Les défis et solutions énergétiques sont cruciaux pour garantir un avenir durable. Cette étude innovante sur un micro-système hybride de production d’énergie électrique au Cameroun révèle des résultats prometteurs, transformant la manière dont nous abordons la demande énergétique dans les zones rurales.
CHAPITRE II :
ETUDE ET DIMENSIONNEMENT D’UN MICRO- SYSTEME HYBRIDE DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE (MSHPEE)
INTRODCUTION
Pour atteindre les Objectifs du Millénaire pour le Développement et du Comité Mondial de l’Energie, il faut « faire de l’énergie durable une réalité » en concevant des systèmes de production d’énergie respectant le concept du « trilemme énergétique » qui, défini le triple défi énergétique contemporain qui consiste à privilégier une énergie sécurisée, abordable et sensible à l’environnement [34] [48].
L’un des principales étapes de ce travail est le dimensionnement et l’estimation le plus exact de la puissance à produire du MSHPEE proposé pour un besoin actuel de 45 kW, nécessitent à priori la connaissance du potentiel solaire/hydraulique qui sont les deux sources d’EnR du système énergétique proposé. Si tel est le cas, comment obtenir le potentiel qui nous permettra de recueillir les données décrivant l’évolution du rayonnement solaire disponibles sur le site du CETIC de Ngang au cours d’une période donnée ?
Quant ‘au potentiel hydraulique, comment procéderons-nous compte tenu du fait que le sous système est du type turbinage-pompe ? Ayant donc répondu à toutes ces interrogations, nous aurons à notre disposition les données nécessaires qui nous permettrons de dimensionner le MSHPEE proposé.
SCHEMA ELECTRIQUE SIMPLIFIE DU MSHPEE
Le schéma de la figure II.1 représente le MSHPEE proposé isolé du réseau de distribution d’énergie électrique.
Source: URL
Back-up
Hydro power
Figure II. 1: Schéma électrique simplifié du MSHPEE sous l’environnement PVsyst
Le système solaire PV permet d’alimenter les charges lorsque l’irradiation solaire est suffisante pour produire de l’énergie nécessaire. Quant’au système de stockage, il permet d’assurer l’ininterruption de l’approvisionnement en énergie électrique lorsque l’irradiation solaire n’est plus suffisante pour produire de l’énergie nécessaire en permettant au système hydraulique (turbinage-pompage) de prendre la relève lorsqu’il a atteint son régime normal de fonctionnement.
SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE SOLAIRE
PHOTOVOLTAIQUE
Le soleil est une étoile parmi tant d’autres qui a une vitesse de propagation de sa lumière Vs=3.109 m/s et un diamètre Ds=1, 39.109 m, soit environ 50 fois celui de la terre (Dt=1, 27.107m). Avec la distance moyenne soleil – terre Lts=1, 5.1011 m et sa lumière met environ 8 minutes pour parvenir à la terre [25].
Pour évaluer le potentiel énergétique d’un système solaire PV, il faut savoir : Le repérage du site sur la surface de la terre ;
L’influence de l’angle d’incidence des rayons solaires ;
L’influence de l’orientation ;
L’influence de l’inclinaison ;
L’influence de l’éclairement ; etc.
Etude du site
Repérage du site sur la surface de la terre
Pour repérer un site donné S sur la surface de la terre, on définit la latitude (distance angulaire (ɸ) du site S par apport au plan de l’équateur) et la longitude (angle que fait le méridien de Greenwich avec la projection du méridien du lieu sur le plan équatorial (θ)) (figure II.2) [30] [93].
Le CETIC de Ngang est situé au Cameroun, dans la région du Centre à une latitude de 3.76° N, à une longitude de 11.70° E, à une altitude de 712 m, à une inclinaison de 30° et avec un azimut de 0° (3.76,11.70 format D’M’S’’ 11°42’8.226″E, 3°45’43.603″N ; format decimal 11.702285°, 3.762112°) [85] [93].
Figure II. 2: Site du CETIC de Ngang depuis PVsyst
Données météorologiques disponibles
Les donnés météorologiques utilisées proviennent de la station météorologique Nasa- SSE obtenues à l’aide de Pvsyst (figure II.3) [84].
Figure II. 3: Valeurs météo mensuelles de Nasa-SSE depuis PVsyst
Coordonnées du soleil
Les coordonnées du soleil permettent d’évaluer le gisement solaire d’un site géographique. Elles se caractérisent par : La déclinaison du soleil
Toute application solaire nécessite la connaissance du mouvement apparent du soleil pour un point donné de la surface terrestre (figure II.4) caractérisé par sa latitude (positive pour l’hémisphère Nord) et sa longitude (méridien de Greenwich, positivement vers l’Est) [25].
Figure II. 4: Trajectoires apparentes du soleil vues par un observateur terrestre, pour un jour donné [25]
Pour l’observateur terrestre, le soleil décrit un cercle autour de l’axe de rotation de la terre déplacé à un angle δ par rapport au plan parallèle à l’équateur en considérant la déclinaison comme constante sur une journée (Figure II.5). Pour un instant quelconque, l’angle horaire AH (15° par heure soit 360°/24h) est projeté sur le plan de l’équateur, entre le soleil et le midi vrai. La position du soleil est définie par deux angles : sa hauteur HS l’angle entre le soleil et le plan horizontal du lieu, et son azimut γ, l’angle avec la direction du sud, compté négativement vers l’est (sens anti trigonométrique dans l’hémisphère Nord) (figure
II.7 ).
Figure II. 5: Définition de la position du soleil
La direction du soleil est repérée par rapport au plan équatorial de la terre grâce à un angle δ appelée déclinaison du soleil. Le mouvement du soleil se manifeste par une variation de δ entre deux valeurs extrêmes +δ et −δ par apport à l’équateur terrestre,
avec δ0=23,7°≈23, 45° [30] [95].
δ=23, 45sin(−)(II.01)
N: le nombre de jours de l’année.
II.3.1.4. Coordonnées du capteur
L’angle horaire du soleil H
C’est l’angle que fait la projection de la direction du soleil avec la direction du méridien du lieu passant par le sud. Il mesure la course du soleil dans le ciel. Il varie à chaque instant de la journée selon la relation suivante [30]:
H=15(TSV−12) (II.02)
Avec : TSV (temps repéré de façon que le soleil se trouve au zénith à midi) et H varie entre −180° et +180°.
La hauteur du soleil HS
Le calcul de la position du soleil est fonction de la déclinaison (soit le jour de l’année), la latitude et l’angle horaire. Il est effectué à l’aide des expressions suivantes [25] [30] [95]:
sin HS = sin ɸ. sin δ + cos ɸ. cos δ. cos H (II.03)
HS varie entre + 90°et −90° et on prend: HS>0 le jour, HS<0 la nuit et HS = 0 aux lever et coucher
L’azimut du soleil
La position du soleil est définie par deux angles : sa hauteur HS et son Azimut (angle avec la direction du sud, compté négativement vers l’est). La figure II.6 présente la hauteur du soleil dans le ciel en fonction de l’azimut au CETIC de Ngang au cours d’une année [25] [30].
sin = cos δ. (II.04)
Figure II. 6: Trajectoire du soleil au CETIC de Ngang (Lat. 3.76°N, long.11.7 ° E, alt. 712m)
[30].
Un capteur quelconque R est définit par deux angles γ et α en coordonnées horizontal
La hauteur de la normale du capteur γ est l’angle que fait la normale du capteur et sa projection sur le plan horizontal :
λ>0 : plan tourné le vers haut
λ<0 : plan tourné le bas
γ varie entre −90°et +90°
λ=+90° : plan horizontal tourné vers le haut λ=−90° : plan horizontal tourné vers le bas λ=0 : plan vertical
sud.
L’azimut du capteur α :
C’est l’angle que fait la projection de la normale sur le plan horizontal et la direction du
α varie entre −180°et +180°
α>0 : vers l’Ouest α<0 : vers l’Est
α =0 : plan Sud
α =−90° : plan Est orienté vers l’Est
α =+90° : plan Ouest orienté vers l’Ouest α =180° : plan Nord orienté vers le Nord
II.3.1.5. Angle d’incidence sur un capteur plan
Par définition, l’angle d’incidence i est l’angle de la direction du soleil avec la normal au plan [30].
cos(i)= cos (α – ) cos ( ) cos ( HS) + sin ( ) sin (HS) (II.05)
Figure II. 7: Angles pour un plan incliné : inclinaison β, azimut γ et l’angle d’incidence α [30]
Une surface inclinée par rapport à l’horizontale avec l’angle (ß) reçoit une puissance énergétique répartie entre le direct ; le diffus ; et le réfléchi [30] [95].
Figure II. 8: Co Rayonnement direct :
m
posants de rayonnements solaires au sol [30]
Soit un lieu de latitude (ɸ), le flux est défini par :
(ɸ)–( ) ( ) (ɸ)( )
R
= =
(II.06)
b (ɸ ) ( ) ( )
Avec Rb : rapport de flux direct
SB : flux direct pour un plan horizontal SH : flux direct horizontal
ω : déclinaison soleil
δ : angle horaire du soleil
Rayonnement diffus
Le flux à une inclinaison (β) et à l’attitude (ɸ) captée par une surface orientée face au (Sud -Est) est donné par le modèle suivant.
Db=DH=F(i). ( ) + 1− F(i). ∅( )
( )
(II.07)
incliné.
Avec h(i) la hauteur du soleil et ∅(i) l’angle d’incidence du rayon direct par rapport au
Rayonnement réfléchi
La fraction du flux réfléchi par le sol sur la surface inclinée est proportionnelle au flux global horizontal.
RB=
( )
Avec ∂ le flux global horizontal et ξ (0 ≥ ξ ≥1) l’albédo du sol.
(II.08)
Figure II. 9: Effet e l’angle d’incidence et irradiation globale distribuée
d
Questions Fréquemment Posées
Comment fonctionne le micro-système hybride de production d’énergie électrique au CETIC de Ngang ?
Le micro-système hybride de production d’énergie électrique au CETIC de Ngang utilise l’énergie solaire et hydraulique, avec un système de stockage qui assure l’approvisionnement en énergie lorsque l’irradiation solaire est insuffisante.
Quels sont les défis de production d’énergie au CETIC de Ngang ?
Les défis incluent la nécessité de concevoir des systèmes de production d’énergie qui respectent le trilemme énergétique, c’est-à-dire sécuriser une énergie abordable et respectueuse de l’environnement.
Quelle est la capacité de production d’énergie du MSHPEE proposé ?
Le MSHPEE proposé vise à répondre à un besoin actuel de 45 kW, en exploitant le potentiel solaire et hydraulique disponibles sur le site.