MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées
Département de Génie mécanique
Projet de Fin d’Etude Master
Présenté pour obtenir le diplôme de MasterFilière : Génie mécanique
OPTION : EnergétiqueThème
Réaliser par :
Tarek TAS
Mohammed SELLAM
Devant le jury composé de :
Promotrice : Mme . BAGHDADI.F Université de Bouira Examinateurs :
Mr : MERZOUK .M Université de Bouira
Mr : AHMANACHE .A Université de Bouira
Analyse d’une installation de pompage
photovoltaïque appliquée à un site agricole
Remerciement
En premier lieu, nous remercions avant tous le Dieu de
nous avoir donné le courage, la patience et la volonté pour
achever ce modeste travail.
Nous
adressons nos remerciements à tous ceux, qui de près
ou de loin, qui ont contribué et participé à réaliser ce
mémoire.
Tarek TAS
Dédicace
Grace Allah....
Je dédie ce laborieux et modeste travail à mes chers
parents à mes frères et à toute la famille.
A tous mes amis de promotion 2 année master génie
mécanique Spécialité : ENERGETIQUE.
A toutes les personnes qui de près ou de loin pour la
réalisation de ce travail.
Dédicace
Je dédie ce projet de fin d’étude :
A ce qu’est toujours mon meilleur exemple dans la vie :
Mon père pour les sacrifices, qu’il a consentis pour mon
Avenir et pour son soutien moral qu’il n’a ceci d’offrir, et
Pour ses encouragements continus.
A mes très chers parents
A mes sœurs et à leurs enfants
A mes frères et à leurs enfants
A toute ma famille
A tous mes amis : Tarek, Mohammed,
Adel Chanan, Sid Ali (h), Ahmad et smail. Pour les
Moments que Nous avons passé ensembles.
A tous ceux que j’aime.
Sellam mohammed
Introduction générale
Introduction générale……….22
CHAPITRE I L’ENERGIE SOLAIRE
I-1 Introduction………..25I-2 Mouvement de la terre-soleil………..25
I-3 Notions d’astronomie………...27
І-3-1 Repère des coordonnées géographiques terrestres………..27
І-3-2 Les coordonnées équatoriales……….27
І-4 Repère des coordonnées horizontales (azimutales)……….29
І-4-1 La hauteur du soleil (h)………..29
І-4-2 L’azimute(a)………30
І-5 Angle d’incidence sur un plan quelconque………..30
І-5-2 Son azimut………30
I-6 Caractéristique du rayonnement solaire………..31
I-6-1 Généralité………..31
І-6-2 Nature du rayonnement solaire……….…….32
I-6-3 Le rayonnement solaire extraterrestre ou hors atmosphère……….………..33
I-6-4 Absorption de rayonnement solaire ……….…….33
I-6-5 Distribution du rayonnement solaire par l’atmosphère………..34
I-7 Durée d’insolation………36
I-8 Irradiation solaire………...36
I-9 Appareils de mesures du rayonnement solaire………36
I-9-1 L’héliographe de Campbell-Stockes ……….36
I-9-2 Le Pyromètre………37
I-9-3 Le Pyrhéliométre……….37
I-9-5 L’Albedométre……….….37
I-10 Gisement solaire………37
I-10-1 Gisement solaire mondial………..37
I-10-2 Potentiel solaire en Algérie………38
I-11 Conclusion………..39
CHAPITRE II ANALYSE DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUE
II-1 Introduction……….…41II-2 Le générateur photovoltaïque GPV……….….41
II-2-1 Historique……….…41
II-3 Définition d’une cellule solaire PV ou l’effet photovoltaïque……….…..42
II-4 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque………....42
II-5 Type des systèmes photovoltaïques……….….43
II-5-1 Systèmes hybrides……….…..44
II-5-2 Systèmes connectés au réseau………...44
II-5-3 Système photovoltaïque de pompage d’eau ( Système autonome)………….…45
II-6 Les différents types de module photovoltaïque (cellules PV)………....46
II-6-1 Le module au silicium monocristallin……….….46
II-6-2 Le module au silicium poly cristallines………47
II-6-3 Le module au silicium amorphe……….…47
II-7 Le module photovoltaïque……….……...….48
II-7-1 Association en série……….………48
II-7-2 Association en parallèles……….………48
II-8 Paramètres électriques d’un module photovoltaïque……….49
II-8-1 Courant de court-circuit (Icc)……….…49
II-8-2 Tension de circuit ouvert (Uco)……….….49
II-8-4 Facteur de forme FF……….49
II-8-5 Efficacité ou rendement ŋ………...49
ІI-9 Caractéristique courant-tension………..50
ІI-10 Puissance et facteur de forme………51
ІI-10-1 Le facteur de forme ……….52
ІI-10-2 Rendement énergétique………..52
II-11 Effet de l’éclairement ………53
II-12 Influence de la température………....54
II-13 Les types de pose des panneaux photovoltaïques………55
II-13-1 Panneaux photovoltaïques sur toit incliné………...55
II-13-2 Panneaux photovoltaïques sur toit plat………...55
II-13-3 Panneaux photovoltaïques sol sur structure……….56
II-13-4 Panneaux photovoltaïques sur suiveur solaire (ou tracker solaire)....……...56
II-13-5 Panneaux photovoltaïques sur façade………...…57
II-14 Orientation et inclinaison des modules………..58
II-15 Les avantages et inconvénients de l'énergie photovoltaïque………...…59
II-14-1 Les avantages du photovoltaïque………59
II-14-2 Les inconvénients du photovoltaïque……….……...59
II-16 Conclusion………...59
Chapitre II Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
III-1 Introduction………61III-2 Généralité………61
III-3 Principe de fonctionnement………...62
III-4 Constitutions d’un système de pompage PV………....63
III-4-1 Générateur photovoltaïque ………..64
III-4-2-1 Les pompes……….65
III-4-2-2 Les types de pompes……….66
III-4-2-3 Classification selon la position de pompe………..69
III-4-2-2 Les moteurs électriques………...70
III-4-3 L’électronique de commande et de contrôle………72
III-4-4-1 L’onduleur ……….………72
III-4-4-2 La batterie……….…... 73
III-4-4-3 Le régulateur de charge………..73
III-4-4 La partie stockage………...…74
III-5 Les techniques de pompages PV………...74
III-5-1 Pompage « au fil du soleil (sans batterie) »……….74
III-5-2 Pompage avec batteries………..75
III-6 Conclusion………...76
CHAPITRE VI Installation d’un system PV Appliquée sur le site agricole
IV-1 Introduction………78IV -2 Dimensionnement complet de l’installation PV……….78
IV-2-1 Estimation des besoins en eau………....78
IV-2-3 Détermination de l’énergie solaire disponible………..79
IV-2-4 Choix de composante………...79
IV-2-4-1 Choix de réservoir d’eau………..79
IV-2-4-2 Choix de la pompe………..79
IV-2-4-3 Choix Taille du générateur PV………...82
IV-2-4-4 Choix Le convertisseur DC/AC (onduleur)………...84
IV-3 Simulation par PVsyst……….84
IV-3-1 Présentation de PVsyst……….84
IV-3-3 Conception du projet………85
IV-3-4 Présentation de projet………...86
IV-3-5 Données géographique de site………..86
IV-3-6 Coordonnée géographique………...87
IV-3-7 Données météorologiques……….87
IV-3-8 Conception de projet……….88
IV-3-9 Les étapes de conception d’un système de pompage photovoltaïque………..89
A-1 Définition d'un profil de l'horizon………..……….89
A-2 Orientation des modules PV………89
A-3 La définition des besoins de l'utilisateur………90
A-3-1 Circuit hydraulique de pompage……….90
A-3-2 Détermination de la puissance hydraulique ………..92
A-4 Choix de la pompe………..……....93
A-5 Choix Le convertisseur (onduleur)………...95
A-6 Taille du générateur PV………96
A-6-1 Le type de module PV pour l’application similaire………....96
A-6-2Nombres de modules………...…..98
A-6-3 Nombre de modules en série……….. 98
A-6-4 Nombre de modules en parallèle………...99
IV -4 Evolution de la puissance en fonction de la tension………..99
IV-5 Influence de l’éclairement sur les caractéristiques externes du module………100
IV-6 Influence de rayonnement globale incident sur efficacité par des températures déférentes. ………...………...………...100
IV-7 L’exécution de la simulation……….101
IV-8 Maintenance et instruments de mesure ………...…….……..108
CONCLUSION GENERALE
En raison de la détérioration des prix du pétrole, il est devenu nécessaire de rechercher des sources alternatives. L'énergie solaire est l'une des sources alternatives les plus importantes et présente de nombreux avantages et peut être utilisée dans divers domaines tels que l’agriculture.
La situation géographique de l'Algérie favorise le développement des usages de l'énergie solaire en raison de l'intensité et de la durée du rayonnement solaire.
Grâce à ces caractéristiques, notre pays est en mesure de couvrir ses besoins énergétiques en développant le domaine des systèmes photovoltaïques, notamment les systèmes de pompage d'eau.
Ce mémoire vise à concevoir calculer un système de pompage d'eau fonctionnant avec un système photovoltaïque et répondant aux besoins de la région agricole de Tamanrasset.
Mots clés : L'énergie solaire, système photovoltaïque, systèmes de pompage d’eau, rayonnement solaire, agricole.
: صخلم ارضن روهدتل راعسا لورتبلا , حبصا نم ا يرورضل ثحبلا نع رداصم ةلٌدب , ربتعت ةقاطلا ةٌسمشلا نم مها رداصملا ةلٌدبلا و اهل تازٌمم ةرٌثك و نكمٌ اهلامعتسا ًف تلااجم ةفلتخم ةعارزلاك . امك نا عقوملا ًفارغجلا رئازجلل ززعٌ رٌوطت تلاامعتسا ةقاطلا ةٌسمشلا ارظن ةفاثكل ةدمو عاعشلاا ًسمشلا . لضفب هذه تاٌصاخلا , عٌطتست اندلب ةٌطغت اهتاجاٌتحا ةٌوقاطلا كلذو رٌوطتب لاجم ةمظنلأا ةٌئوضورهكلا ةصاخو ةمضنا خض هاٌملا . فدهت هذه ةركذملا ىلا مٌمصت باسحو ماظن خض ًئام لمعٌ ماظنب ًئوضورهك بٌجتسٌو تاٌجاحل ةقطنملا ةٌعارزلا تسارنمتب . تاملكلا ةيحاتفملا : ةقاطلا ةٌسمشلا ، ماظنلا ًئوضورهكلا ، ةمظنأ خض هاٌملا ، عاعشلإا ًسمشلا ، ةعارزلا . Abstract
Due to the deterioration of oil prices, it has become necessary to look for alternative sources. Solar energy is one of the most important alternative sources and has many advantages and can be used in various fields such as agriculture.
Thanks to these characteristics, our country is able to cover its energy needs by developing the field of photovoltaic systems, in particular water pumping systems.
This note aims to design and calculate a water pumping system operating with a photovoltaic system and meeting the needs of the agricultural region of Tamanrasset.
Keywords: Solar energy, photovoltaic system, water pumping systems, solar radiation, agriculture.
Liste des tableaux
Indice Mot clé Unité
Photovoltaïque /
Générateur photovoltaïque /
Le maximum du point de puissance / Latitude /
Longitude /
La déclinaison /
Le numéro d’ordre du jour de l’année / L’angle horaire / Temps Solaire Vrais / Temps universel / Temps solaire moyen / Le temps légal / E Décalage de faiseur horaire / E Décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich /
Hauteur [m]
L’azimute / Angle d’incidence sur un plan quelconque / Angle d’inclinaison des modules photovoltaïques / L’énergie élémentaire / La constante de Planck /
La vitesse de la lumière [m/s]
La longueur d’onde [μm]
CC Courant électrique continu [A]
P Dopé au bore [v]
FF Facteur de forme /
Point de puissance maximale [W] Efficacité ou rendement /
Tension imposé à la diode [V] Constante de Boltzmann /
Charge de l’électron / Température [K]
Courant de saturation de la diode / La photo courant /
Puissance nominale [w]
L’éclairement [w/m²]
S Surface de la cellule ou du module [m²]
Température [K]
Le courant électrique [A]
Le courant du générateur photovoltaïque / La tension du générateur photovoltaïque /
Les nombres des modules en parallèle / Les nombres des modules en série / Hauteur manométrique total DC Direct Current / AC Courant Alternatif /
V Tension [V] L’énergie hydraulique nécessaire [w] Energie hydraulique de la pompe [pa]
Le débit [ ]
Débit volumique [ ] Hauteur géométrique
Niveau dynamique [m] Débit horaire [ ] Le nombre d’heures d’ensoleillement maximal d’utilisation journalier [h] Le volume d’eau besoin
Diamètre La puissance électrique d’entrée [w] Le rendement de l’onduleur /
Puissance nominale générateur PV [Wc]
Energie journalier consommée par l’installation [Wc]
Irradiation journalier moyenne du mois [kwh/m²*jr]
Coefficient correcteur / Le nombre total de modules /
Puissance nominale de PV [w] Puissance du champ [w]
La tension nominale de la charge (l’onduleur) [A]
La tension nominale du module [A]
Nombre de modules en parallèle / Nombre de modules en série /
Page 22
Introduction générale
A cause de l’augmentation brutale du prix du pétrole, l’Algérie n’était pas s’intéresser à l’autre énergie renouvelable, avec une superficie de 2.381.741 km², elle offre des potentialités intéressantes, notre pays dispose d’un potentiel énergétique solaire très élevé. Pour investir dans de nombreux projets et de programmes qui contribuent au développement des énergies renouvelables, principalement l’énergie solaire.
Aujourd’hui l’énergie électrique est très demandé dans notre vie, nos besoins et devient essentielle pour les sites agricole isolés (région saharienne, région montagneuse), l’énergie solaire photovoltaïque constitue la solution la plus avantageuse.
L’utilisation photovoltaïque de l’énergie solaire consiste à convertir directement le rayonnement lumineux en électricité sous forme courant continu, grâce à l’onduleur qui permet de convertir le courant continu à courant alternatif utilisable pour l’alimentation du pompage photovoltaïque. Pour cette raison, l’étude présentée est rédigée en principaux chapitre qui se résument comme suit :
Dans le premier chapitre on va définir quelques notions sur le gisement solaire comme la géométrie solaires, les données astronomiques, le rayonnement global et le spectre solaire, pour déterminer la position du soleil, la quantité effective de la densité du flux solaire incident dans la région désertique et définir Appareils de mesures du rayonnement solaire qui permet d’assure la mesure du rayonnement global, Rayonnement diffus Rayonnement direct et Rayonnement réfléchi.
Le deuxième chapitre on va présenter une étude générale sur le système d’énergie solaire photovoltaïque (GPV) avec leurs caractéristiques électrique de base et leurs fonctionnement ainsi que les effets de l'éclairement et de la température, Type des systèmes photovoltaïques et Les différents types de module photovoltaïque.
Le troisième chapitre on va présenter une étude générale sur le système pompage photovoltaïque autonome avec leurs fonctionnements et les différentes méthodes de pompage et les constitutions d’un système(PV).
Le quatrième chapitre a été entièrement consacré à une étude pratique de ce type de pompage d’eau sur le site Tamanrasset. Nous avons réalisé un dimensionnement complet d’un system de pompage PV fonctionnant par la méthode dit « au fil du soleil (sans batterie) » ainsi
Page 23 qu’une simulation ave logiciel PVsyst7 pour avoir l’influence des différents paramètres météorologique sur les caractéristiques du panneau photovoltaïque.
Page 25
I -1 Introduction
:
Le soleil est la source essentielle de tout rayonnement reçu par la terre, ce dernier lui procure l’énergie, la chaleur et la lumière qui sont nécessaires à toute forme de vie. Pour cette raison on va définir dans ce premier chapitre quelques notions sur l’énergie solaire comme la géométrie solaires, les données astronomiques, les type de rayonnement et le spectre solaire, Pour déterminer la position du soleil, la quantité effective de la densité du flux solaire incident dans la région désertique et définir Appareils de mesures du rayonnement solaire qui permet d’assure la mesure du rayonnement global, Rayonnement diffus Rayonnement direct et Rayonnement réfléchi.
Le soleil est une source d’énergie. Cette énergie permet de fabriquer de l'électricité à partir des panneaux photovoltaïques ou des centrales solaires thermiques, grâce à la lumière du soleil captée par des panneaux solaires. L’énergie solaire est propre, n'émet aucun gaz à effet de serre et sa matière première, le soleil bien que distant de plus de 150 millions de kilomètres de nous .Cette distance varie peu au cours de l'année (+/- 1.65 %) car l'excentricité de l'orbite terrestre est peu accentuée (e= 0.017), d’où la terre suit une révolution elliptique autour du soleil (en réalité elle est légèrement circulaire). La période de révolution est définie a une année .L’angle entre l’axe de rotation de la terre et le plan écliptique est de 66.55°, ce qui donne un angle de 23.45°entre l’équateur et le plan de l’écliptique. [1] [2]
I -2 Mouvement de la terre-soleil :
Toute application solaire nécessite la connaissance du mouvement apparent du soleil pour un point donné de la surface terrestre, caractérisé par sa latitude (positive pour l’hémisphère Nord) et sa longitude (définie par rapport au méridien de Greenwich, positivement vers l’Est).[3] [4]
Si l’on distingue sur un papier les différentes positions de coordonnées équatoriales qu’occupe la terre durant toute l’année dans la sphère céleste, et qui joint ces points d’un trait continu, on obtient un cercle appelé l’écliptique. Figure
(I-1).
[2]Page 26 Figure (I-1): Mouvement de la terre autour du soleil. [2]
Le soleil décrit un cercle centré sur l’axe de rotation de la terre, déplacé à un angle δ par rapport au plan parallèle à l’équateur. Pour l’observateur terrestre, en considérant la déclinaison comme constante sur une journée, le soleil décrit un cercle autour de l’axe de rotation de la terre. Ce cercle est parallèle au plan de l’équateur, et sa hauteur apparente sur ce plan donné par la déclinaison.
Au cours de la journée, l’instant où le soleil passe par le méridien du lieu de l’observateur c'est-à-dire où il est au sud dans notre hémisphère est le midi « vrai ». Pour un instant quelconque, l’angle horaire AH est l’angle projeté sur le plan de l’équateur, entre le soleil et le midi vrai, il vaut 15° par heure (360°/24h) [3] [4]. A position du soleil est définie par deux angles : sa hauteur HS l’angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu, et son azimut AZ, l’angle avec la direction du sud, compté négativement vers l’est (sens anti trigonométrique dans l’hémisphère Nord). Figure (
I-2
).Page 27
I-3 Notions d’astronomie:
І-3-1 Repère des coordonnées géographiques terrestres : [2]
Ce sont les coordonnées angulairespour le repérage d’un site à la surface terrestre: a) Latitude (ϕ) :
Une des coordonnées terrestres d’un point de notre planète. C’est l’angle que fait le plan de l’équateur avec la direction reliant le centre de la terre au point considéré. Sa valeur est positive dans l’hémisphère nord et négatif dans l’hémisphère sud.
b) Longitude (L) :
Une des coordonnées terrestres d’un point de notre planète. C’est l’angle que fait le méridien local passant par le point considéré avec le méridien d’origine passant par la ville de Greenwich. Sa valeur est positive à l’ouest et négative à l’est de la méridienne origine.
c) Le méridien :
Grand cercle de la terre passant par les pôles. Tous les points d’un même méridien ont évidemment la même longitude, le méridien pris pour origine (0°) des longitudes est celui de Greenwich. Le plan méridien en un lieu est déterminé par ce lieu et par l’axe des pôles. Le temps solaire vrai est identique, à un instant donné, pour tous les points d’un même méridien.
Figure (I-3) : Les coordonnées géographiques terrestres. [2]
І-3-2 Les coordonnées équatoriales : [2]
І-3-2-1 Repère des coordonnées équatoriales :Les coordonnées équatoriales sont indépendantes de la position de l’observateur sur la terre, mais elles sont liées à l’heure de l’observation. La position du soleil est exprimée par deux angles qui sont la déclinaison δ et l’angle horaire ω.
Page 28 a) La déclinaison ( ) :
C’est l’angle que forme la direction du soleil et le plan équatorial. La déclinaison varie de façon sinusoïdale au cours de l’année comme.
L’expression est donnée par :
δ = 23.45 sin [2 ( )] (I -1)
Où n : est le numéro d’ordre du jour de l’année (n=1 pour le 1er Janvier, n=32 pour le 1er Février,...etc.). La déclinaison varie entre -23,45° le 21 décembre et +23,45° le 21 juin.
b) L’angle horaire ( ) :
L'angle horaire ( ) du soleil est déterminé par la rotation diurne de la terre autour de son axe. Cet angle est exprimé en (°) et est donné par l’expression Suivante : [5]
(I -2) Où TSV est le temps solaire varié.
Figure(I.4): Coordonnées horaire. [6] І-3-2-2 Equation du temps : [2]
a) Temps solaire vrais :
Le temps solaire vrai est définie partir de la relation de la rotation de la terre. = (I -3)
Page 29 b) Temps universel ( ) :
Le temps universel est le temps solaire moyen du méridien de Greenwich. Le temps solaire moyen d’un lieu de longitude L (comptée positivement vers l’ouest) est lié au temps universel par :
(I -4)
Deux points de la surface terrestre séparés par 1° de longitude voient passer le soleil à leurs méridiens avec 4mn de différence.
c) Le temps légal :
Le temps légal TL à l’intérieur d’un état est en général le temps du fuseau horaire mais il peut en différer pour des raisons de commodité (heure d’été par exemple) :
E (I -4)
E : décalage de faiseur horaire
E : décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich. (Egale 1 pour l'Algérie).
d) Temps solaire moyen :
Il est appelé parfois le temps local ( ).
(I -5) Avec :
: Équation du Temps. Elle est donnée par :
(I -6) (I -7)
І-4 Repère des coordonnées horizontales (azimutales) : [2]
Dans ce système de coordonnées, l’observateur est définie comme état le point d’origine de tout le système projeté auteur de lui une sphère imaginaire sur laquelle tous les étoiles viennent se colles (sphère céleste).le soleil est repère que l’azimute (0) et la hauteur (h). І-4-1 La hauteur du soleil (h) : [7]
C’est l’angle formé par la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal. Il est donné par la relation suivante :
Page 30 , et sont respectivement la latitude du lieu, la déclinaison du soleil et l'angle horaire. De la hauteur , on peut déduire les heures de lever et de coucher de soleil.
І-4-2 L’azimute(a) : [7]
C’est l’angle compris entre la projection de la direction du soleil sur le plan horizontal et le sud. L’azimut est compté positivement vers l’ouest et négativement vers l’est. Il est donné par la relation suivante :
(I -9)
І-5 Angle d’incidence sur un plan quelconque : [2]
On se propose de calculer l’angle θ entre un rayon arrivant directement du soleil et la normale à un plan quelconque, l’orientation de la surface est précisée par :
І-5-1
Son inclinaison
: L’angle d’inclinaison correspond à l’angle formé par le plan du module solaire par rapport à l’horizontale.Figure(I.5): Angle d’inclinaison des modules photovoltaïques. [8]
L’évolution de la trajectoire du soleil variant selon les saisons, l’angle d’inclinaison (pour un module photovoltaïque n’étant pas muni d’un système rotatif) est plus réduite en été et plus importante en hiver. L’inclinaison d’un module photovoltaïque par rapport à l’horizontale est donnée par la relation suivante [9]:
(I -10) Avec :
: Latitude du lieu.
: Nombre de jour entre l’équinoxe de printemps (21 mars de chaque année) et le jour considéré.
Page 31 І-5-2 Son azimut : c’est-à-dire l’angle entre la normale au plan et le plan méridien (compté comme précédemment, positivement vers l’ouest et négativement vers l’est).
I-6 Caractéristique du rayonnement solaire :
I-6-1 Généralité :Après son voyage dans l'espace le rayonnement solaire atteint l'atmosphère, une certaine quantité de ce rayonnement est absorbée par l'atmosphère, les nuages et les particules en suspension dans l'atmosphère, une autre partie est réfléchie dans l'espace et une certaine quantité est absorbée par la surface de la terre.
La surface de la terre renvoie aussi une certaine partie sous forme d'un rayonnement de différentes longueurs d'ondes en raison de la température superficielle de la terre. Environ 70% du rayonnement solaire total reste dans la surface de la terre et dans l'atmosphère. La rotation de la terre autour de son axe produit des variations horaires dans l'intensité du rayonnement reçue par un emplacement donné pendant le jour et aboutit même à l'extinction complète pendant la nuit.
En passant par l'atmosphère, le rayonnement solaire est partiellement dispersé dans toutes les directions, partiellement absorbé et partiellement réfléchie, par les gaz atmosphériques, les aérosols et les gouttelettes de nuage.
Le rayonnement dispersé atteignant la surface de la terre constitue ce qu'on appelle le rayonnement diffus. À nouveau, une partie de ce rayonnement diffus revient en arrière dans l'espace, alors qu'une partie atteinte la surface de la terre sous forme d'un rayonnement, direct, diffus et réfléchi, (Figure I-6).
Le rayonnement direct comme son nom l'indique est le rayonnement solaire reçu à n'importe quel point sur terre directement du soleil sans aucune perturbation. Le rayonnement réfléchi est principalement renvoyé par la surface réceptrice, cette composante est plus importante dans des régions saharien. La quantité de rayonnement solaire atteignant n'importe quel point de la surface de la terre dépend de la position de ce point, du moment de l'année, de la diffusion atmosphérique, de la couche des nuages et de la forme et la réflectivité de la surface réceptrice. [10]
Page 32 Figure (I-6): Composantes du rayonnement solaire. [7]
І-6-2 Nature du rayonnement solaire : [10] [11]
L’énergie émise par le soleil nous parvient sous forme de rayonnements électromagnétique propageant à la vitesse de la lumière et dont l’ensemble forme le rayonnement solaire, qui constitue la seule source externe notable d’énergie pour l’atmosphère. La théorie corpusculaire de Max Planck prévoit que tout rayonnement de fréquence (v) peut être considéré comme un flux de photons dont l’énergie élémentaire (E) est directement proportionnelle à cette fréquence.
(I -11) Où :
: est la constante de Planck. : La vitesse de la lumière. : La longueur d'onde.
Page 33 Figure (I-7) : Analyse spectrale du rayonnement solaire. [11]
I-6-3 Le rayonnement solaire extraterrestre ou hors atmosphère:
Le soleil émet une énergie sous forme d’un rayonnement électromagnétique. Le rayonnement émis par le soleil constitue un spectre allant des ultraviolets à l’infrarouge en passant par le spectre visible ou il émet un maximum d’énergie. Le rayonnement solaire parvient à la limite de l’atmosphère terrestre après un trajet dans l’espace d’environ D0= 150.000.000 km, effectué en 8 minutes. La quantité de radiation solaire reçue sur une surface normale hors de l’atmosphère terrestre à la distance moyenne D0 entre la terre et le soleil est appelé constante solaire I0= 1367w/m². Ceci est connu sous le nom de « Constante solaire » [2]. Cependant, la distance de la terre au soleil n’est pas constante tout au long de l’année, il en résulte que le rayonnement extraterrestre oscille par un pourcentage de 30%. [12]
I-6-4 Absorption de rayonnement solaire :
L’absorption du rayonnement solaire est sélective et dépend principalement de quatre éléments qui sont : [13]
1- Ozone (O3) : Il absorbe des bandes fortes entre 0.2 et 0.3 μm, des bandes faibles de
0.45 à 0.7 μm et deux bandes IR à 10 et 14 μm.2- Oxygène (O2) : Il absorbe des bandes étroites du spectre visible (vers 0.69 et 0.76μm). 3- Gaz carbonique (Co2) : Il absorbe des une partie de l’infrarouge lointain (λ>2μm). 4- Vapeur d’eau : qui entraîne des bondes d’absorption multiples surtout dans l’IR.
Page 34 I-6-5 Distribution du rayonnement solaire par l’atmosphère :
1- Le rayonnement solaire au sol :
Afin de quantifier l’énergie développée par le générateur photovoltaïque dans une application donnée, il est nécessaire de connaître le spectre du rayonnement solaire reçu sur sol. En effet, quatre types de rayonnement ont été répertoriés dans la littérature. [14][15]
Figure (I.8) : Le rayonnement solaire.[14][15] 2- Le rayonnement direct :
La conversion du rayonnement direct est une question trigonométrique. Le rayonnement direct, sur le plan horizontal, est la différence entre le rayonnement global et le rayonnement diffus.
3- Le rayonnement diffus :
Il est dû à l’absorption et à la diffusion d’une partie du rayonnement solaire global par l’atmosphère et à sa réflexion par les nuages et les aérosols.
4- Le rayonnement réfléchi ou l’albédo du sol :
C’est le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige, etc.…).
5- Le rayonnement global :
Le rayonnement global est subdivisé en rayonnements directs, diffus et reflété par le sol. Dans la figure ci-dessous figure (
I-
9) est schématisé l’ensemble des rayonnements solaires sur une surface terrestre.Page 35 Figure (I-9): Types de rayonnement solaire reçus au sol. [2]
L’intensité du rayonnement solaire reçu sur un plan quelconque à un moment donné est appelée irradiation ou éclairement (noté généralement par la lettre G), il s’exprime en watts paramètre carré (W/m²). La valeur du rayonnement reçu par la surface du module photovoltaïque varie selon la position de ce dernier. Le rayonnement solaire atteint son intensité maximale. Lorsque le plan du module photovoltaïque est perpendiculaire aux rayons.[14] [15]
Dans la figure (I-10) ci-après est illustré l’effet de l’inclinaison des modules photovoltaïques sur l’intensité de l’éclairement reçu sur leurs surfaces du lever au coucher du soleil.
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I-7 Durée d’insolation :
La durée d’insolation correspond au nombre d’heures dans la journée, entre le lever et le coucher du soleil, où celui-ci est bien visible.
Le relevé est fait au moyen de l’héliographe de Campbell− Stokes dans lequel une sphère de cristal concentre les rayons du soleil sur un papier qu’il brûle en se déplaçant. Ainsi, seuls les moments où le soleil est biens visible sont enregistrées ; on parle alors de durée d’insolation réelle ou effective et dépend du fait que le soleil levé soit visible du point d’observation ou caché par les nuages.
Au défaut de l’héliographe, il est possible à partir du calcul du mouvement astronomique relatif du soleil et de la terre d’évaluer la durée théorique du jour ; c’est-à-dire, celle qu’il y aurait si les nuages ne cachaient pas le soleil. Cette durée est calculée en fonction de la latitude du site et de la déclinaison apparente qui‟ elle-même dépend de la période de l’année considérée. [16][17]
I-8 Irradiation solaire :
L’irradiation (Ensoleillement ou éclairement) est définie comme une puissance reçue par une surface. Il s'exprime en W/m² (watt par mètre carré).
L'irradiation ou rayonnement est l'énergie reçue par une surface. Elle s'exprime en (J /m²) (Joule par mètre carré). Le rayonnement qui atteint le niveau de la mer à midi dans un ciel clair est de 1000 Wh/m².
D'autres unités plus courantes sont le Wh/m² (wattheure par mètre carré) Signalons que, l’irradiation solaire dépend de :
- l’orientation et l’inclinaison du panneau solaire.
- la latitude du lieu et son degré de pollution. - la période de l’année.
- l’instant considéré dans la journée. - la nature des couches nuageuses.
I-9 Appareils de mesures du rayonnement solaire : [18] [2]
I-9-1 L’héliographe de Campbell-Stockes :L’héliographe de Campbell-Stockes permet de mesurer avec une résolution de six minutes la durée d'ensoleillement quotidienne.
Page 37 I-9-2 Le Pyranométre :
C'est le capteur le plus fréquemment utilisé pour mesurer le rayonnement global ou diffus. I-9-3 Le Pyrhéliométre :
C’est un instrument destiné à la mesure de l'intensité du rayonnement solaire direct. I-9-4 Le Spectroradiométre :
Mesure la répartition spectrale du rayonnement solaire et fourni la densité spectrale de l’éclairement énergétique.
I-9-5 L’Albedométre :
Mesure l’albédo qui est définie par le rapport du rayonnement réfléchi au rayonnement global on utilise deux pyromètres opposés à l’horizontal.
I-10 Gisement solaire :
I-10-1 Gisement solaire mondial : [19]
L’énergie solaire reçue est inégalement répartie dans le monde. Dans les régions les plus chaudes du globe, l’ensoleillement annuel peut atteindre 2 300 kWh/m².an (Energie reçue par une surface de 1 m² pendant une année). En Europe centrale l’ensoleillement moyen est de 1100 kWh/m².an.
Figure (I-11) : Moyenne annuelle du Rayonnement solaire journalier sur un plan horizontal.[19]
Page 38 I-10-2 Potentiel solaire en Algérie : [13]
L’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus importants du monde. La durée d’insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les 2000 heures annuellement et atteint les 3900 heures (hauts plateaux et Sahara). L’énergie reçue quotidiennement sur une surface horizontale de 1 m² est de l’ordre de 5 kWh sur la majeure partie du territoire national, soit près de 1700 kWh/m²/an au Nord et 2263 kWh/m²/an au sud du pays.
Une évaluation par satellite, effectuée par l’agence spatiale allemande, a montré que l’Algérie possède le potentiel solaire le plus important de tout le bassin méditerranéen. L’Algérie a un gisement solaire de plus de 2000 kWh/m².
Figure (I-12): Irradiation globale journalière reçue sur un plan horizontal sur le territoire Algérien au mois de juillet.[13]
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I-11 Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons donnée de la généralité sur le rayonnement solaire, différents notion et définition.
Dans les systèmes d’exploitation de l’énergie solaire (L’agriculture, l’application énergétique et sécurité publique), le besoin de données d’insolation est d’une importance capitale aussi bien dans la conception et le développement de ces systèmes. Dans ce contexte, la première étape, consiste à déterminer les différents paramètres astronomiques. Précisément, la position exacte du soleil quel que soit le moment de l’année.
Le gisement nécessaire de définir les deux concepts indispensables: la latitude et la longitude de lieu. La détermination du flux solaire incident sur les panneaux solaire pour différentes orientations dans la zone étude doit être étudiée et en analysant l’effet des conditions climatiques sur l’évolution du flux solaire.
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II-1 Introduction :
Aujourd’hui l’énergie électrique est très demandé dans notre vie, nos besoins et devient essentielle pour les sites isolés (région saharienne, région montagneuse), l’énergie solaire photovoltaïque constitue la solution la plus avantageuse.
L’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque consiste à convertir directement le rayonnement lumineux en électricité. Elle emploie pour ce faire des modules ou panneaux photovoltaïques, composés de cellules solaires qui réalisent cette transformation d’énergie. La conversion photovoltaïque est basée sur l’absorption de photons dans un matériau semi-conducteur qui fournit des charges électriques, donc du courant, dans un circuit extérieur.
Le présent chapitre consiste à présenter une étude générale sur le système d’énergie solaire photovoltaïque avec leurs caractéristiques de base ainsi que les effets de l'éclairement et de la température.
II-2 Le générateur photovoltaïque GPV :
II-2-1 Historique [20] :Quelques dates importantes dans l’histoire du photovoltaïque :
1839 : Le physicien français Edmond Becquerel découvre le processus de l’utilisation de l’ensoleillement pour produire du courant électrique dans un matériau solide. C’est l’effet photovoltaïque.
1875 : Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Mais jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale, le phénomène reste encore une curiosité de laboratoire.
1954 : Trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince, mettent au point une cellule photovoltaïque à haut rendement au moment où l’industrie spatial naissante cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites.
1958 : Une cellule avec un rendement de 9 % est mise au point. Les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.
1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware.
Page 42 1983 : La première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance
de 4 000 km en Australie.
1995 : Des programmes de toits photovoltaïques raccordés au réseau ont été Lancés, au Japon et en Allemagne, et se généralisent depuis 2001.
La première cellule photovoltaïque (ou photopile) a été développée aux États-Unis en 1954 par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photo-sensibilisée du silicium pouvait être augmentée en ajoutant des "impuretés".
II-3 Définition d’une cellule solaire PV ou l’effet photovoltaïque :
L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires 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. [21]
II-4 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque : [22] [23]
La cellule photovoltaïque (ou cellule solaire) est l’élément de base de l’effet Photovoltaïque (ou conversion par photopiles) permettant de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire. Ce phénomène implique la production et le transport de charges négatives et positives sous l’effet de la lumière dans un matériau semi-conducteur (qui est la plupart du temps, le silicium). En heurtant la surface de ce matériau, les photons transfèrent leur énergie aux électrons contenus dans la matière dopée négativement et positivement (Jonction p-n). Ceux- ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique continu qui est recueilli Par des fils métalliques très finsPage 43 Figure (II.1): Principe de fonctionnement du générateur photovoltaïque. [22] [23]
La cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopé P (Dopé au bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une Jonction PN avec une barrière de potentiel [24]. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent et créent des électrons (charge N) et des trous (charge P). Ceci crée alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et négatives de la cellule. La tension maximale de la cellule est d’environ 0.6 V pour un courant nul. Cette tension est nommée tension de circuit ouvert ( ) [25]. Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées, il est appelé courant de court-circuit ( ) et dépend fortement du niveau
d’éclairement.
II-5 Type des systèmes photovoltaïques : [26]
Les trois genres des systèmes photovoltaïques que l’on rencontre généralement sont les systèmes autonomes, hybrides et connectés à un réseau. Les deux premiers sont indépendants du service public de distribution d’électricité; on les retrouve souvent dans les régions éloignées.
Page 44 II-5-1 Systèmes hybrides :
Les systèmes hybrides, qui sont également indépendants des réseaux de distribution d’électricité, sont composés d’un générateur photovoltaïque combiné à une éolienne ou à un groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois. Un tel système s’avère un bon choix pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d’une puissance assez élevée, lorsqu’il n’y a pas assez de lumière solaire à certains moments de l’année, ou si on désire diminuer notre in avertissement dans les champs de modules photovoltaïques et les batteries d’accumulateurs.
Figure (II.2) : Schéma descriptif du système hybride. [26]
II-5-2 Systèmes connectés au réseau :
Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L’énergie est produite plus près des lieux de consommation sans demander de grandes centrales thermiques ou hydroélectriques. Au fil du temps, les systèmes connectés à un réseau réduiront la nécessité
Page 45 d’augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution. Un système connecté à un réseau produit sa propre électricité et achemine son excédent d’énergie vers le réseau, auprès duquel il s’approvisionne au besoin; ces transferts éliminent le besoin d’acheter et d’entretenir une batterie d’accumulateurs. Il est toujours possible d’utiliser ceux-ci pour servir d’alimentation d’appoint lorsque survient une panne de réseau, mais ce n‘est pas nécessaire.
Figure (II.3) : Schéma descriptif du système connecté au réseau. [26]
II-5-3 Système photovoltaïque de pompage d’eau ( Système autonome):
Le pompage solaire représente la solution idéale pour l'approvisionnement en eau partout où le réseau électrique est absent (alimentation en eau pour un usage domestique, pour l’irrigation agricole, …etc.). D’autre part, l’énergie photovoltaïque ne présente aucun risque de pollution de l’eau, contrairement aux générateurs diesel où des écoulements de combustible peuvent se produire.[27]
Page 46 Figure (II.4) : Système de pompage solaire. [27]
II-6 Les différents types de module photovoltaïque (cellules PV) : [28]
Il existe différents types de cellules solaires ou cellules photovoltaïques. Chaque type de cellule est caractérisé par a un rendement et un coût qui lui sont propres. Cependant, quel que soit le type, le rendement reste assez faible : entre 8% et 23% de l’énergie que les cellules reçoivent.
Actuellement, il existe trois principaux types de cellules :
II-6-1 Le module au silicium monocristallin :
Elles ont le meilleur rendement (de 12 à 18% voir jusqu'à 24.7 % en laboratoire). Cependant, elles coûtent trop chers due à leur fabrication complexe.
Page 47 II-6-2 Le module au silicium poly cristallines :
Leur conception est plus facile et leur coût de fabrication est moins important. Cependant leur rendement est plus faible : de 11% à 15% jusqu’à 19.8% en laboratoire).
Figure (II.6) : cellule poly cristalline. [28] II-6-3 Le module au silicium amorphe :
Elles ont un faible rendement (5% à 8%, 13% en Laboratoire), mais ne nécessitent que de très faibles épaisseurs de silicium et ont un coût peu élevé. Elles sont utilisées couramment dans de petits produits de consommation telle que des calculatrices solaires ou encore des montres.
Page 48 L’avantage de ce dernier type est le fonctionnent avec un éclairement faible (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment). et actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel.
II-7 Le module photovoltaïque : [29]
L'interconnexion des modules entre eux, en série ou en parallèle, pour obtenir une puissance plus grande, définit la notion de générateur photovoltaïque. Le générateur photovoltaïque se compose de plusieurs modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs.
II-7-1 Association en série :
En additionnant des cellules ou des modules identiques en série, le courant de la branche reste le même mais la tension augmente proportionnellement au nombre de cellules (modules) en série (Figure II.8).
Figure (II.8): Exemple d’une connexion en série. [29]
II-7-2 Association en parallèles :
En additionnant des cellules ou des modules identiques en parallèle, la tension de la branche est égale à la tension de chaque module et l’intensité augmente proportionnellement au nombre de modules en parallèle dans la branche.
Page 49 Figure (II.9): Exemple d’une connexion en parallèles [29]
II-8 Paramètres électriques d’un module photovoltaïque : [30]
Les paramètres les plus importants d’un panneau photovoltaïque sont :II-8-1 Courant de court-circuit ( ) : C’est l’intensité de courant maximale fournie par le panneau. Il s’agit du courant qui se produit lors de la connexion directe des deux pôles.
II-8-2 Tension de circuit ouvert ( ) : C’est la tension maximale fournie par le panneau. Elle se produit quand les pôles se trouvent « en plein air ». Est généralement inférieur à 22 V dans les modules qui fonctionnent avec 12 V.
II-8-3 La puissance de crête : Puissance électrique maximum que peut fournir le module dans les conditions standards (25°C et un éclairement de 1000 W/m²).
II-8-5 Facteur de forme FF : Rapport entre la puissance crête et la puissance nominale que peut avoir la cellule :
II-8-5 Efficacité ou rendement ŋ : C’est le rapport entre la puissance électrique nominale que le panneau peut transmettre à la charge et la puissance du rayonnement solaire (E) frappant le panneau(s).
Page 50
ІI-9 Caractéristique courant-tension:[30]
Une cellule photovoltaïque est un générateur élémentaire d’énergie électrique définie par sa courbe caractéristique courant-tension. Elle indique la variation du courant qu’elle produit en fonction de la tension aux bornes de la cellule depuis le court-circuit jusqu’au circuit ouvert (tension à vide).Le fonctionnement électrique d’un module est représenté par sa courbe caractéristique. Cette courbe indique le courant fourni par le module en fonction de sa tension. La figure (II.10) et montrent les possibles valeurs de tension et de courant qui dépendent surtout de la température et du rayonnement solaire reçu par les cellules du module.
Figure(II.10) : Courbes caractéristiques d’un module photovoltaïque en fonction de valeurs différentes de rayonnement.
[30]
Chaque courbes correspond à des conditions spécifiques de fonctionnement de plus, une courbe est propre à chaque type de matériau photovoltaïque. Sous illumination, avec un changement de signe conventionnel pour le courant, cette relation devient. [23]
Page 51 Avec :
: Tension imposé à la diode = k.t/q = 26 mV à 300 K
= 1,38x 10-23 : constante de Boltzmann q=1,602 x10-19 : charge de l’électron t : température absolue en K
: Courant de saturation de la diode : La photo courant.
Le courant de court-circuit :
(Quand U=0) (II.2)
La tension du circuit ouvert :⁄ ⁄ (II.3)
Ou pour : >>
⁄ ⁄ (II.4)
On note clairement que :
- Le courant d’une cellule solaire est proportionnel à l’éclairement et à la surface de la cellule.il augmente avec la température
-La tension en circuit ouvert d’une cellule solaire varie de manière logarithmique avec l’éclairement et baisse avec la température.
ІI-10 Puissance et facteur de forme:[25]
C’est le critère de choix de la cellule, tous chercheur ou constructeur a tendance de cherché la photopile qui génère le maximum de puissance ou d’énergie. La figure (I.18) montre la courbe caractéristique sous lumière d’une photopile ainsi que des courbes théoriques de puissance constante (en pointillés).
Page 52 Figure(II.11): puissance maximale sur une caractéristique courant-tension. [25]
Le point Pm caractérise la puissance maximale, associé à une tension et un courant :
(II.5) ІI-10-1 Le facteur de forme : [12]
Il est possible de déterminer le facteur de forme qui indique le degré idéaliste de la caractéristique courant-tension définit comme suit :
⁄ (II.6)
ІI-10-2 Rendement énergétique : [23]
Il est défini quant à lui comme le rapport entre la puissance maximale produite et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la cellule ou le module photovoltaïque et s’écrit:
Page 53 ⁄ (II.7)
: L’éclairement [W/m²].
: Surface de la cellule ou du module [m²].
II-11 Effet de l’éclairement :
L’augmentation de l’éclairement provoque une augmentation du courant où le générateur fonctionne comme un générateur de courants, mais il y a une légère augmentation pour la tension en circuit ouvert. Ce faisceau de courbes se trace à température constante, et illustre un tracé correspondant à une température Tc = 25°C (figure II.12 et figure II.13), les modules utilisés dans notre station sont de type poly cristallin (BP SX 150)[21], dont les caractéristiques sont données dans l’annexe A.
Page 54 Figure (II.13) : Effet d’éclairement sur la caractéristique (I, P).[31]
II-12 Influence de la température : [31]
La température est un paramètre important dans le comportement des cellules. La figure II.14 montre clairement que l’augmentation de la température se traduit aussi par une diminution de la puissance maximale disponible.
Page 55 De la figure (II.14) on remarque que la puissance maximale du générateur subit une diminution lorsque la température augmente.
II-13 Les types de pose des panneaux photovoltaïques : [32]
II-13-1 Panneaux photovoltaïques sur toit incliné :Ce type de montage est le plus courant, le plus simple et le meilleur marché (pas besoin de support, on utilise la toiture). Les panneaux sont fixés à une structure portante métallique solidement ancrée à la charpente. On peut y déduire que la position géographique influence l’orientation du module et avant tout l’inclinaison. Par exemple, si l’installation se trouve dans l’hémisphère du nord, à mesure que le module s’approche au pôle, l’inclinaison doit augmenter.
Figure (II.15) : Panneaux photovoltaïques sur toit incliné de maison. [32] II-13-2 Panneaux photovoltaïques sur toit plat :
La fixation des panneaux est généralement réalisée par lestage, dans certain cas (pour limiter la surcharge) il est cependant nécessaire d'ancrer les panneaux à la structure portante de la plateforme.
Page 56 Figure (II.16) : Panneaux photovoltaïques sur toit plat de bâtiment résidentiel. [32] II-13-3 Panneaux photovoltaïques sol sur structure :
Ce type de montage permet d'optimiser l'orientation (plein sud) et l'inclinaison (32° par rapport à l'horizontal) des panneaux. Les panneaux sont fixés à une structure à 30°.
Figure (II.17) : Panneaux photovoltaïques au sol sur structure. [32] II-13-4 Panneaux photovoltaïques sur suiveur solaire (ou tracker solaire) :
Ce type de montage permet d'optimiser l'orientation et l'inclinaison des panneaux par rapport à la position réelle du soleil. Les panneaux sont fixés à une structure portante qui
Page 57 suit le cheminement du soleil afin de capter un maximum d'énergie. Ce type de montage nécessite l'obtention d'un permis d'urbanisme.
Figure (II.18) : Panneaux photovoltaïques sur suiveur solaire. [32]
II-13-4 Panneaux photovoltaïques sur façade :
Ce type de montage permet d'utiliser les panneaux photovoltaïques en pare-soleil ou en intégration au bâti (BIPV pour Building Integrated Photovoltaïque). Les panneaux sont fixés à une structure portante solidement ancrée à la structure du bâtiment. Ce type de montage nécessite l'obtention d'un permis d'urbanisme.
Page 58 II-13-5 Orientation et inclinaison des modules : [33]
En générale La position des modules photovoltaïques par rapport au soleil influent directement sur leur production énergétique. Il est très important de bien les placer pour les utiliser au maximum de leur possibilité.
On appelle orientation, le point cardinal vers lequel est tournée la face active du panneau (Sud, Nord, Sud-ouest…). L’inclinaison indique l’angle que fait le panneau avec le plan horizontal, elle se compte donc en degrés, figure(II.20).
Figure (II.20) : Définition de l’orientation et de l’inclinaison d’un panneau. [33] L’orientation idéale d’un module photovoltaïque obéit à une règle vers l’équateur :
- Orientation vers le sud dans l’hémisphère Nord. - Orientation vers le nord dans l’hémisphère Sud.
En ce qui concerne l’inclinaison, c’est un peu plus compliqué. Si on prend le cas d’une application autonome qui consomme une énergie quasi constante tout au long de l’année.
L’hiver étant la période la moins ensoleillée, c’est à cette période qu’il faut optimiser la production. Les panneaux doivent donc pouvoir récupérer l’énergie d’un soleil dont la hauteur est faible. Il en résulte qu’en Algérie pour une utilisation annuelle, l’inclinaison idéale est environ égale à 30° à la latitude du lieu + 10° (pour une orientation sud).
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II-14 Les avantages et inconvénients de l'énergie photovoltaïque : [34]
II-14-1 Les avantages du photovoltaïque :
-L'énergie du soleil est la source la plus renouvelable de toutes.
-Sur les sites isolés, l'énergie photovoltaïque offre une solution pratique pour obtenir de l’électricité à moindre coût.
-La revente du surplus de production permet d'amortir les investissements voir de générer des revenus.
-L'énergie photovoltaïque est totalement modulable et peut donc répondre à un large éventail de besoins. La taille des installations peut aussi être augmentée par la suite pour suivre les besoins de la charge.
-L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets.
II-14-2 Les inconvénients du photovoltaïque :
-Le coût d'investissement des panneaux photovoltaïques qui reviennent cher.
-La fabrication des panneaux photovoltaïques relèvent de la haute technologie demandant énormément de recherche et développement et donc des investissements coûteux. Cela se traduit dans le prix de l’installation qui, aujourd’hui, reste chère.
-Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles.
-Dans le cas d’une installation photovoltaïque autonome qui ne revend pas son surplus d’électricité au réseau, il faut inclure des batteries dont le coût reste très élevé.
-Le niveau de production d’électricité n’est pas stable et pas prévisible mais dépend du niveau d’ensoleillement. De plus, il n'y a aucune production d'électricité le soir et la nuit.
-La durée de vie d'une installation photovoltaïque n'est pas éternelle mais de l'ordre de 20 à 30 ans. De plus, le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps qui passe.
II-15 Conclusion :
Nous avons présenté dans ce chapitre les différentes type des systèmes photovoltaïques suite, par Les différents types de module photovoltaïques leur fonctionnement , en fin nous avons défini les différents types de pose des panneaux photovoltaïques et son orientation et inclinaison des modules pour profiter l’ensoleillement toute la journée.
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Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
III-1 Introduction :
Dans nos jours, la demande d'eau est très importante, en particulier dans les zones rurales et les sites isolés où l’accès à l’énergie classique est difficile voir pratiquement impossible.
Ce phénomène a fait qu'un intérêt grandissant est porté sur l'utilisation des générateurs photovoltaïques comme nouvelle source d'énergie. La réalisation d’un système de pompage photovoltaïque autonome, fiable et à bon rendement, constitue une solution pratique et économique au problème du manque d'eau, en particulier, dans les régions désertiques. En effet, un système photovoltaïque devient intéressant lorsqu’il est facile à installer, avec une autonomie acceptable et une excellente fiabilité de service.
III-2 Généralité : [29]
Un pompe photovoltaïque se présent fondamentalement de deux façons selon qu’elle fonctionne avec ou sans batterie. Alors que cette première utilise une batterie pour stocker l’électricité produite par les modules, la pompe sans batterie, plus communément appelée «pompe au fil du soleil», utilise un réservoir pour stocker l’eau jusqu’au moment de son utilisation.
La pompe avec batterie permet de s’affranchir des aléas du soleil et des problèmes d’adaptation entre générateur photovoltaïque et motopompe. Le débit de pompage peut se faire à la demande, lorsque les utilisateurs en ont besoin, ou permettre un pompage régulier durant toute la journée. Dans ce dernier cas, l’utilisation d’un réservoir de stockage pour l’eau sera nécessaire afin de pouvoir fournir à la demande d’eau.
Toutefois, l’utilisation de batteries comporte davantage de composants qui influent sur la fiabilité et le coût global du système. Les batteries sont fragiles et sont souvent les premiers éléments qui auront besoin d’être changés. Elles nécessitent en outre un entretien constant et un contrôle rigoureux de leur charge et décharge. Les contrôleurs utilisés pour régulariser la charge et la décharge des batteries vieillissent rapidement et peuvent s’avérer non fiables. Les
