Etude et optimisation système hybride éolien- ?· Calcul de rayonnement solaire horaire sur un plan…

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MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE FERHAT ABBAS SETIF1- UFAS (ALGERIE) MEMOIRE Prsent la facult de Technologie Dpartement dElectronique Pour lobtention du Diplme de MAGISTER Option : contrle Par Mr. MAHAMMEDI Abdellatif THEME Etude et optimisation dun systme hybride olien- photovoltaque Soutenu le 15/12/2014 devant la commission dexamen : Mr. D. SLIMANI M.C.A luniversit de Stif Prsident Mr. F. KRIM Professeur luniversit de Stif Examinateur Mr. L. ZIET M.C.A luniversit de Stif Examinateur Mr. N. KHENFER Professeur luniversit de Stif Rapporteur Remerciements Je tiens remercier, en tout premier lieu, mon directeur de mmoire Monsieur Nabil KHENFER, Professeur lUniversit de Stif, pour son encadrement, son suivi permanent et ses prcieux conseils. Je tiens galement remercier vivement les membres de jury pour avoir accept dvaluer ce travail et ce mmoire : Monsieur Djamel SLIMANI Maitre de Confrences lUniversit de Stif, davoir accept de juger mon travail et de prsider le jury de soutenance de ce mmoire. Messieurs Fateh KRIM Professeur lUniversit de Stif, et Lahcene ZIET Maitre de Confrences lUniversit de Stif pour mavoir fait lhonneur daccepter dtre les examinateurs de ce mmoire. Stif, le../../2014 . SOMMAIRE Sommaire INTRODUCTION GENERALE ....................................................................... 1 Chapiter1 .................................................................................................................................. 3 SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE: DESCRIPTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ............................................................ 3 1.1. INTRODUCTION ...................................................................................................................................................... 3 1.2. Etat de lart du systme hybride olien-photovoltaque ...................................................................... 3 1.3. La chaine de production photovoltaque ..................................................................................................... 4 1.3.1. Le rayonnement solaire ............................................................................................................................. 4 1.3.2. Effet photovoltaque ................................................................................................................................... 6 1.3.3. Principe de la gnration photovoltaque .......................................................................................... 6 1.3.4. Convertisseurs DC/DC ............................................................................................................................... 8 1.3.4.1. Convertisseurs DC/DC pilotage MPPT ........................................................................................ 9 1.3.4.2. Principe de fonctionnement dun tage dadaptation DC-DC................................................ 9 1.4. La chaine de production olienne ................................................................................................................ 10 1.4.1. Le Gnie Electrique dans le vent ......................................................................................................... 10 1.4.2. Les types darognrateurs ............................................................................................................... 11 1.4.2.1. Eoliennes axe vertical ..................................................................................................................... 11 1.4.2.2. Eoliennes axe horizontal ................................................................................................................ 13 1.4.3. Choix de technologie de lolienne ..................................................................................................... 13 1.4.4. Architecture dune olienne axe horizontale ............................................................................. 14 1.4.4.1. Rotor .............................................................................................................................................................. 14 1.4.4.2. Nacelle .......................................................................................................................................................... 14 1.4.4.3. Tour ............................................................................................................................................................... 17 1.4.5. Rgulation mcanique de la puissance dune olienne ............................................................. 17 1.4.6. Conversion lectrique dnergie olienne ...................................................................................... 18 1.4.6.1. Machines lectriques et systmes de conversion dnergie olienne ............................ 18 1.4.6.2. Machines synchrones aimants permanents........................................................................... 19 1.4.7. Redresseur ................................................................................................................................................... 20 1.5. Le dispositif de stockage .................................................................................................................................. 21 1.5.1. Caractristiques dterminant le choix dune technologie de stockage ............................... 21 1.5.2. Moyens de stockage ................................................................................................................................. 21 1.5.3. Fonctionnement dun accumulateur au plomb ............................................................................. 22 SOMMAIRE 1.6. Bus courant continu ....................................................................................................................................... 24 1.7. Hacheur rversible en courant ...................................................................................................................... 25 1.8. Onduleur ................................................................................................................................................................. 25 1.8.1. Structure d'onduleur ............................................................................................................................... 26 1.8.2. Classification des onduleurs ................................................................................................................. 26 1.9. Conclusion .............................................................................................................................................................. 27 Chapiter 2 ............................................................................................................................. 28 MODELISTAION DES COMPOSANTS DU SYSTEME EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE..................................................................................... 28 2.1. INTRODUCTION ................................................................................................................................................... 28 2.2. Modlisation de la chaine photovoltaque ................................................................................................ 28 2.2.1. Modlisation du rayonnement solaire.............................................................................................. 29 2.2.1.1. Coordonnes gographiques terrestres ......................................................................................... 29 2.2.1.2. Position du soleil ...................................................................................................................................... 29 2.2.1.2.1. Coordonnes quatoriales ........................................................................................................... 29 2.2.1.2.2. Coordonnes horizontales ........................................................................................................... 30 2.2.1.2. Langle dincidence du rayonnement direct sur un plan inclin .......................................... 31 2.2.1.3. Calcul de rayonnement solaire horaire sur un plan inclin ................................................... 31 2.2.2. Modlisation dune cellule photovoltaque ......................................................................................... 34 2.2.2.1 Paramtres dune cellule PV ................................................................................................................. 36 2.2.2.1.1. Le courant de court circuit ............................................................................................................ 36 2.2.2.1.2. La tension de circuit ouvert .......................................................................................................... 36 2.2.2.2. Association de Cellules Photovoltaques ........................................................................................ 36 2.2.2.3. Modlisation du gnrateur PV ........................................................................................................... 37 2.2.2.3.1. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque ......................................................... 38 2.2.2.3.2. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque ........................................................ 38 2.2.2.3.3. Rendement dun gnrateur photovoltaque ....................................................................... 39 2.2.2.3.4. Facteur de forme .............................................................................................................................. 39 2.2.2.3.5. Influence de lintensit du rayonnement .............................................................................. 40 2.2.2.3.6. Influence de la temprature ....................................................................................................... 41 2.2.3. Modlisation du convertisseur pilotage MPPT .......................................................................... 42 2.2.3.1. Hacheur survolteur ............................................................................................................................. 42 2.2.3.2. Mthode de poursuite du point de puissance maximale ..................................................... 44 2.2.3.3. Mthode de la drive de la puissance ....................................................................................... 44 SOMMAIRE 2.2.3.3.1. Mthode de la perturbation et lobservation (P&O) ....................................................... 46 2.2.3.3.2. Mthode par incrmentation de conductance ................................................................... 48 2.3. Modlisation de la chaine olienne ............................................................................................................. 50 2.3.1. Modle du vent ........................................................................................................................................... 50 2.3.1.1. Correction de la vitesse de vent avec laltitude........................................................................ 50 2.3.1.2. Distribution de Weibull ..................................................................................................................... 51 2.3.2. Modle de la turbine ................................................................................................................................ 52 2.3.2.1. Puissance rcuprable par une turbine : .................................................................................... 52 2.3.2.2. Loi de Betz ............................................................................................................................................... 52 2.3.2.3. Vitesse normalise ............................................................................................................................... 54 2.3.2.4. Coefficient de puissance ..................................................................................................................... 54 2.3.2.5. Coefficient de couple ........................................................................................................................... 55 2.3.3. Modle de larbre de la machine ......................................................................................................... 56 2.3.4. Modle de la gnratrice synchrone aimants permanents .................................................. 57 2.3.5. Modlisation du redresseur .................................................................................................................. 58 2.3.5.1. Etude dun redresseur monophas diode ............................................................................... 58 2.3.5.2. Modle dun pont de diode ............................................................................................................... 59 2.3.6. Puissance olienne produite ................................................................................................................. 61 2.4. Modlisation du dispositif de stockage ...................................................................................................... 62 2.5. Modlisation du hacheur rversible en courant .................................................................................... 65 2.6. Modlisation de londuleur ............................................................................................................................. 65 2.7. Conclusion .............................................................................................................................................................. 66 Chapiter 3 ............................................................................................................................. 67 OPTIMISATION DU SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE ........................................................................................................................ 67 3.1. Introduction .......................................................................................................................................................... 67 3.2. Critres doptimisation du systme hybride ........................................................................................... 67 3.3. Modle de simulation ........................................................................................................................................ 68 3.4. Procdure de dimensionnement .................................................................................................................. 72 3.4.1. Profil de la charge .......................................................................................................................................... 72 3.4.2. Profil de rayonnement, de temprature et de vitesse de vent .................................................. 73 3.4.3. Energie produite par le systme hybride ............................................................................................. 75 3.5. Dtermination de la taille optimale du systme .................................................................................... 76 3.6. Ltat de charge des batteries ....................................................................................................................... 79 SOMMAIRE 3.7. Conclusion .............................................................................................................................................................. 79 Chapiter 4 ............................................................................................................................. 81 SIMULATION DU SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE 81 4.1. Introduction .......................................................................................................................................................... 81 4.2. Simulation du rayonnement solaire............................................................................................................. 81 4.3. Simulation du GPV .............................................................................................................................................. 83 4.3.1. Simulation du gnrateur (GPV) clairement et temprature constante ........................... 85 4.3.2. Simulation du gnrateur (GPV) clairement et temprature variable .............................. 86 4.3.2.1. Linfluence de lclairement sur la caractristique = () .................................... 87 4.3.2.2. Linfluence de lclairement sur la caractristique = () ................................... 87 4.3.2.3. Linfluence de la temprature sur la caractristique = () ................................. 88 4.3.2.4. Linfluence de la temprature sur la caractristique = () ................................ 89 4.4. Simulation du hacheur Boost avec la commande MPPT .................................................................... 89 4.5. Simulation de la chaine olienne .................................................................................................................. 92 4.6 Simulation du dimensionnement du systme ......................................................................................... 95 4.7. Conclusion .............................................................................................................................................................. 97 CONCLUSION GENERALE .......................................................................... 98 Rfrences Bibliographiques ................................................................. 100 SOMMAIRE Liste des figures Figure 1.1. Schma synoptique du systme hybride tudi4 Figure 1.2. Normes de mesures du spectre dnergie lumineuse mis par le soleil, notion de la convention AM .....5 Figure 1.3. Spectres solaires relevs dans plusieurs conditions selon la convention AM..5 Figure 1.4. Schma dune cellule lmentaire6 Figure 1.5. Caractristique dune photodiode et caractristique dune cellule Photovoltaque .7 Figure 1.6. Cellules, module et panneau photovoltaques..7 Figure 1.7. Schma dun quadriple lectrique..8 Figure 1.8. Priodes fermeture et ouverture dun commutateur.....................................................................9 Figure 1.9. Chane de conversion photovoltaque avec convertisseur (DC-DC) contrl par une commande (PPM) ...10 Figure 1.10. Capacit mondiale dnergie olienne installe...11 Figure 1.11 Technologies doliennes .....11 Figure 1.12. Principe de la trane diffrentielle..12 Figure 1.13. Principe de la variation cyclique dincidence..12 Figure 1.14. Configurations axe horizontal ...13 Figure 1.15. Composants dune olienne.14 Figure 1.16. Composition de la nacelle dune olienne....16 Figure 1.17. Diagramme de la puissance utile sur l'arbre en fonction de la vitesse du vent.....17 Figure 1.18. Arognrateur aimants dbitant directement travers un pont de diodes sur le bus continu..19 Figure 1.19. Redresseur diodes .20 Figure 1.20. Reprsentation interne de laccumulateur ...22 Figure 1.21. Evolution de la tension dune cellule de batterie au plomb .23 Figure 1.22. Architecture du bus CC avec batteries de stockage ..25 Figure 1.23. Hacheur rversible en courant .....25 Figure 1.24. Symbole de convertisseur DC-AC monophas et triphas...26 Figure 1.25. Structure dun onduleur triphase.....26 Figure 2.1. Chaine de conversion photovoltaque ...28 Figure 2.2 Radiation solaire globale sur un plan inclin..32 Figure 2.3 Schma lectrique quivalent dune cellule PV, modle une diode...34 Figure 2.4 Caractristiques de cellules photovoltaques en srie.36 Figure 2.5 Caractristiques de cellules photovoltaques en parallle...37 Figure 2.6 Schma lectrique quivalent dun gnrateur PV, modle une diode37 SOMMAIRE Figure 2.7. Caractristique courant- tension dun gnrateur photovoltaque.38 Figure 2.8. Caractristique puissance- tension dun gnrateur photovoltaque.39 Figure 2.9. Caractristique idale dune cellule P-V ...40 Figure 2.10. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents rayonnements....40 Figure 2.11. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents rayonnements...41 Figure 2.12. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents tempratures.41 Figure 2.13. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents tempratures42 Figure 2.14. Hacheur parallle43 Figure 2.15. Hacheur parallle. Fonctionnement courant de source ininterrompu44 Figure 2.16. Hacheur parallle. Limite du fonctionnement courant de source ininterrompue.45 Figure 2.17. Caractristique du point de puissance maximale PPM.46 Figure 2.18. Organigramme dalgorithme MPPT ( P&O) ..47 Figure 2.19. Organigramme dalgorithme MPPT ( inc-cond) 49 Figure 2.20. Chaine de conversion olienne50 Figure 2.21. Exemple de la distribution de Weibull 51 Figure 2.22. Colonne dair anime dune vitesse V.. ..52 Figure 2.23. Thorie de Betz : Schma de principe. ..53 Figure 2.24. Vitesse de vent (V) et vitesse tangentielle de laubage . Rt..54 Figure 2.25. Courbes caractristiques des arognrateurs..55 Figure 2.26. Redresseur monophas diode58 Figure 2.27. Schma dun pont de diodes...60 Figure 2.28. Schma quivalent dune squence en conduction normale...60 Figure 2.29. Puissance de larognrateur..62 Figure 2.30. Modle R-C de la batterie....63 Figure 2.31. Schma quivalent de lments en srie.....63 Figure 2.32. Modle CIEMAT de la batterie au plomb sous Simulink64 Figure 2.33. Reprsentation des composants bidirectionnels...66 Figure 3.1. Variation de Nombre de modules PV par rapport au Nombre de batteries pour une LPSP donne...70 Figure 3.2. Organigramme dalgorithme de la mthode LPSP71 Figure 3.2. Organigramme dalgorithme de la mthode LPSP (suite) .72 Figure 3.3. Profil de consommation adopt n173 Figure 3.4. Profil de consommation adopt n2...73 Figure 3.5. Profil annuel de rayonnement solaire 74 Figure 3.6. Profil annuel de temprature ambiante ..74 Figure 3.7. Profil de vitesse de vent 75 Figure 3.8. Puissance produite par un seul module PV....75 SOMMAIRE Figure 3.9. Puissance olienne fournie au bus cc..76 Figure 3.10.Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0...76 Figure 3.11.Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0...77 Figure 3.12.Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0.001....77 Figure 3.13.Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0.01..78 Figure 3.14. Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour LPSP =0.1..78 Figure 3.15. Trac de ltat de charge des batteries pour une LPSP =0.79 Figure 4.1. Rayonnement solaire journalier Stif..81 Figure 4.2. Rayonnement solaire horaire dans un plan horizonatal..82 Figure 4.3. Rayonnement solaire horaire dans un plan inclin = 32..82 Figure 4.4. Rayonnement solaire horaire dans un plan inclin = 46..82 Figure 4.5. Modlisation du GPV sous matlab (Simulink)..85 Figure 4.6. Caractristique (courant-tension) du GPV..86 Figure 4.7. Caractristique (puissance-tension) du GPV..86 Figure 4.8. Influence de lclairement sur la caractristique = ()..87 Figure 4.9. Influence de lclairement sur la caractristique = ().....88 Figure 4.10. Influence de la temprature sur la caractristique = ()..88 Figure 4.11. Influence de la temprature sur la caractristique = ()..89 Figure 4.12. Schma de simulation du hacheur Boost et de sa commande..90 Figure 4.13. Caractristique = () la sortie du hacheur Boost....91 Figure 4.14. Energie photovoltaque produite par un module..91 Figure 4.15. Schma de simulation dlolienne...92 Figure 4.16. Variation de la vitesse de vent ....93 Figure 4.17. Fonction de probabilit de vitesse de vent ..93 Figure 4.18. Puissance olienne produite .94 Figure 4.19. Puissance olienne fournie au bus CC..94 Figure 4.20. Schma de simulation du systme hybride.95 Figure 4.21. Profil de consommation..96 Figure 4.22. Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =096 Figure 4.23. Trac du couple optimal ( , )...96 Figure 4.24. Ltat de charge des batteries.97 SOMMAIRE Liste des tableaux Tableau 2.1. Valeurs du coefficient de correction..50 Tableau 3.1. Taille optimale et son cot pour diffrents niveaux de fiabilit...79 Tableau 4.1 Caractristiques physiques et lectriques du gnrateur PV choisi pour la modlisation et la simulation.83 Tableau 4.2. Caractristiques de lolienne FD2.6-600 .92 1 INTRODUCTION GENERALE L'puisement rapide des ressources en combustibles fossiles l'chelle mondiale, a ncessit une recherche urgente pour les sources d'nergie renouvelables. Parmi les nombreuses solutions de rechange, le photovoltaque et l'nergie olienne ont t considrs comme prometteuses pour rpondre la demande croissante pour l'nergie. Les sources d'nergie oliennes et photovoltaques sont inpuisables, les processus de conversion sont sans pollution, et leur disponibilit est gratuite. Pour les systmes distance tels que les relais de tlcommunication en plein dsert, les Stations terrestres de satellites, ou aux sites isols qui sont loin d'un systme d'nergie conventionnelle, les systmes hybrides ont t considrs comme des sources alternatives attrayantes et privilgies. Pour les applications autonomes, le cot de stockage reprsente encore la principale contrainte conomique. Combinant la fois l'nergie olienne et l'nergie photovoltaque conduirait rduire au minimum lexigence de stockage, et donc le cot global du systme. La variabilit dans la forme d'nergie disponible dans le systme olien - PV, exige de choisir une meilleure taille du banc de batteries et du gnrateur PV pour que le systme satisfaire la demande de la charge toute heure de lanne. Cest dans cette problmatique que se situe cette thse : tudier et optimiser un systme hybride olien-photovoltaque totalement autonome. La thse prsente est rdige en quatre chapitres principaux qui se rsument dans ce qui suit : Dans le premier chapitre, nous prsenterons une structure du systme hybride. Ensuite, nous rappellerons le principe de fonctionnement de cellule photovoltaque et celui du convertisseur DC-DC pilotage MPPT. Une tude sera aussi consacre au fonctionnement de la turbine, de la gnratrice synchrone aimants permanent et du redresseur. Le dispositif de stockage sera galement tudi et le choix de batterie au plomb sera justifie. Le contrleur de charge /dcharge des batteries et le bus CC seront aussi prsents. Enfin, nous donnerons le principe de fonctionnement de convertisseur DC-AC. Dans le deuxime chapitre, des modles mathmatiques seront utiliss pour estimer le rayonnement solaire sur un plan inclin. Les modles des diffrents composants du systme seront aussi prsents en dtail. Des techniques MPPT seront prsentes avec leurs algorithmes. https://www.google.com/search?q=des+Station+terrestre+de+satellites&newwindow=1&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=24AUU8SdIcWz4AS9toDIDA&ved=0CCsQsAQhttps://www.google.com/search?q=des+Station+terrestre+de+satellites&newwindow=1&biw=1366&bih=667&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=24AUU8SdIcWz4AS9toDIDA&ved=0CCsQsAQINTRODUCTION GENERALE 2 Le troisime chapitre sera consacr loptimisation du systme. Nous prsenterons une mthode doptimisation et son algorithme. Pour une caractristique de charge donne et une turbine de vent choisie, le nombre optimal de modules photovoltaques et de batteries, qui permettraient d'atteindre une probabilit de perte dnergie souhaite, sera calcul. Ce calcul sera ralis laide dun code de calcul dans lenvironnement MATLAB. Dans le quatrime chapitre, nous prsentons la simulation des chaines de production dnergie et aussi les rsultats obtenus lors du dimensionnement de systme. Finalement, une conclusion gnrale de ce travail et quelques perspectives cltureront le mmoire. 3 Chapiter1 SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE, DESCRIPTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 1.1. INTRODUCTION La production dlectricit dcentralise par sources dnergies renouvelables, offre une plus grande sret dapprovisionnement des consommateurs tout en respectant lenvironnement. Cependant le caractre alatoire de ces sources nous impose dtablir des rgles de dimensionnement et dutilisation de ces systmes pour les exploiter au mieux. Considrant leurs caractristiques saisonnires respectives, les nergies (solaire et olienne) ne se concurrencent pas mais au contraire peuvent se valoriser mutuellement. C'est pourquoi on propose ici un systme hybride compos de ces deux sources d'nergie, qui consiste en l'exploitation optimale de la complmentarit entre elles. Certes, du point de vue conomique les rsultats apparaissent assez convaincants quant la rentabilit du systme hybride ci-dessus dsign, mais cela n'exclut pas le fait que la combinaison des deux sources constitue un systme assez complexe du point de vue technologique Dans ce chapitre, il sera expos la description et le principe de fonctionnement de diffrents composants du systme hybride olien-photovoltaque. Le gnrateur photovoltaque, larognrateur et les convertisseurs de puissance seront prsents. Le systme de stockage sera prsent aussi en fin du chapitre. 1.2. Etat de lart du systme hybride olien-photovoltaque Le systme hybride de production dnergie est celui qui combine et exploite plusieurs sources dnergies. Les sources dnergie renouvelable, comme lolien et le photovoltaque, ne dlivrent pas une puissance constante, ce qui exige lutilisation dun systme de stockage. En plus des sources dnergie renouvelable, un systme hybride peut aussi incorporer un systme de distribution courant alternatif(CA), un systme courant continu(CC), un systme de stockage, des convertisseurs de puissance, des charges, des charges de dlestage et une option de gestion des charges ou un systme de supervision. Dans la plupart des cas, les systmes hybrides Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 4 classiques contiennent deux bus : un bus CC pour les sources, les charges CC et les batteries et un bus CA pour les gnrateurs CA et le systme de distribution [1]. Dans notre systme, prsent dans la figure 1.1, les chanes de production se composent de : Des panneaux photovoltaques connects au bus continu travers des convertisseurs DC/DC pilotage MPPT. Une olienne relie au bus continu travers un redresseur diodes. Le dispositif de stockage de lnergie, compos des batteries lectrochimiques, est reli au bus continu lintermdiaire dun contrleur de charge / dcharge. Le bus continu est reli de son cot aux charges alternatives via un onduleur. Bus CC Figure 1.1. Schma synoptique du systme hybride tudi 1.3. La chaine de production photovoltaque 1.3.1. Le rayonnement solaire Le rayonnement solaire est constitu de photons dont la longueur donde stend de lultraviolet (0.2 m) linfrarouge lointain (2.5 m). On utilise la notion AM pour Air Mass afin de caractriser le spectre solaire en termes dnergie mise. Lnergie totale transporte par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lordre de 1350W/m (AM0) dans lespace hors atmosphre terrestre (voir figure 1.2). Lorsque le rayonnement solaire traverse latmosphre, il subit une attnuation et une modification de son spectre, la suite de phnomnes dabsorption et de diffusion dans les gaz, leau et les poussires. Ainsi, la couche dozone absorbe une partie du spectre lumineux provenant du soleil, et en particulier une partie des ultraviolets dangereux pour la sant. Le rayonnement solaire direct reu au niveau du sol ( 90 dinclinaison) atteint 1000 W/m du fait de labsorption dans latmosphre (AM1). Cette valeur change en fonction de linclinaison Arognrateur Gnrateur PV Pont diodes Convertisseur DC/DC pilotage MPPT Batteries Onduleur Charges AC Contrleur de charge / dcharge Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 5 des rayons lumineux par rapport au sol. Plus langle de pntration est faible, plus lpaisseur atmosphrique que les rayons auront traverser sera grande, do une perte dnergie consquente. Par exemple, lnergie directe transporte par le rayonnement solaire atteignant le sol avec un angle de 48 avoisine les 833 W/m (AM1.5) [2]. Figure 1.2. Normes de mesures du spectre dnergie lumineuse mis par le soleil, notion de la convention AM. Pour connatre le rayonnement global reu au sol, il faut ajouter ce dernier le rayonnement diffus. Le rayonnement diffus concerne tout le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point d'observation n'est pas gomtriquement rectiligne et qui est dispers ou rflchi par l'atmosphre ou bien le sol. En considrant ceci, on obtient une rfrence du spectre global note AM1.5 avec une puissance de 1000W/m ( figure 1.3) [2]. Figure 1.3. Spectres solaires relevs dans plusieurs conditions selon la convention AM. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 6 1.3.2. Effet photovoltaque Le scientifique franais, Edmond Becquerel, fut le premier dcouvrir en 1839 leffet photolectrique. Il a trouv que certains matriaux pouvaient produire une petite quantit de courant sous leffet de la lumire. Par la suite, Albert Einstein a dcouvert, en travaillant sur leffet photolectrique, que la lumire navait pas quun caractre ondulatoire, mais que son nergie tait porte par des particules, les photons. Lnergie dun photon est donne par la relation (1.1) [2] : =h.0 (1.1) O reprsente la quantit d'nergie, 0 la longueur d'onde, h la constante de Planck et la vitesse de la lumire. Ainsi, plus la longueur donde est courte, plus lnergie du photon est grande. 1.3.3. Principe de la gnration photovoltaque Une cellule photovoltaque est assimilable une diode photo-sensible, son fonctionnement est bas sur les proprits des matriaux semi conducteurs. La cellule photovoltaque permet la conversion directe de lnergie lumineuse en nergie lectrique. Son principe de fonctionnement repose sur leffet photovoltaque [3]. Une cellule est constitue de deux couches minces dun semi conducteurs. Ces deux couches sont dopes diffremment. Pour la couche N, cest un apport dlectrons priphriques et pour la couche P cest un dficit dlectrons. Les deux couches prsentent ainsi une diffrence de potentiel. Lnergie des photons lumineux capts par les lectrons priphriques (couche N), leur permet de franchir la barrire de potentiel et dengendrer un courant lectrique continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des lectrodes sont dposes par srigraphie sur les deux couches de semi conducteur (figure 1.4). Llectrode suprieure est une grille permettant le passage des rayons lumineux. Une couche antireflet est ensuite dpose sur cette lectrode afin daccrotre la quantit de lumire absorbe [4]. Figure 1.4. Schma dune cellule lmentaire. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 7 Industriellement les matriaux les plus utiliss sont base de silicium. Le rendement nergtique atteint industriellement est de 13 14 % pour les cellules base de silicium monocristallin, 11 12 % avec du silicium poly-cristallin et enfin 7 8% pour le silicium amorphe en films minces. Les caractristiques ainsi obtenues sont celles dune photodiode mais en convention gnrateur (figure 1.5). Figure 1.5. A : caractristique dune photodiode. B : caractristique dune cellule Photovoltaque [5]. Typiquement une cellule photovoltaque produit moins de 2 watts sous approximativement 0,5 Volt. Alors Pour produire plus de puissance les cellules sont assembles pour former un module Une association srie de plusieurs cellules donne un module et une association srie et/ou parallle de plusieurs modules permet de raliser un panneau photovoltaque (Voir Figure 1.6) [6]. Figure 1.6. Cellules, module et panneau photovoltaques. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 8 Le passage dun module un panneau se fait par lajout de diodes de protection, une en srie pour viter les courants inverses et une en parallle, dite diode by-pass, qui nintervient quen cas de dsquilibre dun ensemble de cellules pour limiter la tension inverse aux bornes de cet ensemble et minimiser la perte de production associe. 1.3.4. Convertisseurs DC/DC Pour la conversion de puissance, il est essentiel que le rendement soit maintenu lev pour viter la dissipation de la puissance et pour viter les chauffements excessifs dans les composants lectroniques. Pour cette raison toute la conversion de puissance change doit tre ralise autour des composants de stockage d'nergie (inductance et condensateurs) et les commutateurs. Les commutateurs de puissance utiliss dpendent du niveau de la puissance convertir ou commander. Les MOSFETS (transistors effet de champ d'oxyde de mtal) sont habituellement utiliss la puissance relativement basse (quelques kW) et les IGBTS (transistors bipolaires gchette isole) des puissances plus leves. Les thyristors ont t gnralement utiliss et accepts dans les plus hauts niveaux de puissance [7] ; Dun point de vue circuit, le hacheur apparat comme un quadriple (figure 1.7), jouant le rle dorgane de liaison entre deux parties dun rseau. On peut le considrer comme un transformateur de grandeurs lectriques continues [5]. Figure 1.7. Schma dun quadriple lectrique. Le hacheur se compose de condensateurs, dinductances et de commutateurs. Dans le cas idal, tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance active, c'est la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs. Le commutateur est un dispositif semi-conducteur en mode (bloqu -satur), si le dispositif semi-conducteur est bloqu, son courant est zro et par consquent sa dissipation de puissance est nulle. Si le dispositif est dans l'tat satur, la chute de tension ses bornes sera presque zro et par consquent la puissance perdue sera trs petite [5]. Pendant le fonctionnement du hacheur, le transistor sera commut une frquence constante avec un temps de fermeture = . et un temps douverture= (1 ). , o: est la priode de commutation qui est gale 1 . Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 9 le rapport cyclique du commutateur ( [0,1]) figure 1.8. Figure 1.8. Priodes fermeture et ouverture dun commutateur. 1.3.4.1. Convertisseurs DC/DC pilotage MPPT Les panneaux solaires de premire gnration sont gnralement dimensionns pour que leurs (PPM) correspondent la tension nominale de batterie de 12 ou 24 Volts. Grce cette configuration, une simple connexion directe via une diode anti-retour suffit pour effectuer le transfert dnergie du gnrateur photovoltaque (GPV) la charge. Cependant, les caractristiques non-linaires du module photovoltaque et sa sensibilit aux conditions extrieures, comme lclairement et la temprature, induisent des pertes nergtiques. Lutilisation dun tage dadaptation afin doptimiser la production dnergie tout moment est ainsi de plus en plus prconise [2]. 1.3.4.2. Principe de fonctionnement dun tage dadaptation DC-DC La Figure 1.9 prsente le schma de principe dun module photovoltaque dot dun tage dadaptation (DC-DC) entre le (GPV) et la charge. Cette structure correspond un systme plus communment appel systme autonome. Il permet le plus souvent dalimenter une batterie pour stocker de lnergie ou une charge qui ne supporte pas les fluctuations de la tension (ballast,). Cet tage dadaptation dispose dune commande (MPPT) qui permet de rechercher le (PPM) que peut fournir un panneau solaire photovoltaque. Lalgorithme de recherche (MPPT) peut tre plus ou moins complexe en fonction du type dimplantation choisie et des performances recherches. Cependant au final, tous les algorithmes performants doivent jouer sur la variation du rapport cyclique du convertisseur de puissance associ. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 10 De nombreuses recherches sur les commandes (MPPT) ont t effectues afin de trouver un systme optimal permettant une recherche du (PPM) selon lvolution de la puissance fournie par le GPV. Les commandes (MPPT) dveloppes, sont toutes bases sur une commande extrmale de type Perturbe & Observe, (P&O) [2]. Figure 1.9. Chane de conversion photovoltaque avec convertisseur (DC-DC) contrl par une commande (PPM) . 1.4. La chaine de production olienne Les oliennes convertissent lnergie cintique du vent en nergie mcanique, puis en lectricit. Les pales du rotor olien captent une partie de lnergie contenue dans le vent et la transfrent au moyeu qui est fix sur l'arbre de l'olienne. Celui-ci transmet ensuite lnergie mcanique au gnrateur lectrique qui transforme l'nergie mcanique en nergie lectrique. 1.4.1. Le Gnie Electrique dans le vent La ressource olienne provient du dplacement des masses dair qui est d indirectement lensoleillement de la terre. Par le rchauffement de certaines zones de la plante et le refroidissement dautres, une diffrence de pression est cre et les masses dair sont en perptuel dplacement [8, 9]. Cette nergie est tire du vent au moyen d'un dispositif arognrateur comme une olienne ou un moulin vent. Aprs avoir pendant longtemps oubli cette nergie pourtant exploite depuis l'antiquit, elle connat depuis environ 40 ans un essor sans prcdent qui est d notamment aux premiers chocs ptroliers. A lchelle mondiale, lnergie olienne depuis une vingtaine dannes maintient une croissance de 30% par an (Voir Figure 1.10) [9, 10]. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 11 Figure 1.10. Capacit mondiale dnergie olienne installe [11]. 1.4.2. Les types darognrateurs Il existe deux grandes catgories d'oliennes selon la disposition gomtrique de l'arbre sur lequel est monte l'hlice (figure1.11) [12] : - les turbines oliennes axe horizontal. - les turbines oliennes axe vertical. A. Eoliennes axe horizontal B. Eoliennes axe vertical Figure 1.11 Technologies doliennes [13] 1.4.2.1. Eoliennes axe vertical Deux principes diffrents sont utiliss pour ce type de machines, savoir la trane diffrentielle ou la variation cyclique dincidence. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 12 a. Trane diffrentielle Le principe de mise en mouvement de ce type de machine est identique celui dun anmomtre : les efforts exercs par le vent sur chacune des faces dun corps creux sont dintensits diffrentes (figure 1.12). Il en rsulte donc un couple moteur, que lon peut utiliser pour entrainer un gnrateur lectrique ou un autre dispositif mcanique tel quune pompe. Lillustration la plus courante de ce type dolienne est le rotor de Savonius (figure 1.12). La circulation de lair rendue possible entre les deux demi cylindres augmente le couple moteur [14]. A. Effet du vent sur un corps creux B. Rotor de Savonius Figure 1.12. Principe de la trane diffrentielle. b. Variation cyclique dincidence Le fonctionnement est ici bas sur le fait quun profil plac dans un coulement dair selon diffrents angles est soumis des forces dintensits et de directions variables. La combinaison de ces forces gnre alors un couple moteur. En fait les diffrents angles auxquels sont soumis les profils proviennent de la combinaison de la vitesse propre de dplacement du profil (en rotation autour de laxe vertical) et de la vitesse du vent (figure 1.13) [14]. Figure 1.13. Principe de la variation cyclique dincidence. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 13 Avec : 0 vitesse axiale du vent en amont de lolienne vitesse angulaire de rotation des pales rayon de la pale vecteur unitaire tangent la pale 1.4.2.2. Eoliennes axe horizontal Ces machines sont les descendantes directes des moulins vent sur lesquels les ailes ont t remplaces par des lments ressemblant fortement des ailes davion. La portance de ces ailes gnre un couple moteur destin entraner un dispositif mcanique tel quune gnratrice lectrique, une pompe, etc. Deux types de configuration peuvent tre rencontrs : les oliennes amont , sur lesquelles les pales sont situes du ct de la tour expos au vent, et les oliennes aval (Figure 1.14) [14]. Figure 1.14. Configurations axe horizontal : A- olienne face au vent. B- olienne sous le vent. 1.4.3. Choix de technologie de lolienne Les oliennes axe horizontal sont les plus employes car leur rendement arodynamique est suprieur celui des oliennes axe vertical, elles sont moins exposes aux contraintes mcaniques et ont un cot moins important [15]. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 14 1.4.4. Architecture dune olienne axe horizontale On peut considrer trois composants essentiels dans une olienne, le rotor, la nacelle et la tour, (Voir Figure 1.15) [9] : Figure 1.15. Composants dune olienne. [9] 1.4.4.1. Rotor Cest le capteur dnergie qui transforme lnergie du vent en nergie mcanique. Le rotor est un ensemble constitu de pales et de larbre primaire, la liaison entre ces lments tant assure par le moyeu. Sur certaines machines, larbre primaire qui tourne faible vitesse comporte un dispositif permettant de faire passer des conduites hydrauliques entre la nacelle (repre fixe) et le moyeu (repre tournant). Cette installation hydraulique est notamment utilise pour la rgulation du fonctionnement de la machine (pas des pales variables, freinage du rotor) [16, 17]. 1.4.4.2. Nacelle Son rle est dabriter linstallation de gnration de lnergie lectrique ainsi que ses priphriques. Diffrentes configurations peuvent tre rencontres suivant le type de la machine. La figure (1.16) prsente une coupe dune nacelle avec ses diffrents composants : Multiplicateur de vitesse : il sert lever la vitesse de rotation entre larbre primaire et larbre secondaire qui entrane la gnratrice lectrique. En effet, la faible vitesse de rotation Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 15 de lolienne ne permettrait pas de gnrer du courant lectrique dans de bonnes conditions avec les gnrateurs de courant classiques. Larbre secondaire comporte gnralement un frein mcanique qui permet dimmobiliser le rotor au cours des oprations de maintenance et dviter lemballement de la machine [9, 17]. Gnratrice : Diffrents types de gnratrices peuvent tre rencontrs. Contrleur lectronique charg de surveiller le fonctionnement de lolienne. Il sagit en fait dun ordinateur qui peut grer le dmarrage de la machine lorsque la vitesse du vent est suffisante (de lordre de 5 m/s), grer le pas des pales, le freinage de la machine, lorientation de lensemble rotor, nacelle face au vent de manire maximiser la rcupration dnergie et rduire les efforts instationnaires sur linstallation. Pour mener bien ces diffrentes tches, le contrleur utilise les donnes fournies par un anmomtre (vitesse du vent) et une girouette (direction du vent), habituellement situs larrire de la nacelle. Enfin, le contrleur assure galement la gestion des diffrentes pannes ventuelles pouvant survenir [9]. Divers dispositifs de refroidissement (gnratrice, multiplicateur) par ventilateurs, radiateurs deau, ou dhuile. Dispositif dorientation de la nacelle : Il permet la rotation de la nacelle lextrmit suprieure de la tour, autour de laxe vertical. Lorientation est gnralement assure par des moteurs lectriques, par lintermdiaire dune couronne dente. De nombreuses oliennes comportent un systme de blocage mcanique de la position de la nacelle suivant une orientation donne ; cela vite de solliciter constamment les moteurs et permet aussi de bloquer lolienne durant les oprations de maintenance [9, 17]. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 16 Figure 1.16. Composition de la nacelle dune olienne Nordex N60 (1 300 kW) [18] 1 : Pales 10 : Radiateur de refroidissement 2 : Moyeu 11 : Systmes de mesure (anmomtre et girouette) 3 : Structure de la turbine 12 : Systme de contrle 4 : Paliers du rotor 13 : Systme hydraulique 5 : Arbre lent 14 : Entrainement dorientation 6 : Multiplicateur 15 : Paliers du systme dorientation 7 : Frein a disque 16 : Capot de la nacelle 8 : Accouplement 17 : Tour 9: Gnratrice Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 17 1.4.4.3. Tour Son rle est dune part de supporter lensemble rotor, nacelle pour viter que les pales ne touchent le sol, mais aussi de placer le rotor une hauteur suffisante, de manire sortir autant que possible le rotor du gradient de vent qui existe proximit du sol, amliorant ainsi le captage de lnergie. Certains constructeurs proposent ainsi diffrentes hauteurs de tour pour un mme ensemble (rotor, nacelle), de manire sadapter au mieux aux diffrents sites dimplantation [9]. 1.4.5. Rgulation mcanique de la puissance dune olienne Une turbine olienne est dimensionne pour dvelopper une puissance nominale partir dune vitesse de vent nominale . Pour des vitesses de vents suprieures vn, la turbine olienne doit modifier ses paramtres arodynamiques afin dviter les surcharges mcaniques (turbines, mat et structure), de sorte que la puissance rcupre par la turbine ne dpasse pas la puissance nominale pour laquelle lolienne a t conue. Il y a dautres grandeurs dimensionntes : la vitesse du vent partir de laquelle lolienne commence fournir de lnergie et la vitesse maximale de vent au-del de laquelle lolienne doit tre stoppe pour des raisons de sret de fonctionnement (figure 1.17) [19]. Figure 1.17. Diagramme de la puissance utile sur l'arbre en fonction de la vitesse du vent. Ainsi la caractristique de puissance en fonction de la vitesse du vent comporte quatre zones [20] : - la zone I, o P turbine = 0 (la turbine ne fournit pas de puissance) ; - la zone II, dans laquelle la puissance fournie sur l'arbre dpend de la vitesse du vent V ; - la zone III, o gnralement la vitesse de rotation est maintenue constante par un dispositif de rgulation et o la puissance P turbine fournie reste sensiblement gale ; Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 18 - la zone IV, dans laquelle le systme de sret du fonctionnement arrte la rotation et le transfert de l'nergie. La plupart des grandes turbines oliennes utilisent deux principes de contrle arodynamique pour limiter la puissance extraite la valeur de la puissance nominale de la gnratrice : - systme pitch ou pas ou calage variable qui permet dajuster la portance des pales la vitesse du vent, principalement pour maintenir une puissance sensiblement constante dans la zone III de vitesses [21] ; - systme stall ou dcrochage arodynamique , le plus robuste car cest la forme des pales qui conduit une perte de portance au-del dune certaine vitesse de vent, mais la courbe de puissance maximale nest pas plate et chute plus vite. Il sagit donc dune solution passive et robuste (pas besoin de systme dorientation des pales). Chez certains fabricants de grandes machines, un systme hybride se dveloppe, le stall actif , dans lequel le dcrochage arodynamique est obtenu progressivement grce une orientation minime des pales ncessitant des moyens de rglage plus conomiques et plus robustes que dans le systme pitch. Dautres systmes de rgulation, dans les petites oliennes notamment, sont exploits : - basculement (relvement) de laxe, normalement horizontal ; - pas variable par la pression du vent (modle Airwind : les pales en fibre, se dforment et provoquent un dcrochage) ; - dviation par rapport laxe du vent. La drive se trouve lgrement dcale par rapport laxe de rotation vertical (qui permet normalement la turbine dtre face au vent) et cre une force de dviation qui rgule la puissance arodynamique (la turbine reoit un vent de travers). 1.4.6. Conversion lectrique dnergie olienne 1.4.6.1. Machines lectriques et systmes de conversion dnergie olienne Il existe sur le march plusieurs types de machines lectriques qui peuvent jouer le rle de gnratrice dans un systme arognrateur qui demande des caractristiques trs spcifiques. Le cahier des charges pour une gnratrice olienne varie selon le type et les dimensions gomtriques de la voilure [22]. Les machines lectriques asynchrones sont les plus simples fabriquer et les moins coteuses. Mais elles prsentent le dfaut dimposer la prsence dun multiplicateur de vitesse. Elles sont en Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 19 effet bien adaptes des vitesses de rotation relativement importantes et un couple insuffisant pour un couplage mcanique direct sur les voilures oliennes. Par contre, les machines synchrones sont connues pour offrir des couples trs importants aux dimensions gomtriques convenables. Elles peuvent donc tre utilises en entranement direct sur les turbines oliennes [22]. 1.4.6.2. Machines synchrones aimants permanents Le dveloppement des matriaux magntiques a permis la construction de machines synchrones aimants permanents des cots qui deviennent comptitifs. Les machines de ce type sont grand nombre de ples et permettent de dvelopper des couples mcaniques considrables. Il existe plusieurs concepts de machines synchrones aimants permanents ddies aux applications oliennes, des machines de construction standard (aimantation radiale) aux gnratrices discodes (champs axial), ou encore rotor extrieur [22]. Le couplage de ces machines avec llectronique de puissance devient de plus en plus viable conomiquement, ce qui en fait un concurrent srieux des gnratrices asynchrones double alimentation. Les systmes de ce type ont un taux de dfaillance jug faible grce la suppression de certaines sources de dfauts : suppression du multiplicateur de vitesse et du systme de bagues et balais pour les gnratrices aimants. Les frais dentretien sont alors minimiss ce qui est trs intressant dans les applications oliennes, en particulier dans les sites difficilement accessibles [22]. La figure 1.18 montre une solution originale et de faible cot pour associer un arognrateur un tel systme. La gnratrice est de type synchrone aimants permanents (entranement direct comme il sagit de puissances modestes) dbitant directement, travers un pont de diodes triphas, sur le bus continu et laccumulateur lectrochimique [23]. Figure 1.18. Arognrateur aimants dbitant directement travers un pont de diodes sur le bus continu Le dbit direct ( travers un simple redresseur en pont diodes) de la machine synchrone sur une source de tension continue peut surprendre. En fait, cest grce linductance dinduit de la machine synchrone de forte valeur que les courants restent proches des formes sinusodales et que les rendements de conversion sont corrects. En cas de surcharge de la batterie (trop de tension), un Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 20 contacteur met en court-circuit linduit de la gnratrice. La turbine est alors arrte en rotation [23]. 1.4.7. Redresseur Des convertisseurs bass sur des modules entirement commands sont coteux donc pnalisant dans un ensemble de petite puissance. Dans le souci de rduction des cots, le pont de diodes, peu onreux, semble attractif condition que les performances nergtiques ne soient pas trop dgrades. Dans le cadre de cette tude, on utilise un redresseur diodes. Les diodes sont supposes idales et, par consquent, leur conduction correspond un court-circuit et leur blocage correspond un circuit ouvert. Dans ces conditions, les deux diodes qui conduisent chaque squence, correspondent la phase ayant la tension la plus positive pour la diode du demi-pont suprieur et la phase ayant la tension la plus ngative pour la diode du demi-pont infrieur. La tension et le courant redresss sont relis aux tensions et courants de phases. Nous prsentons le pont triphas diodes aliment par un systme de tensions sinusodales triphases (figure 1.19). Deux diodes dun mme bras ne peuvent pas conduire simultanment. Lorsque 1 conduit lune des deux diodes 2 et 3 conduit galement; il en vient que 1conduit lorsque 1 est suprieur 2 et 3[24]. Pendant chaque squence de conduction, la tension la sortie de redresseur est : = max () - min ( ); j=1, 2, 3. Figure 1.19. Redresseur diodes. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 21 1.5. Le dispositif de stockage 1.5.1. Caractristiques dterminant le choix dune technologie de stockage Lun des principaux inconvnients de lnergie solaire est son caractre intermittent. Pour une utilisation permanente, il est donc ncessaire de stocker une partie de lnergie produite. Pour ce faire il existe plusieurs mthodes de stockage : sous forme deau, dhydrogne, dans un volant dinertie, dans une batterie lectrochimique (plomb, lithium) ou un super condensateur. Leur choix se fait suivant des caractristiques fondamentales qui sont [25]: - : la capacit nergtique en Wh, qui est une caractristique trs importante lors du dimensionnement. Lnergie exploitable dpend nanmoins du rendement de charge ou dcharge et varie donc avec le temps de transfert. En charge ou dcharge trs rapide, le rendement se dgrade et lnergie extractible peut tre trs inferieure la capacit nergtique de llment de stockage. A loppos, en rgime lent, cest lautodcharge qui va pnaliser le bilan. Enfin, les accumulateurs ne peuvent pas toujours tre dcharges compltement. Lnergie exploitable est donc inferieure lnergie totale stocke. Souvent, la capacit nergtique est dfinie sur la base dune nergie totale stocke suprieure celle rellement exploitable note . - : la puissance maximale de charge ou de dcharge (parfois diffrentes). - : la constante de temps, cest le rapport de la capacit nergtique utile sur la puissance maximale. - : le rendement est le rapport de lnergie restitue sur lnergie emmagasine. - : le nombre maximal de cycles de charge/dcharge ou cyclabilit. Tout dispositif de stockage subit une fatigue ou usure lors des cycles. Cela constitue gnralement la premire cause de vieillissement devant la dgradation thermique classique. - Les cots dinvestissement (cest la part la plus marquante pour lacheteur) et de fonctionnement (maintenance, nergie perdue lors des cycles, vieillissement) : les systmes les moins coteux linvestissement sont gnralement ceux qui se dgradent le plus vite en cyclage et dont le rendement est le plus mauvais. 1.5.2. Moyens de stockage Les dispositifs de stockage peuvent tre classs en deux catgories : directe et indirecte. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 22 Les systmes directs utilisables sont les supercondensateurs et les inductances supraconductrices (SMES : Superconductor Magnetic Energy Storage) [25]. Les autres moyens de stockage, considrs comme indirects, sont [25] : - les accumulateurs lectrochimiques. - les accumulateurs volants dinertie (FES : Flywheel Energy Storage). - les systmes air comprim en bouteilles. - les systmes lectrolyseur-hydrogne-pile combustible (ou a PAC rversible). Dans les systmes photovoltaques, le moyen de stockage utilis couramment est le stockage lectrochimique. De plus, pour un site isol, il devra respecter certaines contraintes notamment un bon rapport cot / performance, une grande fiabilit, une bonne scurit Dans ce domaine, les batteries au plomb-acide sont les plus rpandues car elles offrent le meilleur compromis en termes de cot / performance / entretien. Nous prsenterons une tude sur le fonctionnement de ces batteries et les prcautions prendre pour leur bon fonctionnement [26]. 1.5.3. Fonctionnement dun accumulateur au plomb Un accumulateur est un systme lectrochimique capable de restituer sous forme lectrique lnergie chimique stocke. En plus, les ractions internes sont rversibles. Ce systme se compose de deux lectrodes (positive et ngative) et dun lectrolyte (voir figure 1.20). Llectrode positive est en dioxyde de plomb (2) et la ngative en plomb. Llectrolyte est une solution dacide sulfurique (24) qui permet le flux dions entre les deux lectrodes et cre un courant [27]. La diffrence de potentiel entre les deux lectrodes est de 2V. Figure 1.20. Reprsentation interne de laccumulateur [28] Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 23 La paroi plane sparant les deux lectrodes est fait dun matriau poreux qui, tout en permettant le passage dions, empche les deux lectrodes de se toucher [26]. Lensemble lectrodes-lectrolyte est le lieu dune raction doxydorduction dont voici les quations [26] : Electrode positive (anode) : 2 +4() + 33(+) + 2() 4 + 52 Electrode ngative (cathode) : + 4() + 2 4 + 33(+) + 2() Ce qui nous donne globalement : 2 + + 24() + 23(+) 24 + 42 Que lon peut condenser en : 2 + + 224 24 + 22 Les dcharges trop profondes peuvent conduire une perte irrversible de capacit. Trois causes possibles sont l origine de ce phnomne [26] : - transformation irrversible dune partie de la matire active de llectrode positive (2) en cristaux de sulfate de plomb, - gonflement progressif et perte de cohsion de la matire active de llectrode positive, - passivation lectronique du collecteur de courant de llectrode positive. Typiquement, la tension de cellule volue de la manire suivante (figure 1.21): Figure 1.21. Evolution de la tension dune cellule de batterie au plomb Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 24 Si la charge se poursuit trop longtemps, la tension peut atteindre 2,4 V, valeur de seuil partir de laquelle on assiste la dcomposition de leau (lectrolyse) en dioxygne 2 gazeux llectrode positive et en dihydrogne 2 gazeux llectrode ngative [26]. Ce phnomne dit de dgazage est caractrise par les ractions suivantes aux lectrodes [26] : lanode : 2+ + 2 2 la cathode : 22 122 + 2+ + 2 raction globale : 22 122 + 2 La densit thorique dnergie de ce couple lectrochimique est de 170 Wh/kg. Cependant, le sulfate de plomb produit par les ractions aux deux lectrodes est insoluble et non conducteur. Son accumulation sur les lectrodes, et dans une moindre mesure dans llectrolyte, limite par consquent lnergie qui peut tre extraite de la batterie. De plus, les concentrations et les quantits de masses actives sont infrieures celles conduisant cette valeur. La densit pratique dnergie est proche de 40 Wh/kg, soit quatre fois moins que le maximum thorique [26]. 1.6. Bus courant continu Lolienne et les panneaux PV sont connects un bus continu. Pour un fonctionnement optimal, ceux-ci ont besoin dune tension constante sur ce bus [1]. La rgulation de la tension continue sur le bus CC est mise en uvre par un hacheur rversible en courant, connect un banc de batteries. Ainsi, le bus CC est rgul une valeur de tension constante en contrlant le flux dnergie entre les batteries et le bus. Quand lnergie fournie par les sources dnergie renouvelable est insuffisante pour faire face une augmentation soudaine de la charge, la tension du bus CC devient infrieure la valeur de rfrence. Dans ce cas, lnergie manquante est obtenue partir des batteries. Quand il existe un excs dnergie, il est utilis pour recharger les batteries. Larchitecture de ce systme est prsente dans la figure 1.22 [1]. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 25 Figure 1.22. Architecture du bus CC avec batteries de stockage 1.7. Hacheur rversible en courant Dans le cas du hacheur utilis pour adapter la tension aux bornes du gnrateur PV, le transfert dnergie seffectue dans un seul sens, de la source (gnrateur PV) vers le bus CC. Dans le cas du Hacheur utilis par la charge / dcharge des batteries, le courant lectrique doit tre rversible. Ainsi, pour raliser le transfert dnergie dans les deux sens, un hacheur survolteur et un hacheur dvolteur ont t associs comme lindique la figure 1.23 [1]. Figure 1.23. Hacheur rversible en courant 1.8. Onduleur Un onduleur est un convertisseur statique qui permet la transformation de lnergie de type continue, en une nergie alternative. La forme de la tension de la sortie de londuleur doit tre plus proche dune sinusode (lallure sinusodale), cest que le taux dharmonique soit trs faible, et a dpend essentiellement la technique de commande utilise [29]. Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 26 Figure 1.24. Symbole de convertisseur DC-AC monophas et triphas 1.8.1. Structure d'onduleur Les onduleurs triphass constitus de trois bras chaque bras se compose de deux interrupteurs (figure 1.25). Les interrupteurs choisis, constituent bien une cellule de commutation. Leur fonctionnement doit tre complmentaire afin de ne jamais court-circuiter la source continue. Donc les interrupteurs doivent tre bidirectionnels en courant, et se compose soit dun MOSFET et une diode en antiparallle ou bien un transistor avec une diode en antiparallle [30]. Figure 1.25. Structure dun onduleur triphase 1.8.2. Classification des onduleurs Les onduleurs sont classs selon le mode de commutation : les onduleurs autonomes qui gnrent leur propre frquence et leur propre tension alternative. Dans ces onduleurs la commutation est force [31]. les onduleurs non autonomes dont la frquence et la tension alternative sont imposes par le rseau quils alimentent. Dans ces onduleurs la commutation est naturelle. Elle est naturelle en ce sens que ce sont les tensions alternatives du rseau qui effectuent le transfert du courant dun thyristor lautre [31]. Ou selon la nature de la source continue : Chapitre 01 Systme hybride olien-photovoltaque, description et principe de fonctionnement 27 Onduleur de tension : la source DC impose la tension, la charge AC impose le courant sinusodal [30]. Onduleur de courant : la source DC impose le courant, la charge AC impose la tension sinusodale [30]. 1.9. Conclusion Dans ce chapitre, une prsentation de structure du systme hybride olien-photovoltaque est faite. On dcrit ses diffrents composants. Nous avons prsent le fonctionnement du module photovoltaque, qui a t reli un convertisseur (DC-DC) contrl par une commande (PPM). Nous avons mis en vidence les raisons lies au choix de lolienne, de la gnratrice et du pont de diodes. Nous avons illustr aussi leur principe de fonctionnement. Enfin, la dernire partie du chapitre est consacre au dispositif de stockage. Nous avons prsent aussi les deux convertisseurs : lhacheur rversible en courant contraints qui permet de rgulier la charge /dcharge des batteries, et londuleur qui relie le bus DC la charge. 28 Chapitre 2MODELISTAION DES COMPOSANTS DU SYSTEME EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE 2.1. INTRODUCTION Aprs avoir tudi et cit les diffrents composants du systme olien-photovoltaque, aussi que linfluence des paramtres de ses composants sur le systme, nous procdons la modlisation du systme. La modlisation ncessite un ensemble dquations caractrisant tous les lments du systme tudi. A ce niveau, la condition qui simpose cest de connatre les critres dentres (donnes de base) cest--dire les donnes mtorologiques au site, et les donnes relatives aux quipements. De nombreux articles publis dans la littrature scientifique portent sur le dveloppement de modles pour chacun des composants du systme. Dans ce chapitre, nous reprsenterons le modle des donnes : rayonnement solaire sur un plan inclin, de vitesse de vent et de temprature. Nous exposons des modles de gnrateur photovoltaque, de lolienne, dlments de conversion et du dispositif de stockage (batterie). 2.2. Modlisation de la chaine photovoltaque La chaine de conversion photovoltaque, constitue dun gnrateur PV et lensemble : hacheur survolteur et son systme de commande, permettant dextraire la puissance maximale. Cette chaine est reprsente en figure 2.1. La modlisation de ses diffrents organes va tre examine dans ce qui suit, en commenant par le rayonnement solaire. Figure 2.1. Chaine de conversion photovoltaque Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 29 2.2.1. Modlisation du rayonnement solaire Les ondes lectromagntiques provenant du soleil portent lnergie, la projection de cette nergie dpend de lorientation de la surface rceptrice. Pour rcuprer le maximum dnergie en provenance du soleil, il est ncessaire dorienter au mieux le rcepteur par rapport aux rayons lumineux. La connaissance de la position du soleil en fonction du temps est primordiale. 2.2.1.1. Coordonnes gographiques terrestres Ce sont les coordonnes angulaires qui permettent de reprer un point sur la terre : la latitude et de la longitude du lieu. La latitude (), cest langle form par le plan quatorial et la direction reliant le lieu considr et le centre de la terre. Les latitudes de lhmisphre Nord sont affectes dun signe positif et celles de lhmisphre Sud dun signe ngatif. La longitude (L), cest langle form par le plan mridien origine de Greenwich et le plan mridien du lieu considr. Les longitudes situes lEst de ce mridien sont positives et celles situes lOuest sont ngatives. 2.2.1.2. Position du soleil Pour un lieu donn, la position du soleil est repre chaque instant de la journe et de lanne par deux rfrentiels diffrents, grce deux plans, plan horizontal du lieu et le plan quatorial de la terre. 2.2.1.2. 1. Coordonnes quatoriales Dans ce rfrentiel le soleil est localis au moyen de deux angles, la dclinaison solaire et langle horaire . La dclinaison Cest langle entre la direction du soleil et le plan quatorial. Elle traduit linclinaison du plan quatorial par rapport au plan cliptique. Sa valeur varie entre -23.45 (Au solstice dhiver) st +23.45 (au solstice dt) et sannule aux quinoxes de printemps et dautomne. Cet angle varie trs peu pendant une journe, ce qui permet dapprocher le mouvement quotidien du soleil par une rotation sur cne daxe lquateur, en fonction du jour de lanne [32]. = 23.45 sin (2284+365) (2.1) N est le nombre de jour de lanne compt partir du 1er janvier. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 30 Langle horaire Langle horaire du soleil est le dplacement angulaire du soleil autour de laxe polaire, dans sa course dEst en Ouest, par rapport au mridien local. La valeur de langle horaire est nulle midi solaire, ngative le matin, positive en aprs-midi et augmente de 15 par heure (un tour de 360 en 24 heures). Ainsi, 7 h 00 du matin (heure solaire2), langle horaire du soleil vaut 75 (7 h 00 du matin est 5 h avant midi; cinq fois 15 gal 75, avec un signe ngatif puisque cest le matin) [33]. = 15( 12) (2.2) Avec : = +15+60 = 9.87 sin 2 7.53 cos 1.5 sin = 2( 81)365 : dcalage horaire par apport au mridien de Greenwich : temps solaire vrai : temps lgal (donne par une montre) : lquation de correction du temps : longitude du lieu Langle horaire varie de -180 +180, prend la valeur nulle midi , ngative durant la priode avant midi et positive aprs. Langle horaire du soleil son coucher est calcul partir lquation (2.3) [33]. = cos1( tan tan ) (2.3) 2.2.1.2.2. Coordonnes horizontales Le soleil est repr par apport au plan horizontal du lieu de latitude , par deux angles, la hauteur et azimut du soleil . Hauteur du soleil La hauteur du soleil est langle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le plan horizontal du lieu. La hauteur volue chaque instant de la journe selon lexpression suivante [34]: sin = sin sin + cos cos cos (2.4) Les valeurs de la hauteur h varie entre -90 et +90, prend la valeur nulle au lever et au coucher du soleil, positive le jour et ngative la nuit. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 31 Azimut du soleil Azimut du soleil est dfinit par langle que fait la projection de la direction du rayonnement solaire avec la direction sud du lieu [34]: cossin sin sincos cos (2.5) Lazimut oscille entre -180 et +180, langle prend les valeurs positives vers louest, ngatives vers lest et nulle en direction sud. Angle znithale La distance znithale ou angle znithal, cest langle que fait la direction du soleil avec la vertical du lieu [34]: = cos1( cos cos cos + sin sin) (2.6) 2.2.1.3. Langle dincidence du rayonnement direct sur un plan inclin Langle dincidence est langle form entre la direction du soleil et la normal la surface incline du capteur. Langle dincidence a un effet primordial et une incidence directe sur la quantit densoleillement reue sur la surface collectrice. Cet angle peut tre dtermin par la connaissance des cosinus directeurs du rayonnement incident et la normale du plan inclin en coordonnes horizontale du lieu, cet angle dpend des paramtres de la position du soleil et de langle dinclinaison du capteur. Il est dfini par [34]: = cos1[ sin sin cos + + + ] (2.7) Les angles , sont respectivement langle dinclinaison du capteur et langle entre la direction de la surface du capteur et plein sud. 2.2.1.4. Calcul de rayonnement solaire horaire sur un plan inclin A laide du logiciel RetScreen nous avons tlcharg de la NASA, des donnes quotidiennes de rayonnement solaire sur un plan horizontal . Il est ncessaire destimer les valeurs horaires du rayonnement solaire sur un plan inclin . En 1960, Liu et Jordan ont propos un modle empirique simple qui permet destimer les composantes du rayonnement solaire sur plan inclin ne ncessitant que quelques paramtres go astronomiques tels que le numro de jour de lanne, la hauteur du soleil et la latitude du lieu. Lavantage de ce modle par rapport aux autres est quil permet de gnrer le flux solaire reu au sol pour diffrents tats du ciel et diffrentes inclinaisons de surfaces [35]. Le rayonnement globale horaires sur une surface de plan inclin dun angle , G est la somme de trois composantes de rayonnement horaires : directe, diffus et rflchie ; Elle est calcule partir Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 32 de lquation (2.8) [36]. = _ + _ + _ (2.8) Figure 2.2 Radiation solaire globale sur un plan inclin [37] _ = .cos cos _ = . (1 + cos 2) _ = . . (1 cos 2) Alors = .coscos+ . (1+cos2) + . . (1cos2) (2.9) O : : le coefficient de rflexion de lumire diffuse du sol (aussi appel albdo du sol), : langle dincidence de lensoleillement direct, : langle znithal du soleil, : lensoleillement global horizontal, lensoleillement horizontal directe, lensoleillement horizontal diffus. Avec : = Pour chaque heure de la journe, G et sont calculs partir des valeurs quotidiennes et Selon les quations (2.10, 2.11, 2.12, 2.13) [36]. = . (2.10) = . (2.11) Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 33 =24.(coscos)(sin cos) (. ) =24( + cos)(coscos)(sin cos) (2.13) = 0.409 + 0.5016 sin ( 3) = 0.6609 0.4767 sin ( 3) : langle horaire du soleil, :langle horaire du soleil son coucher . Le rayonnement diffus quotidien est calcul partir du rayonnement globale quotidien laide de la corrlation de Beckman. Dabord, on calcule lindice de clart du jour. Ce dernier est donn par [36] : = 0 (2.14) O : 0 est le rayonnement solaire extraterrestre, donn par lquation (2.15) [5 Bec] : H0 =24Hsc (1 + 0.033 cos360N365) . (cos cos sinws +ws180sin sin ) (2.15) Avec : Hsc = 1.367 kw/m2. Aprs avoir trouv lindice de clart du jour, on peut calculer le rayonnement diffus quotidien . Le rapport HdH est donn par les quations (2.16, 2.17, 2.18, 2.19) [36]. Si ws 81.4 , HdH= {0.143 si Kt 0.715 (. )1 0.2727Kt + 2.4495Kt2 11.9514Kt3 +9.3879Kt4 si Kt < 0.715 (. )Si ws > 81.4 , HdH={ 0.175 si Kt 0.722 (. ) 1 + 0.2832Kt 2.5557Kt2 +0.8448Kt3 si Kt < 0.722 (. )Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 34 2.2.2. Modlisation dune cellule photovoltaque Une cellule PV (figure 2.3) fait intervenir un gnrateur de courant pour la modlisation du flux lumineux incident, une diode pour les phnomnes de polarisation de la cellule et deux rsistances (srie et shunt) pour les pertes. Les rsistances et permettent de tenir compte des pertes lies aux dfauts de fabrication ; reprsente les diverses rsistances de contact et de connexion tandis que caractrise les courants de fuite dus la diode et aux effets de bord de la jonction [38]. Figure 2.3 : Schma lectrique quivalent dune cellule PV, modle une diode La loi des nuds nous permet dcrire la relation suivante : = + + (2.20) A partir de ce circuit, on tire les quations qui nous permettent dobtenir la caractristique I-V de la cellule photovoltaque. Le courant de jonction est donn par : = (exp (.(+.)..) 1) (2.21) Le courant dans la rsistance est donn par : =+. (2.22) A partir de lquation (2.20), on obtient lexpression de la caractristique I-V du modle choisi [5] : = (exp (.(+.)..) 1) +. (2.23) Avec : Courant de saturation de la diode ou courant lobscurit (A), Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 35 : Coefficient didalit de la cellule photovoltaque k : Constante de Boltzmann (1,38*10-23 J/K) q : Charge dlectron : Temprature absolue de la cellule (K) La temprature de la cellule est donne par lquation suivante : Tc = Ta + (Noct TaNoct)GGNoct (2.24) Ta : Temprature ambiante, Noct : Temprature nominale de fonctionnement de cellules, TaNoct : Temprature ambiante Noct , G : Rayonnement solaire, GNoct : Rayonnement solaire Noct . Le photo-courant Iph est donn par : Iph = GGref Icc_ref[1 + icc(Tc Tref)] (2.25) Avec : Icc_ref : Courant de court-circuit de rfrence, icc : Coefficient de temprature du courant de court circuit, Le courant de saturation peut tre calcul partir de lquation : =(exp(.)1) (. ) Avec, : tension de circuit ouvert. : Le potentiel thermodynamique =. =25mv 20C [39]. La rsistance parallle a une valeur assez leve. Alors le courant gnr par la cellule peut tre donn sous la forme : = [1 (exp(+..)1)(exp(.)1)] (. ) Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 36 2.2.2.1. Paramtres dune cellule PV 2.2.2.1.1. Le courant de court circuit Le courant de court-circuit Icc Iph , cest la plus grande valeur du courant gnre par la cellule sous les conditions du court-circuit o V=0 [6]. La variation du courant de court-circuit en fonction de lclairement et de la temprature de jonction et par rapport aux conditions standards est la suivante [34]: Icc = GGref Icc_ref[1 + icc(Tc Tref)] (2.28) 2.2.2.1.2. La tension de circuit ouvert La tension de circuit ouvert est la tension traverse la jonction/diode PN o = 0 . Elle reprsente la tension de cellule lorsquelle est lombre. Elle est donne par [40] : = Vco = . . ln (IphIsat) (2.29) La variation de la tension de circuit ouvert en fonction de lclairement et de la temprature de jonction et par rapport aux conditions standards est la suivante [6] : Vco = Vco_ref + vco(Tc Tref) + . . ln (GGref) (2.30) vco : Coefficient de temprature de tension de circuit ouvert. 2.2.2.2. Association de Cellules Photovoltaques Dans un groupement en srie, les cellules sont traverses par le mme courant et la caractristique rsultante du groupement en srie est obtenue par laddition des tensions courant donn [4]. La figure 2.4 montre la caractristique rsultante courant-tension ( , ) obtenue en associant en srie cellules identiques dont la caractristique courant-tension est (, ) [4]: Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 37 = = Figure 2.4 Caractristiques de cellules photovoltaques en srie Les proprits du groupement en parallle des cellules sont duales de celles du groupement en srie. Ainsi, dans un groupement de cellules connectes en parallle, les cellules sont soumises la mme tension et la caractristique rsultante du groupement est obtenue par addition des courants tension donne [4]. La figure 2.5 montre la caractristique rsultante (,) obtenue en associant en parallle cellules identiques (,) [4]: = = Figure 2.5 Caractristiques de cellules photovoltaques en parallle 2.2.2.3. Modlisation du gnrateur PV Un gnrateur photovoltaque ou module est constitu dun ensemble de cellules photovoltaques lmentaires montes en srie et/ou parallle. Un groupe de panneaux PV de ns cellules montes en srie et np cellules en parallle est modlis par le schma de la figure 2.6 [19]. Figure 2.6 : Schma lectrique quivalent dun gnrateur PV, modle une diode Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 38 = . = . = . = . = . = . = . = . 2.2.2.3.1. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque Lassociation de plusieurs cellules photovoltaques en srie et en srie parallle donne ce quon appel le gnrateur photovoltaque dont la caractristique gnrale est reprsente sur la figure (figure 2.7) : Figure 2.7. Caractristique courant- tension dun gnrateur photovoltaque. Vco : Tension de circuit ouvert, Icc : Courant de court-circuit, Vm , Im : Tension et courant au point de puissance maximale Pm. 2.2.2.3.2. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque La puissance gnre par une cellule photovoltaque est donne par : = . La puissance maximale est obtenue lorsque : = 0 Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 39 Figure 2.8. Caractristique puissance- tension dun gnrateur photovoltaque. 2.2.2.3.3. Rendement dun gnrateur photovoltaque Le rendement dune cellule est le rapport entre la puissance maximale disponible et la puissance du rayonnement incident, il est donn par : ==Im.Vm. (2.30) : Puissance incidente sur la surface de la cellule photovoltaque (W) : Eclairement global incident sur la cellule photovoltaque (W/m2), : Surface totale de la cellule photovoltaque (m2). 2.2.2.3.4. Facteur de forme Il permet de juger de la qualit dune cellule photovoltaque. Il est dfini comme le rapport entre le point de puissance maximum et la puissance courant de court-circuit et tension en circuit ouvert. =Vco.Icc=Im.VmVco.Icc=..Vco.Icc (2.31) A partir de cette dfinition, pour une cellule dont la caractristique I-V est rectangulaire (source de courant),(figure 2.9), le facteur de forme sera donc unitaire. Le facteur de forme dune bonne cellule photovoltaque devra tre compris entre 0,75 et 0,85. Le facteur de forme FF diminue si la temprature augmente. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 40 Figure 2.9. Caractristique idale dune cellule P-V 2.2.2.3.5. Influence de lintensit du rayonnement Lirradiation standard, internationalement accepte, pour mesurer la rponse des panneaux photovoltaques est une intensit rayonnante de 1000 W/m et une temprature de 25C. La figure (2.10) prsente un exemple des courbes pour diffrents niveaux de rayonnement : Figure 2.10. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents rayonnements On remarque que la valeur du courant de court-circuit est directement proportionnelle lintensit du rayonnement. Par contre, la tension en circuit ouvert ne varie pas dans les mmes proportions, elle reste quasiment identique mme faible clairement [39]. La figure (2.11) prsente un exemple des courbes puissance-tension pour diffrents niveaux de rayonnement : Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 41 Figure 2.11. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents rayonnements 2.2.2.3.6. Influence de la temprature La figure (2.12) prsente des courbes courant-tension pour diffrentes tempratures de fonctionnement de la cellule PV : Figure 2.12. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents tempratures. On remarque que la temprature a une influence ngligeable sur la valeur du courant de court-circuit. Par contre, la tension en circuit ouvert baisse assez fortement lorsque la temprature augmente, par consquent la puissance extractible diminue. Lors du dimensionnement dune installation, la variation de la temprature du site devra tre prise en compte. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 42 Il est important de savoir que la puissance du panneau diminue denviron 0,5% par degr daugmentation de la temprature de la cellule au dessus de 25 C [39]. La figure (2.13) prsente des courbes puissance-tension pour diffrentes tempratures de fonctionnement de la cellule PV : Figure 2.13. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque pour diffrents tempratures. 2.2.3. Modlisation du convertisseur pilotage MPPT 2.2.3.1. Hacheur survolteur Parmi les structures des convertisseurs DC-DC, nous avons choisi le convertisseur boost comme structure de conversion pour la ralisation du Module PV, tant donn sa souplesse sur son fonctionnement en mode dgrad et son rendement de conversion. Ce choix a t en effet fait pour la simplicit de la structure, le nombre minimum de composants ncessaires (lutilisation de la diode du boost pour raliser la fonction de diode anti-retour par exemple). Llvation de tension est aussi un facteur positif de choix, puisque les pertes sont plus faibles pour une tension plus leve. Cette structure tant lvatrice, elle permet de charger une batterie de 24 V mme si la moiti du gnrateur PV est en dfaut (ombre). Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 43 Le convertisseur CC/CC est un hacheur survolteur. Le modle du hacheur a t simplifi en utilisant le thorme des valeurs moyennes (figure 2.14). Figure 2.14. Hacheur parallle. On distingue deus phases de fonctionnement [5] : 1- Lorsque linterrupteur I est ferm, la diode est polarise en inverse = ; la charge est donc isole de la source. La source fournit de lnergie linductance L. 2- Lorsque linterrupteur I est ouvert, ltage de sortie(C+charge) reoit de lnergie de la source et de linductance L. Pour lanalyse en rgime permanent prsente ici, le condensateur de filtrage C a une valeur suffisamment leve pour que lon puisse considrer la tension disponible en sortie constante : () = 0 Enfin on distingue deux modes de fonctionnement selon le courant dans linductance L, () est interrompu ou non. a. Fonctionnement courant de source ininterrompu -Pour 0 < < linterrupteur I est ferm et lintensit () croit linairement : = + 0 (2.32) Donc () =0( ) + () (2.33) Avec () = + (0) Et < 0 car () doit dcroite. On a : = 0 ; = ; = 0 Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 44 On dduit les caractristiques de la figure 2.15 : Figure 2.15. Hacheur parallle. Fonctionnement courant de source ininterrompu. On dtermine facilement la relation liant 0. On a : = + ; donc en moyenne sur une priode, compte tenu du fait que la valeur de la moyenne; () est nulle, on obtient : = 0=(1 )0 (2.34) Donc 0=11 (2.35) b. Limites entre le fonctionnement interrompu et le fonctionnement ininterrompu La forme des courant et tension () et () est donne sur la figure 2.16. La valeur moyenne du courant () scrit : 0 =2=12.( () = 0) (2.36) Donc la valeur moyenne du courant disponible en sortie 0 scrit : 0 = (1 )0 =12.(1 ) =12.0(1 ) (2.37) Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 45 Figure 2.16. Hacheur parallle. Limite du fonctionnement courant de source ininterrompue. 2.2.3.2. Mthode de poursuite du point de puissance maximale Pour obtenir un meilleur rendement dans le fonctionnement des gnrateurs photovoltaques, la technique appele la poursuite de la puissance maximale (MPPT) qui consiste transfrer de faon optimale toute la puissance lectrique extraire de cette source de lnergie photovoltaque vers la charge alimenter. Elle doit tre utilise dans toute application utilisant ces gnrateurs, et deviendra ncessaire et mme indispensable selon la thorie du transfert optimal de puissance [6]. Les techniques de contrle employes pour la poursuite du point de puissance sont : Mthodes de la drive de la puissance Mthodes contre raction de la tension 2.2.3.3. Mthode de la drive de la puissance Cette mthode est base sur la recherche de lextremum de la courbe de puissance = () obtenue directement de la caractristique du (GPV). Le (PPM) est obtenu lorsque la drive de la puissance par rapport la tension sannule, c'est--dire, lorsque (= 0) [41]. Le point de puissance maximale (PPM) est donn par la Figure 2.17 : Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 46 Figure 2.17. Caractristique du point de puissance maximale PPM. 2.2.3.3.1. Mthode de la perturbation et lobservation (P&O) Cest lalgorithme de poursuite du PPM le plus utilis (figure 2.18). Comme son nom lindique il est bas sur la perturbation du systme travers laugmentation ou la diminution de ou en agissant directement sur le rapport cyclique du convertisseur DC-DC, puis par lobservation des effets de ces perturbations sur la puissance de sortie du panneau. Si la valeur de la puissance actuelle () du panneau est suprieure la valeur prcdente ( 1) alors en garde la mme direction de perturbation prcdente sinon on inverse la perturbation du cycle prcdent [6]. Avec cet algorithme la tension de fonctionnement est perturbe chaque cycle du MPPT. Ds que le PPM sera atteint, oscillera autour de la tension idale de fonctionnement. Ceci cause une perte de puissance qui dpend de la largeur du pas d'une perturbation simple. La valeur pour la largeur idale du pas D dpend du systme, elle doit tre dtermine exprimentalement. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 47 Figure 2.18. Organigramme dalgorithme MPPT ( P&O) . D est le pas de perturbation. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 48 2.2.3.3.2. Mthode par incrmentation de conductance L'algorithme par incrmentation de conductance (figure 2.19) se rsulte en drivant la puissance du panneau photovoltaque par rapport la tension et en mettant le rsultat gal zro. Ceci peut tre dcrit par les quations suivantes [6]: = . =(. )= + = 0 = (2.38) Le terme reprsente loppos de la conductibilit instantane du panneau photovoltaque, et reprsente le terme dincrmentation de conductance. Par consquent, pour le point de puissance maximum(PPM), ces deux termes peuvent tre gaux mais de signes oppos. Si le point de fonctionnement ne concide pas avec le point (PPM), lingalit de lquation (2.38) indique la position de la tension de fonctionnement si elle est plus grande ou infrieure la tension du point de puissance maximum(PPM) [6]. = , (= 0) > , (> 0) 0). Lorsquelle est conductrice, la tension ses bornes est nulle (cas dune diode parfaite) ou plus gnralement gale une valeur de seuil Ud0 (typiquement comprise entre 0.5 et 1 V). Cette valeur reste toutefois ngligeable devant les autres chutes de tension dans le circuit. Le courant dans la diode est alors impos par le reste du circuit. - Une diode se bloque lorsque le courant anode-cathode qui la traverse sannule ( = 0 ). La tension anode-cathode est alors impose par le reste du circuit. Modle du redresseur monophas diode Le comportement du redresseur peut tre caractris en exprimant le courant dans linductance : =1 (2.56) o la tension aux bornes de linductance dpend de ltat de conduction c de la diode. En effet, lorsque la diode est conductrice (c = 1), on a : = et lorsque celle-ci est bloque (c = 0) : = 0 Ainsi, de faon gnrale, en fonction de ltat de conduction c de la diode, la tension aux bornes de linductance sexprime par : Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 59 = ( ) En exprimant la tension aux bornes de la charge rsistive en fonction du courant dans linductance, = Lquation (2.56) devient : =1 ( ) (2.57) Reste tablir ltat de conduction c de la diode. A partir des rgles lmentaires voques prcdemment en dbut de paragraphe, nous pouvons dire que la diode est conductrice (c = 1) si et seulement si lune des conditions suivantes est vrifie : > 0 ou > 0 Le premier terme traduit la condition damorage de la diode. En effet, lorsque la diode est bloque, nous avons = . Le deuxime terme indique la continuit de la conduction tant que le courant dans la diode = reste strictement positif. Si lune des deux conditions prcdente nest pas remplie, la diode est bloque (c = 0) [23]. 2.3.5.2. Modle dun pont de diode On considre un redresseur aliment par une source de tension, et dbitant sur une batterie suppose idale. Dans un premier temps, on considre que limpdance de la source est nulle. Dans ce cas, les courants de ligne , et prennent tour de rle la valeur (et forme) du courant continu . Chaque diode assure la conduction du courant pendant 1/3 de la priode. Avec lhypothse dune impdance de source nulle, le courant stablit instantanment sa valeur lorsquune diode devient conductrice [23]. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 60 Figure 2.27. Schma dun pont de diodes Le schma quivalent pendant une squence de conduction (par exemple phases 1 et 2) est reprsent sur Figure 2.28. A partir du schma quivalent, et en appliquant la loi des mailles et des nuds, nous pouvons crire : =12( ) (. ) Figure 2.28. Schma quivalent dune squence en conduction normale Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 61 2.3.6. Puissance olienne produite Lolienne trouve au march est caractrise par sa puissance nominale , la puissance lectrique la sortie de la gnratrice, cette puissance est fournie lorsque le vent souffle la vitesse nominale . Une fois les fonctions de distribution de la vitesse du vent sont trouves. La puissance moyenne produite par larognrateur peut facilement tre calcule en utilisant l'quation (2.59) [44]. _ = 0(). (). (2.59) O : () : la probabilit de la vitesse v : la puissance rsultante dune vitesse v La puissance produite par larognrateur est calcule en fonction de la vitesse de vent selon lquation (2.60) [44]. ={ 0 0 < . < 0 (2.60) O : : puissance nominale de lolienne, : vitesse de dmarrage de la turbine , vitesse nominale de la turbine , : vitesse de coupure de la turbine, k : le facteur de forme. La variation de la puissance produite en fonction de la vitesse de vent est montre dans la figure 2.29. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 62 Figure 2.29. Puissance de larognrateur en fonction de la vitesse de vent La puissance moyenne produite par larognrateur est donne par [44] : _ = . [[exp (()k)exp (()k)] ()k ()k exp (()k)] (. ) Il suffit dintroduire le rendement du pont de diodes la puissance moyenne produite par larognrateur _ pour trouver la puissance olienne fournie au bus CC. 2.4. Modlisation du dispositif de stockage Il existe plusieurs modles de batterie au plomb et leur mise en uvre nest pas aise du fait de la prise en compte de plusieurs paramtres. Suivant les applications et les contraintes auxquelles elles sont soumises, les batteries ragissent diffremment, et donc on ne trouve pas de modle unique qui soit exact dans toutes les circonstances. Notre choix sest port sur deux modles : le modle dit CIEMAT relativement complet, malgr quelques imperfections comme le saut de tension lorsquon passe dun cycle de charge un cycle de dcharge, et le modle R-C [26]. Le modle R-C : le modle lectrique simple de la batterie comprend une fem 0 modlisant la tension vide de la batterie, un condensateur modlisant la capacit interne de la batterie () et une rsistance interne (). 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220100200300400500600 caractristique puissance olienne-vitesse de ventVitesse de vent (m/s)puissance ol (w)Puissance nominaleChapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 63 Figure 2.30. Modle R-C de la batterie [19] Nous avons donc : = 0 . (2.62) On dfinit galement ltat de charge (EDC) de la batterie par : = 1 (2.63) Avec la capacit (Ah) nominale de la batterie et la quantit de charge manquante par rapport . Le modle CIEMAT Ce modle est bas sur le schma suivant (Figure 2.31) o la batterie est dcrite par seulement deux lments, une source de tension et une rsistance interne, dont les valeurs dpendent dun certain nombre de paramtres : Figure 2.31. Schma quivalent de lments en srie [19] Ce modle dfinit la tension aux bornes de laccumulateur en fonction du courant impos, de son tat de charge et de la temprature. Il tient compte du rendement faradique en charge pour calculer lvolution de son tat de charge et intgre la phase de dgazage (dgagement dhydrogne) [26]. Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 64 Figure 2.32. Modle CIEMAT de la batterie au plomb sous Simulink Les entres du modle de la figure. 2.32 sont donc la puissance et lcart de temprature par rapport la temprature nominale fixe 25C. Le calcul de ltat de charge se fait en interne et permet de calculer la tension. La valeur du courant est obtenue partir de la puissance et de la tension (quation 2.64). Lhorloge reprsente sur la figure 2.32 a juste un rle dans lacquisition des donnes. = (2.64) Les expressions des grandeurs de la batterie sont exprimes ci-dessous. Lexpression gnrale de la tension batterie : = . + . . (2.65) La valeur de la rsistance interne de la batterie est calcule en fonction de sa tension nominale. Lexpression de ltat de charge : = 1 (2.66) Les tensions en dcharge et en charge sont modlises par deux quations diffrentes [19] : tension en dcharge : _ = . [1,965 + 0,12. ] .||10. (41 + ||1,3+0,27()1,5+ 0,02) . (1 0,007. ) (2.67) Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 65 tension en charge : _ = . [2 + 0,16. ]+ .10. (61 + 0,86 +0,48(1 )1,2+ 0,036) . (1 0,025. ) (2.68) 2.5. Modlisation du hacheur rversible en courant Les quations diffrentielles dfinissant le fonctionnement des deux hacheurs runis sur la structure prsents dans la Figure 1.23 ont t rsolues en utilisant un modle en valeurs moyennes. Sachant que la commande des interrupteurs 2 et 1 est simultane avec des rapports cycliques et 1 complmentaires, le fonctionnement du hacheur rversible en courant est dcrit par [1]: =1( ) (2.69) En appliquant la loi de conversion de la puissance, le courant inject ou absorb du bus CC sexprime : = (2.70) Le rapport cyclique est obtenu partir dun rgulateur PI ayant comme entre lerreur de tension sur le bus CC. 2.6. Modlisation de londuleur Lassociation dun transistor et dune diode donne un composant bidirectionnel. Comme les commandes des deux transistors du mme bras sont complmentaires, nous pouvons remplacer chaque bras de londuleur par un interrupteur deux positions comme lindique la figure (2.33) [24]. Soit ltat de linterrupteur , il est donn par: = {1 0 Chapitre 02 Modlisation des composants du systme hybride olien-photovoltaque 66 Figure 2.33. Reprsentation des composants bidirectionnels. Les tensions composes la sortie de londuleur sont donnes par: [] = . [1 22 33 1] (2.71) Par consquent, les tensions simples et le courant Is lentre de londuleur sexpriment en fonction des fonctions logiques comme suit: [] = . [21 2 31 22 31 2 23] (2.72) = 1. + 2. + 3. (2.73) 2.7. Conclusion Dans ce chapitre, les modles mathmatiques de systme tudi sont prsents. On commence avec les modles des donnes mtorologiques au site. On passe aprs la chaine photovoltaque, o nous utilisons deux mthodes de maximisation de puissance. Ensuite, on tude la chaine olienne : vent, turbine, gnratrice synchrone et pont diodes ; O on donne un modle qui peut calculer la puissance olienne produite. On continue avec les modles de la batterie et du hacheur rversible en courant et du bus continu. On finit par le modle de londuleur. 67 Chapitre 3 OPTIMISATION DU SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE 3.1. Introduction Aprs avoir tudi et modlis les diffrents composants du systme hybride olien-photovoltaque, aussi que linfluence des paramtres de ses composants sur lnergie produite, nous procdons au dimensionnement du systme. L'importance de l'optimisation est primordiale pour les systmes dnergies renouvelables autonomes. Cest pourquoi diffrentes mthodes sont employes pour l'optimisation de ces systmes. B.S. Borowy et Z.M. Salameh ont dvelopp une mthodologie pour dimensionner de manire optimale la combinaison d'une banque de batteries et du gnrateur photovoltaque dans un systme hybride olien-photovoltaque totalement autonome. Le systme est optimis pour minimiser le cot du systme pour un profil de charge donn et une LPSP(Loss of Power Supply Probability) choisie en utilisant les donnes mtorologiques horaires. Dans la mthodologie, la taille de l'olienne est rgle, avec une approche itrative utilise pour dterminer le nombre de batteries et des panneaux PV requis en fonction de la contrainte LPSP. 3.2. Critres doptimisation du systme hybride Le calcul du nombre optimal des modules photovoltaques et des batteries a t bas sur le concept de la probabilit de perte dnergie (Loss of Power Supply Probability_LPSP), et sur l'conomie du systme [45]. En termes de niveau de charge des batteries, la Probabilit de perte de puissance peut dfinie comme dit la formule (3.1) [45]. = {() _ } (3.1) O : () : lnergie stocke dans la batterie l instant t. Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 68 _: le niveau minimal d'nergie admissible dans la batterie. 3.3. Modle de simulation Lnergie produite par le gnrateur photovoltaque et larognrateur est donne dans lquation (3.2). () = () + . () (3.2) O : () : lnergie produite par larognrateur. () : lnergie produite par un module photovoltaque. : le nombre des modules photovoltaques. Pour calculer lnergie stocke dans les batteries nous avons considr deux scnarios :Premier scnario Si l'nergie gnre par les deux sources est suprieure celle demande par la charge ; les batteries seront charges. Lnergie stocke linstant t est donne dans lquation (3.3). () = ( 1) + (() ()) _ (3.3) Et, () = 0 O : ()et( 1) sont les nergies stockes dans les batteries aux heures (t) et (t-1). _ : le rendement de charge de la batterie. () : lnergie demande par la charge une heure t. : le rendement de londuleur. Deuxime scnario Si l'nergie gnre par l'olienne et photovoltaque est inferieur celle demande par la charge, les batteries seront dcharges ; et lnergie stocke linstant t est donne dans lquation (3.4). () = ( 1) (() ()) (3.4) Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 69 Dans ce cas, on a deux possibilits : -La premire : ( 1) (() ()) > _ alors () = 0. -La deuxime : ( 1) (() ()) < _ C'est--dire lnergie stocke et celle produite sont incapables de satisfaire la demande de la charge. Nous avons donc une perte dnergie LPS donne dans lquation (3.5). () = () (() + ( 1) _) (3.5) La probabilit de perte dnergie LPSP pour une priode T peut calcule partir lquation (3.6) [45,46]. = ()1 ()1 (3.6) Le calcul du couple optimal (_, _) est ralis selon le critre du cot. Pour chaque LPSP choisie, nous avons des diffrents couples (, ). Nous allons dterminer le couple qui minimise le cout du systme. Ce dernier est exprim dans lquation (3.7). = . + . + 0 (3.7) O : : le cout du systme hybride 0 : le cot total constant incluant les cots de ltude, de linstallation, de larognrateur et de londuleur. : le cot dun module photovoltaque : le cot dune batterie La condition pour obtenir la solution optimale de lquation (3.7), est donne dans lquation (3.8). = (3.8) La solution de lquation (3.7) est illustre graphiquement sur la figure 3.1. La pente de tangente est gal (), est au point de la courbe indiqu par S. Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 70 Figure 3.1. Variation de Nombre de modules PV par rapport au Nombre de batteries pour une LPSP donne. Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 71 -Lire les donnes mtorologiques du site. -Lire les donnes techniques du systme. -Lire : _ , _ , _ , _ > _ = _ = _ = + 1 t=1 Calculer () = () + . 1() () ()/ () = ( 1) + (() () )_ () = ( 1) ((() ) ()) () () (1 ) () = () = 0 () = (1 ) () = () [() + ( 1) (1 )] Fin Non Non Non Non Non Oui Oui Oui Oui Oui Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 72 Figure 3.2. Organigramme dalgorithme de la mthode LPSP 3.4. Procdure de dimensionnement Le procd mis au point a t utilis pour calculer la valeur optimale de nombre de batteries et de modules photovoltaques pour un systme hybride olien - photovoltaque autonome. Les valeurs journalires de rayonnement solaire et de la vitesse de vent, tlcharges de la NASA laide du logiciel RETScreen, ont t utilises pour calculer les valeurs horaires que nous avons employes dans ce procd. Lolienne choisie est de puissance nominale de 600W. Le pont de diodes est dun rendement 0.8. La puissance nominale d'un module PV utilis tait 90W. Le convertisseur DC-DC pilotage MPPT est dun rendement de 0.95. La capacit d'une batterie unique tait 100Ah, avec un rendement de charge de 0,85 et une profondeur de dcharge 80%. Londuleur est dun rendement de 0.9. La LPSP a t spcifie aux valeurs 0.1, 0.01 , 0.001 et 0. La charge dune maison typique dans un site isol a t galement utilise. 3.4.1. Profil de la charge Le profil de consommation adopt dans cette tude est celui reprsent aux figures 6 et 7. Le premier est correspond la priode du 1er avril au 30 septembre, le deuxime est correspond la = 8760 = ()8760=1 ()8760=1t=t+1 , = + 1 Non Non Oui Oui Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 73 priode du 1 octobre au 31 mars. Cette distribution nergtique horaire correspond au profil de consommation rencontr gnralement dans les sites isols. Figure 3.3. Profil de consommation adopt n1 Figure 3.4. Profil de consommation adopt n2 3.4.2. Profil de rayonnement, de temprature et de vitesse de vent Le programme d'optimisation ncessite de dvelopper le rayonnement solaire sur un plan horizontale et la temprature ambiante en tant qu'entres afin de gnrer la puissance maximale des panneaux photovoltaques l'horizon d'optimisation. Comme le rayonnement solaire varie au cours de l'anne, un profil de rayonnement solaire annuel a t obtenu du site de Stif, gographiquement situ 36.187N de latitude et 5.409E de longitude. Les figures 3.5 et 3.6 donnent une 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240100200300400500600700puissance consommeetemps(h)puissance(w)2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240100200300400500600700puissance consommeetemps(h)puissance(w)Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 74 reprsentation graphique du rayonnement solaire et de la temprature ambiante respectivement enregistr sur le site au cours de lanne 2013(voir Annexe A) [47]. Figure 3.5. Profil annuel de rayonnement solaire Figure 3.6. Profil annuel de temprature ambiante 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000200400600800100012001400irradiation solaire totale dans un plan inclin 46 Stif temps(h)irradiation (w/m2)0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000-1001020304050Temprature horaire en 2013 Stiftemps(h)temprature cChapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 75 Afin de calculer la puissance olienne gnre, un profil de vitesse de vent a t obtenu du site sous considration. La figure 3.7 donne une reprsentation graphique de la vitesse de vent enregistre au cours de lanne 2013. Figure 3.7. Profil de vitesse de vent 3.4.3. Energie produite par le systme hybride La figure (3.8) donne la puissance produite par un seul module photovoltaque durant lanne 2013, Figure 3.8. Puissance produite par un seul module PV 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000246810121416182022Vitesse de vent h=6m en 2013 temps(h)Vitesse de vent (m/s)1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000102030405060708090100110Puissance produite par un seul module PV 90W en 2013 Stif temps(h)puissance pv(w)Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 76 La figure (3.9) donne la puissance produite par lolienne durant lanne 2013, Figure 3.9. Puissance olienne fournie au bus cc 3.5. Dtermination de la taille optimale du systme Avec l'utilisation du programme dcrit prcdemment, nous avons calcul une srie de combinaisons possibles du nombre de modules photovoltaques et de batteries. Pour des prix unitaire donns des batteries et des modules PV, une solution optimale qui minimise le cot du systme a t trouve. Une variation du nombre de modules PV par rapport au nombre de batteries est reprsente sur les Figures (3.10, 3.12, 3.13, 3.14). Figure 3.10.Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 80000100200300400500600Puissance olienne horaire la sortie du pont diodestemps(h)puissance ol (w)Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 77 Figure 3.11.Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0 Figure 3.12. Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0.001 Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 78 Figure 3.13. Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0.01 Figure 3.14. Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour LPSP =0.1 La taille optimale du systme hybride calcul pour chaque LPSP choisie, est donn dans le tableau 3.1. Le prix dun module PV est de 13000 DA, celui dune batterie est 10000 DA et le cot 0 est gal 140000 DA. Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 79 Tableau 3.1. Taille optimale et son cot pour diffrents niveaux de fiabilit LPSP Cot totale(DA) 0.1 13 4 349000 0.01 21 8 493000 0.001 23 10 539000 0 23 12 559000 3.6. Ltat de charge des batteries Ltat de charge des batteries pour une LPSP=0 durant une anne, est trac dans la figure 3.15. Figure 3.15. Trac de ltat de charge des batteries pour une LPSP =0. 3.7. Conclusion La taille optimale d'un groupe de batteries et d'un gnrateur photovoltaque dun systme hybride olien PV pour une charge donne et un certain niveau de fiabilit a t trouve. Elle est base sur l'utilisation de donnes long terme de la vitesse du vent et de rayonnement solaire pour le site sous considration. Chapitre 03 Optimisation du systme hybride olien-photovoltaque 80 Les puissances moyennes produites par l'olienne et le module PV ont t calcules. Pour une Probabilit de perte de puissance donne, des combinaisons du nombre de modules PV et du nombre de batteries ont t trouves. La combinaison optimale des modules photovoltaques et des batteries dpend, sur le site particulier, du profil de la charge, de la fiabilit souhaite du systme hybride et du prix unitaire de module PV et de batterie. Le trac de ltat de charge des batteries montre lefficacit de la mthode doptimisation utilise. 81 Chapitre 4 SIMULATION DU SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE 4.1. Introduction Dans les chapitres prcdents, nous avons prsent les bases qui ont permis de dvelopper sous lenvironnement MATLAB/Simulink, les modles de simulation des composants du systme hybride illustr dans la Figure 1.1. Ces modles de simulation peuvent tre utiliss de manire modulaire, ce qui permet dadapter le modle aux objectifs des simulations. Les paramtres des composants du Systme Hybride sont donns dans lAnnexe B. 4.2. Simulation du rayonnement solaire Un profil de rayonnement solaire annuel a t obtenu du site de Stif, gographiquement situ 36.187N de latitude et 5.409E de longitude. Ce profil, qui prsente des valeurs journalires de lclairement sur un plan horizontal, est trac dans la figure4.1. Figure 4.1. Rayonnement solaire journalier Stif Pour calculer les valeurs horaires du rayonnement, on utilise le modle mathmatique prsent dans la section 2.2.1. Les rsultats de ce calcul pour diffrents angles dinclinaison sont tracs aux figures (4.2, 4.3 et 4.4). Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 82 Figure 4.2. Rayonnement solaire horaire dans un plan horizontalFigure 4.3. Rayonnement solaire horaire dans un plan inclin = 32 Figure 4.4. Rayonnement solaire horaire dans un plan inclin = 46 Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 83 La comparaison entre les deux dernires courbes nous permet de bien choisir langle dinclinaison des panneaux. Pour lanne complte, langle = 32 est videmment la valeur optimale. Par contre pour la priode dfavorable (lhiver), Langle = 46 est plus intressant. Cest pourquoi, on va choisir la dernire valeur. 4.3. Simulation du GPV Le module photovoltaque (CEM90M-36), est choisi pour la modlisation puis la simulation. Il contient 36 cellules solaires du silicium monocristallines, et fournit une puissance maximale nominale de 90W. Les caractristiques physiques et lectriques de ce panneau photovoltaque sont donnes dans le tableau suivant : Tableau 4.1 Caractristiques physiques et lectriques du gnrateur PV choisi pour la modlisation et la simulation Caractristiques CEM90M-36 Nombre de cellules en srie Ns Nombre de cellules en parallle Np Ns=36 Np=1 Puissance maximale Pmax Tension au point maximal Vmpp Courant au point maximal Impp 90w 18 Volt 5 A Tension de circuit ouvert (Vco) Courant de court circuit (Icc) 21.8 Volt 5.3 A Coefficient de temprature de tension Coefficient de temprature de courant -0.0032 0.0003 Le modle mathmatique dun GPV a t prsent dans la section 2.2.2 et donn par l'quation (2.27): = . [1 (exp (. . ) 1)(exp (. . ) 1)] Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 84 D'autres expressions (quations (2.28), (2.29)) ont t donnes pour exprimer et respectivement par : Icc = GGref Icc_ref[1 + icc(Tc Tref)] Vco = Vco_ref + vco(Tc Tref) + . . ln (GGref) Pour construire un modle quivalent (par Simulink) du GPV, les expressions ci-dessus ont t utilises pour subdiviser le GPV en blocs reprsentant les divers lments de son modle de circuit quivalent. Le schma reprsentatif du modle mathmatique courant-tension dun module photovoltaque sous matlab-simulink est donn par la figure 4.5. Les valeurs de la temprature de cellules T, l'ensoleillement Ga, et le nombre de cellules photovoltaques en srie Ns sont accessibles en tant que variables externes et peuvent tre changes pendant le procd de simulation. Ceci permet dobserver et dvaluer la raction du systme aux changements brusques des conditions de fonctionnement, telles que des variations de lensoleillement. Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 85 Figure 4.5. Modlisation du GPV sous matlab (Simulink). 4.3.1. Simulation du gnrateur (GPV) clairement et temprature constante Caractristique ( = ()) : temprature et clairement constants, et particulirement aux conditions standards (STC)( = 1000/2, = 25). La caractristique ( =()) est donne par la figure 4.6. 2Vpv1Ipv1.28nGaTcCourant I_cccourant IccTc VtnV tTcGaVthtension V_coTension VcoTaGaTcTempratureProduct3Product2Product1lnMathFunction[Icc]Goto4[Vco]Goto3[Vth]Goto2[Icc]From4[Vco]From3[Vth]From2Divide1115Ip4Np3Ns2Ga1TaChapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 86 Figure 4.6. Caractristique (courant-tension) du GPV. Caractristique ( = ()) : temprature et clairement constants, et particulirement aux conditions standards (STC)( = 1000/2, = 25). La caractristique ( =()) est donne par la figure 4.7. Figure 4.7. Caractristique (puissance-tension) du GPV. 4.3.2. Simulation du gnrateur (GPV) clairement et temprature variable Afin dobserver linfluence des conditions externes, de lclairement et de la temprature(,) sur les caractristiques ( ) et ( ) nous avons adopt la mthode suivante : 0 5 10 15 200123456Caractristique I-Vcourant I(A)tension V(v)0 5 10 15 200102030405060708090100Caractristique P-Vpuissance P(W)tension V(v)Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 87 Pour visualiser linfluence de lclairement, on fixe la temprature ambiante ( = 25) et on fait varier lclairement dans une gamme suffisante. Pour visualiser linfluence de la temprature, on fixe lclairement ( = 1000/2) et on fait varier la temprature dans une gamme suffisante. 4.3.2.1. Linfluence de lclairement sur la caractristique = () En faisant varier lclairement () entre (800/21000/2) avec un pas de 100/2, la caractristique ( ) est donne par la figure 4.8. Daprs la figure 4.8, on remarque une forte diminution du courant de court-circuit par rapport lclairement () et une faible diminution de la tension du circuit ouvert. Cest qui prouve que le courant de court circuit de la cellule dpend au clairement, par contre la tension de circuit ouvert subit une lgre augmentation quand lclairement varie de 800/2 1000/2. Figure 4.8. Influence de lclairement sur la caractristique = (). 4.3.2.2. Linfluence de lclairement sur la caractristique = () En faisant varier lclairement () entre (800/21000/2) avec un pas de 100/2, la caractristique = () est donne par la figure 4.9. 0 5 10 15 20 250123456Caractristique I-Vcourant I(A)tension V(v)800w/m2900w/m21000w/m2Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 88 Figure 4.9. Influence de lclairement sur la caractristique = (). On remarque aussi sur la figure 4.9 que lclairement influe proportionnellement sur la puissance et la tension du circuit ouvert du GPV. 4.3.2.3. Linfluence de la temprature sur la caractristique = () En faisant varier lclairement () entre 0 50 avec un pas de (25), la caractristique ( ) est donne par la figure 4.10, avec un clairement constant( = 1000/2). Figure 4.10. Influence de la temprature sur la caractristique = (). Daprs la figure 4.10, on constate que leffet de laugmentation de la temprature fait diminuer la tension du circuit ouvert du GPV, contrairement au courant de court-circuit qui reste constant. 0 5 10 15 20 250102030405060708090100Caractristique P-Vpuissance P(W)tension V(v)800w/m2900w/m21000w/m20 5 10 15 20 250123456Caractristique I-Vcourant I(A)tension V(v)0C25C50CChapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 89 4.3.2.4. Linfluence de la temprature sur la caractristique = () La caractristique = () est donne par la figure 4.11 : Figure 4.11. Influence de la temprature sur la caractristique = (). Daprs la figure 4.11, leffet de laugmentation de la temprature sur la caractristique = () fait diminuer la puissance et la tension du circuit ouvert du GPV. Le modle choisi a donn des rsultats concordant avec ceux obtenus dans la littrature et reflte bien le comportement physique dune cellule (PV) vis--vis des variations de la temprature et de lclairement, ce qui valide le modle utilis. 4.4. Simulation du hacheur Boost avec la commande MPPT Parmi les techniques de commande MPPT du hacheur Boost dcrites au chapitre 2, nous avons choisi la mthode la perturbation et lobservation (P&O). Le schma de simulation est donn par la figure 4.12. 0 5 10 15 20 250102030405060708090100Caractristique P-Vpuissance P(W)tension V(v)0C25C50CChapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 90 Figure 4.12. Schma de simulation du hacheur Boost et de sa commande. Les simulations sont faites en prenant en compte les paramtres du hacheur Boost(donns dans la section 2.2.3) : - Inductance = 2. - MOSFET et une diode de puissance. - Capacit = 50. - Charge rsistive R. Lobjectif fix dans ces simulations est datteindre une tension suffisamment grande partir dune tension relativement faible en sortie du GPV. La figure (4.13) montre la variation de la puissance la sortie du hacheur. Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 91 Figure 4.13. Caractristique = () la sortie du hacheur Boost. En connaissant la puissance maximale produite par notre panneau, on peut calculer la puissance photovoltaque produite durant une anne grce un code Matlab (figure 4.14). Les profils de lclairement et la temprature utiliss sont prsents aux figures (4.3) et (3.6). Figure 4.14. Energie photovoltaque produite par un module 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50102030405060708090100Puissance la sortie du hacheurtemps (s)Puissance (w)0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000020406080100120Puissance produite par un gnratuer PV 90W en 2013 Stif temps(h)puissance pv(w)Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 92 4.5. Simulation de la chaine olienne Lolienne (Marque PWG (Foshan,China), Modle : FD2.6-600 ), est choisie pour la modulation et la simulation. Elle peut fournir une puissance nominale de 600W (Voir sa courbe de puissance Annexe B). Les caractristiques de cette turbine sont donnes dans le tableau 4.2. Tableau 4.2. Caractristiques de lolienne FD2.6-600. Axe rotatif Horizontal Nombre de pales 3 Hauteur de la tour (m) 6 Puissance nominale(W) 600 Vitesse de dmarrage (m/s) 2 Vitesse nominale (m/s) 8 Vitesse de coupure (m/s) 20 Taux de rotation (r/m) 380 Le modle mathmatique de larognrateur a t prsent dans la section 2.3.6 et donn par lquation (2.6.1) comme : _ = . [[exp (( )k) exp (( )k)] ( )k ( )k exp (()k)] O : k est le facteur de forme de la distribution de Weibull de la vitesse de vent (habituellement k=2). Le facteur dchelle est trs proche de la vitesse moyenne de la vitesse du vent V. Le schma reprsentatif du modle mathmatique de lolienne sous matlab simulink est donn par la figure 4.15. Figure 4.15. Schma de simulation de lolienne Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 93 Un profil de vitesse de vent annuel a t obtenu du site sous considration. Ces valeurs concernent une altitude de 0 = 10, ce qui exige de les convertir en vitesses de vent la hauteur de moyeu = 6 par la relation (2.40): Vh = Vh0 . (hh0)Avec = 0.15 La figure 4.16. montre la vitesse de vent la hauteur de la tour de la turbine = 6. Figure 4.16. Variation de la vitesse de vent Afin de calculer lnergie olienne produite, dans lquation (2.3.6) le facteur k est fix la valeur k=2 et le facteur c est vari avec la valeur horaire de la vitesse de vent. La figure 4.17 prsente un exemple de la fonction de probabilit de la vitesse de vent. Figure 4.17. Fonction de probabilit de vitesse de vent 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1000.050.10.150.20.25Distribution de WeibullVitesse(m/s)Fonction de probabilitChapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 94 La figure 4.18 prsente la puissance alternative produite durant lanne 2013. Figure 4.18. Puissance olienne produite La figure (4.19) prsente la puissance continue produite durant lanne 2013. Figure 4.19. Puissance olienne fournie au bus CC. Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 95 4.6. Simulation du dimensionnement du systme Pour dimensionner notre systme (figure 4.20), nous avons dvelopp un code Matlab. Le couple optimale, de nombre de batteries et de nombre de panneau, a t prsent dans les figures (4.22) et (4.23). Le profil de consommation utilis est montr dans la figure (4.21). Figure 4.20. Schma de simulation du systme hybride Discrete,Ts = 1e-005 s.powergui0.004incV PararognrateurVsysVsys1VsysVsysVVitesse de ventVbusVbus1VbusVbusTaTa0.95Rend3 0.90Rend20.85Rend10.8RendPolParoro_pontVbusPolPont diodesP_GpvTaGaNsNpIVpvIpvPVPPD ro_ondPDem_continueOnduleur36NsN_PanNpan1NpNbtN_btI_batI_GpvI_ChGG0.2EDC_LPol PPVPDV SysEDC_LimEDCI_ChI_batContChChargeVpvIpv 1ro_mpptV_busincILVsIsBoost_Mpptro_charge NbatV_sy sI_batEDCBatteriesChapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 96 Figure 4.21. Profil de consommation. Figure 4.22. Trac du nombre de modules PV en fonction du nombre de batteries pour une LPSP =0 Figure 4.23. Trac du couple optimal ( , ) Chapitre 04 Simulation du systme hybride olien-photovoltaque 97 Pour voir lefficacit du couple optimal trouv, nous prsentons ltat de charge des batteries durant lanne 2013( figure 4.24). Cette courbe montre lexploitation complte des batteries dans la priode dfavorable. Figure 4.24. Ltat de charge des batteries 4.7. Conclusion Les rsultats de simulation ont montr un bon comportement face aux variations climatiques. Ces variations ont permis de mettre en vidence une bonne efficacit des systmes de poursuite de puissance maximale du gnrateur PV. Des rsultats satisfaisants ont t obtenus aussi pour la chaine olienne. La taille optimale du systme hybride a t trouve (23 panneaux, 12 batteries). Le trac de ltat de charge des batteries montre lefficacit de la mthodologie utilise. Lnergie olienne produite est gal 584280W par an, c..d. 67W par heure en moyenne, ce qui prsente 21.44% de lnergie demande par le consommateur. Lnergie photovoltaque produite par les 23 panneaux est gal 4020170W. Par-rapport lnergie demande (2737500W par an), on trouve quil y a un excs dnergie au niveau annuel. Ce dernier est expliqu par le caractre alatoire des sources dnergie renouvelable. CONCLUSION GENERALE 98 CONCLUSION GENERALE Cette thse tude un systme hybride olien-photovoltaque totalement autonome. Lobjectif de ce systme est de produire llectricit pour satisfaire tout instant la demande dun consommateur dans un site isol Stif. Nous avons prsent les composants de ce systme et leur principe de fonctionnement. Ensuite, nous avons donn leurs modles mathmatiques. Nous avons dvelopp un code Matlab qui calcule lirradiation solaire horaire dans un plan inclin. Ce programme permet de trouver langle optimal dinclinaison des panneaux photovoltaques. En ce qui concerne la chaine de production photovoltaque, nous avons utilis un hacheur Boost command par la technique MPPT (bas sur la mthode perturbation-observation), pour maximiser la puissance produite par le gnrateur photovoltaque. Pour la chaine de production olienne, nous avons dvelopp un code Matlab qui permet de calculer la puissance gnre par lolienne choisie, en utilisant la fonction de probabilit de la vitesse de vent pour chaque heure. La mthodologie doptimisation LPSP, a t utilise dans le 3e chapitre pour dimensionner la taille optimal du systme c.--d. de trouver le couple (Nombre de panneaux, Nombre de batteries), qui permet de satisfaire la demande du consommateur et de minimiser le cot du systme. Ce travail pourrait tre avanc en incluant des composants supplmentaires dans le systme hybride. En gnrale, la batterie plomb, inclus dans ce travail, est le choix le plus courant pour le stockage dnergie. Mais le progrs dans les autres technologies de batteries comme Li-ion ainsi que les cellules de stockage de lhydrogne fait lutilisation de ces technologies trs attrayante. Les recherches menes sur les systmes hybrides dnergie renouvelable ont montr lavantage de combiner diffrents types de gnrateurs. En plus de lolien et du photovoltaque, lutilisation dune source dnergie classique (comme le gnrateur diesel), est trs intressante pour faire le systme plus efficace dans les pires priodes de lanne. Enfin, dans les rgions connectes au rseau national dlectricit. Pour un consommateur- producteur, il est intressant dtre connect au rseau principal. Ceci permet de ramener des CONCLUSION GENERALE 99 tailles plus raisonnables les units de production. Le consommateur est aliment en nergie avec une faible contribution du rseau et pourquoi ne pas renvoyer lnergie produite non utilise par lui sur le rseau. Ce pourrait tre dvelopp en incluant la connexion au rseau dans le processus doptimisation. 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2540 6,81 140 14,58 7310 3,09 13 5,5 2300 4 77 11,41 3990 4,22 141 15,55 3560 4,16 14 3,63 2000 2,62 78 12,73 5190 3,1 142 10,36 1500 6,58 15 4,41 2140 4,92 79 11,58 2380 4,34 143 13,63 6970 3,53 16 6,35 1620 5,65 80 9,45 6010 3,23 144 15,66 7450 3,33 17 7,31 810 5,89 81 11,81 5810 5,04 145 15,58 6620 3,12 18 9,26 930 5,61 82 12,27 3520 3,61 146 16,12 7230 2,47 19 10,44 1900 7,24 83 8,21 3530 4,88 147 17,61 7380 3,05 20 5,74 1690 6,23 84 8,67 4410 5,88 148 15,11 7300 2,98 21 4,46 1300 4,6 85 11,05 4790 3,78 149 14,28 6160 3,37 22 3,71 2230 3,74 86 12,24 5450 3,32 150 12,3 5430 3,44 23 3,05 960 6,95 87 12,51 4240 2,64 151 12,41 7610 3,45 24 4,55 900 6,99 88 12,27 5570 3,07 152 12,58 4000 3,54 25 3,08 1720 5,43 89 10,98 2550 4,53 153 15,9 7960 2,13 26 2,66 560 4,01 90 10,65 3180 3,21 154 16,16 7890 3,11 27 6,46 3290 3,5 91 13,02 3470 4,84 155 15,57 8030 2,74 28 5,48 1910 6,99 92 8,06 4160 4,63 156 20,03 6460 2,87 29 6,55 3620 4,86 93 11,76 6160 5,23 157 17,25 6010 4,39 30 9,19 3630 2,5 94 11,27 4250 3,78 158 19,11 7880 2,24 31 8,06 3660 2,8 95 10,15 5430 3,61 159 18,95 7120 3,26 32 9,28 3790 3,3 96 6,3 4100 5,26 160 16,84 7680 2,85 33 5,98 1460 6,11 97 7,01 2500 4,26 161 15,86 7680 2,66 34 2,54 900 6,14 98 11,32 6460 2,9 162 17,85 7900 2,19 35 2,61 1670 4,98 99 13,69 5640 2,33 163 19,99 7850 2,36 36 4,68 3380 2,72 100 13,02 6470 2,14 164 20,81 7930 2,48 37 4,13 1520 4,98 101 15,25 6470 2,44 165 22,37 7880 2,59 38 2,11 1060 6,25 102 16,21 6320 2,82 166 24,19 7900 2,91 39 1,49 1340 3,57 103 16,19 4700 2,43 167 25,89 7790 2,43 40 1,63 1210 3,45 104 17,79 6610 3,23 168 26,48 7660 3,91 41 2,39 2680 3,75 105 17,78 6540 2,67 169 24,84 7780 3,88 42 1,6 880 5,24 106 16,12 6310 2,72 170 21,08 7870 3,21 43 2,33 2340 4,55 107 16,41 6710 1,92 171 19,12 7230 3,29 44 2,98 1960 4,54 108 16,23 6860 1,85 172 20,94 7620 2,99 45 3,75 3670 4,38 109 15,99 6910 2,17 173 16,35 2730 4,83 46 6,31 4100 2,39 110 11,89 3340 3,5 174 18,55 6790 3,81 47 6,7 4140 1,75 111 9,91 5420 3,56 175 19,04 7220 3,71 48 6,82 4080 2,2 112 9,52 6410 4,41 176 19,34 7380 3,04 49 6,53 1350 2,28 113 9,58 4060 4,16 177 18,26 7730 3,33 50 8,43 3470 2,31 114 10,13 680 5,09 178 19,06 7640 2,51 51 8,29 1020 3,01 115 12,23 5960 5,32 179 17,58 7420 3,19 52 6,68 2060 4,18 116 11,19 2340 3,71 180 16,91 7690 3,65 53 9,1 2640 5,46 117 13,22 6540 2,81 181 19,47 7780 2,29 54 7,53 2790 5,53 118 15,37 5620 3,75 182 20,83 5820 3,65 55 2,23 2620 3,87 119 14,94 4210 3,91 183 23,34 4110 2,54 56 0,23 3160 3,02 120 14,28 6550 3,03 184 22,37 5630 2,38 57 0,79 4240 2,3 121 13,19 4220 3,36 185 21,01 7480 2,94 58 2,92 3430 3,02 122 14,64 4930 3,43 186 18,72 7850 3,5 59 7,44 3980 3,45 123 13,35 2440 4,4 187 20,15 7850 3,25 60 5,33 2880 3,97 124 11,18 2460 4,8 188 21,37 7920 2,64 61 6,16 1480 5,34 125 10,95 5350 3,33 189 22,25 7710 2,45 62 6,92 2150 3,51 126 13,12 7320 2,39 190 22,45 7620 3,08 63 7,63 2430 5,29 127 15,73 5940 2,08 191 22,04 7000 2,76 64 10,4 1970 8,2 128 18,38 7060 2,34 192 24,12 7590 2,37 ANNEXE A Donnes mtorologiques du site sous considration en 2013 : Stif, Latitude=36.187N, Longitude=5.409EN du jour Temprature c Rayonnement w/m2 Vitesse de vent m/s N du jour Temprature c Rayonnement w/m2 Vitesse de vent m/s N du jour Temprature c Rayonnement w/m2 Vitesse de vent m/s 193 25,92 7640 2,34 257 21,3 4800 2,89 321 10,29 2400 5,12 194 25,5 4530 2,96 258 23,18 5400 3,09 322 7,54 2450 4,13 195 22,46 7790 3,24 259 22,6 5040 2,27 323 7,97 1230 6,55 196 22,58 7780 2,79 260 20,47 4280 2,53 324 6,66 1260 3,74 197 24,02 7630 2,68 261 20,35 4210 1,87 325 4,96 2700 4,18 198 24,74 7390 2,97 262 17,91 3080 2,81 326 6,17 1390 5,13 199 24,16 7120 2,57 263 17,01 5410 3,06 327 4,09 1910 3,99 200 25,76 7560 2,57 264 17,72 5470 2,74 328 4,84 1850 3,56 201 27,32 4820 3,2 265 17,63 5510 2,54 329 6,64 1280 4,78 202 25,68 7160 2,47 266 18,65 5390 2,11 330 5,16 1100 4,39 203 23,51 6950 3,07 267 19,47 5230 3,1 331 5,32 1830 3,08 204 23,74 7320 2,55 268 20,07 5290 3,76 332 4,94 2540 1,85 205 24,75 7520 2,55 269 20,81 5380 2,78 333 3,58 2250 2,56 206 26,44 7490 2,6 270 22,62 5120 3,23 334 3,28 1420 2,65 207 28,15 7330 3,21 271 22,35 4880 2,5 335 4,16 2520 1,74 208 29,99 7370 2,88 272 19,48 3120 3,37 336 5,03 1230 2,99 209 28,87 7410 2,69 273 18,74 4960 3,58 337 7,47 1110 3,38 210 26,34 7230 3,29 274 21,46 4940 2,48 338 7,94 2150 2,03 211 24,15 7210 3,73 275 23,99 5040 2,2 339 6,97 1890 2,58 212 22,15 7530 3,36 276 24,64 4630 5,45 340 5,65 2600 3,01 213 22,72 7600 2,63 277 23,98 4480 4,8 341 6,38 2780 2,33 214 24,21 7640 2,63 278 22,56 3330 3,81 342 6,68 2910 1,96 215 24,94 7580 3,06 279 17,81 2990 3,55 343 6,66 2860 1,5 216 25,06 7500 3,06 280 17,58 3980 2,84 344 5,84 2640 1,57 217 26,49 7300 2,61 281 16,95 4270 2,48 345 6,58 2830 1,75 218 27,7 7270 2,97 282 17,07 3650 2,12 346 5,89 2850 2,72 219 28,33 7180 2,96 283 19,17 4590 2,79 347 6,78 2830 2,38 220 26,47 7100 4,74 284 19,74 4410 3,01 348 7,32 2370 1,33 221 20,76 6790 4,91 285 20,1 4260 2,18 349 7,23 2770 1,5 222 20,73 7230 3,61 286 19,67 4360 1,91 350 6,31 2770 2,34 223 20,71 7230 3,39 287 19,3 4140 1,79 351 5,59 1580 3,45 224 23,66 7240 2,3 288 19,22 2720 2,7 352 6,51 1370 1,9 225 24,41 7110 3,16 289 18,94 4350 2,53 353 6,84 2700 3,8 226 22,12 7070 3,52 290 19,24 4410 2,09 354 5,66 1090 4,38 227 21,92 7150 2,84 291 19,34 3510 3,68 355 7,45 1390 2,79 228 23,15 7080 2,78 292 19,45 4080 3,25 356 7,72 1230 2,1 229 24,26 5850 2,49 293 18,32 2730 3,57 357 8,18 1950 2,47 230 23,68 3820 3,84 294 19,12 3230 4,06 358 7,51 2650 3,79 231 24,22 6660 2,43 295 18,93 4080 5,72 359 7,11 2650 7,58 232 21,78 6730 3,75 296 18,52 1920 3,5 360 5,62 1680 7,3 233 19,5 6840 3,86 297 18,74 1920 2,78 361 6,38 1680 4,78 234 20,11 6950 2,41 298 19,31 3790 3,91 362 7,01 2720 2,68 235 22,4 6530 2,55 299 19,56 3815 2,83 363 6,09 480 3,21 236 24,68 6490 2,78 300 18,7 3840 1,87 364 3,74 1340 3,43 237 25 6540 2,18 301 17,02 3770 3,45 365 3,57 2840 2,09 238 25,22 4360 2,75 302 16,37 3490 3,55 239 23,97 5350 2,44 303 13,72 2740 2,56 240 24,94 5050 3 304 11,42 1620 2,96 241 24,87 6110 3,99 305 11,6 1740 2,64 242 21,91 4700 3,91 306 12,86 3900 1,76 243 18,03 3470 4,28 307 14,02 3710 2,71 244 17,34 5330 4,37 308 13,76 3780 3,96 245 18,11 3950 4,07 309 14,53 1600 7,68 246 19,3 5740 3,05 310 15,09 3140 4,45 247 18,85 4130 2,52 311 16,01 3730 1,77 248 21,25 5960 4,29 312 14,68 3480 2,96 249 22,35 5920 2,28 313 13,72 2680 2,53 250 24,07 6060 2,06 314 12,27 3320 3,62 251 24,03 2880 3,39 315 10,78 1080 7,31 252 20,1 2810 3,78 316 9,93 1290 7,75 253 20,31 2150 2,39 317 10,89 1320 5,2 254 21,49 5710 2,36 318 10,58 1000 4,05 255 19,9 3010 1,67 319 9,31 2030 2,42 256 19,07 3640 1,93 320 8,89 1100 3,23 ANNEXE B Documentation Panneaux photovoltaque : CEM90M-36 Panneau Solaire 90 W Mono ANNEXE B Documentation Eolienne : Marque PWG (Foshan,China). Modle : FD2.6-600 Axe rotatif Horizontal Nombre de pales 3 Hauteur de la tour (m) 6 Puissance nominale(W) 600 Vitesse de dmarrage (m/s) 2 Vitesse nominale (m/s) 8 Vitesse de coupure (m/s) 20 Taux de rotation (r/m) 380 Courbe de puissance graphique: ANNEXE B Documentation Batterie : Batterie plomb STECO 3000 / 12V 106Ah Caractristiques de la batterie 12v STECO SOLAIRE 3000 : Technologie : Plomb Ouvert plaques planes Cyclage : - 300 cycles 60% DOD (depth of discharge ou profondeur de dcharge) Test selon Norme IEC 60896-2 - de 1200 1500 cycles en utilisation solaire 20C (20% DOD max en cyclage quotidien / 70% DOD max en dcharge profonde dautonomie) Dure de vie de 3 4 ans Autodcharge : environ 4% / mois 25C RESUME : . ( " -) " . ( . -) . - ( - ) : Rsum : Lexploitation des ressources renouvelables connat un grand essor dans les pays industrialiss et mme dans quelques pays sous-dvelopps. Le rle dun systme hybride (olien - photovoltaque) de production dlectricit sans interruption dans les rgions isoles nest pas seulement dapporter une puissance nergtique , mais un outil de dveloppement social et conomique des zones rurales. Le travail consiste dimensionner dune manire optimale le gnrateur photovoltaque et le banc de batteries dans un systme hybride de production dlectricit (olien-photovoltaque) totalement autonome. Mots-cls : Systme hybride (olien-photovoltaque) Optimisation - Banc de batteries. Abstract: The exploitation of renewable resources has been a great rise in industrialized countries and even in some underdeveloped countries. The role of a hybrid power uninterrupted generation (wind PV) in remote areas is not only to bring "energy power", but a tool for social and economic development of rural areas. The work consists of optimally sizing the PV array and battery bank for autonomous PV-wind hybrid energy system. Keywords: hybrid system (wind-photovoltaic) - Optimization - Banc of batteries. RemerciementsListe des figuresListe des tableauxINTRODUCTION GENERALEChapiter1SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE, DESCRIPTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT1.1. INTRODUCTION1.2. Etat de lart du systme hybride olien-photovoltaque1.3. La chaine de production photovoltaque1.3.1. Le rayonnement solaire1.1.1.1.2.1.3.1.3.1.1.3.2. Effet photovoltaque1.3.3. Principe de la gnration photovoltaque1.3.4. Convertisseurs DC/DC1.3.4.1. Convertisseurs DC/DC pilotage MPPT1.3.4.2. Principe de fonctionnement dun tage dadaptation DC-DC1.4. La chaine de production olienne1.4.1. Le Gnie Electrique dans le vent1.4.2. Les types darognrateurs1.4.2.1. Eoliennes axe verticala. Trane diffrentielleb. Variation cyclique dincidence1.4.2.2. Eoliennes axe horizontal1.4.3. Choix de technologie de lolienne1.4.4. Architecture dune olienne axe horizontale1.4.4.1. Rotor1.4.4.2. Nacelle1.4.4.3. Tour1.4.5. Rgulation mcanique de la puissance dune olienne1.4.6. Conversion lectrique dnergie olienne1.4.6.1. Machines lectriques et systmes de conversion dnergie olienne1.4.6.2. Machines synchrones aimants permanents1.4.7. Redresseur1.5. Le dispositif de stockage1.5.1. Caractristiques dterminant le choix dune technologie de stockage1.5.2. Moyens de stockage1.5.3. Fonctionnement dun accumulateur au plomb1.6. Bus courant continu1.7. Hacheur rversible en courant1.8. Onduleur1.8.1. Structure d'onduleur1.8.2. Classification des onduleurs1.9. ConclusionChapitre 2MODELISTAION DES COMPOSANTS DU SYSTEME EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE2.2.1. INTRODUCTION2.2. Modlisation de la chaine photovoltaque2.2.1. Modlisation du rayonnement solaire2.2.1.1. Coordonnes gographiques terrestres2.2.1.2. Position du soleil2.2.1.2. 1. Coordonnes quatorialesLa dclinaisonLangle horaire2.2.1.2.2. Coordonnes horizontalesHauteur du soleilAzimut du soleilAngle znithale2.2.1.3. Langle dincidence du rayonnement direct sur un plan inclin2.2.1.4. Calcul de rayonnement solaire horaire sur un plan inclin2.2.2. Modlisation dune cellule photovoltaque2.2.2.1. Paramtres dune cellule PV2.2.2.1.1. Le courant de court circuit2.2.2.1.2. La tension de circuit ouvert2.2.2.2. Association de Cellules Photovoltaques2.2.2.3. Modlisation du gnrateur PV2.2.2.3.1. Caractristique I-V dun gnrateur photovoltaque2.2.2.3.2. Caractristique P-V dun gnrateur photovoltaque2.2.2.3.3. Rendement dun gnrateur photovoltaque2.2.2.3.4. Facteur de forme2.2.2.3.5. Influence de lintensit du rayonnement2.2.2.3.6. Influence de la temprature2.2.3. Modlisation du convertisseur pilotage MPPT2.2.3.1. Hacheur survolteur2.2.3.2. Mthode de poursuite du point de puissance maximale2.2.3.3. Mthode de la drive de la puissance2.2.3.3.1. Mthode de la perturbation et lobservation (P&O)2.2.3.3.2. Mthode par incrmentation de conductance2.3. Modlisation de la chaine olienne2.3.1. Modle du vent2.3.1.1. Correction de la vitesse de vent avec laltitude2.3.1.2. Distribution de Weibull2.3.2. Modle de la turbine2.3.2.1. Puissance rcuprable par une turbine2.3.2.2. Loi de Betz2.3.2.3. Vitesse normalise2.3.2.4. Coefficient de puissance2.3.2.5. Coefficient de couple2.3.3. Modle de larbre de la machine2.3.4. Modle de la gnratrice synchrone aimants permanents2.3.5. Modlisation du redresseur2.3.5.1. Etude dun redresseur monophas diode2.3.5.2. Modle dun pont de diode2.3.6. Puissance olienne produite2.4. Modlisation du dispositif de stockage2.5. Modlisation du hacheur rversible en courant2.6. Modlisation de londuleur2.7. ConclusionChapitre 3OPTIMISATION DU SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE3.1. Introduction3.3.1.3.2. Critres doptimisation du systme hybride3.3. Modle de simulationPremier scnarioDeuxime scnario3.4. Procdure de dimensionnement3.4.1. Profil de la charge3.4.2. Profil de rayonnement, de temprature et de vitesse de vent3.4.3. Energie produite par le systme hybride3.5. Dtermination de la taille optimale du systme3.6. Ltat de charge des batteries3.7. ConclusionChapitre 4SIMULATION DU SYSTEME HYBRIDE EOLIEN-PHOTOVOLTAIQUE4.1. Introduction4.2. Simulation du rayonnement solaire4.3. Simulation du GPV4.3.1. Simulation du gnrateur (GPV) clairement et temprature constante4.3.2. Simulation du gnrateur (GPV) clairement et temprature variable4.3.2.1. Linfluence de lclairement sur la caractristique ,-.=,(-.)4.3.2.2. Linfluence de lclairement sur la caractristique ,-.=,(-.)4.3.2.3. Linfluence de la temprature sur la caractristique ,-.=,(-.)4.3.2.4. Linfluence de la temprature sur la caractristique ,-.=,(-.)4.4. Simulation du hacheur Boost avec la commande MPPT4.5. Simulation de la chaine olienne4.6. Simulation du dimensionnement du systme4.7. ConclusionCONCLUSION GENERALERfrences

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