Analyse technico économique d’un système hybride ... ?· technico-économique d’un système hybride…

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  • Revue des Energies Renouvelables Vol. 9, N3 (2006) 127 - 134

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    Analyse technico conomique dun systme hybride (photovoltaque/olien) autonome pour le site dAdrar

    S. Diaf 1*, M. Haddadi 2 et M. Belhamel 1 1 Centre de Dveloppement des Energies Renouvelables, B.P. 62, Route de lObservatoire, Bouzarah, Alger

    2 Ecole Nationale Polytechnique, B.P. 182, 10 Avenue Hassen Badi, El Harrach, Alger

    (reu le 03 Juin 2006 - accept le 30 Septembre 2006)

    Rsum - Nous prsentons dans cet article une tude de dimensionnement et doptimisation technico-conomique dun systme hybride photovoltaque/olien autonome avec batteries de stockage. Deux mthodes sont dveloppes pour ce type de systme. La premire est base sur la moyenne des valeurs mensuelles annuelles dans laquelle la taille des gnrateurs photovoltaque et olien est dtermine partir des valeurs moyennes mensuelles des contributions de chaque composant. Dans la seconde mthode, la dtermination des tailles de ces deux composants du systme est base sur le mois le plus dfavorable (dfini comme tant le mois qui ncessite la plus grande utilisation de la surface du gnrateur photovoltaque/olien). Loptimisation a t effectue en tenant compte du paramtre conomique qui reprsente un critre ne pas ngliger dans les systmes fonctionnant avec des sources renouvelables. Afin de faire ressortir la configuration technico-conomique optimale, plusieurs combinaisons de la fraction de la charge alimente par le photovoltaque sont considres et pour lesquelles le cot total est dtermin. La configuration optimale sera ainsi obtenue pour les deux mthodes. Nos rsultats montrent que le photovoltaque prsente une variante plus favorable dans le site dAdrar relativement lolien et cela par les deux mthodes utilises. La mthode du mois le plus dfavorable prsente un cot du systme plus lev par rapport celle de la moyenne des valeurs mensuelles par an. Cela est du la meilleure fiabilit que prsente le systme dduit de cette mthode. Abstract - This paper presents the sizing and techno-economic optimisation for autonomous photovoltaic/wind hybrid with battery storage. Two methods are examined to illustrate calculation of the relative contributions of photovoltaic and wind energy for stand alone hybrid system. Method 1 uses the annual average monthly values. In which the size of the PV panel and wind generator is derived from the yearly averaged monthly values of the component contributions. With method 2, the renewable components are sized with respect to the worst renewable months. For both methods, the required numbers of the PV panels and wind generators (WG) units for supplying the load is determined. The techno-economic optimisation of autonomous energy system taking into account the economic factor (system cost) which represents a criterion with not neglecting in the systems with renewable sources. In order to disclose the optimum techno-economic configuration, several combinations (varying the photovoltaic coverage of the load fraction) are examined for which the total cost is determined. In consequently, the optimum renewable configuration is then obtained for both methods. From the obtained results, it is also seen that there is an economically favourable trend to use PV rather than wind power in Adrar for both methods. The worst months method presents a higher cost system compared to that of the yearly average monthly method. That is due to the reliability which presents the system deduced from this method. Mots cls: Energie solaire - Energie olienne - Systme hybride - Dimensionnement - Optimisation -

    Facteur dautonomie.

    1. INTRODUCTION

    Pour un dveloppement durable, le recours lutilisation des systmes nergtiques sources dnergies renouvelables est devenu indispensable. Connaissant les problmes rencontrs pour le transport de lnergie lectrique dans les zones loignes, ainsi que le cot lev, il serait plus * sdiaf@cder.dz - * mourad.haddadi@enp.edu.dz - * mbelhamel@cder.dz

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    judicieux denvisager lutilisation de systmes hybrides photovoltaque/olien dans ces rgions puisque les gisements solaire et olien y sont importants.

    Ltude pralable de ce type de systme est une tape importante, du fait quun systme surdimensionn traduira des surcots, tandis quun systme sous dimensionn serait moins fiable.

    Le sud algrien et plus particulirement le site dAdrar dispose dun fort potentiel nergtique solaire et olien ce qui plaide en faveur du dveloppement des systmes sources dnergies renouvelables dans ces rgions. Il est alors ncessaire de connatre la contribution de chaque source (photovoltaque et olien) pour lalimentation de la charge afin de faire ressortir la variante optimale, tenant compte du facteur conomique.

    Cest cette tude de dimensionnement optimal qui est prsente dans ce qui suit.

    2. ANALYSE DU POTENTIEL ENERGETIQUE SOLAIRE ET EOLIEN DISPONIBLE A ADRAR

    Adrar est dot dun fort potentiel de rayonnement solaire, et la rgion est caractrise par une saison dt trs chaude (Juin - Septembre) avec une temprature moyenne mensuelle qui dpasse les 36 C. Les valeurs moyennes mensuelles journalires de lirradiation globale sur plan horizontal et inclin ( la latitude) pour la priode 1997-2000 sont reprsentes dans la figure 1.

    Lirradiation moyenne journalire sur plan horizontal est importante sur la priode avril - aot, comparativement aux autres mois de lanne, elle dpasse les 8 kWh/m2.jour durant les mois de juin et juillet. Remarquant que durant la priode avril - aot, lirradiation sur le plan horizontal est plus importante que sur le plan inclin.

    Du mme pour le gisement olien, en se basant sur les donnes de lOffice National de la Mtorologie O.N.M. du site dAdrar sur la priode 1978-1988 [1], la vitesse moyenne mensuelle est reprsente dans la figure 2. On peut constater que le site dAdrar est dot aussi dun gisement olien considrable avec une vitesse moyenne annuelle du vent de lordre de 5.9 m/s pour une hauteur de 10 mtres et une vitesse moyenne mensuelle gnralement leve pendant la priode estivale juillet - septembre dpassant les 6 m/s par rapport aux autres mois de lanne. Ceci prouve clairement que le site dAdrar est bien adapt pour une production de lnergie olienne.

    Fig. 1: Irradiation globale moyenne mensuelle

    du site dAdrar Fig. 2: Vitesse moyenne mensuelle du vent

    du site dAdrar

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    3. CARACTERISTIQUES DES ENERGIES PHOTOVOLTAQUE ET EOLIENNE

    3.1 Gnrateur photovoltaque Lnergie produite par un gnrateur photovoltaque est estime partir des donnes de

    lirradiation globale sur plan inclin, de la temprature ambiante et des donnes du constructeur pour le module photovoltaque utilis.

    Lnergie lectrique produite par un gnrateur photovoltaque est donne par [2]:

    infcgen G.P.A.E = (1)

    o cA reprsente la surface totale du gnrateur photovoltaque (m2); gen le rendement du

    gnrateur photovoltaque et inG lirradiation solaire sur plan inclin (kWh/m2).

    Le rendement du gnrateur photovoltaque est reprsent par lquation suivante:

    { })25T(1 crgen = (2)

    +=

    80020NOCT

    GTT inac (3)

    est le coefficient tenant compte de la variation du rendement du module photovoltaque en fonction de la temprature, qui est pris (0.0045 /C); r est le rendement de rfrence du

    gnrateur photovoltaque; aT la temprature ambiante moyenne journalire; cT la temprature cellule moyenne journalire (C); NOCT est la temprature nominale de fonctionnement de la cellule et fP qui est le facteur de remplissage du module, gal 0.9.

    3.2 Gnrateur olien La puissance contenue sous forme dnergie cintique, P (W), dans le vent est exprime par:

    3v.A..21P = (4)

    avec: A est la surface traverse par le vent (m2); est la densit de lair (= 1.225kg/m3) et v la vitesse du vent (m/s).

    Le gnrateur olien ne peut rcuprer quune partie de cette puissance de vent et qui reprsente la puissance produite par le gnrateur olien:

    33eel 10.v.A.C..2

    1P = (5)

    eC est le facteur defficacit, qui dpend de la vitesse du vent et de larchitecture du systme [3]. Il est dtermin partir des performances de lunit de transformation.

    gmpe ..CC = (6)

    m et g reprsentent le rendement respectivement du multiplicateur et de la gnratrice. Cp est le coefficient de performance de la turbine olienne. Il ne peut thoriquement pas dpasser une limite dite limite de Betz ( 593.0C limite-p = ).

    Dans cette tude, on prend 45.0Ce = .

    Par consquent, lnergie produite par le gnrateur olien est exprime par: t.PE elel = (7)

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    4. METHODE DE DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME

    Lnergie mensuelle produite par le systme par unit de surface est note m,pvE (kWh/m2)

    pour le photovoltaque et m,elE (kWh/m2) pour lolien (o m = 1, , 12, reprsente le mois de

    lanne). Le mois le plus dfavorable est fonction de la charge mensuelle, des ressources climatiques et des performances des composants du systme. La surface du gnrateur ncessaire pour assurer la couverture totale (100 %) de la charge ( )LE durant le mois le plus dfavorable est exprime par:

    =

    m,i

    m,Li E

    EmaxA (8)

    avec pvi = pour le gnrateur photovoltaque et eli = pour le gnrateur olien.

    Dans un systme hybride photovoltaque/olien, le terme de lnergie totale produite est assez indfini dans le sens o la contribution de chacune de ces parties nest pas dtermine.

    Lnergie totale produite par les deux gnrateurs photovoltaque et olien qui alimentent la charge est exprime par: