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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
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 Master
Filière : Génie mécanique
OPTION : Energétique
Thème
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
saharien
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
Mohammed SELLAM
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.
Tarek TAS
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
Sommaire
SOMMAIRE
Introduction générale
Introduction générale……………………………………………………………………….22
CHAPITRE I L’ENERGIE SOLAIRE
I-1 Introduction……………………………………………………………………………..25
I-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-9-4 Le Spectroradiométre ……………………………………………………………….37
SOMMAIRE
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……………………………………………………………………….…41
II-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-8-3 La puissance de crête…………………………………………………………..49
SOMMAIRE
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…………………………………………………………………………61
III-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 Le groupe électropompe………………………………………………………......65
SOMMAIRE
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…………………………………………………………………………78
IV -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-3-2 La conception préliminaire ……………………………………………………….85
SOMMAIRE
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
IV-9 Conclusion…………………………………………………………………………110
SOMMAIRE
CONCLUSION GENERALE
Conclusion Générale……………………………………………………………….…...113
Résume
RESUME
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.
ملخص :
المصادر اهم من الشمسٌة الطاقة تعتبر, بدٌلة مصادر عن البحث لضروريا من اصبح, البترول اسعار لتدهور نضرا
.كالزراعة مختلفة مجاالت فً استعمالها ٌمكن و كثٌرة ممٌزات لها و البدٌلة
.الشمسً االشعاع ومدة لكثافة نظرا الشمسٌة الطاقة استعماالت تطوٌر ٌعزز للجزائر الجغرافً الموقع ان كما
انضمة وخاصة الكهروضوئٌة األنظمة مجال بتطوٌر وذلك الطاقوٌة احتٌاجاتها تغطٌة بلدنا تستطٌع, الخاصٌات هذه بفضل
.المٌاه ضخ
الزراعٌة المنطقة لحاجٌات وٌستجٌب كهروضوئً بنظام ٌعمل مائً ضخ نظام وحساب تصمٌم الى المذكرة هذه تهدف
.بتمنراست
. الزراعة ، الشمسً اإلشعاع ، المٌاه ضخ أنظمة ، الكهروضوئً النظام ، الشمسٌة الطاقة : المفتاحية الكلمات
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.
The geographical location of Algeria favors the development of the uses of solar energy
because of the intensity and duration of solar radiation.
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
Liste des tableaux
Tableau (IV-1): Données géographique de site Tamanrasset……………………………86
Liste des Symboles
Liste des Symboles – Abréviations
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]
N Dopée au phosphore /
Tension de circuit ouvert /
Courant de court-circuit [A]
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
Pertes de charge produites par le frottement de l’eau sur les parois des conduites
Niveau statique [m]
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 /
Introduction générale
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
Introduction générale
Page 23
qu’une simulation ave logiciel PVsyst7 pour avoir l’influence des différents paramètres
météorologique sur les caractéristiques du panneau photovoltaïque.
ChapitreI
Page 25
L’énergie solaire
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]
Chapitre I L’énergie solaire
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).
Figure (I-2): Définition de la position du soleil. [3] [4]
Chapitre I L’énergie solaire
Page 27
I-3 Notions d’astronomie:
І-3-1 Repère des coordonnées géographiques terrestres : [2]
Ce sont les coordonnées angulaires pour 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.
Chapitre I L’énergie solaire
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)
Chapitre I L’énergie solaire
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 :
(I -8)
Chapitre I L’énergie solaire
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.
Chapitre I L’énergie solaire
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]
Chapitre I L’énergie solaire
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.
Chapitre I L’énergie solaire
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.
Chapitre I L’énergie solaire
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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.
Chapitre I L’énergie solaire
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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.
Figure (I-10): Rayonnement solaire capté par un plan horizontal et incliné.[14][15]
Chapitre I L’énergie solaire
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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.
Chapitre I L’énergie solaire
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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]
Chapitre I L’énergie solaire
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]
Chapitre I L’énergie solaire
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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.
Chapitre II
Page 41
Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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 fins micro-
soudés en surface (voir figure II.1).
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
Page 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.
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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]
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Figure (II.5) : cellule monocristalline. [28]
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Figure (II.7) : cellule amorphe. [28]
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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).
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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]
⁄ (II.1)
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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).
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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:
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Figure (II.12): Effet de l’éclairement sur la caractéristique (I, V).[31]
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Figure (II.14) : Effet de la température sur les caractéristiques de cellule. [31]
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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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
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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.
Figure (II.19) : Panneaux photovoltaïques sur façade. [32]
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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).
Chapitre II Analyse des systèmes Photovoltaïque
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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.
Chapitre III
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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
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 62
batteries introduisent également un certain degré de perte de rendement d’environ 20% à 30%
de la production d’énergie.
Le pompage au fil du soleil permet d’avoir un système photovoltaïque plus simple, plus
fiable et moins coûteux qu’un système avec batterie.
Le stockage se fait de manière hydraulique, l’eau étant pompée, lorsqu’il y a suffisamment
d’ensoleillement, dans un réservoir au-dessus du sol. Elle est ensuite distribuée par gravité au
besoin. Le réservoir peut souvent être construit localement et la capacité de stockage peut
varier d’un à plusieurs jours. Ce réservoir ne requiert pas un entretien complexe et est facile à
réparer localement.
Compte tenu du coût additionnel du système avec batterie, des problèmes de maintenance
de la batterie et de l’obligation de la remplacer après 3 à 5 ans d’usage, la solution au fil du
soleil est présentement préférée.
Les systèmes de pompage solaire photovoltaïque utilisent la conversion du rayonnement
solaire en électricité pour alimenter une pompe dans un forage ou un puits.
La différence qui existe entre un système de pompage solaire et un système de pompage
classique est l'utilisation de panneaux solaires photovoltaïques, d’un convertisseur et d’une
pompe adéquate.
Les pompes utilisées peuvent être immergées, centrifuges ou volumétriques, selon les
conditions d’utilisation. [35]
III-3 Principe de fonctionnement : [35]
Sous l’effet des rayonnements solaires les modules PV génèrent un courant continu, et
pour qu’il soit utilisé pour l’alimentation de la pompe, le variateur de fréquence intervient et
transforme le courant continu généré en courant alternatif, il fait également varier la fréquence
et la tension en fonction de l’énergie disponible. Ainsi la pompe alimentée en courant
alternatif de source solaire pompe l’eau d’une hauteur basse (puit, forage) à une hauteur
élevée de la surface de la terre (réservoir d’eau) pour que cette eau soit exploitée pour
diverses applications, il s’agit d’un pompage au fil du soleil dont le fonctionnement dépend
que de la disponibilité d’une bonne intensité solaire.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 63
Figure (III.1) : Schéma d'une installation du pompage PV. [35]
III-4 Constitutions d’un système de pompage PV :
Un système de pompage solaire est généralement constitué de : [36]
le générateur photovoltaïque,
le groupe électropompe,
l'électronique de commande et de contrôle,
la partie stockage,
Figure (III.2) : Description d’un système de pompage PV. [36]
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 64
III-4-1 Générateur photovoltaïque : [37]
Le module photovoltaïque convertit directement la lumière du soleil en courant
électrique continu par le biais des cellules solaire.
Pour obtenir des puissances supérieures, il est nécessaire d’associer en série et en
parallèle plusieurs modules. Dans certaines applications, il est possible d’utiliser un ou
plusieurs modules de quelques dizaines de cellules. Pour des utilisations plus importantes, les
générateurs PV sont groupés dans un champ de plusieurs modules (quelques centaines).
Leur nombre dépend des besoins énergétiques de la pompe et de l’ensoleillement du site.
Les panneaux solaires peuvent être inclinés de 10 à 60°. En fonction du type de
système de pompage Solaire, le générateur photovoltaïque demande une ou plusieurs
branches câblées en série.
Le point de fonctionnement du générateur photovoltaïque est caractérisé par :
(III.1)
(III.2)
et sont respectivement le courant et la tension du générateur photovoltaïque.
, sont les nombres des modules en parallèle et en série.
Figure (III.3): Groupement de module en série et en parallèle. [37]
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 65
III-4-2 Le groupe électropompe :
Composé de deux parties :
III-4-2-1 Les pompes : [38]
Une pompe est un dispositif permettant d’aspirer et de refouler un fluide.
Les pompes à eau sont habituellement classées selon leur principe de fonctionnement, soit
de type volumétrique ou centrifuge. Outre ces deux classifications que nous décrirons plus
loin, on distingue également deux autres types de pompes en fonction de l’emplacement
physique de la pompe par rapport à l’eau pompée : la pompe à aspiration et la pompe à
refoulement.
La hauteur d’aspiration de n’importe quelle pompe est limitée à une valeur théorique de
9,8 mètres (pression atmosphérique en mètres d’eau) et dans la pratique à 6 ou 7 mètres. Les
pompes à aspiration sont donc toujours installées à une hauteur inférieure à celle-ci. Ces
pompes doivent également être amorcées, c’est-à-dire que la section en amont de la pompe
doit être remplie d’eau pour amorcer l’aspiration d’eau.
Les pompes à refoulement sont immergées dans l’eau et ont soit leur moteur immergé avec la
pompe (pompe monobloc), soit le moteur en surface ; la transmission de puissance se fait
alors par un long arbre reliant la pompe au moteur. Dans les deux cas, une conduite de
refoulement après la pompe permet des élévations de plusieurs dizaines de mètres, selon la
puissance du moteur.
Figure (III.4): Principe de conversion d’une pompe. [38]
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 66
III-4-2-2 Les types de pompes :
Il existe deux grands types de pompes : les pompes centrifuges et les pompes
volumétriques :
A- La pompe volumétrique :
La pompe volumétrique transmet l’énergie cinétique du moteur en mouvement de va et
vient permettant au fluide de vaincre la gravité par variations successives d’un volume
raccordé alternativement à l’orifice d’aspiration et à l’orifice de refoulement. Le débit d’eau
d’une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse du moteur. Mais son couple varie
essentiellement en fonction de la hauteur manométrique totale (HMT) et est pratiquement
constant en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Le couple de démarrage est donc
pratiquement indépendant du débit et sera proportionnel à la HMT.
La puissance consommée sera proportionnelle à la vitesse. C’est pourquoi ces pompes sont
habituellement utilisées pour les puits et les forages à grandes profondeurs et à petits débits
d’eau. On les utilise parfois comme pompes de surface lorsque le couple est lent et irrégulier
et que le débit demandé est faible, par exemple pour les pompes à main et les pompes
éoliennes.
Figure (III.5) : les types des pompes volumétriques. [39]
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 67
A-1 Caractéristiques d’une pompe volumétrique :
Le couple est pratiquement constant en fonction de la vitesse et Le débit est proportionnel
à la vitesse.
Figure (III.6): courbes Caractéristiques d’une pompe volumétrique. [29]
B- La pompe centrifuge : [40]
La pompe centrifuge transmet l’énergie cinétique du moteur au fluide par un mouvement
de rotation de roues à aubes ou d’ailettes. L’eau entre au centre de la pompe et est poussée
vers l’extérieur et vers le haut grâce à la force centrifuge des aubages. Afin d’augmenter la
pression, donc la hauteur de refoulement, plusieurs étages d’aubages peuvent être juxtaposés
sur le même arbre de transmission. Chaque étage fait passer l’eau à l’étage suivant en relevant
la pression jusqu’à l’étage final, délivrant un volume d’eau à pression élevée (voir figure 7.8).
Figure (III.7): Pompe centrifuge à plusieurs étages. [40]
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 68
Figure (III.8): Vue en face d’une pompe centrifuge. [29]
B-1 Caractéristiques d’une pompe centrifuge :
Le couple augmente très rapidement en fonction de la vitesse et le débit est proportionnel à
la vitesse toutefois il faut une vitesse minimale à une HMT donnée pour obtenir un débit.
Figure (III.9): Courbes Caractéristiques d’une pompe centrifuge. [29]
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 69
III-4-2-3 Classification selon la position de pompe : [29]
En fonction de l'emplacement physique de la pompe, nous distinguons : Les pompes de
Surface, et les pompes immergée.
A- Pompes de surface :
Le terme surface définit la position d'une pompe par rapport au liquide à pomper.
Elle est dite pompe de surface, car prévue pour être posée en dehors du liquide à aspirer.
Figure (III.10): Pompes de surface. [29]
B- Pompes immergées :
Les pompes de refoulement sont immergées dans l'eau et ont soit leur moteur immergé
avec la pompe (pompe monobloc), soit le moteur en surface. La transmission de puissance se
fait alors par un long arbre reliant la pompe au moteur. Dans les deux cas, une
conduite de refoulement après la pompe permet des élévations de plusieurs dizaines de
mètres, selon la puissance du moteur.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 70
Figure (III.11): Pompe immergée. [29]
III-4-2-2 Les moteurs électriques :
A- Les types de moteurs :
Un moteur électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion
d'énergie électrique en énergie mécanique. La plupart des machines électriques
fonctionnent grâce au magnétisme, il existe deux types de moteurs : à courants continu et
alternatif. [38]
A-1 Moteur à courant continu :
L’énergie électrique appliquée à un moteur est transformée en énergie mécanique en
variant le sens du courant circulant dans un induit (habituellement le rotor) soumis à un
champ magnétique produit par un inducteur (habituellement le stator). La commutation du
courant dans le rotor d’un moteur à courant continu est effectuée à l’aide de balais composés
de charbon et de graphite ou par commutation électronique.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 71
Figure (III.12): Schéma synoptique simplifié du pompage PV par motopompe DC. [38]
A-1-1 Moteurs à balais :
Sont les plus communs, mais leurs balais doivent être changés périodiquement. Ceci est
particulièrement problématique dans le cas des pompes à moteur immergé où la pompe doit
être retirée du forage pour changer les balais. De plus, l’isolation du moteur ne doit pas être
compromise afin de ne pas la fragiliser aux infiltrations d’eau, ce qui n’est pas évident sur le
site. Certains manufacturiers offrent des moteurs à balais de longue durée, réduisant cet
entretien à toutes les 5 000 heures de fonctionnement.
A-1-2 Moteurs sans balais :
Ce type de moteur électrique comporte non seulement les avantages des moteurs à
courant continu mais également ceux des moteurs à courant alternatif : fort couple au
démarrage et durée de vie élevée (due à l’absence des paliers et des balais) mais leur
utilisation reste limitée à des faibles puissances.
A-2 Moteur à courant alternatif :
Le moteur à courant alternatif est utilisé de plus en plus pour les systèmes de pompage
photovoltaïque. Le coût peu élevé du moteur, son faible besoin de maintenance et l’efficacité
accrue des onduleurs solaires le rendent particulièrement attrayant pour les systèmes de
pompage plus importants où le coût additionnel de l’onduleur est moins significatif.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 72
Le moteur est alimenté par un onduleur (convertisseur DC/AC) qui assure l’optimisation
du générateur PV voir figure.
Figure (III.13): Diagramme du pompage PV par motopompe à AC. [38]
III-4-3 L’électronique de commande et de contrôle :
III-4-4-1 L’onduleur :
Les onduleurs sont des équipes qui transforment la tension continue fournie par les
modules en une tension différente, soit continue d’une autre magnitude (onduleurs
DC/DC) ou soit alternative (onduleurs DC/AC, qui sont les plus communs) .[28]
A- Onduleurs DC/AC :
Les systèmes solaires produisent de l’énergie électrique en courant continu mais
beaucoup d’électrodomestiques et de récepteurs fonctionnent avec le courant alternatif.
Dans les installations solaires photovoltaïques connectées au réseau électrique, l’onduleur
doit non seulement transformer le courant continu du générateur photovoltaïque en courant
alternatif.
B- Onduleurs DC/DC
Utilisé dans le cas d’une pompe montée à un moteur à courant continu.
Ils sont nécessaires afin de diminuer ou d’augmenter la tension en CC des récepteurs qui
fonctionnent en CC. La plupart des convertisseurs offrent des tensions suivantes : 1,5 V ; 3 V
; 4,5 V ; 6 V ; 7,5 V ; 9 V ; 12 V ; 24 V.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 73
C- Caractéristiques de fonctionnement les plus importants :
Tension et courant d’entrée/sortie.
Forme de l’onde.
Limites de la tension d’entrée.
Basse de consommation et leur rendement.
Puissance de sortie.
Capacité de surcharge (important quand il a accès au moteur).
Facilité de réparation et la maintenance.
Fonctionnement dans les points de puissance maximale.
Conditions ambiantes (température de fonctionnement).
III-4-4-2 La batterie : [41]
La batterie a pour fonction le stockage d’une partie de l’énergie produite par les panneaux
(c’est-à-dire, la portion d’énergie qui n’est pas immédiatement consommée) afin qu’elle soit
disponible dans des périodes où le rayonnement solaire est faible ou inexistant. Le stockage se
fait sous la forme d’énergie électrique à travers l’usage de batteries, normalement de plomb
acide. Une batterie est composée par l’association en série de plusieurs « éléments » ou
«cellules », chacun d’eux comprenant deux électrodes de plomb dans une dissolution
électrolytique. Entre les deux électrodes, une différence de potentiel de près de deux volts est
établie, et la valeur instantanée dépend de l’état de charge de la batterie. Les batteries les plus
utilisées pour les applications photovoltaïques sont de 12 ou 24 volts de tension nominale.
III-4-4-3 Le régulateur de charge : [29]
Il implique une vigilance continue pour éviter les surcharges et les décharges profondes
que la batterie peut produire.
Fonction :
Protection de la batterie contre les situations extrêmes afin de ne pas l’endommager.
Fonctionnement :
Prendre de l’information sur l’état de charge du système et la comparer avec les valeurs
maximales et minimales admissibles pour que la batterie n’endure pas de surcharges ou de
décharges extrêmes.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 74
III-4-4 La partie stockage :
Il existe deux façons de stockage d'énergie: le stockage d'énergie électrique ou le stockage
d'eau où l'eau en excès peut être pompée dans des réservoirs de stockage ou des étangs situés
en hauteur afin de garantir la disponibilité d'eau par voie gravitaire en cas de couvert nuageux.
le système de stockage avec batterie génère un coût additionnel, des problèmes de
maintenance de la batterie et de l’obligation de la remplacer après 3 à 5 ans d’usage. De plus,
le rendement énergétique est meilleur quand il n'y a pas d'accumulateurs. Le réservoir peut
souvent être construit localement et la capacité de stockage peut varier d’un à plusieurs jours.
Ce réservoir ne requiert pas un entretien complexe et est facile à réparer localement.
III-5 Les techniques de pompages PV :
Pour pomper l’eau avec un système photovoltaïque (autonome), deux méthodes sont
possibles :
Dans la première technique, l’énergie solaire est consommée en « temps réel » ; On
parle alors d’un « pompage au fil du soleil ». Cette solution nécessite un stockage de l’eau
dans un réservoir (l’eau pompée pendant la journée est stockée afin d’être utilisée plus tard, le
soir par exemple).
La deuxième méthode consiste à utiliser un stockage de l’énergie, cette fois-ci, via
des batteries. L’énergie stockée la journée peut être utilisée plus tard pour pomper l’eau. [29]
III-5-1 Pompage « au fil du soleil (sans batterie) » : [42]
Comme on va le constater, la méthode de pompage « au fil du soleil » permet d’avoir un
système photovoltaïque plus simple, plus fiable et moins coûteux qu’un système utilisant des
batteries pour stocker de l’énergie d’abord. En effet, dans cette première technique,
c’est l’eau elle-même qui est pompée et stockée lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement.
On parle alors d’un stockage hydraulique. L’eau est stockée dans un réservoir à une hauteur
au-dessus du sol pour qu’elle soit, au besoin ensuite, distribuée par gravité. Il faut bien
signaler ici que le réservoir d’eau peut souvent être construit localement. En plus, il ne
requiert pas un entretien complexe et peut être réparé localement. La capacité de stockage
peut varier d’un à plusieurs jours selon les modèles.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 75
Figure (III.14) : Schéma du principe de pompage au fil du soleil. [43]
III-5-2 Pompage avec batteries : [42]
La méthode de pompage d’eau en utilisant l’énergie stockée sur des batteries peut avoir
l’avantage de garantir une stabilité d’alimentation des équipements (système présente
l'avantage d'un débit régulier, la possibilité de pomper lorsque le soleil est absent). L’énergie
emmagasinée pour être utilise aussi pour d’autres besoins ultérieures. L’inconvenant majeur,
voir handicapant, de cette technique est qu’elle comporte plusieurs composants qui influent
négativement sur la fiabilité et le coût global du système. En effet, 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 batteries introduisent également un certain
degré de perte de rendement d’environ 20% à 30% de la production d’énergie.
Chapitre III Analyse un Système de Pompage Photovoltaïque
Page 76
Figure (III.15): Schéma du principe de pompage avec stockage d’énergie. [43]
III-6 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présente les techniques de pompages PV. On présent
également les principaux constitutions d’un système de pompage PV avec leurs
fonctionnements.
Chapitre IV
Page 78
Installation d’un system PV Appliquée sur le site agricole
IV-1 Introduction :
Dans ce chapitre nous avons détaillé le dimensionnement d’un système de pompage PV
fonctionnant par la méthode dite « au fil de soleil » (autonome sans batterie), et nous avons
choisi le system PVsyst pour la simulation de notre projet.
Le stockage de l’eau est réalisé par le bais d’un réservoir afin d’irriguer une surface d’un 3
hectare. Nous avons choisi la zone de Tamanrasset, cette région est caractérisée par un climat
saharien sec. L’évaporation est très élevée et atteint en moyenne 4187 mm/an. La pluviométrie
moyenne est de 20 mm/an, un fort ensoleillement et des ressources importantes d’eau
souterraine.
IV -2 Dimensionnement complet de l’installation PV:
Le dimensionnement du système de pompage photovoltaïque concerne essentiellement le
calcul de la puissance crête du générateur photovoltaïque, le choix de la pompe et le
choix du contrôleur répondants au service requis dans les conditions de référence. La
démarche analytique adoptée dans le cadre de notre étude s’articule autour de trois étapes
suivantes [44] [45] :
Besoins journaliers en eau.
Détermination d’énergie solaire disponible sur le site de l’étude.
Choix des composants.
Cette étude permet de déterminer et de faire le choix des différents composants : Le panneau
solaire, la pompe et le convertisseur d’une station de pompage solaire au fil du soleil.
IV-2-1 Estimation des besoins en eau
Les besoins d’eau pour l’irrigation dépendent du type de culture, de la méthode d’irrigation
et des facteurs météorologiques (la température, l’humidité, la vitesse du vent,
l’évapotranspiration du sol, et la saison de l’année en question) [46].
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 79
IV-2-3 Détermination de l’énergie solaire disponible
La méthode de dimensionnement utilisée est basée sur les calculs des valeurs moyennes
journalières mensuelles de l’irradiation solaire disponible à l’inclinaison des modules
photovoltaïque (PV) par rapport au plan horizontal. Ce dernier doit se faire de manière à
optimiser la conversion de l’énergie solaire en électrique.
IV-2-4 Choix des composants :
IV-2-4-1 Choix de réservoir d’eau :
a-1 La capacité du réservoir :
Le stockage de l’eau est effectué dans un réservoir. La capacité de ce dernier est calculée
pour répondre au besoin d’eau pendant les jours d’autonomie. Celui-ci varie d’un à plusieurs
jours. Il est calculé par la formule suivante :
(IV.1)
Avec :
: Le volume du réservoir.
d : Le diamètre du réservoir.
: La hauteur du réservoir.
a-2 Technique de pompage PV
Pompage « au fil du soleil (autonome sans batterie) ».
IV-2-4-2 Choix de la pompe
b-1 Donnée de base de la pompe [41]
Les données nécessaires pour dimensionner la pompe solaire sont le débit d'exploitation et la
hauteur à laquelle la pompe devra refouler. Celle-ci est majorée par des pertes de charges et de
la pression de refoulement dans la conduite.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 80
b-2 Le débit :
Le débit ( ) est la quantité d’eau fourni par une pompe durant un intervalle de temps donné.
En pompage solaire, le débit (ou le besoin en eau) est souvent exprimé en par jour.
b-3 Débit horaire :
Il est calculé par la formule suivante :
[ / ] (IV.2)
Avec :
: Le nombre d’heures d’ensoleillement maximal.
: Le volume d’eau besoin.
A partir, le débit, la hauteur manométrique et le rendement, on va choisir la pompe.
b-4 La hauteur manométrique totale
C’est la différence de pression en mètres de colonne d’eau entre les orifices d’aspiration et
de refoulement. Cette hauteur peut être calculée comme suit :
(IV.3)
Où:
: Hauteur géométrique entre la nappe d’eau pompée (niveau dynamique) et le plan
d’utilisation (voir Figure 3.1). Elle est calculée par la formule suivante :
(IV.4)
: Pertes de charge produites par le frottement de l’eau sur les parois des conduites. Elles
s’expriment en mètres d’eau et elles sont fonction de la distance des conduites (D), de leur
diamètre et du débit de la pompe.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 81
b-5 Niveau statique :
Le niveau statique d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau avant
pompage.
b-6 Niveau dynamique :
Le niveau dynamique d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau
pour un pompage à un débit donné. Pour le calcul de la HMT, le niveau dynamique est calculé
pour un débit moyen.
Figure (IV-1) : Hauteur manométrique total. [47]
b-7 Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire [29]
Une fois on connait le débit, le calcul de l’énergie de la pompe à travers l’application de
l’équation de la dynamique permet d’avoir la puissance hydraulique de la pompe exprimée en
Watts à partir de la relation :
(IV.5)
Avec :
: Energie hydraulique de la pompe, exprimée en pascale.
: Débit volumique ( / ).
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 82
IV-2-4-3 Choix du générateur PV [48]
Selon la puissance demandée par la pompe et l’irradiation journalière incidente sur le plan
du générateur qui permet de convertie l’énergie solaire en énergie électrique sous forme de
tension et de courant continu. On va suivre les étapes suivant :
1. Déterminer la puissance crête P nécessaire au fonctionnement de la pompe par la
méthode analytique.
2. Choisir le type de panneau solaire (définir leur puissance nominale Pm)
3. Déterminer le nombre de panneaux.
4. Déterminer le nombre de module série / parallèle (la forme de connexion).
A- Détermination la puissance crête :
A-1 La puissance crête : Puissance électrique maximum que peut fournir le module dans les
conditions standards (25°C et un éclairement de 1000 W/m²).
A-2 Détermination la puissance consommée par jour (la pompe) :
(IV.6)
Où :
t : est le temps d’utilisation journalier.
P : la puissance électrique d’entrée mesurée en w et donnée par la fiche de pompe choisie.
: Le rendement de l’onduleur.
La puissance crête que doit fournir par le générateur PV est calculée par l’expression
suivante : [20]
=
(IV.7)
Avec :
(Wc) : la puissance crête du générateur PV.
(Wh/j) : énergie journalier consommée par l’installation.
: [kWh/m²/jour) : irradiation journalier moyenne du mois défavorable.
: Coefficient correcteur, généralement compris entre 0.55 et 0.75.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 83
A-3 Détermination la puissance nominale du module ( ) [49]
(IV.8)
Avec :
: Courant circuit ouvert maximal du module de 22 V dans les modules qui fonctionnent
avec 12 V.
: Courant de court-circuit.
Après le calcul de la puissance du générateur PV, on détermine le nombre de modules
constituants le générateur suivant la puissance du module PV choisie. Tel que l’énergie fournie
par les panneaux solaires en une journée doit être égale à l’énergie journalière consommée par
la pompe.
A-4 Nombres de modules [48]
Le nombre total de modules ( ) constituant le générateur PV est calculé par la formule
suivante :
ê
(IV.9)
Avec :
La puissance crête du générateur.
: La puissance du module PV.
Choix des panneaux solaires PV il est obligatoire de connaître la tension de fonctionnement
de la pompe avant de définir le type et le nombre de panneaux solaires ainsi que leur couplage.
A-4-1 Nombre de modules en série [48]
Pour trouver la tension convenable à l’alimentation d’une charge donnée par la mise en série
de plusieurs modules PV, le nombre de ces modules est calculé par l’expression suivante :
(IV.10)
Avec :
La tension nominale de la charge (l’onduleur).
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 84
La tension nominale du module.
Toujours utiliser ensemble des panneaux solaires de même marque, de même puissance.
A-4-2 Nombre de modules en parallèle :
La mise en parallèle de modules donne l’intensité nécessaire à la charge. Le nombre de
modules en parallèle est calculé par l’équation suivante :
(IV.11)
IV-2-4-4 Choix de convertisseur DC/AC (onduleur) :
Le convertisseur DC/AC a pour rôle, la conversion du courant continu CC produit par les
panneaux en courant alternatif AC.
A-1 Caractéristiques de fonctionnement les plus importantes :
Tension et courant d’entrée/sortie.
Limites de la tension d’entrée.
Basse de consommation et leur rendement.
Puissance de sortie.
IV-3 Simulation par PVsyst :
IV-3-1 Présentation de PVsyst :
PVsyst est un logiciel conçu pour être utilisé par les architectes, les ingénieurs et les
chercheurs, mais c’est aussi un outil pédagogique très utile. Il inclut une aide contextuelle
approfondie, qui explique en détail la procédure et les modèles utilisés et offre une approche
ergonomique avec guide dans le développement d’un projet. PVsyst permet d’importer des
données météo d’une dizaine de sources différentes ainsi que des données personnelles.
PVsyst V7.0.12 proposes 3 niveaux d'étude du système PV, Ce qui correspond à peu
près aux différentes étapes du développement du projet réel:
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 85
Figure (IV.2): Menu principal de logiciel PVsyst.
IV-3-2 La conception préliminaire :
Le logiciel PVsyst permet le pré dimensionnement d’un projet, première évaluation des
dimensions du système et de son composant le pré dimensionnement concerne trois systèmes :
Couplé au réseau
Isolé avec batteries
Pompage
IV-3-3 Conception du projet :
Conception et dimensionnement final du projet dans cette option on a :
Etude et analyse détaillés d’un projet
Calcul de la production à partir de simulations détaillées en valeurs horaires.
Différentes variantes peuvent être simulées et comparées
Analyse détalée des pertes du système
Evaluation économique, selon les composants réels.
Pour les systèmes de pompage, plusieurs conceptions de système peuvent être testés et
comparés les unes aux autres, avec une analyse détaillée des comportements et de
l'efficacité. Les résultats comprennent plusieurs dizaines de variables de simulation, qui
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 86
peuvent être affichées dans les valeurs mensuelles, quotidiennes ou horaires, et même
transférés à d'autres logiciels.
Le "Diagramme de perte " est particulièrement utile pour identifier les faiblesses de la
conception du système.
Un rapport d'ingénieur peut être imprimé pour chaque exécution de la simulation, y
compris tous les paramètres utilisés pour la simulation, et les principaux résultats.
IV-3-4 Présentation de projet:
Dans ce projet, nous avons présenté une installation de pompage photovoltaïque pour
alimenter un site agricole. Le site étudié est situé au niveau de la commune de Tamanrasset,
wilaya de Tamanrasset.
IV-3-5 Données géographique de site :
Latitude
22.78° N
Longitude
5.52° E
Altitude
1377 m
Albédo
0.2
Tableau (IV-1) : Données géographique de site Tamanrasset.
Figure (IV.3) : Carte géographique de la wilaya de Tamanrasset.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 87
IV-3-6 Coordonnée géographique :
Figure (IV.4): Coordonnée géographique de Tamanrasset.
IV-3-7 Données météorologiques :
Figure (IV.5): Paramètres climatique de Tamanrasset.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 88
Ces données résument les caractéristiques climatiques (l’irradiation et la température)
du site de Tamanrasset, Il est conseillé de définir soigneusement la source des données:
PVGIS: (Photovoltaic Geographical Information System) Fournit un accès sur
l’Internet aux données sur le rayonnement solaire et la température et aux outils
d'évaluation de la performance PV pour n'importe quel endroit en Europe et en Afrique, ainsi
que dans une grande partie de l'Asie.
IV-3-8 Conception de projet:
On retrouve ici le même fonctionnement que dans "preliminary design" mais avec beaucoup
plus de paramètres. Encore une fois, on choisit le type d'installation : connecté au réseau,
déconnecté du réseau, système de pompe solaire ou connecté à un réseau continu.
On aura plus d'étapes : choix du projet et de ses variables, orientation du panneau solaire,
définition de l'horizon (ombre lointaines), définitions des ombres proches, définition du
système et enfin les résultats.
Figure (IV.6): Conception de projet.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 89
IV-3-9 Les étapes de conception d’un système de pompage photovoltaïque :
A-1 Profil de l'horizon:
Un profil de l'horizon est une ligne brisée superposée sur le diagramme de trajectoire du
soleil, qui peut contenir un nombre quelconque de hauteur /points d'azimut.
Figure (IV.7) : horizon du Tamanrasset.
A-2 Orientation des modules PV:
Pour notre simulation, nous avons choisi un plan incliné fixe d’une inclinaison 30° (par
rapport à l’horizontale) comme l’illustre la figure (IV.7), c’est l’inclinaison optimale donnée
par le logiciel PVSYST, en dehors de cette dernière le rendement diminue.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 90
Figure (IV.8): Angle d’orientation.
Le facteur transposition: est le rapport de l'irradiation incidente (GlobInc) sur le plan,
à l'irradiation horizontale (GlobHor). C'est-à-dire ce que vous gagnez (ou en vrac) lors de
l'inclinaison du plan du capteur.
A-3 Définition des besoins de l’utilisateur :
A-3-1 Circuit hydraulique de pompage :
Le stockage de l’eau est réalisé par le bais d’un réservoir afin d’irriguer une surface de 3
hectares.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 91
Le circuit hydraulique de pompage il contient :
Le type de système (autonome sans batterie)
Les caractéristiques du forage.
Les caractéristiques du réservoir.
Le circuit hydraulique.
Figure (IV.9) : Circuit hydraulique de pompage.
Par défaut pour les petits systèmes, cela est proposé comme une liste des appareils ménagers
et les détails de leur utilisation (peut être saisonnière ou mensuelle).
Le dimensionnement commence par la détermination des besoins en eau exprimée en mètres
cubes par jour, Pour notre étude de simulation les besoins journaliers moyens mensuels en eau
est de 100 ⁄ .
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 92
Figure (IV.10): Détermination des besoins en eau.
A-3-2 Détermination de la puissance hydraulique
La puissance hydraulique est exprimée par la relation :
= (IV.12)
Figure (IV.11) : La puissance hydraulique.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 93
A-4 Choix de la pompe
On va choisir la pompe qui répond mieux aux conditions qu’on a défini en
dimensionnement :
Débit horaire
16.02 ⁄ (IV.13)
Déterminations de nombre d’heures d’ensoleillement maximal :
=
(IV.14)
La hauteur manométrique
(IV.15)
0
Figure (IV.12) : Définition de la pompe.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 94
Caractéristique de la pompe (Annexe A) :
Modèle: PSK2-15 C –SJ17-18.
Technologie pompe : centrifuge multi-étages.
Type de pompe : immergé.
Puissance maximale : 15 kW.
Le débit : 16.02 m3/h.
Tension MPP minimale : 500 V.
Tension MPP maximale : 850V.
Hauteur maximale : 40-140m.
Rendement: 55.50%.
N.B : Dans ce carré logiciel affiche les avertissements en orange indiquent des
imperfections de conception, mais le système est toujours acceptable et les erreurs en rouge
signifient des erreurs graves, qui empêcheront l'exécution de la simulation.
Figure (IV.13) : Carré d’affichage les erreurs et les avertissements.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 95
A-5 Choix de convertisseur (onduleur)
Le choix de l’onduleur dépend des caractéristiques électriques de la pompe alimentée
(puissance, tension).
Figure (IV.14) : Type de l’onduleur.
A-5-1 Caractéristique de l’onduleur (Annexe B)
Tension MPP minimale : 500 V.
Tension MPP maximale : 850V
Courant d’entrée maximum : 24 A.
Puissance : 15 KW.
Rendement : 98 %.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
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Détermination de la puissance consommée par jour (la pompe) :
=
A-6 Taille du générateur PV :
Selon la puissance demandée par la pompe et l’irradiation journalière incidente sur le plan
du générateur qui permet de convertie l’énergie solaire en énergie électrique sous forme de
tension et de courant continu , dans notre cas on choisira une inclinaison de (30°) par rapport
latitude de lieu Tamanrasset, la face des panneaux doit être orientée vers le sud ,pour profiter
du soleil tout la journée .
Choix des panneaux solaires PV il est obligatoire de connaître la tension de fonctionnement
de la pompe (Vch500-850V) avant de définir le type et le nombre de panneaux solaires ainsi
que leur couplage.
A-6-1 Le type de module PV pour l’application similaire :
Pour notre simulation le modèle (LR5-72 HPH 540M Longi solar) qui répond mieux à cette
condition a les caractéristiques suivant :
Figure (IV.15) : Le type de module PV.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 97
Caractéristique du module PV (Annexe C) :
Modèle: Si-mono LRS-72 HPH 540 M- mono-crystalline
Fabricant : Longi Solar.
Nombre de cellule : 72.
= 541.1 W.
= 13.8 A.
= 41.0 V.
= 13.85 A.
= 49.5 V.
Rendement: 23.34%.
La puissance nominale que doit fournir par le générateur PV est calculée par l’expression
suivante [20] :
=
(IV.16)
(Wc) : la puissance crête du générateur PV.
(Wh/j) : énergie journalier consommée par l’installation.
(kwh/m²/jour) : irradiation journalier globale du mois (avril G=7.46kwh/m²/jour).
: Coefficient correcteur, généralement compris entre 0.55 et 0.75. Dans notre cas on prend
la moyenne 0.65.
=
(IV.17)
Détermination de la puissance nominale du module (Pm) :
(IV.18)
Après le calcul de la puissance du générateur PV, on détermine le nombre de modules
constituants le générateur suivant la puissance du module PV choisie.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 98
Figure (IV.16) : détermination de nombre de modules en série et en parallèle.
IV-6-2 Nombres de modules :
Le nombre total de modules (Nm) constituant le générateur PV est calculé par la formule
suivante :
ê
(IV.19)
IV6-3 Nombre de modules en série :
(IV.20)
IV6-4 Nombre de modules en parallèle :
La mise en parallèle de modules donne l’intensité nécessaire à la charge. Le nombre de
modules en parallèle calculé par l’équation suivante :
=
(IV.21)
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 99
Le nombre de modules PV en série 15 modules et en parallèle 2 chaînes, le nombre total de
modules PV est 30 modules.
Toujours utiliser ensemble des panneaux solaires de même marque, de même puissance.
Montage en série des panneaux : On augmente la puissance et la tension, on garde le même
courant. Montage en parallèle des panneaux : On augmente la puissance et le courant, on garde
la même tension.
IV-6-5 Evolution de la puissance en fonction de la tension :
Avec des conditions d’irradiation différentes, le résultat de simulation de l’évolution de la
puissance p=f(v) est donné dans la figure (IV-17).
Figure (IV.17) : Evolution de la puissance en fonction de la tension dans des conditions
d’irradiation différentes.
Ce graphe montre que si l’irradiation et la tension augmente, la puissance augmente aussi.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 100
IV-6-6 Influence de l’éclairement sur les caractéristiques externes du module :
Pour faire une étude sur l’influence de l’éclairement sur les caractéristiques externes du
panneau, on fixe la température à 45°C et on fait varier seulement l’éclairement.
La figure(IV-18) présente des courbes pour différents niveaux d’éclairements.
Figure (IV.18) : L’effet de l’irradiation sur la caractéristique I-V.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
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Figure (IV.18) : L’effet de de température et l’irradiation sur l’efficacité.
On remarque une bonne efficacité à Pmax qui vaut 1000 W/m² et la température
10 C .
IV-7 L’exécution de la simulation :
On a lancé notre simulation et on a obtenu les résultats principaux, diagramme des pertes
comme montre la figure (IV.19) et un rapport final de notre simulation (Annexe D).
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 102
Figure (IV.19) : les résultats principaux.
Evaluation de la production normalisée :
La prédiction du système (à la sortie du stockage : Yf) est représentée sur la figure
(IV.20). Les pertes Lc, Ls et Lu sont les pertes correspondantes au champ PV, les pertes de
système de stockage et l’énergie non utilisée, respectivement. En effet, Il y a des pertes lors de
la collection de l’irradiation solaire cette perte vaut 0,97 kWh/j, des pertes système de l’ordre
de 0,31 kWh/j, et enfin l’énergie produite à la sortie de la pompe est de 3,96 kWh/j.
La quantité d’énergie inutilisée est moindre en période d’été et elle est plus importante en
hiver. Les pertes de collection de l’irradiation solaire et les pertes système sont faible de mois
de novembre au mois de mars, et ils sont plus importants les autres mois de l’année. Le résultat
est illustré par la figure (IV.20).
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 103
Figure (IV.20): Les productions normalisées.
Les pertes liées à la qualité du module sont en grande partie enregistrées en période d’été,
qui s’explique par la hausse des températures en cette saison.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 104
Diagramme de température en fonction d’irradiation effective
Figure (IV.21): Diagramme journalier Entrée/Sortie.
On note que plus la température est élevée plus on a une l’augmentation du rayonnement
globale.
Energie effective en sortie des modules
On donne l’énergie effective en sortie des modules dans la figure (IV.22)
Figure (IV.22): Distribution de l’énergie effective en sortie des modules.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 105
Le graphe de distribution de la puissance en sortie des modules définit un profil horaire au
cours de la journée, il suit exactement la même distribution du rayonnement incident, à une
échelle évidemment différente.
Performance ration :
La figure (IV.22) représente l'indice de performance (Performance Ration) qui est le
rendement de globale du système défini par le rapport de rendement réel du système par le
rendement nominal du système tel que :
Figure (IV.23) : Indice de performance.
Dans ce cas l'indice de performance et : 57.4 %
La valeur typique est de 0,50 à 0,65. Alors le système qui a été installé fonctionne très bien.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 106
Diagramme journalier Entrée/Sortie
Le diagramme journalier Entrée/Sortie représente l’Energie effective en sortie des
modules/Irradiation journalière globale incidente. Il est donné par la figure- (IV.24) ci-dessous ;
Figure (IV.24): Diagramme journalier Entrée/Sortie.
Interprétation des Résultats
Le lancement de la simulation nous permet d'accéder aux différents résultats de la
conception de notre système photovoltaïque « Mini Centrale » d'une puissance de 225kWc à
50°C. Le système photovoltaïque se compose de 60 chaines et chaque chaine contient 16
panneaux en série d'une puissance unitaire de panneau de 278 Wc, la surface occupée par ce
système est de 1862m 2
et la surface des cellules est de 1682m 2
. L'onduleur choisi a une
puissance de 250 kW AC, avec une tension de fonctionnement entre 450 et 800V, cette gamme
de tension permet à l'onduleur de fonctionner dans les différentes variations de la production en
fonction de la tension due à la variation de l'irradiation et de la température. Le champ
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 107
photovoltaïque est exposé au plusieurs paramètres de dégradation qui est interprété par des
facteurs de perte comme :
Perte ohmique de câblage : 1.5% au STC
Encrassement du champ : 3%
Perte de qualité module 1.5%
Perte de « Mismatch » modules : 2% au MPP
Le besoin d'utilisation : charge illimitée (toute la production est injecté dans le réseau
électrique donc sans stockage).
Diagramme des pertes sur l’année entier :
Figure (IV.26) : Diagramme des pertes sur l’année entier.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 108
Le diagramme résume les pertes de la production de système PV à savoir : les pertes
dues à la température du champ, pertes dues, perte pour qualité modules,…etc.
L'énergie solaire quand elle arrive sur le panneau avec la conversion photovoltaïque et le
rendement du panneau on a des pertes d'énergies donc la production diminue à la sortie du
panneau on a aussi les pertes dues au pertes ohmiques du câblages pertes dues à la température
du champ, on a aussi des pertes de l’onduleur donc l'énergie à l'entrée et à la sortie n'est pas la
même à cause des pertes et ces pertes influencent négativement la production.
IV-8 Maintenance et instruments de mesure :
Les composants photovoltaïques nécessiteront des opérations de maintenance et surtout
pour s’assurer le bon fonctionnement du système.
Il y a deux niveaux de maintenance :
- Le premier concerne le petit entretien qui doit être effectué régulièrement par l’usager. Il
s’agit de nettoyer les modules, vérifier l’absence d’ombres portées sur les modules, Il faut
s’assurer que ces tâches sont à la portée de l’usager et qu’elles sont effectuées correctement et
régulièrement.
- Le second concerne une maintenance plus poussée effectuer par un technicien qualifié et
équipé d’outils appropriés. Il s’agit de vérifier les principaux composants du système. Cette
maintenance doit être effectuée tous les 6 mois.
Procédure de maintenance du panneau solaire :
1. Nettoyez avec de l’eau, tôt le matin ou tard le soir (évitez savon ou détergents).
2. Vérifiez si le panneau est toujours fixé, orienté et incliné correctement.
5. Vérifiez si l’arrière du panneau n’est pas encombré de nids d’oiseaux ou d’insectes.
6. Vérifiez si la ou les boites de jonction son bien étanches.
7. Dans le cas où le support du module est relié à terre vérifiez sa continuité depuis le module
jusqu’au piquet de terre.
8. Resserrez toutes les connexions Instruments de mesure nécessaires· Équipements
nécessaires.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 109
Procédure de maintenance et instruments de mesure de l’onduleur :
En ce qui concerne le test de l’onduleur, il est recommandé de suivre les pas suivants pour
Vérifier le bon fonctionnement de l’onduleur.
· Vérification du câblage et nettoyage des bornes.
· Vérification de l’alimentation
· Vérification de la sortie
· Mesure électrique de l’autoconsommation, en vérifiant que l’autoconsommation se trouve
dans les limites définies par le fabricant.
Pour pouvoir vérifier ce qui précède, le mieux est de disposer d’un polymère digital et de
mesurer le courant et la tension à l’entrée et à la sortie.
Procédure de maintenance câblage :
Les raccords entre conducteurs se font via des boîtes de connexion.
Recommandation pour les récepteurs, Chaque type de récepteur a des besoins spécifiques
d’entretien et il n’est pas possible de détailler chacun d’entre eux, toute fois, d’une manière
générale :
En ce qui concerne le câblage, il faut prendre en compte les aspects suivants :
- Les câbles doivent avoir une protection appropriée contre l’intempérie.
- La pose des câbles doit respecter les normes de sécurité et d’installation en vigueur dans le
pays en question (câbles de différentes couleurs selon la polarité, etc.).
- Vérifiez si de nouveaux récepteurs ont été connectés, en plus de ceux initialement prévus.
-Nettoyez et dépoussiérez les différents récepteurs (ex : la pompe) et resserrez toutes les
connections.
-L’appareil et sa tension d’alimentation, et en déduire la puissance (P=UxI) et comparé avec
les indications indiquées au dos de l’appareil.
- Pour les onduleurs, mesurez la tension CA du signal de sortie.
Chapitre IV Installation d’un system PV Appliquée sur un site agricole
Page 110
- Assurez-vous que les câbles sont tous bien fixés.
IV-9 Conclusion :
Dans ce chapitre, nous avons présenté les étapes nécessaires pour concevoir un système
Pompage photovoltaïque autonome sans batteries avec leurs caractéristiques de base ainsi que
les effets de l'éclairement sur les caractéristiques externes du module. Ainsi que le
dimensionnement de chaque élément du système.
Nous avons dimensionné l’installation de notre système en fonction des besoins
énergétiques.
Le logicielle PVsyst permet de simuler un système de pompage photovoltaïque avec une
prise en compte de tous les aspects: pertes, emplacement géographique,...etc. Ceci a
permis de faire une meilleure estimation des pertes qui peuvent affecter le rendement global.
Nous avons essayé de minimiser les différentes pertes ce qui permet de faire certains choix
surtout les dimensions, telles que les hauteurs et les longueurs des conduites. Le pompage
photovoltaïque autonome est une solution intéressante pour les sites isolés
Conclusion générale
Page 113
Conclusion Générale
Comme nous l’avons déjà signalé le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre
d’un projet visant Analyse d’un system pompage photovoltaïque appliquée sur un site
agricole .
D’abord, La demande d’énergie électrique, essentiellement pour les besoins des sites isolés,
les systèmes de pompage d’eau, L’utilisation de l’énergie solaire pour pomper l’eau se
présentent comme une solution idéale pour l’alimentation en eau pour ces sites isolés car
l'énergie solaire est une énergie propre, silencieuse, disponible, gratuite et inépuisable, mais
aussi très propre pour l’environnement.
Après avoir passé en revue quelques données astronomiques nécessaires, 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 le site isolé.
L’utilisation de l’énergie solaire dans les sites isolés pour différents applications telles que
le pompage d’eau présent un intérêt très important.
Pour mieux analyser, Nous avons montré aussi comment nous pourrions optimiser la
puissance fournie par le GPV pour tirer le maximum de puissance électrique disponible au
niveau du générateur PV.
Ainsi nous avons présenté les résultats d’une installation d’un system de pompage
photovoltaïque autonome (sans batterie) appliquée sur le site de Tamanrasset pour des besoins
donnée. Nous avons présenté les différents éléments de ce system et leur dimensionnement qui
sont : un générateur photovoltaïque, une pompe et un onduleur. Ensuite nous avons utilisé
logiciel PV pour essayer de minimiser les différent pertes ce qui permet de faire certains choix
surtout les dimensions, telles que les hauteurs et les longueurs des conduites
Nous avons plus intéressons d’utiliser un stockage de l’eau dans des réservoirs
hydrauliques au lieu de stocker l’énergie électrique dans des batteries. Le système obtenu est
alors avec un fonctionnement naturel, Ce système de pompage solaire est conçu pour un
approvisionnement en eau dit « au fil du soleil ». C'est à dire une durée de pompage tout au
long de la journée.
Conclusion Générale
Page 114
Pour mieux analyser les contraintes de l’exploitation d’un système de pompage d’eau, nous
avons présenté plusieurs résultats obtenus d’une étude d’application d’une installation de
pompage photovoltaïque pour irriguer 3hectare de culture situé à Tamanrasset. Nous avons
montré que le site de Tamanrasset présente un climat favorable à ce type d’énergie nouvelle.
Tamanrasset est étendue sur une surface de plus de 557906 km² avec un ensoleillement le plus
fort en Algérie, ainsi que des ressources importantes d’eau souterraine. Une autre coïncidence
très importante favorise encore l’utilisation de ce type d’énergie pour le pompage d’eau à
Tamanrasset est que la demande d’eau, surtout dans l’agriculture,
Annexe
Annexe A
Figure 1: Les données générales de notre pompe.
Figure 2 : paramètre de la pompe .
Annexe B
Figure 1 : caractéristique du l’onduleur.
Annexe C
Figure 1 : caractéristiques de modules PV.
Figure 2 : Dimensions de modules PV.
REFERENCES BIBIOGRAPHIE
Page 116
BIBIOGRAPHIE
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