MODELISATION ET SIMULATION D’UN MICRO-SYSTEME HYBRIDE DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE POUR L’ALIMENTATION DU CETIC DE NGANG
Les travaux examinent la modélisation et la simulation d’un micro-système hybride de production d’énergie électrique pour le CETIC de Ngang. En exploitant l’énergie solaire et hydraulique, cette étude vise à répondre à la demande croissante en énergie électrique dans les zones rurales du Cameroun. Les résultats montrent une capacité de production significative et une réduction des émissions de CO2, soulignant l’importance du développement durable. Ce mémoire s’inscrit dans le cadre de la réforme de l’enseignement technique et de l’approche par compétence.
Université de Douala
Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique
Département de Génie Electrique Option : Electrotechnique
Diplôme de Professeur d’Enseignement Technique de deuxième grade (DIPET II)
Présentation du projet
Modélisation et Simulation d’un Micro-Système Hybride de Production d’Energie Electrique pour l’Alimentation du CETIC de Ngang
Rédigé et soutenu par : Bande Ngwa Justin & Pakel André Jean Duclos
Supervisé par : Pr. Nneme Nneme Léandre & Dr. Mengata Mengounou Ghislain
Année académique : 2016 / 2017
Le changement climatique est aujourd’hui, l’un des principaux fléaux que l’humanité fait face à cause de l’exploitation et de la consommation immodérées, voire incontrôlées
DEDICACES
DEDICACE I :
Je dédie ce travail à M. ETOUKE EBENE Eitel.
DEDICACE II :
Je dédie ce travail à la famille PAKEL.
REMERCIEMENTS
Ce travail comme tout travail académique, n’aurait pu être accompli sans le dévouement de certaines personnes que nous qualifions de spéciales et nous reconnaissons donc ici les efforts de :
• Pr. BEKOLO Claude, Directeur de l’ENSET de Douala, pour son dévouement à la
formation des élèves-professeurs ;
• Pr. NJEUGNA Ebénézer, Directeur adjoint de l’ENSET de Douala, pour son
dévouement à la formation et au suivi des élèves-professeurs ;
• Pr. MANE MANE Jeannot, Chef de division des techniques industrielles, pour son dévouement à la formation et au suivi des élèves-professeurs ;
• Pr. ESSIBEN DIKOUNDOU Jean-François, Chef de département génie électrique (GEL), pour les dispositions prises afin que nous puissions bien travailler ;
• Pr. NNEME NNEME Léandre, Chef de département génie informatique, pour avoir accepté de diriger ce travail ;
• Le Président et tous les Membres du jury, pour nous avoir fait l’honneur d’examiner ce mémoire malgré leurs multiples préoccupations. Qu’ils trouvent ici l’expression cordiale de nos profondes gratitudes ;
• Dr. MENGATA MENGOUNOU Ghislain, Encadreur de ce mémoire, pour sa disponibilité et ses multiples conseils constructifs ;
• M. MIKA Marcelin, Secrétaire du département GEL, pour sa disponibilité et son guide dans la consultation documentaire ;
• Tous les enseignants du département GEL, pour leur soutien académique ;
• M. TOGNANG MBAYA Cyrille Bienvenu, notre collègue et camarade qui n’a
ménagé aucun effort pour nous offrir ses indescriptifs services ;
• M. NASSO TOUMBA Richard, M. MFOMBOUOT CHINTOUO Alexis, Mme FOUODJI TSOTSOP Merline, M. TENGEN TEKOH Zébédée, nos compagnons académiques, pour leurs chaleureuses sympathies et collaborations scientifico- techniques et logistiques ;
• Tous nos camarades de l’ENSET de Douala, pour leur soutien ;
• Toutes nos familles respectives, pour leur soutien malgré la distance et la conjoncture ;
• La Providence, qui ne cesse chaque seconde, minute, heure, jour, semaine, mois et année de nous fortifier vues les multiples difficultés financières, académiques, sociales que nous subissons.
AVANT-PROPOS
L’Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique (ENSET) de Douala a été créée par décret présidentiel N° 260/CAB/PR du 10 Août 1979 comme un établissement de l’université de Douala et elle comprend deux cycles : le premier et le second dont sa mission est de former les enseignants d’enseignement technique, de recycler et de perfectionner les enseignants dans le cas d’une formation continue, et d’appliquer la recherche pédagogique.
D’après l’arrêté ministériel N° 042/MESRES du 09 Septembre 1991 portant organisation des enseignements et des évaluations à l’ENSET de Douala, il est prévu la rédaction d’un projet pour les élèves-professeurs de 3e et d’un mémoire pour les élèves-professeurs de 5e dont une publiquement soutenance doit être faite devant un jury ; sanctionnant ainsi la fin du second cycle en vue de l’obtention du diplôme de professeur d’enseignement technique de premier et deuxième grade (DIPET I & II) respectivement.
Ce travail s’inscrit donc dans le cadre de l’élaboration d’un mémoire qui consiste à initier l’élève-professeur à la recherche et à susciter en lui le goût de la recherche, à l’ingéniosité et à l’esprit de synthèse. C’est donc dans ce contexte que s’inscrit la rédaction de ce mémoire intitulé « MODELISATION ET SIMULATION D’UN MICRO-SYSTEME HYBRIDE DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE (MSHPEE) POUR
L’ALIMENTATION DU CETIC DE NGANG ». L’intérêt de ce travail de recherche est centré autour de trois plans : le plan technique, le plan socio- économique et le plan politico- environnemental.
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE 1
• CONTEXTE DE L’ETUDE 2
• PROBLEMATIQUE DE L’ETUDE 3
• OBJECTIFS ET HYPOTHESES DE L’ETUDE 3
• METHODOLOGIE DE L’ETUDE 4
CHAPITRE I 5
GENERALITES SUR LES ENERGIES RENOUVELABLES (EnR) ET LES SYSTEMES
HYBRIDES DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE (SHPEE) 5
• INTRODCUTION 6ENERGIE RENOUVELABLES 6Qu’est-ce que l’énergie renouvelable (EnR) ? 6Nécessité de l’énergie renouvelable (EnR) 7Types d’EnR 7ENERGIE SOLAIRE 8Unités de l’énergie solaire 9Caractéristiques du soleil, diagramme de hauteur avec silhouette des 10
• INTRODCUTION 6
• ENERGIE RENOUVELABLES 6Qu’est-ce que l’énergie renouvelable (EnR) ? 6Nécessité de l’énergie renouvelable (EnR) 7Types d’EnR 7
• Qu’est-ce que l’énergie renouvelable (EnR) ? 6
• Nécessité de l’énergie renouvelable (EnR) 7
• Types d’EnR 7
• ENERGIE SOLAIRE 8Unités de l’énergie solaire 9Caractéristiques du soleil, diagramme de hauteur avec silhouette des 10
• Unités de l’énergie solaire 9
• Caractéristiques du soleil, diagramme de hauteur avec silhouette des 10
obstacles 10
• Spectre du rayonnement solaire 10Rayonnement solaire 11Solaire photovoltaïque 12Effet photovoltaïque et principe général 13Cellules et modules PV 13Cellules PV 13Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 14Différentes technologies 16Différentes caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque 17Caractéristique courant-tension 17Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque 18Modules PV 19Caractéristiques électriques d’un module PV 19Association des modules PV 21Association des modules PV en série 21Association des modules PV en parallèle 21Association des modules PV mixte (série-parallèle) 22Panneau photovoltaïque 23Installations photovoltaïques 23Différentes configurations des installations photovoltaïques 24Différents types d’installation de systèmes PV 24Avantages et les inconvénients de l’énergie photovoltaïque 26
• Spectre du rayonnement solaire 10Rayonnement solaire 11Solaire photovoltaïque 12Effet photovoltaïque et principe général 13Cellules et modules PV 13Cellules PV 13Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 14Différentes technologies 16Différentes caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque 17Caractéristique courant-tension 17Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque 18Modules PV 19Caractéristiques électriques d’un module PV 19Association des modules PV 21Association des modules PV en série 21Association des modules PV en parallèle 21Association des modules PV mixte (série-parallèle) 22Panneau photovoltaïque 23Installations photovoltaïques 23Différentes configurations des installations photovoltaïques 24Différents types d’installation de systèmes PV 24Avantages et les inconvénients de l’énergie photovoltaïque 26
• Spectre du rayonnement solaire 10
• Rayonnement solaire 11
• Solaire photovoltaïque 12Effet photovoltaïque et principe général 13Cellules et modules PV 13Cellules PV 13Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 14Différentes technologies 16Différentes caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque 17Caractéristique courant-tension 17Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque 18Modules PV 19Caractéristiques électriques d’un module PV 19Association des modules PV 21Association des modules PV en série 21Association des modules PV en parallèle 21Association des modules PV mixte (série-parallèle) 22Panneau photovoltaïque 23Installations photovoltaïques 23Différentes configurations des installations photovoltaïques 24Différents types d’installation de systèmes PV 24Avantages et les inconvénients de l’énergie photovoltaïque 26
• Effet photovoltaïque et principe général 13
• Cellules et modules PV 13Cellules PV 13Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 14Différentes technologies 16Différentes caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque 17Caractéristique courant-tension 17Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque 18
• Cellules PV 13
• Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 14
• Différentes technologies 16
• Différentes caractéristiques d’une cellule solaire photovoltaïque 17
• Caractéristique courant-tension 17
• Schéma électrique d’une cellule photovoltaïque 18
• Modules PV 19Caractéristiques électriques d’un module PV 19Association des modules PV 21Association des modules PV en série 21Association des modules PV en parallèle 21Association des modules PV mixte (série-parallèle) 22
• Caractéristiques électriques d’un module PV 19
• Association des modules PV 21
• Association des modules PV en série 21
• Association des modules PV en parallèle 21
• Association des modules PV mixte (série-parallèle) 22
• Panneau photovoltaïque 23
• Installations photovoltaïques 23Différentes configurations des installations photovoltaïques 24Différents types d’installation de systèmes PV 24
• Différentes configurations des installations photovoltaïques 24
• Différents types d’installation de systèmes PV 24
• Avantages et les inconvénients de l’énergie photovoltaïque 26
I.3.5.7.1 Avantages de l’énergie photovoltaïque 26
I.3.5.7.2. Inconvénients de l’énergie photovoltaïque 27
• ENERGIE HYDRAULIQUE 28Définition 28Cycle hydrologique 28Différents ouvrages hydroélectriques 29Constitution générale d’une centrale hydroélectrique 29Types de barrages 30Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique 31Taille des centrales électriques 31Types de centrales hydroélectriques 32Centrales de haute chute 32Centrales de moyenne chute 32Centrales de basse chute 33Centrales marémotrices 33Centrales de pompage et de turbinage 33Types de turbines 34Sélection d’un ou plusieurs types de turbines 37Génératrices 39Génératrice synchrone en débit sur charges isolées 39
• ENERGIE HYDRAULIQUE 28Définition 28Cycle hydrologique 28Différents ouvrages hydroélectriques 29Constitution générale d’une centrale hydroélectrique 29Types de barrages 30Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique 31Taille des centrales électriques 31Types de centrales hydroélectriques 32Centrales de haute chute 32Centrales de moyenne chute 32Centrales de basse chute 33Centrales marémotrices 33Centrales de pompage et de turbinage 33Types de turbines 34Sélection d’un ou plusieurs types de turbines 37Génératrices 39Génératrice synchrone en débit sur charges isolées 39
• Définition 28
• Cycle hydrologique 28
• Différents ouvrages hydroélectriques 29Constitution générale d’une centrale hydroélectrique 29Types de barrages 30Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique 31
• Constitution générale d’une centrale hydroélectrique 29
• Types de barrages 30
• Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique 31
• Taille des centrales électriques 31
• Types de centrales hydroélectriques 32Centrales de haute chute 32Centrales de moyenne chute 32Centrales de basse chute 33Centrales marémotrices 33Centrales de pompage et de turbinage 33
• Centrales de haute chute 32
• Centrales de moyenne chute 32
• Centrales de basse chute 33
• Centrales marémotrices 33
• Centrales de pompage et de turbinage 33
• Types de turbines 34
• Sélection d’un ou plusieurs types de turbines 37
• Génératrices 39Génératrice synchrone en débit sur charges isolées 39
• Génératrice synchrone en débit sur charges isolées 39
(débit hydraulique réglable) 39
• Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées 40
• Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées 40
• Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées 40
• Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées 40
(débit hydraulique réglable) 40
• Génératrice synchrone ou asynchrone en débit sur charges isolées 41
• Génératrice synchrone ou asynchrone en débit sur charges isolées 41
• Génératrice synchrone ou asynchrone en débit sur charges isolées 41
• Génératrice synchrone ou asynchrone en débit sur charges isolées 41
(cas d’un débit hydraulique non réglable) 41
• Avantages et inconvénients de la technologie hydraulique 42Avantages 42Inconvénients 42SYSTEME DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE 43Caractéristiques principales d’une batterie 43Types d’accumulateurs 44Association des batteries 45ETAT DE L’ART SUR LES SHPEE 45Origine de la notion de système hybride (SH) 46Principaux composants d’un SHPEE 46Configuration des SHPEE 46Système de supervision 48Classification des SHPEE 49Avantages et inconvénients d’un système hybride 50Avantages 50Inconvénients 50Régulateur de charge 50Types de régulateurs 50Régulateurs MPPT (maximum power point tracker) 51Convertisseurs 51Charges 52CONCLUSION 52
• Avantages et inconvénients de la technologie hydraulique 42Avantages 42Inconvénients 42
• Avantages et inconvénients de la technologie hydraulique 42Avantages 42Inconvénients 42
• Avantages 42
• Inconvénients 42
• SYSTEME DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE 43Caractéristiques principales d’une batterie 43Types d’accumulateurs 44Association des batteries 45
• Caractéristiques principales d’une batterie 43
• Types d’accumulateurs 44
• Association des batteries 45
• ETAT DE L’ART SUR LES SHPEE 45Origine de la notion de système hybride (SH) 46Principaux composants d’un SHPEE 46Configuration des SHPEE 46Système de supervision 48Classification des SHPEE 49Avantages et inconvénients d’un système hybride 50Avantages 50Inconvénients 50
• Origine de la notion de système hybride (SH) 46
• Principaux composants d’un SHPEE 46
• Configuration des SHPEE 46
• Système de supervision 48
• Classification des SHPEE 49
• Avantages et inconvénients d’un système hybride 50Avantages 50Inconvénients 50
• Avantages 50
• Inconvénients 50
• Régulateur de charge 50Types de régulateurs 50Régulateurs MPPT (maximum power point tracker) 51
• Types de régulateurs 50
• Régulateurs MPPT (maximum power point tracker) 51
• Convertisseurs 51
• Charges 52
• CONCLUSION 52
CHAPITRE II 54
ETUDE ET DIMENSIONNEMENT D’UN MICRO-SYSTEME HYBRIDE DE
PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE (MSHPEE) 54
• INTRODCUTION 55SCHEMA ELECTRIQUE SIMPLIFIE DU MSHPEE 55SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE SOLAIRE 56
• INTRODCUTION 55
• SCHEMA ELECTRIQUE SIMPLIFIE DU MSHPEE 55
• SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE SOLAIRE 56
PHOTOVOLTAIQUE 56
• Etude du site 56Repérage du site sur la surface de la terre 56Données météorologiques disponibles 57Coordonnées du soleil 57Coordonnées du capteur 59Angle d’incidence sur un capteur plan 60Bilan énergétique 62Energie reçue par un capteur photovoltaïque 62Estimation de l’énergie instantanée (ciel clair) 62Estimation de l’énergie instantanée (ciel couvert) 62Estimation de l’énergie journalière incidente 63Estimation de l’énergie annuelle incidente 63Energie produite 63Puissance fournie par un système PV 64Puissance fournie par un GPV 64Dimensionnement du système solaire, du système de stockage et régulateur 65Choix des composants 65Choix des composants du système de stockage 66Paramètres de simulation 67Principaux résultats après simulation 68Bilan énergétique 68Diagramme des pertes sur l’année entière 69SYSTEME DE STOCKAGE D’ENERGIE 70SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE HYDRAULIQUE 72Schéma synoptique du système hydraulique 72Méthode simple de dimensionnement 73Evaluation des besoins en eau 73Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire 73Dimensionnement du sous-système pompage 74Choix de la vanne 75Dimensionnement du sous-système turbinage 76CONCLUSION 78
• Etude du site 56Repérage du site sur la surface de la terre 56Données météorologiques disponibles 57Coordonnées du soleil 57Coordonnées du capteur 59Angle d’incidence sur un capteur plan 60Bilan énergétique 62Energie reçue par un capteur photovoltaïque 62Estimation de l’énergie instantanée (ciel clair) 62Estimation de l’énergie instantanée (ciel couvert) 62Estimation de l’énergie journalière incidente 63Estimation de l’énergie annuelle incidente 63Energie produite 63Puissance fournie par un système PV 64Puissance fournie par un GPV 64Dimensionnement du système solaire, du système de stockage et régulateur 65Choix des composants 65Choix des composants du système de stockage 66Paramètres de simulation 67Principaux résultats après simulation 68Bilan énergétique 68Diagramme des pertes sur l’année entière 69
• Etude du site 56Repérage du site sur la surface de la terre 56Données météorologiques disponibles 57Coordonnées du soleil 57Coordonnées du capteur 59Angle d’incidence sur un capteur plan 60
• Repérage du site sur la surface de la terre 56
• Données météorologiques disponibles 57
• Coordonnées du soleil 57
• Coordonnées du capteur 59
• Angle d’incidence sur un capteur plan 60
• Bilan énergétique 62Energie reçue par un capteur photovoltaïque 62Estimation de l’énergie instantanée (ciel clair) 62Estimation de l’énergie instantanée (ciel couvert) 62Estimation de l’énergie journalière incidente 63Estimation de l’énergie annuelle incidente 63Energie produite 63Puissance fournie par un système PV 64Puissance fournie par un GPV 64
• Energie reçue par un capteur photovoltaïque 62
• Estimation de l’énergie instantanée (ciel clair) 62
• Estimation de l’énergie instantanée (ciel couvert) 62
• Estimation de l’énergie journalière incidente 63
• Estimation de l’énergie annuelle incidente 63
• Energie produite 63
• Puissance fournie par un système PV 64
• Puissance fournie par un GPV 64
• Dimensionnement du système solaire, du système de stockage et régulateur 65Choix des composants 65Choix des composants du système de stockage 66Paramètres de simulation 67Principaux résultats après simulation 68Bilan énergétique 68Diagramme des pertes sur l’année entière 69
• Choix des composants 65
• Choix des composants du système de stockage 66
• Paramètres de simulation 67
• Principaux résultats après simulation 68
• Bilan énergétique 68
• Diagramme des pertes sur l’année entière 69
• SYSTEME DE STOCKAGE D’ENERGIE 70
• SYSTEME DE PRODUCTION D’ENERGIE HYDRAULIQUE 72Schéma synoptique du système hydraulique 72Méthode simple de dimensionnement 73Evaluation des besoins en eau 73Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire 73Dimensionnement du sous-système pompage 74Choix de la vanne 75Dimensionnement du sous-système turbinage 76
• Schéma synoptique du système hydraulique 72
• Méthode simple de dimensionnement 73Evaluation des besoins en eau 73Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire 73Dimensionnement du sous-système pompage 74Choix de la vanne 75Dimensionnement du sous-système turbinage 76
• Evaluation des besoins en eau 73
• Calcul de l’énergie hydraulique nécessaire 73
• Dimensionnement du sous-système pompage 74
• Choix de la vanne 75
• Dimensionnement du sous-système turbinage 76
• CONCLUSION 78
CHAPITRE III 79
MODELISATION ET SIMULATION DU MICRO-SYSTEME HYBRIDE DE PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE (MSHPEE) SOUS L’ENVIRONNEMENT MATLAB/SIMULINK 79
ELECTRIQUE (SHPEE) 79
III.1. INTRODCUTION 80
• SYSTEME HYDRAULIQUE 80Régulateur de la turbine hydraulique 81Model mathématique du régulateur de la turbine 81Modélisation du régulateur de la turbine 82Modélisation du servo-moteur hydroélectrique 83Modélisation de la turbine hydraulique 83Modélisation du régulateur de la turbine hydraulique 85Modélisation du générateur synchrone 86Diagramme général du micro-système hydraulique 86Visualisation des signaux 88SYSTEME SOLAIRE 92Champ PV 92Contrôleur de l’onduleur unidirectionnel du système solaire 94Diagramme générale du système solaire 96Simulation système solaire 97SYSTEME DE STOCKAGE 98Hybridation du MSHPEE 100Hybridation du système hydraulique et du système de stockage 101Hybridation du système solaire et du système de stockage 104CONCLUSION 107
• SYSTEME HYDRAULIQUE 80Régulateur de la turbine hydraulique 81Model mathématique du régulateur de la turbine 81Modélisation du régulateur de la turbine 82Modélisation du servo-moteur hydroélectrique 83Modélisation de la turbine hydraulique 83Modélisation du régulateur de la turbine hydraulique 85Modélisation du générateur synchrone 86Diagramme général du micro-système hydraulique 86Visualisation des signaux 88
• Régulateur de la turbine hydraulique 81Model mathématique du régulateur de la turbine 81Modélisation du régulateur de la turbine 82
• Model mathématique du régulateur de la turbine 81
• Modélisation du régulateur de la turbine 82
• Modélisation du servo-moteur hydroélectrique 83
• Modélisation de la turbine hydraulique 83
• Modélisation du régulateur de la turbine hydraulique 85
• Modélisation du générateur synchrone 86
• Diagramme général du micro-système hydraulique 86
• Visualisation des signaux 88
• SYSTEME SOLAIRE 92Champ PV 92Contrôleur de l’onduleur unidirectionnel du système solaire 94Diagramme générale du système solaire 96Simulation système solaire 97
• Champ PV 92
• Contrôleur de l’onduleur unidirectionnel du système solaire 94
• Diagramme générale du système solaire 96
• Simulation système solaire 97
• SYSTEME DE STOCKAGE 98
• Hybridation du MSHPEE 100Hybridation du système hydraulique et du système de stockage 101Hybridation du système solaire et du système de stockage 104
• Hybridation du système hydraulique et du système de stockage 101
• Hybridation du système solaire et du système de stockage 104
• CONCLUSION 107
CHAPITRE IV 108
ASPECT FINANCIER ET INTERET DU MICRO-SYSTEME HYBRIDE DE
PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE (MSHPEE) 108
IV.1 INTRODUCTION 109
• ASPECT FINANCIER 109Système solaire PV 109Système hydraulique 109
• ASPECT FINANCIER 109Système solaire PV 109Système hydraulique 109
• Système solaire PV 109
• Système hydraulique 109
IV. 3 JUSTIFICATION DE LA RECHERCHE 111
• Intérêt de la recherche 111Résultats des enquêtes 112
• Intérêt de la recherche 111Résultats des enquêtes 112
• Intérêt de la recherche 111
• Résultats des enquêtes 112
IV.4. CONCLUSION 114
CONCLUSION GENERALE 115
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ………………………………………………………………….
………
118
ANNEXES 126
………
LISTE DES FIGURES
Figure I.1 : Energies renouvelables 8
Figure I.2 : Raccordement des panneaux-onduleur-réseau 9
Figure I.3 : Carte du monde de l’irradiation moyenne annuelle en 10
Figure I.4: Réponse spectrale d’une cellule PV 11
Figure I.5 : Rayonnement solaire transmis à la terre 12
Figure I.6: Constituants d’un système solaire 13
Figure I. 7: Schéma de principe du fonctionnement d’une cellule photovoltaïque 15
Figure I. 8: Diagramme de bandes d’énergie au voisinage de la jonction 15
Figure I. 9: Principaux types des cellules photovoltaïques 17
Figure I. 10: Caractéristique courant-tension et grandeurs physiques associées 17
Figure I. 11: Schéma électrique du modèle équivalent à une diode d’une cellule 18
Figure I. 12: Exemple de caractéristique courant – tension d’un module PV 20
Figure I. 13: Caractéristiques d’un groupement série modules PV identiques 21
Figure I. 14: Caractéristiques d’un groupement 22
Figure I. 15: Caractéristiques d’un groupement mixte des modules PV identiques 22
Figure I. 16: Distinction terminologie 23
Figure I. 17: Installations PV autonome 24
Figure I. 18: Installation PV couplée au réseau 25
Figure I. 19: Injection des excédents de la production au réseau (à gauche) et Injection de la26 Figure I. 20: Cycle hydrologique 29
Figure I. 21: structure générale d’une centrale hydroélectrique 30
Figure I. 22: Barrage-poids 30
Figure I. 23: Barrage-voûte 30
Figure I. 24: Barrage avec contreforts 31
Figure I. 25: Principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique 31
Figure I. 26: Structure générale d’une centrale de haute chute 32
Figure I. 27: Structure générale d’une centrale de basse chute 33
Figure I. 28: Structure générale d’une centrale marémotrice : marée montante (gauche) et marée descendante (droite) 33
Figure I. 29: Structure générale d’une centrale de pompage et de turbinage (STEP) 34
Figure I. 30: Coupe d’une turbine Pelton (gauche) et photo (droite) 34
Figure I. 31: Coupe d’une turbine Francis (gauche) et photo (droite) 35
Figure I. 32: Coupe d’une turbine Kaplan (gauche) et photo (droite) 35
Figure I. 33: Coupe d’une turbine Cross Flow ou Banki (gauche) et photo (droite) 36
Figure I. 34: De gauche à droite-turbine Lynx, Léopard, Lion et Tigre 36
Figure I. 35: Domaine d’utilisation des différents types de turbines 38
Figure I. 36: Forme des courbes de rendement de différentes turbines 39
Figure I. 37: Génératrice synchrone en débit sur charges isolées 40
Figure I. 38: Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées 41
Figure I. 39: Génératrice asynchrone en débit fixe sur charges isolées 41
Figure I. 42 : Caractéristique charge et décharge d’une batterie 43
Figure I. 43: Construction d’une batterie plomb-acide 44
Figure I. 44: Construction d’une batterie Nickel- cadmium 45
Figure I. 45: Batteries de 24 V en série/parallèle 45
Figure I. 46: Batteries de 24 V en parallèle 45
Figure I. 47: Configuration du SEH à bus CC 47
Figure I. 48: Configuration du SEH à bus CA 47
Figure I. 49: Configuration du SEH à deux bus à CC et à CA 48
Figure I. 50: Système de supervision d’un SHPEE 49
Figure I. 51: Schéma d’un régulateur 51
Figure I. 52: Schéma d’un régulateur 51
Figure II. 1: Schema electrique simplifie du mshpee sous l’environnement pvsyst 55
Figure II. 2: Site du cetic de ngang depuis pvsyst 56
Figure II. 3: Valeurs meteo mensuelles de nasa-sse depuis pvsyst 57
Figure II. 4: Trajectoires apparentes du soleil vues par un observateur terrestre, pour un jour donne 58
Figure II. 5: Definition de la position du soleil 58
Figure II. 6: Trajectoire du soleil au cetic de ngang (lat. 3.76°n, long.11.7 ° e, alt. 712m) 59
Figure II. 7: Angles pour un plan incline : inclinaison β, azimut γ et l’angle d’incidence 60
Figure II. 8: Composants de rayonnements solaires au sol 61
Figure II. 9: Effet de l’angle d’incidence et irradiation globale distribuee 61
Figure II. 10: Choix des composants du systeme pv 65
Figure II. 11: Orientation des panneaux sur le site du cetic de ngang 66
Figure II. 12 : Choix des composants du systeme de stockage 66
Figure II. 13: Schema synoptique du systeme solaire 67
Figure II. 14: Succes de la simulation 68
Figure II. 15: Production normalisee, indice de performance et fraction solaire 68
Figure II. 16: Bilans et resultats principaux de la simulation 69
Figure II. 17: Arbre des energies du systeme pv associe au systeme de stockage 69
Figure II. 18: Etat de charge du systeme de stockage 71
Figure II. 19: Schema synoptique du systeme hydraulique 72
Figure II. 20: Symbole (gauche) et photo (droite) de l’electrovanne 76
Figure III. 1: Configuration du MSHPEE 80
Figure III. 2: Diagramme fonctionnel d’un systeme hydraulique 81
Figure III. 3: Modele simulink du regulateur 82
Figure III. 4: Diagramme du servo-moteur hydroelectrique 83
Figure III. 5: Modele de la turbine hydraulique 85
Figure III. 6: Modele du regulateur de la turbine hydraulique 85
Figure III. 7: Modele de la generatrice synchrone 86
Figure III. 8: Diagramme general du systeme hydraulique 87
Figure III. 9: Parametrage de l’alternateur 88
Figure III. 10 : Courbes de la vitesse du rotor (pu), de la puissance electrique (pu) et de la puissance reactive (pu) 89
Figure III. 11 : Courant dans le stator de la generatrice synchrone 89
Figure III. 12: Courbes tensions et courants de l’alternateur 90
Figure III. 13: Courbes des tensions simples et de la puissance electrique 89
Figure III. 14: Diagramme du champ PV 92
Figure III. 15 : Parametrage du champ PV 92
Figure III. 16: Courbes du courant et de la puissance du champ PV 90
Figure III. 17: Courbe de la tension en fonction du courant et celle de la tension en fonction de la puissance a 25 et 45° du champ PV 93
Figure III. 18 : Courbe de la tension, du courant a la sortie du champ PV et du courant dans les diodes « anti-retours » 94
Figure III. 19: Module de l’onduleur 95
Figure III. 20: Tension de l’onduleur du champ PV 95
Figure III. 21: Diagramme general du systeme solaire 96
Figure III. 22: Courbes des tensions, des courants triphases et de la puissance 97
Figure III. 23: Diagramme du systeme de stockage 98
Figure III. 24: Parametrage du systeme de stockage 98
Figure III. 25: Fonctionnement de la batterie 99
Figure III. 26: Courbes de la tension et du courant de charge de la batterie, et l’etat de charge
(SOC) 99
Figure III. 27: Diagramme general du MSHPEE 100
Figure III. 28: Diagramme du systeme hydraulique et du systeme de stockage 101
Figure III. 29 : Courbes des tensions simples du systeme hydraulique et du systeme 101
Figure III. 30: Courbes des tensions composees du systeme hydraulique et du systeme 102
Figure III. 31: Courbes des courants simples du systeme hydraulique et du systeme 103
Figure III. 32: Courbes de la puissance active et reactive du systeme hydraulique et du systeme 103
Figure III. 33 : Diagramme du systeme solaire et du systeme de stockage du MSHPEE 104
Figure III. 34: Courbes des tensions simples du systeme solaire pv et du systeme 105
Figure III. 35: Courbes des tensions composees du systeme solaire pv et du systeme de stockage 105
Figure III. 36: Courbes des courants simples du systeme solaire pv et du systeme 106
Figure III. 37: Courbes de la puissance active et reactive du systeme solaire pv et du systeme de stockage 107
Figure IV. 1: Amortissement de l’investissement d’emission de partiel du projet 111
Figure IV. 2 : Reduction annuelle brute ges a 100% (RETSCREEN) 113
LISTE DES TABLEAUX
Tableau I. 1: Technologies de cellules photovoltaïques 16
Tableau I. 2: Classification des SHPEE par gamme de puissance 49
Tableau IV.1 : Devis estimatif partiel du projet 110
LISTE DES ABREVIATIONS
ADEME : Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie
APC : Approche Par Compétence
ASTM : Société américaine de test et de matériaux BoS : Balance of System
CA : Courant alternatif CC : Courant continu
CCNUCC : Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques CETIC : Collège d’Enseignement Technique Industriel et Commercial
CO2 : Dioxyde de carbone
CPA : Competence-Based Approach
CRE : Commission régulation de l’énergie
EET : Etablissement d’Enseignement Technique
EnR : EnergieRrenouvelable
ENSET : Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique
GES : Gaz à Effet de Serre GHS: Greenhouse gas
GPV : Générateur photovoltaïque GTC : Government Technical College GW : Gigawatt
HMSPEE: Hybrid micro-system of production of electrical energy HOMER : Hybrid Optimization of Multiple Electric Renewables hp : Constante de Planck
HSPEE: Hybrid system of production of electrical energy IGBT : Implement insulated gate bipolar transistor
ISES: International Solar Energy Society
ISO : Organisation internationale de standardisation
J. m-2 : Joule par mètre carré
kWc/m2 : Kilowatt crête par mètre carré kWh : kilowattheure
LABENRE :Llaboratoire des énergies renouvelables MATLAB : Matrix Laboratory
MCH : Micro-centrale hybride
MPPT: Maximum Power Point Tracker
MSHa : Modélisation du micro-système hydraulique
MSHPEE : Micro-système hybride de production d’énergie électrique
NASA: National Aeronautics and Space Administration Nasa-SSE: Surface Meteorology and Solar Energy program PID : Proportional-integrator-derivative
PV : Photovoltaïque PVsyst: Photovoltaïc system
Rs , Rsh : Résistance série et de dérivation ou shunt
• : Système international d’unités
• : Système international d’unités
SEH : Système d’Energie Hybride
SER : Syndicat des EnergiesRrenouvelables SH : Système Hybride
SHPEE : Système Hybride de Production d’Energie Electrique
SIMULINK : Simulation and mode-based design STEP : Stations de transfert d’énergie par pompage TEI: Technical education institutions
W/m2 : Watt par mètre carré
λph : Longueur d’onde
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