CHAPITRE 1 : Généralités sur le système photovoltaïque
1.3. Les composants du système photovoltaïque
(1.1) Pour une cellule de fabrication industrielle, le facteur de forme est de l’ordre de 70%. Le watt crête (Wc) est la puissance optimale fournie par la photopile sous des conditions de mesures normalisées, c’est-à-dire pour un ensoleillement de 1kW/m2 et pour une température de jonction de la cellule de 25 °C. Le rendement de conversion (efficacité) d’une cellule est le rapport entre la puissance électrique optimale (Pm) et la puissance solaire reçue à la température de référence. [3], [5]
1.3. Les composants du système photovoltaïque
Il faut d’abord noter que nous avons deux types de système photovoltaïque :
les systèmes photovoltaïques sans batterie les systèmes photovoltaïques avec batterie
Cependant nous allons donner ici les composants d’un système photovoltaïque avec batterie. Il comprend généralement les composantes de base suivantes :
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 7
le champ de modules PV qui fournit l’énergie en période d’ensoleillement;
la batterie : elle alimente la charge et assure un stockage de l’énergie électrique ;
la diode anti-retour : elle évite la décharge de la batterie à travers les modules PV en période d’obscurité ;
le régulateur de charge : il protège la batterie contre la surcharge de l’énergie produite par le champ de modules PV et inclut habituellement une protection contre les décharges profondes de la batterie;
un conditionneur de charge : il permet l’utilisation d’appareil à courant continu (cc) à tension variée (convertisseur) ou à courant alternatif (onduleur).
Figure 1.1 : Schéma illustrant le système photovoltaïque
Le générateur photovoltaïque
Un générateur photovoltaïque (PV) est formé d’un ensemble de cellules photovoltaïques montées en série ou en parallèle. Une cellule
Champ PV
Régulateur
Charge CCConvertis seur CC/CC
Batterie d’accumulateur OnduleurCharge CA
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 8 photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée aux rayons solaires. La tension générée peut varier entre 0,4V et 0,7V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition, ainsi que la température de la cellule. Cette tension générée (0,4V – 0,7V) est nommée tension de circuit ouvert (Uco). Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées. Il est appelé courant de court-circuit (Icc) et dépend de l’éclairement [2].
Il existe un grand nombre de technologie mettant en œuvre l’effet photovoltaïque dont les principales sont : le silicium monocristallin ou polycristallin (plus de 80% de la production mondiale) et le silicium en couche mince à base de silicium amorphe ou CIS (Cuivre Indium Sélénium). Les générateurs PV sont généralement caractérisés par : la puissance crête Pc exprimée en watt crête (Wc), la tension de circuit ouvert Uco exprimée en volt (V), le courant de court-circuit Icc exprimé en ampère (A). Tous ces types de générateur et leurs caractéristiques sont regroupés dans le tableau en annexe 1.
Le régulateur de charge
Le régulateur de charge (appelé aussi contrôleur de charge) mesure en permanence la tension de la batterie et gère l’apport de courant provenant du panneau photovoltaïque. Le rôle du régulateur dans une installation photovoltaïque est de contrôler le niveau de la charge et de décharge des batteries solaires.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 9 modules PV. Dans un système photovoltaïque, la batterie remplit trois fonctions importantes : autonomie, courant de surcharge, stabilisation de la tension. Les plus utilisées en système PV sont les batteries au plomb-acide. Une batterie d’accumulateur est caractérisée par :
Sa tension nominale en volt (V)
Sa capacité de stockage en Ampères heures (Ah)
L’onduleur
Un onduleur est un convertisseur permettant de transformer en alternatif une énergie électrique de type continue.
Panneau de photopiles Utilisation
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 10 1.4. Dimensionnement d’un système PV avec batterie
Le dimensionnement a pour but de déterminer la puissance-crête du générateur solaire et la capacité de la batterie, à partir des données d’ensoleillement du site d’une part, et des besoins électriques de l’utilisateur d’autre part [1].
Les étapes suivantes permettront de dimensionner approximativement un système photovoltaïque.
1re étape : Estimation des besoins d’électricité (Wh/j) 2e étape : Estimation de l’ensoleillement
3e étape : Estimation de la capacité de stockage requise (Ah) 4e étape : Estimation du champ photovoltaïque requis (Wc)
1.5. Analyse du rayonnement solaire
1.5.1. Le rayonnement solaire
Le soleil est une source lumineuse qui rayonne de l’énergie thermique sur la surface de la terre. La lumière émise par le soleil est constituée par plusieurs radiations monochromatiques. Le rayonnement solaire est compris dans une bande de longueur d’onde variant de 0,22 à 10 microns (µm) [4].
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 11 L’atmosphère terrestre reçoit ce rayonnement à une puissance moyenne de 1,37 kilowatt au mètre carré (kW/m2). L’atmosphère en absorbe toutefois une partie, de sorte que la quantité d’énergie atteignant la surface terrestre dépasse rarement 1,2kW/m2. La rotation et l’inclinaison de la terre font également que l’énergie disponible en un point donné varie selon la latitude, l’heure et la saison.
Figure 1.3 : Analyse spectrale du rayonnement solaire
L’intensité du rayonnement solaire reçu sur un plan quelconque à un moment donné est appelée irradiation ou éclairement. La valeur du rayonnement reçu par la surface du module photovoltaïque varie selon la position de ce dernier. Le rayonnement solaire atteint son intensité maximale lorsque le plan du module photovoltaïque est perpendiculaire aux rayons. Dans la figure ci-après est illustré l’effet de l’inclinaison des modules photovoltaïques sur l’intensité de l’éclairement reçu sur leurs surfaces du lever au coucher du soleil.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 12 Figure 1.4 : Intensité de l’ensoleillement reçu sur un plan
horizontal et incliné pour le mois de février
1.5.2. Le mouvement de la terre autour du soleil
La terre tourne autour du soleil suivant une orbite elliptique dont le soleil occupe un foyer. La période du mouvement de révolution de la terre est de 365 jours six heures. La distance moyenne de la terre au soleil est de 149 450 000 Km. D’autre part, la terre effectue un mouvement de rotation sur elle-même en une période de 24 heures.
L’axe de rotation est incliné par rapport à la normale au plan de l’écliptique d’un angle de 23°27’. Un observateur qui est immobile sur la terre voit le soleil tourné au tour de la terre. Sur ce, l’intensité des rayons solaires varie selon le moment de la journée [4].
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 13 Figure 1.5 : Géométrie schématique des rapports terre-soleil
1.5.3. Position du soleil
La position du soleil sur la sphère céleste est donnée par l'angle d'altitude γ et l'angle d'azimut ψ figure 1.5. Elle dépend de la date, la période du jour, et de la position géographique de l'observateur [5].
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 14 Figure 1.6 : La position du soleil observée d’après l’origine O
1.5.4. Orientation et inclinaison des panneaux
L'orientation et l'angle d'inclinaison des panneaux de l'installation doivent être analysés [6].
La localisation de l’installation doit est très importante.
Idéalement, elle doit être orientée (à nos latitudes) plein sud. Le système présente toutefois un rendement suffisant entre l’ouest et l’est, avec un degré d'inclinaison compris entre 10° et 30° (environ 15°
pour le Bénin).
1.5.5. L’intensité des rayons solaires
Le rayonnement solaire n’est pas toujours disponible; en outre, on ne peut l’emmagasiner ni le transporter. Le concepteur d’un système qui emploie le rayonnement solaire comme source d’énergie doit donc déterminer la quantité d’énergie solaire disponible à l’endroit visé et le moment où cette énergie est disponible. L’absorption atmosphérique est plus faible lorsque le Soleil se trouve à son point le plus haut dans
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 15 le ciel. En effet, la distance, que doit parcourir le rayonnement dans l’atmosphère est plus courte lorsque le Soleil est directement au-dessus de l’endroit visé. C’est le « midi solaire», moment où le rayonnement solaire direct est le plus intense [1].
On maximise par conséquent la quantité d’énergie solaire directe captée quand on change constamment l’inclinaison du plan pour le maintenir à angle droit avec les rayons du Soleil. Si le plan est fixe, la quantité d’énergie reçue sera moindre, car les rayons du soleil le frapperont de biais la majorité du temps.
1.5.6. Objectif de la conception
Le soleil est en permanent mouvement apparent autour de la terre (en réalité c’est la terre qui tourne autour du soleil). Ainsi, la terre prend plusieurs positions et diverses distances par rapport au soleil.
De même, le phénomène de saison et de moment de la journée fait que le soleil se lève (ou se couche) tôt, faisant ainsi varier la durée de l’ensoleillement par jour selon la période de l’année. Par ailleurs, l’axe de rotation de la terre étant incliné d’un angle de 23°37’ par rapport à l’axe normal au plan de l’orbite de la terre, la durée de l’ensoleillement varie selon la situation géographique par rapport à l’équateur (pôle Nord ou pôle Sud). En outre, à chaque position (latitude et longitude) sur la terre, correspond un degré d’ensoleillement.
En effet, les rayons solaires atteignant un capteur à la surface de la terre sont d’autant plus importants que ces rayons tapent la surface du capteur de manière perpendiculaire. Et du fait que le soleil se lève à l’Est et se couche à l’Ouest, les rayons solaires sont plus ou moins perpendiculaires à un capteur aux environs de midi. A cet effet, pour
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 16 maximiser l’énergie solaire captée, il faut suivre le mouvement du soleil de l’Est à l’Ouest (donc faire varier la position du capteur en azimut). Vu que la terre est inclinée, l’orientation d’un capteur face au soleil variera en fonction de la saison de l’année, ceci ne permet pas d’avoir un maximum d’énergie solaire dans la journée. Il faut pour cela, pour maximiser l’énergie solaire captée, orienter constamment le capteur en direction du soleil (donc faire varier la position du capteur en hauteur).
Cependant, l’effet de l’inclinaison de la terre sur le degré d’ensoleillement est moins important pour les zones situées aux environs de l’équateur (cas du Bénin). Ainsi, nous allons considérer uniquement pour notre étude, la variation en azimut du capteur solaire, soit un mouvement des panneaux solaires de l’Est à l’Ouest. Pour mieux capter les rayons solaires, il faut orienter les panneaux vers l’hémisphère opposé d’un angle plus ou moins égal à la latitude où l’on se trouve. Pour cela, notre suiveur solaire doit être incliné d’un angle de 6°21’ Sud (pour Cotonou), et suivra le soleil de l’Est à l’Ouest. Mais en pratique, on adopte une inclinaison de 15° Sud puisqu’il faut ajouter un angle d’environ 10° à la latitude du site où on installe les panneaux afin de ne pas avoir une inclinaison très défavorable à des périodes de l’année.
Conclusion partielle
Il a été question dans ce chapitre, d’étudier tous les éléments qui entrent en jeux dans l’installation d’un système photovoltaïque. Ainsi, l’intensité du rayonnement solaire est un facteur dont dépend la puissance fournie par le générateur solaire. Il est aussi à noter que les différents composants doivent être bien dimensionnés pour une meilleure rentabilité.
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CHAPITRE 2
ETUDE DU SUIVEUR SOLAIRE
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 18 Introduction partielle
Lorsqu’un panneau est exposé perpendiculairement aux rayons solaires, l’ensoleillement reçu par ces panneaux est plus important.
Pour ce faire, nous allons étudier dans ce chapitre, le suiveur solaire afin d’optimiser l’énergie produite par le système PV.
2.1. Principe général de la poursuite du soleil
Il consiste à adapter (presque asservir) le mouvement d’un orienteur à celui du soleil pendant qu’il est apparent, c’est-à-dire durant la période allant de son « lever » (Est) à son « coucher » (Ouest). On a des suiveurs à deux axes et des suiveurs à un axe. Ici, nous utilisons un suiveur à un axe puisque nous voulons faire une variation en azimut seulement. En effet, étant donné que le Bénin est situé aux environs de l’équateur, l’effet de la variation en hauteur n’est pas remarquable. Il ne serait donc pas rentable d’utiliser un suiveur à deux axes.
2.2. Solution adoptée
Nous avons fait le choix d’un suiveur solaire qui va suivre le soleil tout au long de la journée. Ainsi, ce dispositif sera commandé par un microcontrôleur programmé et le mouvement mécanique sera assuré par un vérin linéaire électrique. Il sera alimenté par une partie de l’énergie produite. En effet, les modules du système PV que nous allons installer ont un poids considérable. Sur ce, il est nécessaire d’utiliser un vérin pouvant supporter un poids élevé et pouvant permettre d’avoir une longueur de tige assez grande. Le vérin
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 19 électrique linéaire LA36, de par ses caractéristiques mentionnées à l’annexe 13, répond mieux à nos critères, d’où son choix.
Un vérin électrique se compose d’un moteur, d’un réducteur et d’une vis sans fin incluant un écrou. Une solution de système complet de vérins se compose d’un ou plusieurs actionneurs linéaires, d’un boitier de contrôle et d’une commande pour opérer le mouvement des vérins.
Le vérin électrique fonctionne sur l’impulsion d’un moteur. Il facilite la levée des charges lourdes grâce à un système vis-écrou. Ici, l’écrou est assuré par le moteur. Le vérin électrique se caractérise ainsi par sa course, le diamètre de la tige et la pression qu’il peut exercer. La course correspond à la longueur du déplacement à assurer.
Pour concevoir le suiveur solaire, nous pouvons utiliser de la statistique, c’est-à-dire en tenant compte de la position du soleil et déterminer l’angle d’inclinaison, ou encore faire de l’asservissement, c’est-à-dire en utilisant un capteur de rayon solaire. Nous avons choisi, pour notre cas, d’utiliser de la statistique parce que cette méthode consomme moins d’énergie que celle de l’asservissement. Pour la méthode de la statistique, l’alimentation se fait à des intervalles de temps définis alors que pour la méthode de l’asservissement l’alimentation se fait en permanence.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 20 2.3. Le dispositif de commande
2.3.1. Description du fonctionnement du dispositif
Le système que nous concevons va fonctionner uniquement dans la journée, c’est-à-dire de sept heures trente minutes (07 heures 30 minutes) à dix-neuf heures 30 minutes (19 heures 30 minutes). Cet intervalle de temps a été choisi du fait qu’il fait souvent jour à partir de 06 heures et que l’on remarque souvent l’absence des rayons solaires à partir de 18 heures. Ainsi, nous avons divisé cet intervalle de temps en douze (12) intervalles d’une heure chacune à partir de six heures jusqu’à dix-huit heures et nous considérons que de 7h30mn à 19h30mn, la terre effectue une rotation de 180 degrés (soit un mouvement apparent de 180 degrés du soleil autour de la terre). A cet effet, nous divisons les 180 degrés en douze (12) intervalles de quinze degrés (15°) chacun. Donc à chaque heure, le soleil effectue un angle de 15° allant de l’Est vers l’Ouest. Pour suivre ce mouvement du soleil, nous allons faire tourner nos panneaux solaires de 15° à chaque heure de l’Est vers l’Ouest de sorte que nos panneaux soient perpendiculaires aux rayons solaires. Mais vu que l’intensité du soleil est un peu faible entre 06 heures et 07 heures et entre 17 heures et 18 heures, nous allons faire fonctionner notre système de 07 heures 30 minutes à 17 heures 30 minutes de l’Est à l’Ouest puis restera à cette position entre 17 heures 30 minutes et 19 heures30 minutes. Par suite, on le fera revenir à sa position initiale à 19 heures30 minutes. Il gardera cette position jusqu’à 07 heures 30 minutes.
La rotation de notre système se fera de sorte qu’il soit orienté : - de 06h30 à 07h30, à 75° par rapport à l’horizontal vers l’Est, - de 07h30 à 08h30, à 60° par rapport à l’horizontal vers l’Est, - de 08h30 à 09h30, à 45° par rapport à l’horizontal vers l’Est,
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 21 - de 09h30 à 10h30, à 30° par rapport à l’horizontal vers l’Est,
- de 10h30 à 11h30, à 15° par rapport à l’horizontal vers l’Est, - de 11h30 12h30, de manière horizontale au sol,
- de 12h30 à 13h30, à 15° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 13h30 à 14h30, à 30° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 14h30 à 15h30, à 45° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 15h30 à 16h30, à 60° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 16h30 à 19h30, à 75° par rapport à l’horizontal vers l’Ouest, - de 19h30 à 07h30, à 75° par rapport à l’horizontal vers l’Est.
Le suiveur solaire a ses limites de rotation ; en tenant compte de cela, nous limitons cette rotation à 150 degrés. De même entre 90° et 75° à l’Est ou à l’Ouest, vu que c’est très tôt le matin et la nuit que le panneau devrait rester dans cette position, la quantité d’énergie solaire captée est négligeable. Pour cela, l’angle balayé est de 150°.
2.3.2. Le fonctionnement de la commande du système
Etant donné que nous avons choisi le microcontrôleur pour commander automatiquement le système du suiveur solaire, il sera programmé de façon à ce que lorsqu’il sonne 07h30min, le microcontrôleur commande la marche du vérin. Celui-ci se met en fonctionnement durant un temps t=500ms, faisant ainsi tourner le panneau (ce qui était initialement orienté à 75° vers l’Est) de 15 degrés vers l’Ouest, puis le microcontrôleur commande son arrêt.
Ensuite, à 08h30min, le même processus se produit jusqu’à 17h30min où le panneau est orienté à 75° vers l’Ouest. A cette heure, le microcontrôleur reste inactif jusqu’à 19h30min, puis à cette heure il commande le retour du panneau qui va effectuer 150 degré en 5s pour
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 22 revenir à sa position de départ. Ainsi, de 19h30min jusqu’à 07h29min le microcontrôleur reste inactif. Puis, lorsqu’il sonne 07h30min, le microcontrôleur commande la marche du vérin. Ainsi, le processus reprend tous les jours.
2.3.3. Description du vérin électrique LA36
Le vérin permet de mécaniser des ouvertures de trappes, de portes, des tablettes élévatrices, de la mise à niveau, des commandes d’aiguillage, des matériels médicaux, etc…
La vitesse linéaire de la tige du vérin dépend donc de la vitesse de rotation du moteur et du pas du système de transformation de mouvement.
Un vérin électrique est constitué d’un moteur électrique à courant continu (ou à courant alternatif, ou un moteur pas à pas), ou d’un motoréducteur accouplé à un système de transformation de mouvement rotatif en linéaire de type vis à billes ou vis à filet trapézoïdal.
La grande diversité du choix de moteur (en fonction des fabricants), confère à ce type d’actionneur un domaine d’application assez vaste allant du simple déplacement linéaire à partir d’un signal électrique jusqu’au positionnement précis sur certaines machines à commande numérique.
Le vérin électrique LA36 (tout comme les autres vérins électriques) est constitué de deux parties de branchement à savoir : le câble d’alimentation et le câble retour d’information.
Le câble d’alimentation est composé de deux fils et sert à alimenter le moteur.
Le câble retour d’information est constitué de six fils. On note :
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 23 - alimentation 12V à 24V : alimente le circuit de la tige (optionnel) - fin de course tige rentrée : met fin au mouvement de la tige
rentrante, en présence d’un capteur
- fin de course tige sortie : met aussi fin au mouvement de la tige sortante, en présence d’un capteur
- sortie de tige : signale la fin de sortie de la tige - rentrée de tige : signale la fin de rentrée de la tige - masse
Figure 2.1 : Câblage du vérin électrique linéaire
Nous avons en annexe 13, les caractéristiques et les spécifications techniques du vérin électrique linéaire LA36.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 24 Figure 2.2 : Le vérin électrique linéaire LA36
2.3.4. Principe de fonctionnement du vérin électrique linéaire LA36
Le vérin électrique LA36 est constitué de deux parties : le moteur à courant continu et la tige. Lorsque le moteur est alimenté, il entraîne l’écrou de la tige qui se met en mouvement de rotation. L’écrou étant fixe, il communique un mouvement de translation à la tige (la vis) qui peut faire sa sortie ou son entrée selon le sens de rotation du moteur.
Le sens de rotation du moteur dépend du câblage. Ce moteur à
Le sens de rotation du moteur dépend du câblage. Ce moteur à