ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI **********
DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ***********
Option : Energie Electrique
MEMOIRE DE FIN DE FORMATION
POUR L’OBTENTION DU
DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
Thème :
Réalisé par :
KOUMAKO Kossi François Devant le Jury :
Président : Dr Théophile K. HOUNGAN
Membres : 1) Dr Richard AGBOKPANZO, Enseignant à l’EPAC, Maître de mémoire
2) Dr Médésu SOGBOHOSSOU, Enseignant à l’EPAC 3) Ing Arouna OLOULADE, Directeur de la Distribution de
l’Energie / SBEE, Tuteur de stage
ETUDE ET CONCEPTION D’UN SUIVEUR SOLAIRE POUR ALIMENTER L’AEROGARE DE COTONOU EN ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE
Année académique : 2013-2014 7ème Promotion
Décembre 2014
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François i
Dédicaces
Je dédie ce travail à :
Ma très chère mère Bernadette LOKOSSOU qui m’a transmis les règles de la vie.
Tous mes frères et sœurs qui ne cessent de me soutenir.
Qui vit d’espoir ne meurt pas de chagrin ! KOUMAKO Kossi François
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François ii
Remerciements
Nous voudrions tout d’abord remercier Dieu tout puissant pour la grâce qu’il nous a accordée.
Par suite, nous tenons à remercier très sincèrement :
Pr. Félicien AVLESSI, Directeur de l’EPAC ;
Pr. Clément BONOU, Directeur Adjoint de l’EPAC ;
Dr. François-Xavier FIFATIN, Chef de département du Génie électrique ;
Dr. Richard AGBOKPANZO, maître de mémoire ;
Dr. Théophile K. HOUNGAN, enseignant à l’EPAC ;
Dr. Ramanou BADAROU, enseignant à l’EPAC ;
Tous les enseignants et techniciens du laboratoire de génie électrique de l’EPAC, pour tous les efforts consentis pour notre formation ;
Ing. Cyprien HOUNSOUNOU, actuel Directeur de la Production et des Mouvements d’Energie et des Energie Renouvelables (DPMEER) ;
M. Saturnin YEDONOU, Ex Directeur de la DPMEER;
M. Fortuné SOUDE, Chef Service Mouvement, DPMEER ;
M. Magloire AGOSSOU, Directeur Régional du Littoral 2 ;
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François iii
M. Delphin AGOSSOU, chef service exploitation DRTB/CEB, nous vous disons merci pour vos informations ;
M. Arouna OLOULADE, Directeur de la Distribution de l’Energie / SBEE, merci pour toute l’aide que vous nous avez apportée ;
Tout le personnel de la DPMEER ;
Tout le personnel de l’ASECNA, en particulier Monsieur Codjia Dieudonné, Chef Maintenance du Service Exploitation Technique et Météorologique (ETM) ;
Ma grande sœur Laurence KOUMAKO et son époux ;
Tous mes frères et sœurs ;
Tous mes cousins et cousines, en particulier Benjamin LOKOSSOU qui ne cesse de me soutenir financièrement et moralement ;
M. Joseph SIHOU, professeur d’anglais ;
Toutes autres personnes pour leur aide sur différents points.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François iv
Résumé
Ce projet de fin d’étude consiste à optimiser la quantité d’énergie produite par un système photovoltaïque que nous allons utiliser pour alimenter l’aérogare de Cotonou.
En vue d’optimiser l’énergie produite par le système photovoltaïque, nous allons utiliser un suiveur solaire, automatique, commandé par un microcontrôleur ; le mouvement est programmé en tenant compte de la statistique de l’ensoleillement. Le but de l’utilisation de ce suiveur est de capter plus d’énergie solaire en faisant suivre le mouvement du soleil par les panneaux solaires de manière à ce que ces panneaux fassent un angle droit avec la direction des rayons solaires.
MOTS CLES : Energie électrique, compensation, optimisation, photovoltaïque, suiveur solaire.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François v SUBJET: Study and conception of a solar tracker to supply the air terminal of Cotonou in photovoltaic energy
Abstract
This project of end of training consists in optimizing the quantity of energy produced by a photovoltaic system that we chose to supply electrical energy to the air terminal of Cotonou.
In order to optimize the energy produced by the photovoltaic system, we used the solar tracker, an automatic device, whose movement is programmed by using statistics and that we controlled by a microcontroller. The purpose of the use of this tracker is to get more solar energy following the movement of the sun with the solar panels so that the solar rays are perpendicular to the panels.
KEYWORDS: Electrical energy, compensation, optimization, photovoltaic, solar tracker.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François vi
TABLE DES MATIERES
Dédicaces ... i
Remerciements ... ii
Résumé ... iv
SUBJET: Study and conception of a solar tracker to supply the air terminal of Cotonou in photovoltaic energy ... v
Abstract ... v
INTRODUCTION GENERALE ... 1
CHAPITRE 1 : Généralités sur le système photovoltaïque ... 4
Introduction partielle ... 5
1.1. L’énergie solaire ... 5
1.2. L’effet photovoltaïque ... 5
1.3. Les composants du système photovoltaïque ... 6
1.4. Dimensionnement d’un système PV avec batterie ... 10
1.5. Analyse du rayonnement solaire ... 10
1.5.1. Le rayonnement solaire ... 10
1.5.2. Le mouvement de la terre autour du soleil ... 12
1.5.3. Position du soleil ... 13
1.5.4. Orientation et inclinaison des panneaux ... 14
1.5.5. L’intensité des rayons solaires ... 14
1.5.6. Objectif de la conception ... 15
Conclusion partielle ... 16
CHAPITRE 2 : Etude du suiveur solaire ... 17
Introduction partielle ... 18
2.1. Principe général de la poursuite du soleil ... 18
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François vii
2.2. Solution adoptée ... 18
2.3. Le dispositif de commande ... 20
2.3.1. Description du fonctionnement du dispositif ... 20
2.3.2. Le fonctionnement de la commande du système ... 21
2.3.3. Description du vérin électrique LA36 ... 22
2.3.4. Principe de fonctionnement du vérin électrique linéaire LA36 24 2.3.5. Le programme du microcontrôleur ... 25
2.4. Le code du programme ... 26
2.5. Le dispositif mécanique ... 31
2.6. Le raccordement du vérin électrique ... 33
Conclusion partielle ... 35
CHAPITRE 3 : Dimensionnement du générateur photovoltaïque ... 36
Introduction partielle ... 37
3.1. Présentation de l’aérogare de Cotonou ... 37
3.2. Choix du système ... 38
3.3. Dimensionnement du système photovoltaïque ... 39
3.3.1. Estimation de la consommation journalière moyenne de ... 40
3.3.2. Calcul des caractéristiques des composants ... 40
3.3.3. Application numérique des formules ... 42
3.4. Choix des différents éléments par bloc de l’aérogare ... 50
3.5. Protection des générateurs solaires ... 52
3.6. La maintenance du système photovoltaïque ... 53
3.6.1. Objectif de la maintenance ... 53
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François viii
3.6.2. La maintenance des modules ... 54
3.6.3. La maintenance du régulateur solaire ... 54
3.6.4. La maintenance des accumulateurs solaires ... 55
3.6.5. La maintenance de l’onduleur ... 55
Conclusion partielle ... 56
CHAPITRE 4 : Etude du coût d’investissement ... 57
Introduction partielle ... 58
4.1. Inventaire des matériels ... 58
4.2. Les travaux ... 58
4.3. Evaluation des coûts d’études techniques ... 59
4.4. Elaboration du devis ... 59
4.5. Calcul du coût ... 59
4.6. Etude de la rentabilité ... 61
Conclusion partielle ... 62
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ... 63
BIBLIOGRAPHIE ... 65
ANNEXES ... 68
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François ix
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Schéma illustrant le système photovoltaïque Figure 1.2 : Régulation du fonctionnement de la batterie Figure 1.3 : Analyse spectrale du rayonnement solaire
Figure 1.4 : Intensité de l’ensoleillement reçu sur un plan horizontal et incliné pour le mois de février
Figure 1.5 : Géométrie schématique des rapports terre-soleil Figure 1.6 : La position du soleil observée d’après l’origine O Figure 2.1 : Câblage du vérin électrique linéaire
Figure 2.2 : Le vérin électrique linéaire LA36 Figure 2.3 : Brochage d'un ATMEGA168 Figure 2.4 : Convertisseur abaisseur 24V/5V Figure 2.5 : Convertisseur élévateur 5V/24V
Figure 2.6 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du vérin et de commande du microcontrôleur
Figure 2.7 : Circuit de commande démarrage deux sens Figure 2.8 : Circuit de puissance démarrage deux sens
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François x
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 3.1 : Caractéristique des composants par bloc du système PV du site de l’aérogare de Cotonou
Tableau 4.1 : Estimation du coût d’achat des composants
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François xi
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS
CEB : Communauté Electrique du Bénin
DAANB : Délégation aux Activités Aéronautiques Nationales du Bénin DC / CC : courant continu
DPMEER : Direction de la Production et des Mouvements de l’Energie et des Energies Renouvelables
PV : Photovoltaïque
SBEE : Société Béninoise d’Energie Electrique TCN: Transmission Company of Nigeria
VRA: Volta River Authority
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 1
INTRODUCTION
GENERALE
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 2 L’énergie électrique est aujourd’hui une source de vie et de développement technologique. A cet effet, la production de l’énergie électrique est nécessaire et cela se fait à travers diverses ressources.
La production à grande échelle se fait dans le monde mais, le Bénin ne dispose pas suffisamment de moyens financiers et de ressources naturelles pour produire l’énergie à grande échelle. Ainsi, le Bénin achète l’énergie à un coût non négligeable et se trouve presque totalement dépendant de ses fournisseurs que sont la VRA et la TCN.
Mais cette énergie est insuffisante pour couvrir les besoins du Bénin.
Parfois même, des raisons dépendant des fournisseurs font que le Bénin ne dispose pas d’énergie électrique à des périodes données. De ce fait, l’utilisation des groupes électrogènes de secours s’avère indispensable. Avec l’évolution de la technologie, il est préférable que chaque pays dispose de sa propre production électrique. Il faut alors exploiter les ressources à disposition. Nous avons plusieurs types de production d’énergie tels que l’énergie éolienne, la biomasse, le photovoltaïque, l’hydroélectricité.
Par ailleurs, pour faire face au déficit d’énergie électrique au Bénin, la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE) procède à des délestages programmés de certaines zones tout au long de la journée. Mais, dans les zones prioritaires telles que les industries, les hôpitaux, les aéroports, et les échanges internationaux, où on a besoin de l’énergie en permanence, il est dangereux de manquer d’énergie électrique, même si l’énergie de la SBEE n’est pas disponible. Face à cela, on doit trouver des moyens de production interne pour alimenter ces zones prioritaires. Ainsi, il est préférable de développer les énergies renouvelables, surtout pour des pays qui ne disposent pas de ressources hydroélectriques importantes. Notre choix s’est donc porté
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 3 sur l’énergie photovoltaïque puisqu’il a un avantage sur les autres types d’énergie car sa maintenance est plus facile. C’est ainsi que nous proposons, pour alimenter l’aérogare de Cotonou, l’utilisation de l’énergie solaire sous forme d’énergie solaire photovoltaïque.
En outre, le soleil étant la source directe de l’énergie photovoltaïque, et que le soleil est en permanent mouvement apparent autour de la terre, nous devons trouver des moyens pour capter au maximum les rayons solaires. Pour cela, nous avons porté notre choix sur le suiveur solaire. C’est en faisant une analyse dans ce sens que nous avons choisi de réfléchir sur le thème : «ETUDE ET CONCEPTION D’UN SUIVEUR SOLAIRE POUR ALIMENTER L’AEROGARE DE COTONOU EN ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE».
Notre travail est composé de quatre (04) chapitres dans lesquels nous avons développé les différents aspects du système photovoltaïque avec suiveur solaire.
Ainsi,
- le premier chapitre est consacré aux généralités sur le système photovoltaïque et sur le rayonnement solaire
- dans le deuxième chapitre, nous abordons l’étude du suiveur solaire
- le troisième chapitre est consacré au dimensionnement du système photovoltaïque pour alimenter l’aérogare de Cotonou
- le quatrième chapitre est consacré à l’étude du coût d’investissement pour la réalisation du projet.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 4
CHAPITRE 1
GENERALITES SUR LE
SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 5 Introduction partielle
Dans ce chapitre, nous allons exposer le fonctionnement du système photovoltaïque et ses composants. Nous présentons aussi quelques notions sur le rayonnement solaire, ce qu’il faut considérer pour dimensionner un système photovoltaïque.
1.1. L’énergie solaire
Le soleil émet des rayonnements vers la surface de la terre. Cette énergie est à l’origine de presque toutes les formes d’énergie produite sur terre. Cette énergie solaire est utilisée sous diverses formes selon les besoins de l’homme. C’est ainsi que les rayons solaires sont captés et utilisés par un dispositif approprié pour produire de l’électricité appelé système photovoltaïque. L’intensité du rayonnement solaire dépend des conditions météorologiques et de la position géographiques des capteurs [1].
1.2. L’effet photovoltaïque
L’énergie photovoltaïque est la transformation directe de la lumière en électricité. Elle utilise une photopile pour transformer directement l’énergie solaire en électricité.
On appelle facteur de forme FF (filling factor), le rapport entre la valeur maximale de la puissance pouvant être extraite (Im× Vm) de la photopile sous les conditions de mesures standardisées, et le produit Icc × Vco où:
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 6 - Icc = intensité de court-circuit
- Vco = tension de circuit ouvert
- Im = courant correspondant à la puissance maximale - Vm = tension correspondante à la puissance maximale
(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 Le schéma suivant montre le principe de fonctionnement du régulateur.
Figure 1.2 : Régulation du fonctionnement de la batterie
Les accumulateurs
La batterie sert à stocker l’énergie produite par le champ de 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
Régulation de charge
Batterie
Régulation de charge
Référence : Mesure tension
Référence : Mesure tension
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.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 17
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 courant continu. En ce qui concerne la tige, nous distinguons six câbles. Deux sont pour la fin de course sortie et la fin de course rentrée de tige. Ils sont raccordés aux capteurs de fin de course, ceux- ci envoient l’information à travers les câbles pour la coupure de l’alimentation du moteur lorsqu’on est en fin de course. Dans notre cas nous allons utiliser un vérin ne disposant pas de capteur de fin de course, ceci nous permettra de commander la marche et l’arrêt du moteur à partir du microcontrôleur. Deux autres câbles signalent la fin de course à travers un dispositif qui peut être un voyant, mais ceci est optionnel. Enfin nous avons le câble de la masse et le câble
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 25 d’alimentation de la partie tige pour le renvoi des signaux, ce dernier est également optionnel. A cet effet, nous allons utiliser pour notre système les câbles d’alimentation du moteur à courant continu, et commander ce moteur par le microcontrôleur.
2.3.5. Le programme du microcontrôleur
Pour le dispositif de rotation des supports nous avons opté pour celui dont les caractéristiques sont les suivantes. Lorsqu’on fait sortir la tige du vérin d’une longueur l, il décrit un arc de cercle de rayon R, de circonférence Dp :
- R = 100 mm : rayon du demi disque
- l = 26 mm : longueur de sortie de tige du vérin à chaque démarrage
- Dp = 314 mm : demi périmètre du demi disque (longueur totale de sortie de tige du vérin)
- θ = 15° : angle décrit à chaque sortie de tige du vérin - V = 52 mm/s : vitesse de course du vérin
- t = 500 ms : temps choisi pour chaque sortie de tige du vérin
Les microcontrôleurs d’ATMEL sont réalisés en technologie CMOS (nécessitant une alimentation unique de 5V) et se présentent sous la forme d’un circuit intégré à n broches en boîtier DPID ou en boîtier TQFP/MLF possédant :
une mémoire morte généralement de 1 à quelques dizaines de kBytes.
un processeur cadencé à des fréquences de quelques MHz ou dizaines de MHz
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 26
une mémoire vive généralement très limitée: de quelques centaines de Bytes
des circuits d'entrée-sortie numériques parfois analogique.
La figure ci-dessus montre le brochage d’un AVR ATEMGA168 d’ATMEL.
Figure 2.3 : Brochage d'un ATMEGA168
2.4. Le code du programme
Notre programme constituera juste à envoyer du signal (tension 5V) pour permettre la marche et l’arrêt du moteur du vérin électrique linéaire.
Algorithme
Début programme
Sorties : PD0, PD2 ; // Broches qui envoient la tension Tant que 1=1 ; Pour répéter infiniment
Répéter 9 fois :
{ PD0 <-- 1 ; // 1 représente la présence de tension
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 27
PD2 <-- 0; // 0 représente l’absence de tension Attendre 0,5 s ;
PD0 <-- 0;
PD2 <-- 0;
Attendre 59mn 59,5 s ;}
PD0 <-- 1;
PD2 <-- 0;
Attendre 0,5 s ; PD0 <-- 0;
PD2 <-- 0;
Attendre 1h59mn 59,5 s ; PD0 <-- 0;
PD2 <-- 1; // Pour retour des panneaux Attendre 5 s ;
PD0 <-- 0;
PD2 <-- 0;
Attendre 11h59mn 55 s ; // Repos des panneaux Durant la nuit Fin tant que
Fin programme
Code du programme
#include <avr/io.h>
#define F_CPU 20000000UL // Définition de l’horloge
// La fréquence du microcontrôleur est 20MHz
#include <avr/delay.h>
int main () {
DDRD = (1<<PD0)|(1<<PD2); // Déclaration des pattes PD0 et PD2 // broche D en sortie
while (1) {
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2); // Mise au niveau haut de la sortie PD0 // et au niveau bas de la sortie PD0
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 28 _delay_ms(500); //Attente de 500ms
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2); // Mise au niveau bas de la sortie PD0 // et de la sortie PD2
_delay_ms(3599500); // Attente de 3599500
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 29
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(3599500);
PORTD = (1<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(500);
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2);
_delay_ms(7199500); // Attente de 7199500 ms
PORTD = (0<<PD0)|(1<<PD2); // Mise au niveau haut de la sortie PD0 // et au niveau bas de la sortie PD2
_delay_ms(5000); // Attendre 5s
PORTD = (0<<PD0)|(0<<PD2); // Mise au niveau bas de la sortie PD0 // Et au niveau bas de la sortie PD2
_delay_ms(43195000); // Attente de 43195000 ms
} }
Vu le programme, il doit démarrer à 7h30mn.
Ainsi, nous avons utilisé le port D (les broches PD0 et PD2) en sortie pour envoyer la tension d’excitation des contacteurs qui vont permettre la marche et l’arrêt du moteur dans un sens ou dans l’autre.
Par ailleurs, la broche PD0 est utilisée pour faire tourner le moteur dans le sens positif (soit de l’Est vers l’Ouest) et la broche PD2 est utilisée pour le faire tourner dans l’autre sens. Et donc après une heure, le signal est envoyé pendant 0,5 seconde (500 ms) à travers la broche PD0, et est coupé pendant 3599500 ms (59mn59,5s), puis reprend jusqu’à faire 10 fois ce même mouvement afin de balayer les 150°, puis le signal est coupé pendant cette même durée. Et par suite
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 30 on envoi le signal sur la proche PD2 pour faire tourner le moteur dans le sens contraire. Ceci dure à présent 5 secondes (5.000 ms), puis reste au repos durant 43195000 ms (11h 59mn 55s). Et avec la boucle
‘’while‘’, le processus reprend chaque jour. Pour ce faire, nous avons alimenté le microcontrôleur en 5V à travers la broche Vcc.
Pour alimenter le circuit du microcontrôleur, nous disposons d’un convertisseur 24V/5V dont la source est le système photovoltaïque.
De même pour l’excitation des contacteurs, un convertisseur élévateur 5V/24V est disposé entre le microcontrôleur et les contacteurs.
Figure 2.4 : Convertisseur abaisseur 24V/5V U0 = 24V ; Us = 5V
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 31 Figure 2.5 : Convertisseur élévateur 5V/24V
U0 = 5V ; Us = 24V
2.5. Le dispositif mécanique
Le schéma du dispositif est présenté en annexe N°10
Le dispositif mécanique est constitué de quatre parties à savoir :
le mât vertical ;
le vérin électrique linéaire ;
le système rotatif ;
le support du module photovoltaïque.
Le mât vertical, mis au sol, supporte les trois autres éléments. Le vérin électrique linéaire est rattaché au mât. Le système rotatif est rattaché au support du module photovoltaïque. Le vérin et le système rotatif sont accrochés de sorte que le mouvement linéaire de la tige du vérin entraine le système rotatif dans un mouvement de rotation
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 32 faisant ainsi tourner le support du module. Le tout est rigide de sorte à résister aux efforts du vent, au mouvement de rotation parasite (non désiré) et aussi à prendre une position fixe.
Par ailleurs, pour limiter l’effet du vent sur les dispositifs, nous choisissons un mât d’une hauteur de deux mètres.
Les panneaux choisis ont une masse de 12,5kg. Nous avons choisi des supports pouvant supporter 10 panneaux et ce bloc de 10 panneaux sera entrainé par un vérin. Nous pouvons définir la masse des 10 panneaux et le masse totale qu’un vérin doit entrainer comme suit :
La masse des dix panneaux est : M10 = 12,5 x 10 = 125 kg
La masse des supports est : Ms = 75kg
La masse totale est : Mt = 200kg
Ainsi la force que le vérin doit déployer est : F = Mt x g (masse x force de pesanteur) F = 200 x 10 = 2000 N
Le vérin choisi peut effectuer un effort de traction pouvant aller à 10 000 N. Sa vitesse peut aller jusqu’à 68 mm/s selon la charge.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 33 L’alimentation du vérin (24V) vient du générateur photovoltaïque.
Le nombre total de module étant 7642, et comme nous regroupons les modules par blocs de 10, nous avons 765 suiveurs à installer.
2.6. Le raccordement du vérin électrique
L’alimentation du vérin électrique vient du générateur photovoltaïque. Deux contacteurs sont utilisés pour faire tourner le moteur du vérin dans un sens ou dans l’autre. Ces deux contacteurs sont disposés entre le générateur PV et le vérin. Lorsque l’un des contacteurs est excité, il ferme le circuit d’alimentation du vérin. Cette excitation est commandée par le microcontrôleur qui est bien programmé.
Figure 2.6 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du vérin et de commande du microcontrôleur
Générateur PV
KM1 (Direct)
Microcontrôleur
KM2 (Inverseur
)
Vérin Electrique
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 34 Figure 2.7 : Circuit de commande démarrage deux sens
Figure 2.8 : Circuit de puissance démarrage deux sens
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 35 Conclusion partielle
Nous avons procédé dans ce chapitre à l’étude du suiveur solaire.
Ainsi nous avons fait le choix du suiveur à un axe compte tenu de la situation géographique du Bénin. La solution adoptée est le vérin électrique linéaire LA36 comme dispositif actionneur et nous nous sommes basés sur la statistique pour définir le fonctionnement de notre suiveur. Ainsi, nous pouvons gagner environ 30% d’énergie de plus que si on utilisait un système PV fixe.
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 36
CHAPITRE 3
DIMENSIONNEMENT DU GENERATEUR SOLAIRE
PHOTOVOLTAÏQUE
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 37 Introduction partielle
Dans ce chapitre, nous faisons le dimensionnement du générateur solaire photovoltaïque pour alimenter l’aérogare. Pour cela, nous faisons le bilan énergétique de l’aérogare afin de connaitre le champ photovoltaïque à installer ainsi que la capacité de stockage à utiliser.
3.1. Présentation de l’aérogare de Cotonou
Historique
L’aéroport de Cotonou, situé à 5 Km du centre de la ville de Cotonou, a été créé en 1933 par la France pour un usage militaire.
Il fait partir d’un groupe d’aérodrome construit sur toute l’étendue de l’Afrique Occidentale Française (AOF) pour faciliter les missions militaires et administratives à l’intérieur des colonies. De la bande de terre qu’était cet aéroport à l’ouverture du service du transport passager, l’aéroport de Cotonou s’est progressivement modernisé pour prendre l’envergure d’un aéroport international avec un trafic de plus de 330.000 passagers par an.
L’aérogare couvre une superficie de plus de 3500 m2. Il est constitué d’un hall arrivée entièrement rénové et climatisé et doté d’un
« Salon Plus » pour l’accueil des grandes personnalités, d’un bloc public à l’arrivée, d’une zone commerciale de vente hors taxe, d’un hall d’enregistrement, de deux (02) salles d’embarquement d’une capacité totale de 300 passagers, un nouveau hall départ en construction.
En sortant de l’aérogare du coté ville, on trouve un parking auto payant d’une capacité de 200 places, une « consigne bagage » à
Mémoire d’ingénieur de conception / KOUMAKO François 38 droite, des toilettes publiques, un bloc administratif de l’ASECNA.
Aujourd’hui, avec les aménagements en cours, l’Aéroport International de Cotonou peut traiter 500.000 passagers par an en attendant la réalisation du projet de son transfert sur le site de Glodjigbé (à 35 Km) de Cotonou.
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 Le hall départ
La DAANB-Compagnies Le parking auto
En outre, après notre étude, nous avons remarqué que certains équipements comme les tapis roulants (moteur), les brasseurs et les 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
