Ministère de l’Enseignement Supérieur Et de la Recherche Scientifique
Université Mohammed Seddik Ben Yahia – Jijel Faculté des Sciences et de la Technologie
Département d’Electronique
Mémoire de fin d’études pour l’obtention du diplôme de Master en Electronique
Option
Electronique des Systèmes Embarqués Thème
Présenté par Encadré par
Mr : Messaoud CHENIETE Pr: Abdelkrim BOUKABOU Mr : Messaoud MELIT
Promotion 2020
Etude et simulation d’un processus de commande IOT des systèmes
énergétiques
i
Remerciement
On dit que le trajet est aussi important que la destination. Les années de maitrise nous ont permis de bien comprendre la signification de cette phrase toute simple. Ce parcours, en effet ne s’est pas réaliser sans défis et sans soulever de nombreuses questions pour lesquelles les réponses nécessitent de longues heures de travail.
Nous tenons à remercier infiniment le professeur Abdelkrim Boukabou, notre directeur de mémoire pour l’aide compétente qu’il nous a apporté, sa patience et sa disponibilité nous ont permis de réaliser ce modeste travail. Nos vifs remerciements vont également aux membres du Jury Docteur Ammar Soukkou et Docteur Morad Grimes pour avoir accepté de jugé notre travail.
Nous tenons à remercier aussi tous ceux qui nous ont aidés à réaliser ce projet.
ii
Dédicaces
Je dédie ce mémoire à ;
A mes très chers parents, source de vie, d’amour et
d’affection ;
A Mr. Abdelkrim Boukabou Qui nous a insufflés à nouveau
l’esprit de la recherche scientifique et de la créativité ;
A tous mes professeurs tout au long de ma carrière
académique ;
A toute ma famille, source d’espoir et de motivation ;
À tous mes collègues de la promotion 2020. Ainsi qu'à tous ceux qui m'ont aidé dans ce travail et pendant mes études.
A tous mes amis, tout particulièrement mon binôme ;
A vous cher lecteur.
C. Messaoud
iii
Dédicaces
Avec tout le respect et l'amour, je dédie cet humble travail: à mes chers parents, je vous dois ce succès et
je suis fier de vous le présenter.
À mon frère et mes sœurs pour tout leur soutien moral et leur amour, en particulier Fatima. À ma femme et mes enfants : Aicha, Imrane et Belkisse, et à tous mes
amis, en particulier mon cousin Abdennour.
À tous mes collègues de la promotion 2020. Ainsi qu'à tous ceux qui m'ont aidé dans ce travail et pendant mes
études.
M.Messaoud
iv
Remerciements ... i
Dédicaces ... ii
Sommaire ... iv
Liste des figures ... vii
Liste des tableaux ... x
Liste des symboles ... xi
Liste des abréviations ... xii
Introduction générale... 1
Chapitre 1 Généralités sur les systèmes photovoltaïques 1.1 Introduction ... 3
1.2 Les systèmes photovoltaïques ... 3
1.2.1 Définition ... 3
1.3 Types d’un système solaire photovoltaïque ... 4
1.3.1 Système autonome ... 4
1.3.2 Système hybride ... 5
1.3.3 Système raccordé au réseau électrique ... 5
1.4 Les éléments d’un système photovoltaïque ... 6
1.4.1 Cellule Photovoltaïque ... 6
1.4.2 Les types des cellules ... 7
1.4.3 Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque ... 9
1.5 Modélisation d’un module photovoltaïque ... 10
1.5.1 Modèles de simulation d'un PV solaire (photovoltaïque) ... 10
1.5.2 Cellules Photovoltaïques (PV Solaire) ... 10
1.5.3 Circuits équivalents d'un dispositif PV solaire et leurs modèles mathématiques ... 10
1.5.4 Modélisation idéale des cellules PV ... 12
1.5.5 Modélisation de cellule PV à diode unique ... 12
1.6 Les caractéristiques I=f(V) et P=f(v) d’un générateur photovoltaïque... 13
1.7 Fonctionnement d’un Générateur PV à sa Puissance Maximale ... 15
1.7.1 Principe ... 15
1.7.2 Connexion directe générateur photovoltaïque-charge ... 16
1.7.3 Connexion indirecte GPV-charge par le biais d’un étage d’adaptation... 17
1.8 Etages d’adaptations ... 18
1.8.1 Convertisseur Boost... 18
1.9 La commande MPPT ... 19
v
1.9.1 Algorithme Perturber et Observer (P&O) ... 19
1.9.2 Algorithme d'incrémentation de la conductance ... 21
1.10 Techniques de la commande PWM ... 23
1.10.1 Principe de la commande PWM ... 23
1.11 Conclusion ... 24
Chapitre 2 Modélisation de la batterie 2.1 Introduction ... 25
2.2 Accumulateur ... 25
2.3 Caractéristiques d'une cellule électrochimique ... 26
2.3.1 La tension ... 26
2.3.2 Résistance interne ... 27
2.3.3 Capacité d'une batterie d'accumulateurs ... 27
2.3.4 Le taux-C ... 27
2.3.5 Effet mémoire ... 28
2.3.6 L'énergie ... 28
2.3.7 L’état de charge (SOC) ... 28
2.3.8 La profondeur de décharge (DOD) ... 29
2. 3.9 Le nombre de cycle (Nb_Cycles) ... 29
2.3.10 L’état de santé (SOH) ... 29
2.4 Les profils de charge et de décharge des batteries ... 30
2.5 Différents types d’accumulateurs ... 31
2.5.1 Batteries au plomb ... 31
2.5.2 Batteries Alcaline ... 32
2.5.3 Batteries Ni-Cad Batteries (Nickel Cadmium) ... 33
2.5.4 Batteries Ni-MH (Nickel Metal Hydride) ... 34
2.5.5 Batteries Li-Ion (Lithium-Ion) et Li-Poly (Lithium Polymer) ... 35
2.5.6 Batteries Lithium Batteries et Coin Cells ... 36
2.6 Modélisation de batterie alcaline ... 37
2.6.1 Modèle de batterie ... 43
2.6.2 L'effet de la capacité ... 46
2.6.3 L’effet du courant ... 48
2.7 Conclusion ... 50
Chapitre 3 Interface de commande IOT
vi
3.1 Introduction ... 51
3.2 La carte Arduino ... 51
3.2 .1 Diagramme de brochage ... 52
3.2.3 Spécifications techniques ... 53
3.3 Choix des capteurs ... 53
3.3.1 Choix de capteur de tension ... 54
3.3.2 Choix de capteur de courant ... 54
3.4 L'ESP8266 ... 55
3.4.1 L'ESP8266 en bref ... 55
Supporte les protocoles 802.11 b/g/n ; ... 55
3.4.2 Le brochage de l’ESP-01 ... 56
3.5 Créer un nouveau projet ... 57
3.5.1 Page d’accueil Proteus ... 57
3.5.2 Définition d’IOTBuilder ... 57
3.6 Commande en lecture avec tracée des variations de la tension en fonction du temps ... 57
3.7 Les caractéristiques I=f(V) et P=f(v) d’un générateur photovoltaïque ... 64
3.8 Point puissance maximale(MPPT) avec Variation d’irradiations ... 66
3.9 Technique PWM ... 68
3.10 Interface IOT pour Charge /Décharge de la batterie ... 71
3.12 Conclusion ... 76
Conclusion générale ... 77
Bibliographie & Webographie ... 87
vii Chapitre 1. Généralité sur les systèmes photovoltaïques
Figure 1.1 : Chaîne de conversion photovoltaïque 3
Figure 1.2 : Exemple d’un système PV autonome avec batterie 4
Figure 1.3 : Exemple d’un système PV hybride 5
Figure 1.4 : Exemple d’un système raccordé au réseau électrique 6
Figure 1.5 : Principe de la conversion photovoltaïque 7
Figure 1.6 : Cellule au Silicium Monocristallin 8
Figure 1.7 : Cellule au Silicium Poly-cristallin 8
Figure 1.8 : Cellule au Silicium amorphe (couche mince) 9
Figure 1.9 : Modèle électrique d’une cellule PV 11
Figure 1.10 : Caractéristiques I – V d'une cellule PV 11
Figure 1.11 : Le modèle de panneau PV sous Proteus 14
Figure 1.12 : I =f (V) et P=f(V) d’un module photovoltaïque 15 Figure 1.13 : Connexion directe GPV-Charge par le biais d’une diode anti-retour 16 Figure 1.14 : Points de fonctionnement d’un GPV en connexion directe pour
différentes charges DC
16 Figure I.15 : Connexion d’un GPV à une charge à travers un étage
d’adaptation
17 Figure 1.16 : Convertisseur boost DC-DC 18
Figure 1.17 : Recherche du PPM par la méthode (P&O) 20
Figure 1.18 : Organigramme de la méthode (P&O) 20
Figure 1.19 : Caractéristique de fonctionnement de la méthode IncCond 21
Figure 1.20 : Organigramme de la méthode IncCond 22
Chapitre 2 Modélisation de la batterie
Figure 2.1 : L’évolution de la tension VCut-Off, batterie VRLA (YUASA 12V-24Ah). 26 Figure 2.2 : Profil type de charge à courant constant, à tension constante 30 Figure 2.3 : trois Profile typique de charge d’une cellule Li-Ion 31
Figure 2.4 : Batteries au plomb Conduire 32
Figure 2.5 : Batteries Alcaline 32
Figure 2.6 : Batteries lanterne 6V 33
Figure 2.7 : Batteries Ni-Cad Batteries (Nickel Cadmium) 34
Figure 2.8 : Batteries Ni-MH (Nickel Metal Hydride) 35
Figure 2.9 : Batteries Li-Ion (Lithium-Ion) et LiPoly (Lithium Polymer) 35 Figure 2.10 : Batteries Lithium Batteries et Coin Celles 36
Figure 2.11 : Courbe de la décharge batterie alcaline 38
Figure 2.12 : Circuit de seuillage 38
Figure 2.13 : Tension circuit de seuillage 39
Figure 2.14 : Circuit de seuillage a 4 points 39
Figure 2.15 : Tension circuit de seuillage a 4 points 40
Figure 2.16 : Modèle de seuillage réductrice 40
Figure 2.17 : Tension circuit de seuillage a 6 points 41
Figure 2.18 : Circuit de seuillage a 34 points 42
Figure 2.19 : Tension circuit de seuillage a 34 points 42
Figure 2.20 : Modèle de batterie alcaline 43
viii Figure 2.22 : Décharge de la batterie selon la valeur de DOD 44 Figure 2.23 : Courbe de décharge de batterie alcaline selon la valeur de DOD 44 Figure 2.24 : Charge de la batterie selon la valeur de SOC 45 Figure 2.25 : Courbe de charge de batterie alcaline selon la valeur de SOC 45
Figure 2.26 : Décharge de batterie avec c=0.1 46
Figure 2.27 : Décharge de batterie avec c=2.5 47
Figure 2.28 : Décharge de batterie avec c=2 47
Figure 2.29 : Charge de trois batteries avec c=0.1 ,2et c=2.5 48 Figure 2.30 : Décharge de batterie avec trois courants différents 49 Figure 2.31 : Charge de batterie avec trois courants différents 50 Chapitre 3 Interface de commande IOT
Figure 3.1 : Arduino UNO 51
Figure 3.2 : Diagramme de brochage 52
Figure 3.3 : Circuit diviseur de tension 54
Figure 3.4 : Circuit soustracteur d'amplificateur opérationnel 55
Figure 3.5 : L'ESP8266 55
Figure 3.6 : Brochage de L’ESP8266 56
Figure 3.7 : «Page d'accueil» de Proteus 57
Figure 3.8 : Lecture les changements d’une tension 58
Figure 3.9 : Programme de lecture et tracée d’une tension 58 Figure 3.10: Algorithme pour choisi de la durée du suivit 59
Figure 3.11: Sélection d’une appareille de la mesure 60
Figure 3.12: Configuration d’un voltmètre IOT 60
Figure 3.13: Choix et configuration de ledbar 61
Figure 3.14: Choix et configuration de gauge 62
Figure 3.15: Choix et configuration de zone graphique 62
Figure 3.16: Interface pour mesuré et tracée une tension 63 Figure 3.17: Circuit de la mesure de courant et tension pour PV 64
Figure 3.18: Algorithme de suivi fonctionnement du PV 65
Figure 3.19: Fonctionnement du PV 65
Figure 3.20: Circuit MPPT avec variation d’irradiations 66
Figure 3.21: Algorithme MPPT avec variation d’irradiations 67 Figure 3.22: Interface MPPT avec variation d’irradiations 67 Figure 3.23: MPPT avec différents valeurs d’irradiations 68
Figure 3.24: Circuit de l’ MPP par la technique PWM 68
Figure 3.25: Organigramme de commande l’MPP par la technique PWM 69
Figure 3.26: Organigramme de commande rapport cyclique 69
Figure 3.27: Organigramme de l’ MPP par la technique PWM 70
Figure 3.28: l’ MPP par la technique PWM 70
Figure 3.29: Circuit de charge/décharge d’une batterie Alcaline sous Proteus ISIS 71 Figure 3.30: Interface IOT de charge d’une batterie Alcaline 72 Figure 3.31: Interface IOT de décharge d’une batterie Alcaline 72 Figure 3.32: Circuit combinaison de PV et deux batteries 73 Figure 3.33: Organigramme combinaison de PV et deux batteries 74
Figure 3.34: Fenêtre de la commande IOT Charge/Décharge 75
Figure 3.35: Visualisation en temps réel de la charge/décharge des deux batteries 75 Figure 3.36 : A la fin de la charge/décharge des deux batteries 76
ix Liste des tableaux
Tableau 1.1 : Spécifications du module PV Solarex MSX-60 13
Tableau 1.2 : Conception du DC-DC boost_conveter 24
Tableau 2.1 : Tension de batterie en fonction de SOC 37
Tableau 3.1 : Spécifications techniques 53
x Liste des symboles
Symbole Signification PV
GPV DC AC Icc
Voc Vmpp
Impp
𝑃𝑚𝑎𝑥
FF 𝜂 G A Rs Rsh Id Iphc I_so Vd
VT
Q K T a I0,c L C RL Vin V0
D Fs
∆I Vt Eth Vn VCut-Off Vfull Q C E V b(t) Ib(t)
Photovoltaïque
Générateur photovoltaïque Courant continu
Courant alternatif Courant de court-circuit Tension de circuit ouvert Tension maximale Courant maximal Puissance maximale Facteur de forme Rendement énergétique Eclairement
Surface de la cellule Résistance interne en série Résistance de dérivation Courant de diode
Courant photo-généré Courant de sortie Tension de la diode Tension thermique
Charge d'un électron (1.6 × 10−19 C)
Constante de Boltzmann (1.3805 × 10−23 J / K) Température de la cellule (K)
Facteur d’idéalité de la diode
Courant de saturation inverse de la diode d’une cellule Inductance
Condensateur
Résistance de charge Tension d'entrée Tension de sortie Rapport cyclique
Fréquence de commutation L'ondulation du courant d'entrée Tension aux bornes de la batterie Tension théorique
Tension nominal
Tension de fin de décharge Tension de fin de charge Capacité d'une batterie Le taux d'une batterie
L'énergie chimique libérée pendant le processus de décharge La tension finale aux bornes de la batterie
Le courant de la batterie
xi Liste des Abréviations
AC Alternative Current CC Courant contrôler
CV Charge de tension constante DC Charge à courant constant CC-CV Charge combinée
DC Direct Current
DOD Depth Of Discharge (Profondeur de décharge ) FF Facteur de forme
GPV Générateur Photovoltaïque
IncCond Incrémentation de la conductance Jwh joules ou wattheures
IoT Internet of Things Li-ion Ions de Lithium Li-Poly Lithium Polymer
MLI (PWM) Modulation de Largeur d’Impulsion (Pulse Width Modulation) MPPT Maximum Power Point Tracking
NbCycles Nombre de cycle Ni-Cad Nickel Cadmium Ni-MH Nickel Metal Hydride PF Point de Fonctionnement PPM Point de la puissance maximale PV photovoltaïque
P&O Perturber et Observer
SHSER Système d'énergie renouvelable hybride SPV Système photovoltaïque
SOC State Of Charge (état de charge) SOH State Of Health (état de santé) STC Standard Test Conditions USB Universal Serial Bus
Introduction générale
1
Introduction générale
La dernière décennie a connu un intérêt grandissant de la communauté scientifique par rapport aux thèmes de modélisation des cellules photovoltaïques ainsi qu'aux applications potentielles pouvant en découler, particulièrement dans le domaine des énergies renouvelables. L’énergie photovoltaïque est une réponse possible aux enjeux de la transition énergétique de demain. A cet effet, la génération de l’électricité au biais des cellules photovoltaïques est une science qui fournit des outils indispensables permettant de mener à bien des projets scientifiques, aussi bien dans le contexte académique qu’industriel, notamment grâce à la puissance de calcul et la capacité de stockage de batteries actuelles avec la possibilité d’analyser les données reçus à chaque instant.
Une tentative de notre part est d'appliquer cette philosophie pour générer, commander et surveiller à distance un système énergétique à base des cellules photovoltaïques et de batteries. A cette fin utile, notre choix s'est portés sur un sujet lié aux systèmes d'énergie solaire en raison de leur grande importance car ils sont considérés comme l'une des sources les plus importantes d'énergies renouvelables et sont considérés comme l'investissement le plus important à l'avenir.
Ce mémoire se compose de deux parties. La partie théorique est scindée en deux chapitres. Le premier chapitre est consacré à un bref rappel sur les cellules et les générateurs photovoltaïques, suivi par les types d’installations des systèmes photovoltaïques, de la modélisation des cellules PV et ses paramètres électriques. Plusieurs critères d’optimisation de l’efficacité de ces systèmes étaient appliqués pour avoir un rendement élevé à travers l’insertion d’un étage d’adaptation entre le générateur et la charge continue. Cette procédure est réalisée à partir d’un convertisseur DC/DC qui est commandé par la méthode de commande MPPT (Maximum Power Point Tracking) pour la recherche du point de puissance maximale (PPM). Les deux technique les plus couramment utilisées sont : Perturbation and observation (P&O) et la méthode conductance incrémentale. Ensuite, on aborde une bref description de la technique de commande PWM (Pulse Wild Modulation).
2
Le deuxième chapitre est consacré au développement d'un modèle de simulation de la batterie sur logiciel Proteus. Donc on a commencé par donner une introduction à la batterie. Puis on a évoqué les propriétés de la batterie ainsi que les types de batteries les plus connus, dont la batterie Alkaline qui sera représentée par un modèle sous le logiciel Proteus. Pour que le modèle soit crédible, nous l'avons soumis à des tests et nous avons obtenu de très bons résultats.
Le troisième chapitre est consacré à la configuration des interfaces de commande et de surveillance du réseau énergétique basées sur le concept de l’IOT (Internet Of Things). Ainsi, nous avons défini les interfaces de commande et expliqué la méthode de communication entre le système photovoltaïque et l'interface de commande, avec l’utilisation d’une carte Arduino avec IOTBuilder comme langage de programmation et son environnement de simulation.
A la fin, nous terminerons ce mémoire par une conclusion générale et des perspectives.
Chapitre 1
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
3 1.1 Introduction
L’énergie photovoltaïque résulte de la conversion directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette transformation d’énergie est assurée à l'aide d’une cellule appelée photovoltaïque (PV), qui se base sur l'effet photovoltaïque. Ce phénomène physique consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé pour fabriquer la cellule. La combinaison de plusieurs cellules PV en série / parallèle produit un générateur photovoltaïque (GPV), qui a une caractéristique courant-tension non linéaire (I-V) avec un point de puissance maximum (PPM).
Dans ce chapitre, nous allons présenter les éléments de base des systèmes photovoltaïques (énergie PV), ainsi que les générateurs photovoltaïques (GPV) et leurs performances.
1.2 Les systèmes photovoltaïques 1.2.1 Définition
Le système photovoltaïque se compose d’une source d’énergie (générateur photovoltaïque), d’une interface de puissance (convertisseur statique DC-DC et DC-AC avec système de contrôle) et d’une charge. La fonction principale du convertisseur statique est d'effectuer une adaptation d'impédance afin que le générateur génère l'énergie maximale [1.4].
La figure suivante montre la chaîne de conversion photovoltaïque.
Figure 1.1 : Chaîne de conversion photovoltaïque.
4 1.3 Types d’un système solaire photovoltaïque
Les systèmes photovoltaïques sont actuellement divisés en trois catégories: autonomes, hybrides et connectés au réseau [1-3].
1.3.1 Système autonome
Les systèmes autonomes ont la fonction principales d'alimenter un ou plusieurs consommateurs situés dans une zone isolée du réseau électrique. Actuellement, il existe deux types des systèmes photovoltaïques autonomes : système sans batterie et avec batterie.
Les systèmes autonomes sans batteries n'ont pas besoin de stocker de l'électricité, soit car l'énergie de la batterie est suffisante dans des conditions de faible luminosité (par exemple: calculatrice), ou le temps de fonctionnement de la charge n'est pas important.
Par contre, le système autonome avec batterie est le système photovoltaïque le plus utilisé. Le champ PV est utilisé comme chargeur de batterie. Ensuite, on peut utiliser l'électricité à tout moment. (Par exemple, allumage dans la maison la nuit).
Figure 1.2 : Exemple d’un système PV autonome avec batterie.
5 1.3.2 Système hybride
Un système d'énergie renouvelable hybride est un système électrique qui comprend plusieurs sources d'énergie, dont au moins une source d’énergie renouvelable. Ce type de système est particulièrement adapté aux zones reculées où l'électricité doit être alimentée en tout temps, où les coûts de transport du carburant sont élevés et où il n’est pas encore rentable d’utiliser le système photovoltaïque seul avec les batteries.
Figure 1.3 : Exemple d’un système PV hybride.
1.3.3 Système raccordé au réseau électrique
Le système photovoltaïque est directement couplé au réseau électrique à l'aide d'un convertisseur courant continu/courant alternatif (DC-AC) parce que l'énergie est généralement stockée dans le réseau lui-même.
D’une manière générale, il existe deux types d'appareils pour injecter la production solaire dans le réseau:
Injection de toute l'énergie générée par le module directement dans le réseau électrique. La période d'injection sur le réseau correspond à la période de production photovoltaïque.
Injection du surplus de production L’énergie produite par les modules est directement consommée sur place par les charges. L’éventuel surplus de production par rapport à la consommation instantanée est injecté sur le réseau.
6
Figure 1.4 : Exemple d’un système raccordé au réseau électrique.
1.4 Les éléments d’un système photovoltaïque
L'élément de base d'un système photovoltaïque est une cellule photovoltaïque. D’une manière générale, plusieurs cellules photovoltaïques peuvent être connectées en série et / ou en parallèle pour former un module photovoltaïque. D’autre part, un générateur photovoltaïque est formé de plusieurs modules photovoltaïques en série et / ou en parallèle.
1.4.1 Cellule Photovoltaïque 1.4.1.1 Définition
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique à base de semi-conducteur (généralement faites de silicium sous ses différentes formes). Elle transforme directement l’énergie lumineuse en courant continu basse tension (effet photovoltaïque).
La cellule photovoltaïque est constituée d’un matériau semi-conducteur de type P-N.
La taille de chaque unité varie de quelques centimètres carrés à 100 cm² ou plus. Sa forme est ronde, carrée ou dérivée de deux géométries [2].
1.4.1.2 Principe d’une cellule photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir d’une jonction PN au silicium (diode). Pour obtenir du silicium dopé N, du phosphore est ajouté. Ce type de dopage permet au matériau de libérer facilement des électrons (charge-). Le silicium dopé P est obtenu par ajout de bore qui permet au matériau de créer facilement des lacunes électroniques appelées trous (charge +).
7
De sa part, la jonction PN est obtenue par dopage des deux côtés de la tranche de silicium. Sous l'action du rayonnement solaire, les atomes de la jonction libèrent des charges de signes opposés, et ces charges s'accumulent des deux côtés de la jonction pour former un générateur électrique [3]. La figure suivante représente le principe de la conversion photovoltaïque.
Figure 1.5 : Principe de la conversion photovoltaïque.
1.4.2 Les types des cellules
Il existe trois principales catégories des cellules en silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe [1-3]. Dans ce qui suit, on présente le principe de chaque type de cellule.
1.4.2.1 Cellule au silicium monocristallin
Pour de telles applications techniques, le silicium pur est obtenu à partir de quartz ou de silice par transformation chimique métallurgique. Le silicium cristallin a environ deux fois l'efficacité électrique et la durée de vie du silicium amorphe, mais il est beaucoup plus cher [3]. La figure 1.6 représente la structure interne d’une cellule au Silicium Monocristallin.
Comme le montre la figure, Le silicium monocristallin est constitué de silicium dans lequel le réseau cristallin du solide entier est continu. Cette structure cristalline ne se brise pas sur ses bords et est exempte de toute limite de grain.
8
Figure 1.6 : Cellule au Silicium Monocristallin.
1.4.2.2 Cellule au silicium poly-cristallin
Le silicium polycristallin ou polysilicium est un matériau en verre de silicium mal aligné (polycristallin) comme le montre la figure 1.7 ci-dessous. Il occupe une position intermédiaire entre le silicium amorphe, dans lequel il n'y a pas d'ordre à longue portée, et le silicium monocristallin.
Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau est moins cher que le monocristal. Les cellules carrées ou rectangulaires sont faciles à utiliser.
Figure 1.7 : Cellule au Silicium Poly-cristallin.
9 1.4.2.3 Cellule au silicium amorphe
Une cellule solaire à film mince est une seconde génération de cellules solaires qui consiste à déposer une ou plusieurs couches minces, ou un film mince (TF) de matériau photovoltaïque sur un substrat, tel que le verre, le plastique ou le métal.
La capacité du silicium amorphe à absorber le rayonnement solaire est 100 fois supérieur à celle de l'absorption cristalline. Les cellules sont composées de couches très fines.
Ainsi, l'épaisseur du film varie de quelques nanomètres (nm) à plusieurs dizaines de micromètres (µm). Ce type est utilisé dans la construction de systèmes photovoltaïques intégrés. D'autres applications commerciales utilisent des panneaux solaires à couche mince rigides (intercalés entre deux panneaux de verre) dans certaines des plus grandes installations photovoltaïques du monde.
Figure 1.8 : Cellule au Silicium amorphe (couche mince).
1.4.3 Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque
La caractéristique électrique dépend de la puissance du rayonnement reçu par unité de surface (éclairement (W / m²)). Ses principaux paramètres sont :
− Le courant de court-circuit Icc qui est proportionnel à la surface et à l’éclairement de la cellule, on obtient ce courant lorsqu’on place le module PV en court-circuit (Voc=0), cela est
− La tension de circuit ouvert Voc qui est proportionnelle à la température. Elle représente la tension maximale générée par le panneau photovoltaïque. On obtient cette tension dans des conditions de circuit ouvert (Icc = 0).
− Le point de puissance maximale PPM qui représente le point pour lequel le produit V*I est maximal, il est situé sur le coude de la courbe. A cette puissance maximale on a une tension maximale Vmpp et un courant maximal Impp donné par l’équation suivante :
𝑃𝑚𝑎𝑥=𝑉𝑚𝑝𝑝𝐼𝑚𝑝𝑝 (1.1)
10
Chaque panneau est caractérisé par quatre valeurs (Voc, Isc, Impp et Vmpp), qui sont obtenues à des conditions STC (Standard Test Conditions), c'est-à-dire un éclairement de 1000 W/m² et une température de 25°C.A
-Facteur de forme FF (Fill Factor) C’est le rapport de la puissance maximale fournie au module PV et du produit du courant de court-circuit Icc et de la tension de circuit ouvert Voc donné par :
𝐹𝐹 = 𝑃𝑚𝑎𝑥/𝐼𝑐𝑐𝑉OC (1.2)
-Le rendement énergétique C’est le rapport de la puissance électrique maximale 𝑃𝑚𝑎𝑥 fournie et le module et la puissance solaire incidente. Comme montre la relation suivante : 𝜂 = = (1.3)
Avec : G : éclairement (W/m2).
A : surface de la cellule (m2).
1.5 Modélisation d’un module photovoltaïque
1.5.1 Modèles de simulation d'un PV solaire (photovoltaïque)
Afin de déterminer les caractéristiques électriques de la cellule photovoltaïque (PV solaire) avec précision, une modélisation mathématique avec des modèles à simple et double diode sont présentés dans les sous-sections suivantes.
1.5.2 Cellules Photovoltaïques (PV Solaire)
Une cellule est une unité fondamentale du système photovoltaïque(SPV). Un groupe de cellules sont encapsulés pour former un module. Afin d'augmenter le niveau de tension, les modules sont connectés en série et pour augmenter le niveau de courant, les modules sont connectés en parallèle selon les exigences de la charge.
1.5.3 Circuits équivalents d'un dispositif PV solaire et leurs modèles mathématiques Une cellule photovoltaïque est traditionnellement représentée par un circuit équivalent comprenant une source de courant et un ou deux diodes sans la corrélation de la résistance série interne et la résistance de dérivation(shunt) dans le cas d'une cellule idéale, et avec résistance interne en série(Rs) et résistance de dérivation (Rsh) en cas des modèles à diode unique et à double diode .Les circuits équivalents d'une cellule idéale, avec un modèle de cellule SPV à simple et à double diode est représenté sur la Fig. 1.9.
11
Figure 1.9: Modèle électrique d’une cellule PV.
Ces modèles présentent des données de tension et de courant en sortie. Les données de sorties fournissent la courbe caractéristique (I – V) comme indiqué sur la figure 1.10.
Figure 1.10: Caractéristiques I – V d'une cellule PV.
La modélisation de la cellule solaire PV peut être réalisée en analysant les équations mathématiques sur la base des circuits équivalents de modèles solaires photovoltaïques présentés ci-après [2,4].
12 1.5.4 Modélisation idéale des cellules PV
La cellule photovoltaïque idéale est représentée par un courant photo-généré Iphc, qui diverge du résultat idéal en raison de l'électricité et des pertes optiques. Le modèle de cellule PV idéal présenté sur la figure 1.9 est le modèle PV le plus simple car l'effet de la résistance série et parallèle n’est pas pris en compte. Le courant de sortie de la cellule est donnée par l’équation suivante :
(1.4)
Le courant de diode Id signifie des courants de diffusion et de recombinaison dans les régions d'émetteur et de concentration de la jonction PN. Ce courant de diode est représenté par l'équation de Shockley suivante:
(1.5)
où Vd est la tension de la diode, VT est appelée tension thermique (VT = kT / q) en raison de sa forte dépendance à la température, q est la charge d'un électron (= 1,6 × 10−19 C), n représente le facteur idéalité (1,7), K est la constante de Boltzmann (= 1,3805 × 10−23 J / K) et T est la température de la cellule (°K) ainsi, on obtient
{ } (1.6)
On note que la cellule solaire PV idéale ne prend pas en compte les effets de la résistance, n’établit donc pas une relation précise entre courant et tension de la cellule.
1.5.5 Modélisation de cellule PV à diode unique
Généralement, une résistance série (Rs) est introduite au modèle de la cellule afin d'obtenir des résultats précis. Bien que ce modèle est simple, il révèle des erreur lorsqu'il est soumis à la température variations. Ce modèle a été étendu en considérant un shunt résistance (Rsh). Ce modèle à diode unique ou à cinq paramètres se compose du PV et de la diode avec des résistances série et shunt comme montré à la Figure 1.9.
La représentation mathématique du courant de sortie dans Equation (1.4) est modifiée comme suit:
(1.7) où Vd est la tension de la diode qui est représentée par:
(1.8)
Avec V est la tension d'entrée et I le courant de sortie. L’équation (1.7) est encore modifiée pour obtenir l'équation du modèle à diode unique.
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Le modèle à diode unique de la cellule SPV est représenté comme suit:
{ }
(1.9) Sachant que :
Iph,cest le photo-courant d’une cellule,
I0,c est le courant de saturation inverse de la diode d’une cellule,
q est la charge de l’électron
a est le facteur d’idéalité de la diode
k est la Constante de Boltzmann
T est la température de la cellule,
V,c est la tension aux bornes de la cellule,
I,c est le courant de la cellule,
Rs,c et Rsh,c sont les résistances série et shunt de la cellule.
1.6 Les caractéristiques I=f(V) et P=f(v) d’un générateur photovoltaïque
La figure 1.12 montre les courbes I = f (V) et P = f (V) d'un module photovoltaïque typique dans des conditions d'irradiation et de température constantes. Le rayonnement standard utilisé pour mesurer la réponse d'un module photovoltaïque a une intensité de rayonnement de 1000 W / m2 et une température de 25 ° C.
Spécifications du module PV dans les conditions de test standard (STC):
Puissance maximale, Pmax 60W
Tension de Pmax ,Vmp 17.1V
Courant de Pmax , Imp 3.5A
Courant de court-circuit, Isc 3.8A
Tension de circuit-ouvert, Vco 21.1V
Coefficient de température en circuit-ouvert Voc, Kv -80mV/°C Coefficient de température en court-circuit Isc, Ki 2.4mA/°C
Nombre de cellules 36
Tableau1.1 : Spécifications du module PV Solarex MSX-60
Pour modéliser le panneau photovoltaïque dans le logiciel de simulation des circuits électroniques Proteus, le circuit équivalent se compose d'une source de courant contrôlée et d'une diode pour concevoir un modèle réel du panneau photovoltaïque, La figure 1.11 représente le modèle obtenu sous Proteus.
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Figure 1.11 : Le modèle de panneau PV sous Proteus.
1- pour modéliser la source de courant on utilise un bloc « Source de courant contrôlé en tension » contrôlé par le bloc « Source de tension CC ». Par exemple, pour simuler notre modèle sous STC, la valeur du bloc «Source de tension CC» est réglée à 3,8128V, qui représente le courant photo du MSX-60 panneau sous STC.
2- on utilise une diode avec un modèle spice spécifique, afin de changer les valeurs du courant de saturation Is, le facteur d'idéalité, le nombre de cellules et l'énergie de bande interdite selon les spécifications du panneau MSX-60. On note que N est fixé à 35.09424, qui est la multiplication entre le facteur d'idéalité et le nombre de cellules.
3- On utilise deux résistances pour modéliser la résistance shunt et la résistance série avec des valeurs qui sont mentionnées dans le Tableau 1.1
4- Un bloc «Source de tension CC» est connecté au modèle de panneau PV en tant que charge variable. Sa valeur est égale à la valeur de «Sweep variable DC» utilisé pour simuler le modèle comme le montre la figure 1.12. on note que que l’intervalle de la variable "Sweep variable " doit être entre 0V et la tension en circuit ouvert
Les résultats de simulation obtenus sont montrés dans la figure 1.12. Ainsi, on remarque que le circuit modélisé est conforme aux résultats théoriques concernant le graphe de la puissance et le courant en fonction de la tension aux bornes de la cellule PV.
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Figure 1.12 : I =f (V) et P=f(V) d’un module photovoltaïque.
1.7 Fonctionnement d’un Générateur PV à sa Puissance Maximale 1.7.1 Principe
Un GPV a des caractéristiques I-V non linéaires qui admettent un seul point de fonctionnement optimal dans des conditions d'éclairage et de température homogènes.
L'adaptation d'impédance est requise et cela peut être fait par couplage direct d'une charge appropriée ou en insérant un dispositif électronique entre le GPV et la charge électrique. Cet appareil n'est autre qu'un convertisseur statique équipé d'une commande de suivi PPM [6, 7].
Afin de concevoir une interface de puissance plus efficace, une étude détaillée des convertisseurs statiques DC-DC non isolés a été réalisée en mode conduction continue.
L'analyse porte sur le gain de courant et de tension du convertisseur, ainsi que sur les limitations des semi-conducteurs. Dans cette étude, un convertisseur élévateur de tension a été sélectionné en raison de sa conception simple et de son rapport de transformation de tension le plus élevé par rapport à d'autres topologies.
16
Après avoir déterminé la structure du convertisseur utilisé, nous présenterons certaines technologies MPPT existantes qui permettent au GPV de fonctionner à sa puissance maximale. La conception de l'étage d'adaptation équipé de l'algorithme MPPT permet d'optimiser la conversion d'énergie et de connecter facilement le GPV à sa charge.
1.7.2 Connexion directe générateur photovoltaïque-charge
Actuellement, des nombreuses applications qui ont une connexion directe entre GPV et charge existent toujours. En l'absence d'équipements électroniques, cette connexion est simple, fiable et peu coûteuse. Cependant, il ne peut garantir le transfert optimal d'énergie du GPV à la charge. Un autre inconvénient est que, comme le GPV fournit du courant continu, la connexion directe du GPV est inefficace sur les charges CA. Pour connecter le GPV à une charge alternative, un étage d'adaptation de type onduleur est nécessaire [6]. Cette configuration est illustrée à la figure 1.13 La diode unidirectionnelle entre le GPV et la charge est utilisée pour la protection. En effet, si cette charge est une batterie, elle peut être utilisée comme récepteur lorsque le module n'est pas allumé. Par conséquent, la batterie peut se décharger sur le GPV et l'endommager autrement.
Figure 1.13 : Connexion directe GPV-Charge par le biais d’une diode anti-retour.
Figure 1.14 : Points de fonctionnement d’un GPV en connexion directe pour différentes charges DC.
17
La charge CC peut être une charge purement résistive, une charge de type source de tension ou une charge de type source de courant. La figure 1.14 présente les caractéristiques I- V et P-V GPV, ainsi que les caractéristiques I-V de trois types de charges. Points opération A, B, C sont les points d'intersection des caractéristiques I-V GPV avec ces de trois types de frais. Un fonctionnement optimal est obtenu pour PPM qui répond Tension optimale Vopt et au courant optimal IOPT. Pour ces trois points, les autorisations accordées par générateur sont respectivement PA, PB, PC. Tous ces pouvoirs sont des valeurs de puissance inférieure à la puissance maximale disponible en ajoutant l'étape d'adaptation Pmax. Donc, ce problème devrait être résolu en ajoutant l'étape d'adaptation.
1.7.3 Connexion indirecte GPV-charge par le biais d’un étage d’adaptation
Comme indiqué dans la section précédente, le point de consigne peut être plus ou moins éloigné du point PPM. Ce dernier cas se produit, par exemple, lorsqu'une charge connecté au GPV, a une tension systématiquement supérieure à la tension générateur photovoltaïque en circuit ouvert (Vco). Il n'y a donc pas de transfert aucun pouvoir ne peut avoir lieu.
L'avantage d'introduire l'étape d'adaptation, comme le montre la figure 1.15 est de s'assurer que le transfert d'énergie est toujours possible et qu'il peut avoir une valeur optimale pour la source et la charge GPV.
En résumé, selon l'application et le degré d'optimisation souhaité de la production, l'étape d'adaptation entre le GPV et la charge peut consister en un ou plusieurs convertisseurs statiques qui fournissent les fonctions suivantes:
- ajuster les niveaux de tension entre la source et la charge dans une large mesure proportions si besoin (Buck, convertisseur Boost, etc.),
- introduire l'isolation galvanique (Flyback, transducteur Forward, etc.), - connecter une charge avec des besoins énergétiques alternatifs (onduleur).
Figure I.15 : Connexion d’un GPV à une charge à travers un étage d’adaptation.
18 1.8 Etages d’adaptations
1.8.1 Convertisseur Boost
Les convertisseurs DC-DC sont utilisés dans les systèmes PV pour réguler la tension générée par les modules PV. Ces convertisseurs sont utilisés dans les applications connectées au réseau (grid- connected) afin d’augmenter la tension du module. Le schéma de circuit de boost DC-DC le convertisseur est montré dans la figure 1.16 [8].
Figure 1.16 : Convertisseur boost DC-DC.
Le circuit du convertisseur comprend une inductance (L), une diode (D), un condensateur (C), une résistance de charge (RL), un interrupteur de commande (S) commandé à travers un transistor Mosfet. Ces composants sont connectés à la source de tension d'entrée (Vin) de telle manière pour augmenter la tension du circuit à la sortie. Ainsi, la tension de sortie du convertisseur élévateur dépend du rapport cyclique de l'interrupteur de commande S.
Cette tension la tension de sortie peut être modifiée en faisant varier le temps d'activation du commutateur. Ainsi, pour le rapport cyclique "D", la tension de sortie moyenne peut être calculée en utilisant l'équation:
(1.10)
Où Vin, Vo sont respectivement la tension d'entrée et de sortie du convertisseur, et D est le rapport cyclique de la commande de commutation.
Dans un circuit idéal, la puissance de sortie du convertisseur est égale à la puissance d'entrée, ce qui donne:
=> (1.11)
La valeur d'inductance et la valeur du condensateur sont calculées selon les formules données dans [8].
19 A. Sélection de l'inductance
La valeur de l'inductance du convertisseur Boost est calculée en utilisant la relation suivante:
(1.12)
où fs est la fréquence de commutation et [∆I] est l'ondulation du courant d'entrée. Le facteur d'ondulation du courant (CRF) est le rapport entre l'ondulation du courant d'entrée et du courant de sortie. Pour une bonne estimation de la valeur de l'inductance, le CRF doit être lié à moins de 30%. C’est-à-dire
(1.13)
La valeur nominale du courant d'inductance doit toujours être supérieure à celle du courant de sortie maximal.
B. Sélection du condensateur
La valeur du condensateur peut être obtenue à partir de la formule suivante : (1.14)
où est l'ondulation de la tension de sortie qui est généralement considéré comme 5% de la tension de sortie qui donne :
(1.15)
1.9 La commande MPPT
La commande MPPT (Maximum Power Point Tracking) est une commande essentielle pour un fonctionnement optimal du système photovoltaïque. Le principe de cette commande est basé sur la variation automatique du rapport cyclique α en l'amener à la valeur optimale afin de maximiser la puissance délivrée par le panneau PV.Il existe plusieurs algorithmes dans ce domaine, nous nous limitons à deux études Perturb&Observ (P&O) et Incrément de conductance (IncConductance); Pour une meilleure compréhension des performances de ces commandes, nous rappelons brièvement leurs différents principes dans les paragraphes suivants [2, 6,7,8] .
1.9.1 Algorithme Perturber et Observer (P&O)
C'est l'algorithme de suivi PPM le plus utilisé, et comme son nom l'indique, il est basé sur la perturbation du système en augmentant ou en diminuant 𝑉𝑟𝑒𝑓 où en agissant directement sur le rapport cyclique du convertisseur DC / DC, puis en observant l'effet sur la puissance de sortie de le panel. Si la valeur de la puissance actuelle P (k) du panneau est
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supérieure à la valeur précédente P (k-1), alors nous conservons le même sens de perturbation précédente sinon nous inversons la perturbation du cycle précédent.
En résumé, si suite à une perturbation de tension, la puissance PV augmente, la direction de la perturbation est maintenue. Sinon, il est inversé pour reprendre la convergence vers le nouveau PPM.
Figure 1.17 : Recherche du PPM par la méthode (P&O).
Figure 1.18 : Organigramme de la méthode P&O.
21
1.9.2 Algorithme d'incrémentation de la conductance
La commande MPPT essaye de faire monter le point de fonctionnement (PF) du GPV le long de la caractéristique P-V jusqu’à atteindre le PPM. Elle permet la recherche du PPM en se basant sur l'égalité de la conductance et de l'incrémentation de la conductance (Figure1.19).
Cet algorithme nécessite la connaissance de la valeur initiale du PF (Vref ) et le pas de mise à jour de la tension de référence ( ΔV) (Figure 2.20).
La puissance maximale est obtenue lorsque la dérivée de la puissance du GPV par rapport à la tension s’annule comme suit:
(1.16)
En comparant la conductance et l'incrément de la conductance, trois positions du PF peuvent être distinguées comme le montre la figure ci-dessous.
Figure 1.19 : Caractéristique de fonctionnement de la méthode IncCond.
On a les trois conditions suivantes :
à (1.17)
22
L’avantage de cet algorithme est la précision et la vitesse de recherche du PPM quand les conditions atmosphériques changent rapidement. Ceci peut être une solution au problème de l’algorithme P&O .Mais cet algorithme présent des difficultés de mise en œuvre due à la complexité du circuit de commande et le calcul en temps réel de la dérivée nécessite un processeur de calcul rapide [6]. Autrement dit, l’exécution de la commande IncCond nécessite plus de temps par rapport à la méthode P&O. Pratiquement, même l’algorithme IncCond présente des oscillations autour du PPM.
Une comparaison sur le rendement MPPT entre les deux techniques les plus utilisées P&O et IncCond est donnée par la référence [6]. Le résultat trouvé est de 89,9% pour IncCond contre 81,5% pour P&O.
Figure 1.20 : Organigramme de la méthode IncCond.
23 1.10 Techniques de la commande PWM
Les techniques de la commande PWM (Pulse Width Modulation), appelée aussi modulation de largeur d’impulsions sont multiples. Cependant quatre catégories ont été développées et sont donnée comme suit [9] :
1/ Les modulations sinus-triangle effectuant la comparaison d’un signal de référence à une porteuse, en général triangulaire.
2/ Les modulations pré-calculées pour lesquelles les angles de commutation sont calculés hors ligne pour annuler certaines composantes du spectre harmonique.
3/ Les modulations post-calculées encore appelées PWM régulières symétriques ou PWM vectorielles dans lesquelles les angles de commutation sont calculés en ligne.
4/ Les modulations stochastiques pour lesquelles l’objectif fixé est le blanchiment du spectre (bruit constant et minimal sur l’ensemble du spectre). Les largeurs des impulsions sont réparties suivant une densité de probabilité.
Le développement considérable de la technique de modulation de largeur d’impulsion ouvre une large étendue d’application dans les systèmes de commande et beaucoup d’autres fonctions. Elle permet une réalisation souple et rentable des circuits de commande des hacheurs.
1.10.1 Principe de la commande PWM
Le principe de base de la commande PWM est fondé sur le découpage d’une onde rectangulaire. Ainsi la tension de sortie est formée par une succession de créneau d’amplitude égale à la tension continue d’alimentation et de largeur variable. La technique la plus répandue pour l’obtention d’un signal PWM est de comparer deux signaux :
1/ Le premier, appelé signal de référence, est un signal continu qui varie entre deux seuils définis en fonction de l’application.
2/ Le second, appelé signal de la porteuse, définit la cadence de la commutation des interrupteurs statiques du convertisseur. C’est un signal de haute fréquence par rapport au signal de référence.
Ainsi, l’intersection de ces signaux donne les instants de commutation des interrupteurs La commande (PWM) est le moyen le plus efficace pour obtenir une tension désiré constante et en plus d’exploiter la puissance maximum du panneau solaire en ajustant le rapport cyclique (α) des commutateurs (MOSFET). Les paramètres de conception et les valeurs des composants du convertisseur élévateur DC-DC sont présentés dans le tableau 1. la fréquence de fonctionnement du commutateur (fs) est considérée comme 10 kHz. Les paramètres du DC-DC boost_ converter (Tableau 1.2) sont calculés suivant les relation 1.10 , 1.12 et 1.14 précédentes.
