Contribution à la réduction du déficit énergétique au Bénin par injection de l’énergie photovoltaïque sur le réseau électrique de la SBEE de l’arrondissement d’Abomey-Calavi

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UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

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DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

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Option : Energie-Electrique

POUR L’OBTENTION DU

DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

Réalisé par : SOUDE G. Cherif B.

Sous la direction de :

Maître de mémoire : Tuteur de stage :

Dr. HOUNDEDAKO S. Vincent Ing. SOUDE Fortuné Présenté et soutenu le 21-03-2014 devant le jury composé de :

Dr. BADAROU Ramanou, Enseignant à l’EPAC : Président Dr. HOUNDEDAKO S. Vincent, Enseignant à l’EPAC Dr. FIFATIN François-Xavier, Enseignant à l’EPAC Ing. SOUDE Fortuné, Chef service de la DPME

THEME

Contribution à la réduction du déficit énergétique au Bénin par injection de l’énergie photovoltaïque sur le réseau électrique de la SBEE de

l’arrondissement d’Abomey-Calavi

Année Académique : 2012-2013 6^ème Promotion

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Dédicaces

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. i

DEDICACES

Je dédie ce modeste travail à :

Vous mes très chers parents Zacharie K. SOUDE et Assana Zacharie K. SOUDE et Assana Zacharie K. SOUDE et Assana Zacharie K. SOUDE et Assana CHABI CHABI CHABI----LAKOU CHABI LAKOU LAKOU LAKOU épse SOUDE

SOUDE SOUDE

SOUDE, pour vos sacrifices, vous qui n’avez jamais cessé de m’encourager, me soutenir, puisse Dieu vous protéger

Vous mes très chers frères et sœurs

Gilmore C. SOUDE

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Remerciements

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. ii

REMERCIEMENTS

Aucun travail ne s’accomplit dans la solitude. Aussi, ai-je voulu au terme de cet humble travail adresser mes sincères remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, consciemment ou sans le savoir, y ont contribué sous quelque forme que ce soit. Ces remerciements vont notamment à l’endroit de :

− Pr. Félicien AVLESSI, Directeur de l’EPAC ;

− Pr. Clément BONOU, Directeur Adjoint de l’EPAC ;

− Dr. François-Xavier FIFATIN, Chef du Département Génie-Electrique ;

− Dr. Théophile HOUNGAN, enseignant à l’EPAC ;

− Dr. Vincent S. HOUNDEDAKO, enseignant à l’EPAC ;

− Dr. Ramanou BADAROU, enseignant à l’EPAC ;

− Dr. Robert HANGNILO, enseignant à l’EPAC ;

− Dr. Basile DEGBO, enseignant à l’EPAC ;

− Dr. Luc NASSARA, enseignant à l’EPAC ;

− Dr. Marius HOUNKPATIN, Directeur de la SBEE ;

− Ing. Saturnin YEDONOU, Directeur de la DPME ;

− Ing. Fortuné SOUDE, chef service de la DPME, tuteur de stage ;

− Ing. René SOTOME, agent à la DPME ;

− Ing. Wilfried ADJAMASSOUHON, agent à la DPME ;

− Ing. Arouna OLOULADE, Chef Département Formation SBEE ;

− M. Stéphano YEKPON, technicien à la DPME ;

− M. Eric HOUENOUDE, technicien à la DPME ;

− M. Félix SOVIDE, technicien à la DPME.

Gilmore C. SOUDE

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Acronyme et Abréviations

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. iii

ACRONYMES ET ABREVIATIONS

AC………...………...Courant Alternatif BT………...………..Basse Tension CEB………..Communauté Electrique du Bénin DC………...…..Courant Continu DPME………..…Direction de Production et des Mouvements d’Energie G………...………....Eclairement HTA………...………..Haute Tension catégorie A HTB……….………Haute Tension catégorie B Imp………...…Courant au point de puissance maximale MPPT………...Maximal Power Point Tracking PLL…………...………...Phase Locked Loop PPM……….Point de Puissance Maximale PV………….………..……….Photovoltaïque SBEE………...……….Société Béninoise d’Energie Electrique T………..……Température TRI……….………Temps de retour sur investissement Vmp………...Tension au point de puissance maximale Wc………….………..……….………Wattcrête

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Liste des figures

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. iv

LISTE DES FIGURES Figure 1: Schéma synoptique du poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta ... 9

Figure 2: Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique ... 16

Figure 3: Circuit équivalent d’une cellule PV ... 16

Figure 4: Constitution du générateur PV ... 20

Figure 5: Schéma de protection du générateur PV ... 20

Figure 6 : Allures de la tension et du courant de sortie de l’onduleur ... 23

Figure 7 : Configuration du réseau et le point de connexion à la centrale PV. .. 40

Figure 8: Modèle global de la centrale PV connectée au réseau sous Matlab/Simulink ... 42

Figure 9: Caractéristique I_pv = f (Vpv) à éclairement variable sous PV/SYST. .. 45

Figure 10: Caractéristique Ipv = f (Vpv) à température variable sous PV/SYST. 45 Figure 11: Système de commande de l’onduleur sous Matlab/Simulink ... 46

Figure 12: Caractéristiques des tensions (Vab, Vbc, Vca) injectées au réseau et des tensions aux bornes du réseau (Vr12, Vr23, Vr31) en régime établi... 48

Figure 13: Caractéristiques des courants et des puissances active et réactive injectés au résau. ... 48

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Liste des tableaux

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. v

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Données météorologiques mensuelles (années 1990-2012) ... 26

Tableau 2: Caractéristiques du module PV ... 27

Tableau 3 : Configuration des champ PV avec la puissance générée ... 29

Tableau 4 : Caractéristiques du condensateur ... 31

Tableau 5 : Caractéristiques de l’onduleur... 32

Tableau 6 : Caractéristiques de l’inductance du filtre ... 33

Tableau 7 : Caractéristiques du condensateur du filtre ... 34

Tableau 8 : Capacité des batteries de stockage des champs PV ... 35

Tableau 9 : Caractéristiques de la batterie de stockage ... 35

Tableau 10 : Caractéristiques du régulateur solaire ... 37

Tableau 11: Caractéristiques du transformateur et du disjoncteur HTA ... 37

Tableau 12 : Caractéristiques du transformateur de tension ... 38

Tableau 13: Devis estimatif du coût du projet ... 51

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Résumé / Abstract

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. vi

RESUME

Le travail effectué dans ce mémoire met en évidence une application décentralisée de l’énergie solaire photovoltaïque au réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey-Calavi en vue de contribuer à la réduction du déficit énergétique sur ce dernier. En effet, la puissance maximale fournie à l’ensemble des départs qui alimentent ce réseau est à hauteur de 10 MW alors que sa demande en puissance atteint déjà 11 MW. Cette situation entraîne pour le réseau, un déficit énergétique à hauteur de 1 MW qui est susceptible d’augmenter avec le temps. C’est ainsi que nous avons dimensionné et simulé une centrale photovoltaïque de 3 MW couplée à ce dernier. Pour finir, nous avons évalué le coût estimatif du projet qui s’élève à 9 milliards de FCFA.

Mots clés : déficit énergétique, centrale photovoltaïque décentralisée, dimensionnement, couplage, réseau électrique.

ABSTRACT

The work in this paper shows a decentralized application of solar PV on electrical network to Abomey-Calavi borough to help reduce the energy deficit on it. Indeed, maximum power available on the train that feeds is up to 10 MW while its demand in power of subscribers connected on it network attains already 11 MW. This leads to the network, an energy deficit of up to 1 MW is likely to increase over time. Thus we dimensioned and simulated a 3 MW photovoltaic system coupled to the network. Finally, we evaluated the estimated project cost is 9 billion FCFA.

Keywords: energy deficit, decentralized photovoltaic station, dimensioning, coupling, electrical network.

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Table des Matières

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. vii

TABLE DES MATIERES Dédicaces ... i

Remerciements ... ii

Acronymes et abréviations ... iii

Liste des figures ... iv

Liste des tableaux ... v

Résumé ... vi

Abstract ... vi

Introduction génerale ... 1

Chapitre I : Présentation du cadre de stage ... 3

1.1. Présentation de la Société Béninoise d’Energie Electrique ... 4

1.1.1. Activités ... 4

1.1.2. Organigramme de la SBEE ... 4

1.2. Présentation de la DPME ... 5

1.2.1. Situation géographique ... 5

1.2.2. Missions et attributions ... 5

1.2.3. Organisation ... 6

1.2.3.1. Le Service des Unités de Production de l’Energie Electrique ... 6

1.2.3.2. Le Service Transport ... 6

1.2.3.3. Le Service Mouvements d’Energie ... 7

Chapitre II : Etude descriptive du réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey-Calavi et présentation du projet ... 8

2.1. Introduction ... 9

2.2. Configuration du réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ... 9

2.3. Présentation du projet ... 10

2.3.1. Problématique ... 10

2.4.2. Objectifs ... 12

2.4.3. Cahier des charges ... 12

2.4.4. Méthodologie ... 12

(9)

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. viii

2.4.5. Documentations et logiciels ... 12

2.4.6. Résultats attendus ... 13

2.4.7. Indicateurs... 13

2.5. Conclusion ... 13

Chapitre III : Généralités sur la production d’électricité par le solaire PV et étude du raccordement des centrales solaires PV au réseau électrique conventionnel ... 14

3.2. Production solaire photovoltaïque ... 15

3.2.1. La cellule photovoltaïque ... 15

3.2.2. Principe de fonctionnement ... 15

3.2.3. Propriétés électriques des cellules PV ... 16

3.2.4. Paramètres électriques d’une cellule PV ... 18

3.3. Le générateur photovoltaïque ... 19

3.3.1. Protection classique du générateur PV ... 20

3.3.2. Influence de l’éclairement et de la température ... 21

3.3.3. Influence de l’orientation, de l’inclinaison et de l’ombrage ... 21

3.4. Généralités sur le raccoedement des centrales PV au réseau ... 22

3.4. 1. L’onduleur et le filtre LC………..22

3.4.2. Les batteries solaires………...23

3.4.3. Le régulateur solaire………...23

3.4.4. Les avantages et inconvénients d’une installation PV ... 23

3.4.5. Impacts du raccordement des centrales PV au réseau HTA…………...24

Chapitre IV : Dimensionnement et choix des composants de la centrale PV connectée au réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ... 25

4.2. Données météorologiques d’Abomey-Calavi ... 26

4.3. Dimensionnement du champ PV ... 26

4.4. Dimensionnement et choix du condensateur à l’entrée de l’onduleur ... 30

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Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. ix

4.5. Choix de l’onduleur solaire ... 31

4.6. Dimensionnement et choix des composants du filtre LC ... 32

4.7. Dimensionnement et choix des batteries de stockage ... 34

4.9. Choix du transformateur et du disjoncteur HTA ... 37

4.10. Choix du relais de couplage et du transformateur de tension ... 38

4.11. Choix du relais de découplage et du transformateur de tension ... 38

4.12. Point de connexion de la centrale PV au réseau ... 39

Chapitre V : Modélisation et simulation de la centrale PV connectée au réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ... 41

5.2. Modélisation de la centrale PV Connectée au réseau ... 42

5.2.1. Description du modèle global de la centrale PV et du réseau ... 43

5.3. Simulation du module PV sous PV/SYST... 44

5.4. Simulation de la centrale PV connectée au réseau ... 46

5.4.1. Synchronisation de l’onduleur au réseau ... 46

5.4.2. Système de commande de l’onduleur ... 46

5.4.3. Résultats de simulation ... 47

Chapitre VI : Evaluation financière et observations générales ... 50

6.2. Elaboration du devis du projet ... 51

6.3. Rentabilité du projet ... 52

6.4. Observations générales ... 53

Conclusion génerale ... 54

Références bibliographiques ... 55

Annexes ... 56

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Introduction générale

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé. 1

INTRODUCTION GENERALE

Dans le monde en général et au Bénin en particulier, la demande en énergie électrique ne cesse de croître, notamment à cause de l’évolution démographique et du développement de certaines zones géographiques. Pour satisfaire à cette demande, le Bénin a jusqu’à présent fait recours à l’importation de l’électricité (soit 98%) et à l’installation de quelques centrales thermiques qui ne servent notamment qu’aux heures de pointe. C’est ainsi que depuis un certain nombre d’années, il est plongé dans une crise énergétique importante marquée par le délestage. Cette situation ne peut perdurer car son développement économique en dépend.

Dans ce contexte, notre contribution de faire face à cette crise énergétique est de faire recours à la production décentralisée d’origine renouvelable. Notons qu’il existe plusieurs types d’énergies renouvelables au nombre desquels on peut citer : l’éolienne, le solaire photovoltaïque, la biomasse, l’hydraulique, la géothermie mais dans la présente étude, le solaire photovoltaïque est priorisé à cause du potentiel solaire du Bénin, en plus de cela, il n’est pas source de pollutions. Il sera donc question de procéder au couplage des centrales solaires photovoltaïques au réseau de la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE).

Ainsi, pour cette étude nous avons porté notre choix sur le réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi. Ce choix qui se justifie par le déficit énergétique marqué par le délestage et la disponibilité de l’espace. C’est dans le but d’apporter notre contribution à la résolution de la crise énergétique sur ce réseau que notre projet de fin de formation est intitulé « Contribution à la réduction du déficit énergétique au Bénin par injection de l’énergie photovoltaïque sur le réseau électrique de la SBEE de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ».

Vu la consistance de ce projet, le plan de travail est organisé autour de six chapitres :

le premier chapitre présente le cadre de stage ;

(12)

Introduction générale

le deuxième chapitre est consacré à l’étude descriptive du réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey-Calavi et à la présentation du projet ;

le troisième chapitre est axé sur les généralités sur de la production d’électricité par le solaire photovoltaïque et l’étude du raccordement des centrales photovoltaïques au réseau électrique conventionnel ;

le quatrième chapitre fait le point sur le dimensionnement et le choix des composants de la centrale photovoltaïque connectée au réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ;

le cinquième chapitre traite de la modélisation et de la simulation de la centrale photovoltaïque connectée au réseau de l’arrondissement d’Abomey- Calavi ;

le sixième et dernier chapitre est réservé à l’évaluation financière du projet et aux observations de façon générale.

(13)

Chapitre I :

Présentation du cadre de stage

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Présentation du cadre de stage

1.1. Présentation de la Société Béninoise d’Energie Electrique 1.1.1. Activités

La Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE) s’occupe de la distribution de l’énergie électrique sur toute l’étendue du territoire national. Elle importe de l’énergie auprès des pays voisins par le biais de la Communauté Electrique du Bénin (CEB) qui s’occupe du transport d’électricité au Bénin et au Togo. L’unité de production de la CEB au Bénin est la centrale thermique de Maria Gléta d’une puissance de 20 MW. Il s’agit d’une turbine à Gaz qui était installée à Vêdoko en urgence pour faire face à la crise énergétique qu’a connue le Bénin en 1998. A cela, il faut ajouter une turbine à gaz (propriété de l’Etat Béninois) de 80 MW installée sur le site de Maria Gléta dont 20 MW sont actuellement mis en service. Elle fonctionne aux heures de pointe et injecte sa puissance directement sur le jeu de barre 161 kV [1].

L’énergie électrique une fois produite ou importée est distribuée et vendue à la clientèle. La SBEE a l’obligation de satisfaire aux exigences de cette dernière que sont : la continuité de la fourniture d’électricité, la bonne qualité de l’énergie distribuée et l’acquisition de l’énergie à moindre coût. Ces exigences constituent à tout moment des défis à relever par la société. Face à ces exigences, les perspectives de la SBEE pour l’avenir sont entre autres :

- la construction d’un barrage hydroélectrique à Adjaralala par la CEB et qui sera profitable pour la SBEE ;

- la construction d’un barrage hydroélectrique à Kétou-Dogo ; - l’installation d’une centrale thermique par DANGOTE ; - l’installation d’une centrale thermique par les iraniens ;

- la réparation de la centrale thermique de 30 MW de Akpakpa (Cotonou).

1.1.2. Organigramme de la SBEE

La SBEE regroupe en son sein de nombreux services qui sont tous rattachés à la Direction Générale (voir organigramme à l’annexe 1).

(15)

Dans la suite de ce chapitre, nous avons présenté la Direction de la Production et des Mouvements d’Energie (DPME). En effet, la DPME est la structure de la SBEE au sein de laquelle nous avons effectué nos six mois de stage de fin de formation.

1.2. Présentation de la DPME 1.2.1. Situation géographique

La DPME est située au PK 3,5 sur la route de Porto-Novo. Elle est limitée au nord par la voie inter-état Cotonou / Porto-Novo, au sud par la voie pavée qui passe devant le Ministère de la Santé, à l’est par la Direction des Travaux Publics et à l’ouest par l’Office National du Bois.

1.2.2. Missions et attributions

La DPME a pour mission d’assurer la production, le transport et la distribution de l’énergie électrique en vue de la rendre disponible au niveau des exploitations en quantité, en qualité et de veiller à la maintenance des ouvrages de production, de transport et de distribution. Cette mission repose sur les attributions ci-après [2] :

la définition, la vulgarisation et la mise à jour des méthodes et procédures de maintenance des équipements de production, de transport et de distribution de l’énergie électrique ;

l’exploitation et le suivi des ouvrages de production, de transport et de distribution de l’énergie électrique (centrales, sous-stations HTB/HTA, liaisons HTB) sur toute l’étendue du territoire national ;

le suivi et la planification des différentes sortes de révisions à effectuer sur les moyens de production de la société ;

l’élaboration du plan d’action de production, de transport et de distribution de l’énergie électrique ;

(16)

la gestion des mouvements d’énergie par la téléconduite et par les équipes de quart.

1.2.3. Organisation

La DPME est assistée de trois conseillers. L’un est chargé de la production, le deuxième est chargé du transport et de la distribution de l’énergie électrique et le troisième est chargé de la téléconduite. La DPME est composée de trois (03) services à savoir [2] :

le Service des Unités de Production de l’Energie Electrique (SUPEE) ; le Service Transport (ST) ;

le Service Mouvements d’Energie (SME).

1.2.3.1. Le Service des Unités de Production de l’Energie Electrique

Ce Service est composé de la section « Maintenance Electrique » et de la section « Maintenance Mécanique ». Il est chargé de [2] :

assurer la bonne exploitation des ouvrages de production de l’énergie électrique de la centrale de Cotonou ;

veiller au bon fonctionnement des équipements de production installés dans les Directions Régionales ;

assurer la mise en œuvre de la Gestion de la Maintenance Assistée par Ordinateur (GMAO).

1.2.3.2. Le Service Transport

Ce Service est composé de la Section « Lignes » et de la Section « Postes ».

Il est chargé de [2] :

réaliser les études et exécuter les travaux neufs de construction de postes et de réseaux électriques HTA et HTB ;

appuyer techniquement les exploitations dans la réalisation des travaux de construction des postes et des réseaux électriques ;

(17)

assurer la maintenance des réseaux HTB.

1.2.3.3. Le Service Mouvements d’Energie

Ce Service est composé de la section « Maintenance des Postes Sources et de Répartition » et de la section « Téléconduite, Contrôle-Commande et Statistiques ». Il est chargé de [2] :

assurer la mise en œuvre de la GMAO ;

gérer et maintenir en état de bon fonctionnement les sous-stations HTB/HTA, les postes sources et les postes de répartition ;

élaborer et actualiser les procédures pour la sécurisation du réseau, du personnel et du public ;

1.2.4. Organigramme de la DPME

La DPME regroupe en son sein, de nombreux services qui lui sont tous rattachés (voir organigramme à l’annexe 2).

(18)

Chapitre II :

Etude descriptive du réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey- Calavi et présentation du projet

(19)

Etude descriptive du réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey-Calavi et présentation du projet

Mémoire d’Ingénieur de Conception en GE/EE réalisé par SOUDE Gilmore Cherif Babatoundé 9

2.1. Introduction

Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les centres de consommation de l'énergie électrique.

2.2. Configuration du réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi

Ce réseau est alimenté en moyenne tension (HTA) et en basse tension (BT).

La tension en HTA est égale à 15 kV, la tension simple en BT est égale à 220 V et celle composée est égale à 380 V. Le réseau HTA ainsi que le réseau BT sont tous aériens et sont alimentés par le poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta. Ce poste dispose d’une seule rame qui comprend trois départs. Il s’agit des départs : CALAVI, IITA et TOGBA. Les départs disposent d’un système de protection identique. Ils sont protégés par des relais numériques, des disjoncteurs, des systèmes de mise à la terre etc. L’ensemble des protections assurent la sécurité des phases contre les surintensités et les défauts. Le schéma synoptique du poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta est présenté à la figure 1.

Figure 1: Schéma synoptique du poste de répartition de la SBEE installé à Maria-Gléta

(20)

2.3. Présentation du projet 2.3.1. Problématique

L’énergie électrique est un facteur essentiel pour le développement et l’évolution de la société tant sur le plan de l’amélioration des conditions de vie que sur le développement des activités industrielles. Elle est devenue une forme d’énergie indispensable et/ou incontournable par sa souplesse d’utilisation et par la multiplicité des domaines d’activités où elle est appelée à jouer un rôle déterminant. Force est de constater que malgré son importance capitale dans tout processus de développement économique, le Bénin demeure toujours dans la dépendance énergétique, ce qui se justifie par plusieurs raisons. En effet, le Bénin importe plus de 98% de l’énergie totale consommée auprès des pays voisins (le Nigéria, le Ghana et la côte d’Ivoire) par le biais de la Communauté Electrique du Bénin (CEB) et le reste est produit par les centrales thermiques de la Société Béninoise d’Energie Electrique (SBEE) en cas de besoin pour combler le déficit énergétique. Pour l’année 2013, l’importation de l’électricité pour le compte de la Compagnie d’Energie Electrique du Togo (CEET) et de la SBEE par laCEB se présente comme suit :

− 30 MW de la VRA (Volta River Autority) au Ghana ;

− 30 MW de Contour Global au Togo ;

− 20 MW de la Turbine à Gaz au Bénin ;

− 200 MW de la TCN (Transmission Company of Nigeria) ;

− 20 MW de la Turbine à Gaz au Togo ;

− 50 MW du Barrage hydroélectrique de Nangbéto au Togo ;

− 15 MW de la Compagnie Ivoirienne d’Electricité (CIE).

Il ressort des chiffres présentés ci-dessus que la puissance totale disponible par la CEB est de 365 MW. Après déduction de 38 MW de cette puissance fournie aux industriels, 173,31 MW (soit 53 %) du reste est fournie au Bénin et 153,69 MW (soit 47 %) au Togo alors que la demande en puissance du Bénin atteint déjà 200 MW. Aussi, faut-il noter que cette puissance fournie au Bénin

(21)

n’est pas fixe, elle varie à la baisse avec le temps. Cette situation entraîne pour le Bénin, un problème de déficit énergétique à hauteur de 27 MW [1]. Face à cette situation de crise énergétique, les efforts déployés par le Gouvernement Béninois ainsi que ses perspectives sont surtout axés sur la prolifération des centrales thermiques car elles constituent une réponse rapide à la crise énergétique et nécessitent moins d’investissement que les barrages hydroélectriques. Certes, la construction des barrages hydroélectriques est mise en projet mais le problème de déficit en eau à grand débit se pose.

Considérant que les centrales thermiques sont sources de pollutions, voire sujettes aux taxes carbones et sont dans un futur proche menacées d’arrêt de fonctionnement à cause de l’épuisement des ressources fossiles, notre contribution de faire face à la crise énergétique au Bénin est de faire recours à la production décentralisée d’origine renouvelable en l’occurrence le solaire photovoltaïque compte tenu du potentiel solaire du Bénin et du fait qu’il n’est pas source de pollutions. Cette contribution se traduit par le couplage des centrales solaires au réseau de la SBEE afin de réduire un temps soit peu le déficit énergétique. Pour atteindre les objectifs ainsi visés en matière de décentralisation des centrales solaires pour aboutir à la réduction du déficit énergétique, nous avons porté notre choix sur le réseau électrique de l’arrondissement d’Abomey-Calavi car le critère relatif à la disponibilité de l’espace s’impose. En effet, la puissance maximale fournie par la rame aux trois départs qui alimentent ce réseau est à hauteur de 10 MW alors que sa demande en puissance atteint déjà 11 MW, il en résulte un déficit énergétique à hauteur de 1 MW [3]. C’est dans le but d’apporter notre contribution à la résolution de la crise énergétique sur ce réseau que notre projet de fin de formation est intitulé « Contribution à la réduction du déficit énergétique au Bénin par injection de l’énergie photovoltaïque sur le réseau électrique de la SBEE de l’arrondissement d’Abomey-Calavi ».

(22)

2.4.2. Objectifs

− Dimensionner la centrale photovoltaïque en passant par le choix des composants.

− Raccorder de la centrale photovoltaïque au réseau.

2.4.3. Cahier des charges

Le déficit énergétique sur le réseau est à hauteur de 1 MW. Le taux de croissance de la demande en puissance sur une durée de trois ans est de 10 % [3]. En se référant à ce taux de croissance tout en considérant qu’il varie avec le temps, nous avons évalué jusqu’à quel moment la puissance à produire par la centrale solaire va résoudre le problème posé. Il ressort de nos calculs et estimations que pour une durée de 8 ans au moins, il nous nous faut produire 3 MW. Outre la puissance à produire, elle doit être dotée des batteries de stockage afin d’assurer la continuité énergétique dans les périodes de faible insolation, la nuit en particulier.

2.4.4. Méthodologie

− Recherches bibliographiques.

− Evaluation du déficit énergétique de la SBEE en général et de l’arrondissement d’Abomey-Calavi en particulier.

− Etude de la connexion et/ou couplage des centrales photovoltaïques au réseau électrique.

− Dimensionnement et simulation.

− Evaluation financière du projet.

2.4.5. Documentations et logiciels

− Rapports techniques de la SBEE.

− Mémoires et publications.

− Recherches sur internet.

− Les logiciels PV/SYST et Matlab/Simulink.

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2.4.6. Résultats attendus

− Réduction du déficit énergétique.

− Temps de délestage négligeable.

2.4.7. Indicateurs

− Continuité dans la fourniture de l’énergie électrique à l’arrondissement d’Abomey-Calavi.

− Amélioration de la qualité de l’énergie électrique.

2.5. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié la configuration générale du réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi, nous avons aussi mis en évidence le problème de déficit énergétique au Bénin en général et sur le réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi en particulier. Par ailleurs, nous avons évalué le déficit énergétique sur le réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi et établi un cahier de charges qui sera pris en compte pour le dimensionnement de la centrale photovoltaïque à connecter au réseau.

(24)

Chapitre III :

Généralités sur la production d’électricité par le solaire PV et étude du raccordement des centrales solaires PV au réseau électrique conventionnel

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Généralités sur la production d’électricité par le solaire PV et étude du raccordement des centrales solaires PV au réseau électrique conventionnel

3.1. Introduction

L’épuisement des ressources fossiles et la cherté du prix du pétrole a conduit l’homme à s’intéresser à des sources d’énergies renouvelables au premier rang desquelles se trouve l’énergie solaire. En effet, la priorité est donnée à l’énergie solaire car en plus d’être inépuisable, elle n’est pas source de pollutions comme c’est le cas des énergies fossiles.

3.2. Production solaire photovoltaïque 3.2.1. La cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque (PV) est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement solaire et celles des semi-conducteurs.

3.2.2. Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement des cellules PV est basé sur l’effet photovoltaïque. L’effet PV, découvert en 1839 par le français Alexandre Edmond Becquerel, permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit d’électrons, dites respectivement dopée de type N et dopée de type P. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau N diffusent dans le matériau P.

La zone initialement dopée N devient chargée positivement et la zone initialement dopée P devient chargée négativement. Il se crée entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P. Il en résulte la formation d’une jonction PN. La figure 2 présente le principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique [4].

(26)

Figure 2: Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique 3.2.3. Propriétés électriques des cellules PV

Le schéma du circuit équivalent d’une cellule PV est donné à la figure 3.

Figure 3: Circuit équivalent d’une cellule PV

Comme le montre la figure 3, une cellule PV comporte en réalité une résistance série (Rs) et une résistance parallèle (Rp). Ces résistances influent sur la caractéristique courant-tension de la cellule PV [4].

A partir de la figure 3, la loi des nœuds nous permet d’écrire la relation suivante :

IL = ID + IR + I (3.1)

Le courant de jonction Id est donné par la relation:

ID = I0e^. 1 [4] (3.2)

(27)

Le courant dans la résistance Rp est donné par la relation:

IR = ^.

(3.3)

A partir de l’équation (3.1), on obtient l’expression du courant I :

I = IL−ID − IR (3.4)

Remplaçons dans (3.4) les équations (3.2) et (3.3), l’équation caractéristique devient :

I = IL−I0e^. − 1 − ^. (3.5)

Le photo-courant IL de la cellule est donné par la relation :

IL = Icc. ( ) [4] (3.6)

I : le courant fourni par la cellule [A]

V : la tension fournie par la cellule [V]

I0 : courant de saturation de la jonction [A]

K : constante de Boltzman (1,381.10^-23J/K) T : température de la cellule en Kelvin G : l’éclairement [W/m²]

q : la charge d’électron e =1,6.10^-19Coulomb Icc : courant de court-circuit [A]

Rp : la résistance parallèle de la cellule [Ω] Rs : la résistance série de la cellule [Ω]

n : le « facteur de qualité » de la diode, il prend une valeur entre 1 et 2

Si l'on suppose que la résistance parallèle est infinie (Rp = ∞), l’équation (3.5) devient :

(28)

I = IL−I0e^. − 1 ^(3.7)

3.2.4. Paramètres électriques d’une cellule PV

• Courant de court-circuit

C’est le courant pour lequel la tension aux bornes de la cellule est nulle.

Dans le cas idéal (Rs = 0 et Rp = ∞), ce courant se confond avec le photo-courant IL. Dans le cas contraire, en annulant la tension V dans l’équation 3.5 on obtient :

Icc = IL−I0e^. − 1 − ^. (3.8) Pour la plupart des cellules PV (dont la résistance série est faible), on peut négliger le terme :

I0e^. − 1^{devant I}^L, l’expression approchée du courant de court- circuit est alors :

Icc ≈ ₍

!) (3.9)

• Tension de circuit ouvert

La tension de circuit ouvert (Vco) est la tension pour laquelle le courant débité par la cellule PV est nul.

Vco = Rp.IL−Rp.I0e^% − 1 (3.10) Dans le cas idéal (Rp = ∞), on a :

_&

_! = IL−I0e^% − 1 ⟹^V^co≈ ^()* .ln_% + 1 (3.11)

(29)

• Puissance maximale

La puissance des modules PV s’exprime en Watt-crête ; celle maximale représente le produit de la tension (Vmp) et du courant (Imp) au point de puissance maximale. Dans le cas idéal (Rs = 0 et Rp = ∞) on a :

Vmp×e^, ^-! = ^(.* ×

& [4] (3.12) Imp = Icc − Io×e^, ^-! [4] (3.13)

• Rendement

Le rendement (η ) des cellules PV désigne le rendement de conversion en puissance. Il est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance lumineuse incidente (Pin). La puissance lumineuse incidente est égale au produit de l’éclairement par la surface totale des cellules PV.

η = ⁰₀^-

1 (3.14) 3.3. Le générateur photovoltaïque

Les modules PV sont les éléments de base de tout système PV. Ils peuvent être branchés en série pour augmenter leur tension d’utilisation et en parallèle pour augmenter leur courant. Plusieurs modules sont regroupés ensemble pour former le générateur PV. La constitution du générateur PV est illustrée à la figure 4.

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Figure 4: Constitution du générateur PV

3.3.1. Protection classique du générateur PV

Pour garantir la durée de vie d’une installation PV destinée à produire de l’énergie électrique sur des années, des protections électriques doivent être ajoutées aux modules PV afin d’éviter des pannes destructrices liées à l’association des cellules en série/parallèle. Pour cela, deux types de protections classiques illustrés par la figure 5 sont utilisés dans les installations actuelles.

Figure 5: Schéma de protection du générateur PV

Les diodes anti-retour empêchent la circulation d’un courant négatif dans le générateur PV. Ce phénomène peut apparaitre lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèle ou bien quand une charge en connexion directe peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une batterie.

(31)

L’inhomogénéité de l’éclairement provoque une forte diminution du courant produit par la cellule PV. Ainsi, lorsque le courant débité par la cellule mal éclairée est inférieur à celui débité par les autres cellules qui compose le module PV, la tension de celle-ci devient négative. Par conséquent, cette cellule devient un élément récepteur et se retrouve donc à dissiper une quantité trop importante de puissance électrique qui pourrait aboutir à sa destruction si le défaut persiste trop longtemps : c’est le phénomène du point chaud. Pour remédier à ce phénomène, on équipe les modules PV de diodes by-pass pour assurer leur protection. Lorsque la diode by-pass se met à fonctionner, elle court-circuite une partite du module PV où se retrouve la cellule mal éclairée comme indiqué à la figure 5, évitant ainsi la circulation de courant inverse au sein des cellules.

3.3.2. Influence de l’éclairement et de la température

L’éclairement a un effet très important sur le courant de court-circuit et un effet presque non remarquable sur la tension de circuit ouvert. En effet, la diminution de l’éclairement provoque une forte diminution du courant de court- circuit et une faible diminution de la tension de circuit ouvert. La température a un effet très important sur la tension de circuit ouvert et un effet presque non remarquable sur le courant de court-circuit de la cellule PV. En effet, l’augmentation de la température provoque une diminution de la tension de circuit ouvert tandis que le courant de court-circuit reste quasiment constant.

3.3.3. Influence de l’orientation, de l’inclinaison et de l’ombrage

L’angle d’inclinaison des modules PV est fonction de la latitude du site d’installation du générateur PV. Une inclinaison de 30 à 45° environ par rapport à l’horizontale assure les meilleurs rendements pour une installation solaire à nos latitudes [4]. Une inclinaison inférieure à 20° n’assure pas un meilleur rendement, il est donc déconseillé d’aller en dessous de cet angle d’inclinaison [4]. Les modules PV doivent être orientés vers le Nord pour les pays qui sont

(32)

situés dans l’hémisphère Sud et vers le Sud pour les pays qui sont situés dans l’hémisphère Nord [6]. L’effet de l’ombrage sur les modules PV réduit la production d’énergie.

3.4. Généralités sur le raccordement des centrales PV au réseau

Les centrales PV raccordées au réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L'énergie est produite plus près des lieux de consommation et non pas seulement par de grandes centrales thermiques ou hydroélectriques. Au fil du temps, les centrales PV raccordées au réseau réduiront la nécessité d'augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution. Il existe deux types de centrales PV raccordées au réseau : celle dite autonome et celle dite non autonome. Elle est dite autonome lorsqu’elle est dotée de batteries de stockages pour assurer la continuité énergétique la nuit ou dans les périodes de faible insolation tandis qu’elle est dite non autonome lorsqu’elle n’est pas dotée de batteries de stockages.

3.4.1. L’onduleur et le filtre LC

Pour raccorder un générateur PV à un réseau électrique, on utilise un convertisseur continu-alternatif (onduleur) car le générateur PV est une source de tension continue et le réseau est une source de tension alternative. L’onduleur a pour rôle de convertir la tension continue générée par le générateur PV en tension alternative identique à celle du réseau. Il faut noter que la tension de sortie de l’onduleur n’est pas sinusoïdale. En effet, les semi-conducteurs travaillant en commutation, la tension de sortie sera toujours constituée de

« morceaux » de tension continue. Cette tension non sinusoïdale est considérée comme la somme d’un fondamental et de tensions de fréquences multiples de celle du fondamental (les harmoniques). Ces tensions harmoniques provoquent la circulation de courants harmoniques. Pour cela, on utilise le filtre LC dont le consiste à éliminer les harmoniques de commutation et ainsi, on aura une tension parfaitement sinusoïdale à la sortie.

(33)

Figure 6 : Allures de la tension et du courant de sortie de l’onduleur 3.4.2. Les batteries solaires

Les batteries sont utilisées pour stocker de l’énergie sous forme chimique et la restituer sous forme électrique la nuit ou dans les périodes de faible insolation.

Les batteries utilisées dans les installations PV sont appelées batteries à décharge profonde. Ce sont des batteries au plomb qui utilisent comme conducteur une solution d'acide sulfurique aussi appelée électrolyte. Elles sont capables d’injecter un courant stable pendant de longue période et peuvent se décharger et se recharger très fréquemment sans se détériorer.

3.4.3. Le régulateur solaire

Le rôle du régulateur solaire consiste à protéger les batteries contre la surcharge et la décharge profonde pour leur assurer une meilleure durée de vie.

Le régulateur solaire est connecté entre le générateur PV, les batteries et l’onduleur. Le régulateur MPPT (Maximum Power Point Tracking) est le plus utilisé car il permet d’accroître la rentabilité du générateur PV.

3.4.4. Les avantages et inconvénients d’une installation PV Au nombre des avantages, on peut citer :

le caractère modulaire des panneaux PV permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de grande puissance ; ils ne nécessitent ni combustible, ni personnel hautement spécialisé ;

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le générateur PV est non polluant, silencieux et n’entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n’est par l’occupation de l’espace pour les installations de grandes dimensions.

Au nombre des inconvénients, on peut citer :

le faible rendement de conversion des panneaux photovoltaïques ;

la puissance produite par le générateur PV varie car elle dépend de l’ensoleillement et de la température qui sont toujours variables ;

le coût de l’installation devient énorme lorsqu’il s’agit d’un système PV doté de batteries de stockage.

3.4.5. Impacts du raccordement des centrales PV au réseau HTA

Les réseaux HTA sont conçus pour distribuer de l'énergie provenant d'un transformateur HTB/HTA aux abonnés raccordés en HTA ou en BT. Ils doivent être capables de faire face à chaque instant aux variations de charge de la clientèle tout en délivrant l'énergie sous une tension composée comprise entre 85 à 115% de celle nominale [8]. L’arrivée de production de puissance relativement importante peut alors poser les problèmes tels que la surcharge des lignes, des transformateurs HTA/BT et le dysfonctionnement du plan de protection du réseau [11]. Ces différents problèmes nécessitent alors un renforcement préalable du réseau au cas où la puissance à injecter sur ce dernier dépasse la limite requise pour les équipements. Outre cela, l’usage des systèmes de protection entre la centrale PV et le réseau s’avère primordial.

3.5. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté le fonctionnement d’une cellule PV en expliquant l’effet PV et en présentant ses caractéristiques électriques. Nous avons qu’il existe deux types de centrales PV connectées au réseau qui sont celle autonome et celle non autonome. La connexion des centrales PV au réseau nécessitent l’utilisation des convertisseurs d’électronique de puissance.

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Chapitre IV :

Dimensionnement et choix des composants de la centrale PV connectée au réseau de l’arrondissement d’Abomey-Calavi

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Dimensionnement et choix des composants de la centrale PV connectée au réseau de l’arrondissement d’Abomey- Calavi

4.1. Introduction

Le dimensionnement d’une centrale PV tient compte de plusieurs facteurs relatifs au site d’installation et au respect du cahier des charges. Ce chapitre est consacré au dimensionnement de la centrale PV, conformément au cahier des charges et au choix des composants à utiliser pour sa connexion au réseau.

4.2. Données météorologiques d’Abomey-Calavi

Les données météorologiques du site d’installation (Abomey-Calavi) sont présentées au tableau 1 [12].

Tableau 1: Données météorologiques mensuelles (années 1990-2012)

Mois J F M A M J J A S O N D An Unité

Eclairement 222 231 229 220 206 178 180 175 182 201 209 215 284 W /m² Température

Ambiante 27,4 28,5 28,9 28,6 27,8 26,5 25,8 25,6 26,1 26,8 27,7 27,6 27,3 °C

4.3. Dimensionnement du champ PV

• Analyse et choix du mode de dimensionnement

A priori, le problème d’espace peut se poser car la puissance à injecter au réseau est de 3 MW, il s’agit alors d’une centrale de taille importante. Deux cas peuvent être mis en évidence :

1^er cas : on analyse le déficit de façon globale et on fait l’injection en un point sur le réseau HTA. On peut répartir le champ PV de 3 MW en 6 champs PV de 500 kW chacun afin de limiter le plus possible le problème d’espace. Ensuite, on va utiliser un onduleur pour conversion DC-AC de l’ensemble des 6 champs PV.

L’onduleur sera installé sur le site de Maria-Gléta où se trouve le point de connexion. L’avantage ici est que les abonnés industriels ainsi que ceux domestiques vont en bénéficier. L’inconvénient est qu’on sera obligé d’utiliser un transformateur pour élever la tension générée par l’onduleur.

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2^em cas : on analyse le déficit par secteur et on fait l’injection sur le réseau BT, donc dans chaque secteur, on aura une centrale solaire. L’avantage ici est qu’on pourra se passer d’un transformateur pour élever la tension générée par l’onduleur mais les inconvénients sont multiples. Le problème d’espace va se poser car dans les secteurs surtout à caractère urbain, il sera difficile de trouver d’espace. A ce problème, il faut aussi ajouter ceux de l’encombrement des centrales et de l’exclusion des abonnés industriels qui en réalité sont plus rentables pour la SBEE. Outre ces différents problèmes, on aura aussi une augmentation du nombre d’onduleur, de filtre, du régulateur solaire et des dispositifs de protection, ce qui aura pour conséquence, l’augmentation du coût d’installation.

Suite à l’analyse des deux cas, nous choisissons le 1^er cas car il est le plus rentable en termes de coût d’installation et de rendement pour la SBEE.

• Choix du module PV

Le dimensionnement du champ PV est réalisé à partir du module « BLD200- 30P » tiré de la base de données du logiciel PV/SYST. L’éclairement maximal du soleil les jours ensoleillés est de 1000 W/m²et la température moyenne au soleil à Abomey-Calavi est de 30°C [12]. Ainsi, le tableau 2 présente les caractéristiques du module choisi pour ces conditions météorologiques.

Tableau 2: Caractéristiques du module PV

Eclairement de référence (Eref) 1000 W/m²

Température de référence (Tref) 30°C

Tension de circuit ouvert (Vco) 35,44 V

Courant de court-circuit (Icc) 7,31 A

Tension au point de puissance maximale (Vmp) 29,27 V

Courant au point de puissance (Imp) 6,69 A

Puissance maximale (Pmp) 195,8 Wc

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• Evaluation du nombre de modules PV

Pour évaluer le nombre de modules PV à utiliser, nous devons tenir compte de la puissance maximale générée par le module PV, de la puissance maximale à injecter au réseau et du rendement de conversion en puissance de l’onduleur solaire. Le rendement de conversion en puissance des onduleurs solaires actuels varie généralement entre 93 % et 98 %. Notons que plus le rendement est élevé, plus le coût de l’onduleur est élevé et moins, on utilise de modules PV. Le nombre de modules PV est donné par la relation :

Nm ≥ ⁰^{-23 _56}

7×0_{-23 _-9} (5.1) où :

Pmax_AC : puissance maximale à injecter au réseau

Pmax_md : puissance maximale générée par le module PV r : rendement de conversion en puissance de l’onduleur D’après le cahier des charges : Pmax_AC = 3 MW

D’après le tableau 3 : Pmax_md = 195,8 Wc Prenons, r = 98 %.

Nm ≥ ^:

,<=×<>,= = 15635

• Configuration du champ PV

Le champ PV est formé de plusieurs chaînes de modules PV connectées en parallèle et raccordées à un onduleur qui assure la conversion DC/AC. Une chaîne de modules PV étant composée de l’association en série de plusieurs modules PV.

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• Calcul de la puissance produite par l’ensemble des champs PV

Le tableau 3 présente les caractéristiques du module PV choisi sous le logiciel PV/SYST.

La puissance produite par une chaîne de modules PV est donnée par la relation suivante :

P1max_DC = Ns × Vmp × Imp (5.2)

Ns est le nombre de modules PV connectés en série Pour Ns = 100 on a :

P1max (DC) = 100 × 29,27×6,69 = 19,6 kWc

La puissance produite par l’ensemble des chaînes de modules PV connectées en parallèle est donnée par la relation :

P2max_DC = Ncp × P1max_DC (5.3) Ncp est le nombre de chaînes de modules PV connectées en parallèle

Ncp= 157

P2max_DC = 157 × 19,6 = 3077,2 kWc

Le tableau 3 présente le nombre de chaînes de modules PV utilisées pour constituer les six champs PV ainsi que la puissance produite.

Tableau 3 : Configuration des champ PV avec la puissance générée

Champ PV Nombre de chaînes de modules PV Puissance produite

Champ N°1 26 509,6 kWc

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Il en résulte que nous devons utiliser 15700 modules PV pour la constitution du champ PV.

4.4. Dimensionnement et choix du condensateur à l’entrée de l’onduleur Le condensateur est un élément très important dans le circuit à courant continu. Dans le cas présent, Il est utilisé pour améliorer la qualité de la tension de la source continue. La capacité de ce condensateur est déterminée par la relation [7] :

CDC = _VDCmax ^?^τ

-23×F(_VDCmax^VDCmin (5.4)

où : VDCmax : tension maximale générée par le champ PV

IDCmax : courant maximal généré par le champ PV VDCmin : tension minimale générée par le champ PV τ: constante de temps du condensateur

VDCmax = Ns × Vmp1 (5.5)

VDCmin = Ns × Vmp2 (5.6)

IDCmax = Ncp × Imp (5.7)

où :

Ns : nombre de modules PV en série

Ncp : nombre de chaînes de modules PV en parallèle Imp est le courant maximal débité par le module PV.