Dimensionnement et simulation d’une centrale PV

Chapitre III :

ETUDE D’AUGMENTATION DE PUISSANCE DE LA CENTRALE OKP

Introduction

En énergie renouvelable, il est important de signaler qu’il faut respecter un certain nombre d’étapes pour un bon dimensionnement. L’utilisation professionnel d’un logiciel relatif de simulation pour définir la conception du system PV est indispensable.

Dans ce chapitre nous présentons les démarches à suivre pour le dimensionnement d’un système photovoltaïque, Avec une application sous environnement PVSyst de la centrale OKP existante ainsi que l’extension désirée.

Dimensionnement d’une centrale photovoltaïque

Dans le cas du photovoltaïque connecté au réseau, le dimensionnement revient donc à déterminer une puissance à développer, non pas selon un besoin à couvrir, mais selon le productible qu’offrira une configuration ‘champ/onduleur’. Pour choisir les puissances crêtes à étudier, nous avons établi un état des lieux des installations photovoltaïques en Algérie. Ainsi nous nous sommes rendu compte que les puissances des installations variaient de 1.1 MWc à 30 MWc, la plupart sont des centrales de 20 MWc ¹⁹.

Pour les besoins de notre étude, nous avons estimé la production d’une centrale connectée au réseau de 24MW (la centrale Oued El Kebrit OKP avec extension proposée), et ce, en procédant à la détermination du nombre de sous centrale de la ‘centrale PV mère’, en tenant compte des aspects suivants :

• Un nombre élevé de branches ‘sous centrale’ signifié un nombre élevé d’onduleurs, ce qui implique une perte économique considérable dû au coût d’achat des onduleurs.
• Un nombre faible de branches ‘sous centrale’, comporte un risque majeur en cas de détérioration d’un onduleur, ce qui implique une perte totale ou partielle.

Détermination d’une configuration ‘champ PV/onduleur’ pour chaque installation

La détermination des configurations ‘champ photovoltaïque/onduleur’ a pour but de proposer pour chaque puissance considérée, une installation qui valorise au mieux sa production énergétique. Il est en effet, important de respecter certaines contraintes de dimensionnement pour obtenir des générateurs performants ¹⁹.

Première contrainte (compatibilité de puissance)

Une puissance de l’onduleur comprise entre 0.7 fois et 1.2 fois la puissance crête du champ. Une étude de la ‘Deutsch Gesellschaft für Sonnenenergie’ a montré que le ratio entre la puissance de l’onduleur et la puissance du champ photovoltaïque doit être comprise entre les valeurs de 0.7 et 1.2 :

𝟎. 𝟕 < 𝑷𝒐𝒏𝒅 / 𝑷𝒃𝒓𝒂𝒏𝒄𝒉𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕 < 𝟏. 𝟐

Deuxième contrainte (compatibilité en tension et en courant)

Dans le cas d’une connexion pure, il existe une interaction forte entre le champ PV et l’onduleur. Les deux équipements sont en effet directement connectés l’un à l’autre si bien que les caractéristiques de sortie du champ doivent être adaptées aux caractéristiques d’entrée de l’onduleur.

La tension maximale admissible par l’onduleur doit être au moins égale à la tension maximale fournie par le champ PV, sous peine d’endommager le matériel. Cette tension 𝑈𝑐𝑜 est fonction du nombre de modules à placer en série et de la tension maximale de circuit ouvert 𝑈𝑐𝑜 (module à Tjonctionmin) du module, obtenue des conditions minimales de température :

𝑈𝑜𝑛𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝑁𝑆𝑚𝑎𝑥 × 𝑈𝑐𝑜(module à Tjonctionmin)

L’intensité maximale admissible par l’onduleur doit être au moins égale à l’intensité maximale fournie par le champ, sous peine d’endommager le matériel. Cette intensité est fonction du nombre de modules à placer en parallèle et de l’intensité maximale de court-circuit 𝐼𝑐𝑐 (module a Tjonctionmax) du module, obtenue dans des conditions maximales de température :

𝐼𝑜𝑛𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝑁𝑃𝑚𝑖𝑛 × 𝐼𝑐𝑐(module a Tjonction.max)

Tension minimale de déclenchement de l’onduleur doit être au plus égale à la tension minimale fournie par le champ, sous peine de ne pas optimiser la production photovoltaïque. Cette tension 𝑈𝑜𝑛𝑑𝑚𝑖𝑛 est fonction du nombre de modules 𝑁𝑆𝑚𝑖𝑛 à placer en série et de la tension minimale de circuit ouvert 𝑈𝑐𝑜 (module à Tjonctionmax) du module, obtenue dans des conditions maximales de température :

𝑈𝑜𝑛𝑑𝑚𝑖𝑛 = 𝑁𝑆𝑚𝑖𝑛 × 𝑈𝑐𝑜(module a Tjonction.max )

Avec :

• 𝑈𝑐𝑜(module à Tjonctionmin) = 𝑈𝑚𝑝𝑝 × 1.15
• 𝐼𝑐𝑐(module a Tjonctionmax) = 𝐼𝑐𝑐 × 1.25
• 𝑈𝑐𝑜(module a Tjonctionmax) = 𝑈𝑚𝑝𝑝 × 0.85

Troisième contrainte

Afin d’évaluer la performance de l’installation PV nous avons introduit un coefficient qui permet l’évaluation et la comparaison technique entre les différentes technologies.

Le coefficient de performance (PR)

Le coefficient de performance PR a été introduit pour caractériser le fonctionnement des générateurs PV quelles que soient les applications envisagées. Il permet de déterminer les performances d’un système en calculant le rapport entre la productivité réelle Yf d’une installation et la productivité de référence Yr de cette même installation et ce, dans les conditions standard de fonctionnement (STC).

PR est donné par la relation suivante :

𝑃𝑅 = 𝑌𝑓 / 𝑌𝑟

Avec :

• 𝑌𝑓 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑓𝑜𝑢𝑟𝑛𝑖𝑒 𝑝𝑎𝑟 𝑙′𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑐𝑟ê𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙′𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐾𝑊ℎ⁄𝐾𝑊)
• 𝑌𝑟 = 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑞𝑢𝑜𝑡𝑖𝑑𝑖𝑒𝑛𝑛𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑠 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒𝑠 (𝐾𝑊ℎ⁄𝐾𝑤)

Calcul d’ombrage

Le calcul de la distance minimale entre les panneaux pour éviter d’ombrer une rangée sur la suivante, est donné par la relation suivante :

𝐷 = 𝑑1 + 𝑑2 = 𝑍 / tan(ℎ0) + 𝑍 / tan(𝛽) 𝐴𝑣𝑒𝑐: ℎ0 = 30.56°

Figure III.1 : Calcul de la surface de l’ombrage

Estimation de la production énergétique d’une centrale photovoltaïque

Il existe deux types de productibles ; le premier est appelé : Energie produite brute (Raw Produced Energy, RPE). Ce productible correspond à la production d’énergie électrique prenant en considération, seulement les pertes dû à l’effet de la température. Il est donné par l’expression suivante :

𝑅𝑃𝐸 = 𝑃𝑟𝑇𝑒𝑚𝑝 × ɳ𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒 × 𝑁𝑆

Le deuxième productible est connu sous le nom d’énergie produite nette (Net Produced Energy, NPE). Il correspond à l’énergie électrique fournie au réseau électrique de distribution. Il est donné par l’expression suivante :

𝑁𝑃𝐸 = 𝑅𝑃𝐸 × 𝐾

Où K, représente le rendement énergétique d’une centrale PV

Détermination du rendement énergétique d’une centrale PV

Pour estimer au mieux l’énergie nette produite par une centrale PV, il est indispensable de bien calculer son rendement énergétique. Ce rendement est donné par :

𝐾 = (1 − 𝑃𝑟𝑜𝑛𝑑) × (1 − 𝑃𝑟𝑐𝑎𝑏𝑙) × (1 − 𝑃𝑟𝑐𝑜𝑚𝑝) × (1 − 𝑃𝑟𝑎𝑑) × (1 − 𝑃𝑟𝑝𝑜𝑢𝑠𝑠) × (1 − 𝑃𝑟𝑎𝑛𝑔)

Il dépend du site d’installation et de la technologie PV. Ce facteur correspond à l’ensemble des pertes influent sur la production énergétique, à l’exception des pertes qui sont dues à l’effet de la température. L’ensemble des pertes énergétiques sont définies ci-dessous :

Pertes dues à l’adaptabilité des modules 𝑷𝒓𝒂𝒅

Lorsque que l’on connecte des modules PV en parallèle et en série, ceux-ci peuvent connaître des pertes d’adaptabilité que nous estimerons à 4%

Pertes dues aux compteurs 𝑷𝒓𝒄𝒐𝒎𝒑

Les pertes liées au compteur d’électricité sont estimées à 2%

Pertes dues aux câblages 𝑷𝒓𝒄𝒂𝒃𝒍

Les pertes liées aux câblages de connexion d’électricité entre les modules sont estimées à 2.1%

Pertes dues aux onduleurs 𝑷𝒓𝒐𝒏𝒅

Les pertes liées aux onduleurs sont données par la relation suivante :

𝑃𝑟𝑜𝑛𝑑 = (1 − ɳ𝑜𝑛𝑑 / 100 )

ɳond : Rendement de l’onduleur en pourcentage.

Pertes dues à la poussière 𝑷𝒓𝒑𝒐𝒖𝒔𝒔

Les pertes dues à la poussière et à la saleté dépendent du lieu d’installation et de la fréquence de pluies. Les valeurs annuelles typiques sont inférieures à 4 % pour les surfaces présentant un degré élevé de saleté, nous avons introduit une perte due à la poussière de 1 % pour les régions côtières, 2 % pour les Hauts Plateaux et enfin 3 % pour la région du Sahara

Pertes dues à l’angularité 𝑷𝒓𝒂𝒏𝒈

La puissance nominale d’un module PV est donnée par le fabricant selon des conditions de mesure standard (irradiation de 1000 W/m2, température environnement de 25 ° C, AM = 1.5) et pour un angle d’incidence des rayons solaires perpendiculaire au module.

Le fait que le rayonnement solaire ne frappe pas perpendiculairement le panneau implique des pertes, ce qui sera d’autant plus important que l’angle d’incidence sera plus éloigné de la perpendiculaire.

Dans notre cas, les pertes dues à l’angularité sont estimées à : 𝑃𝑟𝑎𝑛𝑔 = 2.7 %

Perte dû à la température 𝑷𝒓𝑻𝒆𝒎𝒑

Tout semi-conducteur constitué d’une jonction P-N voit ses performances se dégrader quand sa température de jonction augmente. Le silicium ne déroge pas à cette règle puisqu’une cellule PV mal ventilée ou soumise à de fortes températures verra ses performances se dégrader. A cet effet, il convient bien de quantifier cette dégradation :

La température de jonction est déterminée par la relation suivante :

𝑇𝑗𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑇 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 + 𝒌

Où k est une variable dépendante de la vitesse du vent moyenne annuelle ‘μ’ dans le lieu considéré, et de la température ambiante il est donné par :

𝑘 = 0.0138 × (1 + 0.031𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒) × (1 − 0.042μ)

On obtient donc une perte de rendement PrTemp calculée par :

𝑃𝑟𝑇𝑒𝑚𝑝 = 𝑃𝑃𝑇 × (𝑇𝑗𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒)

Avec : PPT est la perte par température ou perte de puissance des cellules photovoltaïques par °C, spécifique au module.

Figure III.2 : Méthodologie de dimensionnement et conception d’une installation PV raccordée au réseau.

Présentation des logiciels de dimensionnement

Dans cette partie nous présentons les logiciels de simulation les plus utilisés pour concevoir des systèmes photovoltaïques. Avec une comparaison entre ces programmes pour choisir le plus convenable à notre étude ²⁰.

Les critères suivants ont été pris en compte :

• Interface utilisateur
• Base données météorologiques historiques
• Informations sur le module et l’onduleur
• Tarification

Le Logiciel RETScreen

RETScreen est un logiciel de gestion des énergies propres destiné à l’analyse de faisabilité de projets d’efficacité énergétique, d’énergies renouvelables et de cogénération, ainsi qu’à l’analyse continue de la performance énergétique. Ce logiciel permet aux professionnels et aux décideurs d’identifier, d’évaluer et d’optimiser rapidement la viabilité technique et financière des projets d’énergie propre. Cette plateforme logicielle d’intelligence décisionnelle permet également aux gestionnaires de mesurer et de vérifier facilement la performance réelle de leurs installations.

Figure III.3 : Logo RETScreen

Livré avec des données météorologiques historiques de la base de données de la NASA qui couvre toutes les grandes villes du monde. Aucune possibilité d’ajouter d’autres sources de données ou des données personnalisées. Livré avec un nombre limité de modules mais pas d’onduleurs. Il n’y a aucune possibilité d’ajouter des données de module ou d’onduleur personnalisées.

Le Logiciel HOMER Pro

Développé par NREL (National Renewable Energy Laboratory) USA puis amélioré et distribué par Homer Energy est un logiciel d’optimisation de micro-réseau.

Le logiciel peut Simuler plusieurs sources d’énergie. Ajoutez plusieurs charges. Des facteurs tels que la vitesse du vent, le coût du carburant et les pénalités d’émission peuvent être inclus dans le calcul. Recherche d’emplacement par nom possible. Non spécialement conçu pour le solaire PV. Ne génère pas de données de courbe IV ni n’effectue d’analyse d’ombrage.

Figure III.4 : Logo Homer Pro

Le rapport sur la production d’électricité PV est également moins complet et détaillé en raison des informations limitées sur les données météorologiques et les données des modules. De nombreux facteurs de perte pendant la production d’énergie PV ne sont pas ajoutés au calcul. Base de données très limité sur les panneaux PV et les onduleurs.

Le Logiciel PVSyst

PVSyst est un logiciel PC pour l’étude, le dimensionnement et l’analyse de données de systèmes PV complets. Il traite des systèmes PV connectés au réseau, autonomes, de pompage et de réseau à courant continu (transport public), et comprend des bases de données complètes sur la météo et les composants des systèmes PV, ainsi que des outils généraux sur l’énergie solaire.

Les principales caractéristiques du logiciel comme une estimation rapide de la production au stade de la planification du projet, étude détaillée, dimensionnement,

Figure III.5 : Logo PVSyst

Simulation de la plupart des paramètres requis par les concepteurs de systèmes photovoltaïques et aide à générer un rapport de simulation complet.

PVSyst permet d’importer des données météo d’une dizaine de sources différentes ainsi que des données personnelles. Il comporte une base de données qui répertorie des milliers de modules et de modèles d’onduleurs, Peut également saisir des données définies par l’utilisateur.

Dans notre étude nous avons choisi le PVSyst pour simulations et applications de dimensionnement des différents systèmes photovoltaïques connectés au réseau.

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¹⁹ « Titre de l’article, » Source, Année.

²⁰ « Titre de l’article, » Source, Année.