étanchéité des boîtes de jonctions. Durant la journée et aux bornes du régulateur, la tension du module doit être supérieure à celle de la batterie.
3.6.3. La maintenance du régulateur solaire
Il faut vérifier que le régulateur est bien refroidir et qu’aucune chaleur excessive n’est émise par un composant. Resserrer chacune des connexions en s’assurant que le boitier du régulateur est bien fixé. Vérifier que les indicateurs et voyants donnent des informations cohérentes et que les valeurs de seuil des tensions de fin de charge, de coupure et de reconnexion des utilisations sont conformes avec les
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 55 valeurs indiquées sur la notice du constructeur. Allumer quelques récepteurs pour comparer aux bornes du régulateur la tension du module qui doit être supérieure, de 0,1 à 1 V, à celle de la batterie au cours de la charge puis la tension de la batterie qui doit être supérieure, de 0,1 à 0,5 V, à celle du circuit des récepteurs.
3.6.4. La maintenance des accumulateurs solaires
Avant toute intervention, arrêter la charge de la batterie, éteindre tous les récepteurs et attendre environ trente (30) minutes. En ce moment, procéder à un contrôle visuel afin de détecter d’éventuelles fuites, nettoyer le dessus des batteries. Au bout de trente (30) minutes, mesurer et noter la tension de circuit ouvert, la valeur de la densité et la température de l’électrolyte. Vérifier le niveau d’électrolyte, si nécessaire ajouter de l’eau distillée. Toutefois, veiller à charger la batterie avant l’ajout d’eau distillée si elle était complètement déchargée. Mesurer la tension de la batterie, elle doit être supérieure à celle notée précédemment. Graisser avec la vaseline les bornes de la batterie puis la reconnecter au système.
3.6.5. La maintenance de l’onduleur
Sa maintenance consiste essentiellement à assurer le refroidissement du local qui l’abrite.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 56 Conclusion partielle
Après avoir fait l’étude pour dimensionner le système PV, nous avons énuméré quelques règles d’entretien pour assurer une longue durée de vie au système. Par ailleurs, ceci nous a permis de constater que le système d’éclairage de l’aérogare a une consommation moyenne journalière de 1 211,2863 kWh.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 57
CHAPITRE 4
EVALUATION DU COUT
D’INVESTISSEMENT
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 58 Introduction partielle
La réalisation d’un système PV ne sera effective que si le coût du projet est clairement défini. Nous avons proposé dans ce chapitre une estimation du coût à investir pour réaliser ce projet.
4.1. Inventaire des matériels
Faire l’inventaire des matériels consiste à répertorier tout ce qui sera pris en compte dans l’élaboration du devis. Les principaux matériels entrant dans l’évaluation du coût sont entre autres :
- les panneaux
- les câbles de liaison des panneaux, régulateurs, batteries, onduleurs, charges
- les convertisseurs - les onduleurs
- les dispositifs de suiveur - les contacteurs
- le microcontrôleur
4.2. Les travaux
Ils englobent toutes les opérations qui ont pour finalité la réalisation et installation du système photovoltaïque et du suiveur solaire. Ils regroupent les études techniques, les travaux de génie civil et des installations électriques.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 59 4.3. Evaluation des coûts d’études techniques
Les coûts d’études techniques regroupent l’ensemble des fonds à prévoir pour les études, le suivi et le contrôle des travaux. Le coût total d’étude regroupe les évaluations financières des différentes actions qui contribuent à la réalisation du projet.
4.4. Elaboration du devis
Le devis est élaboré suite à la connaissance des différents coûts que nous venons de mentionner. Les coûts de matériels à acquérir, les coûts d’étude et les coûts de réalisation des ouvrages sont inclus.
Des précautions supplémentaires sont prises afin que les ouvrages ne puissent souffrir d’aucune augmentation des coûts de matériels au cours de la réalisation du projet. Les imprévus sont estimés à 5 % du coût total de base.
4.5. Calcul du coût
Pour le système photovoltaïque
Tableau 4.1 : Estimation du coût d’achat des composants Composants et
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 60
La somme des composants est 1 434 097 650 FCFA
Pour le suiveur
Les modules seront regroupés par blocs de 10. Pour cela, nous avons au total un nombre de blocs égal à : La somme des composants du suiveur est 136 629 000 FCFA.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 61 Au total, nous avons pour les composants, une somme de trois milliards quatre cent sept millions trois cent soixante-cinq mille neuf cent quatre-vingt francs CFA (1 570 726 650 FCFA).
Prix de revient du système PV
Coût d’installation
- Transport des composants : 8 000 000 FCFA
- Mains d’œuvre (nombre de techniciens x salaire quotidien x nombre de jours)
15 x 20 000 x 30 = 9 000 000 FCFA
Coût total de base
La somme totale de base est 1 587 726 650 FCFA
Provision Pour Dépenses Imprévues PPDI (5% du coût total des composants)
PPDI = 3 440 865 980 x 0,05 = 79 386 335 FCFA
La somme totale est : ST = 1 667 112 985 FCFA
L’estimation du prix total du système nous revient à : un milliard six cent soixante-sept millions cent douze mille neuf cent quatre-vingt-cinq francs CFA (1 667 112 985 FCFA).
4.6. Etude de la rentabilité La consommation annuelle est :
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 62 Ea = 1 211,286 x 365 = 442 119,39 kWh
Le coût d’achat de l’énergie auprès de la SBEE, taxes comprises est 150 FCFA.
Le coût total annuel est : Ca = Ea x 150 Ca = 442 119,39 x 150 = 66 317 910 FCA Le temps de retour sur investissement est de :
(4.1)
Soit TRI = 26 ans
Le temps nécessaire qu’il faudrait à l’aérogare pour récupérer le montant qu’il devrait investir lorsqu’il décide un jour de réaliser ce projet est environ 26 ans.
Conclusion partielle
Dans ce chapitre, nous avons fait une estimation totale du coût du projet. Ceci nous a permis d’évaluer ce coût à 1 667 112 985 FCFA.
Le temps de retour sur investissement est de 26 ans. Etant donné que les panneaux ont une durée de vie de 30 ans, ce projet est donc rentable.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 63
CONCLUSION GENERALE ET
PERSPECTIVES
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 64 Ce travail de dimensionnement et de conception de suiveur solaire pour le système photovoltaïque a une importance capitale, en ce sens qu’il nous a permis d’étudier le rendement du suiveur solaire par rapport au système photovoltaïque fixe. Par ailleurs, l’installation et l’utilisation de l’énergie solaire permettra de réduire le manque d’énergie observé dans diverses régions du Bénin.
En effet, notre étude nous a permis d’analyser quelques avantages et inconvénients du système photovoltaïque ainsi que les solutions à quelques problèmes rencontrés au niveau du système photovoltaïque.
Toutefois, un système de production d’énergie doit être entretenu pour garantir une meilleure durée et un bon fonctionnement. Ainsi, nous avons proposé des méthodes d’entretien qui doivent être faites.
La particularité du photovoltaïque par rapport aux autres sources d’énergie est qu’il nécessite peu d’entretien et a une durée de vie d’environ 30 ans malgré le coût élevé de l’installation. De même, l’utilisation du suiveur solaire pourra nous faire gagner jusqu’à 30% de l’énergie que devrait produire un système fixe. Ceci justifie l’intérêt du choix du suiveur solaire pour alimenter l’aérogare de Cotonou en énergie photovoltaïque.
En ce qui concerne les perspectives, nous suggérons de réaliser un prototype en vraie grandeur du système de suiveur solaire.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 65
BIBLIOGRAPHIE
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[3] : OLLIVIER DE MONTAGUERE Léonce-Thierry Béranger, Etude pour la réalisation de l’alimentation en énergie solaire photovoltaïque du site de l’ONG « LA CHRYSALIDE », Rapport de fin de formation pour l’obtention du diplôme de Licence Professionnel, Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, 2011
[4] : GBAGUIDI G. Thomas Brice, étude et réalisation d’un suiveur solaire commandé par la logique Floue, Mémoire d’ingénieur des travaux, Collège Polytechnique Universitaire, 2002.
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[6] : IBGE, Plan d’étapes pour les grandes installations photovoltaïques, Bruxelles, 2011
[7] : http://www.solar-tracking.fr, Traqueur solaire, motorisation de panneaux solaire-traqueur, consulté le 07/09/14 à 18h42mn
[8] : http://www.wattuneed.com/fr/23-batteries-agm-gel, Batterie d’accumulateur, consulté le 18/07/14 à 08h05mn
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 67 [9] : http://www.solaris-store.com/36-onduleurs-solaires, Onduleur
photovoltaïque SMA, consulté le 29/09/14 à 20h10mn
[10] : http://www.linak.fr, Le vérin linéaire électrique, consulté le 07/10/14 à 21h00mn
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 68
ANNEXES
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 69 Annexe 1 : Différents types de module et leurs caractéristiques Matériaux Rendement Longévité Caractéristiques Principales
utilisations
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 70 Annexe 2 : Hall arrivé
Localisation Désignation Puissance (W)
Total 33947 940,114286
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 71 Annexe 3 : Hall départ
Localisation Désignation Puissance (W)
Total 23074 678331,612
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 72 Annexe 4 : DAANB - Compagnies
Localisation Désignation Puissance (W)
Annexe 5 : Parking auto Localisation Désignation Puissance
(W)
Total 44998 779931,429
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 73 Annexe 6 : Avantages et inconvénients du PV
Avantages Inconvénients
Faible coût d’exploitation Coût d’achat élevé Durée de vie : plus de vingt
Faible coût d’exploitation Coût d’achat élevé Durée de vie : plus de vingt